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3D PCB 레이아웃의 장점을 극대화하는 다섯가지 방법


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글/DANIT ATAR, MENTOR GRAPHICS CORP.


PCB 설계에는 수많은 전자기계 문제점들이 내포되어 있어 설계에 드는 부담이 크게 늘고 출시 기간이 연장될 위험이 있다. 이런 문제점 중에는 PCB 레이아웃 설계에 기계적 요구 사항을 포함하고 그러한 요구 사항을 MCAD에 전달하는 것이 있다. 예를 들어 PCB를 인클로저 시스템 내에 배치했을 때 물리적 위반 사항이 발생하지 않도록 보장하려면 전기 및 기계 설계 양쪽 모두에서 부품과 기계의 간격을 고려해야 한다.
레이아웃 과정 중에 기계적 요구사항을 염두에 두고 전기와 기계 플로우 사이에 효율적인 소통이 이루어지도록 하려면 설계를 제조에 대비해 올바로 배열해야 하고, 마지막에 변경 사항을 적용하여 시간과 비용을 낭비하는 일이 없도록 방지해야 한다.
그래서 3D 레이아웃 기술이 중요한 의의를 지니는 것이다. PCB 설계자는 3D 레이아웃을 사용해 설계의 기계적인 측면에 좀 더 깊이 관여하고 이에 대해 전반적으로 더 잘 파악할 수 있기 때문에 기계적인 요구 사항을 준수하면서 동시에 부품을 배치하고 라우팅하는 데 도움이 된다. 3D 설계 기술을 이용한다고 해서 MCAD 엔지니어와의 소통을 건너뛸 수 있는 것은 아니지만, 그 과정을 개선해주고 반복 작업을 줄임으로써 설계 주기의 일부분을 단축해주는 효과를 얻을 수 있다. 이 글에서는 PCB 설계 툴에서 3D 기술의 장점을 극대화하는 다섯 가지 방법에 대해 다룬다.

3D 레이아웃을 보기, 배치 등 다양한 용도로 활용

전체 3D 환경에서는 설계 내의 중요한 영역을 즉시 알아볼 수 있기 때문에 전자기계 문제점도 그 자리에서 바로 해결할 수 있다. 문제가 있는 부분을 설계 단계 중에 일찍 포착하면, 설계가 완료된 후 MCAD 그룹에서 뒤늦게 발견한 문제를 수습하기 위해 마지막에 임박해서 설계를 변경하여 큰 비용이 드는 사고를 방지할 수 있다. 최악의 경우는 제조에 돌입할 때까지 문제를 찾아내지 못하는 것이다.

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[그림 1] 사진과 같은 리얼함으로 X, Y 및 Z 축을 기준으로 PCB를 표시할 수 있다.

설계자는 내부 레이어를 조사하여 제 기능을 못하는 패드스택과 내부 평면 레이어가 무엇인지 알아보고자 할 때가 많다. 기판의 두께를 확장하고 X, Y 및 Z 방향으로 절단해 단면을 볼 수 있게 해주는 툴이라면 잠재적인 문제 영역을 즉시 표시할 수 있다.
3차원에서 설계를 보려면 그저 2D 정보를 해석하는 것만으로는 충분하지 않다. 그보다는 설계가 어떤 식으로 제조될지 눈으로 확인하는 진정한 사진과 같은 리얼한 관점에 더 가깝다. 트레이스, 부품, 실크스크린, 솔더마스크나 비아 등과 같은 기판 요소에 대한 투명성을 비롯한 여러 가지 제어 기능을 확보하는 것이 매우 유용하다. 제어 기능을 활용해 제조 시 설계 규칙 검사를 실시하지 않고도 2D 뷰에서는 파악하기 힘든 전자기계 상충 문제를 육안으로 찾아낼 수 있다.

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[그림 2] 트레이스(위 왼쪽), 실크스크린과 솔더마스크(위 오른쪽), 동박면 정보(아래 왼쪽) 및 내부 레이어(아래 오른쪽)의 시각화

레이아웃의 통합형 3D 뷰를 사용하면 PCB를 즉시 검증하여 설계 내에서 제약 사항이 과도한 부분과 부족한 부분을 파악할 수 있으므로 사용 가능한 공간을 확보하고 발생 가능한 전기 문제를 줄일 수 있다.
몇몇 설계 툴에서 제공되는 배치 전략을 사용하면 기판 면적을 줄이고 레이어 수를 적게 만드는 데 도움이 된다. 배치 전략을 조사하는 좋은 방법 중 하나가 바로 3D 배치 그룹을 이용하는 것이다. 이러한 그룹을 사용하면 모든 부품을 배치했을 때 필요한 최소한의 X, Y 및 Z 공간을 신속하게 파악할 수 있다.

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[그림 3] 3D 배치 그룹은 PCB 면적을 최소한으로 줄이기 위해 유용한 전략이다.

3D 부품을 빠르고 간편하게 추가

3D 스타터 라이브러리도 좋지만 3D 설계를 하려면 3D 부품도 필요한다. 2D 부품은 마법사를 사용하면 쉽게 만들 수 있지만, 3D 부품과 기계 부품을 만드는 것은 차원이 다른 이야기이다. 일반적으로는 기계 엔지니어가 Creo Parametric® 또는 SolidWorks®와 같은 시스템에서 3D 부품을 그린 다음 이를 부품 라이브러리에 추가하는 방식을 따른다. 이 작업을 하려면 CAD에 관한 지식이 필요하고 툴 라이선스도 필요한데, 사실 개인 PCB 설계자나 인원이 적은 팀의 경우 이런 것을 이용하기 어려울 때가 있다.
이럴 때 손쉬운 대안은 부품 공급업체 웹사이트에서 STEP 모델을 가져오는 것이다. STEP 파일을 다운로드하여 가져온 다음, 다운로드한 부품을 부품 라이브러리에 매핑해야 향후 설계에서 이용 가능하고 손쉽게 접근할 수 있다는 점만 명심하면 된다.

3D 제약 사항과 간격 설정

레이아웃을 기계적 요구 사항에 따라 올바로 설계하고 있는지 확신을 가지려면 레이아웃에 3D 제약 사항을 설정할 수 있어야 한다는 점이 매우 중요하다. 3D 제약 사항도 나머지 설계 제약 사항과 같은 제약 사항 환경을 통해 정의할 수 있다면 작업 효율성이 극대화되므로 가장 좋다. 제약 사항은 기판 에지, 패드형상 및 기계적 개체와 같은 표준 개체에 맞춰 설정할 수 있다. 또한 특정 부분을 재정의할 수도 있다.

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[그림 4] 제약 사항은 기판 에지, 데칼 및 기계적 개체와 같은 표준 개체에 맞춰 설정할 수 있다.

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[그림 5] 온라인 DRC가 그래픽 피드백을 제공하여 부품 배치 중에 발생한 제약 사항 위반이 있으면 모두 표시한다.

온라인 DRC가 사용자의 3D 제약 사항을 근거로 그래픽 피드백을 제공하여 부품 배치 중에 발생한 제약 사항 위반이 있으면 모두 표시한다. 이 기능과 전체 기판의 배치 DRC를 활용하면 확신을 가지고 설계를 하는 데 도움이 되고 항상 설계 제약 사항에 부합하도록 보장할 수 있다.

MCAD와의 소통

MCAD와의 소통과 협업 또한 3D 레이아웃 기능으로 큰 차이를 체감할 수 있는 또 한 가지 분야이다. MCAD와 협업할 때에는 크게 두 가지 어려운 점이 있다. 하나는 실제 소통 형식이고, 다른 하나는 PCB 설계가 가급적 이른 시점부터 기계적 요구 사항을 준수하도록 하여 설계 주기 후반부에 변경이 발생하지 않도록 방지하는 것이다. 이 두 가지 난제를 모두 해결하는 PCB 설계 툴이라면 MCAD와의 소통 효율을 크게 높이는 데 확실히 도움이 될 것이다.

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[그림 6] 통합형 ECAD/MCAD 협업 툴을 사용하면 사용자와 MCAD 엔지니어가 완전히 동기화할 수 있다.

우선 첫 번째 문제점을 자세히 살펴보자. 대다수의 업체에서는 여전히 전기와 기계 시스템 사이를 오가며 정보를 전송할 때 IDF(Intermediate Data Format)를 활용한다. 데이터베이스 전체의 정적 파일 전송 기능을 사용하면 변동 상황을 파악하기 어렵고 대체로 문서화 시간도 오래 걸리는 편이다. 설계 정보를 누락하거나 빠진 설계 정보가 있으면 전체적인 PCB 설계 시간이 길어진다.
통합형 ECAD/MCAD 협업 툴을 사용하면 사용자와 MCAD 엔지니어가 완전히 동기화할 수 있다. 소통에서 발생하는 문제를 손쉽게 파악하고 설계 도메인 전체의 중요한 설계 항목에 대한 효과적인 협업을 달성하면 설계 의도를 원래대로 지키는 데 도움이 된다. 여기서 어떤 결과를 얻을 수 있을까? 프로토타입을 줄이고 더욱 탄탄한 설계를 도출하여 출시 기간을 단축하고 원가를 절감할 수 있다.
두 번째 문제점의 경우, PCB 설계 중 통합형 3D 보기 및 편집 기능을 이용할 수 있게 하면 작업을 시작할 때부터 기계적 요구 사항을 고려할 수 있다. 이렇게 하면 PCB가 좀 더 잘 준비된 상태로 기계 엔지니어에게 전달되며, 따라서 설계를 변경할 일이 줄어듭니다. 무엇보다 기계 엔지니어와의 소통이 더욱 효과적으로 이루어지고 시간도 절약된다.

3D PDF를 사용하여 제조업체에서 설계 의도를 파악하기 쉽게 지원

완성된 레이아웃을 제조 설비로 보내기 전에 설계의 3D PDF 보고서를 내보내면 유리할 수 있다. 물론 툴에는 보통 STEP 파일로 내보내는 옵션도 있지만, STEP 파일을 열 수 없는 경우도 많으므로 접근성이 더 좋은 PDF 형식을 택하는 편이 낫다.

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[그림 7] 이러한 3D PDF 보고서는 보고 및 문서 기록 용도로도 유용하지만 그보다는 제조업체 측에서 설계자의 설계 의도를 올바로 이해하여 PCB를 제대로 제조하도록 돕는다는 것이 주된 장점이다.

이러한 3D PDF 보고서는 보고 및 문서 기록 용도로도 유용하지만 그보다는 제조업체 측에서 설계자의 설계 의도를 올바로 이해하여 PCB를 제대로 제조하도록 돕는다는 것이 주된 장점이다. 수많은 PCB 설계자가 제조업체에 2D 보고서를 전달하면 그것만으로 어떤 PCB를 도출해야 할지 업체 측에서 잘 이해하지 못하는 경우가 많다고 토로한다. 따라서 3D로 설계를 표현하면 남들이 설계를 알아보기 쉽게 시각화하고 미리 잠재적인 문제점을 감지하는 데 도움이 된다.

결론

3D 레이아웃 기능이 PCB 설계 툴에 잘 통합되어 있으면 무척 유용하게 사용할 수 있다. 3차원으로 정보를 얻을 수 있으면 처음부터 레이아웃을 설계하는 데 도움이 되고, 전기 면에서나 기계 면에서 더욱 우수한 품질의 PCB를 설계할 수 있다. 3D 설계를 사용하면 설계 의도를 좀 더 확실히 관리할 수 있고, 기계 엔지니어와 편리하게 소통할 수 있으며 궁극적으로는 더욱 우수한 품질의 PCB 설계를 도출할 수 있다.
PADS®에는 각각의 구성에 고품질 3D 기술이 포함되어 있다. PADS Standard를 시작으로 모든 PADS 솔루션에는 PCB를 사진과 가깝게 시각화하는 기능이 포함되어 있으므로 충돌 회피를 통해 원가와 시간을 많이 잡아먹는 오류를 제거하고 기계적 개체와 충돌하는 부분을 파악하는 데 크게 도움이 된다. PADS 3D 시각화에는 부품, 패드, 트레이스, 비아 및 평면 등이 포함된다. 이외에 실크스크린과 솔더마스크도 현실감 있게 재현되며 동적 개체 동기화 기능도 제공된다. 3D 보기에서는 거리를 측정하고 개체간 최소 거리도 알아볼 수 있다. 또한 언제든 어셈블리를 STEP, 3D PDF, JPG 등 다양한 파일 형식으로 내보낼 수 있으므로 간편하고 효과적인 협업과 문서화가 보장된다.
PADS Standard Plus에는 편집 기능을 추가하였다. 즉 부품을 3D로 손쉽게 배치하고 측정한 다음 PCB 설계 제약 사항에 따라 간격 검사를 실시할 수 있다. 배치 작업에는 온라인 DRC를 사용할 수 있으며 기판 전체에 대한 일괄 DRC도 수행할 수 있으므로 레이아웃 프로세스가 빠르고 효과적이다. 더 많은 기능을 원한다면 MCAD 협업을 추가하여 Siemens® NX, CATIA®, SolidWorks® 또는 Creo® Parametric 등을 사용하는 기계 엔지니어와 최적의 형태로 소통하고 협업하면 된다.
PADS Professional은 여기서 한 단계 더 나아가 사용자가 3D 배치 그룹을 만들어 배치 전략을 테스트하는 기능을 지원하므로 기판의 면적과 레이어 수를 줄이는 데 도움이 된다. PADS Professional은 3D 모델과 통합형 MCAD 협업도 제공하므로 업계에서 보편적으로 쓰이는 기계 설계 시스템으로 정보를 전달하기 쉽다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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