리지드-플렉스 PCB 설계: 기계적 제약, 스택업, 신뢰성을 위한 가이드라인

리지드-플렉스 PCB 설계는 유연한 회로 재료와 리지드 영역을 통합하여 독특한 형태의 설계를 구현하는 작업입니다. 일반적으로 복잡한 인클로저, 소형 또는 접이식 폼팩터, 혹은 가동 부품이 있는 인클로저 내부에 설계를 맞추는 것이 목표입니다. 리지드-플렉스 PCB는 표준 리지드 설계와는 다른 접근 방식이 필요하지만, 특정 경우에는 더 높은 신뢰성을 제공하며 커넥터와 케이블링만으로는 구현하기 어려운 기능을 가능하게 합니다.

플렉스 PCB나 리지드-플렉스 PCB를 한 번도 제작해 본 적이 없다면, 아래 가이드라인이 대부분의 제조업체 DFM 요구사항을 충족하면서도 고유한 기능을 갖춘 플렉스 및 리지드-플렉스 보드를 설계하는 데 도움이 될 것입니다. 리지드-플렉스 설계의 PCB 스택업도 까다로울 수 있으므로, 스티프너의 올바른 사용법을 포함해 다양한 스택업에 대한 지침도 함께 제공합니다.

리지드-플렉스 설계 유형과 PCB 스택업

다양한 리지드-플렉스 설계 유형은 항상 PCB 스택업으로 정의되며, 이는 리지드-플렉스 PCB에서 필요한 기능을 가능하게 하기 때문입니다. 여기서는 여러 종류의 리지드-플렉스 PCB 설계와 구현 가능한 형태를 보여주는 몇 가지 이미지를 간단히 소개합니다.

• 일체형 리지드-플렉스: 가장 일반적인 유형의 리지드-플렉스로, 플렉스 영역이 PCB 스택업에 적층되어 포함되는 구조
• 스티프너가 있는 리지드-플렉스: 플렉스 영역을 스택업에 적층하는 대신, 프리프레그 시트를 사용해 특정 영역의 플렉스를 보강하는 구조
• 완전 플렉시블 PCB 또는 FPC: 리지드 영역이 전혀 없는 설계로, 일반적으로 케이블 대체 용도로 사용됨
• 북 바인더형 리지드-플렉스: 여러 개의 겹치는 플렉스 영역이 서로 위로 접힐 수 있는 설계
• 동적 굽힘 리지드-플렉스: 동작 중 반복적인 굽힘을 견디도록 설계된 리지드-플렉스
• HDI 리지드-플렉스: 리지드 영역, 플렉스 영역 또는 양쪽 모두에 레이저 드릴 마이크로비아를 사용하는 설계
• 투명 리지드-플렉스: 완전히 투명한 플렉시블 재료와 리지드 스택업 또는 스티프너를 사용하는 설계
• PTFE 기반 리지드-플렉스: PTFE 코어와 본드플라이를 사용해 스택업의 리지드 부분을 구성하는 리지드-플렉스 설계

리지드-플렉스 설계는 플렉스 영역이 여러 갈래로 분기되는 구조를 가질 수 있습니다. 이러한 분기는 커넥터, 다른 리지드 영역, 스티프너, 골드 핑거 또는 플렉스 영역 위에 조립된 회로에서 끝날 수 있습니다. 아래에는 복잡한 예가 나와 있습니다.

리지드-플렉스 PCB 어셈블리는 여러 개의 분기와 리지드 영역을 가질 수 있습니다.

리지드-플렉스 설계의 기계적 제약

고정

리지드-플렉스 설계는 종종 인클로저 내부에 고정되어야 하며, 이는 나사 또는 스냅인 마운트를 통해 이루어질 수 있습니다. 일부 고정 방식은 플렉스 또는 리지드 영역을 제자리에 유지하는 슬라이드인 브래킷을 사용하기도 합니다. 이 경우 리지드-플렉스 어셈블리를 제자리에 유지하기 위한 장착 홀(mounting hole)이 필요한 경우가 많습니다.

영구 변형

일부 리지드-플렉스 어셈블리에서는 설치 과정에서 플렉스 리본이 영구적으로 구부러지거나 접힌 자국이 생겨 최종 보드가 인클로저 내부에서 형태를 유지하도록 합니다. 이는 정적 플렉스 적용 사례로, 굽힘이 한 번 적용된 후 동작 중에는 리본이 다시 움직이지 않습니다. 이러한 영구 변형이 계획되어 있다면, 설계자는 PCB 레이아웃에서 킵아웃 영역을 사용해 접힘 또는 굽힘 영역을 정의해야 합니다. 이러한 킵아웃은 굽힘이 발생할 구역에 부품, 비아, 배선이 배치되지 않도록 하며, 이는 접힘 구역의 구리 패턴이 집중된 기계적 응력을 받아 시간이 지나면서 트레이스 균열이나 솔더 접합부 파손이 발생할 수 있기 때문입니다. 이상적으로는 인클로저의 MCAD 모델 정보를 반영하여 레이아웃 초기 단계에서 이러한 킵아웃을 정의하면, 플렉스 리본을 최종 위치로 접을 때 예상치 못한 간섭 없이 배치할 수 있습니다.

굽힘 한계

정적 굽힘과 동적 굽힘의 구분은 리지드-플렉스 설계에서 허용 가능한 최소 굽힘 반경을 결정하는 가장 중요한 제약 조건입니다. 정적 굽힘은 설치 중 플렉스 리본이 한 번 또는 소수의 횟수만 구부러진 뒤 제품 수명 동안 고정된 상태로 유지되는 경우를 말합니다. 동적 굽힘은 힌지, 로봇 관절, 웨어러블 장치처럼 정상 동작 중 플렉스 리본이 반복적이고 지속적으로 굽혀지는 경우를 의미합니다. 최소 굽힘 반경은 굽힘 영역의 전체 플렉스 두께의 배수로 정의됩니다. 정적 플렉스 적용에서는 일반적으로 최소 굽힘 반경을 플렉스 두께의 6배로 보며, 보다 보수적이고 널리 권장되는 시작점은 10배입니다. 동적 플렉스 적용에서는 제품 수명 동안 예상되는 굽힘 사이클 수에 따라 요구되는 굽힘 반경이 크게 증가하며, 종종 플렉스 두께의 100배까지 필요할 수 있습니다.

계산 예로, 정적 적용에서 두께가 11 mil인 4층 플렉스 영역을 생각해 보겠습니다. 보수적인 10배 기준을 적용하면:

Rmin = 10T = 10×11 mils = 110 mils

최소 기준인 6배를 적용하면:

Rmin = 6T = 6×11 mils = 66 mils

같은 11 mil 플렉스 영역이 긴 수명을 요구하는 동적 적용에 사용된다면, 굽힘 반경은 대략 다음과 같이 증가해야 합니다:

Rmin = 100T = 100×11 mils = 1100 mils

이는 플렉스 영역이 반복적인 굽힘을 견뎌야 할 때 기계적 외형 한계가 얼마나 빠르게 커지는지를 보여줍니다. 더 얇은 구리 중량(0.5 oz 또는 1/3 oz), 압연 어닐링 구리, 무접착 라미네이트는 모두 굽힘 수명 향상에 도움이 되지만, 굽힘 반경 제약을 무시할 수 있게 해주지는 않습니다.

이러한 굽힘 한계는 리지드-플렉스 PCB 스택업과 인클로저의 기계 설계 사이에 직접적인 연관성을 만듭니다. 인클로저 형상이 먼저 정의되면, 플렉스 리본이 구부러질 수 있는 가용 공간이 PCB 설계자가 사용할 수 있는 최대 플렉스 두께와 최소 굽힘 반경을 결정합니다. 반대로 레이어 수, 임피던스, 구리 중량과 같은 전기적 요구사항을 기준으로 스택업이 먼저 정의되면, 그 결과로 정해지는 플렉스 두께가 기구 설계자가 인클로저에서 수용해야 하는 최소 굽힘 반경을 결정하게 됩니다.

실무적으로 이는 PCB 스택업과 인클로저 형상을 함께 개발해야 함을 의미합니다. 전기적 요구사항을 만족하는 4층 플렉스 영역이라도 사용 가능한 인클로저 공간 안에서 구부리기에는 너무 두꺼울 수 있으며, 이 경우 레이어 수, 구리 중량, 기계적 여유 공간 사이에서 절충이 필요합니다. 이상적으로는 동기화된 ECAD-MCAD 협업 도구를 통해 전기 설계팀과 기구 설계팀이 초기부터 협업하면, 플렉스 리본이 굽힘 반경 한계를 위반하지 않고는 인클로저에 물리적으로 들어가지 않는 문제를 후반 단계에서 발견하는 일을 방지할 수 있습니다.

리지드-플렉스 PCB의 기계 및 신뢰성 테스트

기계적 제약이 정의되면, 일반적으로 설계 자체 또는 제품 전체에 대해 신뢰성 시험이 요구되는 경우가 많습니다. 이때 리지드-플렉스 설계를 기계적으로 어떻게 검증할 것인지가 문제가 될 수 있습니다.

EDA 소프트웨어는 이러한 종류의 검증을 직접 제공하지는 않습니다. 하지만 이를 수행하는 방법은 두 가지가 있습니다:

• 물리적 테스트: PCB와 어셈블리의 신뢰성을 검증하기 위해 어셈블리를 진동 시험, 환경 시험 등에 투입할 수 있습니다
• 시뮬레이션: 진동, 기계적 충격 또는 기타 극한 조건에서 어셈블리의 거동을 이해하기 위해 기계 시뮬레이션을 사용할 수 있습니다

시뮬레이션 측면에서는 파일 교환에 의존하지 않고도 리지드-플렉스 설계를 MCAD 소프트웨어로 가져올 수 있습니다. 상용 MCAD 소프트웨어는 Altium Develop에서 생성된 리지드-플렉스 설계에 대해 진동, 응력/변형률, 어셈블리 시뮬레이션을 제공할 수 있습니다. 고급 MCAD CoDesigner 기능을 사용하면 사용자는 상용 MCAD 소프트웨어 내부에 자신의 전기 설계에 대한 디지털 트윈을 생성할 수 있습니다. 그러면 기구 설계자는 이를 사용해 인클로저를 설계하고, 간섭을 확인하며, 주요 부품을 배치하거나 리지드-플렉스의 기계적 제약을 정의할 수도 있습니다.

고급 MCAD CoDesigner 기능을 사용하면 Altium 사용자는 리지드-플렉스 PCB 레이아웃을 널리 사용되는 MCAD 애플리케이션으로 즉시 전송할 수 있습니다.

기계적 제약을 포함하는 방법

리지드-플렉스 설계에서 기계적 제약은 일반적으로 특정 부품의 배치를 고정하고 킵아웃을 사용하는 방식으로 구현됩니다. 경우에 따라 킵아웃은 부품 높이를 기준으로 정의되어 어셈블리에서 간섭이 발생하지 않도록 합니다. PCB 설계 소프트웨어에서는 이러한 제약을 설계 규칙과 PCB 레이아웃에 직접 그린 킵아웃 정의를 통해 설정합니다.

기계적 제약을 위한 설계 규칙 정의

Altium Designer는 제약 조건 기반 설계 규칙 시스템을 제공하여 레이아웃 중 기계적 요구사항을 직접 강제할 수 있게 합니다. 클리어런스 규칙, 배치 규칙, 영역별 제약은 모두 특정 보드 영역, 레이어 스택 또는 부품 클래스에 범위를 지정할 수 있으므로, 보드의 서로 다른 구역이 근본적으로 다른 기계적 요구사항을 갖는 리지드-플렉스 설계에 매우 적합합니다. 다음 단계에서는 리지드-플렉스 레이아웃에서 기계적 제약 정의를 지원하는 설계 규칙을 설정하는 방법을 설명합니다.

• 설계 워크플로는 객체 중심의 스프레드시트 인터페이스부터 유연한 범위 지정을 위한 전통적인 쿼리 기반 규칙 엔진까지 다양합니다.
• 클리어런스 및 영역 스타일 제약과 같은 기계적 요구사항의 적용은 자동화된 DRC와 Room 구성을 통해 이루어집니다.
• 신호 무결성 최적화에는 정밀한 종단, 스택업 기반 임피던스 제어, 그리고 아이 다이어그램 및 임펄스 응답을 사용한 채널 손실 평가가 포함됩니다.
• 중앙 집중식 라이브러리 관리는 검증된 심볼, 풋프린트, 검증된 회로 블록의 재사용을 촉진하여 설계 리스크를 줄입니다.
• 제조 준비성은 재료 가용성, 구리 중량, 비아 종횡비에 대해 제조업체와 조기에 소통하는 데 달려 있습니다.
• 통합된 PLM 및 MRP 시스템은 추적성과 공급망 가시성을 향상시켜 팀이 복잡한 제품 수명주기와 조달 변동성을 관리하는 데 도움을 줍니다.

PCB 레이아웃에서 킵아웃 사용하기

PCB 레이아웃의 킵아웃 영역은 트레이스, 비아, 부품, 구리 필과 같은 특정 객체의 배치를 금지하는 영역을 정의합니다. 리지드-플렉스 설계에서 킵아웃은 일반적인 클리어런스 적용을 넘어 구조적인 목적도 수행합니다. 즉, 굽힘 구역, 접힘 영역 또는 인클로저 장착을 위해 비워 두어야 하는 영역에 구리와 부품이 배치되지 않도록 합니다. 킵아웃은 특정 레이어에 그릴 수도 있고 멀티레이어 제한으로 적용할 수도 있으며, DRC 수행 시 활성 설계 규칙과 대조하여 검사됩니다. 다음 단계에서는 Altium Designer에서 리지드-플렉스 레이아웃용 킵아웃 영역을 정의하고 적용하는 방법을 설명합니다.

• 범위 정의: 킵아웃이 모든 신호 레이어에 적용되는지(Keepout 레이어 사용) 또는 특정 단일 구리 레이어에만 적용되는지 결정합니다.
• 형상 정의: 배선 및 부품 배치를 방지해야 하는 리지드 또는 플렉스 영역 위에 Keepout Region을 배치합니다.
• 제한 설정: Properties 패널에서 제한 사항을 구성하여 정의된 영역 내에서 특정 객체 유형(예: 비아, 트랙, 패드)을 차단합니다.
• 검증: 규칙에 따라 자동 배선 및 자동 배치 기능이 차단되는지 확인하여 보호 영역에서 설계 위반이 발생하지 않도록 합니다.

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