3D-MID에 집중: 원리, 공정 및 실용적 사용
전자 부품의 소형화와 제조 및 조립 공정의 개선으로 인해, 디자인 트렌드는 점점 더 작고 고성능의 장치로 이동하고 있습니다. 예를 들어, 스마트워치와 스마트 글래스는 이제 강력한 프로세서, 디스플레이, 카메라, 마이크, 스피커, 블루투스, Wi Fi, 내장 안테나 등 다양한 기능을 통합하고 있습니다.
이러한 진화는 디자이너들에게 전자 부품이 차지하는 공간을 지속적으로 줄여야 하는 도전을 제시합니다. 한 가지 해결책은 3D-MID 기술로, 기계적 및 전자 부품의 통합을 가능하게 합니다. 디자인 도구 분야의 선두주자인 Altium은 시장에서 독특한 솔루션을 제공합니다. 즉, 3차원 회로 디자인을 위한 솔루션입니다.
3D-MID란 무엇인가?
3D-MID는 3차원 메카트로닉 통합 장치를 의미하는 약어입니다. 이 기술은 부품 자체의 재료를 기판으로 사용하여 전자 부품을 기계적 구성요소에 직접 통합하는 기술을 말합니다. 이 접근 방식은 전도성 트레이스 형성과 플라스틱에 직접 구성 요소 패드를 추가할 수 있게 함으로써, 다음 예시 그림에서 보여주듯이 가능해집니다:
다시 말해, 이 방법은 기판이 ABS나 폴리카보네이트와 같은 기계 부품과 동일한 재료로 된 PCB를 만들어 별도의 PCB와 그 조립이 필요 없게 함으로써 공간을 절약합니다. 이 방법은 공간을 절약할 뿐만 아니라 설계자들이 회로를 복잡한 기하학적 형태—곡선이든 각진 형태든—에 맞출 수 있게 해주어 전통적인 방법의 한계를 극복하게 합니다. 유연한 PCB를 사용할 때에도 비틀림 각도를 고려하고, 기계 구조 내에 적절한 라우팅 경로를 만들며, 원치 않는 움직임이 손상으로 이어지지 않도록 마운팅 포인트를 확보하는 것이 중요합니다.
이 기술 뒤에 있는 제조 과정은 레이저 직접 구조화(LDS)라고 불립니다. LPKF에 의해 특허 받은 이 과정은 비전도성 금속 화합물이 첨가된 열가소성 물질을 사출 성형하는 것을 포함합니다. 그 후 레이저가 이 화합물을 활성화시켜 PCB 트레이스를 형성합니다. 또한, 3D 프린팅은 사출 성형에 대한 대안으로서, 이 기술의 접근성을 넓힐 수 있습니다.
이 기술은 와이어 본딩과 같은 기술과도 결합될 수 있습니다.
3D-MID의 역사, 현재, 그리고 미래
LDS 기술은 1990년대 후반에 독일 렘고에 위치한 응용과학대학교인 Technische Hochschule Ostwestfalen Lippe (THOWL)과 LPKF의 협력을 통해 개발되었습니다. 이용 권리는 2022년까지 LPKF가 보유하고 있었으며, 그 후 모든 특허가 해당 회사로 이전되었습니다.
3D-MID가 새로운 기술은 아니며 다양한 분야에 적용되어 왔지만, HARTING과 같은 회사들이 다양한 산업 분야에 걸쳐 그 사용을 적극적으로 홍보함에 따라 산업에 미치는 영향이 커지고 있습니다. Altium과 같은 전자 설계 자동화(EDA) 도구의 발전은 PCB 디자이너들이 이 기술에 더 쉽게 접근할 수 있게 만들어 줍니다.
앞으로 3D-MID 기술의 미래는 매우 밝습니다. 현재 LDS 공정은 단일 구리 층만을 지원하지만(복잡한 기하학적 형태와 함께), 곧 다층 설계를 가능하게 하는 발전이 이루어질 수 있습니다. 이러한 진보는 신호 층에 통합된 고속 버스와 제어 임피던스를 가능하게 할 것입니다. 더욱이, 3D 프린터는 기술과 그 응용 분야를 발전시키는 데 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.
3D-MID의 응용 분야는 무엇인가요?
3D-MID 기술은 다음과 같은 다양한 분야에 걸쳐 광범위한 응용 가능성을 제공합니다:
- 자동차: 기후 제어 시스템, 스위치, 기계적으로 통합된 안테나, LED 조명, 그리고 적응형 크루즈 컨트롤(ACC)에 사용되는 센서.
- 안테나 통합: 안테나를 기계 설계에 직접 통합함으로써 구성 요소의 기하학적 형태에 맞게 조정합니다. 이 혁신은 공간을 절약할 뿐만 아니라 고주파에서 중요한 이점인 3차원 설계를 가능하게 합니다. RFID에서는 안테나를 별도의 PCB가 필요 없이 하우징 내부에 칩과 함께 직접 장착하여 생산 비용을 줄일 수 있습니다.
- 의료 기기: 3D-MID에 의해 가능해진 소형화와 무게 감소는 케이싱에 전자 장치를 통합한 보청기와 같은 혁신적인 기기의 생성을 허용합니다. 이는 덜 침습적인 치료와 새로운 약물 전달 시스템을 결과로 합니다.
- 산업 응용: 드론부터 RFID 태그, 결제 터미널에 이르기까지, 3D-MID는 공간과 무게를 최적화하며 제조 공정을 간소화합니다. 보안 응용에서는 변조 탐지 및 물리적 보호를 강화합니다.
HARTING과 같은 제조업체들은 이러한 응용을 지원하기 위해 전문적인 구성 요소 캐리어와 PCB 확장기를 개발하기도 했습니다.
그리고... 3D-MID 기술을 사용한 디자인 프로세스는 무엇인가요?
이 섹션은 Altium Designer 25를 사용하여 기본 디자인을 생성하기 위한 단계를 간략하게 개요합니다:
- 부품 선택: 전기 부품이 통합될 3D 부품을 설계하거나 선택하세요. 설계 규칙을 따라야 적절한 트레이스 라우팅과 부품 배치를 보장할 수 있습니다(곡률 반경과 평평한 장착 영역과 같은 요소를 고려). 예를 들어, Hammond Manufacturing의 ABS 인클로저를 사용할 수 있습니다; 이 경우, 하단 커버에는 커넥터, LED, 저항기가 배치될 수 있습니다.
- 프로젝트 생성: Altium에서 새 프로젝트를 생성하고, 회로도를 추가한 다음 편집하세요. 이 예제에서는 회로도를 간단하게 유지합니다.
- PCB 문서: 다음으로, PCB3D 옵션을 선택하여 새 PCB 문서를 생성합니다. Altium은 3D 부품(STEP 또는 IGES 형식)을 선택하라는 메시지를 표시합니다. 이 예제에서는 제조업체의 웹사이트에서 인클로저를 선택하고 Altium이 새 기판으로 로드합니다.
- 설계 전송: 기존 설계와 마찬가지로 설계를 PCB로 전송합니다. 표준 PCB처럼 PCB 파일에 부품이 로드됩니다.
- 부품 배치 및 라우팅: 부품을 표면에 배치하고 그에 따라 라인을 트레이스하세요.
- 내보내기: 설계가 완료되면 파일 » 내보내기 » 3D MID를 통해 3D-MID 설계 데이터를 내보냅니다. 내보낸 데이터에는 LDS 공정에 필요한 기판과 구리 패턴이 STEP 어셈블리로 포함되어 있으며, 3D 픽 앤 플레이스 파일도 함께 제공됩니다.
제조 및 조립 공정은 무엇인가요?
레이저 직접 구조화(LDS)로 알려진 제조 공정에는 여러 핵심 단계가 포함됩니다:
- 사출 성형: 승인된 첨가제가 포함된 열가소성 재료를 사용하는 단일 구성 요소 사출 성형 공정입니다. 이 방법은 저량 생산에 비용이 많이 들 수 있지만, 3D 프린팅은 비용 효율적인 대안을 제공합니다.
- 레이저 활성화 및 구조화: 레이저 빔이 열가소성 재료 내의 비전도성 금속 입자를 활성화하여 회로 트레이스를 형성합니다.
- 금속화: 무전해 공정이 니켈층을 적용한 다음 얇은 금층을 적용합니다.
- 조립: 표준 표면 실장 기술(SMT) 공정이 구성 요소 배치와 솔더 리플로우에 사용됩니다.
이 기술의 한계는 무엇인가요?
3D-MID 기술은 여러 가지 장점에도 불구하고 몇 가지 한계가 있습니다:
- 기판으로 사용되는 첨가물질은 표면에서 레이저에 의해서만 활성화될 수 있으며, 단 한 번만 가능합니다. 이는 현재 기술이 외부 층이 양면에서 활성화되는 경우를 제외하고는 단일 층 설계만 지원한다는 것을 의미합니다.
- 이 제한은 특정 접지면 사이에 내장된 차동 쌍이나 제어된 임피던스가 필요한 고속 신호의 라우팅에 대한 그 적용을 제한합니다.
- 다른 설계 제한 사항으로는 최소 트레이스 두께, 도체 간의 간격, 비아 유형, 표면 마감 옵션, 전원 평면의 가용성, 고밀도 구성 요소 보드의 도전 과제 및 BGAs 또는 WLCSPs와 같은 매우 작은 패키지의 문제가 있습니다.
결론
3D-MID: 새로운 도전에 대한 해결책
오늘날 기기가 점점 더 컴팩트해지는 빠르게 변화하는 환경에서, 혁신적인 기술의 등장은 필수적입니다. 3D-MID 기술은 디자이너들이 복잡한 기하학적 형태에 따라 3차원 부품의 표면에 직접 회로를 만들 수 있게 해줍니다. 이는 공간을 절약할 뿐만 아니라 별도의 PCB 조립 공정을 제거함으로써 생산 비용을 줄이는 데에도 도움이 됩니다.
Altium Designer는 3D-MID 설계 도구로서
Altium Designer 25는 표준 전자 설계 워크플로우에 완벽하게 통합되어 3D-MID 설계에 이상적인 도구로 자리매김합니다. 기존 라이브러리와 전통적인 설계 프로세스를 활용함으로써, 설계자들은 스키마틱을 3D 모델과 동기화하고, 3D 표면에 직접 구성 요소를 배치하며, 전통적인 도구를 사용하여 라우팅할 수 있습니다. HARTING과 같은 제조업체들은 3D MID 애플리케이션을 위한 선호 도구로 Altium Designer를 추천합니다.
설계 및 제조 제한 사항
3D-MID 기술이 내재한 설계 및 제조 제한 사항을 인정하는 것이 중요합니다. 설계자들은 제조업체가 승인한 재료를 사용해야 하며, 지나치게 복잡한 전기 설계를 피하고, 다층 스택업, 비관통 홀 비아, 정밀한 임피던스 제어가 필요한 고속 라인을 피해야 합니다. 또한, 특히 레이저 활성화와 구성 요소 위치 지정과 관련된 기계적 제약 사항을 신중하게 고려해야 합니다.
