기판 제작 시 체크해야 할 사항(4) 프린트 기판의 CAD 데이터

 

[전자기술] [연재] 기판 제작 시 체크해야 할 사항(4) 프린트 기판의 CAD 데이터 | 2011년 04월

피해야 할 부품의 배치 배선
프린트 기판의 CAD 데이터 작성 및 확인

森田一/浜田智

 

나중에 변경할 수 없는 기구 부품의 위치를 확인했는가

우선 위치가 고정되는 부품을 배치하도록 한다. 예를 들면 스위치나 커넥터, LED 표시기 등이 있다. 또 안테나와 같이 주위에 패턴이나 금속물 금지 영역이 있다는 것도 주의해야 할 점이다.장소에 대한 정확한 정보는 케이스 설계 담당자에게 도면으로 받는다. <森田一>

 

배선의 용이함을 고려하여 부품 방향과 배치를 결정했는가

IC를 배치할 때에는 큰 것부터 배치하여 고속 신호 라인과 전원 라인이 가급적 짧아지도록 검토한다. 데이터선이나 어드레스선과 같이 개수가 많은 버스 라인을 잘못 배치하면 모든 라인을 교차시켜야 한다. 예를 들어 그림 1(a)에 나타난 바와 같이 IC를 동일면에 놓 았을 경우, 핀의 나열이 일치하지 않으면 배선을 겉과 안으로 돌리게 된다. 그림 1(a)의 상태에서 어떤 사정에 의해 한쪽 IC를 안쪽에 배치하면 배선 패턴에서 비틀어야 한다. <森田一>

 

회로블록을 연결하는 간선 배선과 블록 안의 일반 배선이 정리되어 있는가

도로와 같이 배선은 간선도로와 일반도로로 나뉜다. 즉, 각 회로 블록끼리 연결하는 배선과 회로 블록 안에서만 완결되어 있는 배선이다. 그것을 그림 2와 같이 길을 설계하는 것처럼 하여 부품을 배치하고, 또 간선도로에 대응하는 배선 공간을 확보한다.

<浜田智>

 

제1층과 제4층을 신호로, 제2층과 제3층에전원 또는 그라운드를 할당했는가

4층 기판으로 되면 각 층에서 역할을 나눌 수 있게 된다. 부품 면의 제1층과 땜납면의 제4층은 신호선을 메인으로 한다. 그리고 내층의 제2층과 제3층은 전원과 그라운드의 배선으로 된다. 신호선을 표면 측으로 하여 시험 제작할 경우 간단히 배선
을 개조할 수 있다. 단, 필요 없는 방사를 줄이고 싶은 기판에서는 신호선을 내층으로 가져오는 경우도 있다. <浜田智>

 

부품을 배치할 때 좌표의 원점을 기판 중앙으로 했는가

밀리계 부품이 증가하고 있지만, 아직은 인치계 부품이 많은 실정이다. 때문에 부품 배치나 배선의 그리드는 인치계의 2.54mm, 1.27mm, 0.635mm라는 치수 체계를 사용하는 경우가 많다. 그러나 기판 외형과 커넥터 배치는 밀리계로 치수를 결정하지 않을 경우 외부와의 송수신에 지장이 생긴다. 그래서 그림 3에 나타난 바와 같이 기판 중앙에 좌표 원점을 갖도록 하면 인치계, 밀리계와 그리드를 바꿔도 방사 형태로 양쪽 편차가 넓어질 뿐이기 때문에 부품 배치의 밸런스를 잡기 쉬워진다. <浜田智>

극성이 있는 부품의 방향을 맞췄는가

기판 설계는 배선이 아닌 부품 배치로 모두 결정된다고 해도 과언이 아니다. 그리고 기판 설계에서 시간이 가장 많이 걸리며 머리를 써야 하는 것이 이 작업이다. 배치가 나쁘면 배선은 최악이 된다. 그러므로 회로나 신호의 흐름을 생각하면서 신중하게 배치해야 한다. 배치가 결정되면 다음에는 거침없이 배선을 진행할 수 있다. 처음에는 이상적인 배치가 떠오르지 않아 고생할 것 같겠지만, 기판을 몇 장정도 반복해서 설계하다 보면 점점 머릿속에 영상이 떠오르게 된다. 예를 들면 전해 콘덴서를 기판상에 늘어놓는 경우가 많은 것 같다. 몇 개 늘어놓은 것 중 한 개를 반대 방향으로 설치했을 경우에는 잘못해서 부품을 다른 것과 같은 방향으로 설치해버리기 쉽다. 이와 같은 실장 시의 실수를 방지하기 위해서라도 전해 콘덴서, 다이오드 등과 같이 극성이 있는 부품은 가급적 기판상에서 방향을 통일하는 것이 좋다(그림 4). <浜田智>

 

대전류 리턴이 소신호 회로에 흐르는 레이아웃으로 되어 있지 않은가

분포 상수에서 고려해야 하는 기가 헤르츠 회로는 별도로 생각했을 때, 일반적으로 베타 그라운드는 회로 안정화에 매우 효과적이다. 전류는 최단 코스로 전원에 되돌아간다는 성질을 갖고 있다. 예를 들어 베타 그라운드로서도 그림 5(a)와 같이 전원 회로를 배치하면 큰 신호를 다루는 회로의 전류는 소신호 회로에 들어가 악영향을 미친다. 그러나 그림 5(b)와 같이 전원 회로를 배치하면 들어가지 않고 되돌아온다. 또한 공을 들여 그림5(c)와 같이 홈을 넣으면 더 좋다. <浜田智>

 

노이즈가 들어가기 쉬운 높은 임피던스의신호선을 길게 배치하지 않았는가

임피던스가 높은 배선을 끌어당기면 함께 가는 패턴에서 노이즈가들어와고생하는경우가있다. 그림 6은 DC-DC 컨버터 회로의 예를 나타낸 것이다. 고압 측 배선을 길게 끌어내는 것을 꺼려해서 그림 6(a)과 같이R1을 고압 측에 배치하여 전압이 낮아진R2와의 접속점을 길게 끌어내면 DC-DC 컨버터의 출력 전압이 안정되지 않는 경우가 있다. 그이유는옆에있는배선에서노이즈가들어오기때문이다. R1과 R2의 접속점은 임피던스가 매우 높으므로 노이즈에 약하다. 이경우에는 그림6(b)과 같이 임피던스가 낮은 고압측배선을 늘려 해결한다. <浜田智>

 

아날로그 회로용과 디지털 회로용 전원을 나누었는가

아날로그 회로의 성능을 유지하기 위해 디지털 전원과 아날로그 전원을 분리하라는 말을 많이 들었을 것이다. 그렇다면 기판 설계에서 구체적으로 어떻게 나누는 것이 좋을까. 전류는 최단코스로전원에되돌아간다. 그림 7과 같이 배치하면 디지털 측 전류가 아날로그 측으로 들어오는경우는없다. <浜田智>

 

바이패스 콘덴서의 양쪽 단자가 IC의 전원 단자, 그라운드 단자와 가장 짧게 접속되어 있는가

IC의 디커플링용 바이패스 콘덴서는 붙어 있다고 좋은 것이 아니다. 반드시 IC의 전원 핀 근처에 놓아두고 표층 혹은 바로 아래에 있는 2층째에서 접속한다. 이 경우 잊어버리기 쉬운 것 이그라운드측배선이다.‘ 어차피베타그라운드에떨어뜨리 므로’등과 같이 안이하게 생각해서는 안 된다. 반드시 바이패 스 콘덴서의 그라운드와 IC의 그라운드도 표층 혹은 바로 아 래의 2층째에서 접속해야 한다. BGA 패키지에서 바로 아래에 바이패스 콘덴서를 설치하려 고 할 경우, 뒷면에 설치하는 것이 바람직하다고 생각하기 쉽 다. 실제 배경에 바이패스 콘덴서를 설치한다는 것을 전제로 하여 단자 배치되어 있는 품종도 있다. 그림 8(a)의 좋지 않은 예와 같은 아트워크에서는 바이패스 콘덴서에 비아(VIA)의 인덕턴스 성분이 들어 있어 바이패스 콘덴서의 효과가 격감한다. 때문에 그림 8(b)의 좋은 예와 같 이 VDD는 바이패스 콘덴서의 단자를 한 번 거쳐 전원 볼과 연 결되도록 한다. <森田一>

 

DC-DC 컨버터의 부품은 동일한 면에 배치했는가

DC-DC 컨버터는 회로 속에서 최대의 노이즈원이 될 수 있 으므로 부품의 레이아웃에 주의해야 한다. DC-DC 컨버터의 노이즈 주파수가 낮으므로 고주파에는 영향을 주지 않을 것이 라고 안이하게 생각하는 것은 금물이다. 예를 들어 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수가 1MHz였다고 하고, 리플이 100mV(100dB㎶)였다고 하자. 고조파 성분이 20dB/dec에서 감쇠했다고 해도 100MH z에서 60dB㎶로 된 다. 이것은 FM 수신 등에 충분한 값이며 장해를 주는 레벨이 다. 따라서 리플 전류가 흐르는 영역을 매우 작게 하여 방사시키거나 기판 내에서 전도시키지 않도록 배려하는 것이 중요하 다고 할 수 있다. 그림 9에 DC-DC 컨버터의 대략적인 회로를 나타낸다. 그 림에서 굵은 선으로 그린 파워계 부품인 입력 바이패스 콘덴 서, IC, 다이오드, 인덕터, 출력의 평활 콘덴서는 반드시 동일 한 면에 레이아웃해야 한다. <森田一>

 

파워 회로의 그라운드를 작은 루프로 완결시킨 후 베타그라운드와 연결했는가

디지털 그라운드와 아날로그 그라운드를 분리하는 것이 좋 다라는 이야기도 있다. 확실히 아날로그 회로와 디지털 회로를 완전히 분리할 수 있고 아날로그 회로의 주파수 대역이 충분 히 낮다면 웬만한 성능은 나온다고 할 수 있다. 최근에는 아날로그-디지털이 함께 존재하는 IC가 증가하고 있다. 아무리 그라운드를 직류적으로 분리해도 오염된 디지털 그라운드가 근처에 있으면 그곳에서의 방사나 결합에 의해 특 별히 높은 주파수를 다루는 아날로그 회로의 경우 방해를 받 는다. 디지털 그라운드라고 해도 노이즈로 오염되어 있는 것 은 논외로 한다. 따라서 각 디지털 IC 근처에 바이패스 콘덴서나 페라이트 비드를 사용하여 노이즈를 충분히 저감시킨 후 베타 그라운드 에 접속하도록 한다. 한편, 노이즈를 완전히 없애는 것은 불가능하므로 그 노이 즈 전류가 베타 그라운드를 흐를 때 복사의 원인이 되는 전류 집중을 초래하는 노치나 큰 구멍을 가급적 배제한다. 버스 라인 변경 등으로 복수의 비아가 연속될 경우, 구멍이 연속해서 긴 슬릿으로 되어 버리는 경우도 있다(그림 10). 또 고속 신호선이나 전원 라인 바로 아래의 베타 그라운드에는 슬릿이 들어 있지 않도록 주의해야 한다. 이와 같이 전류가 집중되는 것을 가급적 피해서, 복사의 원 인이 되는 큰 구멍을 배제하고 싶은 곳에 아날로그 그라운드 라는 이유로 큰 구멍을 뚫는 것은 본말이 전도된 것이라고 할 수 있다(그림 10). 따라서 극히 일부의 예외를 제외하고는 전부 공통적인 베타 그라운드로 해야 한다. <森田一>

 

 

전원과 앰프의 그라운드는 베타 그라운드에서 독립시켰는가

DC-DC 컨버터나 디지털 앰프 등과 같은 파워계 그라운드는 베타 그라운드로부터 분리하여 아주 작은 루프로 종결시킨 후, 베타 그라운드로 접속한다. 그림 11은 전형적인 DC-DC 컨버터의 배선 패턴 이미지이 다. 큰 스위칭 전류가 흐르는 그라운드 라인을 직접 비아로 베 타 그라운드에 떨어뜨리면 비아 사이의 베타 그라운드에 스위 칭 전류가 흐르고 베타 그라운드 전면으로 확산된다. 디지털 IC의 그라운드는 베타 그라운드에 떨어뜨림과 동시 에 바이패스 콘덴서의 그라운드 모두 표층이나 바로 아래층에 서 접속한다. <森田一>

 

전원 라인에 페라이트 비드가 들어 있는가

여러분은 IC의 전원 핀에 바이패스 콘덴서를 넣은 후 페라 이트 비드를 넣을 것이라 생각된다. 즉 바이패스 콘덴서보다 전원과 가까운 쪽에서 고주파이며 높은 임피던스를 기대하고 있는 것이다. 바이패스 콘덴서보다 먼저 고주파 영역에서 높은 임피던스를 가진 페라이트 비드를 넣었으므로 그곳에서 앞의 전원 라인이 가진 인덕턴스를 고려하는 것은 무의미하다. 즉, IC 바로 근처의 바이패스 콘덴서를 넣어 고주파 영역에서 전 원이 낮은 임피던스를 확보한 후 페라이트 비드 등에서 전원 라인의 임피던스를 높여 노이즈가 전원 라인에서 확산되지 않 도록 하는 것이다(그림 12). <森田一>

노이즈를 퍼트리는 안테나인‘전원 섬’이 생기지 않았는가

프리프레그의 두께를 32㎛, 비유전율을 4라고 했을 때 30mm각의 전원 섬(그림 13)에서 얻어지는 정전용량은 겨우 1nF밖에 되지 않는다. 한편, WLAN이나 GPS 등에서 많이 사용되는 패치 안테나 라는 것이 있다. 구조가 간단하고 시뮬레이션도 간단하므로 교 과서 등에 자주 나온다. 이 패치 안테나는 그라운드 위에 놓인 평면 형태의 도체가 공진함으로써 고효율 안테나로 기능한다. 전원 섬은 마치 이 패치 안테나와 같다(그림 14). 그림 15는 정사각형 전원 섬의 최저 평판 공진주파수와 전 원 섬의 임피던스가 100mΩ으로 되는 주파수의 그래프이다. 빌드업 기판의 빌드층을 가정하여 비유전율 4.2, 프리프레그 두께를 40㎛라고 했다. 전원 섬의 크기가 약 33mm2보다 작아 지면 전원 섬에 의한 바이패스 콘덴서에서 임피던스가 낮아지 기 전에 전원 섬 자체가 공진해 버린다는 것을 알 수 있다. 따 라서 전원 섬이라는 것은 메리트가 없다. <森田一>

 

전류 용량이 허용하는 만큼 전원의 프린트 패턴을 가늘게 했는가

동의전기전도도는대략16nΩ/m이므로동박의두께를36㎛, 패턴 폭을 1mm라고 했을 경우 패턴 길이 1mm당 약 0.5mΩ 이 된다. 마진을 예상하여 폭 1mm, 길이 1mm에서 1mΩ이라 고 기억해도 좋을 것이다. 이것을 기준이라고 생각한 후, 전원 라인은 각 디바이스가 필요한 약 1㎲의 평균 전류의 최대값에 대한 DC 드롭분을 고려하여 가급적 가느다란 패턴으로 한다. 가느다란 패턴으로 한 이유는 앞에서 설명했다. 물론 유입이나 디바이스 고장에 의한 과전류로 패턴이 끊어지지 않을 만큼의 마진은 필요하다. <森田一>

 

배선 연결에서 잊은 부분이 없는가

예를 들어 SMA 커넥터의 경우, 실제 그라운드 핀은 사진 1 과 같이 4개이다. 그러나 회로 기호상에서는 그림 16과 같이 1 개이다. 이것을 네트리스트대로 배선하면 그림 17(a)과 같이 3 개가 배선되지 않게 된다. 이 경우에는 설계자가 주의하여 나 머지 3개의 다리에 네트를 수동으로 어사인한 후 그림 17(b)과 같이 완성시켜야 한다.<浜田智>

 이 기사 주소 http://www.hellot.co.kr/magazine/magazine_read.html?code=002&sub=004&idx=417