초보자를 위한 제조용 PCB 설계 지침

설계 전문가들은 제조 지침용 설계에 대해 많이 이야기합니다. 하지만 이러한 지침은 정확히 무엇이며, PCB 설계 소프트웨어에서 어떻게 구현될까요? PCB 개발에서 제조용 설계의 의미는 매우 단순합니다. 즉, 최대 수율의 제조를 보장할 수 있는 설계 옵션만 구현해야 합니다. 이 매우 간단한 설명에는 많은 것이 생략되어 있기 때문에 제조업체가 여러분이 설계 소프트웨어에서 PCB 레이아웃에 입력한 건 무엇이든 제조할 수 있다고 생각하는 것이 당연합니다.

실제로는 여러 제조 시설의 역량, 재료 옵션, 표준 노터치(no-touch) 서비스 옵션이 제각기 다릅니다. 흔한 실수 몇 가지로 인해 기판이 제조 불가능해지고 광범위한 재설계가 필요하게 될 수 있습니다. 이 문서에서는 신입 설계자와 경험이 풍부한 설계자가 저지를 수 있는 가장 일반적인 실수 몇 가지를 살펴보겠습니다. 저 또한 이러한 실수를 저질렀던 경험이 있기 때문에 반드시 이를 복구하고 기판을 제조 가능하게 만들 수 있다고 말씀 드립니다.

제조를 위한 기본 PCB 설계 팁

아래에서 설명하는 내용은 거의 전적으로 다음의 두 가지 중요한 영역과 관련이 있습니다.

• 재료에 관한 고려 사항(특히 코어/적층판 재료 및 구리 무게)
• 제작 한계(특히 PCB 레이아웃의 피처 크기와 간격에 대한 제한)

이를 염두에 두고 성공적인 설계에 필요한 몇 가지 기본적인 PCB 설계 제조 지침을 살펴보겠습니다.

먼저 레이어 스택업하기

새로운 설계로 뛰어들어 기판 주위에 컴포넌트 설계로 바로 이동하여 기판 주위에 컴포넌트 배치를 시작하는 것은 놀랍도록 간단합니다. 제어 임피던스, 특정 버스 커패시턴스 또는 고밀도 디지털 라우팅이 필요하지 않은 간단한 기판의 경우, 표준 레이어 두께의 균일한 레이어 수 기판에 배치하기만 하면 됩니다. 설계에 따라 제조된 PCB가 예상한 기능을 실현하지 못할 수 있습니다.

심지어 취미용 마이크로 컨트롤러 기판의 경우에도 대부분의 설계에서는 최소한 레이어 배열과 재료 특성을 알아야 합니다. 디지털 버스 또는 제어된 임피던스 트레이스의 트레이스 설계를 시작하기 전에 제조 시설에 이메일을 보내 표준 레이어 스택을 받으세요. 그렇지 않으면 제조 시설이 여러분이 기대한 기능을 실현하지 않는 레이어 스택을 사용하여 기판을 생산할 수 있습니다. 또 다른 위험은 제조 시설이 제조할 수 없는 레이어 스택을 만드는 것입니다. 이는 보통 스택업 사양과 일치하는 재료의 재고가 제조 시설에 없기 때문에 발생합니다.

구리 무게를 전류 밀도 및 적층판과 일치시키기

재료를 선택하거나 스택업 승인을 받을 때 제조자가 여러분이 원하는 구리 무게에 이의를 제기하더라도 놀라지 마세요. 여러분이 원하는 구리 무게를 지정하는 것이 아니라, 제조 시설의 재료 세트에서 사용 가능한 구리 무게를 사용해야 합니다. 충분한 시간을 할애하여 특정한 전류 밀도(예: 전원 레일)에 필요한 구리 무게와 트레이스 너비를 예측했다면 제조 시설과 함께 스택업을 결정할 때 필요한 무게를 지정해야 합니다.

구리 간 공간 거리 적용

새 PCB 레이아웃을 시작할 때 ECAD 소프트웨어는 거의 모든 PCB에 적합한 보수적인 값에 해당하는 기본 공간 거리 규칙 세트를 적용합니다. 이러한 값은 일반적으로 지나치게 보수적이므로, 많은 경우 보통 레이아웃을 시작하기 전에 올바른 공간 거리 값을 프로그래밍하지 않고 이러한 값을 무시하곤 합니다. 설상가상으로 너무 작은 값을 입력하면 기판을 제작할 수 없을 정도로 요소를 너무 가깝게 배치할 수 있습니다.

해결책: 배치를 시작하기 전에 제조 시설의 한계를 확인하고 이 값을 PCB 프로젝트의 설계 규칙으로 프로그래밍하세요. 가장 흔히 발생하는 공간 거리 위반을 방지하려면 다음의 공간 거리에 유의하세요.

• 트레이스 간 공간 거리
• 트레이스/패드와 다각형 간 공간 거리
• 트레이스와 패드 간 공간 거리 
• 패드 간 공간 거리

마지막 두 항목은 스루 홀(비아 또는 컴포넌트 리드)용 SMD 패드 및 랜딩 패드에 적용됩니다. 에칭 보상이 필요하기 때문에 무거운 구리의 경우 이 값이 더 커질 수 있습니다.

중첩되는 드릴 히트

이전의 공간 거리 지침을 준수하고 패드 간 최소 간격 값을 설정했다면 이미 제조용 설계 지침을 반영했을 수 있습니다. 드릴 히트 간격이 너무 가까우면 CNC 드릴이 벗어나서 드릴 히트가 중첩될 수 있습니다. 모든 드릴 히트는 이상적인 히트 위치 중심에서 약간 벗어날 수 있으므로 비아 및 스루 홀 리드를 배치할 때 이를 고려해야 합니다.

단, 비아와 스루 홀 리드의 패드 간 공간 거리를 준수했다고 해서 반드시 드릴 히트 공간 거리를 충족한 것은 아닙니다. 12mil의 패드에 10mil의 비아를 배치한다고 가정해 보겠습니다. 패드 간 간격 제한이 5mil에 불과하지만 드릴 간 간격이 10mil인 경우, 패드 간 제한만 준수하면 드릴 히트 제한을 3mil 위반하게 됩니다.

아래에 표시된 열 완화 및 GND 평면 공간 거리와 같이 평면을 통과하는 드릴 히트 사이에도 비슷한 문제가 발생할 수 있습니다. 두 개의 녹색 영역은 비아 벽과 이 네트의 평면 간 공간 거리를 나타냅니다. 여기에 남은 조각은 매우 작아서 제조할 수 없습니다. 아래에 표시된 예는 이러한 제작 오류가 장치의 작동 불능을 초래하지는 않는 드문 경우이지만, 이는 일반적인 경우는 아닙니다. 이러한 결함이 두 스루 홀 사이의 표면층에 있는 경우에는 제조 중에 가느다란 구리 부품이 에칭될 가능성이 높으므로 납땜 중 브리징 위험이 발생할 수 있습니다.

여기서 자연스러운 해결책은 더 큰 패드를 사용하는 것인데, 이렇게 하면 기본적인 IPC 등급 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 최소 패드 크기(드릴 직경+8mil)를 사용하면 거의 항상 드릴 간 공간 거리 제한을 충족할 수 있습니다.

작은 피처 크기

컴포넌트와 트레이스를 기판에 배치하기 시작하면 트레이스, 드릴 히트와 패드를 불필요하게 작게 만들고 싶은 생각이 들기 마련입니다. 모든 요소를 얼마나 가까이 배치할 수 있는지는 공간 거리 규칙에 의해 제한되지만, 그에 못지않게 중요한 설계 요건은 최소 피처 크기입니다. 해결해야 할 가장 일반적인 두 가지 사항은 최소 홀 크기와 트레이스 너비입니다. 이는 제조 시설의 피처 크기를 찾아 설계 규칙에 프로그래밍하는 것만큼이나 간단합니다. 대부분의 기판에 적용되는 일반적인 제조 제한은 4mil의 트레이스 너비, 6mil의 드릴 구멍입니다. 제어된 임피던스가 필요하지 않은 많은 간단한 기판의 경우 8~10mil의 트레이스 너비와 10mil의 드릴 직경을 사용하는 것이 가장 좋습니다.

솔더 마스크 조각

솔더 마스크 개구부가 인접한 두 컴포넌트 사이에 흐르는 용융 납땜에 대한 댐 역할을 안정적으로 수행할 수 있도록 하기 위한 것으로, 조립 시 종종 간과되는 부분입니다. 패드의 간격이 적절하게 배치되었더라도 NSMD 패드의 솔더 마스크 개구부가 지나치게 크면 패드 사이에 아주 가느다란 솔더 마스크 채널이 남을 수 있습니다.

일반적인 최소 솔더 마스크 조각 요구 사항은 5mil입니다. 솔더 마스크 조각이 제조 시설의 한계치보다 작으면 경화 후 떨어져 나갈 수 있으며 두 패드를 납땜으로 접합할 수 있는 채널이 생성됩니다. 이러한 경우 해결책은 간격을 넓히거나 해당 패드의 솔더 마스크 개구부를 줄여 충분히 큰 조각이 남게 하는 것입니다.

중첩되는 실크 스크린

배치와 라우팅이 완료되면 실크 스크린을 검사 하여 중복되는 기준 지정 문자가 있는지 확인해야 합니다. 중복되는 기준 지정 문자가 있는 경우, 모든 기준 지정 문자가 잘 보일 때까지 PCB 레이아웃 내에서 옮기세요. 이는 기술적으로 성공적인 제작 또는 조립을 위한 필수 요건은 아니지만, 부지런한 제조업체라면 설계 검토 시 이를 문제로 표시할 것입니다.

더 중요한 문제는 납땜이 적용될 패드/구멍과 실크 스크린이 중첩되는 것입니다. 3D 모델 뷰어를 사용하거나 Gerbers를 직접 살펴보아 이 문제를 확인해야 합니다.

위의 지침 목록은 거의 모든 설계에 영향을 줄 수 있는 가장 일반적인 DFM 문제를 해결합니다. 프로젝트에서 위 지침을 구현하면 일반적인 설계 프로세스의 일부가 될 것입니다. 이러한 사항이 설계 규칙에 프로그래밍된 후에는 기판을 생산하기 전에 설계 검토의 일부로 언제든지 확인할 수 있습니다.

제조 가능한 고품질 회로 기판을 구축하는 데 필요한 모든 것을 포함하고 있으며 사용하기 쉬운 PCB 레이아웃 툴에 액세스해야 하는 경우에는 CircuitMaker만 한 것이 없습니다. 모든 CircuitMaker 사용자는 사용이 쉬운 PCB 설계 소프트웨어 외에도 Altium 365 플랫폼의 모든 개인 작업 영역에도 액세스할 수 있습니다. 여러분은 설계 데이터를 클라우드에 업로드 및 저장할 수 있으며, 안전한 플랫폼에서 웹 브라우저를 통해 프로젝트를 쉽게 확인할 수도 있습니다.

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