다중 기판 설계란 무엇일까요?

복잡한 전자 시스템은 PCB의 다중 기판 배열로 구축되는 경우가 많습니다. 이러한 유형의 시스템 설계에는 Arduino 및 Raspberry Pi와 같은 플랫폼에서 볼 수 있는 모듈성 등 몇 가지 장점이 있습니다. 연성 및 경연성 시스템과 같은 기타 일반적인 유형의 회로 기판은 다중 기판 시스템이며, 공통 PCB 레이아웃 및 라우팅 전략을 필요로 합니다. 자체 다중 회로 기판 시스템을 개발하려는 경우 설계가 필요한 연결을 갖도록 하기 위해 수행할 수 있는 몇 가지 기본 단계가 있습니다.

기판에 최고의 PCB 설계 소프트웨어를 사용하면 다중 PCB 시스템을 훨씬 쉽게 만들 수 있습니다. 설계 소프트웨어에 필요한 PCB 도구 세트로는 표준 전기 유틸리티뿐 아니라 기판이 제대로 결합되도록 하는 MCAD 통합도 있습니다. 이 짧은 가이드에서는 설계에서 신호 무결성을 보장하는 동시에 연결을 정의하는 몇 가지 기본 측면을 다룰 것입니다. 표준 경성 다중 레이어 PCB 설계 및 레이아웃으로 작업하는 경우든 더 심화된 연성/경연성 회로 기판으로 작업하는 경우든 설계가 의도대로 작동하도록 하려면 몇 가지 기본 설계 도구 세트가 필요합니다.

다중 기판 설계를 시작하려면 먼저 시스템에 있는 각 기판의 기계적 개요를 파악하고 서로 어떻게 연결할지를 계획해야 합니다. 연결에는 메자닌 커넥터나 핀 헤더 또는 통합 에지 커넥터와 같은 간단한 표준화된 커넥터를 사용할 수도 있습니다. 이러한 점을 결정하고 나면 부품이 EMI/EMC, SI/PI 및 기계적 진동 문제를 일으키지 않고 설계 전반에서 서로 적절히 연결되도록 배치 및 라우팅 전략을 개발해야 합니다. 아래 섹션에서 고속 설계를 시작하는 방법과 PCB 설계 소프트웨어의 중요한 역할에 대해 자세히 알아보세요.

다중 기판 PCB 시스템 설계 계획하기

다중 기판 PCB 배열 설계는 시스템 수준의 설계 프로젝트로, 시스템에 있는 모든 기판 간의 연결을 정의하는 작업을 포함합니다. 다중 PCB 시스템 배치는 다음과 같이 진행하는 것이 좋습니다.

• 기판 배열 결정: 기판의 방향은 서로에 대해 어떻게 지정되나요? 시스템에 어떻게든 기판과 상호 작용해야 하는 움직이는 요소가 있나요? 기계적 모델링은 이 단계에서 시작되어야 하며, 이에 따라 설계 방법이 결정됩니다. 
• 커넥터 선택: 기판이 기성 기판 대 기판 커넥터, 에지 커넥터, 연성 리본 또는 케이블과 상호 연결되나요? 커넥터는 인클로저에 잘 맞으면서도 필요한 기판 배열을 지원하는 것으로 선택해야 합니다.
• 기판 기능 결정: 다중 기판 시스템 설계의 각 회로 기판은 특정 기능을 수행하고, 해당 기능을 지원하는 데 필요한 부품만 보유하는 것이 가장 좋습니다. 나중에 기판 배열 및 커넥터 옵션을 다시 생각해야 할 수 있으므로 어떤 기판에 어떤 기능을 배치할지 결정할 때는 이 점을 신중하게 고려하세요.
• 커넥터를 통한 신호 매핑: 각 커넥터는 설계의 신호 무결성을 보장할 뿐 아니라 특정 신호 또는 신호 그룹도 지원해야 합니다. 핀 배치도는 이 단계에서 결정될 수 있으며, 커넥터의 회로도 기호에 정의될 수 있습니다.
• 회로도 생성 시작: 체계적으로 구성하려면 다중 기판 시스템 설계의 기판 배열을 반영하도록 회로도를 구분하는 것이 가장 좋습니다. 각 회로도 세트는 단일 기판의 부품만 포함해야 하며, 다른 기판의 부품을 동일한 회로도 시트에 배치해서는 안 됩니다.

시스템에서 각 기판의 회로도를 생성한 후에는 각 회로 기판의 물리적 PCB 레이아웃 생성을 시작해야 합니다. PCB 설계를 위한 표준 프로세스에 따라 부품을 설계로 가져와서 각 기판 주위에 배치하세요. 이때 커넥터가 PCB의 의도한 위치에 배치될 수 있으며, 에지 커넥터가 특정 부품에 정의될 수 있습니다.

• PCB의 회로도 생성 방법 자세히 알아보기
• 회로도를 활용한 PCB 레이아웃 생성 방법 자세히 알아보기

부품 라우팅을 시작하기 전에 기계적 요구 사항을 고려하고 설계가 레이아웃이 완성된 후에도 의도한 인클로저에 잘 맞을지에 대해 생각해 보는 것이 중요합니다. 이렇게 하려면 인클로저 모델과 시스템의 각 기판을 사용하여 간섭이 생기지 않고 기판이 의도한 대로 잘 맞도록 해야 합니다.

다중 기판 어셈블리를 위한 기본 3D PCB 설계

일부 측정 및 모델링은 2D로 수행하기 매우 어렵기 때문에 회로 기판, 부품 및 인클로저 간에 간섭 위험을 야기합니다. 다중 기판 PCB 설계에서는 PCB 어셈블리에 여러 기판이 포함되기 때문에 설계의 기판 간에 또는 시스템의 부품, 케이블 및 기타 요소 간에 원치 않는 간섭이 생길 수 있습니다. 이를 방지하는 가장 좋은 방법은 간섭이 생기지 않도록 설계 프로세스에 기계적 back check를 포함하는 것입니다.

back check 중에는 기판, 인클로저 및 부품의 3D 모델을 검사하는 MCAD 도구를 사용하여 간격이 3D로 자동 확인됩니다. MCAD 소프트웨어 및 PCB 설계 기능의 표준 3D 모델링 파일 형식은 STEP 모델입니다. 설계 소프트웨어는 설계의 각 부품에 대한 STEP 모델을 결합하여 기판의 실제 모델을 생성할 수 있습니다.

다중 기판 설계를 구축하기 위해 기계 설계자와 협력하는 경우에는 기계 설계자가 설계의 PCB 인클로저 모델을 제공해야 합니다. 그러면 이를 PCB 설계 소프트웨어로 가져와서 ECAD 도구 내에서 간섭 검사를 수행할 수 있습니다. 다른 옵션은 기판에 대한 IDF 파일 또는 STEP 모델을 내보내는 것입니다. 그러면 back check를 위해 이를 MCAD 애플리케이션으로 가져올 수 있습니다. 엔터프라이즈 수준 팀의 표준 워크플로는 부품 배치가 검증될 수 있도록 MCAD 사용자가 back check를 수행하는 것입니다.

• PCB 설계 내 인클로저 모델의 중요성에 대해 자세히 알아보기

모든 기판의 초기 배치를 완료하고 간섭을 검사하고 나면 설계를 라우팅할 수 있습니다. 다중 기판 시스템에서 신호 무결성을 보장하려면 고속 신호 및 저속 디지털 프로토콜과 관련된 몇 가지 중요한 라우팅 고려 사항을 생각해야 합니다.

다중 회로 기판 시스템에서 라우팅하기

각 기판에서 라우팅은 초기 설계 규칙을 설정하고, 필요한 임피던스 프로필을 계산하고, 설계를 적절한 라우팅 모드로 설정한 후에 수행해야 합니다. 고속 인터페이스는 모든 회로 기판에 있는 것은 아니지만, 에지 커넥터, 케이블, 연성 리본 또는 기판 대 기판 커넥터를 통해 다중 기판 시스템 설계의 기판 간에 라우팅할 수 있습니다. 더 느린 Single-ended 신호(예: GPIO) 또는 bus 프로토콜도 케이블을 통해, 그리고 기판 간에 라우팅할 수 있습니다. 하지만 접지를 균일하게 하고 발생할 수 있는 신호 무결성 문제를 방지하려면 충분히 주의를 기울여야 합니다.

다중 기판 시스템 설계에서 접지 정의하기

다른 PCB와 마찬가지로 다중 기판 레이아웃의 접지는 신호의 라우팅 가능성을 보장하기 위해 명확하게 정의되어야 합니다. 기판 간에 신호 경로를 라우팅하는 경우 다음과 같은 프로세스를 사용하여 시스템 전반에 일관된 접지 전위가 적용되도록 하세요.

1. 각 기판의 접지면을 사용하여 명확한 특성 임피던스를 제공하고, 차폐를 제공하여 EMI/누화를 억제하며, PDN에서 강력한 디커플링을 제공합니다.
2. 두 기판 간에 라우팅하는 경우 각 회로 기판의 접지 영역이 연결되도록 커넥터를 통해 접지 연결을 수행합니다. 이렇게 하면 커넥터 또는 케이블을 통해 차폐가 제공됩니다.
3. 리본 케이블 또는 트위스트 페어 케이블의 경우, 신호 간에 인터리브 접지를 사용하여 라우팅 경로에서 명확한 기준과 더 강력한 차폐를 제공하는 것을 고려합니다.

다중 기판 시스템 설계에서 회로 기판 설계 간의 연결을 통해 라우팅할 때 신호 무결성을 보장하려면 접지를 이렇게 단순하게 사용해야 합니다. 이렇게 하면 다중 기판 PCB 설계 및 라우팅에서 일관된 임피던스, 복귀 경로 및 누화 억제를 정의하는 데 도움이 됩니다. 또한 이러한 단계를 따르면 기판 간에, 그리고 케이블을 통해 라우팅할 때 Single-ended 신호에 대해 신호 무결성을 유지할 가능성이 훨씬 더 높아집니다.

• PCB 내 균일한 접지의 중요성에 대해 자세히 알아보기

안타깝게도 이러한 유형의 접지 연결을 제공할 수 없는 토폴로지를 가진 다중 기판 시스템이 몇 가지 있습니다. 이는 모든 기판이 동일한 인클로저에 연결되어 있지 않고 시스템이 물리적으로 여러 캐비닛에 분산되어 있는 경우에 종종 발생합니다. 한편 기판이 동일한 캐비닛에서 데이지 체인으로 연결되어 있고, 고전력을 공급하는 경우에는 설계에서 디퍼런셜 페어 라우팅으로만 해결되는 안전 및 안정성 문제가 발생할 수 있습니다.

디퍼런셜 프로토콜이 다중 기판 설계에 사용되는 이유

산업 시스템에서처럼 긴 케이블을 통해 라우팅하는 경우에는 라우팅에 디퍼런셜 프로토콜을 사용하는 것이 더 좋습니다. 특히 접지가 고전류를 전달할 수 있는 DC 시스템에서 기판 간에 접지된 연결을 갖는 대형 시스템은 안전 위험 요소가 될 수 있으며, 케이블이 접지 연결에서 높은 열을 방산할 때 손상되게 만들 수 있습니다.

케이블로 연결된 대형 시스템, 특히 직렬 기판의 선형 배열에서 차폐가 사용되는 경우에는 각 회로 기판의 접지면이 분리되어야 하며 서로 연결되지 않아야 합니다. 대신 차폐에는 PCB 접지면 대신 섀시 및 접지 연결이 사용되어야 합니다. 그런 다음 기판 간에 신호를 라우팅하려면 다중 회로 기판 시스템에서 기판 간의 접지 오프셋을 수용할 수 있는 디퍼런셜 페어를 사용해야 합니다.

다중 기판 시스템에서 차동 프로토콜을 사용하는 주된 이유는 시스템의 두 회로 기판 간에 라우팅할 때 명확한 접지 기준이 없어도 되기 때문입니다. 한번 디퍼런셜 페어가 기판에 돌아오고 디퍼런셜 신호가 읽히고 나면, 라우팅 중에 발생하는 접지 오프셋에 대한 걱정 없이 데이터를 복구할 수 있습니다. 다중 기판 시스템에서 PCB 간에 라우팅하기 위한 일반적인 디퍼런셜 프로토콜에는 CAN 버스, 이더넷, RS485 등이 있습니다.

• PCB 설계 내 디퍼런셜 페어 라우팅 및 접지에 대해 자세히 알아보기

신호 무결성과 전원 무결성을 유지하면서 고급 고속 디지털 시스템을 구축해야 하는 경우 규칙 기반 설계 엔진에 구축된 최고의 고속 설계 및 레이아웃 도구 세트를 사용하세요. 밀도가 높은 단일 기판 컴퓨터를 레이아웃해야 하는 경우든 복잡한 혼합 신호 PCB를 레이아웃해야 하는 경우든 최고의 PCB 레이아웃 도구를 사용하면 각 회로 기판에 대해 다중 기판 설계 및 PCB 레이아웃을 만들 때 유연성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

다중 기판 시스템 설계 엔지니어, PCB 레이아웃 엔지니어 및 SI/PI 엔지니어는 설계 및 레이아웃 요구 사항에 대해 Altium Designer®의 고급 설계 도구를 신뢰합니다. 설계를 완료했으며 제조 단계로 릴리스할 준비가 된 경우 Altium 365™ 플랫폼을 사용하면 쉽게 협업하고 프로젝트를 공유할 수 있습니다. 또한 Altium Designer는 널리 사용되는 MCAD 및 시뮬레이션 애플리케이션과 통합되어 다중 회로 기판 시스템의 전원 및 신호 동작을 더 잘 이해할 수 있게 해 줍니다.

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