PCB 설계에 영향을 미치는 상위 6가지 DFM 문제

PCB 디자이너로서 다양한 요구 사항과 기대를 관리해야 합니다. 전기적, 기능적, 기계적 측면을 고려해야 합니다. 또한, PCB 레이아웃은 가능한 최고의 품질로, 가능한 가장 낮은 비용으로, 시기적절하게 생산되어야 합니다. 그리고 이 모든 요구 사항을 통해 DFM(제조 가능성을 위한 설계)도 고려해야 합니다. 이는 PCB 설계 과정에서 큰 부분을 차지하며, 제대로 수행되지 않으면 자주 문제를 일으킬 수 있는 부분입니다. PCB 디자인에서의 3가지 DFM 문제를 살펴봅시다.

불균형 SMD 패드 연결

소형 SMD 부품, 예를 들어 0402, 0201 등은 리플로우 솔더링 중 툼스토닝을 방지하기 위해 균일한 연결이 필요합니다. BGA 패드에도 동일하게 적용되어 신뢰할 수 있는 솔더링을 보장합니다. 이는 단순히 구성요소의 발자국에 올바른 패드 크기를 배치하는 문제입니다. 일반적인 구성요소는 정의된 패드 크기를 가지고 있습니다(예: IPC-7351 표준하의 IC들의 패드) 그리고 이것들은 여러분의 발자국에 배치되어야 합니다.

제조업체는 항상 여러분의 설계 파일을 검사하지는 않습니다. 대신, 그들은 여러분의 Gerber 파일과 넷리스트를 살펴보고, 여러분의 자재 목록에서 구성요소 크기와 대조하여 발자국을 비교할 것입니다. 여러분이 요청하는 일회성 엔지니어링 서비스의 수준에 따라, 제조업체는 너무 늦기 전까지 이 특정 권장 사항을 잡아내지 못할 수 있습니다. 제작 후, 패드에 균일한 연결을 보장하기 위한 테스트 절차는 X-레이 검사를 포함합니다. 제작을 위해 설계를 보내기 전에, 여러분이 설계한 발자국이 구성요소 리드 크기에 맞는지 확인해야 합니다.

SMD 패드의 잘못된 솔더 마스크 개방

솔더 마스크 개구부(솔더 마스크 확장 또는 솔더 마스크 조리개라고도 함)는 수동 또는 웨이브 솔더링 중에 솔더가 목표 패드에 갇히도록 하는 한 가지 방법입니다. 솔더링하는 동안 목표 패드에 솔더 볼이 형성되지만, 큰 솔더 볼은 고온에서 패드 주변으로 붕괴되고 흐를 수 있습니다. 패드 주변에 작은 솔더 마스크 개구부를 배치하면, 적치된 솔더 볼이 약간 크더라도 솔더링하는 동안 솔더 볼을 제자리에 고정시킬 수 있습니다. BGA용 도그본 팬아웃에서도 비슷한 기술이 사용되는데, 여기서는 소량의 솔더 마스크가 패드와 비아 사이를 막습니다(솔더 댐이라고 함).

이 문제는 구성요소의 풋프린트를 생성할 때 해결되며, 이는 패드 주변에 정의된 솔더 마스크 개구부를 가지게 됩니다. 일반적으로 솔더 마스크 개구부는 패드 가장자리를 넘어 약 4~5 밀 정도 확장됩니다. 솔더 마스크 조리개가 너무 크면 웨이브 솔더링 중 솔더 볼 흐름과 브리징을 방지하지 못합니다.

SMD 패드의 오픈 비아

프린트 회로 기판 설계에서 흔히 공유되는 지혜 중 하나는 가능한 한 비아 인 패드(via-in-pad)를 피해야 한다는 것입니다. 스루홀 비아가 솔더링 영역에 너무 가까운 패드에 배치되면, 구멍을 통해 솔더가 회로 기판 뒷면으로 빨려 들어갈 수 있습니다. 비아가 내부 레이어의 큰 평면에 직접 연결되면, 열이 평면으로 방출됩니다. 이는 냉접합을 일으키거나 웨이브 솔더링 중에 돌출현상을 일으킬 수 있습니다.

비아 인 패드는 특히 매우 미세한 피치의 BGA를 사용하는 HDI 설계에서 PCB 설계에 있어 자리를 차지하고 있습니다. 접지까지의 경로를 최소화하고자 하는 다른 상황에서는 솔더 마스크가 있는 짧은 트레이스나 도금 처리된 비아를 사용하세요. 솔더링 중에 평면 레이어로의 과도한 열 방출을 방지하기 위해, 평면에 연결된 곳에 열 완화 비아를 배치하세요.

지금까지 우리는 패드와 비아의 DFM 문제 3가지를 논의했습니다. 이러한 DFM 문제에 대해 더 알아보려면 다음 기사를 읽어보세요:

• 마지막 순간의 DFM 검사에서 흔한 패드 및 비아 문제 피하기
• 솔더링 중 피해야 할 일반적인 SMT 공정 결함

산성 함정

개별 인쇄 회로 기판(PCB) 층에 구리 이미지를 생성하는 과정은 여러 요소에 의존합니다. 구리는 알칼리 에칭 용액을 사용하여 라미네이트 재료에서 제거되는데, 이는 기본적으로 구리와 반응하여 천천히 용해시킵니다. PCB의 구리 특징 중 빡빡한 모서리가 있는 경우, 점성이 있는 에칭 용액이 갇히게 되어 이를 산성 함정이라고 하며, 인근 구리를 과도하게 에칭하게 됩니다. 이로 인해 산성 함정 위치에서 과도한 구리 거칠기가 발생합니다.

이 산성 함정 문제는 저점성 에칭 용액 사용을 통해 다소 해결되었다는 점을 유의하세요. 90도 각도나 기타 둔각으로 라우팅할 계획이라면, 제조업체가 사용하는 에칭 용액의 종류와 산성 함정을 유발하는지 여부를 확인해야 합니다.

클리어런스

적절한 클리어런스를 유지하는 것은 PCB 설계의 기본적인 측면이지만, 올바른 설계 규칙을 설정하지 않으면 라우팅 도구를 사용하여 거의 모든 클리어런스를 정의할 수 있습니다. 완전한 에칭을 허용하고 제작 허용 오차를 위한 공간을 만들기 위해 패드, 다른 트레이스 및 구리 푸어와 트레이스를 공간을 두고 배치해야 합니다.

적절한 클리어런스를 유지하는 또 다른 이유는 고전압 설계에서 발생합니다. IPC 2221 표준에 따르면, 트레이스와 다른 도체 사이의 최소 클리어런스는 이러한 도전성 요소들 사이의 평균 전위 차이에 따라 달라집니다. 여기서의 목표는 의도하지 않은 ESD, 밀접하게 배치된 도체의 전도성 아노딕 필라멘테이션, 그리고 전기화학적 부식을 방지하는 것입니다.

일반적인 신뢰성 표준 위반 사례

신뢰성을 보장하기 위해 의도된 IPC 표준의 목록은 매우 길습니다. 이러한 표준은 비아 연결고리 크기부터 종횡비에 이르기까지 모든 것을 다룹니다. IPC 표준에서 설명하는 일부 일반적인 신뢰성 요구 사항은 다음과 같습니다:

• 패드와 비아에 대한 티어드롭
• 연결고리 크기
• 비아/마이크로비아 크기 및 종횡비
• 랜드 패턴
• 트레이스 폭 대비 전류 및 온도 상승

제조업체는 여러분의 Gerber 파일이나 설계 파일, 그리고 여러분의 테스트 요구 사항을 검토하여 여러분이 의도치 않게 위반했을 수 있는 표준을 결정할 수 있습니다. IPC 표준은 자발적인 것입니다(고도로 규제된 산업을 제외하고), 하지만 이러한 표준은 PCB 신뢰성의 기준을 형성해왔다는 점에서 여전히 이러한 표준에 따라 설계해야 합니다.

규칙 기반 PCB 설계 소프트웨어로 DFM 문제를 찾아내기

위에서 설명한 DFM 문제들은 PCB 레이아웃에서 발생할 수 있는 잠재적인 문제들의 소수에 불과합니다. 제조업체의 요구 사항을 PCB 설계 규칙으로 관리함으로써, 보드가 처음부터 올바르게 제작되고 신뢰할 수 있도록 할 수 있습니다. Altium Designer의 규칙 기반 설계 환경은 중요한 전기 설계 규칙과 일반적인 DFM 요구 사항을 준수하는 데 도움이 되도록 만들어졌습니다.

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