수동 프로토타이핑을 위한 설계와 제약을 벗어던지세요

"수동 프로토타이핑"이라는 용어는 몇 가지 다른 의미를 가질 수 있습니다. 집에서 PCB를 제작하고 조립하는 것, 모듈을 모아 작은 시스템을 만드는 것, 또는 단순한 프로토타입의 수동 조립을 의미할 수 있습니다. 처음 설계하는 것 중 하나를 만들고 있다면, 조립 과정을 직접 거치고 싶을 수 있습니다. 더 나아가, 일부 초보 디자이너는 집에서 염화제이철 용액을 사용하여 자신의 보드를 에칭하고 싶어할 것입니다.

PCB에 대한 수동 프로토타이핑을 선택하는 것은 일반적으로 비용 문제로 귀결됩니다. 직접 수행하면 돈 측면에서 비용이 절감되지만, 무언가를 올바르게 조립하기 위해서는 시간과 노력이 필요합니다. 프로토타입을 어떻게 하든, 수동으로 프로토타입을 구축하는 데 시간을 투자하여 최대한의 이익을 얻기 위한 몇 가지 간단한 단계가 있습니다.

수동 프로토타이핑을 위한 설계 시 유용한 팁

아래에 설명된 팁은 모든 구성 요소를 배치한 후 프로토타입 디자인을 쉽게 조립하고 구성할 수 있도록 도와줄 것입니다.

1. 올바른 장비를 갖추십시오

먼저, 프로토타입 PCB에 무엇인가를 손으로 납땜하고 싶다면, 올바른 장비가 필요합니다. 납땜 인두를 사용한 수동 조립이나 핫 에어 건을 사용한 조립 모두 적합한 옵션이며, Mark Harris의 방법을 따라 자신만의 리플로우 오븐을 만들 수도 있습니다. 여기 필요한 것들의 간단한 목록이 있습니다:

• 다양한 팁이 있는 핸드 납땜 인두 스테이션(JBC 또는 Weller 같은)
• SMT 또는 리워크용 핫 에어 건
• 납선 및 납 페이스트
• 주사기나 펜에 담긴 분산 가능한 납 플럭스
• 리워크용 탈납 위크
• 세척제(마찰 알코올)
• 작은 SMD 부품용 좋은 집게 세트

이것은 실험실에 필요한 것들의 전부는 아니지만, 보드를 수동으로 조립하기 시작하는 데 필요한 것들입니다.

2. 수동 부품의 올바른 SMD 컴포넌트 크기 사용하기

많은 수동 프로토타입은 다루기 쉽고 수작업으로 조립하기 쉬운 관통 구멍 부품만을 사용합니다. 그러나 더 현대적인 디지털 부품을 사용하고 싶다면, 이러한 부품들이 더 고급 장치에 대한 표준 패키징이기 때문에 SMD 부품을 사용해야 합니다. 또한 많은 커넥터, 패시브 및 전력 부품들이 SMD 부품으로 제공됩니다.

패시브의 경우, SMD 패시브는 여러 크기로 제공되며, 가장 작은 것은 0201(20밀리 x 10밀리)이고 가장 큰 것은 2512입니다. 0201 패시브는 수작업으로 납땜하기 매우 어렵고, 실험실 벤치 뒤에서 이러한 부품들을 신비롭게 잃어버리게 되는 일에 놀라지 마십시오. 또한, 작은 SMD 부품들은 혼동하기 매우 쉽습니다; 같은 케이스 크기이지만 다른 저항 값의 SMD 칩 저항기를 실수로 바꾸는 일에 놀라지 마십시오.

크기를 너무 작게 선택하지 마십시오.

손으로 배치하고 납땜하는 데 편안한 SMD 패시브 크기를 확인하는 데 시간을 할애하는 것이 좋습니다. SMD 구성 요소가 작아질수록 너무 작기 때문에 납땜용 철을 사용하는 것이 불가능해집니다; 핫 에어를 사용하는 것이 더 낫습니다. 납땜용 철을 사용해야 한다면 SMD 패드를 길게 만들어 납땜 철과 납땜선으로 접근할 수 있도록 하는 것이 좋습니다.

볼 그리드 어레이(BGA) 패키지는 가능하면 피하세요

QFP나 TSOP와 같은 작은 피치 구성 요소를 납땜하는 것은 어려울 수 있지만, 철을 사용하여 가능하며 핫 에어나 작은 오븐/핫 플레이트를 사용하면 훨씬 쉽습니다. BGA 패키지는 구성 요소 아래의 모든 패드에 도달할 방법이 없기 때문에 철로 납땜할 수 없습니다. 대신 이러한 구성 요소에는 핫 에어를 사용해야 합니다.

수동 프로토타이핑에서 BGA의 또 다른 문제는 검사입니다. 이러한 구성 요소는 일반적으로 BGA 패키지 아래의 볼을 직접 시각화할 수 있게 해주는 X-레이 검사 시스템으로 검사됩니다. 프로토타입에 문제가 발생한 경우, 문제가 조립 결함 때문인지 시스템의 다른 문제 때문인지 진단하기가 더 어려워집니다.

BGA 패키지 - 수동 프로토타이핑에는 그다지 친화적이지 않습니다.

그럼에도 불구하고, BGA 팬아웃을 위한 관통 홀을 사용하는 한 보드의 뒷면에서 BGA 연결을 프로브할 수 있습니다. 검사의 일부로 이러한 BGA 연결에 멀티미터 프로브로 접근하고자 한다면 뒷면 레이어를 덮지 않도록 주의하세요. 이는 BGA에서 브리지된 패드를 확인할 수 있는 방법 중 하나이지만, BGA에 일반적으로 발견되는 높은 수의 연결로 인해 많은 시간이 소요될 것입니다. 이러한 이유로, 프로토타입 보드에서 BGA를 피하고 QFP와 같은 대체 리드 패키지를 선택하는 것이 좋을 수 있습니다.

4. 열 완화 사용하기

납땜을 시도하고 납땜 인두나 열풍총으로 조인트를 형성하려는 패드가 있을 것입니다. 문제는 보드 전체에 걸쳐 온도가 균일하지 않을 수 있으며, 패드가 평면이나 큰 구리 주입 영역에 연결되어 있으면 열이 패드를 떠날 것입니다. 결과적으로, 인두나 열풍총을 매우 높은 온도로 가열해야만 단일 패드에 납땜을 할 수 있으며, 이는 보드나 구성 요소를 손상시킬 위험이 있습니다.

좋은 핫 플레이트나 오븐이 없다면, 열 완화를 사용하여 이를 방지할 수 있습니다. 특정 패드에 열 완화를 배치하면 큰 구리 영역으로의 열 이동을 방지하여 낮은 온도에서 구성 요소에 더 쉽게 납땜 조인트를 형성할 수 있습니다.

테스트포인트, 점퍼 및 납땜 브리지 활용하기

많은 프로토타입의 목적은 보드의 가능한 많은 기능을 테스트하는 것입니다. 이는 PCB 레이아웃의 일부를 구성 가능하게 만들고 싶다는 것을 의미합니다. 이를 위한 한 가지 방법은 테스트 포인트, 솔더 브릿지, 점퍼를 사용하는 것입니다. 이러한 구성 요소를 사용하면 연결을 만들거나 끊고, 전기적 값을 탐색하고, 측정을 수행하며, 심지어 오실로스코프로 신호를 측정할 수 있습니다. PCB 레이아웃에서 적절한 크기의 솔더 브릿지를 사용하면 필요에 따라 신호선에 작은 SMD 칩 구성 요소를 솔더링할 수도 있습니다.

6. 추가 I/O를 핀 헤더로 분리

프로토타입을 제작하는 또 다른 부분은 다른 시스템과의 연결을 만들거나, 다른 개발 제품에 연결하기 위해 I/O에 접근하는 것입니다. 이것이 모든 여분의 I/O를 핀 헤더에 연결하는 것이 좋은 아이디어인 이유입니다. 핀 헤더에 I/O에 접근할 수 있으면, 애플리케이션 기반 프로토타이핑뿐만 아니라 보드 기반 프로토타이핑도 할 수 있습니다. 또한 센서, 소형 모터, LED, 버튼, 프로그래밍 모듈 또는 생각할 수 있는 다른 모든 것과 같은 외부 구성 요소에 연결할 수도 있습니다. 이들은 일반적으로 저속 I/O이므로, 이러한 연결을 만들기 위해 간단한 스루홀 핀 헤더를 사용할 수 있습니다. 핀 헤더 근처의 들어오는 I/O 라인에 22 옴 SMD 저항을 두어 이 신호들을 약간 늦추는 것이 좋습니다. 이는 EMI를 줄이는 데 도움이 됩니다.

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