1. 용어설명 시작하기전에초보자를위해서간단한용어설명을하겠습니다. 1) PCB Printed circuit Board으약자로서전자제품을실장하는인쇄회로기판을의미한다. 1950년대에군사적목적으로처음으로등장하였다. 산업용으로사용되기시작한것은 1960년대초부터라고한다. 대개유리섬유 (Fiberglass) 재질같은절연기층 (Dielectric Substrate) 위에광화학 (Photochemical) 적방법으로형성된금속성의회로를말한다. 전자부품의지지대역할과그들간의전기적신호를연결해주는역할을담당한다. 초기에는단면기판을사용하다가고실장, 소형화의요구로요즘에는 100층이넘는기판도사용되고있다. Pattern 전자부품간의배선을대신하는것으로 Etching이되지않은부분이다. Pad Pattern에서납이묻는부분으로부품이실장되어전기, 기계적으로고정이되도록하는역할을한다. Solder Mask 납이원치않는부분에는유입되어묻지않도록방지해준다. Pad와음 (Nagative) 관계에있다. 대개 Pad의 1.1배로사용한다. Silk Screen 부품의외형이나 Symbol, 부품의번호를식별하도록하는역할을하는흰색이나노랑색의그림과문자들을지칭한다. Hole PCB의품질을결정하는가장중요한요소로서부품을실장하는데필요한구멍을말한다. 대개 Drill로서사용하는부품의다리에맞게자동으로뚫으며도금공정에서도금됨으로서전도성을부여하게된다. 이와유사한것으로 Through Hole이있다. 이것은부품의실장과는무관하게 Pattern설계과정에서발생하는것으로서위층과아래층의 Pattern을연결하여단지도통의수단으로이용되는매우작은구멍을말한다. 부품의배치필자개인적으로가장중요시하는사항이다. 그래서이글의앞부분에특별히큰제목으로다루었다. 부품의배치를효율적으로하였을경우, 필자는현재진행중인 Artwork를 70% 정도는휼륭하게진행했다고생각한다. 즉이것을어떻게하냐에따라서 Artwork의완성도가결정이되며, 설계자의완숙도가드러나게된다. 만일이작업을비효율적으로하였을경우에는아예작업을진행하지말고푹잠이나잔후에새로시작하는것이생산적이고시간도절약될것이다. 부품의배치는우선회로도상의신호의흐름을따라서부품들을배치하는것이기본이다. 또한전체적으로 Soldering 방향을결정한후에 Soldering이시작되는쪽은형상이작은부품을그리고형상이큰부품들은뒤쪽에배치하면작업시생산성이높아진다. 그리고기계설계자돠충분하게협의를거쳐서시작할것이며, 특히콘넥터는되도록외곽에설치하는것이기본이다. 그리고최대한 Pattern들이단거리로연결이될수있도록설계하며이부분은많이해보면감으로느낄수가있다. 그리고사용전원이여러가지인경우에는같은전원끼리모아서배치해야하며 Digital과 Analog회로가혼용된회로는꼭이들을분리하여배치한다. 또한고압부와저압부도분리하여배치해야하며, 온도가높아지는부위와 Analog Signal을처리하는회로등은충분히이격시켜서열에의한영향을없애야한다. 또한양산후수리시를고려해서배치해야하며, 차후에회로가보강되어질부분을예측하여여분의공간을확보해서배치해야한다. 또한요즘은자동설비의발전으로 PCB 조립도자동화가급진전되고있고우리나라역시이러한자동화가일반적인상황이다. 그러므로 Auto Mount를충분히고려한배치가필요하다.
2) Artwork 전에고려해야할사항 a. 제품최종사이즈를결정한다. 이사이즈에따라서단면, 양면, 멀티로작업을진행할지를결정하게된다. 한편제품개발시단면개발이가장양산단가를낮출수가있다. 그러나단면의경우제품의사이즈가커지고패턴완성도가떨어지므로효율적이지못하다. 양면의경우회로에입각한효율적인패턴형성이용이하나멀티에비해서집적도가떨어지고제품의형상이커져서양산시단가가높다는단점이있다. 멀티의경우에는적극추천하는방법이다. 우선제품의사이즈를극소화시킬수있어서 PCB형상을작게만듦으로서원천적인단가하락이가능하다. 또한 PCB가작아짐으로서제품외장박스의기구부극소화가가능하므로양산단가를낮출수가있다. 또한전원부와그라운드부가가상무한평면과같은분위기를조성함으로서노이즈대책에용이하다는장점도갖추고있다. 많은개발자들이멀티개발을하면단가가높아진다고생각하는분들이많은데절대로그렇지가않다. 왜냐하면 PCB자체가작아지고멀티로개발시거의대부부의부품을 SMD 제품으로개발하기때문에제품의사이즈를양면의절반으로줄어들며제품양산시 SMT Machine을사용하게됨으로서수조립시와는양산단가가비교않될정도로떨어지게되며 PCB조립을전문외주업체에아웃소싱하게됨으로서제품의품질이향상된다.. 또한제품의재연성이높아지는생산성극대화를꾀할수가있다. b. 사용부품의 Packing 을결정한다. 이것은단면 ( 양면 ) 인지또는멀티로개발할것인지에따라서좌우될소지가많다. 대개단 ( 양 ) 면시에는제품의크기를고려하지않해도되는경우가대부분이거나, 개발업체가아직고밀도실장의기술을습득치못한낙후된기술업체인경우일것이다. 필자는 SMD Type 제품을추천하는바이다. 왜냐하면 Dip Type제품에비해서단가가싸고형상이극히작다는데있다. 다만 Dip Type의경우에소량구매가용이하다는장점이있다. 반면에 SMD제품의경우에는소량구매가어렵고대개가롤단위로 3000개에서 5000개로대량구매를해야한다는점이다. 그러나미래의전자산업에서살아남기위해서제룸의소형화와 PCB의극소화기술, 대량생산을통한양산단가의낮춤, 노이즈내성이강한제품개발등이요구될것이며, 이에따라서현재 Dip Tyoe제품의단종의길을급속하게걷고있다. 그러므로 Dip Type을이용한제품생산은날로높은양산단가를요구할것으로예상된다. c. 회로에입각한 Artwork 구현계획을세운다. 회로의흐름에따라서 Artwork을진행하는것이원칙이다. 회로는하나의강으로생각하면좋다고생각한다. 강이형성되기위해서는강의원천인발원지가존재하며이곳은강의원천이다또한이작은발원지에서시작한물은계속적으로모이고흘러서작은하천을형성하고결국은강을이루게된다. 이때살아숨쉬는강이되기위해서물고기, 조류, 플랑크톤, 햇볕, 바람등의많은요소들이협력하여살아숨쉬는강이생성된다. 즉발원지는전자제품의소스인전원부나신호발생부가된다. 그리고많고작은회로들을걸쳐서특정펑션을구현하며, 강에서조류의정화작용과같이회로에도필터부가존재하게되며최종적으로강의물을이용해서수력발전을하듯이전자제품도이발생된신호를이용해특정최종펑션을구현하게된다. 한마디로회로는강이며 Artwork역시물으흐름처럼해야한다는것이다. 너무급하게꺽여서도않되며, 물이흐르는통로가너무작아서도커서도안되는것이다. 또한강의경우강의넓이와함께깊이도중요하듯이전자회로에서도패턴의폭과함께패턴의두께도아주중요하다. 패턴의굵기를 1/2온스로할것인지, 1온스로할것인지 2온스로할것인지를회로에맞게설계해야한다.
참고로파워회로의경우에회로를충분히고려시사이즈가커지는경향이있는데이때패턴을 2온스화함으로서작은형상으로고신뢰성을가진제품을용이하게개발할수가있다. * 참고로 PCB원판의패턴두께를알아보기로하자. 이를잘이해하지못하는개발자들이많은데 1온스라하는것은 PCB원판 (1야드*1야드) 에동 1온스를입혔기에이렇게부르는것이다. 참고로온스는무게단위라는점을상기바란다. *^^* d. 회로의특성에맞는패턴구성을계획한다. 회로도를토대로회로특성에맞는패턴의굵기를정하고, 주의해야할부분을따로정리한다이런세심한개발계획은제품의완성도를높여주며, 디버깅시간을최소화시키고개발계획스케줄에맞게일을진행시켜주는기초가된다. 그러므로초기투자한시간으로효율적인개발이이루어져결국은시간을버는좋은결과를유도한다. 본인의경험에따르면초기개발계획을세밀하게세우지못하고, 주먹구구식으로시작해서결국은아트웍을처음부터새롭게재시작하는경우도많이보아왔다. 이것은결국시간을헛되게허비함으로서제품개발시간을길게하는원인이된다. 아무리회로설계가잘되어있으면무었하겠는가? 회로설계와번득이는아이디어만이개발능력인것은아니다. 어느개발자들은회로설계능력만갖추고있으면휼륭한개발자라고생각하시는분들이있다. 그러나그아이디어와완벽한회로를가지고제품의완성도를높이는일도무척중요하다는점을잊지말아야한다. 패턴의굵기는그회로부위의동작주파수와비례하여넓혀주고, 전류와도비례적으로설계해야한다. 자세한내용은본론에들어가서서술하겠다.
B. Artwork 시고려되야할사항 a. 패턴의굵기 설계자들에따라서많은이견이많은것이분명하다. 하지만본인은아래와같은원칙에따라서제품을개발하고있다. ( 단제품사용원판은 1/2온스를타겟으로잡았을때이다.) 전류 1A당패턴굵기는 1mm를확보한다. - 40mil 굵기전압 1v당 0.005 ~ 0.007 mm 굵기를확보한다. - 500v의경우 2.5mm에서 3.5mm정도의굵기를확보할것. 위에언급한내용은원칙적인내용이므로공간이허용된다면고주파부분이나고전류부위는되도록굵은패턴을확보하는것이바람직하다. 왜냐하면임피던스정합문제때문이다. 신호전송회로는등가적으로분포상수회로로볼수가있다. 이때전송로상의임피던스는신호원측과부하측, 그리고전송로특성임피던스로나누어진다. 이세가지중한가지라도같지가않을때문제가된다. 이상적인신호전송선로는세가지임피던스가같은임피던스정합이형성되어서신호원에서보낸신호가부하측에 100% 모두전송되어소비되어진다. 그러나실제회로는완벽한임피던스정합이란존재하지않는다. 즉보내지는신호가모두부하측에흑수되지않고일부돌아오게되는것이다. 그러므로패턴의굵기와형상은직접적으로임피던스정합과관련이되므로매우중요하다. 여기에서손쉽게전송선로의실효저항이나인덕턴스를감소기킬수있는방법은그라운드를최대한굵고넓게확보하면된다. b. Ground 처리 그라운드는최대한굵고넓게확보한다. 그라운드는패루프를형성해서는안된다. - 많은개발자들이실수하고있는중요한부분이다. 원래폐루프는크면클수록안테나역할을충실하게수행하게된다. 즉필요없는공중의방사노이즈를적극적으로받아들이는악영향을끼친다. 그라운드는굵고넓게구성하는것을원칙으로하되폐루프는절대로피해야한다. 멀티 PCB의내층과같이그라운드패턴과양전원측의패턴의패턴을평행하게일치시키면무한원판과같은효과를줌으로서노이즈를능동적으로차단할수가있다. 양면기판의경우에도콤퍼넌트면엔그라운드를솔더면에는전원부를폴리건처리하는것이노이즈대책에용이하다. 이때노이즈가다량으로발생되는부위의경우그라운드를특히강화하여처리해야한다. 노이즈가심하게발생하는스위칭부등은가능하다면펄스트랜스나포토커플러를이용하여절연함으로서노이즈의유입을원천적으로회로적인테크닉에의해제거함이좋다. 적극적이고근본적인노이즈대책수립을권하고싶다. 많은개발자들은회로설계시에노이즈대책을충분히고려하지못하고서, 양산후에나중에문제가생겨서주먹구구식으로해결하는경향이있다. 이러한소극적인노이즈대책은개발자의고달푼노동시간을요구할따름이다.
C. Noise 방지 Noise가방생하는부분은전압과전류가변화하는부분, 즉 dv/dt 와 di/dt가발생하는부분이다. 또한회로의특성상이러한부분이없을수는없는것이다. 즉노이즈는필연적으로발생하는것이라고생각하면된다. 그러므로어떻게하면노이즈에영향이없고노이즈를줄일수있는 Artwork를할수있을까? 이에대한답은노이즈를없애는 Artwork란존재하지않는다는것이다. 다만줄이거나, 회로에영향을줄인다는점을할수있을뿐이다. Noise대책은 80% 이상이회로설계단계에서결정이된다는점을명심하기바란다. 그외에 20% 정도가제품화단계에서결정된다고생각하면된다. 그러면 Artwork시 Noise 방지책에대해서기술한다. 부품실장밀도를 60% 이하로한다. 그리고패턴의길이를최대한짧게줄여서 Inductance Impedance를최대한줄인다. 또한되도록다층기판을채택해서개발하도록한다. 다층기판은기본적으로노이즈대책이되어있다고보면된다. 왜냐하면 GND와 Vcc가매우넓게내층에깔려있기때문이다. 또한 GND는신호의궤환선으로사용되므로최대한넓고짧게함으로서 Pattern Impedance를줄인다. 또한다른패턴들도최대한굵고짧게함으로서 Inductance를줄임으로서근본적으로 Noise가적게발생하도록설계한다. 또한동종의신호는근접시켜서배선한다. 즉 Address Line은 Address Line끼리등등... 또한 Digital부와 Analog부는구분하여실장배선한다. 또한대개 Digital 회로에서발생한 Noise는 Analog 회로에매우큰영향을주므로 Analog부의전원은독립전원으로사용함이좋다또한 GND와 Vcc는서로형상이비슷하게평행으로곂쳐져있는것이좋다. 또한공통임피던스는최대한줄인다. 그리고전원패턴사이에고주파특성이좋은콘덴서를기판에최대한밀착시켜서장착한다. 그리고회로에이상이없다면 Digital부의부품을필요이상의고속으로사용하지말라는것이다. 어떤개발자는무조건속도가빠른부품을사용해놓고는가슴이뿌듯해서혼자좋아하는사람들도있다. 이얼마나바보스런일인가? 화를자초해서부르고있으니... 참고로로직소자의속도관계를적어본다. CMOS(4000 Series) < C CMOS < Standard TTL < HC CMOS < LS TTL < ALS TTL < S TTL < F TTL < F TTL < AC CMOS < AS TTL 순이므로으를참고로해서제품을선정하고양산시에도이를지킬것을권장해야할것이다. 또한고주파를사용하는신호선의경우에는그라운드를친구로만들어서동행시켜서길을떠나보내면노이즈가다른신호선에영향을적게준다. 그리고패턴은최대한예각으로배선하면노이즈를줄일수가있다. 아까도언급했듯이노이즈는변화하는곳에서발생한다. 고속로직부나클럭부, Reset 신호선등은서로격리시킨다아참아날로그와디지털전원이같을경우에는그라운드를서로다르게포선한후에나중에한곳에서짧게묶어준다.