DFM/DFA 요구 사항 시스템 엔지니어링에서

이전 기사에서 논의된 바와 같이, PCB를 설계할 때는 기능성, 전력 소비, 크기, 전자기 호환성 등과 관련된 일련의 기술 요구 사항을 고려해야 합니다. 그러나 제조 및 조립 요구 사항도 마찬가지로 중요합니다. 모든 기능 사양이나 규제 요구 사항을 충족하는 고성능 회로를 설계하는 것은, 설계가 제조할 수 없거나 생산 비용을 증가시키거나 최악의 경우 제품을 실행 불가능하게 만들 수 있는 조립 문제에 직면한다면 무의미합니다.

이 기사에서는 설계가 제조 가능하고 조립될 수 있도록 요구 사항 관리에 접근하는 방법에 초점을 맞출 것입니다. 구체적으로, 이전 기사에서 개요한 기술 요구 사항뿐만 아니라 회로의 제작 및 조립에 영향을 미치는 요소(예: 트레이스 폭, 간격, 드릴링, 마스크, 구성 요소 배치 등)를 고려하여 관리 시스템 내에서 CAD와 CAM을 통합하는 방법에 대해 논의할 것입니다.

DFM/DFA 소개

PCB 제조업체와 조립업체 모두 설계된 회로가 제조 가능하고 각각 조립 가능해야 한다는 요구사항을 가지고 있습니다. 이는 PCB 제조의 다양한 단계와 기술, 그리고 다른 조립 기술을 고려한 특정 설계 규칙이나 지침을 따라야 한다는 필요성을 강조합니다. 이로 인해 제품이 제조 가능하고 조립될 수 있도록 보장합니다. 이 필요성은 DFM (Design for Manufacturability)과 DFA (Design for Assembly)의 개념을 낳습니다.

• DFM, 즉 제조를 위한 설계는 현재의 제조 기술과 제한을 사용하여 인쇄 회로 기판(PCB)을 제조할 수 있도록 보장하기 위해 설계 단계에서 따라야 할 일련의 과정, 규칙, 지침입니다.
• 마찬가지로, DFA, 즉 조립을 위한 설계는 현재의 조립 기술과 제한을 사용하여 인쇄 회로 기판(PCB)을 조립할 수 있도록 보장하기 위해 설계 단계에서 따라야 할 일련의 과정, 규칙, 지침입니다.

설계를 생성할 때, 다음과 같은 질문을 고려해야 합니다:

• 우리가 설계하는 PCB는 제조될 수 있는가?
• 비용을 최적화하기 위해 다르게 설계할 수 있었는가?
• 자동화된 과정을 사용하여 조립될 수 있는가?
• 비용을 증가시키는 수동 또는 복잡한 과정이 필요한가?
• 재고 문제가 있습니까?

이러한 모든 질문은 DFM(Design for Manufacturability, 제조 가능성을 위한 설계)과 DFA(Design for Assembly, 조립을 위한 설계)의 개념을 통해 해결될 수 있습니다. 의무적인 규정은 없지만, 기본적인 제조 가능성 규칙을 따라 회로를 설계하는 것은 설계가 제조 가능하다는 것을 보장하기 위해 필수적입니다. 그렇지 않으면, 제조 문서를 선택한 제조업체에 보낸 후에 불쾌한 놀라움을 겪을 수 있습니다. 전자 보드의 조립을 목표로 한 설계 규칙에도 동일하게 적용됩니다. 자동 조립이 가능한 적절한 설계 지침을 따르지 않으면, 수동적이고 복잡한 공정이 필요한 상당한 생산 문제에 직면하게 되어 전자 보드 조립 비용이 증가하게 됩니다.

각 제조업체가 사용하는 공정과 기계에 따라 다른 능력을 가지고 있다는 점을 주목하는 것이 중요합니다. 따라서, DFM/DFA는 제조업체에 따라 달라진다고 할 수 있습니다. 예: 8층 PCB를 제작할 수 있는 능력을 가진 제조업체는 제조 능력 때문에 12층 PCB를 제작할 수 없습니다.

설계가 더 복잡해짐에 따라(더 많은 층, 더 높은 밀도, 더 작은 트레이스 폭과 분리, 더 작은 드릴 직경, 맹점 또는 매립된 비아 등), DFM은 점점 더 복잡해집니다. 결과적으로, 고려해야 할 설계 규칙이 더 많아지고, 이러한 규칙을 준수하는 것이 PCB가 제조될 수 있도록 보장하기 위해 더 중요해집니다.

따라서 DFM/DFA의 목표는 다음과 같습니다:

1. 프로세스, 규칙 및 디자인 지침 정의하기.
2. 디자인이 제조 가능하고 조립될 수 있도록 보장하기.

이 모든 것을 단순화하기 위해, 인쇄 회로 기구(IPC)가 1957년에 설립되어 IPC 표준을 개발했으며, 이는 디자이너와 제조업체가 제조 가능한 디자인을 생성하는 작업을 돕습니다. IPC 표준은 다양한 제조 기술과 제한을 고려하며, 이를 바탕으로 다양한 디자인 영역을 다루는 서로 다른 문서들이 만들어졌습니다.IPC 표준 트리는 다음 링크에서 확인할 수 있습니다.

IPC 표준은 규칙의 수가 많아 별도의 기사가 필요할 정도이지만, 강성, 유연성 및 강성-유연성 PCB 설계를 위한 일련의 규칙(IPC-21xx, IPC-22xx, IPC-26xx)과 조립을 위한 디자인 관련 일련의 규칙(IPC-D-279, IPC-D-326, IPC-7351)이 있다는 점을 강조할 가치가 있습니다.

CAD/CAM과 DFM/DFA 간의 일체감

CAD와 CAM은 각각 컴퓨터 지원 설계 및 컴퓨터 지원 제조 공정을 의미합니다.

전자 엔지니어의 경우 ECAD 도구(Altium Designer와 같은)를 사용하는 디자이너들처럼, 제조업체들은 PCB 제조, 조립 및 관련 공정을 돕는 다른 도구들, 즉 CAM 소프트웨어를 사용합니다. 예로는 CircuitCAM8 또는 자동 조립 기계(Pick & Place)에 통합된 특정 소프트웨어가 있습니다. 

설계 과정(CAD)의 관점에서, 엔지니어들은 DFM/DFA 지침에 기반하여 설계 도구에 규칙을 입력(예: Altium의 Constraint Manager 사용)하고 나서 이러한 규칙의 준수 여부를 검증합니다(DRC – Design Rules Check).

디자인이 완료되어 제조 및 조립에 필요한 모든 규칙을 충족하는 것으로 검증되면 제조업체에 전송됩니다. 다양한 도구(CAM)를 사용하여 제조업체는 PCB 제작 파라미터를 모두 확인하고 허용 오차를 벗어난 값이 있는지 감지하여 신뢰할 수 있는 제조를 보장하기 위해 수정이 필요한지 확인할 수 있습니다. 마찬가지로, PCB 조립업체는 설계된 회로를 분석하고 조립 단계에서 진행하기 전에 발생할 수 있는 잠재적 문제가 있는지 확인합니다. 

그렇다면 질문이 생깁니다: PCB가 제조 가능하고 조립될 수 있는지 결정하기 위해 어떤 파라미터를 확인해야 하나요? 또는 다른 말로, 제 디자인이 제조 가능하고 조립될 수 있도록 보장하기 위해 어떤 규칙을 따라야 하나요?

DFM/DFA 요구 사항 예

모든 기능 요구 사항, 시스템 및 하위 시스템 요구 사항, 고객 요구 사항 등이 정의되면, DFM/DFA 요구 사항을 정의해야 합니다. 즉, 디자인을 시작하기 전에 이러한 요구 사항을 고려하여 우리의 디자인이 놀라움이나 문제 없이 제조될 수 있도록 해야 합니다.

고려해야 할 파라미터 목록은 방대하고 각 제조업체와 그들의 제조 능력에 크게 의존할 수 있지만, 정의해야 할 필요한 요구 사항의 요약은 다음과 같을 수 있습니다.

DFM 요구 사항 예

• REQ-DFM-01: 최소 도금 홀 직경.

• REQ-DFM-02: 최소 비도금 홀 직경.

• REQ-DFM-03: 종횡비.

• REQ-DFM-04: 최소 트레이스 폭 / 클리어런스(외부 레이어).

• REQ-DFM-05: 최소 트레이스 폭 / 클리어런스(내부 레이어).

• REQ-DFM-06: 최소 연링(외부 레이어).

• REQ-DFM-07: 최소 연링(내부 레이어).

• REQ-DFM-08: 최소 마이크로비아 직경.

• REQ-DFM-09: 최소 마이크로비아 간격.

• REQ-DFM-10: 다른 레벨의 마이크로비아 사이 최소 간격(계단식 비아).

• REQ-DFM-11: 마이크로비아 충전.

• REQ-DFM-12: PCB 두께 및 스택 업(6, 8, 10 레이어 예시)

• REQ-DFM-13: 비아 유형.

• REQ-DFM-14: 단일 종단 트레이스의 임피던스 정의.
• REQ-DFM-15: 차동 쌍 임피던스 트레이스의 정의.
• REQ-DFM-16: 필요한 경우 백 드릴링의 정의.
• 
• REQ-DFM-17: 솔더 마스크 클리어런스(특히 매우 작은 패드에서, 예: BGA)
• REQ-DFM-18: 실크스크린 클리어런스.
• REQ-DFM-19: 실크스크린 크기.

DFA 요구 사항의 예

• REQ-DFA-01: 단면 또는 양면 조립 및 장착 기술.

• REQ-DFA-02: 부품의 표준화 및 통합.
• REQ-DFA-03: 부품 클리어런스.
• REQ-DFA-04: 부품 높이.
• REQ-DFA-05: 부품과 PCB 경계 사이의 거리.
• REQ-DFA-06: 컨베이어를 위한 PCB 밴드.

• REQ-DFA-07: 피델리티(크기, 위치 및 양면당 수량).

• REQ-DFA-08: 패스트 마스크(개방 및 축소).
• REQ-DFA-09: 스루홀 솔더 기술(웨이브, 선택적, 수동).

설계가 완료되어 위에서 언급한 요구 사항을 충족하면, 첫 번째 단계는 설계 규칙 검사 도구를 사용한 DRC 분석입니다. 이 도구는 우리가 규칙에 정의한 모든 매개변수를 설계된 것과 비교하여 검사하고, 따르지 않은 매개변수에 대한 보고서를 제공합니다. 이 도구는 설계 단계 전체에서 활성 상태로 유지될 수 있으므로, Altium이 실시간으로 규칙 위반이 발생하면 우리에게 알립니다. 

DRC가 오류가 없음을 보여주면, PCB 제조업체와 조립업체에 보낼 필요한 문서를 생성할 준비가 된 것입니다. 

• Gerber 파일
• 드릴링 파일
• ODB++ 파일
• 자재 목록(BOM, 중요 부품에 대한 대체품 포함)
• 픽 앤 플레이스 기계용 부품 좌표(XY) 파일
• 조립 도면 (Draftsman 파일) PDF 형식
• 필요한 경우 검사, 테스트 및 프로그래밍 절차
• 특별 조립 지침 (필요한 경우 히트싱크 조립, 코팅 분사 등)

DFM 및 DFA와 관련된 모든 설계 요구 사항을 충족하고, DRC를 오류 없이 통과하며, 우리 보드의 제작 및 조립을 위해 필요한 모든 문서를 제조업체에 전송했다면, 설계 검증 단계에서 기능적 실패가 발생하는 경우의 불확실성을 크게 줄일 수 있습니다. 이를 통해 제조 및/또는 조립 문제를 배제할 수 있게 되어, 설계된 회로를 분석하는 데 집중할 수 있습니다. 

주요 요약

DFM/DFA를 염두에 두고 설계하는 것의 중요성

PCB 설계자는 컴퓨터에서 그리는 것이 결국 실제 세계에서 구현되어야 한다는 것을 기억해야 합니다. 종이(또는 이 경우 컴퓨터)는 모든 것을 수용할 수 있지만, 현실은 매우 다릅니다. 따라서 PCB와 PCBA의 제조 공정 및 능력을 고려하면서 설계하는 것이 중요합니다.

DFM/DFA를 설계 요구 사항으로 처음부터 다루어야 할 필요성

DFM/DFA 요구 사항을 기능적 또는 시스템 요구 사항만큼 중요한 추가 세트의 기준으로 취급하는 것이 필수적입니다. 프로젝트 시작부터 이러한 요구 사항을 고려하지 않으면 프로젝트의 성공을 위협할 수 있는 지연과 비용 초과가 발생할 수 있습니다.

설계 시작 전에 제조업체와 협력하기

이전 내용에 이어, 설계 프로세스를 시작하기 전에 제조업체와 소통하고 가능하다면 제조업체를 미리 선택하는 것이 강력히 권장됩니다(필수가 될 수도 있습니다). 이를 통해 제조업체의 역량과 사용 가능한 재료를 충분히 이해할 수 있으며, 인피던스 계산을 검증하는 등의 작업도 가능합니다. 이러한 문제를 설계 중이나 설계 이후에 해결하려 하면 예상치 못한 문제에 직면할 수 있습니다.

DRC(Design Rules Check, 설계 규칙 검사)의 중요성을 인식하세요

DRC 도구(Design Rules Check, 설계 규칙 검사)의 중요성을 과소평가하지 마십시오. 이는 PCB 디자인을 완료한 후 첫 번째 단계로, 처음에 설정한 DFM/DFA 요구 사항을 충족하는지 확인하고, 디자인이 제조 가능한지에 대한 첫 번째 수준의 보증을 제공합니다.

제조업체에는 포괄적인 문서가 필요합니다

디자인을 마친 후, PCB를 구축하는 데 필요한 모든 파일을 포함하는 고품질 문서를 생성하는 것이 필수적이며, 가능하다면 모든 조립 지침과 보드의 적절한 제조 및 조립에 필요한 기타 추가 세부 사항을 포함해야 합니다. 마찬가지로, 필요한 경우 문서에는 다양한 검사, 테스트 및 프로그래밍 과정을 포함해야 합니다.

PCB 디자인에서 DFM/DFA 통합을 통한 성공 보장

PCB를 설계하는 것은 기능적 요구 사항을 충족시키는 것 이상입니다. 설계가 성공적으로 제조 및 조립될 수 있도록 최소한의 위험과 비용으로 보장해야 합니다. 제조 가능성(DFM) 및 조립 가능성(DFA) 원칙을 처음부터 통합함으로써, 설계자들은 프로젝트를 위협할 수 있는 생산 문제, 지연 및 예상치 못한 비용을 크게 줄일 수 있습니다.