현대 PCB 레이아웃 과제 해결하기

PCB 기술의 발전은 양날의 검과 같습니다. 이는 전자 제품의 성능과 적용 가능성을 높였습니다. 하지만 PCB 레이아웃을 더 어렵게 만들어, 시장 출시 시간이 길어지고 제품 비용이 높아지는 위험을 증가시킵니다. 설계자들은 제품을 신속하고 예산에 맞춰 시장에 출시할 수 있는 자동화를 제공하는 통합 PCB 레이아웃 소프트웨어 패키지를 사용함으로써 이러한 위험을 완화할 수 있습니다.

소개

“여보, 아이들을 줄였어요.” “세상은 결국 작은 것이야.” 이는 디즈니 팬들에게 잘 알려진 문구들이지만, 인쇄 회로 기판(PCB) 디자인의 지속적인 소형화를 묘사하는 데에도 적절하게 사용될 수 있습니다(그림 1).

보드 면적은 상대적으로 일정하게 유지되는 동안, 지난 10년 동안 제곱 인치당 리드 수는 3배 증가했습니다.

평균 구성 요소 수는 15년 동안 4배 증가했으며, 평균 리드-퍼-파트는 4에서 5배 감소했습니다.

디자인에서의 핀 수는 3배 증가했고, 핀 대 핀 연결 수는 두 배 증가했습니다.

따라서 구성 요소와 완제품이 점점 더 작아짐에 따라, PCB 레이아웃은 더욱 밀집되고 복잡해졌습니다. 이러한 성장하는 소형화와 PCB의 복잡성은 모든 것을 맞추고 신뢰성 있게 작동시켜야 하는 PCB 디자이너들에게 여러 가지 도전을 제기합니다. 한 조사에서 전자 제품 회사 응답자의 53퍼센트가 PCB 복잡성 증가를 시장에 더 빠르고 저렴한 비용으로 가장 경쟁력 있는 제품을 출시하려는 주요 도전으로 꼽았습니다.(2) 가장 흔한 PCB 레이아웃 고통 포인트는 다음과 같습니다:

고핀수 볼 그리드 어레이(BGA)의 라우팅. 작고 불규칙한 형태의 제품에 맞을 수 있는 유연한 PCB 설계. 레이어 수를 증가시키지 않으면서 PCB 레이아웃 밀도를 높이기. 복잡하고 여러 레이어가 있는 PCB 설계에서 전압 강하를 피하기. 효과적인 ECAD-MCAD 통합 및 제조업체와의 더 나은 소통 보장. 밀집되고 복잡한 PCB에 충분한 테스트 포인트 포함하기

이러한 모든 도전은 최신의 통합 PCB 레이아웃 소프트웨어 스위트로 완화될 수 있습니다.

그림 1. 칫솔에서 토스터, 고급 운전자 지원 시스템(ADAS)에서 고급 외과 장비에 이르기까지, 점점 복잡해지지만 작은 PCB는 우리 생활의 거의 모든 측면 뒤에 있는 두뇌입니다.

BGA 라우팅 도전 해결

BGA는 핀 수가 많거나 밀도가 매우 높은 PCB와 집적회로(IC)를 패키징하는 일반적인 방법입니다. PCB 설계자들은 BGA를 선택하는 이유는 비용 효율적이면서도 소형화 및 기능 요구 사항을 충족할 수 있는 유연성을 제공하기 때문입니다. 문제는 핀 수가 증가하고 피치가 더 세밀해짐에 따라, 즉 BGA의 라우팅이 더 어려워진다는 것입니다. 비효율적인 라우팅은 층 수를 증가시킬 수 있으며, 이는 차례로 비용을 증가시키고 신호 무결성 문제, 층간 분리, 비아 종횡비 문제를 야기할 수 있습니다.

알아야 할 용어

특히, 1,500개 이상의 핀을 가진 BGA는 라우팅에 있어 독특한 도전을 제시합니다(그림 2). 일반적으로, 라우팅은 두 단계로 나뉩니다. 먼저, 설계자는 표면 BGA 패드에서 PCB의 내부 층으로 연결해야 합니다. 즉, 팬아웃입니다. 그런 다음, 설계자는 그 내부 층 비아에서 PCB의 나머지 구성 요소로 연결해야 합니다.

종종 대형 BGA에서 라우팅하는 것만으로도 라우팅에 필요한 레이어 수의 주요 원인이 됩니다. 수동으로 수행될 때, BGA 브레이크아웃 과정은 PCB 레이아웃 디자이너에게 몇 일이 걸릴 수 있지만, PCB 레이아웃 소프트웨어는 이 과정을 자동화하여 라우팅 시간을 몇 분으로 단축시킬 수 있습니다. 이런 방식으로, 고급 PCB 레이아웃 소프트웨어는 PCB 레이아웃 비용을 낮추고 시장 출시 시간도 줄일 수 있습니다.

자동 라우팅뿐만 아니라, 고밀도 인터커넥트(HDI)도 BGA 라우팅 문제에 도움이 될 수 있습니다. 이 문서에서 나중에 HDI에 대한 논의를 참조하십시오.

그림 2. 대형 BGA를 라우팅하는 것은 시간이 많이 소요될 수 있습니다; 자동화 지원 BGA 브레이크아웃을 제공하는 PCB 레이아웃 소프트웨어 도구는 라우팅 시간을 며칠에서 몇 분으로 줄일 수 있습니다. Engenious Designs의 제공

자동화 지원 BGA 브레이크아웃을 제공하는 PCB 레이아웃 소프트웨어 도구는 라우팅 시간을 며칠에서 몇 분으로 줄일 수 있습니다

PCB를 어디에 맞추고 싶으신가요?

전자 제품의 초기, 더 단순한 시절에는 PCB가 항상 예측 가능한 직사각형이었습니다. 하지만 웨어러블 의료 기기의 등장과 거의 모든 상상할 수 있는 산업에 전자 제품이 도입됨에 따라, PCB는 이제 종종 원형이나 어떤 불규칙한 모양이어야 하며, 도전적인 공간에 맞춰야 합니다(그림 3). 필요는 발명의 어머니라는 말이 증명되듯이, PCB 레이아웃 디자이너들은 똑똑한 배치 및 라우팅 기술을 고안해냈으며, 그중 가장 유용한 기술은 리지드-플렉스 디자인이라고 불립니다.

리지드-플렉스 보드는 전통적인 리지드 PCB 보드와 작은 공간에 접거나 작은 개구부를 통해 삽입될 수 있는 유연한 인쇄 회로로 연결된 것입니다. 리지드-플렉스 보드를 디자인할 때, 디자이너들은 문제가 발생할 수 있는 여러 영역을 고려해야 합니다. 예를 들어, 보드가 연결 지점에 스트레스를 주지 않고 제대로 정렬되도록 굽힘을 정확하게 설계해야 하며, 이러한 굽힘을 염두에 두고 스택업(PCB 레이어의 맵)을 설계해야 합니다.

종이 인형을 연상시키듯이, PCB 디자이너들은 이전에는 리지드-플렉스 디자인을 시뮬레이션하고 테스트하기 위해 종이 모델을 사용했습니다. 현재, 최첨단 PCB 레이아웃 소프트웨어는 리지드-플렉스 어셈블리의 3차원(3D) 모델링을 제공합니다 – 이상한 모양을 포함하여 – 이는 디자인 속도를 높이고 정확도를 크게 향상시킵니다.

그림 3. 이 강성-유연 블루투스 회로 조립체는 자가 소작 메스의 커넥터 안에 들어갑니다. Engenious Designs 제공.

더 작은 공간에 더 많은 복잡성 담기

앞서 언급했듯이, 자동 라우팅은 PCB 레이아웃을 최적화하고 레이어 수를 최소화하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 레이어 수를 늘리지 않고 PCB의 밀도를 높이는 또 다른 방법은 HDI를 사용하는 것입니다 – 매우 미세한 트레이스와 눈에 보이지 않는 비아, 매립 비아, 그리고 마이크로비아를 사용하는 레이아웃 기술입니다(그림 4). HDI는 제대로 설계되면 더 낮은 비용으로 더 높은 성능을 제공할 수 있습니다.(3)

HDI는 라우팅 토폴로지와 PCB 레이아웃에 대해 여러 가지 유연한 옵션을 제공합니다. 그러나 HDI가 일부 라우팅 및 밀도 문제를 해결하지만, 다음과 같은 자체 문제 세트를 제기합니다(4):

제한된 보드 작업 공간 영역

더 작은 구성 요소와 더 조밀한 간격

PCB 양면에 더 많은 구성 요소

더 긴 트레이스 경로로 인한 더 긴 신호 비행 시간

보드를 완성하기 위해 필요한 더 많은 트레이스 경로

PCB 디자이너는 PCB 레이아웃 소프트웨어를 사용하여 이러한 문제를 해결하고 필요한 레이어 수를 줄일 수 있습니다.

그림 4. 다수의 고핀수 BGA가 있는 크고 밀집된 보드를 위한 HDI 모델 예시.

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전압 강하 방지

초기 PCB는 매우 간단한 기계와 전력 분배 네트워크(PDN)로 구성되어 있었으며, 이는 대형 접지면과 내부 층에 위치한 전력 평면 구성요소로 이루어져 있었습니다. 이러한 설계의 장점으로는 낮은 임피던스 접지 경로와 IC가 필요로 하는 어떤 전류도 운반할 수 있는 대량의 구리가 있습니다. 그러나 현대 PCB 레이아웃 문제를 해결하는 것은 그렇게 간단하지 않습니다. 종종 동일한 IC에 대해 여러 전압에서 작동하며, 이는 여러 접지 및 전력 평면이 필요합니다. 이는 전력 평면의 좁아짐(전류 밀도 증가)으로 인한 열 문제 및 층간 분리 문제와 접지 평면의 불연속으로 인한 전자기 간섭과 같은 다양한 문제를 야기할 수 있습니다.

하지만 가장 중요한 것은 전력 평면을 분할하면 공급 평면의 구리가 줄어들어, 그 결과 전류 운반 능력이 감소한다는 것입니다. 스위칭 시 전류가 최대일 때, 설계가 불량하면 충분한 전류를 공급할 수 없어 IC에서 전압 강하(또한 DC 강하 또는 IR 강하라고 함)가 발생합니다(그림 5). 부족한 전압은 오작동을 일으킬 수 있으며, 일부 경우(예: 변속기, 엔진 또는 제동 기능을 제어하는 자동차 응용 프로그램과 같은)에는 치명적일 수 있습니다. 문제를 복잡하게 만드는 것은 이러한 전압 강하가 종종 간헐적으로 발생하며, 특정 스위칭 조건에서만 발생한다는 것입니다. 이는 수동 기술로 테스트하거나 진단하기 어렵게 만듭니다.

다행히도, 좋은 PCB 레이아웃 소프트웨어 스위트는 PDN 분석을 수행할 수 있으며, 때로는 IR 분석 또는 전력 무결성 DC(PI-DC) 시뮬레이션으로 불리며, 보드의 평면, 트레이스 및 비아가 보드에 있는 장치의 전력 소비 요구 사항을 충족하기 위해 충분한 크기와 특성을 가지고 있는지 확인합니다. 이러한 분석을 통해 설계자는 문제가 될 수 있는 전압 강하를 일으킬 가능성이 있는 설계 영역을 식별함으로써 신뢰할 수 있으면서도 효율적인 PCB 설계를 생성할 수 있습니다.

도 5. 각 구리 모양의 저항이 단지 0.25Ω에 불과하지만, 이들이 부하에서의 전압을 5V에서 4.5V로 떨어뜨리게 되었습니다.

소통과 협업 개선

전기 및 기계 엔지니어들이 종종 분리된 환경에서 작업하는 경우가 많습니다. 이러한 소통과 협업의 부재는 설계가 기한을 맞추지 못하게 만들 수 있으며; 모든 엔지니어링 변경 주문(ECO)은 제품 개발에 시간과 비용을 추가하고 귀사의 경쟁력을 떨어뜨립니다. 설계가 완료되더라도, 그 설계를 제조업체에 전달하는 과정에서 불만과 부정확성이 발생할 수 있으며 - 다시 개발 시간과 비용을 증가시킵니다.

최고의 PCB 레이아웃 소프트웨어는 다음을 수행함으로써 ECAD-MCAD 통합 문제를 해결합니다:

기계 설계 워크플로우를 전기 설계 도구에 원활하게 통합

도메인 간 프로젝트 관리 정보 공유

PCB 설계의 3D 시각화 가능

구성 요소 및 기계적 인클로저에 대한 실시간 클리어런스 검사 지원

강성-유연 섹션과 같은 복잡한 설계 요소의 가상 프로토타입 가능

이러한 기능들은 소통의 붕괴를 방지하고 시간과 예산 내에 완성된 설계를 가능하게 합니다.

디자인이 완료되면, 제조업체에 정확히 원하는 사항을 알려주는 문서를 생성할 수 있는 PCB 레이아웃 소프트웨어 스위트의 지원이 매우 중요합니다. 예를 들어, 제조업체는 PCB와 구성 요소가 전체 제품 디자인에 어떻게 맞는지, 그리고 어떤 구성 요소를 준비해야 하는지 알아야 합니다. 이는 복잡한 디자인 세부 사항을 명확하게 전달하는 3D 프린트와 비디오를 통해 가장 잘 이루어집니다.

밀집된 PCB 레이아웃에서도 테스트 포인트 포함하기

구성 요소의 밀도가 증가하고 소형화됨에 따라 PCB의 실제 사용 가능 공간이 계속 줄어들면서, 저터, 크로스토크 및 전자기 간섭에 더 민감해집니다. 이는 PCB를 테스트하는 것이 그 어느 때보다 중요하다는 것을 의미하지만, 아이러니하게도 테스트 포인트를 위한 사용 가능 공간이 최소화된다는 것을 의미합니다. PCB 레이아웃 디자이너는 PCB 레이아웃 소프트웨어를 사용하여 "테스트를 위한 디자인"을 수행하고, 테스트 엔지니어가 회로를 테스트할 수 있도록 비행 프로브를 위한 접촉점을 포함할 수 있습니다(그림 6).

고주파, 밀집된 PCB 레이아웃은 종종 테스트 포인트를 위한 보드 공간을 예약하는 것을 어렵게 만듭니다. 그러나 제조에 필수적인 접근 포인트를 제공하지 않는 PCB는 매우 낮은 테스트 커버리지(30퍼센트 이하)를 위험에 빠뜨리고 필요한 중요한 테스트를 놓칠 수 있습니다. 적절한 테스트 프로빙 커버리지는 70에서 80퍼센트가 접근 가능해야 합니다. (5)

다음 기술들은 테스트 포인트를 위한 추가 공간을 확보하는 데 도움이 될 수 있습니다(6):

구성 요소 패드의 끝에 솔더 마스크의 스트립을 남겨두십시오.

비아 패드 전체를 솔더 마스크로 덮지 마십시오.

노출된 구리 부분만을 테스트 프로브의 접점으로 사용하십시오.

이러한 기술들을 수동으로 실험하는 데는 상당한 시간이 걸릴 수 있습니다. 그러나, 올바른 PCB 레이아웃 소프트웨어는 테스트를 위한 설계를 쉽고 빠르게 도와줄 수 있으며, 이는 더 높은 품질의 PCB 설계 및 성능을 결과로 가져옵니다.

그림 6. 테스트를 위한 설계는 PCB 레이아웃에서 충분한 테스트 포인트를 제공하는 것이 중요합니다.

테스트를 위한 설계는 PCB 레이아웃에서 충분한 테스트 포인트를 제공하는 것이 중요합니다

통합된 PCB 레이아웃 소프트웨어 스위트를 사용하여 경쟁 우위를 유지하십시오

통합된 PCB 레이아웃 소프트웨어 스위트를 사용하는 추가적인 이점으로는 설계, 테스트, 프로젝트 관리, 협업을 위한 일관된 사용자 인터페이스; 정확성과 보안을 높이는 데 도움이 되는 단일 데이터 저장소; 단일 일관된 환경에서 모든 PCB 설계 작업을 수행함으로써 향상된 효율성이 있습니다.

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