PCB 동공에 내장된 SMD 부품 배치 방법

임베디드에 대해 이야기할 때 항상 임베디드 소프트웨어만을 의미하는 것은 아닙니다. 구성 요소는 내부 레이어에 공동 영역을 배치함으로써 PCB에 임베딩될 수도 있습니다. PCB의 공동 영역은 구성 요소 배치, 임베디드 방열판을 위한 구리로 채우기, 또는 PCB의 표면 레이어 아래에 삽입 배치를 허용합니다. 표면 레이어의 공간을 확보하거나 PCBA의 프로필을 낮추고 싶다면, 공동은 도움이 될 수 있는 옵션 중 하나입니다.

IPC 표준에서의 임베디드 공동 유형

강성 PCB에 대한 IPC 표준의 최신 개정판은 세 가지 유형의 임베디드 공동과 그 허용 기준을 정의합니다. 다음 공동 유형은 IPC-6012F에서 정의됩니다:

캐비티 내부에 구리가 있을 수 있으며, 이는 트레이스와 패드와 같은 형태로 존재하여 이를 타입 2로 분류합니다. 벽면을 따라 부분적으로 도금 처리가 되어 있다면, 이는 타입 3 캐비티로 분류됩니다.

캐비티는 완전히 구리로 채워질 수도 있으며, 이를 구리 코인(또는 "코이닝")이라고 합니다. 이는 일반적으로 PCB 내부 영역이 큰 방열판처럼 작동하도록 하기 위해 수행됩니다; 구성 요소 아래에 배치되면, 이는 보드 내부로 상당한 열 전달을 제공할 것입니다. 그런 다음 코인을 평면에 연결하거나 큰 평면 근처에 배치하면, 이는 뜨거운 구성 요소로부터 열을 상당히 전달하는 데 도움이 됩니다. 이는 또한 조립체를 인클로저에 결합하는 데 사용될 수 있으므로, 이제 코인 + 인클로저가 함께 큰 방열판을 형성하게 됩니다.

SMD 구성 요소를 PCB 풋프린트를 사용하여 캐비티에 배치하기

코이닝은 훌륭한 사용 사례이지만, 일반적인 방법은 캐비티를 사용하여 SMD 구성 요소를 내부에 보관하는 것입니다. 이는 내부 레이어에 SMD 구성 요소를 위한 몇몇 패드를 정의하는 것을 포함합니다. 일반적으로 캐비티 벽 바깥쪽에서 같은 레이어로 이 패드로 라우팅하므로, 이는 타입 2 캐비티가 됩니다.

이것의 변형으로 하나의 표면 층에 삽입된 공간이 있는 것입니다. 이 유형의 공간은 아마도 가장 일반적이며 보드의 전체 z축 높이를 줄이는 데 사용됩니다. 아래에는 Type 2 삽입 공간에 SMD 구성 요소가 표시된 예시 이미지가 나와 있습니다.

Altium Designer에서 SMD 부품을 위한 공간을 정의하려면:

1. PCB 풋프린트에서 공간 영역을 정의합니다
2. 풋프린트를 PCB 레이아웃의 내부 레이어에 배치한 다음, 수동으로 공간을 그립니다

옵션 2는 라이브러리의 모든 구성 요소를 풋프린트를 수정하지 않고 내장할 수 있게 해주므로 유용합니다. 그러나 옵션 1도 3D에서 공간 절단의 더 현실적인 뷰를 보여주기 때문에 유용합니다.

옵션 1: 이는 PCB 풋프린트에 고체 영역을 그리고 속성 패널에서 그 유형을 "공간"으로 설정함으로써 수행됩니다. 일반적으로 구성 요소의 코트야드(최소한)에 맞추고 제작 허용 오차를 위한 추가 여유를 더하는 것이 권장됩니다(아래 참조). 이렇게 하면 픽 앤 플레이스 중에 공간을 배치할 수 있을 만큼 충분한 공간이 확보되며, 이는 구성 요소 패드 주변의 공간 벽까지의 여유를 고려합니다.

WLCSP에 있는 nRF52 MCU의 BGA 풋프린트 예시는 아래와 같습니다. 캐비티 영역은 패키지의 가장자리 주변으로 그려지며, 라우팅 도구 직경을 고려하여 코트야드 주변으로 확장됩니다. 부품을 캐비티에 배치하려는 경우, 실크스크린 레이어를 제거하거나 캐비티 가장자리 바깥쪽에 위치하도록 실크스크린을 확장해야 할 수도 있습니다. PCB 레이아웃에서 캐비티가 아직 정의되지 않았을 때 캐비티 가장자리 주변에 실크스크린을 배치하는 것이 어려우므로, 풋프린트에서 실크스크린을 제거하고 수동으로 그리거나, 단순히 캐비티 가장자리 바깥쪽에 배치할 것을 제안합니다.

풋프린트가 PCB 레이아웃에 가져오면, 속성 패널을 사용하여 내부 레이어에 구성요소를 선택하여 배치할 수 있습니다. 캐비티에는 PCB 풋프린트에서 정의된 높이 속성이 있으며, 이 높이는 구성요소를 수용하기 위해 보드 깊이로 얼마나 깊은 캐비티가 될지를 정의합니다. 그런 다음 Gerber에서 캐비티 정의를 내보내고 평소처럼 제작 도면에 포함시킬 수 있습니다. 내부 레이어의 배치를 PCB 스택업의 구리 방향과 일치시키십시오!

캐비티 영역 사용에 대해 자세히 알아보려면 아래 링크의 문서를 읽어보세요.

• 캐비티 영역을 풋프린트에서 사용하는 방법에 대해 자세히 알아보기

옵션 2: 캐비티 영역이 내부 레이어에 구성 요소를 배치하는 데 필수적이지 않다는 점에 유의하세요. PCB 풋프린트에 배치하지 않고 PCB 레이아웃의 기계적 레이어에서 수동으로 캐비티를 그릴 수 있습니다(아래 참조). PCB 풋프린트에서 캐비티 영역을 사용하지 않고 구성 요소를 내장하려면, 해당 구성 요소를 선택하고 레이어 속성을 원하는 내부 레이어로 변경하기만 하면 됩니다.

이 작업을 수행하면 해당 구성 요소의 패드가 평소와 같이 내부 레이어에 배치됩니다. 그러나, 이 옵션은 기계적 레이어를 사용하여 수동으로 캐비티 윤곽을 추가하더라도 3D에서 캐비티 뷰를 생성하지 않습니다. 대신, 3D 본체는 기판에 약간 떨어져 보이기만 합니다; 너무 많이 떨어뜨리면 구성 요소가 전혀 나타나지 않으므로, 이는 내장을 정확하게 나타내지 않는 것이 분명합니다. 그러나, 풋프린트를 수정하지 않고도 이 작업을 할 수 있습니다; 레이아웃에서 캐비티 윤곽과 폴리곤 컷아웃을 수동으로 클리어런스와 함께 배치하기만 하면 됩니다.

어떤 옵션을 사용하는 것이 가장 좋을까요? 개인적으로 저는 캐비티와 관련된 작업을 해야 할 경우 옵션 2를 선호합니다. 이유는 캐비티를 풋프린트에 직접 그리고 싶지 않기 때문입니다. 또한, 레이어 스택이 변경되면 풋프린트의 캐비티 높이도 변경해야 할 수 있으며, 이는 추가적인 작업과 검증의 또 다른 단계를 의미합니다. 마지막으로, 캐비티 가장자리 주변의 구리 후퇴를 구성하는 것은 어느 방법을 사용하든 마찬가지로 쉽습니다; 옵션 1은 클리어런스 규칙(Object to Region)을 사용하는 반면, 옵션 2는 폴리곤 클리어런스 및/또는 킵아웃을 사용합니다.

그러나, 기계적 제약으로 인해 PCB의 캐비티 영역에 대한 3D 검증이 필요하거나, 캐비티에서만 사용할 단일 구성요소가 있는 경우에는 옵션 1이 우수합니다.

PCB 레이아웃에서 캐비티를 수동으로 그리기

디자인에서 캐비티를 수동으로 그리고 싶다면, 영역을 정의하지 않더라도 PCB 레이아웃의 기계적 레이어를 사용하여 그릴 수 있습니다.

시작하려면 먼저 라우팅 도구 반경을 선택하고 이를 사용하여 캐비티 윤곽의 모서리 반경을 설정해야 합니다. PCB 편집기에서 새로운 기계 레이어에 윤곽을 그립니다. 호(arc)를 사용하거나 모서리 반경이 적용된 직사각형 영역을 사용할 수 있습니다. 기계 레이어에 “CavityLayer”와 같이 인식하기 쉬운 이름을 지정하십시오.

캐비티 윤곽이 그려지고 적절한 반경이 적용되면, 그 윤곽 주변에 여유 공간을 적용해야 합니다(아래 참조). 이 윤곽에서 캐비티 영역에 아무것도 나타나지 않도록 킵아웃을 사용할 수 있습니다(기본 유형 1 캐비티). 캐비티 내부에서 구리 푸어를 제거하는 경우, 여유 공간과 라우팅 허용 오차를 고려하여 캐비티 윤곽보다 크게 설정된 폴리곤 컷아웃 영역을 사용할 수 있습니다.여유 공간 및 라우팅 허용 오차.

캐비티와 관련하여 따라야 할 네 가지 설계 규칙이 있습니다:

• 여유 공간: 캐비티의 윤곽을 보드 컷아웃과 관련하여 여유 공간과 허용 오차를 고려하여 처리하십시오.
• 라우팅: 다른 레이어에서 캐비티 영역 위/아래로 라우팅할 수 있지만, 캐비티 영역에서는 맹목/매장 비아만 사용할 수 있습니다.
• Keepouts: 캐비티 경계와 일치하는 캐비티 영역에 킵아웃을 배치합니다. 인셋 캐비티를 사용하는 경우, 표면 레이어에 킵아웃이 필요합니다.
• 엣지 도금: 타입 3 캐비티를 설계하거나, 엣지 도금이 있는 타입 2를 설계하는 경우, 캐비티 가장자리 주변에 음의 여유 공간을 적용하세요.

캐비티 제작 노트

위의 조언을 따라 캐비티를 기계 레이어에 배치했다면, 그 캐비티 정의를 표준 제작 데이터(Gerbers 또는 ODB++)로도 내보낼 수 있습니다. 출력물을 생성할 때, Gerber 내보내기에 캐비티를 위한 기계 레이어를 포함시키도록 하세요.

캐비티가 설계에 정의되면, 캐비티의 제작 요구 사항을 명확하게 설명하는 제작 노트를 포함시키세요. 제작 노트를 작성할 때, 다음 정보를 포함시키도록 하세요:

• 캐비티의 시작 및 종료 레이어(L2 및 L3 예시)
• 캐비티 라우팅 경로를 포함한 Gerber 파일
• 라우팅 도구 반경
• 라우팅 경로에 필요한 허용 오차(보통 +/- 10 mils)
• IPC-6012F 표준에 정의된 캐비티 유형

제작업체가 일반적으로 네이티브 보드 파일을 확인하지 않기 때문에, 제작 문서에 이 데이터를 명확하게 명시하는 것이 중요합니다. 견적 양식에 특별한 메모를 포함할 수 있는 옵션이 있다면, 제작 노트도 거기에 복사해 넣으십시오.

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