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프린트기판 패턴설계 기본 기술 프린트기판 패턴설계 기본 기술 관리자 기자입력 2006-11-17 09:12:51

ENG 강좌 - 한국과학기술정보연구원 양한승 전문연구위원
ys368600@reseat.re.kr
1. 서론

프린트기판을 사용하지 않고 전자기기를 설계할 수는 없다. 즉 과거의 진공관 시대처럼 부품 하나하나를 납땜질하던 시대는 지난 것이다. 이러한 전자기기 설계의 변화 속에서 프린트기판은 매우 중요하다. 프린트기판 설계는 설계 전문기술자가 주로 담당하고 있는데, 회로 설계자가 그 노하우를 쌓아가는 것은 매우 어렵다. 따라서 수많은 기술자가 프린트기판 패턴 설계 문제로 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다.
여기서는 회로 성능을 100% 높이는 프린트기판 패턴설계 및 패턴검사 방법에 대해서 알아본다.

2. 좋은 패턴의 기준

가. 회로도만으로는 전체 파악 불가

1) 회로도 그대로 패턴을 그리는 작업은 누구나 가능
최근의 패턴 설계는 CAD를 이용하여 이루어지고 있다. 따라서 회로도만 정확하다면 누가 설계를 하더라도 틀리지 않고 정확하게 패턴을 설계할 수 있다.

2) 회로도상의 접지 사이에는 예측 불가능한 전류가 흐름
설계도에 있는 대로 프린트기판 위에 부품을 실장해도 문제가 발생하는 이유는 접지때문이다. 실제로 프린트기판을 만들 때에는 약간의 임피던스를 가진 동선(銅線)과 약간의 유전율을 가진 기판 위에 부품을 실장한다. 이는 각 회로도의 접지가 여러 임피던스로 연결되어 있어 등전위가 이루지 않는다. 또한 회로도의 배치상태에 따라 접지에 흐르는 각각의 전류는 유도전류에 의해 상호간섭이 발생할 수도 있다. 이처럼 회로도상의 접지 사이에는 예측 불가능한 전류가 흐르고 있다.

3) 프린트기판도 회로의 일부
프린트기판의 배선은 전기적으로는 0Ω이지만, 실제로는 서로 상호간섭을 일으키는 등 예상도 하지 못한 현상과 더불어 각종 문제가 발생한다. 그러므로 설계자는 프린트기판도 회로의 일부라고 생각하는 것이 중요하다. 또한 회로도만으로는 모든 설계 정보가 다른 사람에게 완전히 전달되지 않기 때문에, 다른 사람에게 기판 설계를 맡기기도 어렵다.

4) 좋은 패턴과 나쁜 패턴
최근 기기의 소형화와 디지털화로 인해 하나의 회로도 속에 디지털 회로와 아날로그 회로가 혼재하고 있는 실정이다. 더욱이 최근에는 아날로그/디지털 회로가 혼재된 LSI도 있다. 일반적으로 이러한 경우, A-D 컨버터를 사용하는 경우가 많으며, 대부분의 A-D 컨버터에는 아날로그 접지와 디지털 접지가 각각 존재한다. 그러나 이처럼 접지가 각각 분리된 A-D 컨버터의 경우에는 SN 비가 매우 저하되어 기기의 성능을 제대로 발휘할 수 없다.
이는 아날로그 접지와 디지털 접지가 연결된 위치의 전위를 기준으로 각각의 접지 패턴 주변에 다양한 회로의 전류가 흐르고 있기 때문이다. 즉, A-D 컨버터 아날로그 접지 단자를 기준으로 디지털접지 단자를 보면, 동일한 접지로 볼 수 없을 정도의 잡음이 발생한다.
접지를 분리한다는 것은 어딘가에서 이러한 접지를 연결해야 한다는 것이다. 접지를 분리하여 설계하는 경우라면 이러한 연결위치는 매우 중요하다. 각각의 접지 회로는 전기적으로는 상호 독립된 상태지만, 일반적으로는 디지털 회로와 아날로그 회로의 신호는 상호 왕래가 있다. 따라서 이런 신호는 아날로그 접지와 디지털 접지를 통해 순환전류를 흐르게 하며, 이로 인해 주변 회로로부터 간섭을 받는다.

3. 좋은 패턴 설계 방법
가. 좋은 패턴 구분 방법

회로 설계자는 자기 나름대로의 좋은 패턴을 구분할 수 있는 기준을 갖고 있어야 한다. 10A가 흐르도록 설계한 전력기기와 -130dBm과 같은 미약한 신호를 취급하는 RF기기 설계자의 평가 기준은 각기 다를 수도 있다. 대다수의 엔지니어가 수많은 실패를 겪으면서 점차 좋은 회로와 패턴을 구분할 수 있게 된다.

나. 순환전류 고려

1) 중요한 회로의 접지에는 다른 회로의 순환전류 흐름 방지
접지에는 다양한 순환전류가 흐르며, 때로는 회로에 간섭을 일으키기도 한다. 따라서 특성을 살리고 싶은 중요한 회로의 접지에는 다른 회로의 순환전류가 흐르지 않도록 설계해야 한다.
신호 패턴을 우회시켜 영향을 받지 않도록 할 수는 없다. 순환전류는 최단거리를 통해 흐르며, 기준 접지 전위가 접지 전류를 요동시켜 신호에 부가되어 버리기 때문이다. 회로설계에 있어서 어떤 경로를 통하여 순환전류가 흐르고, 어떤 영향을 미치는가를 항상 파악해야 한다.

2) 중요한 회로에 순환전류가 흐르지 않도록 하는 방법
접지에 Slit 삽입은 순환전류가 흐르지 않도록 접지에 Slit을 삽입하여 경로를 임의로 바꿀 필요도 있다. 또는 전면 접지를 사용하여 가능한 만큼 접지 임피던스를 낮춤으로써 순환전류의 영향력을 줄이는 방법도 있다.
또한 평형 전송로를 사용했을 때 만일 어떻게 해도 순환전류의 영향을 피할 수 없는 경우에는, 신호의 전송로를 평형상태를 이루게 하여 접지로부터 독립시켜야 한다. 특히, 고속 디지털 신호가 흐르는 경로는 가능하면 평형 전송로를 사용하는 것이 좋다.
신호선에 Damping 저항 연결은 디지털 신호는 신호선에 용량 부하가 있으면 매우 큰 스파이크 전류가 흐른다. 이런 스파이크 전류는 순환전류가 되어 접지를 통해 흘러 들어온다. 따라서 접지 임피던스를 낮추지 않으면, 커다란 문제를 발생시킬 위험이 있다. 이런 경우에는 신호선에 직렬로 Damping 저항을 연결하여, 스파이크 전류를 적게 해야 한다.

다. 안테나 현상 발생 방지

1) 패턴에 의한 복사 잡음
최근 디지털 회로의 클락 주파수가 높아짐에 따라, 불요복사 문제가 중요시되고 있다. 이로 인해 미국에 제품을 수출하는 경우에는 FCC의 인증을 획득해야 하며, 유럽으로는 E 마크를 획득해야 한다. 패턴을 무심히 설계하면 불요복사에 관한 규격을 만족시키기 어렵다. 따라서 패턴을 설계할 때에는 생산성을 고려하여 복사가 발생하지 않는 좋은 패턴을 설계해야 한다.

2) 배선은 짧게, 접지 임피던스는 낮게
불평형 패턴에 고주파 전류가 흐르면 반드시 안테나가 된다. 또한 임피던스 부정합이 발생한 곳에서 복사가 발생한다. 따라서 가능하면 회로의 배선은 짧게 해야 한다. 접지에는 다양한 순환전류가 흐르고 있다. 따라서 접지 패턴으로부터 복사현상이 발생하지 않도록 가능하면 접지 임피던스를 낮게 해야 한다.

3) 기판의 접지는 다수의 섀시(Chassis, Case)에 접속
기판 접지가 섀시에 접속되어 있지 않다면 기판 전체가 안테나가 되어 심한 복사현상이 일어난다. 1개의 섀시에 접지하여도 상황은 그다지 개선되지 않는다. 고주파적으로는 접지점이 기준이 되는 안테나가 되기 쉽다. 따라서 가능하면 다수의 섀시에 기판의 접지를 접속해야 한다.

4) Slit은 Slot 안테나
순환전류를 제어하기 위해 접지층에 Slit을 삽입할 수도 있지만 실제로는 불가능하다. Slit은 Slot 안테나가 되며, Slot에 수직방향으로 흐르는 고주파 전류에 의해 전자파가 복사된다. 즉, Slit에 큰 고주파 변위전류가 흐르면 큰 복사현상이 일어난다.

라. 전압과 전류의 용량 고려

회로에 흐르는 전류와 전압에 따라 패턴의 설계 또한 달라진다. 특히 전원 1차 측은 출하되는 지역에 따라 UL과 전기 취급법 등과 같은 규정에 따라 패턴을 설계해야 한다. 예를 들면, 100~240V의 교류입력으로부터 5V/1A의 직류를 출력하는 Switching Regulator 기판의 1차 측과 2차 측의 패턴은 거리를 두고 분리되어 있다.
패턴 설계자에게 전류에 관한 정보를 제공되지 않는다면, 어떤 패턴을 설계해야 할지 알 수 없다. 3A라는 큰 전류가 흐르는 곳에 적은 전류를 흐르게 하는 패턴이 설계될 수도 있다.
전압이 높은 부분도 주의해야 한다. 특히 2개의 좁은 패턴 사이에 직류의 높은 전압차가 존재하면, Migration과 절연 파괴 현상이 발생한다.

마. 외란 잡음에 강한 패턴 설계
전자기기는 외란에 강한 제품일수록 좋으며, 다음과 같은 외란 잡음에 대한 대책을 수립하여야 한다.

- 정전기에 의한 방전 잡음
- 무선에 의한 방사 잡음
- 벼락(천둥)에 의한 서지(Surge) 잡음
- 전원 서지 잡음

중요한 것은 외란 잡음을 어느 정도 섀시로 내보내느냐이다. 어느 기기의 커넥터가 전원에 접속된 경우, 커넥터의 접지에 흐르는 서지 등의 잡음은 꽤 먼 경로를 통해 광체로 흘러간다. 이때 흐르는 강한 서지전류로 인해 전자파 복사현상이 발생하여, 회로에 유도현상을 일으키거나, 서지 전류가 흐르는 경로의 접지를 크게 요동시키거나 하여 회로의 오작동 또는 파괴까지 불러일으키게 된다.
따라서 가능하면 서지 전류가 흐르는 경로를 짧게 해야 하며, 회로 내부에서 서지 전류가 흐르는 경로를 제거하는 작업 또한 중요하다. 일반적으로 복사 잡음이 적은 기판은 외란에도 강한 기판이라고도 할 수 있다. 회로상에서 해결책을 찾는 것도 중요하지만, 점차 다양해지고 있는 외란에 대한 내성을 갖는 패턴을 설계하는 것이 중요하다.

바. 입체적인 고려

1) 인접한 패턴 사이의 간섭현상 고려
패턴을 설계할 때 인접해 있는 패턴 간의 상호간섭과 모든 돌발사태에 유의해야 한다. 예를 들어 음성신호가 통과하고 있는 패턴 바로 옆에 비디오 신호가 통과하도록 하면, 버즈(Buzz)라고 불리는 현상이 발생한다.

2) 다층기판 상하 패턴 사이의 잡음 고려
최근 출시되고 있는 기판은 대부분 다층기판이다. 다층기판의 1층에 아날로그 회로의 패턴이 2층에 디지털 회로의 패턴이 설계되어 있는 경우, 생각지도 못한 잡음이 발생하여 잡음을 제거할 방법도 찾지 못하게 되는 경우가 발생한다.

3) 높이 제한 고려
다양한 크기의 부품을 프린트 기판에 실장할 경우, 그 구조를 고려해야 한다. 기판의 위치마다 부품의 높이 제한이 있거나 열원(熱源)과 고압부 등 피할 수 없는 입체적 공간 문제도 존재한다. 패턴 설계는 2차원에 가깝지만 다층기판에서는 실제적으로 부품이 실장되어 3차원 상태이므로 이에 주의하여야 한다.

사. 기계적 특성 고려

부품은 설계평가 단계에서 실제적으로 엄격한 사용 조건에 맞춰서, 낙하시험과 진동시험 등을 거치고 있다. 특히 무거운 부품을 기판에 설치하는 경우는 좀 더 세심한 주의가 필요하다. 특히, 주의해야 할 것은 공진현상이다. 무거운 부품과 기판의 탄성으로 인해 부품을 균형 있게 설치하여도 진동에 의해 공진현상을 일으키면 엄청난 진동현상이 발생하며, 심할 경우 기판이 부러지는 경우도 있다. 따라서 무거운 부품을 기판에 설치하는 경우에는 모멘트(Moment)가 작은 위치에 부품을 설치해야 한다.

4. 패턴 설계 의뢰시 주의사항

가. 패턴 설계를 고려한 회로 설계

1) 기능 블록으로 정리
부품의 배치와 패턴의 설계방법은 회로를 작성한 후에도 매우 많은 수정작업을 거치면서 바뀌게 된다. 기능 블록을 회로도와 함께 정리해 두면 실제기판 작업시 배선작업을 쉽게 할 수 있다.

2) 순환전류를 고려하여 접지를 설계
부품의 배치와 패턴 설계 또한 여러 차례 수정을 거쳐 변하게 되므로, 회로설계자의 의도가 정확히 전달되기는 어렵다. 따라서 회로에 큰 영향을 미치는 순환전류를 고려하여 접지를 설계해야 한다.

3) 전원과 접지 고려
종종 디지털 IC의 Vcc와 접지 핀은 회로도에서 생략되는 경우도 있다. 그러나 회로도의 IC 심벌에는 이러한 핀을 생략해서는 안 된다.

나. 신호의 흐름과 패턴 설계 용이성 고려
부품배치도를 작성하는 경우, 신호의 흐름도 중요하지만 패턴의 배치가 용이한지도 생각해야 한다. 특히 최근 LSI는 핀 수가 매우 많고, 핀의 배치가 잘못될 경우 패턴을 교차시키기 위해 불필요한 핀과 핀 삽입 구멍(Through Hole)이 증가한다.

다. 다층기판의 층수 고려

최근 디지털 회로의 고속화와 함께 복사를 고려하여 정확히 신호를 전달하기 위해서, 다소 고가라도 전면 접지층이 있는 다층기판을 사용하는 경우가 많다. 다층기판을 선택한 경우에는 어느 층에 어떤 신호를 배치할 것인가를 정확히 나타내야 한다. 특히 전면 접지층은 다른 층의 차폐 역할도 하기 때문에 접지층 선정시 주의해야 한다.

라. 패키지 크기와 핀 고려

예전에는 DIP 패키지의 표준 TTL IC처럼 패키지가 대부분 통일되어, 특별한 주의사항 없이 프린트 패턴을 설계할 수 있었다. 그러나 지금은 같은 기능의 IC도 패키지 형태가 다르며, 핀 배치 또한 다르게 설계되어 있다. 따라서 프린트 기판 설계자에게 패키지에 관한 내용을 알려주지 않으면 기판은 완성되더라도 부품을 실장할 수 없는 패턴이 발생할 위험도 있다.

5. 결론

프린트기판은 설계 전문가가 주로 설계하고 있지만, 설계 전문가가 프린트기판 패턴 설계에 관한 노하우를 쌓아가는 것은 매우 어려운 실정이다. 따라서 이들 대다수가 프린트기판 패턴 설계 문제로 많은 어려움을 겪고 있다. 여기서는 회로 성능을 100% 높이는 프린트기판 패턴 설계 및 패턴 검사 방법에 대해서 알아보았다.
프린트기판 패턴 설계 및 패턴 검사시, 순환전류 고려, 안테나 현상발생 방지, 전압과 전류의 용량 고려, 외란 잡음에 강한 패턴 설계, 다층기판 상하 패턴 사이의 잡음을 방지하기 위한 입체적인 고려, 무거운 부품을 기판에 설치하는 경우에 기계적 특성 고려 등과 같은 사항들을 참고함으로써 좋은 패턴을 설계 및 구분할 수 있을 것이다.

* 출처 : 西村 芳一, “プリソト·パタ·ソを描く基本テクニシク”, 「トランツスタ技術(日本)」, 42(6), 2005, pp.120~130

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