꼭 알아야 할 PCB 설계 규칙 TOP 5

#2 - 부품 배치 미세 조정

PCB 레이아웃 설계 프로세스의 컴포넌트 배치 단계는 기판에서 사용할 수 있는 최적의 공간을 전략적으로 고려해야 하는 예술이자 과학입니다. 컴포넌트 배치의 목표는 가능한 한 레이어 전환을 최소화하여 쉽게 라우팅할 수 있는 기판을 만드는 것입니다. 또한 설계는 설계 규칙을 준수하고 필수 컴포넌트 배치 요건을 충족해야 합니다. 여러 요건 사이에서 균형을 맞추기가 어려울 수 있지만, 기판 설계자는 다음의 간단한 프로세스를 통해 이러한 요건을 충족하는 컴포넌트 배치를 수행할 수 있습니다.

1. 필수 컴포넌트를 먼저 배치합니다. 때로는 기계적 인클로저 제한이나 크기 때문에 특정 위치에 반드시 배치해야 하는 컴포넌트가 있을 수 있습니다. 나머지 레이아웃을 진행하기 전에 이러한 컴포넌트를 먼저 배치하고 고정하는 것이 가장 바람직합니다.
2. 대형 프로세서와 IC를 배치합니다. 핀 수가 많은 IC나 프로세서와 같은 컴포넌트는 일반적으로 설계상의 여러 컴포넌트와 연결해야 합니다. 이러한 컴포넌트를 중앙에 배치하면 PCB 레이아웃에서 트레이스 라우팅이 더 쉬워집니다.
3. 가급적 네트를 교차시키지 마세요. 컴포넌트가 PCB 레이아웃에 배치된 후에는 보통 라우팅되지 않은 네트가 보입니다. 교차하는 네트의 수를 최소화하는 것이 가장 좋습니다. 네트 교차점마다 비아를 통한 레이어 전환이 필요하기 때문입니다. 창의적인 컴포넌트 배치를 통해 네트 교차를 방지할 수 있으면 PCB 레이아웃에 가장 적합한 라우팅 가이드라인을 구현하기가 더 쉬워집니다.
4. SMD PCB 기판 설계 규칙을 따릅니다. 모든 표면 장착 장치(SMD) 컴포넌트는 기판의 동일한 면에 배치하는 것이 좋습니다. 주된 이유는 조립 때문입니다. 즉, 기판의 각 면에는 SMD 납땜 라인을 따라 고유한 통과 경로가 필요하므로 모든 SMD를 같은 면에 배치해야 추가적인 조립 비용을 피할 수 있습니다. 
5. 여러 방향을 시험해 보세요. 네트 교차를 피하기 위해 컴포넌트를 회전해도 괜찮습니다. 라우팅을 단순화할 수 있다면 연결된 패드의 방향을 바꾸어 서로 마주보도록 배치해 보세요.

1번과 2번 팁을 따르면 라우팅 사이에 교차가 지나치게 많이 발생하는 일 없이 기판의 나머지 레이아웃을 구성할 수 있습니다. 또한 중앙 프로세서가 기판 주변의 다른 모든 컴포넌트에 데이터를 제공하는 현대적인 형태 및 디자인의 레이아웃으로 기판을 구성할 수 있게 됩니다.

#3 - 전력, 접지, 신호 트레이스의 배치

컴포넌트 배치를 완료했다면 이제 전원, 접지 및 신호 트레이스를 라우팅하여 깔끔하고 문제 없는 신호 이동 경로를 확보해야 합니다. 레이아웃 프로세스 중 이 단계에서는 다음의 몇 가지 가이드라인을 염두에 두어야 합니다.

전력면 및 접지면 배치 위치

일반적으로 전원과 접지는 두 개의 내부 레이어에 배치됩니다. 하지만 2레이어 기판의 경우 이렇게 하는 것이 쉽지 않을 수 있으므로, 한 레이어에 대형 접지면을 배치하고 다른 레이어에 신호와 전원 트레이스를 라우팅하는 것이 좋습니다. 4레이어 회로 기판 스택업과 더 많은 수의 레이어를 사용하는 경우, 접지 트레이스를 라우팅하는 대신 접지면을 사용해야 합니다. 전원과 직접 연결해야 하는 컴포넌트의 경우, 전원면을 사용하지 않는다면 각 전원 공급 장치에 일반 레일을 사용하는 것이 좋습니다. 트레이스가 충분히 넓은지 확인하고(5~10A의 경우 100mil이면 충분), 부품 간 전선을 데이지 체인 방식으로 연결하지 마세요.

일부 권장 사항에는 평면 레이어 배치가 대칭이어야 한다고 명시되어 있지만, 이는 제조에 반드시 필요한 사항은 아닙니다. 이러한 사항은 대형 기판에서 뒤틀림 가능성을 줄이기 위해 필요할 수도 있지만, 소형 기판에서는 문제가 되지 않습니다. 우선 전원 및 접지에 대한 접근성을 확보하고 모든 트레이스를 가장 가까운 접지면에 강력한 복귀 경로로 연결하는 데 집중한 다음, PCB 설계 스택업에서 완벽한 대칭을 고려하세요.

PCB 레이아웃을 위한 라우팅 지침

다음으로 회로도의 네트와 일치하도록 신호 트레이스를 연결합니다. PCB 레이아웃 모범 사례에서는 가능하면 컴포넌트 사이에 항상 짧은 직접 연결 트레이스를 배치할 것을 권장합니다. 하지만 대형 기판에서는 이 방법이 항상 실용적이지는 않을 수도 있습니다. 컴포넌트 배치로 인해 기판의 한쪽 면에서 수평 트레이스 라우팅이 불가피한 경우, 항상 반대쪽 면에서는 트레이스를 수직으로 라우팅하세요. 이는 중요한 2레이어 PCB 기판 설계 규칙 중 하나입니다.

스택업의 레이어 수가 증가할수록 인쇄 회로 기판 설계 규칙과 PCB 레이아웃 가이드라인도 더 복잡해집니다. 따라서 각 신호 레이어를 참조 평면으로 분리하지 않는 한, 레이어마다 수평 트레이스와 수직 트레이스를 번갈아 사용하는 라우팅 전략을 활용해야 합니다. 특수 애플리케이션을 위한 매우 복잡한 기판의 경우 일반적으로 알려진 PCB 모범 사례 중 상당수가 더 이상 적용되지 않을 수 있으며, 이러한 경우에는 애플리케이션에 맞는 PCB 기판 설계 가이드라인을 따라야 합니다.

• 기본적인 PCB 라우팅 모범 사례에 대해 자세히 알아보세요.

트레이스 너비 정의

PCB 레이아웃 설계에서는 트레이스를 사용하여 컴포넌트를 연결하는데, 트레이스의 폭은 얼마나 되어야 할까요? 각 네트의 트레이스 폭 요건은 다음 세 가지 요인에 따라 달라집니다.

1. 제조 가능성: 트레이스가 너무 얇으면 안 됩니다. 지나치게 얇을 경우 안정적인 제조가 불가능합니다. 대부분의 경우 제작업체가 생산할 수 있는 최솟값보다 훨씬 큰 값의 트레이스 폭으로 작업하게 됩니다.
2. 전류: 트레이스에 흐르는 전류에 따라 트레이스 과열 방지를 위해 필요한 최소 폭이 결정됩니다. 전류가 높을수록 트레이스 폭이 넓어야 합니다.
3. 임피던스: 고속 디지털 신호 또는 RF 신호는 필요한 임피던스 값에 도달하려면 특정한 트레이스 폭이 필요합니다. 이는 모든 신호 또는 네트에 적용되는 것은 아니므로, 기판 설계 규칙의 모든 네트에 임피던스 제어를 적용할 필요는 없습니다.

특정한 임피던스나 고전류가 필요하지 않은 트레이스의 경우, 대부분의 저전류 아날로그 및 디지털 신호에는 10mil의 트레이스 폭이 적합합니다. 0.3A를 초과하는 전류를 전달하는 인쇄 회로 기판 트레이스는 더 넓어야 할 수도 있습니다. 이를 확인하려면 IPC-2152 노모그래프를 사용하여 필요한 전류 용량 및 온도 상승 한계에 알맞은 PCB 설계 트레이스 폭을 판단할 수 있습니다.

스루홀 부품을 위한 단열판(Thermal Relief)과 평면(Plane)의 연결

접지면은 기판 전체에 열을 고르게 전달하는 대형 방열판 역할을 할 수 있습니다. 따라서 특정 비아가 접지면에 연결되어 있는 경우, 해당 비아의 열 완화 패드를 생략하면 열이 접지면으로 전도될 수 있습니다. 이는 열을 표면 근처에 가두는 것보다 바람직합니다. 그러나 웨이브 납땜을 사용하여 스루홀 컴포넌트를 기판에 조립하는 경우에는 표면 근처에 열을 가둬두어야 하므로 문제가 발생할 수 있습니다.

열 완화(Thermal relief)는 웨이브 납땜 공정에서, 즉 평면과 직접 연결된 스루홀 컴포넌트를 위해 기판을 제조 가능하도록 보장하는 데 필요할 수 있는 하나의 PCB 레이아웃 설계 기능입니다. 스루홀이 평면의 직접 납땜 지점인 경우 공정 온도를 유지하기 어려울 수 있으므로, 납땜 온도를 유지할 수 있도록 열 완화를 사용하는 것이 좋습니다. 열 완화의 원리는 간단합니다. 납땜 중에 평면으로 열이 분산되는 속도를 늦춰 냉간 접합을 수월하게 방지하도록 하는 것입니다.

 

일부 설계자는 내부 접지면 또는 전원면에 연결된 비아 또는 구멍의 경우 작은 다각형일지라도 열 완화 패턴을 사용할 것을 권장합니다. 이 조언은 종종 지나치게 일반화되곤 합니다. 스루홀 컴포넌트를 위한 열 비아의 필요성은 내부 레이어에 연결할 구리 평면 또는 다각형의 크기에 따라 달라지며, 기판를 생산하기 전에 제작업체에 검토를 요청해야 하는 사항입니다.

#4 - 분리 보관

전기 간섭을 방지하면서 쉽게 라우팅할 수 있도록 컴포넌트와 트레이스를 그룹화하고 분리하는 방법에 관한 PCB 설계 규칙에 대한 몇 가지 라우팅 가이드라인이 있습니다. 고전력 컴포넌트를 분리해야 할 수도 있으므로, 이러한 그룹화 가이드라인은 열 관리에도 도움이 될 수 있습니다.

부품의 그룹화

일부 컴포넌트는 한 영역에 그룹화하면 PCB 레이아웃 설계에서 최적으로 배치할 수 있습니다. 그 이유는 이러한 컴포넌트가 회로의 일부일 수 있으며 서로 간에만 연결되어서 기판의 다른 면이나 영역에 배치할 필요가 없기 때문입니다. 그러면 PCB 레이아웃은 트레이스와 쉽게 연결할 수 있도록 개별 회로 그룹을 설계하고 배치하는 연습으로 작용합니다.

많은 레이아웃에는 아날로그 컴포넌트와 디지털 컴포넌트가 있는데, 디지털 컴포넌트가 아날로그 컴포넌트를 간섭하지 않도록 해야 합니다. 수십 년 전에는 접지면과 전원면을 각각 다른 영역으로 분리하는 방식이 사용되었지만, 이는 최신 기판 설계에서는 유효한 설계 옵션이 아닙니다. 안타깝게도 이는 여전히 많은 기판 레이아웃 가이드라인에서 제시되며, 이로 인해 EMI를 유발하는 잘못된 라우팅 관행이 많이 발생하고 있습니다.

• PCB 레이아웃 설계에서 접지를 정의하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

대신 컴포넌트 아래에 완전한 접지면을 사용하고, 접지면을 물리적으로 여러 섹션으로 분할하지 마세요. 그리고 아날로그 컴포넌트를 같은 주파수에서 작동하는 다른 아날로그 컴포넌트와 함께 배치합니다. 디지털 컴포넌트도 다른 디지털 컴포넌트와 함께 배치하세요. PCB 레이아웃 설계에서는 이를 각 컴포넌트 유형이 접지면 위의 각기 다른 영역을 차지하는 것으로 시각화할 수 있지만, 대부분의 기판 설계에서는 접지면을 균일하게 유지해야 합니다.

고전력 부품 분리

기판에서 많은 열을 방출하는 컴포넌트를 서로 다른 영역으로 분리하는 것도 좋은 방법입니다. 이러한 고전력 부품을 분리하는 아이디어의 원리는 레이아웃에 고온 부품이 함께 그룹화되어 있는 큰 핫스팟을 만드는 대신 PCB 레이아웃 주변의 온도를 균일화하는 것입니다. 이를 위해서는 컴포넌트의 데이터시트에서 '열 저항' 등급을 찾아 예상 열 방출량을 바탕으로 온도 상승을 계산하면 됩니다. 방열판과 냉각 팬을 추가하여 컴포넌트 온도를 낮출 수도 있습니다. 라우팅 전략을 고안할 때 트레이스 길이를 짧게 유지하는 것과 이러한 컴포넌트의 배치 사이에서 신중하게 균형을 찾아야 하는데, 이는 꽤 어려울 수 있습니다.

#5 - PCB 기판 설계 및 레이아웃 완성

제조를 위해 나머지 부품을 기판에 집어넣으려고 애쓰다 보면 설계 프로젝트의 말미에는 지치기 마련입니다. 하지만 이 단계에서 작업에 오류가 있는지 거듭 확인하는 것이야말로 제조의 성공과 실패를 판가름하는 결정적인 요인입니다.

이 품질 관리 프로세스를 더욱 수월하게 진행하려면 항상 전기 규칙 검사(ERC)와 설계 규칙 검사(DRC)로 시작하여 규정된 모든 제한 요건을 준수했는지 확인하는 것이 좋습니다. 이 두 시스템을 사용하면 간격 폭, 트레이스 폭, 일반적인 제조 요건, 고속 전기 요건 및 특정 애플리케이션의 기타 물리적 요건을 쉽게 정의할 수 있습니다. 이를 통해 레이아웃을 검증하기 위한 PCB 설계 레이아웃 검토 가이드라인이 자동화됩니다.

많은 설계 프로세스에서는 기판 설계 단계의 막바지에 제조를 준비하는 동안 설계 규칙 검사를 실시해야 한다고 명시하고 있습니다. 올바른 설계 소프트웨어를 사용하면 설계 프로세스 전반에 걸쳐 검사를 실시하여 설계의 잠재적 문제를 조기에 파악하고 신속하게 수정할 수 있습니다. 최종 ERC 및 DRC에서 오류 없는 결과를 도출했다면, 모든 신호의 라우팅을 확인하고 회로도를 한 번에 와이어 하나씩 실행하여 놓친 부분이 없는지 확인하는 것이 좋습니다.

이상 대부분의 회로 기판 설계에 적용되는 가장 중요한 PCB 레이아웃 가이드라인을 알려 드렸습니다. 비록 권장 사항이 많지는 않지만, 이 가이드라인은 기능적이고 제조 가능한 기판을 신속하고 수월하게 설계하는 데 도움이 됩니다. 이러한 PCB 기판 설계 가이드라인은 극히 일부의 내용만을 다루고 있지만, 모든 설계 관행에서 지속적인 개선을 실현하고 공고히 하기 위한 토대로 작용합니다.

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"이전에는 3D PCB 설계 기능을 거의 접해본 적이 없습니다. 비교적 최근에 Altium에 입문한 사용자로서, 저는 Altium을 이용해 3D로 연성 PCB와 경성 PCB를 설계하는 것이 생각보다 훨씬 쉽다고 단언할 수 있습니다. 이제 그 어느 때보다도 간편하게 3D PCB 레이아웃 설계 파일을 기계 코호트로 전환하여 검토할 수 있습니다!"

Kelly Dack, CID+ CIT
PCB 설계자 / IPC 강사

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