DFA 지침을 통한 효율적인 PCB 설계

실제 장치가 되고자 하는 모든 PCB는 높은 수율로 조립되어야 합니다. 보드가 처음부터 올바르게 조립될 수 있도록 전략적 계획이 필요합니다. 기본 DFA 지침에 대한 이해는 설계가 최소한의 결함과 재작업 없이 제조 조립을 통과할 수 있도록 도울 수 있습니다.

이 글에서는 다음과 같은 주제를 다룰 것입니다:

• PCB 설계에서 DFA가 중요한 이유는 무엇인가?
• DFA의 목표
  • 표준화
  • 부품 검증
  • 조립 오류 감소
• DFA 표준
  • 극성 표시가 있는 부품 방향
  • 간격 요구 사항
  • IPC 조립 표준
• 흔한 조립 결함
  • 무덤돌기
  • 솔더 브리징
  • 솔더 볼
  • 솔더 공극
• 검사 방법
  • 자동 광학 검사 (AOI)
  • X-레이 검사

DFA는 세 단계로 구성된 과정입니다. 첫 번째 단계에서는 보드 레이아웃의 설계를 고려합니다. 이 단계에서는 부품 간의 클리어런스, 솔더링 방향, 조립 비용 절감이 고려됩니다. 다음 단계에서는 클리어런스와 부품의 방향, 풋프린트, 다양한 클리닝 방법에 대해 Gerbers 또는 ODB++ 파일이 검증됩니다. 마지막 단계에서는 웨이브 솔더링, 리플로 솔더링, 수동 솔더링 요구 사항이 식별됩니다.

 

DFA의 목표

표준화

모든 보드 디자이너는 새로운 PCB 디자인 작업 중에 발생할 수 있는 도전을 예측하기 어려울 것입니다. 표준화의 주요 목표는 이전에 효과가 있었던 부품과 기술을 사용함으로써 불확실성의 수준을 최소화하는 것입니다. 아래는 디자인에서 최대한의 표준화를 보장하는 몇 가지 방법입니다:

• 각 구성 요소의 출처를 신중하게 검증하여 구성 요소의 진위를 보장합니다. 무단 출처는 지연, 잘못된 정보, 위조 부품의 위험을 증가시킵니다.
• 조립 공정을 용이하게 하고 잠재적 오류를 최소화하기 위해 고유 구성 요소 패키지의 수를 줄이십시오. 예를 들어, 풋프린트와 랜드 패턴 간의 불일치가 있는 경우, 디자인에 고유한 랜드 패턴이 적기 때문에 필요한 레이아웃 조정이 더 빠르게 이루어질 것입니다.

구성 요소 검증

DFA의 주요 목표 중 하나는 보드에 들어가는 구성 요소를 검증하는 것입니다. 아래에 언급된 지침을 따라 제조업체가 보드를 효율적으로 조립할 수 있도록 도와주세요:

 

조립 오류 감소

DFA는 발생할 수 있는 잠재적인 조립 오류를 제거하는 데 주로 초점을 맞춥니다. 위에서 논의한 사항들 외에도, 아래 사항들은 제조업체가 원하는 기능을 갖춘 회로 기판을 제작할 수 있게 합니다.

• 제조업체의 능력 범위 내에 있는 드릴 구멍의 크기, 간격 및 허용 오차를 준수합니다. 이는 PCB 디자인의 제조 가능성을 또한 보장합니다.
• CM의 능력 범위 내에서 클리어런스와 허용 오차를 준수합니다.
• 보드 가장자리 클리어런스 규칙을 따릅니다.
• 보드 형태가 최적의 패널화를 허용하도록 합니다.
• 필요한 경우 열 완화를 포함시킵니다.

DFA 표준

이전 섹션에서 논의한 바와 같이, DFA 표준을 아는 것은 효율적이고 비용 효과적인 방식으로 보드를 디자인하는 데 도움이 됩니다. 이 섹션에서는 몇 가지 중요한 DFA 규범을 소개합니다.

극성 표시가 있는 구성 요소 방향

구성 요소의 방향은 사전 조립 단계에서 고려해야 할 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 문제 없는 조립을 위해서는 명확하고 명시적인 방향 기법을 따르는 것이 필수적입니다. 예를 들어, 확실한 극성을 가진 다이오드를 고려해 보십시오. 배치 후에도 보이는 적절한 극성 표시가 회로도 기호와 실크스크린에 있어야 합니다. 이렇게 하면 검사 과정이 쉬워지고, 테스트나 디버깅이 더 쉬워집니다.

 

심볼은 스루홀 부품의 경우 두 핀 사이에 위치할 수 있지만, 표면 실장 부품의 경우에는 장치 옆에 배치해야 합니다. 이러한 심볼은 많은 공간을 차지할 수 있으므로, HDI 보드의 경우 음극 패드 위에 바를 표시하거나 A(양극) 또는 K(음극)의 간단한 표시로 충분합니다.

항상 유사한 구성 요소를 그룹화하고 가능하면 동일한 방향으로 배치하십시오. 이렇게 하면 조립 과정이 빨라집니다. 예를 들어, 모든 QFP를 한 줄로 배치하여 각 IC의 1번 핀이 동일한 모서리에 오도록 할 수 있습니다.

 

간격 요구 사항

구성 요소 간의 간격은 PCBA 공정의 시간 프레임 요구 사항에 영향을 미칩니다. 이 섹션에서는 조립 공정의 품질을 보장하기 위해 권장되는 간격 표준을 살펴볼 것입니다.

부품과 가장자리 간격

부품과 가장자리 간격은 보드 상의 주어진 구성 요소에서 그 가장자리까지의 거리입니다. 이 요소는 분리 공정 중 중요한 역할을 합니다. 이 과정에서 보드 가장자리 근처의 구성 요소는 솔더 조인트에 영향을 줄 수 있는 스트레스를 받게 됩니다. 회로 보드 상단에 배치된 SMD와 보드 가장자리 사이에는 125 mil 클리어런스를 권장하지만, 제조업체는 공정에서 다른 허용치를 제공할 수 있습니다.

때때로, 제조업체는 보드의 하단에서 구성 요소와 보드 가장자리 간격을 더욱 증가시킵니다. 이는 솔더 페이스트 적용 중 SMT 구성 요소 손상 가능성을 줄입니다.

구리 트레이스는 보드 가장자리에 더 가깝게 배선될 수도 있습니다. 이는 솔더 마스크 간격을 허용하고 패드 침범을 방지합니다. 트레이스, 구리 푸어, 수동으로 삽입된 부품은 보드 가장자리에서 최소 10 밀 이상 떨어져 있어야 합니다. 캐스텔레이티드 홀은 보드 가장자리에서 구리 도금이 필요한 디자인 유형입니다. 원하는 구리 도금을 달성하기 위해서는 이러한 디자인은 추가 비용과 리드 타임이 필요합니다.

 

부품-홀 간격

부품-홀 간격은 비아와 스루홀 구성요소 모두에 대해 고려되어야 합니다. 이는 구성요소 패드/본체와 홀 사이의 최소 간격을 결정합니다. 이러한 간격은 고품질 조립을 달성하기 위해 충족되어야 하는 두 가지 구체적인 요소로 구성됩니다.

• 부품-홀 벽: 이는 실제 홀 가장자리에서 패드 가장자리까지 측정됩니다. 이는 드릴-구리 거리로도 알려져 있습니다. 필요한 최소 간격은 약 8 밀입니다.
• 부품-애뉼러 링: 이는 홀의 애뉼러 링 가장자리에서 패드 가장자리까지 측정됩니다. 필요한 최소 간격은 약 7 밀입니다.

IPC 조립 표준

다음은 조립 시 CM이 준수할 기타 IPC 조립 표준입니다.

• IPC-A-600: IPC-A-600, 일반적으로 IPC-600으로 알려져 있으며, 각 제품 카테고리에 대한 수용 기준 수준을 명시합니다. 이는 보드의 바람직한, 허용 가능한, 그리고 협상 불가능한 요구 사항을 정의합니다.
• IPC/WHMA-A-620C: 케이블 및 하네스 어셈블리에 대한 재료, 절차, 테스트 및 수용 기준을 설명합니다.
• IPC-A-630: 전자 인클로저에 대한 표준을 정의합니다. 이 표준은 CM이 조립 및 검사 과정을 수행할 때 사용됩니다.

일반적인 조립 결함

이 섹션은 PCBA 동안 가장 자주 발생하는 결함 및 문제에 대해 자세히 설명합니다. 제조업체는 이러한 결함을 피하기 위해 많은 품질 관리 방법을 사용하며, 그 중 일부 방법은 아래 하위 섹션에서 언급됩니다.

무덤돌

무덤돌, 또는 맨해튼 효과로도 알려진 이 현상은 SMD 구성 요소가 그 착륙 패드에서 부분적으로 또는 전체적으로 벗겨진 경우를 말합니다. 이는 작은 SMD 패시브(0603 또는 그보다 작은 패키지)에서 가장 흔하게 발생하며, 리플로우 솔더링 동안 힘의 불균형으로 인해 발생합니다.

무덤돌 방지 방법:

• 고성분 정확도와 높은 예열 온도를 확보하세요.
• 고온 및 습도에 노출되는 것을 피하세요.
• 페이스트가 용융 상태에 도달하기 전에 양 패드에서 습윤력을 균형 있게 하기 위해 소크 존을 확장하세요.

 

솔더 브리징

솔더 브리징은 전기적으로 연결되어서는 안 되는 두 도체 사이에 솔더가 적용될 때 발생합니다. 이러한 원치 않는 연결은 단락으로 언급됩니다.

솔더 브리지를 방지하는 방법:

• 솔더 페이스트의 금속 함량이 최소 90%인지 확인하세요.
• 스텐실 개구부를 정확하게 정렬하고 크기를 10% 줄이세요.
• 적절한 리플로우 프로파일을 확보하세요.

 

솔더 볼

솔더 볼은 표면 실장 조립 중에 발생하는 가장 흔한 결함입니다. 이는 주요 본체에서 분리되어 조인트를 형성하는 작은 구형의 솔더 입자의 발달입니다. 많은 솔더 볼이 두 인접 리드 사이에 다리를 형성할 수 있기 때문에 노클린 공정에서는 우려 사항입니다. 이로 인해 보드에 기능적 문제가 발생할 수 있습니다.

솔더 볼링을 방지하는 방법:

• 데이터시트에 따라 패드 크기와 간격을 설계하세요.
• 솔더 페이스트 인쇄 전에 보드를 베이크하세요.
• 홀 도금의 두께가 25μm보다 큰지 확인하세요. 이는 물이 갇히는 것을 방지합니다.

 

솔더 보이드

솔더 조인트 내부의 빈 공간이나 구멍을 솔더 보이드라고 합니다. 솔더 보이드는 연결을 구축하기에 충분한 솔더가 없을 때 생성됩니다. 솔더 보이드는 일반적으로 공기를 포함하고 있습니다. 

솔더 보이드 방지 방법:

• 가스가 보드에서 탈출할 수 있도록 배기 채널을 늘리세요. 
• 납이 없는 솔더 페이스트를 사용해 보세요.

 

검사 방법

회로 기판에 부품이 장착되면, 제조업체는 여러 검사 및 품질 관리 절차를 수행할 수 있습니다.

자동 광학 검사(AOI)

자동 광학 검사(AOI)는 생산 시설을 떠나기 전에 PCB 조립 오류를 탐지하는 효율적이고 정확한 방법입니다. 이 방법은 고해상도 카메라와 고급 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 누락되거나 잘못 배치된 부품, 솔더 브리지, 솔더 볼, 또는 툼스톤과 같은 조립 오류를 식별합니다.

 

X-레이 검사

AXI(자동 X-레이 검사)는 IC와 BGA의 숨겨진 결함을 탐지하는 데 널리 사용되는 방법입니다. 이 시스템에서의 스캔 소스는 X-레이입니다. 이를 사용하여 큰 공극과 균열을 식별할 수 있습니다. 이 접근법은 내부 기하학과 구조적 구성에 비파괴적으로 접근할 수 있게 합니다. AXI는 AOI와 같은 방식으로 이미지를 캡처합니다. 유일한 차이점은 AOI가 광원으로 스캔하는 반면, AXI는 X-레이로 스캔한다는 것입니다.

DFA 지침은 조립 후 높은 수율과 최소한의 재작업을 보장하기 위해 의도되었습니다. Altium Designer®의 DRC 엔진을 사용하여 생산에 들어가기 전에 이러한 DFA 지침과 많은 다른 지침을 구현할 수 있습니다. 제조업체와 상의한 후, 위에 나열된 제약 조건을 PCB 설계 규칙에 프로그래밍하여 오류를 신속하게 포착하고 수정할 수 있도록 할 수 있습니다. 설계가 철저한 설계 검토와 제조 준비가 되면, 팀은 Altium 365™ 플랫폼을 통해 실시간으로 공유하고 협업할 수 있습니다. 설계 팀은 Altium 365를 사용하여 제조 데이터와 테스트 결과를 공유하고, 설계 변경 사항을 안전한 클라우드 플랫폼을 통해 및 Altium Designer 내에서 공유할 수 있습니다.

우리는 Altium 365에서 Altium Designer로 가능한 것들의 겉면만 긁어봤을 뿐입니다. 오늘 Altium Designer + Altium 365의 무료 체험을 시작하세요. 그리고 제조 및 조립 공정에 대해 더 알아보기 위해 Sierra Circuits 웹사이트를 방문하세요.