ECAD 라이브러리를 관리하여 일관된 PCB 레이아웃 디자인을 유지하는 방법

하드웨어 디자인의 모든 것을 올바르게 수행했음에도 불구하고 단 하나의 풋프린트 때문에 보드가 실패하는 것보다 더 아픈 일은 없습니다. 저도 이런 경험을 해봤기 때문에, 제 실수를 반복하지 마세요. 일관된 PCB 레이아웃 디자인을 위해 ECAD 라이브러리를 관리하는 방법을 배우세요.

주요 학습 포인트

• 하나의 맞지 않는 풋프린트는 수주간의 지연과 20,000달러의 생산 손실, 그리고 고객 관계까지 비용을 초래할 수 있습니다. 사소한 실수조차 신뢰와 일정을 파괴할 수 있습니다.
• ECAD 라이브러리의 무질서와 구조의 부재는 PCB 실패의 주요 원인 중 하나입니다. 표준화된 프로세스와 구성 요소 데이터가 필수적입니다.
• 부품 번호보다 강력한 구성 요소 설명이 더 가치가 있습니다. 이는 추적 가능성을 보장하고, 대체를 단순화하며, 부품이 단종될 때 비용이 많이 드는 재설계를 방지합니다.
• 신뢰할 수 있는 PCB 디자인은 다섯 가지 기둥에 의존합니다: 회로도 기호, 구성 요소 데이터, 시뮬레이션, 3D 모델, 그리고 랜드 패턴.
• 시뮬레이션, 3D 충돌 검사, 그리고 IPC 준수 풋프린트는 제작 후에 수정하기 어렵거나 불가능한 하류 오류를 방지합니다.
• 체계적인 라이브러리 관리 시스템은 혼돈을 신뢰성으로 바꿉니다. 프로세스는 여러분을 늦추지 않습니다. 실수가 그렇게 합니다.

2만 달러짜리 풋프린트

제 프리랜서 경력 초기에, 저는 새로운 클라이언트에게 제 능력을 증명하고자 빠르게 움직였습니다. 디자인은 완성되었고, 제작도 순조롭게 진행되었으며, 모든 부품도 재고에 있었습니다. 그러나 2주 후, 조립이 시작되면서 저는 제 배를 떨어뜨리는 이메일을 받았습니다: "생산 중단 - PCB 구성요소를 조립할 수 없음."

저는 부품 번호 문제일 것이라고 확신했습니다. BOM, 회로도, 그리고 보드 레이아웃을 확인했습니다. 모든 것이 괜찮아 보였습니다. 그렇지만 실제로는 그렇지 않았습니다.

한 풋프린트가 잘못된 핀아웃을 가지고 있었습니다. 디자인 중간에 테스트를 위해 교체했던 것을 스키매틱으로 다시 동기화하는 것을 잊어버렸습니다. 그 작은 실수가 생산을 중단시켰습니다.

결과는? 5개의 테스트 보드에 332달러가 낭비되었고, 6주의 지연과 2만 달러짜리 생산 런을 잃었습니다. 클라이언트의 신뢰도 사라졌습니다. 그들은 마감일을 놓쳤고 레이아웃 작업을 위해 다른 디자이너를 선택했습니다. 저를 추천해준 동료는 예의를 갖추었지만, 저는 그 회사로부터 다른 프로젝트를 받지 못했습니다.

정말 가혹했지만, 내 경력에서 가장 중요한 교훈이었습니다. 최고의 엔지니어라도 구조가 없으면 실수를 합니다. 저는 체크리스트도, 표준화도 없이, 머릿속에 있는 것만 가지고 있었습니다. 이건 바뀌어야 했습니다.

제가 배운 핵심 원칙은 다음과 같습니다:

라이브러리의 모든 부품에 대해 필수 최소한의 데이터를 유지하세요. 구매자에게 가장 중요한 필드는 제조업체 부품 번호(MPN)입니다. 하지만 설계자에게는 부품 설명입니다.

왜냐하면? MPN은 부품을 구매할 때만 중요하며, 빠르게 구식이 됩니다. 몇 년 후에는 부품 정보, 공급업체, 심지어 제조업체에 대한 접근을 잃을 수 있다는 것을 저는 힘든 방식으로 배웠습니다. 설명이 없으면, 오래된 회로도를 해독하여 부품이 무엇이었는지 결정하거나, 더 나쁜 경우, 보드의 그 부분을 다시 설계해야 합니다.

상세한 부품 설명은 안전장치 역할을 합니다. 데이터시트를 요약하고, 핵심 특성을 정의하며, 공급업체 전반에 걸쳐 동등한 활성 부품을 빠르게 찾을 수 있게 해줍니다. 그래서 경험 많은 엔지니어는 캐패시터조차도 데이터시트를 항상 저장합니다. 부품이 단종될 것을 알고 있으며, 대체품을 찾는 데 소요되는 시간은 생산성 손실이라는 것을 알고 있기 때문입니다.

아니요, 부품 정보를 찾는 데 절반의 시간을 소비하는 것이 "정상"이어서는 안 됩니다. 그래서 저는 이제 BOM 관리 도구와 표준화된 프로세스에 의존하여 모든 구성 요소를 추적 가능하고, 교체 가능하며, 생산 준비가 되도록 유지합니다. 다음 섹션에서는 그 시스템을 소개하겠습니다. 바로 그 시스템이 저를 다시는 조직 미숙으로 인해 고객을 잃지 않게 만들었습니다.

“우리는 작은 회사니까, 프로세스가 우리를 느리게 할 거야.”라고 생각할 수 있습니다. 저도 그렇게 생각했습니다. 하지만 제 이야기에서 보듯이, 자신만의 프로세스를 존중하지 않을 때, 심지어 한 사람 팀도 조립하는 몇 주 후에야 발견되는 무언가를 놓칠 수 있습니다.

한 개의 풋프린트가 일정을 망칠 수 있습니다. 부품을 배치할 수 없으면 조립이 중단됩니다. 그러면 고밀도 보드에서 손으로 납땜을 해야 하는데, 이는 매우 힘든 작업입니다.

저는 제 머리 속에 있던 내부 프로세스를 공유하여 여러분이 제 실수를 반복하거나 고객에게 비용을 지불하지 않도록 합니다. 프로세스에 "성장하기를 기다릴" 수는 없습니다. 작은 팀은 버퍼가 적습니다. 부품당 약간의 엄격함은 수주간의 작업, 수만 달러를 절약하고 미래의 판매, 현금 흐름 및 회사를 보호합니다.

과정이 당신을 늦추지 않습니다. 실수가 그렇게 합니다.

그렇다면 결론은 무엇일까요? 부품을 먼 미래에도 재생성할 수 있도록 자세한 부품 설명을 유지하고, 발자국을 두 번이나 심지어 네 번까지 체크하세요.

부품 라이브러리가 전체 제품 출시를 망가뜨리는 이유는 무엇일까요?

부품 라이브러리와 관련된 가장 흔한 문제는 다음과 같습니다:

MPN-만의 기록(설명 필드 없음)

정말 문제가 되는 것은 기록에 제조업체 부품 번호만 있고 부품을 식별할 수 있는 것이 아무것도 없을 때입니다.

MPN은 단종되고, 모든 제조업체가 오래된 MPN의 단종 기록을 유지하는 것은 아닙니다. 회사도 인수되고 오래된 기록은 특히 항공우주 시스템과 같은 장수명 제품에서 시간이 지남에 따라 분실됩니다. 부품 번호만 가지고 있을 때, 수년간 온라인에 있던 정보가 오늘 갑자기 사라질 수 있습니다.

단일 공급업체 BOM, 라이프사이클 사각지대

지난주, 저는 한 클라이언트를 위해 BOM을 제출했습니다. 레이아웃과 Gerber 검사는 괜찮았지만, 부품이 재고에 없거나 일부는 재고가 부족했고(<1–2k 단위), 백업 공급업체도 없었습니다. 이전 설계에서는 엔지니어들이 8개 이상의 출처와 대체품을 가지고 있었습니다. 모든 것이 원활하게 진행되었습니다.

구매자들은 종종 하나 이상의 공급원에 의존해야 하므로, 엔지니어는 BOM에 대체 공급업체 옵션을 제공해야 합니다. 그렇지 않으면 조립이 지연되고 디자이너는 재고를 찾기 위해 유통업체 웹사이트를 추가로 검색하는 데 시간을 소비해야 합니다.

프레임워크: 견고한 구성요소의 5대 기둥

완벽한 PCB 라이브러리가 필수적이라는 것이 명확해졌으니, 이러한 문제를 어떻게 방지할까요? 하드웨어 설계 및 생산에서 사용할 수 있는 강력한 프레임워크를 소개합니다. 부품 라이브러리에 반드시 포함되어야 하는 다섯 가지 핵심 요소가 있습니다. 이것들을 데이터베이스에 깊이 새기고 절대 빼놓지 마세요. 원하는 것은 무엇이든 추가하되, 항상 이것들을 포함하세요.

ECAD 라이브러리에서, 우리는 설계 소프트웨어에서 그 물리적 장치의 디지털 상응물을 모델링합니다. 이를 제대로 수행하기 위해서는 다음을 보여줘야 합니다:

제품 속성

• 부품에 대한 정보: 가용성, 가격, 최소 주문 수량, 설명 등.
• 전기적 기능성: 다양한 조건에서의 행동을 예측하기 위한 시뮬레이션 모델(예: SPICE, IBIS 등)을 사용합니다. 건축 및 테스트에 돈을 쓰기 전에. 종종 손으로 계산하고 데이터시트가 충분하다고 여겨질 때 급한 사이클에서 생략됩니다.
• 3D 모델: 장치의 높이, 크기, 형태를 보여주는 3D 표현으로, 케이스 내 PCB 배치를 보여주는 데 중요합니다.
• PCB 인터페이스: 부품이 위치하는 PCB 영역, 실제 물리적 부품과 일치해야 하는 PCB 풋프린트입니다.

기둥 1 - 회로도 기호

회로도 기호는 부품의 개념적 표현입니다. 핀, 핀 이름, 표준 기호 관례를 포함하여 부품의 작동 방식을 전달합니다.

정확한 시각적 표현이 중요하므로, 일반적인 상자를 사용하지 마십시오. 예를 들어, 저항기의 경우, 상자가 아닌 적절한 저항기 기호를 사용하세요.

기둥 2 - 구성 요소 정보

이것은 모든 장치에서 가장 중요한 부분입니다. 왜냐하면 그것이 모든 것을 정의하기 때문입니다. 부품 데이터가 없으면 구매하거나 만들 수 없습니다. 각 부품에는 다음 정보가 필요합니다:

구성 요소 설명

이것은 데이터베이스에서 부품을 식별하고 사양을 기반으로 넓은 검색 가능성을 제공하는 가장 빠른 방법입니다. 구성 요소 설명에 제조업체 부품 번호만 사용하는 것은 사양별 검색을 허용하지 않기 때문에 실용적이지 않습니다. 몇 가지 주요 사양이 포함된 약식 설명이 더 낫습니다. 예: LTST-C193TBKT-5A 대신 LED BLUE CLEAR CHIP SMD를 사용하세요.

하지만 더 나아가 봅시다. 제 명명 규칙은 다음과 같습니다:

장형 (정규형):

LED BLUE 470NM CLEAR INDICATION DISCRETE 2.8V 0603 (1608 METRIC) SMD

중간형 (ERP 친화적):

LED BLUE 470NM CLEAR 2.8V 0603 (1608 METRIC)

초단형 (라벨/항목):

LED BLUE 470NM 0603

저는 옵션 2, 중간형 (ERP 친화적) 버전을 선택할 것입니다.

구성 요소 설명

구성 요소 설명에는 기능, 주요 파라미터, 패키지 유형이 포함됩니다. "단순한 LED"는 그냥 단순한 것이 아닙니다. 이러한 세부 사항을 포착하여 식별 가능하고 사용 가능하게 하세요.

정확한 부품 설명은 정보에 기반한 교체를 가능하게 합니다. LED의 경우, 순방향 전압/전류와 밝기(mcd 등급)와 같은 데이터가 필요합니다. "LED BLUE CLEAR CHIP SMD"와 같은 이름은 부품 이름으로는 적합하지만, 전체 설명으로는 부족합니다. 데이터시트 없이는 대체품을 찾는 데 도움이 되지 않습니다.

더 나은 설명은 "Blue 470nm LED Indication – Discrete 2.8V 0603 (1608 Metric)"입니다. 이는 순방향 전압, 파장, 패키지 크기를 직접 포함하고 있어, 간단한 키워드 검색을 통해 유사한 부품을 빠르게 찾는 데 충분한 정보를 제공합니다.

"Blue LED SMD"와 같은 부족한 설명과 비교해 보세요. 이는 순방향 전압, 밝기, 정확한 풋프린트 등에 대해 아무것도 알려주지 않습니다. 이는 해당 MPN의 데이터시트를 열어 기본 전기 사양을 찾고, 그것을 엔지니어링 요구 사항이나 회로도의 설계와 비교해야 한다는 것을 의미합니다. 한 개의 LED에 30분이 소요됩니다. 200개 항목의 BOM에서 40개 부품으로 확대하면, 낭비된 시간(및 비용)이 명백해집니다.

데이터시트

부품 설명보다 더 가치 있는 것은 데이터시트입니다. 사용하는 모든 부품에 대한 데이터시트를 저장하세요. 제조업체는 링크를 자주 변경하기 때문입니다. 로컬 복사본을 유지하고 장치에 연결하며, 웹 포털 링크도 부품 필드로 저장하세요.

계층을 이렇게 생각하세요:

• 부품 이름: 부품을 찾기 위한 최상위 수준의 약어입니다.
• 상세 설명: 데이터시트의 간결한 추상입니다.
• 데이터시트: 진실의 원천입니다.

부품 이름의 목적은 필요한 것을 찾도록 도와주는 것입니다. 부품을 교체하거나 재생성하는 데 충분할 수도 있고 아닐 수도 있습니다. 설명에 새 부품을 찾는 데 충분한 세부 정보가 포함되어 있다면 더욱 좋습니다.

제조업체 부품 번호

제조업체 부품 번호는 부품에 대한 설명이 있더라도 필수입니다. 일부 제조업체는 유사한 부품 번호나 일반적인 부품 번호 계열(예: 7400 시리즈 로직, LM3xx 시리즈 구성 요소 등)을 사용하므로, 부품 번호는 특정 패키지, 풋프린트 및 전기 사양에 해당하므로 정확해야 합니다.

제조업체 이름

부품을 검색할 때 혼란을 피하기 위해서는 항상 정확한 제조업체 이름을 가지고 있는 것이 중요합니다. 이는 제조업체의 웹사이트에서 직접 부품을 주문하려는 경우에도 도움이 됩니다.

공급업체

적어도 하나의 공급업체를 나열하는 것이 좋습니다. 대부분의 제조업체는 프랜차이즈 유통업체(예: Digi-Key, Mouser, Avnet, Newark)를 통해 판매합니다. Octopart를 사용하여 사용 가능한 공급업체와 귀하의 문이나 조립소까지의 배송 옵션을 확인하세요.

기둥 3 - 시뮬레이션(필요한 경우)

실시간 성능이 중요하고 처음부터 올바른 설계가 필요할 때, 회로 수준 및 레이아웃 시뮬레이션은 시험 결과와 비교하여 좋은 기준을 제공하며 간단한 문제를 조기에 발견하는 데 도움이 됩니다.

그렇다면 우리는 부품을 시뮬레이션하기 위해 무엇을 할 수 있을까요?

• SPICE 모델, 기본 회로 작동, 실패 분석에 특히 전력 전자에서 중요합니다.
• IBIS 모델은 고속 시뮬레이션 및 분석을 통해 임피던스 문제를 사전에 감지하기 위해 사용됩니다. 상승 시간 및 보드 주파수가 1GHz 이상인 경우에 사용합니다. 고속 디지털(DDR, PCIe Gen 3/4/5, USB 3.2)에는 사실상 필수입니다. ~10 GT/s 이상에 가까운 경우, 테스트하기 전에 IBIS로 시뮬레이션하여 유효성을 검증하세요. 결과는 PCB의 유전체 재료에 따라 달라질 수 있음을 명심하세요.

기둥 4 - 3D/MCAD 모델

많은 제품이 기계적 인클로저 내에서 까다로운 여유 공간을 가지고 있으므로, X, Y, Z의 모든 밀리미터가 중요합니다. 인클로저에 대한 3D 충돌 검사를 사용하면, 어떠한 프로토타입 조립도 구축하기 전에 간섭 문제를 찾아낼 수 있습니다.

2021년에도, 단지 발자국만으로 작업하는 것이 드문 일은 아니었지만, 생산에 들어간다면 3D 모델을 포함시키고 충돌 테스트를 실행하세요. 부품을 PCB에 배치할 수 없다면, 제품이 없는 것입니다. 부품은 PCB를 넘어서 존재합니다. 일반적인 3D 형식은 STEP(AP224, AP214 등)입니다. 이러한 모델을 수집하고 정리해 두세요.

기둥 5 - PCB 상의 랜드 패턴

부품을 PCB 위에 배치해야 합니다. 랜드 패턴은 구성 요소가 납땜될 구리 패드를 정의합니다. 제조업체가 권장하는 랜드 패턴과 IPC 표준에 정의된 PCB 레이아웃 밀도에 따라 달라지는 실제 랜드 패턴이 있습니다. IPC-7351/7352의 최소, 표준, 최대 재료 조건과 같은 옵션은 부품 간 핀 간격과 충분히 큰 솔더 필렛을 형성할 필요성 사이의 균형을 맞추기 위한 것입니다.

그 중요성을 감안할 때, 저는 항상 다음을 확인합니다.

PCB 풋프린트 체크리스트

• 핀-1 극성
• 페이스트 감소 % 표시 (현재는 0%가 표준입니다. 제조업체가 변경할 것입니다)
• 코트야드
• 패드 치수 명시 (매번 수동으로 할 필요 없이 모든 엔지니어에게 시간을 절약)
• 최소/표준/최대 근거
• 금지 구역

더 확인해야 할 사항이 있지만, 이것들이 가장 중요합니다. 레이아웃 중에 부품이 고밀도 PCB에서 너무 적은 공간을 남겨두어 변경하거나 올바른 풋프린트나 부품을 찾아야 한다는 것을 발검하지 않도록 하세요. 지금 작업하거나 나중에 두 배의 작업을 하세요.

마무리 및 강력한 추천

"PCB 설계의 품질은 CAD 라이브러리에 달려있다." 2021년 12월 휴가 기간 동안 Tom Hausherr와의 만남에서 그가 IPC-7351 업데이트를 이끌면서 겪은 전쟁 같은 이야기를 공유하며 한 말이 기억납니다.

결론은 명확했습니다: 구성 요소가 PCB의 성공을 결정합니다. 제가 겪은 모든 치명적인 실패는 구성 요소의 간과에서 비롯되었습니다. 올바른 부품이 있다면 결함이 있는 회로도 종종 조정될 수 있지만, 장치 자체는 그렇지 않습니다. 그리고 제작 후에 발판 호환 가능한 대체품을 찾는 것은 도박이며, 땜납을 제거하고 재작업하는 데 소요되는 시간을 말할 것도 없습니다.

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