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커스텀 전자회로시스템 설계를 위한 기본 가이드라인
・ 맞춤형 전자회로시스템을 설계하려면 시스템이 수행하는 작업을 먼저 이해해야 합니다.
전반적인 시스템 구성에서 시작하여 전자회로기판의 개별 항목에 이르는 순서로 진행하겠습니다.
전반적인 시스템 구성
전반적인 시스템 구성에선 먼저 전자회로 시스템의 '큰 그림'을 제시합니다.
이를 통해 시스템이 갖추어야 할 입출력과 해당 시스템이 사용될 환경을 표시합니다.
예를 들어 온도 조절장치를 설계하는 경우, 이용자는 다음과 같은 정보를 먼저 정해야 합니다.
• 제어할 최대 및 최소 온도 값
• 온도를 제어할 영역의 표면 또는 부피
• 온도를 제어할 재료
• 다양한 기능을 위한 버튼(사용자 인터페이스)
• 화면 또는 디스플레이(사용자 인터페이스)
• 장치에 전원을 공급하는 방법에 대한 정보
• 광역 문자로서 프로젝트를 설명하는 데 도움이 될 기타 정보
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상기 예시의 경우, 입력부는 온도 측정에 사용되는 센서와 유저 인터페이스의 일부 버튼이 맡을 것입니다.
그리고 출력부는 표면온도를 제어하기 위한 히터 및 쿨러의 가동과 연결된 사용자 인터페이스 및 디스플레이 장치에 해당할 것입니다.
기본 PCB(Printed Circuit Boards) 컨셉
PCB기판이란 무엇인가?
인쇄회로기판(PCB)은 전기적 상호연결을 구성하기 위해 전자회로를 포함하는 기판입니다.
가장 단순한 인쇄회로기판은 표면 중 하나의 구리선 트랙 또는 상호연결을 포함합니다.
이러한 종류의 기판을 1층 인쇄회로기판 또는 1층 PCB라고 합니다.
오늘날 제조되는 가장 일반적인 PCB는 2개의 레이어를 포함하는 구조를 가집니다.
즉, 보드의 양면에서 상호연결을 찾을 수 있습니다. 대게 8층 이상의 레이어로 제작됩니다
그림 1. 두 겹의 레이어 구조를 가지는 PCB
솔더마스크(Soldermask)
전자부품을 회로기판에 장착하기 위해서는 조립공정이 필요하며 이 과정에서 특수장비를 사용합니다.
조립공정에서 기판에 부품을 배치하려면 납땜을 해야 합니다. 이때 실수로 다른 연결망에 납땜이 침범하여 연결을 단락시키는 경우를 방지하기 위해 보드의 양면에 솔더마스크라는 마감재를 처리합니다.
인쇄회로기판에 사용되는 솔더마스크의 일반적인 색상은 녹색이고 그 다음은 빨강이나 파란색입니다.
EDA 소프트웨어(전자설계자동화)에서는 솔더마스크의 확장에 관한 규칙이 존재합니다. 이 규칙은 패드 경계와 솔더마스크의 경계 사이에 존재하는 거리(유격공간)를 지정합니다. 그 개념을 그림 2의 (a)부위에 표시하였습니다.
실크스크린 또는 오버레이(Silkscreen or Overlay)
실크스크린은 제조업체가 조립, 검증 및 수리 프로세스를 용이하게 만들기위해 솔더마스크에 참고 정보를 인쇄하는 작업입니다. 일반적으로 실크스크린은 테스트 포인트와 전자부품의 위치, 방향 및 참조를 표시하기 위해 인쇄됩니다. 또한 회사 이름, 구성 지침(구형 PC 마더보드에서 가끔 보임) 등과 같이 설계자가 요구할 수 있는 온갖 목적에 부합하도록 쓰일 수 있습니다.
실크스크린은 위 두가지 경우 모두에 사용가능하며 이 용어는 '덮어 쒸우기'라는 뜻으로 알려져 있습니다. 그림 2는 회로의 모식도를 보여주며, 흰색으로 만들어진 인쇄부위는 실크스크린에 해당합니다.
그림 2. 솔더마스크 확장(a)과 실크스크린(b)
레이어 포개기(Layer Stackup)
앞에서 설명한 바와 같이, 인쇄회로기판은 여러 레이어로 만들어질 수 있습니다. EDA 소프트웨어를 통해 PCB가 설계될 때 종종 비전도성 레이어가 지정됩니다. 재료(구리).예를 들어, 실크스크린과 솔더마스크는 비전도성 레이어입니다.전도성 레이어와 비전도성 레이어로만 구분하면 업체에선 레이어라는 용어를 전도성 레이어에만 주로 사용하므로 혼동을 일으킬 수 있습니다.
따라서 지금부터는 접미사 'CAD'라는 단어가 없는 레이어는 전부 전도성 레이어에만 사용하겠습니다. 'CAD 레이어'라는 용어를 사용하면 모든 종류의 레이어, 전도성과 비전도성을 모두 지칭 가능합니다.
CAD 레이어 포개기 구조는 다음과 같습니다:
| CAD 레이어 (전도성 및 비전도성) |
CAD 레이어 설명 |
| 1 | Top silkscreen/overlay (비전도성) |
| 2 | Top soldermask (비전도성) |
| 3 | Top paste mask (비전도성) |
| 4 | Layer 1 (전도성) |
| 5 | Sustrate (비전도성) |
| 6 | Layer 2 (전도성) |
| ... | ... |
| n-1 | Sustrate (비전도성) |
| n | Layer n (전도성) |
| n+1 | Bottom paste mask (비전도성) |
| n+2 | Bottom solder mask (비전도성) |
| n+3 | Bottom silkscreen/overlay (비전도성) |
그림 3은 3가지의 포개기 유형을 보여줍니다. 주황색은 포개진 각 레이어를 강조 표시하는 부분입니다. 포개는 높이나 보드의 두께는 제작물에 따라 다를 수 있지만 보통 1.6mm를 가장 많이 사용합니다.
그림 3. 3가지 PCB 예시: 2 레이어(a), 4 레이어(b) and 6 레이어(c)
구성요소패키지(Component Packages)
요즘엔 시장에서 매우 다양한 전자 부품 패키지를 찾을 수 있습니다.
하나의 장치에 대해 여러 유형의 패키지를 찾을 수 있습니다.
예를 들어, QFP 패키지와 및 LCC 패키지에서 동일한 집적 회로를 찾을 수 있습니다.
대표적으로 3가지 전자 제품군 패키지가 있습니다.
(Through-Hole) |
PCB의 도금된 구멍을 통해 장착하는 핀이 있는 형태의 모든 부품입니다. 이러한 종류의 부품은 부품이 삽입된 기판의 반대쪽에 납땜됩니다. 일반적으로 이러한 부품은 한쪽 면에만 장착됩니다. |
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(표면 장착 장치/표면 장착 기술) |
이 패키지 유형의 장점은 PCB의 양면에 장착될 수 있다는 것입니다. 또한 이러한 부품은 크기가 작습니다. - 홀 유형으로 더 작고 밀도가 높은 인쇄 회로 기판을 설계할 수 있습니다. 이러한 유형의 구성 요소는 최대 200[MHz](기본 클럭 주파수)의 주파수에 유용합니다. |
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(Ball grid array) |
이러한 유형의 구성 요소는 고밀도 핀 집적회로에 자주 사용되며 인쇄회로기판에 납땜할때 핀에 전기를 주기 위한 패드가 쓰이고 솔더 볼(회로표면이나 잉크표면에 묻은 작은 솔더)이 만들어지므로 이를 작업하기 위한 특수 장비가 필요합니다. BGA 구성 요소는 패드와 볼 사이의 접합부에 존재하는 아주 작은 인덕턴스로 인해 고주파 집적회로에 이상적입니다. 이러한 유형의 구성 요소는 마더보드 및 그래픽 카드와 같은 컴퓨터 하드웨어에서 매우 일반적입니다. |
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패드(Pads)
패드는 부품을 기판에 납땜할 수 있는 인쇄회로기판의 작은 구리 표면입니다. 패드는 부품의 핀이 납땜되는 구리 조각으로 생각할 수 있습니다. 2가지 유형의 패드, 통홀 및 smd(표면 장착).
통홀 패드는 부품의 핀을 삽입하기 위한 것이므로 부품이 삽입된 반대쪽 면에서 납땜할 수 있습니다. 이러한 유형의 패드는 통홀과 매우 유사합니다.
smd 패드는 표면 장착, 즉 부품이 배치된 면과 동일한 표면에 부품을 납땜하기 위한 것입니다.
그림 4는 4개의 구성요소를 보여줍니다. 구성요소 IC1과 R1에는 각각 8개와 2개의 SMD 패드가 있고 구성요소 Q1 및 PW에는 3개의 통홀 패드가 있습니다.
그림 4. SMD와 통홀 패드(SMD and Through-hole Pads)
구리선 트랙(Copper Tracks)
트랙은 PCB의 두 지점을 연결하는 데 사용되는 전도성 경로입니다. 예를 들어, 2개의 패드를 연결하거나 패드와 서로 다른 층간 접속부위(비아)를 연결하는 데 사용됩니다. 트랙은 전류에 따라 여러 너비를 가질 수 있습니다.
높은 주파수에서는 트랙이 생성한 경로를 따라 상호연결이 임피던스로 정합될 수 있도록 트랙의 너비를 계산하는 과정이 필요합니다.
그림 5. 2개의 직접회로를 연결하는 트랙
도금 구멍(Plated Holes): 통홀, 풀스택 비아(Through-hole, Full Stack Vias)
인쇄회로기판의 상단 레이어에 있는 구성 요소와 하단 레이어에 있는 구성 요소간 상호 연결을 만드는 경우 비아(Vertical Interconnect Access)가 사용됩니다.
비아는 도금된 구멍을 지칭합니다. 전류가 보드를 통과할 수 있도록 하는 그림 6은 상단 레이어에 있는 구성 요소의 패드에서 시작하여 하단 레이어에 있는 다른 구성 요소의 패드에서 끝나는 2개의 트랙을 보여줍니다.
하단 레이어에서는 각 트랙에 비아가 사용되며 하단 레이어에 속한 트랙과 패드는 시각적으로 흐리게 처리되어 상단 레이어와 구분할 수 있습니다.
그림 6. PCB 반대쪽에 위치한 두 개의 집적회로가 서로 연결됩니다.
그림 7은 4층 PCB의 횡단면에 관한 자세한 구조를 보여줍니다.
그림에 나타나는 색상은 다음 표에 설명되어 있습니다.
| 색상 | 그림7의 범례 |
| 녹색 | 천장 및 바닥 솔더마스크 |
| 적색 | 천장 레이어 (전도성) |
| 자색 | 두번째 레이어. 이 레이어의 경우, 전력선으로 사용(i.e. Vcc or Gnd) |
| 황색 | 세번째 레이어. 이 레이어의 경우, 전력선으로 사용 (i.e. Vcc or Gnd) |
| 청색 | 바닥 레이어 (전도성) |
그림 7에 표시된 PCB는 통홀 비아를 사용하여 기판을 통과한 다음, 바닥 레이어에 속하는 트랙으로 이어지는 최상위 레이어에 속한 트랙을 보여줍니다.
그림 7. 상단 레이어에서 시작해서 PCB를 통과하며 하단 레이어로 이어지는 트랙
블라인드 비아(Blind Vias)
고밀도의 복잡한 설계에선 그림 7에서 볼 수 있듯이 2개 이상의 레이어를 사용해야 합니다.
일반적으로 집적회로가 많은 다층 시스템 설계에서 전력 평면(Vcc 또는 gnd)은 과도한 라우팅을 피하기 위해 사용됩니다. 즉, PDS 전력공급시스템(Power Delivery System)용으로 긴 트랙을 라우팅하는 대신 칩 아래에 있는 전원 플레인에 직접 연결하는 것이 훨씬 쉽고 안전합니다.
또한 신호 트랙이 스터브 역할을 하여 임피던스 불일치를 초래할 수 있기 때문에 최소 비아 높이로 외부 레이어(상단 또는 하단)에서 내부 레이어로 라우팅되어야 하는 경우가 있습니다.
이는 신호 무결성 이슈(Signal Integrity Issues)를 방지하기 위함이며, 따라서 상호 연결시에는 블라인드 비아가 사용되며 이를 통해 최소 비아 높이로 외부 레이어에서 내부 레이어로 연결합니다. 참고로 블라인드 비아는 외부 레이어에서 시작하여 내부 레이어에서 끝나기 때문에 접두사 'blind'가 붙습니다.
특정 비아가 블라인드인지 확인하려면 PCB를 광원에 대고 비아를 통해 광원에서 오는 빛을 볼 수 있는지 확인하면 됩니다. 빛을 볼 수 있으면 비아가 통과한 것입니다(통홀), 만약 그렇지 않으면 블라인드 비아(Vias)입니다.
컴포넌트를 배치하고 라우팅할 공간이 좁을 경우, PCB 설계에서 기판 사이를 통과하는 종류의 비아를 사용하는 편이 권장됩니다. 구성 요소를 기판 양쪽에 배치하여 공간효율을 최대화할 수 있습니다. 만약 비아가 통홀 형태라면 블라인드 형태보다 공간 집약도가 높습니다.
그림 8은 4층 인쇄회로기판의 일부인 3개의 비아를 보여줍니다. 왼쪽에서 오른쪽 순으로 그림을 보면, 첫 번째 비아가 통홀 비아 또는 풀스택 비아입니다. 두 번째 비아는 맨 위 레이어에서 시작하여 두 번째 레이어(내부)에서 끝나므로 1-2 블라인드 비아라고 합니다.마지막으로 세 번째 비아는 맨 아래 레이어에서 시작하여 세 번째 레이어에서 끝납니다. 레이어이므로 3-4 블라인드 비아라고 합니다.
블라인드 비아는 종종 연속적인 레이어, 즉 L1 L2, L3 L4, Ln-1 Ln 사이에서 만들어진다는 점을 염두에 두는 것이 중요합니다.
그림 8. 통홀과 블라인드 비아의 비교
이러한 유형의 비아는 통홀과 비교할 때 가격이 높다는 단점이 있습니다.
베리드 비아(Buried Vias)
이 비아들은 블라인드 비아와 비슷해보이지만, 레이어 내부에서 시작해서 내부에서 끝난다는 점에서 차이점이 있습니다. 그림 9에 표시된 이미지를 왼쪽에서 오른쪽으로 살펴보면, 첫 번째 비아가 통홀 비아(스택 비아)임을 알 수 있습니다. 두 번째는 1-2 블라인드 비아이고, 마지막은 2-3 베리드 비아로 두 번째 레이어에서 시작하여 세 번째 레이어에서 끝납니다.
그림 9. 통홀 비아, 블라인드 비아, 그리고 베리드 비아의 비교
블라인드 비아는 종종 연속적인 레이어(예: L1 L2)로 제조된다는 걸 염두에 두는 것이 좋습니다.
블라인드 비아 유형의 주요 단점은 통홀 비아와 비교할 때 가격이 높다는 점입니다. 블라인드 비아를 사용하면 보드 비용이 증가할 수 있으므로 블라인드 비아를 사용하는 것이 더 좋을지에 대해선 통홀 비아의 크기 대비 가성비를 비교하여 합리적으로 결정해야 할 것입니다.