완전한 PCB 레이아웃을 설계하는 방법은? PCB 레이아웃 엔지니어가 꼭 알아야 할 것

각각의 새로운 혁신적인 전자 기기는 납땜 인두에서 튀는 불꽃으로 시작되는 것이 아니라, 평범하고 단순한 개념으로 태어납니다. 냅킨에 그린 그림처럼 기본적인 아이디어이거나 소프트웨어로 시뮬레이션된 설계일 수 있습니다. 이 아이디어를 실제로 작동하는 물리적 장치로 만드는 과정은 매우 복잡하며, 이 둘 사이를 연결하는 중요한 다리가 인쇄 회로 기판(PCB)입니다. 이 기판 위에 부품과 배선을 배치하는 설계를 PCB 레이아웃이라고 하며, 모든 전자 공학자에게 필수적인 기술입니다.

이 글은 회로도에서 제조 단계까지 전체 과정을 안내하여, 여러분의 전자 아이디어를 현실로 만들 수 있는 능력을 제공합니다.

설계 전 PCB 레이아웃 엔지니어가 알아야 할 사항

단 한 개의 배선도 연결하기 전에, 사전 작업이 많이 필요합니다. 좋은 PCB 레이아웃은 논리 회로를 확립하고 물리적 제약을 정의하는 계획 단계에서 시작됩니다. 이 단계를 서두르는 것은 보드 재작업, 비용 증가, 일정 지연의 가장 흔한 원인입니다.

논리에서 예술로: 회로도 작성 및 PCB 레이아웃

첫 번째 단계는 회로도 작성입니다. 이 단계에서는 EDA 소프트웨어로 회로의 논리적 표현을 만듭니다. 이는 모든 부품과, 더 중요하게는 네트를 사용하여 전기적으로 어떻게 연결되는지를 보여주는 회로도입니다. 회로도는 프로젝트의 절대적 진실이며, PCB 레이아웃 소프트웨어가 따라야 할 모든 연결을 디지털로 정의하는 중요한 파일인 넷리스트를 생성합니다.

회로도가 단순한 대략적인 그림에 불과하다는 것은 흔한 오해입니다. 사실은, 깔끔하고 정리되며 검증된 회로도가 레이아웃을 완성하는 가장 중요한 요소입니다. 회로도 작성 및 PCB 레이아웃의 품질은 직접 비례합니다. EDA 소프트웨어는 레이아웃 단계에서 전기적 연결성을 강제하기 위해 항상 넷리스트를 참조합니다. 회로도에 오류가 있다면, 그 오류는 물리적 보드에서 어떤 형태로든 나타납니다.

레이아웃 준비가 된 PCB 회로도 만들기

설계상, 단순한 레이아웃을 위한 회로도는 단순한 연결을 넘어서야 합니다. 회로도는 소통 도구로 간주되어야 합니다. 관련 부품을 논리적으로 한 회로도 페이지에 그룹화하십시오(예: 전원 공급 부분, 마이크로컨트롤러 부분, 센서 입력). 명확성을 위해 소프트웨어의 기본 넷 이름 대신 설명적인 넷 라벨을 사용하십시오(예: 5V_IN은 Net-C1-Pin1보다 훨씬 낫습니다). 복잡한 설계의 경우, 계층적 시트를 사용하여 설계를 관리 가능하고 재사용 가능한 블록으로 분할하십시오. 이러한 구성은 레이아웃 단계로 직접 전달되어 부품 배치를 더 논리적으로 만듭니다.

견고한 PCB 설계 규칙 확립

회로도를 최종화한 후, 보드의 물리적 규칙과 제약 조건을 설정해야 합니다. PCB 설계 규칙은 EDA 도구에 입력되며, 본질적으로 보드를 생산 불가능하거나 최종 사용자가 사용할 수 없게 만드는 실수를 피하도록 도와주는 자동화된 도우미입니다. 규칙은 전기의 물리학과 제조업체의 능력의 함수입니다.

몇 가지 핵심 규칙은 다음과 같습니다:

● 배선 폭 및 간격: 구리 배선의 폭은 얼마나 많은 전류를 전달할 수 있는지를 결정합니다. 더 넓은 배선은 더 많은 전류를 전달할 수 있으며, 배선 간의 간격은 전기적 아크(크로스토크)에 중요합니다. 여러 온라인 계산기가 IPC-2221 표준을 기반으로 이러한 값을 결정하는 데 도움이 됩니다.

● 간격: 이는 두 서로 다른 요소 사이의 최소 거리입니다: 배선-패드, 패드-패드, 및 배선-보드-가장자리.

● 비아 크기: 비아는 보드의 다른 층을 연결하는 도금된 구멍입니다. 드릴 크기와 환형 링(구멍을 둘러싼 구리 패드)에 대한 규칙을 개발할 수 있습니다. 환형 링은 드릴링 후 안정적인 연결을 보장하기 위해 충분히 커야 합니다.

● 층 구성: 2층 이상의 보드의 경우, 신호, 전원, 접지면의 순서를 정의해야 합니다. 일반적인 4층 구성 (신호-접지-전원-신호)는 전자기 간섭(EMI)를 최소화하는 데 탁월합니다.

이러한 규칙을 제조업체의 특정 능력에 맞게 정의하는 것이 가장 중요합니다. JLCPCB의 제조 능력을 온라인에서 확인할 수 있지만, 복잡한 설계의 경우 완벽한 정렬을 보장하는 것이 어려울 수 있습니다. 번거로움 없는 경험을 위해, 전문 인쇄 회로 기판 레이아웃 서비스를 활용하는 것을 고려하십시오. 엔지니어가 이 최적화를 대신 처리합니다. JLCPCB 레이아웃 서비스를 클릭해 사용해 보세요!

EDA 선택: 최고의 무료 PCB 설계 소프트웨어

EDA 소프트웨어는 여러분의 주요 작업 도구입니다. 많은 선택지가 있지만, 일반적으로 두 가지 유형의 프로그램으로 나뉩니다. 취미나 학생에게 완벽하게 적합한 무료 또는 상대적으로 저렴한 도구와, 상업용 공학에 사용되는 전문가 수준의 도구 제품군이 있습니다.

EasyEDA: 쉬운 파워하우스

PCB 레이아웃을 위한 최고의 무료 소프트웨어를 찾고 있다면, EasyEDA 는 첫 번째 선택지 중 하나일 것입니다. EasyEDA는 완전한 기능을 갖춘 클라우드 기반 도구로, 설치가 필요 없습니다. 가장 좋은 기능은 매우 쉬운 생태계입니다. EasyEDA는 거대한 부품 라이브러리인 LCSC Components에 직접 연결되어 있습니다. 이는 레이아웃 작업을 시작하기 전에 수백만 개의 부품에 대한 준비된 회로도 기호와 PCB 풋프린트가 있다는 것을 의미합니다. 레이아웃을 완료하면 JLCPCB에서 한 번의 클릭으로 즉각적인 견적을 받고 보드를 주문할 수 있습니다. 이렇게 하면 부품과 제조를 연결할 수 있습니다. JLCPCB는 재고 부품을 많이 제공하여 PCBA 서비스를 위한 것입니다.

소프트웨어 비교: 정보에 입각한 선택

궁극적으로, 최고의 도구는 프로젝트의 복잡성, 예산, 워크플로우 선호도에 따라 달라집니다. EasyEDA Standard와 EasyEDA Pro 모두 놀라운 유연성을 제공합니다. 클라우드 기반 웹 앱과 다운로드 가능한 선택적 데스크톱 클라이언트를 제공합니다. 주요 차이점은 기능 세트와 성능 한계입니다. 표준 버전은 많은 프로젝트에 강력하지만, EasyEDA Pro는 현대 전자제품에 중요한 전문가 기능 세트를 제공합니다. 또한 다음과 같은 전문가 기능을 제공합니다:

● 고급 라우팅 엔진: EasyEDA Pro는 차동 쌍 라우팅과 길이 조정 도구를 제공하여 USB, HDMI 또는 Ethernet과 같은 고속 인터페이스에서 신호 무결성을 유지하는 데 중요합니다.

● 향상된 프로젝트 관리: EasyEDA Pro는 더 나은 버전 관리 및 협업 도구를 제공하여 프로젝트를 공유하는 소규모 팀에 더 적합합니다.

● 궁극의 생태계: 여전히 LCSC 부품 라이브러리와 JLCPCB 제조 서비스와의 네이티브이고 중단 없는 링크가 근본적인 이점입니다. "아이디어에서 프로토타입까지" 프로세스는 놀랍습니다. 다른 EDA 도구(예: Altium)에서는 부품 풋프린트를 소싱하고 검증하는 것이 주요 병목 현상입니다. EasyEDA Pro를 사용하면 검증된 거대한 라이브러리를 활용하여 설계 시간과 비용이 많이 드는 풋프린트 오류 위험을 줄일 수 있습니다.

EasyEDA Pro는 그러나 엔터프라이즈 수준의 다른 PCB 도구와 경쟁하는 것을 목표로 하지 않습니다. Altium Designer는 대규모 엔터프라이즈 설계를 위한 업계 표준입니다. 전체 다보드 시스템 설계에 필요한 컴플라이언스, 시뮬레이션, 설계를 허용합니다. Altium은 EasyEDA Pro와 구분되는 다음 영역에서 빛납니다:

● 강력한 시뮬레이션/분석: Altium은 신호 무결성(SI), 전원 무결성(PI), 열 분석을 위한 완전 통합 제품군을 제공합니다. 엔지니어는 보드가 제조되기 전에 고속 신호의 성능과 열이 어떻게 분산될지를 시뮬레이션하고 예측할 수 있으며, 이는 고성능 컴퓨팅 및 RF 애플리케이션에 중요합니다!

● 회로 기판/기계 시스템 설계: Altium은 단순히 회로 기판이 아닌 전체 전자 제품을 설계하도록 강력하게 개발되었습니다. 하나의 프로젝트 내에서 전체 제품을 설계하고 여러 기판 간의 연결을 관리하는 도구를 포함하여 최종 조립에서 모든 것이 적절히 맞고 연결될 것을 검증합니다.

● 통합 MCAD 솔루션: Fusion360과 같은 기계 CAD 소프트웨어와 라이브 양방향 공동 설계를 제공합니다. 전기 엔지니어가 부품을 이동하면 기계 엔지니어가 3D 모델에서 해당 부품이 이동하는 것을 보고 그 반대도 마찬가지입니다. 이는 복잡한 맞춤형 형태의 외부에 맞게 제작된 제품에 필수적입니다.

● 전체 기능 설계 규칙: Altium은 쿼리를 구현하기 훨씬 쉬운 규칙 엔진을 제공하여 복잡한 규칙 세트 설계 규칙을 생성할 수 있습니다.

실습 시작: 간단한 PCB 레이아웃 그리기 연습

이론은 중요하지만, 실습만큼 좋은 것은 없습니다. 간단한 555 타이머 LED 플래셔 회로의 설계를 살펴보겠습니다.

1. 회로도 입력:

○ 회로도 생성: 먼저 회로 논리를 배치해 보겠습니다. EasyEDA Pro에서 555 안정 다중바이브레이터를 위한 새 회로도를 만듭니다.

○ 부품 찾기:

■ 메인 IC: 라이브러리 검색 도구(배치 > 장치 또는 단축키 Shift+F)를 사용합니다. 검색 창에 NE555를 입력합니다. 통합된 LCSC 부품 라이브러리에서 옵션 목록이 표시됩니다. 검증된 기호와 풋프린트가 있는 것을 선택합니다.

■ 수동 부품: 저항, 커패시터, LED와 같은 일반 부품의 경우 두 가지 훌륭한 옵션이 있습니다:

● 속도를 위해: 내장된 '일반적으로 사용됨' 라이브러리에서 가져옵니다.

● 특정 사항을 위해: 다시 LCSC 라이브러리에서 검색하여 주문할 정확한 부품 번호를 선택합니다.

○ 전원 커넥터 추가: 이는 중요한 단계입니다! VCC 및 GND 기호는 단지 논리적 넷입니다. 실제 배터리를 연결하려면 물리적 부품이 필요합니다.

● 라이브러리 검색(Shift+F)으로 돌아가서 간단한 커넥터를 찾습니다. 2핀 헤더는 배터리 전선을 납땜하기에 좋은 선택입니다.

● 이 2핀 커넥터를 회로도에 배치합니다. 한 핀을 VCC 넷에, 다른 한 핀을 GND 넷에 연결합니다. 이제 논리적 전원 레일에 보드로 들어가는 물리적 진입점이 있습니다!

○ 모든 것 연결: 회로도에 부품을 배치하고 표준 555 타이머 플래셔 회로도에 따라 함께 배선합니다. 전원 연결을 완료하기 위해 VCC 및 GND 기호를 추가하는 것을 잊지 마십시오!

2. PCB로 변환:

회로도가 완료되고 검증되면, "회로도를 PCB로 업데이트/변환" 기능을 사용합니다. EasyEDA Pro는 자동으로 새 PCB 파일을 생성하여 모든 부품 풋프린트(새 전원 커넥터 포함)를 PCB 편집기 작업 공간에 얇은 "랫라인"으로 연결을 표시하며 배치합니다.

3. 부품 배치:

● 보드 외곽 그리기: PCB 편집기에서 가장 먼저 해야 할 일은 보드의 물리적 모양을 정의하는 것입니다. 층 패널에서 "보드 외곽" 레이어를 선택합니다. 직사각형, 선, 호 등과 같은 도구를 사용하여 보드를 위한 닫힌 모양을 만듭니다. 이 간단한 프로젝트의 경우, 작은 직사각형이 완벽합니다.

● 부품 배치: 이제 부품을 드래그하여 방금 만든 보드 외곽 위에 배치합니다. 좋은 전략은 먼저 커넥터(예: 가장자리 근처의 2핀 전원 헤더)를 배치한 다음, 더 큰 IC를 배치하고, 지원 부품(예: 저항 및 커패시터)을 관련 IC 근처에 그룹화하는 것입니다. 랫라인의 교차를 최소화하도록 부품을 회전합니다.

4. 라우팅:

● 배선 폭이 중요합니다: 전원 및 접지에는 더 넓은 배선(예: 20-30 mil)을 사용하여 더 많은 전류를 처리하고 노이즈를 줄입니다. 일반 신호에는 더 좁은 배선(예: 8-10 mil)을 사용합니다.

● 날카로운 각도 피하기: 배선에서 날카로운 90도 회전을 절대 사용하지 마십시오. 항상 두 개의 45도 회전을 사용합니다. 이는 잠재적인 제조 문제를 방지하고 고속 설계에서 신호 무결성에 중요합니다.

● 배선을 짧게 유지: 노이즈 픽업과 신호 열화를 최소화하기 위해 연결을 가능한 한 직접적으로 라우팅합니다.

● 양층 모두 사용: 상단층(빨간색)과 하단층(파란색)을 활용합니다. 일반적인 전략은 한 층에서는 수평으로, 다른 층에서는 수직으로 배선을 실행하는 것입니다. 배선이 다른 배선을 교차해야 할 때는 비아를 사용하여 층 간에 전환합니다.

5. 구리 채우기 및 실크스크린:

구리 채우기 생성 방법

견고한 설계를 위해, 양측 상단 및 하단층의 미사용 영역을 GND 넷에 연결된 구리 채우기로 채우는 것이 훌륭한 관행입니다. 이는 큰 접지면을 생성하여 우수한 전기적 차폐를 제공하고, 열 분산을 돕고, 신호를 위한 저임피던스 복귀 경로를 생성합니다.

I. 층 선택: 하단층부터 시작합니다.

II. 도구 선택: PCB 도구 도구 모음에서 "구리 채우기" 도구를 선택합니다.

III. 영역 그리기: 보드 외곽의 각 모서리를 클릭하여 전체 보드를 덮는 직사각형을 그립니다. 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 그리기를 완료합니다.

IV. 넷 할당: 오른쪽 속성 패널에서 "넷" 드롭다운을 찾아 채우기를 GND 넷에 할당합니다.

V. 상단층 반복: 상단층으로 전환하여 다른 접지면을 생성하기 위해 프로세스를 반복합니다.

VI. 채우기 재구성: 이는 중요한 마지막 단계입니다! 라우팅을 완료하거나 부품을 이동한 후, 채우기는 자동으로 업데이트되지 않습니다. 채우기를 선택하고 " 재구성 또는 Ctrl + B 누르기"를 선택하여 수동으로 재구성해야 합니다. DRC를 실행하기 전에 항상 이 작업을 수행하십시오.

효과적인 실크스크린 설계

실크스크린은 보드에 인쇄되는 텍스트 및 기호이며, 좋은 실크스크린은 조립 및 디버깅을 훨씬 쉽게 만듭니다.

● 부품 지정자: 모든 부품의 지정자(R1, C1, U1)가 명확하게 보이고, 식별하는 부품 근처에 있도록 합니다. 패드나 비아와 겹치지 않도록 하십시오.

● 극성 표시: 다이오드, LED, 전해 커패시터와 같은 부품의 경우, 실크스크린에 명확한 극성 표시(예: + 기호나 다이오드 기호)를 추가합니다.

● 핀 1 표시기: 집적 회로(IC)의 경우, 실크스크린에 핀 1 옆에 명확한 점이나 숫자 '1'이 있는지 확인합니다.

6. DRC 및 거버. 마지막으로, 설계 규칙 검사(DRC)를 실행합니다. 이는 이전에 설정한 규칙의 위반 사항을 자동으로 표시합니다. 발견된 오류를 수정합니다. 오류가 없으면, EasyEDA Pro의 내장 3D 뷰어(단축키: 3)를 사용합니다. 이는 보드를 시각적으로 검사하는 매우 강력한 도구입니다. 부품 충돌을 확인하고, 실크스크린 배치를 검증하며, 최종 제품에 대한 현실적인 느낌을 얻습니다.
3D 미리보기에 만족하면, "거버 생성" 버튼을 클릭합니다. 이는 JLCPCB가 보드를 제작하는 데 필요한 제조 파일 세트를 생성하거나, "PCB 주문" 버튼을 통해 JLCPCB에서 직접 주문할 수 있습니다.

결론

이제 PCB 회로 기판을 만드는 전체 개요를 알게 되었습니다. 깔끔한 회로도와 성공적인 레이아웃 사이의 중요한 연결, 견고한 설계 규칙 설정의 중요성, 실제 부품 배치 및 배선 라우팅에 대해 논의했습니다. 자신만의 PCB를 설계하는 것은 흥미진진한 작업이지만, 정확성, 기술 지식, 주의가 필요합니다.

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PCB 레이아웃 설계에 대한 FAQ

질문 1: 크로스토크는 무엇이며, PCB 레이아웃에서 어떻게 최소화할 수 있습니까?

답변: 크로스토크는 "침입자" 배선에서 인접한 "피해자" 배선으로 발생하는 원치 않는 신호 결합입니다. 이는 디지털 설계에서 노이즈의 가장 중요한 기여자 중 하나입니다. 크로스토크를 줄이기 위해, 다음과 같은 방법으로 완화할 수 있습니다:

1. 간격 증가: 배선이 멀리 떨어져 있을수록 결합 효과가 약해집니다. 중요한 배선 사이의 간격에 대한 일반적인 경험 법칙은 배선 폭의 3배입니다.

2. 접지면 사용: 신호 층 사이에 위치한 단단한 접지면은 우수한 차폐를 제공합니다.

3. 직교 라우팅: 인접한 층에 배선을 라우팅할 때, 배선을 서로 수직으로 라우팅합니다(상단에서는 수평으로, 아래 층에서는 수직으로)하고, 가능하면 평행한 배선을 최소화합니다.

질문: PCB 설계에 적절한 층 수를 어떻게 결정합니까?

답변: 2층 보드는 간단한 회로에는 적절합니다. 설계가 매우 밀집되어 2층으로 모든 것을 라우팅할 수 없거나, USB, 이더넷, DDR 메모리 등과 같은 고속 신호를 위한 제어된 임피던스가 필요한 경우, 신호 무결성을 위해 전용 접지 및 전원면이 필요한 경우 더 많은 층(4, 6 등)이 필요합니다.

질문: 고속 신호를 위한 PCB 레이아웃에서 피해야 할 일반적인 실수는 무엇입니까?

답변: 날카로운 90도 벤드 사용(신호 반사를 생성할 수 있음), 민감한 신호를 노이즈가 많은 전원선 옆에 라우팅, 고속 배선 아래에 연속적인 단단한 접지면을 제공하지 않는 것과 같은 일반적인 실수를 발견하게 될 것입니다. 차동 쌍은 길이와 간격이 일치해야 하는 것도 잊지 마십시오.

질문: 제조 전에 PCB 설계를 검토받을 수 있습니까?

답변: 예, 설계 검토는 중요합니다. 친구나 동료에게 설계를 검토해 달라고 요청하거나, 온라인 커뮤니티에 실수가 있는지 물어볼 수 있지만, JLCPCB 레이아웃과 같은 설계 검토 서비스도 있습니다. JLCPCB 엔지니어는 보드 레이아웃을 처리할 뿐만 아니라, 더 중요하게는 제조 가능성을 위한 설계(DFM)를 본질적으로 검증하여 보드가 문제 없이 제작될 수 있도록 합니다. 이는 첫 번째 실행 후 보드를 다시 제조해야 하는 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

질문: 혼성 신호 PCB를 설계할 때 아날로그와 디지털 접지를 관리하는 올바른 방법은 무엇입니까?

답변: 센서나 ADC가 있는 임베디드 시스템은 이를 고려해야 합니다. 일반적인 접근 방식은 아날로그(AGND)와 디지털(DGND)을 위한 두 개의 별도 접지면(구리 채우기)을 갖는 것입니다. 다음으로, 모든 아날로그 신호를 아날로그면에 라우팅하고, 모든 디지털 신호를 디지털면에 라우팅합니다. 그런 다음, 두 면을 한 지점에서(일반적으로 마이크로컨트롤러의 접지 핀 또는 전원 공급 장치 진입 부근) 함께 연결합니다. 이 "별형 접지" 레이아웃은 노이즈가 많은 디지털 전류가 민감한 아날로그 접지면을 순환하고, 측정을 방해하는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

질문: 비아 스티칭이란 무엇이며, 언제 사용해야 합니까?

비아 스티칭는 병렬 구리면(즉, 상단 및 하단 접지면)을 상호 연결하는 일련의 비아를 배치하는 관행을 말합니다. 이는 주로 두 가지 이유로 수행됩니다. 첫째, 매우 낮은 임피던스를 가진 접지면을 제공하여 더 안정적인 접지 기준을 제공합니다. 둘째, 내부 신호 층 주위에 "케이지"를 제공하여 전자기 간섭(EMI)이 보드에서 방출되는 것을 포함하고 방지합니다. 이는 회로 기판의 가장자리 주위와 고주파 배선 근처에서 특히 중요합니다.