기판 제작 시 체크해야 할 사항(5) 외주 제작을 위한 지시 자료

 

[전자기술] [연재] 기판 제작 시 체크해야 할 사항(5) 외주 제작을 위한 지시 자료 | 2011년 05월

부품 표 기록 방법에서 기판 종류 지정까지
원활한 외주 제작을 위한 지시 자료 작성

모델 이름과 스펙, 제조사 이름이 적힌 부품 표 및 데이터시트를 준비했는가

최근의 회로도 CAD에서는 회로도를 그릴 때 부품까지 함 께 등록한다. 때문에 부품은 회로도를 그리기 전에 선택해 둔다. 부품 표는 단순히 부품의 상수만 기재하는 것이 아니다. 부 품을 제작한 회사의 이름이나 모델 번호도 정확히 기재해야 한다(표 1). 예를 들어 저항에 10k라고만 써있는 경우, 기판 제작자가 몇 와트인지 혹은 어떤 형상인지 판단하기가 어렵 다. 기판을 제작하는 사람이 그 회로까지 숙지하고 있는 것은 아니므로 귀찮더라도 제작사와 모델 번호를 모두 결정해야 한다. 기판 발주의 번거로움은 사실 이러한 점에 있는 지도 모른 다. 유니버설 기판으로 만들 경우, 갖고 있던 부품 박스에서 적당한 부품을 꺼내온 후 그것에 맞춰 배선하면 되지만, 다른 사람에게 만들어 달라고 할 경우에는 어떤 부품인지 정확히 지시해야 한다. 일반적인 저항이나 콘덴서라면 제조사의 모델 이름까지 지 정하지 않아도 형상이나 와트 수 등만 지정하면 되므로 그렇 게까지 번거롭게 생각하지 않아도 된다. 예를 들어 1608 칩 저 항, 470Ω±1%라고만 지정해도 충분하다.

부품 자료(데이터시트)는 기본적으로 모든 부품에 대해 준 비한다. 단, 저항이나 콘덴서 등 표준적인 디바이스는 제외한 다. 또 이전 기종을 많이 사용하고 의뢰처가 몇 번째 같은 곳 이라면 새로 선택한 부품만 기재해도 된다. 부품 자료는 데이터시트에서 발췌하면 된다. 필요한 것은 배선 패턴 작성에 사용할 자료이므로 일반적으로 부품 외형도 나 추장 패턴, 단자 번호, 단자 기능이 기재되어 있는 부분을 복사하여 전달해 준다. 대부분의 부품은 제조사가 PDF의 형 태로 배포하고 있어 다른 재료와 함께 CD-ROM에 기록하여 건네주거나 메일로 보낸다. 같은 모델 번호라고 해도 부품 외형이 다른 경우가 있으므 로 주의해야 한다. DIP 형상과 표면실장인 것은 중간까지의 모델 번호가 같아도 부품의 다리 형상은 전혀 다르다. 외형에 따라 핀 배치가 다른 디바이스도 있다. 예를 들어 PIC 마이컴 PIC18F4550은 DIP 형상인 경우 40핀이지만, 표 면실장형인 경우 44핀이므로 당연히 핀 배치가 달라진다. 이 러한 디바이스는 모델 번호 끝에 형상을 나타내는 기호가 있 는 것이 일반적이다. 회로도나 부품 표에서 부품 형상까지 알 수 있도록 해 둔다. 설계 변경 시 DIP이었던 것을 표면실장으로 변경하는 경우 에도 마찬가지로 트러블이 발생한다.

 

의뢰처의 실장기기에서 대응할 수 있는 패키지의 종류를 확인했는가

1. 의뢰처의 실장기기에서 대응할 수 있는 패키지를 확인한다

(1) 제작 라인에서 보유하고 있는 부품을 선택해 둔다

사내 또는 제작사의 제작 라인은 거의 QFP나 QFN에 대응 하고 있다. 기판의 외형 치수나 실장기기에 따른 제약 등은 미 리 상의해 두어야 한다. 또 제작 라인에서 표준으로 갖고 있는 부품의 종류를 파악 해 두면 부품을 직접 준비할 필요가 없다.

(2) 0603 이하는 실장할 수 없는 경우도 있다

제작 라인에서 실장할 수 있는 칩 부품의 사이즈나 공급 형 태에 대해서도 확인해야 한다. 1005 사이즈 정도라면 어느 곳 에라도 대응할 수 있지만, 0603 사이즈 이하로 되면 실장할 수 없는 경우가 있다.

(3) 테이핑 제품을 지급해야 한다

부품을 직접 준비하여 지급할 경우 기본적으로 테이핑된 릴 이어야 한다.

(4) 릴을 실장기에 설치할 때 몇%는 낭비된다

테이프 끝 부분부터 50cm 정도의 부분에 닿아 있는 부품은 실장기 형편상 사용할 수 없으므로 그만큼 여유를 갖고 지급 한다. 이에 대해서도 제작 라인의 담당자와 미리 확인해 두어 야 한다.

2. 직접 조립할 때의 한계

직접 조립할 예정이라면, IC 등의 패키지는 DIP 등의 리드 부품이나 QFP 등의 플랫 패키지가 한도일 것이다. BGA는 손 으로 땜납할 수 없다.

(1) 방열용 전극이 있는 부품은 납땜하기 곤란하다

QFP라도 패키지 아래쪽 면에 서멀 패드라는 방열용 전극이 있는 품종(그림 1)인 경우에는 납땜할 수 없다. 땜납 인두가 들 어가는 큰 구멍을 뚫어 두거나 관통 스루홀을 사용하는 방법, 또는 그곳만 저온 땜납을 사용하는 등과 같은 방법을 사용할 수도 있지만 기본적으로는 납땜할 수 없다고 생각해야 한다. (2) 저항이나 콘덴서는 1608 사이즈까지 콘덴서나 저항도 칩 부품이라면 1608 사이즈가 한도일 것이 다. 그것보다 작아지면 다루기가 너무 어렵다. 또한 칩 부품인 경우, 세라믹 콘덴서는 상수가 기재되어 있지 않으며 저항도 1005 이하일 경우 상수가 기록되어 있지 않으므로 부품 설치 간 차이를 확인할 수 없다.

탑재 부품의 납기를 확인했는가

1. 개수가 나와 있는 부품을 이용하는 쪽이 저렴하다

데이터시트에 QFP 패키지가 있다고 기록돼 있어도 납기에 맞출 수 있는지 확인해야 한다. 수요가 적은 패키지라면 상대 적으로 비싸거나 공급이 어려울 경우도 있다. 다른 회사에서 대량으로 사용하는 부품이라면 대리점도 비교적 저렴하고 신 속하게 준비할 수 있을 것이다.

2. 품종의 범위를 가급적 좁힌다

저항과 콘덴서, 인덕터, 트랜지스터, 커넥터 등 품종은 가급 적 줄이도록 한다. 예를 들면, 가급적 생산 중인 제품에 탑재된 부품과 같은 것을 유용하도록 한다.

가격에 큰 영향을 미치는 프린트 기판의 층수를 최소한으로 했는가

1. 비용이 최우선적인 양산품은 양면 또는 한쪽 면을 이용한다

최근 디플레이션에 의해 가격경쟁이 점점 심화되고 있는 백 색가전 등에서는 양면 기판을 사용하는 예가 압도적으로 많다. 실장 체적에 휴대기기만큼 엄격한 제한이 없고 신호 속도가 느 리며 제어 전압이 상용 전압으로 될 뿐만 아니라, 그에 따른 커 넥터나 릴레이 등의 부품 형상 및 크기에서 양산성과 가격을 우선으로 하여 최적인 것을 선택할 수 있다. 가전에 사용되는 인버터의 주파수도 수백kHz이며 오디오 기기 등의 주파수 대역도 양면 기판에서 성능을 만족시킬 수 있는 영역이다. 20년 전 데스크톱 PC의 어댑터 카드 등에서도 양면 2층으로 기능을 충족시킨 예가 발견됐다.

2. 소규모 마이컴을 탑재하는 기판은 양면으로도 충분하다

8비트나 16비트 마이컴과 센서 몇 개를 탑재한 기기는 2층 만으로도 충분하다. 프린트 기판의 자동 배선 툴을 사용하면 CMOS/TTL 어드레스나 데이터 버스 등의 신호선도 대부분 수정 없이 배선할 수 있다. 단, 전원과 그라운드가 버스에 의해 분단되면 전원 임피던 스가 상승하는 것을 피할 수 없다. 센서에서 오는 미세한 아날 로그 신호에는 가드 그라운드를 설치한다.

3. 디지털 비디오 기판은 4층 이상

디지털 AV 기기의 경우 양면 기판에서는 신호선을 배선할 수 있어도 전원과 그라운드를 만족시키는 것은 불가능하므로 4층 기판을 사용한다. 4층 기판에서는 신호선의 배선과 관계없이 전원과 그라운 드의 접속점도 비아를 이용함으로써 단거리로 내층과 접속할 수 있다. 전원 핀 근처에 바이패스 콘덴서를 배치하는 것도 비 교적 용이하다. 4층 기판의 층 배치 개념은 그림 2와 같이 양면의 겉과 안에 신호선을 설치하고, 내층을 전원과 그라운드로 사용한다. 가 능한 한 베타 면적을 넓게 만들어 전원의 임피던스를 내리는 효과도 노렸다. 고속 어드레스 버스나 데이터 버스에서는 신호의 스큐(신호 끼리의 편차)를 방지하기 위해 같은 길이의 배선도 이용된다. 전원 계통이 많아지면 전원층을 분할하여 각각 필요한 임피던 스를 확보한다. 140∼150핀 정도, 핀 간격 0.5∼0.8mm인 SSOP나 QFP를 실장한 부품 수가 200점 정도인 규모의 회로라면 4층 기판으 로 배선할 수 있고 실장과 시험 비용까지 포함했을 때 가격 성능비가 가장 좋은 포인트이다. LSI도 세밀화되어 칩 면적이 축소되고, QFP 패키지에서는 칩 밖으로 신호선을 빼낼 수 없게 됐다. BGA나 CSP 패키지를 사용한 고밀도 신호 배선이 요구되고 있다. 다핀 BGA 등은 겉 과 안 2층에서 안쪽의 배선을 빼낼 수 없으며 핀 수의 사정에 따라 배선층을 늘린 6층 기판이 필요하다. 이 경우에도 겉과 안 2층과 그 안쪽 2층을 신호 배선에 이용 하고, 전원과 그라운드를 가장 안쪽에 마주보게 하여 층간 갭 콘덴서 효과를 효과적으로 이용하는 구성이 일반적으로 채택되 고있다. 또 4층 전체가 신호선으로 가득 차는 경우는 거의 없으므로 배선외에남은면적은가급적베타그라운드를만든다. BGA나 CSP에서 핀 간격이 0.4mm 이하 정도까지 세밀해지 면 관통 비아의 면적을 잡을 수 없게 되고 포토 비아나 마이크 로 비아라고 불리는, 층간만 접속하는 비아를 사용한 빌드업 기 판을이용하게된다. 그러므로그만큼기판가격도상승한다. PC의 마더보드에서는 포토 비아 등이 사용되지 않으며 다 층 기판과 관통 비아로 대량의 버스를 성립시키는 것 같다. 이정도 규모의 기판에서는 신호 경로나 신호 속도가 고속이고 복 잡해지며 신호 품질과 EMI(특히 방사 노이즈) 대책이 과제로 된다.

4. BGA 패키지 안쪽의 핀을 나오게 할 수 있는가

4층 관통 기판을 사용할 예정이라고 해도 BGA 패키지의 안 쪽 볼에서 신호선을 바깥쪽까지 끌어낼 수 없으므로 양면 기판 에 1층의 빌드층이 설치된 빌드업 기판으로 해야하는 경우가 있다. 그림 3은 그 예를 나타낸 것이다. 5×5의 BGA 패키지일 때 볼 피치에 따라서는 표층에서 볼 사이로 꺼낼 수 없다. 때문에 가장 외주에 있는 홀은 표층에서 꺼내고 안쪽은 비아로 내층에 떨어뜨린다. 2주째의 볼은 2층째에서 꺼낼 수 있지만, 그에 따 라 안쪽은 관통 비아의 방해로 몇 층이 있더라도 꺼낼 수 없게 된다.

CAD로 출력한 네트리스트를 준비했는가

네트리스트(그림 4)를 작성하는 것은 기판 작성 시 실수를 방 지한다는 의미에서도 필요하다. 네트리스트는 CAD를 사용할 경우 몇 개의 포맷(CR-5000이나 Protel 등)을 선택할 수 있으 므로 배선 패턴 설계자와 합의하여 양쪽에서 사용할 수 있는 포 맷으로작성하는것이좋다. 손으로 그린 회로도의 경우에는 네트리스트를 작성할 수 없 다. 패턴 설계자에게 배선 후의 네트리스트를 받아서 이것을 회 로도와조합한다. 이 작업은 상당히 번거로우며 수작업 으로 데이터를 넣을 경우 실수할 수도 있기 때문에 가급적 자동적으로 네트리 스트를 출력해 주는 CAD를 사용하도록 권장하고 싶다. CAD를 사용할 경우, CAD로 작성한 네트리스트와 기판 설계 에서 작성한 네트리스트를 조합하면 배 선이 올바로 실시됐는지 확인할 수 있 다. 네트리스트의 조합 툴도 있으므로

회로가복잡할경우CAD 사용이필수적이라고할수있다. 네트리스트의 형식은 출력 포맷에 따라 다른데, 기본적으로 는 네트리스트마다 접속되는 부품 번호와 핀 번호를 조합한 번 호가나열된다. 네트에 신호명이 있는 것은 신호명으로 구분되고, 신호명이 없는네트는자동적으로네트명이붙는다.

회로도에 그릴 때 주의해야 할 점을 기입했는가

텍사스 인스트루먼트의 TPS63001이라는 DC-DC 컨버터 IC는 사용하기 쉽고 배선도 편리한 IC이지만 부적절한 배선 때 문에방사노이즈로고민하게되는경우가많다. 이 회사의 데이터시트를 살펴보면 그림 5와 같은 회로가 그 려져 있다. 회로를 설계할 경우, 이것을 참고하여 그려야 하지 만, CAD 상의회로도와같은레이아웃으로해서는안된다. 회로도 속에도 그림 6과 같이 코멘트를 넣는다. 설계 지시는 제조사의 애플리케이션 노트 등을 이용해도 상관없다. 그 상태 로 전달하지 않고 반드시 주석을 넣도록 한다. 또는 이 정도 회 로라면 그림 7과 같이 대략적인 배선 이미지를 그려 주는 것이 빠를지도 모른다.

1. 구체적인 수치를 지시한다

예를 들어 미소한 아날로그 신호와 디지털 데이터 버스가 함 께 있는 곳은‘더 떨어뜨리고 싶다’와 같이 애매하게 지시하는 것이아니라,‘ 10mVP-P의아날로그신호와3.3VP-P의디지털신 호가 함께 있으므로 최소 1mm, 가능하다면 3mm 정도 간격을 떨어뜨려야한다’등과같이이유와값을명확하게해야한다. 상대방이 변경 내용을 좀처럼 이해하지 못할 경우, 자신의 설명하는 능력이 부족하지 않았는지 반성한 후 더 이해하기 쉽 게 설명하기 바란다.

2. 회로도가 나온 후에는 변경을 의뢰하지 않는다

회로설계는회로도가나오기전에완료해야한다. 변경규모 에 따라서는 배선 설계를 거의 처음부터 다시 실시하는 경우도 있다. 예를 들어 겨우 저항 1개였지만 결국 넣지 못해서 설계를 완전히 변경해 버린적도 있다.

반대로 1005 칩 저항을 1608로 변경했을 경우, 칩 아래에 배 선할 수 있어 배선 설계가 간단해지고 예쁘게 된 적도 있었다. 그러한 제안이 있을 경우 부품 종류가 늘어나거나 하는 등의 큰 단점이없다면회로를변경해야할것이다. 회로 설계자는 거버 데이터 출력 직전에 배선 설계를 승인하 는 것이 좋다고 생각하는 경우가 많지만, 사실 배선 설계 승인 후에도확인작업이나데이터작업이발생한다. 기판 규모에 따라 다르지만, 이 작업만 할 경우 반나절에서 하루 정도가 필요하다. 따라서 거버 데이터 출력 전날이나, 늦 어도 당일 아침에는 배선 설계를 승인하고 배선 설계 담당자가 거버데이터출력작업에착수하도록해야한다.

3. 배선 패턴 설계자에게 경의를 표한다

이것이 가장 중요한 점일지도 모른다. 회로 설계자의 경우, 자신은 회로를 설계하고 기판 설계자는 그 회로를 단순 작업으 로배선설계한것뿐이라고격하시켜생각하는사람이있다. 그러나 회로도가 그려져도 설계는 완료되지 않는다. 배선 설 계에서는 어떻게 해도 그 성능이 변화된다. 특히 제작사의 칩셋 을 많이 사용한 회로라면 회로 설계야말로 애플리케이션 노트 를베낀단순작업인경우도있다. 따라서 회로 설계자와 기판 설계자는 함께 협력하여 제품을 만들어 낸다는 인식을 가져야 할 것이다.

4. 배선 패턴 확인용 데이터는 중간에 4회 이상 확인한다

다른 쪽에 배선 설계를 의뢰했을 경우에도 확인 작업을 해야 한다. 배선 설계 중간에 담당자가 확인용 데이터를 보낸다. 일 반적으로는다음과같다. ·부품레이아웃이끝난시점 ·전원이나버스라인을다배치한시점 ·배선설계가좀더진행된시점 ·배선설계가대략끝난시점 배선 설계자의 숙련도에 따라 중간 확인 횟수가 증감한다. 이 시점에서는 지금까지 그려진 패턴을 확인한 후 수정해야 하는 점등을지적하여다음까지반영되도록한다.

베타면 랜드의 동박을 뺐는가

바이패스 콘덴서를 설치할 경우, 그라운드 측은 베타면으로 되기 쉽다. 양산에서 실장할 경우에는 랜드 주위의 동박 면적에

큰 차이가 있을 때 열이 전달되는 곳에 편차가 발생하여 실장 불량이 발생할 수 있다. 그래서 서멀 컷이라고 하는, 부품 주위 의동박을벗기는대책이필요하다. 이에 대해서는 각 회사에서 양산 공정 능력과 과거 사례에 기 인한 노하우 등을 갖고 있으므로 제조 기술, 생산 기술 쪽 사람 들과미리상담하기바란다. 그림 8(a)에 나타난 패턴은 바이패스 콘덴서의 좌우 동박 면 적이 크게 다르기 때문에 리플로우에서 우측 패드의 온도 상승 이 지연된 것이다. 이에 따라 좌측 패드의 크림 땜납이 먼저 융 해되어 그 표면장력으로 칩이 솟아오르거나 방향이 바뀌는 등 과같은실장불량이발생할수있다. 때문에 우측 패드를 베타면으로 하지 않고 그림 8(b) 또는 그 림 8(c)과 같이 일부 동박을 빼낸다. 그렇다면 그림 8(b), 그림 8(c) 중어느쪽이좋은것일까. 그림8(b)의경우, IC 그라운드나베타그라운드의비아에바 이패스콘덴서로부터흐르는전류가있어동박을빼는데방해 된다. 그림8(c)에서는전류방해가발생하지않는다. 사소한부 분이지만, 기판전체에서이러한배려가이루어지지않은기판 과그렇지않은기판은그특성에차이가있다.

기판의 휨이나 상자 팽창에 영향을 주는 각 층의 동박 면적을 조정했는가

기판 표면에 넓은 동박이 있을 경우 주의해야 한다. 필자도 그 근거를 명확하게 설명할 수는 없지만, UL 규격에 의하면 기 판 표면에 10엔 동전보다 큰 동박은 허용되지 않는 것 같다. 또

UL을취득하지않아도되는경우라도표층에넓은동박이있으 면 특히 DIP 공정의 경우 기판 재료에서 발생한 가스가 동박에 의해 차단되어 방산되지 못하기 때문에 동박과 기재 사이에 머 물러 동박이 팽창된다.

1. 동박 면적을 겉과 안에서 맞춰 기판이 휘는 것을 막는다

BGA 패키지 등 기판의 표면도가 중요한 패키지를 사용했을 경우에는 기판 표면과 뒷면의 동박 차이에 따라 휨이나 실장 불 량이발생한다. 때문에 8층 기판이라면 기판을 30mm각 정도의 영역에 분할 해 두고 1층과 8층(표면과 뒷면의 표층), 2층과 7층(각각 표면에 서 2층째)에서 동박이 남아 있는 비율의 차이가 10%∼20% 정 도로 되도록 조정한다. 따라서 표층이나 2층째는 베타의 동박 이 아닌 격자 형태나 물방울 모양의 동박으로 되는 경우가 많다 (그림 9). 격자인지 물방울 모양인지에 대해서는 사용하는 CAD로 간 단히 대응할 수 있으므로 상관없지만, 피치가 문제된다. 단순히 UL 대응이나 동박 팽창을 걱정했던 1980년대에는 폭 2mm 정 도, 길이 20mm 정도인 슬릿이나 십자 동박 분리만으로도 충분

했다. 지금은 기준 주파수의 λ/50∼λ/100 정도인 피치가 권장되 고 있다. 예를 들어 와이어리스 LAN이라면 약 2.5GHz이므로 FR-4 기판에서 λ＝60mm일 때 피치는 0.5∼1.2mm로 하는 것 이좋다고생각된다. 이 동박 면적 계산과 그 후의 메시화 작업은 대체적으로 배선 설계가 끝난 후 실시된다. 거버 데이터 출력까지의 일정에 미리 포함 시켜 둘 필요가 있다.

다층 기판에서 예정대로 마이크로스트립 라인을 형성할 수 있었는가

예를 들어 기판의 총 두께가 1mm이고 8층 등의 다층 기판에 서는 프리프레그(기판용 재료)의 두께가 70㎛ 정도로 된다. 때 문에 표층과 제2층 사이에 특성 임피던스가 50Ω인 마이크로스 트립 라인을 형성하면 패턴 폭이 100㎛ 전후로 되는 경우가 있 다. 한편, 칩 부품의 패드 폭은 500㎛ 정도이므로 거기서 임피 던스부정합이큰영향을미칠수있다(그림 10). 또마이크로스트립라인에대전력을통과시킬경우나바이어 스 티에 DC를 중첩시킬 경우 등에는 그 전류에 대응하는 패턴 폭이필요하다. 기판 위에 마이크로스트립 라인을 형성할 경우에는 앞에서 설명한 바와 같이 문제를 고려하여 2층째의 동박을 모두 빼고 1 층과 3층에서 마이크로스트립 라인을 형성해야 하는 경우도 있 다(그림 11).

안전 규격 확인과 지시는 충분했는가

특히 AC100V의 1차 측 등에서는 안전 규격의 법 규제가 적 용되는데, 예를들어전기용품안전법에서도일본의독자적인1 항과 국제 규격에 준하는 2항 중 어느 쪽을 선택하는가에 따라 연면 거리나 공간 거리 규정이 바뀐다. 때문에 안전 규격에 맞 춰야 하는 제품에 관해서는 미리 회사 내 안전 규격 부문 혹은 제3의시험기간과충분히합의해야한다. <森田一>

 

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