PCB 설계란 무엇입니까? 기본 사항, 단계, 스택업 및 문제 해결 팁

PCB 설계란 무엇입니까?

PCB 설계는 전자 회로 회로도를 제조 가능한 물리적 보드 레이아웃으로 변환하는 프로세스입니다. 설계자는 각 구성 요소의 위치, 구리 트레이스가 구성 요소를 연결하는 방법, 보드에 필요한 레이어 수, 제작사가 충족해야 하는 재료 및 허용 오차를 지정합니다. 출력은 자동화된 제조 장비를 구동하는 업계 표준 형식인 Gerber 파일 세트입니다.

완성된 PCB는 영구적으로 만들어진 배선도 그 이상입니다. 기계구조이자 열관리 시스템이자 전자기적 환경이 동시에 존재하는 것입니다. 잘 설계된 보드는 신호를 깔끔하게 라우팅하고 열을 효율적으로 발산하며 EMC 테스트를 통과합니다. 제대로 설계되지 않은 제품은 벤치에서는 작동하지만 실제 작동 조건에서만 나타나는 소음, 누화 또는 전력 무결성 문제로 인해 현장에서는 실패할 수 있습니다.

기본 PCB 모든 엔지니어가 알아야 할 설계

EDA 도구를 열기 전에 디자이너는 레이아웃 중에 내려지는 모든 결정을 지배하는 몇 가지 기본 개념에 익숙해져야 합니다.

레이어 및 스택업

PCB는 구리와 유전체(절연) 층이 교대로 적층되어 구성됩니다. 단순한 디자인은 2개의 레이어를 사용합니다. 구성 요소 밀도가 더 높거나 신호 무결성 요구 사항이 더 엄격한 보드는 4, 6, 8 이상을 사용합니다. 각 레이어는 신호 라우팅, 접지 기준 또는 전력 분배와 같은 역할을 수행하며 이러한 레이어의 배열을 스택업이라고 합니다.

임피던스 및 신호 무결성

고주파수에서 구리 트레이스는 전송선으로 작동합니다. 그 특성 임피던스 - 트레이스 폭, 구리 두께, 유전 상수 및 가장 가까운 기준면까지의 거리에 따라 결정됨 - 반사를 방지하려면 소스와 부하 임피던스가 일치해야 합니다. 대부분의 디지털 인터페이스는 50Ω 단일 종단 또는 100Ω 차동을 대상으로 합니다. 이러한 값에서 벗어나면 주파수에 따라 악화되는 신호 저하가 발생합니다.

반환 전류 및 기준 평면

모든 신호 전류에는 복귀 경로가 있습니다. 고주파수에서 해당 반환 전류는 가장 짧은 DC 경로를 통하지 않고 가장 가까운 기준 평면의 신호 트레이스 바로 아래로 이동합니다. 이 반환 경로를 중단합니다. 예를 들어 평면 분할이나 슬롯에 걸쳐 트레이스를 라우팅하면 반환 전류가 우회하도록 강제하고 EMI를 방출하는 루프 안테나를 생성합니다. 고속 라우팅에서 참조 평면을 연속적으로 유지하는 것은 디자이너가 내리는 가장 영향력 있는 레이아웃 결정 중 하나입니다.

PCB 보드 설계 단계

PCB 설계 프로세스는 보드 복잡성에 관계없이 일관된 순서를 따릅니다. 단계를 건너뛰면(특히 초기 설계 검토) 일반적으로 비용이 많이 드는 재작업이 발생합니다.

1. 회로도 캡처 : EDA 도구의 모든 구성 요소, 네트 연결 및 전기 규칙을 정의합니다. 각 구성 요소 기호에 발자국을 할당합니다.
2. 설계 요구 사항 및 제약 조건 : 문서 보드 크기, 레이어 수, 최소 트레이스/공간 규칙, 임피던스 목표, 열 요구 사항 및 규제 표준(IPC-2221, IPC-2152 등).
3. 누적 정의 : 레이어 수, 재질, 유전체 두께, 구리 무게를 선택합니다. 라우팅이 시작되기 전에 제작사와 함께 임피던스 목표를 확인하십시오.
4. 부품 배치 : 중요한 네트, 그룹 관련 회로의 트레이스 길이를 최소화하고 열 영역을 존중하며 기계적 제약 조건을 충족하도록 구성 요소를 배치합니다. 배치는 라우팅 품질의 80%를 좌우합니다.
5. 전원 및 접지 라우팅 : 신호 라우팅 전에 전원 레일을 라우팅하고 접지면을 설정합니다. 디커플링 커패시터는 IC 전원 핀에 최대한 가깝게 배치되어야 합니다.
6. 신호 라우팅 : 고속의 민감한 신호를 먼저 라우팅하고, 임피던스를 유지하고, 전환을 통해 최소화하고, 차동 쌍을 결합하고 길이를 일치시킨 상태로 유지합니다.
7. 설계 규칙 확인(DRC) : 간격 위반, 연결되지 않은 네트, 환형 링 크기 및 제작 제약 조건에 대한 자동 검사를 실행합니다.
8. 거버 생성 및 제작 검토 : 제조 파일을 내보내고 제출하기 전에 Gerber 뷰어에서 검토합니다. 제작업체에서 스택업, 드릴 파일 및 실크스크린을 확인합니다.

6 레이어 PCB 스택업 예

6레이어 스택업은 설계에 고속 인터페이스, 고밀도 BGA 라우팅 또는 엄격한 EMI 요구 사항이 포함된 경우 4레이어 보드에서 가장 실용적인 업그레이드입니다. 추가 레이어를 사용하면 전용 기준 평면이 내부 신호 레이어를 브라켓으로 묶어 방사 및 누화를 줄이는 제어된 스트립라인 환경을 만들 수 있습니다.

1.6mm FR-4 보드의 표준 6레이어 배열:

L2를 접지로, L4를 전원으로 사용하는 레이어 3은 두 개의 기준 평면 사이에 끼워진 진정한 스트립라인 구성에 위치하므로 가장 잡음에 민감한 신호에 적합한 홈이 됩니다. L1과 L2 사이의 얇은 프리프레그(일반적으로 3~4mil)는 표준 제조 공정과 호환되는 약 4~5mil에서 달성 가능한 50Ω 트레이스 폭을 유지합니다.

PCB 문제를 해결하는 방법

잘 디자인된 보드라도 때때로 결함이 있는 제작에서 도착하거나 조립 후 실패합니다. 무작위 구성 요소 교체가 아닌 구조화된 문제 해결 프로세스를 통해 결함을 더 빠르게 찾아내고 부수적인 피해를 방지할 수 있습니다.

1단계: 전원을 켜기 전 육안 검사

확대경으로 기판에 미세 피치 IC의 솔더 브리지, 콜드 조인트(매끄럽고 빛나는 것이 아니라 둔하고 거친 부분), 누락되거나 뒤바뀐 구성 요소, 눈에 띄는 흔적 손상이 있는지 검사합니다. 장비가 필요하기 전에 상당 부분의 조립 결함이 눈에 보입니다.

2단계: 파워 레일 확인

전체 전력을 공급하기 전에 멀티미터를 사용하여 각 전력 레일에서 접지까지의 저항을 측정합니다. 판독값이 낮거나 거의 0에 가까운 경우 단락을 나타냅니다. 일반적인 원인에는 솔더 브리지, 손상된 커패시터 또는 역분극 구성 요소가 포함됩니다. 문제가 해결되면 예상 소비량 바로 위에 설정된 전류 제한 벤치 공급 장치를 통해 전원을 공급합니다. 하중을 받고 있는 무너지는 레일 과부하된 조정기 또는 단락된 다운스트림 구성 요소를 가리킵니다.

3단계: 신호 수준 진단

레일이 양호한 것으로 확인되면 오실로스코프를 사용하여 클럭 신호, 재설정 라인 및 통신 버스 활동을 확인합니다. 누락된 클럭, 고착된 재설정 라인 또는 잘못된 SPI/I2C/UART 파형은 각각 특정 오류 영역을 가리킵니다. 로직 분석기는 시간 경과에 따른 다중 신호 디지털 버스 동작을 캡처하는 데 오실로스코프보다 더 효율적입니다.

4단계: 구성 요소 수준 테스트

신호 추적을 통해 의심되는 구성 요소를 격리하는 경우 회로 내 저항 측정(전원이 꺼진 상태)을 통해 수동 소자의 개방 또는 단락 접합을 확인할 수 있습니다. IC의 경우 핀 전압을 데이터시트의 작동 조건 표와 비교하면 장치가 올바른 공급, 기준 및 활성화 신호를 수신하고 있는지 여부를 빠르게 좁힐 수 있습니다. 부품에 결함이 있는 것으로 확인되면 정상 작동이 확인된 부품으로 교체하세요. 결론을 내리기 전에 — 결함이 있을 수 있는 동일한 배치에서 다른 부품으로 교체해도 아무 문제도 해결되지 않습니다.