PCB 설계 이해: 초보자를 위한 종합 가이드

인쇄 회로 기판(PCB)은 거의 모든 전자 장치의 중추로서 구성 요소 간에 필요한 연결을 제공합니다. 취미 프로젝트를 위한 간단한 회로를 설계하든, 상업 생산을 위한 복잡한 시스템을 설계하든, PCB 설계의 기본 사항을 이해하는 것은 필수적입니다. 이 가이드는 PCB 설계 프로세스를 안내하고 중요한 설계 고려 사항을 강조하며 시작하는 데 도움이 되는 실제 사례를 제공합니다.

PCB 설계란 무엇입니까?

PCB 설계에는 보드의 전자 부품 레이아웃에 대한 청사진을 작성하여 전기 연결이 효과적으로 이루어지도록 보장하는 작업이 포함됩니다. 이 프로세스에는 회로도 캡처, 레이아웃 설계 및 최종 제조용 파일 생성이 포함됩니다.

 

PCB(printed circuit board) : 인쇄회로 기판
• 최종 완제품 내부의 각종 부품들을 탑재하는 받침대 역할 과 부품들간의 전기적 신호를 서로 연결시켜주는 역할

• 구리판 부분을 전자부품과 연결하여 전기를 흐르게 하는 배선 형태로 구현한 회로판

• PWB (Printed Wiring Board)라고도 불림

• PCB상에 회로를 인쇄 : CAD를 사용해 회로 설계 → 거버파일(직접 PCB상에서 인쇄 가능)로 변경

• 초기의 PCB : 스크린 인쇄 방법으로 배선을 만듦 (Printed 란 단어가 사용)

• 현재의 PCB : 도금과 이미지 처리 등으로 배선을 형성하여 보다 정밀하고 세밀한 회로를 구성

PCB 설계

 

 

PCB 원판

• 동박 적층판(CCL-Copper Clad Laminate) : PCB를 만드는 기초원자재, 원판

• 에폭시 수지 : 사이에 산소가 들어 있는 화합물로 주로 전기 절연재료, 섬유강화 복합재료, 접착제, PCB기판, 반도체 Packaging에 사용

 

PCB 원판

 

PCB 구분

 

PCB 구분

단면 PCB

• 페놀 원판을 기판으로 사용

• 라디오, 전화기, 간단한 계층기 등 회로 구성이 비교적 복잡하지 않은 제품에 사용

• PCB의 한쪽 면에만 부품을 장착

단면 PCB

양면 PCB 

•  에폭시 수지로 만든 원판 사용

• 회로가 상하 양면으로 형성된 PCB로 단면에 비해 고밀도 부품 실장이 가능

• TV, FAX 등 복잡한 제품에 사용

양면PCB

 

 

다층 PCB

• 내층과 외층 회로를 가진 입체구조의 PCB

• 입체배선에 의한 고밀도 부품실장 및 배선 거리의 단축이 가능한 제품

• 주로 컴퓨터, 캠코더, 휴대폰 등의 高정밀기기에 사용

다층 PCB

플렉시블 PCB

• 자동화기기, 캠코더 등 회로판이 움직여야 하는 경우 부품의 삽입, 구성에서 회로기판의 굴곡을 필요로 하는 경우 유연성 있게 만든 것

• 경성(Rigid), 연성(Flexible), 경-연성(rigid-flexible)

플렉시블 PCB

 

PCB 층

•  양면 PCB가 기본, TOP면과 BOTTOM면으로 구성

- TOP면 : 보드의 윗면, 주로 부품 삽입

- BOTTOM면 : 보드의 아랫면, 주로 납땜

• 다층면 PCB은 양면 PCB에 내층을 가지는 것으로 현재 전자제품을 만드는데 적합

• PCB는 짝수 층으로 이루어짐→ 짝수 PCB설계

• 비아 : 각각의 층에 있는 패턴만 연결(부품 없이)

• 스루 비아 : 양면 PCB에서 TOP면과 BOTTOM면을 연결

 

PCB 제조 공정

PCB 제조 공정

 

 

반응형

PCB 제조 공정

• CAD, CAM작업 : 회로설계, PCB설계, PCB 제조

• 필름 출력 : PCB용 작업 필름 출력 • 내층배선 형성 : 겹쳐질 층 내부에 회로 배선을 형성

• 적층 : 배선이 형성된 층을 적층하는 단계

• 드릴(구멍가공) : 층간 회로 구성을 위한 구멍을 가공하거나 PCB를 다듬는 공정

• 도금 : 외층 회로를 형성하여 전기를 통하게 하기 위한 도금단계

•  외층회로 형성 : 도금된 PCB 외층, 즉 표면에 회로를 형성하기 위한 외층 회로 형성단계

• 솔더 마스크 인쇄 : PCB의 회로를 보호하고 원하지 않는 접촉을 피하기 위한 솔더 마스크를 인쇄하는 공정

• 내층배선 형성 : 겹쳐질 층 내부에 회로 배선을 형성

• 마킹인쇄 : PCB의 로고나 마크 등을 인쇄하는 마킹 인쇄 공정

•  표면 처리 : PCB의 노출된 동박의 표면을 산화나 오염에서 보호하기 위한 표면 처리 공정

• 외형 가공 : 각각의 PCB를 낱개로 분리하기 위한 공정

• 검사 : PCB의 이상유무를 검사하는 단계

 

 

 

 PCB 설계 프로세스: 단계별

1단계: 요구 사항 정의
디자인을 시작하기 전에 프로젝트 요구 사항을 명확히 하세요. 다음과 같은 요소를 고려하십시오.

기능: PCB는 어떤 역할을 합니까?
크기: 크기가 어떻게 되나요?
구성요소 선택: 어떤 구성요소를 사용할 예정인가요?
전력 요구 사항: 전압 및 전류 사양은 어떻게 됩니까?

2단계: 회로도 캡처
설계 프로세스의 첫 번째 단계는 구성 요소 간의 전기 연결을 나타내는 회로도를 만드는 것입니다. 효과적인 회로도 캡처를 위한 몇 가지 팁은 다음과 같습니다.

소프트웨어 도구 사용: KiCad, Eagle 또는 Altium Designer와 같은 PCB 설계 소프트웨어를 활용하여 회로도를 생성합니다.
구성요소에 명확하게 라벨을 붙이세요: 쉽게 참조할 수 있도록 명확한 이름과 지정자를 사용하세요.
연결 확인: 모든 연결이 올바르게 표시되고 구성 요소가 논리적으로 연결되어 있는지 확인하세요.

3단계: PCB 레이아웃 설계
회로도가 완성되면 다음 단계는 이를 PCB 레이아웃으로 변환하는 것입니다. 여기에는 보드에 구성 요소를 배열하고 연결을 라우팅하는 작업이 포함됩니다. 다음을 고려하십시오.

구성요소 배치: 구성요소를 논리적으로 배치하여 연결 길이를 최소화합니다. 관련 구성 요소를 함께 그룹화합니다(예: 전원 핀 근처에 커패시터 배치).
라우팅 추적: 추적을 최대한 짧고 직접적으로 유지합니다. 저항을 줄이려면 전원 연결에 더 넓은 트레이스를 사용하십시오.
레이어 관리: 다층 PCB의 경우 전원과 접지에 별도의 레이어를 사용하여 신호 무결성을 관리합니다

4단계: 설계 규칙 확인(DRC)
대부분의 PCB 설계 소프트웨어에는 설계 규칙 확인 기능이 포함되어 있습니다. 이 도구는 다음과 같은 설계의 잠재적인 문제를 식별합니다.

트레이스 폭 위반: 트레이스가 전류를 처리할 수 있을 만큼 충분히 넓은지 확인합니다.
간격 위반: 구성 요소가 너무 가까이 있지 않은지 확인하십시오. 이로 인해 단락이 발생할 수 있습니다.
레이어 충돌: 구성요소와 트레이스가 잘못 겹치지 않는지 확인하세요.

5단계: 프로토타입 및 테스트
설계가 완료되면 테스트용 프로토타입 PCB를 만듭니다. 이 단계는 설계를 검증하는 데 중요합니다. 다음 전략을 사용하십시오.

회로 시뮬레이션: 제조 전에 시뮬레이션 도구를 사용하여 회로의 기능을 테스트합니다.
프로토타입 제작: 실제 성능을 테스트하기 위해 소량의 PCB를 주문하세요.
반복: 테스트에서 얻은 피드백을 사용하여 디자인을 개선합니다.

 

일반적인 PCB 설계 예

예 1: 간단한 LED 회로
초보자에게 친숙한 프로젝트는 간단한 LED 회로를 설계하는 것입니다. 기본 개요는 다음과 같습니다.

필요한 구성 요소: 저항기, LED 및 전원 공급 장치.
설계 단계:
LED가 저항에 직렬로 연결된 회로도를 만듭니다.
LED와 저항이 밀접하게 배치되도록 PCB를 레이아웃하십시오.
전원 및 접지 연결을 효율적으로 라우팅하십시오.

예 2: Arduino Shield
Arduino 쉴드를 디자인하는 것은 초보자를 위한 또 다른 훌륭한 프로젝트입니다. Arduino 실드는 Arduino 플랫폼에 기능을 추가하며 일반적으로 다양한 센서와 구성 요소를 포함합니다.

필요한 구성 요소: Arduino 커넥터, 센서 및 전원 공급 장치 구성 요소입니다.
설계 단계:
Arduino 핀 연결 및 센서를 포함한 회로도를 만듭니다.
커넥터가 Arduino와 정렬되도록 PCB를 레이아웃합니다.
전력 분배를 관리하면서 트레이스를 주의 깊게 라우팅하십시오.

 PCB 설계의 주요 고려 사항

열 관리: 고전력 구성 요소에 대해 적절한 열 방출이 이루어지도록 보장합니다. 열 비아 또는 구리판 사용을 고려하십시오.
신호 무결성: 특히 고속 회로에서 잡음과 간섭을 최소화하려면 트레이스 길이와 라우팅에 주의하세요.
접지판: 견고한 접지판을 사용하여 전자기 간섭을 줄이고 신호 무결성을 향상시킵니다.
테스트 포인트: 문제 해결 및 측정을 용이하게 하기 위해 중요한 신호에 대한 테스트 패드를 포함합니다.

주의할 점

과밀화: 너무 많은 구성 요소를 너무 가깝게 배치하지 마십시오. 그러면 라우팅이 복잡해지고 오류 위험이 높아질 수 있습니다.
불량한 트레이싱: 트레이스가 너무 얇거나 길지 않은지 확인하세요. 이렇게 하면 전압 강하 및 신호 저하가 발생할 수 있습니다.
사양 무시: 적절한 핀 구성 및 전기 사양은 항상 구성 요소 데이터시트를 참조하십시오.

 

결론

PCB 설계는 전자공학에 관심이 있는 모든 사람에게 필수적인 기술이며 탄탄한 기초부터 시작하면 성공할 수 있습니다. 설계 프로세스를 이해하고, 간단한 예제를 통해 연습하고, 주요 고려 사항을 염두에 두면 다양한 애플리케이션에 효과적인 PCB를 개발할 수 있습니다. 

 

 

FAQ
PCB 설계에 가장 적합한 소프트웨어는 무엇입니까?
인기 있는 옵션으로는 KiCad, Eagle 및 Altium Designer가 있으며, 각각은 다양한 수준의 전문 지식에 맞는 고유한 기능과 기능을 제공합니다.

PCB 설계가 올바른지 어떻게 알 수 있나요?
시뮬레이션 도구를 활용하고, DRC(설계 규칙 검사)를 수행하고, 프로토타입을 제작하여 설계를 검증하세요.

PCB에는 어떤 재료가 사용됩니까?
가장 일반적인 재료로는 FR-4(유리 강화 에폭시), 유연한 기판 및 고온 응용 분야용 폴리이미드 재료가 있습니다.

사전 경험 없이도 PCB를 설계할 수 있나요?
예! 튜토리얼 및 포럼을 포함한 다양한 리소스를 통해 초보자는 PCB 설계의 기본 사항을 배우고 간단한 회로 작성을 시작할 수 있습니다.

PCB 설계에서 흔히 저지르는 실수는 무엇입니까?
일반적인 실수로는 구성 요소 과밀화, 잘못된 트레이스 폭, 열 관리 무시 등이 있습니다. 마무리하기 전에 항상 디자인을 철저하게 검토하십시오.

 

 

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