2019년을 위한 제조 설계를 위한 상위 5가지 팁

최근에 주요 전자 산업 블로그를 둘러보다가 '제조를 위한 설계'에서 가장 흔한 10가지 실수에 관한 기사를 발견했습니다. 이 기사가 흥미롭고 창의적일 것이라 생각하며 읽기 시작했지만, 놀랍게도 10년 전에 읽었던 기사의 복사-붙여넣기였으며, 그 자체도 거의 10년 전의 기사를 재탕한 것이었습니다. 저는 오래된 기사를 다시 가공하여 '새로운' 콘텐츠로 라벨링하는 것을 좋아하지 않습니다. 왜냐하면 이는 잘못된 경험칙을 만들고 유지하거나, 더 나쁘게는 유효하지 않은 '산업 최고의 실천'을 만드는 주된 방법이기 때문입니다. 전자 산업은 너무나 빠르게 변화하기 때문에, 10년 전에 작성된 대부분의 콘텐츠는 이제 구식입니다. 이 기사들이 언급한 몇 가지 주요 실수들을 살펴보고 그에 대해 조명해보겠습니다. 그런 다음 오늘날의 산업 표준에 관련된 실제 주요 팁들을 고려해 보겠습니다.

주요 실수들에서의 주요 실수들

뾰족한 각도 피하기

2019년 하반기입니다. 우리는 가장 저렴하고 사소한 프로토타입 PCB조차도 전기적 결함이 있는 보드를 폐기하기 위해 플라잉 프로브 검사를 받는 시대에 살고 있습니다. 심지어 문제가 에칭 과정에 있더라도 말이죠. 제가 읽은 오래된 기사에서 경고한 가장 큰 실수는 급격한 각도였습니다. 왜냐하면 이것은 산성 함정을 만들 수 있기 때문입니다. 만약 여러분이 토너 전사와 가정용 에칭을 사용한다면, 이것이 사실일 수 있습니다. 하지만 현대의 제조 방법을 사용한다면, 이것은 문제가 되지 않을 것입니다.

보드에 사진 활성 저항층이 있는 보드에 사용되는 광활성 에칭 용액은 보드 팹에서 매우 흔합니다. 이 에칭제는 뚜렷하고 날카로운 특징을 제공하며, 에칭제가 고여도 충분한 빛을 받지 못해 활성화되지 않습니다. 심지어 집에서도 매우 쉽게 광활성 저항층을 사용할 수 있습니다. 현대의 에칭 과정은 과거보다 산성 함정의 위험을 훨씬 줄여줍니다.

패드 내 비아 사용 피하기

일반적으로 나는 via-in-pad 사용이 실수라는 데 동의합니다. 그러나, 해당 기사에서는 via-in-pad가 열적인 이유로 실제로 사용되어야 했던 예시를 들었습니다. 많은 고전류 장치들은 제조사가 발자국(footprint)에 대해 추천할 정도로 via-in-pad를 필요로 합니다. 패키지에서 열을 효율적으로 배출할 수 있는 유일한 방법입니다.

기사에서는 via-in-pad를 사용하면 모든 솔더가 빨려 나가서 건조한 조인트를 남길 것이라고 주장했습니다. 이것은 100% 사실입니다; 모세관 작용은 실제로 솔더를 끌어당기겠지만, via 양쪽을 텐팅하면 완전히 방지할 수 있습니다. 특정 경우에, 패드에 솔더 마스크를 전혀 원하지 않는다면, 패드와 반대편에 있는 via의 반대쪽만 텐트할 수 있습니다. 이 방법은 최대 0.4mm까지의 via에 대해 상당히 신뢰성 있게 작동하지만, 여전히 주저된다면 via의 반대편에 실크스크린을 추가함으로써 via가 완전히 덮이도록 할 수도 있습니다.

우연히도, 주의해야 할 것은 패드 위의 비아(via)만이 아닙니다. 패드에 매우 가깝게 텐팅(tenting)되지 않은 비아를 배치하면, 그 비아가 패드에서 솔더를 빨아들일 수도 있습니다.

다양한 도구 크기 사용 피하기

제조업체가 매우 엄격한 허용 오차로 작업할 경우, 보드에 비슷하지만 정확히 동일하지 않은 구멍 크기를 다수 사용하면 보드 비용이 증가할 수 있다고 기사에서 주장했습니다. 그러나 오늘날의 드릴링 기술을 살펴보면 이는 사실과 거리가 멉니다. 산업용 PCB 드릴의 도구 매거진에는 인류가 알고 있는 거의 모든 마이크로 드릴 크기가 포함되어 있으며, 도구 변경은 놀랍도록 빠릅니다. 13.5mil과 14mil 구멍이 정확한 크기의 드릴 비트로 드릴링된다 해도, PCB 시트당 몇 초 정도밖에 더 걸리지 않을 수 있습니다. 일반적으로 보드 제조업체는 이러한 구멍을 모두 하나의 크기로 반올림할 것입니다. 이는 그들의 허용 오차 요구 사항 내에 있거나 도면에 명시한 허용 오차 내에 있는 한입니다.

PCB의 슬롯에도 마찬가지입니다. 아주 작은 슬롯(30-40mil)을 사용하거나 20mil 엔드 밀로 슬롯의 모서리를 정사각형으로 만들기 위해 별도의 밀링 경로를 지정하는 PCB 제조업체를 찾지 못했습니다.

패드 위에 실크스크린 피하기

밀집된 보드에서 한 구성요소의 실크스크린이 다른 구성요소의 패드에 닿는 것을 피하는 것은 불가능할 수 있습니다. 이런 이유로 제 Altium 라이브러리에서는 가능한 경우 구성요소 아래에 핀 1 지시자 실크스크린 점과 실크스크린 기능을 모두 사용하여 방향을 쉽게 파악할 수 있도록 합니다. 아직까지 패드에서 실크스크린을 자동으로 청소해주거나 적어도 그렇게 할지 물어보는 저가형이나 고가의 보드 하우스를 찾지 못했습니다.

패드 위에 실크스크린이 있는 보드를 받았다면, 그 패드에서의 솔더 습윤 문제로 인해 나쁜 조인트가 발생할 수 있습니다. 하지만 오늘날의 제조업체들로서는 경험하지 못한 문제입니다.

패드 사이에 솔더 마스크 추가하지 않기

이 '실수'는 정말로 머리를 흔들게 합니다. 보드에서 패드 사이에 마스크를 추가하는 것을 어떻게 잊을 수 있죠? Altium을 비롯한 거의 모든 설계 도구가 이를 대신 처리해줍니다. 많은 미세 피치 구성 요소는 패드 사이에 솔더 마스크를 허용하지 않는 클리어런스 간격을 가지고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 패드 사이에 1/1000 밀(mil) 너비의 마스크를 생성하는 Altium을 본 적이 있습니다. 심지어 Altium의 기본 설계 규칙도 패드 사이의 솔더 마스크를 지정하는 데 완벽하게 작동합니다.

패드 사이의 마스크가 너무 작으면, 좋은 보드 하우스는 진행하기 전에 알려주고, 덜 관심 있는 보드 하우스는 그 기능을 삭제하고 계속 진행할 것입니다.

잘못된 크기의 풋프린트

수년 동안, 저는 실제 구매 가능한 부품을 스키매틱 캡처 레벨에서 설계에 배치할 수 있게 해주는 대규모 오픈 소스 데이터베이스 라이브러리를 발행해왔습니다. 완전하고 정확한 3D 모델과 Altium의 보드 3D 뷰 및 3D 본체의 충돌 검사를 통해, 부품이 충돌하는 설계를 완성하기가 매우 어렵습니다. 이제 Concord Pro, Altium을 위한 추가 제품을 사용하여 더 넓은 범위의 구성 요소에 대해 동일한 기능을 얻을 수 있습니다.

적어도 5년이 지난 지금, 내가 기판에 배치한 발자국에 맞지 않는 부품을 자재 목록에서 잘못 지정하는 일은 더 이상 없습니다. 이러한 '실수'를 설계 과정 자체의 실수라기보다는 설계 시 최고의 도구를 사용하지 않은 것으로 돌리겠습니다.

내 최고의 팁들

이제 지난 몇 년 동안의 '최악의 실수들'을 배제했으니, 제조를 위한 설계를 막 시작하는 당신에게 도움이 될 수 있는 몇 가지 팁을 살펴보겠습니다.

결합부 주변의 여유 공간

고정 장치를 위한 기계적 구멍을 배치하는 것은 매우 쉽지만, 그 고정 장치의 머리 크기가 얼마나 클지 고려하는 것을 잊어버리기 쉽습니다. 더 크면서도 아이러니하게도 잊어버리기 쉬운 것은 그 고정 장치를 위한 와셔입니다. 일반적으로, 고정 장치를 위한 올바른 클리어런스 홀을 가진 비아를 배치하고, 그것에 붙어 있는 구리 원(애뉼러스)을 해당 고정 장치에 대해 사용 가능한 가장 큰 와셔 크기와 동일하게 지정합니다(여러 와셔 표준이 존재하는 경우), 그리고 약간 더 추가합니다. 만약 고정 장치의 머리 아래로 트레이스를 실행해야 하고 다른 방법이 전혀 없다면, 트레이스에 대한 추가 보호를 위해 고정 장치 영역 위에 단단한 실크스크린을 추가하세요. 실크스크린이 제공하는 약간의 추가 보호는 누군가가 고정 장치를 너무 세게 조일 때 트레이스가 손상되는 것을 방지할 수 있습니다.

더욱 확실하게 하기 위해, 고정 장치의 3D 모델을 보드에 추가하고 구멍에 장착하세요. 이렇게 하면 고정 장치를 넣고 빼낼 수 있으며, 다른 구성 요소의 본체를 방해하는 위치에 배치하지 않게 됩니다.

보드 가장자리까지의 구리 클리어런스

Altium이 이 부분을 대부분 처리해 줍니다. 하지만, 기본 설정을 우회하여 트레이스를 삽입한 경우, 가장자리와 너무 가깝지 않도록 주의해야 합니다. 온라인에 많은 기사들이 구리 클리어런스 최적화 시 부인할 수 없는 장애물로 부식을 언급하는데, 이는 노출되고 도금되지 않은 구리를 원하지 않기 때문입니다. 하지만, 보드의 가장자리에 가까운 곳에 미세한 트레이스를 실행할 때, 엔드 밀/슬롯 드릴이 트레이스를 칩으로 만들어 파괴할 수 있습니다. 패널에서 보드를 분리하기 위해 V-Scoring을 사용할 때, 점수는 특정 폭을 차지하며 항상 완벽하게 정확하지는 않아, 트레이스를 쉽게 손상시키거나 제거할 수도 있습니다.

보드에 슬롯을 넣은 후, 작업을 제출하기 전에 클리어런스와 관련된 오류를 찾으려고 최종 검사를 합니다. 내부 레이어에 슬롯을 가로질러 트레이스를 실행한 실수를 한 적이 있습니다. 보드 환경 설정에서, 밀링 경로가 있는 레이어를 밀링 레이어로 설정하여 Altium이 3D 뷰에서 슬롯을 렌더링하도록 합니다. 그 후, 기존 문제를 강조하고 미래의 문제를 방지하기 위해 밀링 레이어를 킵아웃 레이어로 복사합니다.

비아를 텐트 처리하세요

Altium은 비아에 대한 솔더 마스크 확장에 대한 설계 규칙을 가지고 있으며, 이는 텐팅에 사용될 수 있습니다. 그러니 이를 활용하세요. 15mil/0.4mm 이하인 경우에는 텐팅해야 합니다. 그 이상인 경우에는 보드 제작업체의 솔더 마스크 두께를 고려해 보아야 합니다. 완전히 텐팅되어 닫힌 비아는 좋은 것이며, 이는 플럭스, 먼지, 습기와 같은 부식성 물질이 구멍으로 들어가 비아를 부식시키는 것을 방지합니다.

구멍이 완전히 덮기에 너무 커질 경우, 텐팅을 시도하는 것이 오히려 구멍을 대부분 덮어 내부에 원치 않는 물질을 더 쉽게 가두는 결과를 초래할 수 있습니다. 이러한 상황에서는 텐팅되지 않은 비아를 사용하고 도금으로 구멍을 보호하는 것이 더 낫습니다. 하지만 구멍 주변의 솔더 마스크 여유 공간을 매우 작게 유지하세요. 비아가 단락의 잠재적 위치가 되는 것을 원하지 않기 때문입니다.

매우 높은 사양의 보드는 제조 과정에서 비아가 에폭시로 채워질 가능성이 높습니다. 이러한 보드를 설계하는 경우, 우리가 다룬 팁은 제조를 위한 설계 팁이 필요하지 않을 정도로 이미 경험이 많은 분들에게는 관련이 없을 수 있습니다!

양면 보드

저는 설계하는 많은 제품이 양면 보드를 사용합니다. 하지만, 양면 보드를 사용하기 위해서는 좋은 이유가 있어야 합니다. 보드의 아랫면에 소수의 패시브 부품만을 배치하고자 하는 유혹을 받았다면, 조립 단계에서 큰 어려움을 겪을 수 있습니다. 양면 설계를 완전히 수용하거나 단면으로 유지하세요. 보드 양면에 부품을 배치할 정말 좋은 이유가 없다면, 그냥 상단 레이어에만 부품을 배치하세요. 크기 제약이나 보드 밀도 사양이 아랫면에 상당한 양의 부품을 배치해야 한다면, 그렇게 하세요.

보드 부동산을 되찾기 위해 더 작은 패키지의 부품을 사용하는 것도 고려해볼 수 있습니다. 대부분의 조립업체에게 0402 부품은 요구사항이 크지 않으며, 보드 양면에 부품을 배치하는 것보다 훨씬 저렴할 것입니다. 많은 조립업체들은 0201 패시브를 사용할 때 큰 추가 비용이나 낭비가 발생하지 않으며, 이미 0402 부품을 사용하고 있다면 엄청난 양의 여유 공간을 제공할 수 있습니다. 0201 이하의 부품을 사용하기 전에 조립업체에 확인하세요. 오래된 기계는 이를 신뢰성 있게 처리할 수 없을 수 있습니다. 조립업체가 더 작은 부품을 처리할 수 있다면, 이는 양면 조립에 의존하는 것보다 훨씬 저렴할 가능성이 높습니다.

출력 파일 확인하기

마지막으로, 당연한 얘기지만 모든 출력 파일이 있는지 확인하세요. 저는 NC 드릴 파일을 출력 작업 파일에 추가하지 않거나, 거버 파일을 위해 너무 많은 레이어를 선택 해제한 경험이 있습니다. 거버 뷰어를 사용하여, Altium에 내장된 것이라도 좋으니, 모든 폴리곤이 완전히 렌더링되었는지, 모든 드릴이 제자리에 있는지, 그리고 실크스크린과 마스크가 필요한 곳에 있는지 확인하세요. 보드를 조립업체나 계약 제조업체에 보낼 경우, 페이스트 레이어, 픽 앤 플레이스 중심, 그리고 조립도도 함께 내보내야 합니다.

보너스 팁 - 써멀

솔직히 말해서, 써멀은 제가 조금 신경 쓰는 부분입니다. 어떤 소프트웨어는 거의 모든 것에 써멀을 추가하도록 기본 설정되어 있습니다. 비아를 추가하면 써멀이 생기고, 패드를 추가하면 써멀이 생깁니다. 써멀은 높은 인덕턴스의 지점을 만들어 중간 및 고속 신호에서 문제를 일으킬 수 있습니다. 고전류 상황에서는 써멀의 낮은 구리 단면이 충분한 전류를 전달할 수 없을 수도 있습니다.

열전달은 대규모 구리 도금에서 손으로 납땜하기를 쉽게 만들 수 있으며, 이전의 파동 납땜 기계에서 필요했을 수 있습니다. 커넥터와 같은 몇 개의 관통 구멍 부품이 있는 주로 표면 실장 보드를 설계하는 경우, 패드에 열전달이 필요한 경우는 많지 않습니다. 표면 실장 부품은 리플로 납땜을 거치게 되며, 관통 구멍 부품은 선택적 납땜 기계로 납땜될 것입니다.

패드에서 대규모 구리 도금으로의 열 전달을 방지하는 이 능력은 양방향으로 작용합니다. 한편으로는 조립을 약간 더 쉽게 만들 수 있지만, 다른 한편으로는 패키지에서 열이 탈출하는 것을 동등하게 방지할 것입니다. 저는 지상 패드에 열전달이 있는 D-Pak(TO-252) 또는 유사한 패키지가 있는 여러 생산 보드를 보았는데, 이는 패키지의 열 방출 능력을 완전히 저해합니다.

열전달이 활성화된 고암페어 패키지의 전류 밀도. 열 문제를 상상해 보세요.

마찬가지로, 비아에 대한 열전달은 전류와 열을 전달할 수 있는 양을 심각하게 제한할 것입니다. 더 나쁜 것은, 추가적인 열이나 전류 전달을 위해 비아를 함께 모으는 것은 해당 지역의 구리를 고갈시키고 전체 지역의 전류 또는 열 전달 능력을 파괴할 수 있습니다.

현대의 제작 및 조립 공정을 위한 보드를 설계하고 있다면, 10년 혹은 20년 전에는 신뢰성이 떨어졌을 기능들을 추가할 수 있습니다. 지난 2십 년 동안 보드의 볼륨과 복잡성은 기하급수적으로 증가했습니다. 이러한 변화의 속도를 가능하게 하기 위해, PCB 제작업체들은 더 효율적이고, 더 정확하며, 더 효과적인 방법을 사용하여 고도로 정교한 설계를 위한 보드를 제작하고 있습니다. 제작 후 전기적 테스트는 가장 저렴한 예산의 제작 시설에서도 표준이며, 생산 문제의 대다수를 잡아냅니다. PDN Analyzer와 같은 전력 분배 분석 도구를 사용하여 고전류 보드를 설계하는 경우, 애플리케이션에 필요한 구리 면적이 부족한 것과 관련된 실수를 잡아내는 데 도움이 될 수 있습니다. 설계가 애플리케이션의 전류, 주파수 또는 열 요구 사항을 처리할 만큼 충분히 견고하지 않다면, 보드가 전기적으로 기능하는지 여부는 중요하지 않습니다.

더 많은 질문이 있으신가요? Altium의 전문가에게 문의하세요.