IoT 및 웨어러블 기기에서 유연 및 리지드-플렉스 PCB 통합: 설계 과제 및 해결책

Tara Dunn
|  작성 날짜: 2024/11/25 월요일
IoT 및 웨어러블 기기에서의 유연 및 리지드-플렉스 PCBs

사물인터넷(IoT) 및 웨어러블 기술과 같이 빠르게 성장하는 분야에서, 기기들은 점점 더 컴팩트하고, 강력하며, 정교해지고 있습니다. 유연한 PCB와 리지드-플렉스 PCB는 이러한 설계 목표를 달성하는 데 있어 필수적인 도구로 부상하였으며, 엔지니어들이 작고, 가벼우며, 복잡한 형태와 구조에 매우 적응할 수 있는 전자 제품을 만들 수 있게 해줍니다. 그러나 이러한 회로 유형은 엄청난 잠재력을 제공하는 반면, 특히 IoT와 웨어러블에서 크기, 내구성, 신뢰성이 중요한 곳에서는 독특한 설계 도전과제를 가져옵니다.

이 글은 IoT와 웨어러블에서 유연한 PCB와 리지드-플렉스 PCB의 역할에 대해 다루며, 혁신적인 디자인을 가능하게 하는 방법과 공간 제약 내에서 작업할 때의 구체적인 고려사항에 중점을 둡니다.

IoT와 웨어러블에서 유연한 및 리지드-플렉스 PCB의 역할

유연한 PCB와 리지드-플렉스 PCB는 전통적인 리지드 PCB 섹션과 구부리거나 접거나 비틀 수 있는 유연한 영역을 결합한 매우 다양한 설계 옵션입니다. 공간이 제한되어 있고, 설계 자유가 필수적인 많은 IoT 기기와 웨어러블에서, 이러한 PCB는 크기나 무게를 증가시키지 않고 기능성을 극대화할 수 있는 방법을 제공합니다. 다음은 이러한 응용 분야에서 두드러지는 방법입니다:

  • 작고 복잡한 케이스에의 적응성: 유연 회로기판과 경직 유연 회로기판은 피트니스 밴드의 곡선형 내부나 스마트 링의 복잡한 레이아웃과 같은 좁은 공간과 비전통적인 형태에 맞게 설계될 수 있습니다. 이러한 적응성은 사용자에게 눈에 띄지 않고 가볍고 편안해야 하는 웨어러블 기기에서 특히 가치가 있습니다.
  • 연결 부위 감소를 통한 신뢰성 향상: 다른 섹션을 연결하기 위해 커넥터와 케이블에 의존하는 전통적인 멀티 보드 디자인과 달리, 경직 유연 회로기판은 경직 부분과 유연 부분에 걸쳐 단일 연속 회로기판을 가능하게 합니다. 이는 회로에서 가장 약한 지점인 커넥터의 수를 줄여, 자주 움직이는 웨어러블에 있어 중요한 내구성을 증가시킵니다.
  • IoT 기기의 기능성 향상: 이러한 PCB의 유연성은 스마트 홈 센서, 환경 모니터, 산업용 IoT 기기와 같이 비전통적인 장소에 통합될 수 있는 IoT 기기에 적합합니다. 유연한 회로는 복잡한 센서 배열을 지원하여 실시간으로 데이터를 수집하고 처리할 수 있는 다기능 IoT 기기를 가능하게 합니다.
  • 착용 가능한 편안함과 미적 자유 활성화: 웨어러블 기술에서 편안함은 기능만큼 중요합니다. 유연한 회로는 몸에 편안하게 맞도록 윤곽을 잡을 수 있어, 더 얇고 가볍고 인체공학적인 장치의 설계를 가능하게 합니다. 이는 웨어러블을 더 편안하게 만들 뿐만 아니라 소비자 전자제품에서 중요한 요소인 미적으로도 만족시킬 수 있게 합니다.

소형화 및 공간 제약

IoT 및 웨어러블 애플리케이션을 위한 유연 및 리지드-플렉스 PCB 설계는 특히 공간 제약을 관리할 때 균형을 맞추는 작업입니다. 컴팩트한 장치에 대한 수요는 종종 극히 제한된 영역 내에 높은 수준의 기능을 포장해야 함을 의미하는데, IoT 및 웨어러블 시스템의 복잡성을 고려할 때 이는 도전적일 수 있습니다.

좁은 공간 내 기능성을 극대화하기 위한 몇 가지 핵심 설계 전략은 다음과 같습니다:

  • 고밀도 인터커넥트(HDI) 또는 초고밀도 HDI 기술 사용: HDI 기술은 마이크로비아, 블라인드 비아, 매립 비아를 사용하여 주어진 영역 내 구성 요소의 수를 늘릴 수 있게 해줍니다. 이러한 고급 기술은 모든 제곱 밀리미터가 중요한 소형화된 IoT 장치에 필수적인 다층 설계를 가능하게 합니다. 내부 레이어를 마이크로비아로 연결함으로써, 설계자는 라우팅에 필요한 표면적을 줄일 수 있어, 더 작은 발자국 내에 더 많은 기능을 배치할 수 있습니다.
  • Via-in-Pad 기술: Via-in-pad은 비아(vias)를 구성 요소 패드 사이가 아닌 바로 아래에 배치하는 것을 말하며, 이를 통해 구성 요소의 밀도를 높이고 PCB의 전체 크기를 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 피트니스 트래커와 같은 좁고 컴팩트한 IoT 장치에서 via-in-pad는 디자이너들이 더 작은 보드에 더 많은 구성 요소를 배치할 수 있게 해줍니다. 그러나, 솔더 윅킹을 방지하고 신뢰할 수 있는 연결을 유지하기 위해서는 비아가 제대로 채워지고 캡핑되어야 한다는 점이 중요합니다.
  • 레이어 스태킹 및 디자인 최적화: 공간이 제한될 때 또 다른 중요한 고려 사항은 레이어 스태킹입니다. 다양한 신호, 전력, 그라운드 레이어를 전략적으로 구성함으로써, 디자이너들은 간섭을 줄이고 전력 분배를 효율적으로 관리할 수 있습니다. 리지드-플렉스 디자인에서는 레이어를 일반적으로 공간 사용을 최적화하고 각 레이어가 특정 기능을 가진 "샌드위치" 구조를 만들기 위해 쌓습니다. 이는 좁은 공간에서 크로스토크를 최소화하고 신호 무결성을 개선합니다.
  • 구성 요소 소형화: 더욱 소형화를 달성하기 위해, 설계자들은 0201이나 01005와 같은 더 작은 표면실장장치(SMDs)로 전환하는 경향이 증가하고 있습니다. 그러나, 아주 작은 구성 요소를 다루는 것은 신뢰성을 보장하기 위해 정밀한 배치와 납땜 기술을 요구합니다. 더우이, 설계자들은 이러한 구성 요소의 열 분산 특성을 고려해야 합니다. 왜냐하면, 컴팩트한 회로는 더 높은 전력 밀도를 가지고 있으며, 따라서 주의 깊게 관리하지 않으면 과열될 수 있기 때문입니다.
  • 3D 통합: 일부 설계자들은 회로의 여러 면에 구성 요소를 장착하여 수평적으로뿐만 아니라 수직적으로도 공간을 활용하는 3D PCB 구조를 탐구하고 있습니다. 이러한 유형의 통합은 공간이 프리미엄인 컴팩트 IoT 장치와 웨어러블에서 특히 유용합니다. 이런 방식으로 구성 요소를 쌓음으로써, 설계자들은 기능을 희생하지 않고 PCB의 발자국을 상당히 줄일 수 있습니다.

움직임 하에서의 내구성과 신뢰성

웨어러블과 IoT 장치는 종종 지속적인 움직임과 처리에 노출되기 때문에, 유연하고 경질-유연 PCB는 시간이 지남에 따라 기계적 스트레스를 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. 내구성을 보장하기 위한 몇 가지 모범 사례는 다음과 같습니다:

  • 적절한 굽힘 반경 선택하기: 굽힘 반경, 즉 회로에 손상을 주지 않고 적용할 수 있는 최소한의 굽힘은 유연한 설계에서 중요한 고려 사항입니다. 일반적인 규칙은 굽힘 반경이 클수록 회로의 수명이 길어진다는 것입니다. 굽힘 반경이 권장 한계 내에 있는지 확인하면 구리 트레이스의 균열이나 파손을 방지할 수 있습니다.
  • 스트레스 완화 구조: 비아 패드에서 눈물 모양과 같은 스트레스 완화 기능을 설계하면 층간 분리와 균열을 방지하는 데 도움이 됩니다. 유연한 영역이 강성 부분에 연결되는 중요한 지점과 같은 곳에 이러한 작은 설계 기능을 추가하면 기계적 스트레스 하에서 내구성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
  • 강화된 커넥터 사용: 커넥터는 어떤 회로에서도 약한 지점이 될 수 있습니다. 반복적인 굽힘 또는 유연성을 처리하도록 설계된 강화된 커넥터는 특히 지속적으로 연결 및 분리되거나 빈번한 움직임을 경험하는 웨어러블과 같은 IoT 장치에서 유연한 설계에 필수적입니다.

환경 보호

웨어러블과 많은 IoT 장치는 종종 습기와 먼지부터 극한의 온도에 이르기까지 도전적인 환경에 노출됩니다. 이러한 회로가 신뢰성 있게 작동하도록 보호 코팅과 견고한 재료가 필수적입니다. 습도와 온도 변화에 저항하는 재료를 사용하면 PCB의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.

전력 효율성 및 열 관리

콤팩트 IoT 및 웨어러블 기기는 높은 전력 밀도를 가질 수 있으며, 이는 열 문제로 이어질 수 있습니다. 열을 분산시키는 기판이나 열 비아(thermal vias)와 같은 효과적인 열 관리 전략은 이러한 문제를 완화하는 데 도움이 되어, 기기가 시원하게 유지되고 효율적으로 작동하도록 합니다.

유연 및 유연-강성 디자인에 대한 테스트 및 검증

유연 및 유연-강성 PCB를 테스트하는 것은 표준 검증 절차를 넘어섭니다. 구부리기, 비틀기 및 환경적인 탄력성이 요구되는 응용 프로그램의 경우, 테스트 프로토콜은 기계적 스트레스 테스트, 환경 시뮬레이션 및 가속 수명 테스트를 포함하여 신뢰성을 검증해야 합니다.

결론

유연 및 유연-강성 PCB는 성장하는 IoT 및 웨어러블 시장에 강력한 디자인 솔루션을 제공합니다. 좁은 공간에서 기능성을 극대화하는 것부터 내구성을 위한 설계에 이르기까지, 이러한 회로 유형은 엔지니어가 더 작고, 가볍고, 더욱 탄력적인 혁신적인 제품을 만들 수 있도록 돕습니다. 도전 과제는 독특하지만, 새롭고, 생활을 향상시키는 기술에 대한 잠재력은 PCB 디자이너에게 흥미로운 분야를 만듭니다. 이러한 모범 사례를 받아들임으로써 디자이너는 유연 및 유연-강성 PCB의 전체 잠재력을 해제하는 데 도움이 되며, IoT 및 웨어러블 기기가 달성할 수 있는 것의 한계를 넓힐 수 있습니다.

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Tara is a recognized industry expert with more than 20 years of experience working with: PCB engineers, designers, fabricators, sourcing organizations, and printed circuit board users. Her expertise is in flex and rigid-flex, additive technology, and quick-turn projects. She is one of the industry's top resources to get up to speed quickly on a range of subjects through her technical reference site PCBadvisor.com and contributes regularly to industry events as a speaker, writes a column in the magazine PCB007.com, and hosts Geek-a-palooza.com. Her business Omni PCB is known for its same day response and the ability to fulfill projects based on unique specifications: lead time, technology and volume.

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