PCB 오토라우터로 정말 양산 가능한 설계를 만들 수 있을까?

모든 PCB 오토라우터는 같은 약속을 내세웁니다. 버튼 하나만 누르면 래츠네스트가 구리 배선으로 바뀌는 모습을 볼 수 있다는 것입니다. 단순한 2층 브레이크아웃 기판에서는 대개 그 약속을 지킵니다. 하지만 파인 피치 BGA와 스위칭 레귤레이터가 있는 혼합 신호 기판에서는 직접 그렸다면 절대 그리지 않았을 결과가 나옵니다.

그림 1: 자동 배선된 고밀도 PCB 레이아웃

설계 규칙이 바로 그 지도이며, 규칙으로 정해 두지 않은 것은 알고리즘에 보이지 않습니다. 그래서 자동 배선된 기판은 모든 설계 규칙 검사(DRC) 를 통과하고도 링잉이 생기거나, 노이즈를 방사하거나, 부하가 걸리면 전압이 처질 수 있습니다. 이 가이드에서는 자동 배선이 실제로 잘하는 것, 그리고 어디서 왜 실패하는지를 다룹니다. 또한 오토라우터 소프트웨어를 공정하게 비교하는 방법도 보여 드립니다. 마지막으로 자동 배선된 기판을 안전하게 제조하기 전에 무엇이 이루어져야 하는지 설명합니다.

PCB 오토라우터란 무엇이며 어떻게 동작하는가?

자동 배선은 레이아웃 툴의 모습을 한 제약 조건 해결기입니다. 사용자의 규칙을 구리 배선으로 바꿔 주므로, 품질의 대부분은 버튼을 누르기 전에 이미 결정됩니다.

PCB 오토라우터란 무엇인가?

PCB 오토라우터는 배선되지 않은 연결을 실제 구리 배선으로 바꿔 주는 소프트웨어 엔진입니다. 넷리스트에서 래츠네스트를 읽고, 각 연결에 대해 규칙에 맞는 경로를 찾습니다. 규칙에 맞는다는 것은 트랙 폭, 클리어런스, 허용 레이어, 비아 스타일 등 사용자가 설정한 제약 조건을 지킨다는 뜻입니다. 탐색을 이끄는 것은 그것뿐이므로, 사실상 규칙 세트가 곧 설계입니다.

Altium의 Situs Topological Autorouter를 보면 이 탐색이 실제로 어떻게 동작하는지 알 수 있습니다. 장애물 사이의 공간을 삼각 분할하고, 고정된 그리드가 아니라 상대적인 위치를 바탕으로 사람이 그린 것 같은 경로를 계획합니다. 그런 다음 일련의 배선 알고리즘이 이 위상적 경로를 실제 구리 배선으로 변환합니다. 그리드가 없으므로 라우터가 임의의 피치에 억지로 맞출 필요가 없습니다.

설계 규칙에 따라 자동 PCB 배선이 동작하는 방식

설계 규칙이 입력의 전부이며, 라우터는 허용된 자유를 1mm도 남김없이 활용합니다. 0.10mm(4mil) 트랙과 0.10mm(4mil) 간격을 허용하면 라우터는 둘 다 사용합니다. 목적 함수가 보상하는 결과는 네트를 완성하는 것뿐이기 때문입니다. 알고리즘에는 규칙상 최소값보다 보수적인 트랙을 우선하는 요소가 전혀 없습니다.

그림 2: 설계 규칙, 네트 클래스, 배선 엔진의 관계

제조업체의 최소값은 목표가 아니라 공정 한계이며, 대부분의 규칙 세트가 이 구분을 잘못합니다. 한계값에 딱 맞춰 만든 기판은 여유를 두고 만든 기판보다 수율이 낮습니다. 좋은 설정은 배선을 시작하기 전에 네트를 클래스별로 나눕니다. 전원 네트에는 더 넓은 트랙을, 차동 페어에는 폭과 간격을 맞추는 규칙을 적용하고, 중요한 아날로그 네트는 아예 제외합니다. 클래스 목록을 만들면서 PCB 설계 규칙과 모범 사례 를 한 번 읽어 보십시오. 클래스가 빠져 있는 것이 자동 배선된 기판이 잘못되어 돌아오는 가장 흔한 원인입니다.

라우터를 실행하기 전에 다음 순서대로 진행하십시오.

1. 네트 클래스 정의: 전원, 그라운드, 고속 차동, 아날로그, 일반 I/O로 나눕니다.
2. 클래스별 폭과 클리어런스 규칙 설정: 제조업체 최소값보다 여유를 둡니다.
3. 비아 스타일 설정: 필요한 경우 네트당 최대 비아 수도 정합니다.
4. 클래스별 레이어 제한: 클록 네트가 인접한 기준 플레인이 없는 레이어로 넘어가지 않도록 합니다.
5. 중요한 네트는 직접 배선한 뒤 잠가서, 라우터가 이를 장애물로 취급하게 합니다.
6. 나머지 네트에 라우터를 실행하고, 라우터가 손댄 모든 네트를 검토합니다.
7. 라우터는 배선에 관한 결정을 내리지 않습니다. 사용자가 이미 규칙으로 적어 둔 결정을 실행할 뿐입니다.

설계 프로세스에서 PCB 자동 배선의 위치

배선은 회로도에서 시작하는 일련의 과정 중 네 번째 단계이며, 그 이전 단계들이 어떤 라우터도 넘을 수 없는 한계를 정합니다. 배치는 각 연결이 얼마나 멀리 이동해야 하는지를 결정하므로, 결과의 대부분을 좌우합니다.

부품 배치부터 PCB 배선까지

배선 품질은 배치 품질에 크게 좌우되며, 어떤 오토라우터도 잘못된 배치를 보완하지 못합니다. 연결된 두 부품이 기판의 반대편 모서리에 있다면, 어떤 라우터든 긴 트레이스를 만들 수밖에 없습니다. 그것이 라우터가 쓸 수 있는 유일한 경로이기 때문입니다. 부품을 가까이 옮기면 같은 툴이 짧은 트레이스를 만들어 냅니다.

디커플링 커패시터는 라우터가 대신 해결해 주지 않는 두 번째 배치 결정입니다. 100nF 커패시터는 담당하는 핀에서 몇 mm 이내에, 플레인까지 짧은 경로로 배치해야 합니다. 루프 인덕턴스가 전하가 공급되는 속도를 제한하기 때문입니다. 오토라우터가 이를 긴 트레이스로 연결하면 연결 요건은 충족하지만 디커플링 효과는 사라집니다.

PCB 배선 툴이 자동화할 수 있는 것

자동화는 반복적이고, 형상이 규칙적이며, 전적으로 규칙에 기반한 작업에서 제 몫을 합니다. 오토라우터 회의론자들이 인정하는 것보다 일반적인 기판의 더 많은 부분이 여기에 해당합니다. 하지만 연결보다 물리 법칙이 더 중요해지는 순간, 자동화는 더 이상 제 몫을 하지 못합니다.

그림 3: 같은 기판의 좋은 배치와 나쁜 배치(래츠네스트 표시)

• 팬아웃 및 이스케이프 라우팅: BGA와 파인 피치 QFN 패드는 각각 비아 하나와 짧은 스텁이 필요하므로, 같은 패턴이 수백 번 똑같이 반복되고 규칙으로 완벽하게 정의됩니다.
• 버스 및 병렬 그룹 배선: Altium의 ActiveRoute나 Siemens의 Xpedition Sketch Router 같은 가이드형 라우터는 사용자가 그린 경로를 따라가며, 버스 순서를 뒤섞지 않고 유지합니다.
• 길이 조정: 목표 길이에 맞춘 서펜타인 삽입은 산술 작업이므로, 툴이 손으로 할 때보다 훨씬 빠르고 정확하게 처리합니다.
• 구리 푸어 및 서멀 릴리프: 푸어 생성, 스포크형 서멀 릴리프, 비아 스티칭은 모두 규칙 기반이므로, 배선보다 훨씬 먼저 자동화되었습니다.
• 저속 I/O 및 상태 표시 네트: 버튼, 표시용 LED, 100kHz I2C 라인은 경로와 무관하게 연결만 되어 있으면 됩니다.
• 티어드롭 및 정리: 패드와 비아 접합부에 티어드롭을 추가하는 것은 기판 전체에 균일하게 적용하는 형상 작업입니다.

구리 푸어는 따로 다룰 가치가 있습니다. 라우터와 푸어는 서로 잘 맞지 않기 때문입니다. 늦게 배선을 마무리하는 라우터는 플레인 영역에 비아를 박아 플레인을 쪼개므로, 솔리드해 보였던 푸어가 좁은 목으로 이루어진 미로가 됩니다.

PCB 오토라우터가 잘하는 것과 부족한 것

제목의 질문에 대한 솔직한 답이 이 섹션에 있습니다. 오토라우터는 정해진 종류의 작업에는 정말 뛰어나지만 그 밖에서는 신뢰할 수 없습니다. 따라서 핵심 역량은 어떤 네트가 그 경계선의 어느 쪽에 속하는지 아는 것입니다.

반복적인 고밀도 배선 작업 처리

고밀도 작업에서 자동화는 확실히 제값을 합니다. 6층 기판 위의 484볼 BGA에는 수백 개의 이스케이프 비아가 필요하며, 각각 같은 상대 오프셋에 배치됩니다. 이를 손으로 하면 엔지니어링적 의미는 전혀 없는 지루한 작업에 하루가 걸립니다. 라우터는 같은 패턴을 몇 초 만에 만들어 내므로, 그 하루가 그냥 사라집니다.

그 다층 동시 배선 과정은 트레이스도 더 고르게 분산시켜, 길이 조정을 위한 공간을 더 많이 남겼습니다. 넓은 병렬 버스도 두 번째로 확실한 이점이 있는 작업입니다. 단, 완전 자동 라우터가 아니라 가이드형 라우터를 사용해야 합니다.

신호 무결성, 전원 분배, 복잡한 제약 조건

신호 무결성에서는 모델이 무너집니다. 중요한 요소들을 클리어런스 규칙으로 표현할 수 없기 때문입니다. 라우터는 두 트레이스가 충분히 떨어져 있는지는 확인합니다. 하지만 그중 하나의 아래로 흐르는 리턴 전류가 돌아갈 연속적인 경로가 있는지는 결코 확인하지 않습니다.

그림 4: 자동 배선된 신호 아래의 리턴 전류 경로

1. 리턴 경로는 놓치기 쉽습니다. 고속 신호는 보통 바로 아래의 기준 플레인을 통해 돌아옵니다. 트레이스가 레이어를 바꾸고 새 레이어가 다른 기준 플레인을 사용하면, 리턴 전류는 우회해야 합니다. 이렇게 커진 루프는 EMI를 증가시킬 수 있습니다.
2. 트레이스 폭은 강제하기 쉽지만, 플레인 연속성은 그렇지 않습니다. 오토라우터는 폭 규칙은 지킬 수 있지만, 임피던스 제어 트레이스를 기준 플레인의 분할부 위로 배선할 수도 있습니다. 따라서 중요한 고속 배선은 직접 처리하거나 검토 후 잠가 두는 것이 좋습니다.
3. 전원 루프에는 연결 이상의 것이 필요합니다. 벅 레귤레이터에서 스위칭 루프는 입력 커패시터, 하이사이드 FET, 인덕터, 리턴 경로를 지나갑니다. 방사 노이즈를 줄이려면 이 루프 면적을 작게 유지하는 것이 필수입니다.
4. 열적 한계도 간과하기 쉽습니다. 라우터는 전기적인 최소 폭은 알지만 온도 상승 목표값은 모를 수 있습니다. 1oz 구리 위의 3A 전원 트레이스는 실제 적층 구조와 조건에 따라 온도 상승을 약 10°C로 유지하려면 폭이 약 3mm(118mil) 필요할 수 있습니다.

자동 배선에도 엔지니어링 검토가 여전히 필요한 이유

설계 규칙 검사와 설계 검토는 완전히 다른 질문에 답합니다. DRC는 형상이 규칙에 맞는지 묻기 때문에, 규칙을 지키기만 하면 통과합니다. 설계 검토는 기판이 동작할지를 묻는데, 이는 어떤 규칙 검사기도 던질 수 없었던 질문입니다. 이 두 질문 사이의 간극이 바로 자동 배선된 기판이 실패하는 곳입니다. 자동 배선된 레이아웃이 DRC를 깨끗하게 통과했다는 것은 라우터가 사용자의 지시를 따랐다는 뜻일 뿐, 그 이상은 아닙니다.

규칙에서 리턴 경로 연속성, 루프 면적, 아날로그 분리가 빠져 있었다면, 세 가지 문제를 모두 안고 있는 기판도 검사를 통과합니다. 자동 라우터는 구불구불한 트레이스, 순서가 뒤섞인 버스, 그리고 혼잡 문제를 해결하려고 배치한 비아를 만들어 내는데, 더 나은 배치였다면 이런 것들은 없었을 것입니다. 일부는 무해하지만, 불필요한 비아 하나하나가 고장 날 수 있는 드릴 홀이자 도금 배럴입니다.

DRC 통과는 라우터가 규칙을 따랐다는 증거입니다. 그 규칙이 올바른 것이었는지는 사람의 검토만이 증명할 수 있습니다.

알맞은 PCB 오토라우터 소프트웨어 선택하기

오토라우터 소프트웨어의 차이는 알고리즘 자체보다는 사용자에게 얼마나 많은 제어권을 돌려주느냐에 있습니다.

설계 규칙 지원과 배선 유연성

가장 먼저 확인할 것은 규칙의 세밀함입니다. 라우터는 표현할 수 있는 것만 지킬 수 있기 때문입니다. 전역 클리어런스 값 하나만 있는 툴은 12V 레일을 로직 신호와 똑같이 배선하는데, 이는 양쪽 모두에 잘못된 것입니다. 실제 기판을 어떤 엔진에 맡기기 전에 다음을 확인하십시오.

• 클래스별 폭 및 클리어런스: 이 기능이 없으면, 모든 네트에 똑같은 구리가 할당되어 전원에도 고속 신호에도 맞지 않습니다.
• 차동 페어 지원: 임피던스는 페어가 하나의 구조로 동작하는지에 달려 있으므로, 라우터는 페어 전체에 걸쳐 폭과 간격을 모두 유지해야 합니다.
• 레이어 방향 및 제한: 특정 클래스의 레이어 사용을 금지하면 클록 네트가 인접한 기준 플레인이 없는 레이어로 가지 않게 할 수 있습니다.
• 잠금 및 킵아웃 준수: 직접 배선한 네트는 그대로 유지되어야 하므로, 툴이 잠긴 구리를 절대적인 장애물로 취급해야 합니다.
• 비아 제어: 네트당 비아 수에 상한을 두면 라우터가 드릴과 도금 비용을 치러야 하는 홀로 혼잡을 해결하는 것을 막을 수 있습니다.

Altium Designer의 ActiveRoute가 좋은 예입니다. 사용자가 직접 그린 가이드를 따라 선택한 네트만 배선하기 때문입니다.

연결성, 레이어 관리, 최적화 기능

비아를 여기저기 흩뿌려 네트의 98%를 완성하는 라우터는 아무것도 절약해 주지 않습니다. 정리하는 데 직접 배선하는 것보다 더 오래 걸릴 수 있기 때문입니다. 대신 비아 수, 트레이스 길이 분포, 버스 순서로 결과물을 평가하십시오.

여러 레이어를 순차적으로가 아니라 동시에 배선하면, 엔진이 작업 중에 레이어 간 공간을 주고받을 수 있으므로 트레이스가 더 고르게 분포합니다. 순차 라우터는 상단 레이어를 먼저 채운 다음, 그 이후의 모든 레이어에서 혼잡과 씨름합니다.

전체 PCB 설계 워크플로와의 통합

통합 수준이 자동화가 시간을 절약해 줄지, 아니면 작업을 다른 곳으로 옮겨 놓기만 할지를 결정합니다. PCB 에디터에 내장된 라우터는 설계 규칙을 직접 읽지만, 외부 라우터는 파일 교환에 의존합니다.

일반적인 교환 방식은 Spectra DSN/SES입니다. 기판과 배선 규칙이 담긴 DSN 파일을 내보낸 다음, 배선된 결과를 SES 파일로 가져옵니다. KiCad 9와 10은 내장 오토라우터가 없으므로 Freerouting과 함께 이 워크플로를 사용합니다. EasyEDA Pro는 두 가지 방식을 모두 지원합니다. 오토라우터를 클라우드나 로컬 라우팅 서비스로 실행할 수 있으며, 레이어, 비아 밀도, 우선순위, 모서리 스타일을 설정할 수 있습니다. EasyEDA는 Freerouting 같은 툴을 위한 DSN/SES 교환도 지원합니다.

실용적인 접근법은 간단합니다. 저속 네트에는 자동 배선을 1차 배선으로 활용하고, 고속, 대전류 및 기타 중요한 연결은 직접 배선하거나 검토하십시오.

자동 배선된 PCB를 제조 가능한 설계로 바꾸기

DRC를 통과한 자동 배선 기판이 아직 제조 가능한 기판은 아닙니다. DRC는 사용자가 마침 작성해 둔 규칙만 검사하기 때문입니다.

트레이스 폭, 간격, 비아에 대한 DFM 검사

제조 한계와 설계 규칙이 같은 수치인 경우는 드뭅니다. JLCPCB는 1oz 외층 구리에서 최소 트랙/간격 0.10mm(4mil)를 공개하고 있습니다. 구리 두께는 대부분의 라우터가 모델링하지 않는 방식으로 이 한계를 바꿉니다. 두꺼운 구리는 언더컷이 더 크게 에칭되므로, 2oz 구리에는 0.16mm(6.5mil) 트랙/간격이 필요합니다.

JLCPCB는 0.25mm(10mil) 패드에 0.15mm(6mil) 홀을 허용합니다. 이 경우 양쪽에 각각 0.05mm(2mil)의 링만 남으며, 드릴 정합 오차가 금세 이를 잠식합니다. 기본 비아로는 0.6mm(24mil) 패드에 0.3mm(12mil) 홀이 훨씬 안전한 작업값입니다.

제조 및 조립 요건을 고려한 배선 검토

기판은 조립도 되어야 하므로, 제조는 검토의 절반에 불과합니다. 오토라우터에는 스텐실, 실장 노즐, 리플로우 오븐에 대한 모델이 없으므로, 조립을 은근히 어렵게 만드는 방식으로 배선할 수 있습니다.

늦은 배선 작업으로 가장 눈에 띄게 피해를 입는 것은 실크스크린입니다. 마지막에 배치된 비아가 부품 기호와 극성 표시 위에 놓이면, 제조업체의 소프트웨어가 해당 문자를 잘라 냅니다. JLCPCB의 최소 실크스크린 선 폭은 문자 높이 1.0mm(40mil) 기준 0.15mm(6mil)이므로, 이미 한계에 가까운 문자는 비아가 하나만 겹쳐도 사라집니다.

전문 PCB 제조업체는 자동 배선된 설계를 어떻게 검증하는가

제조업체는 기판이 손으로 배선되었는지 알고리즘으로 배선되었는지 알 수 없으며, 알 필요도 없습니다. 모든 검사는 방법이 아니라 데이터를 대상으로 실행되기 때문입니다.

엔지니어링 검토와 제조 데이터 검증

제조업체는 회로도를 보지 못하므로, 검증은 설계 의도가 아니라 데이터에서 시작합니다. 거버 세트, 드릴 파일, 픽 앤 플레이스 데이터를 CAM 소프트웨어로 불러옵니다. 그곳에서 레이어를 정렬하고, 주문한 구리 두께와 적층 구조에 맞는 공정 규칙과 비교합니다.

그런 다음 JLCPCB는 원본 거버 파일을 자사의 제조 역량과 생산 규칙에 맞게 조정한 생산 파일을 생성합니다. 실제로 제조되는 것은 이 생산 파일이므로, 확인해야 할 것도 이 버전입니다. 변경이 필요한 주문은 확인을 위해 보류되며, 사용자가 수정된 데이터를 승인해야만 생산이 계속됩니다. 직접 배선한 시제품에 쓰는 것과 같은 견적 페이지에서 거버 파일을 업로드하고 기판을 주문할 수 있습니다. 모든 한계값은 JLCPCB가 공개한 PCB 제조 역량에서 확인하실 수 있습니다.

제조, 검사, 신뢰성 검증

원하든 원하지 않든 제조 과정이 배선을 검증합니다. 에칭, 드릴, 도금에는 각각 공차가 있으므로, 공정 한계에 맞춰진 설계는 제조가 시작되기도 전에 그 공차를 다 써 버린 셈입니다. 에칭 언더컷이 위쪽뿐 아니라 측면에서도 구리를 깎아 내므로, 가는 트랙이 가장 먼저 영향을 받습니다.

그림 5: 자동 배선된 설계가 거치는 제조 검증 과정

• 전기 테스트는 형상 검사로 잡을 수 없는 것을 잡아냅니다. 기판은 넷리스트를 기준으로 플라잉 프로브 또는 픽스처 테스트를 거쳐 도통과 절연을 확인하므로, 끊어진 트랙이나 밀집된 두 트레이스 사이의 단락이 출하 전에 발견됩니다.
• 광학 검사는 외층을 대상으로 하며, 내층은 적층 후에는 접근할 수 없으므로 적층 전에 검사합니다. 합격 여부는 베어 보드의 경우 IPC-A-600, 완성된 어셈블리의 경우 IPC-A-610을 기준으로 판정합니다.

PCB 오토라우터에 관한 자주 묻는 질문

결론

그렇다면 PCB 오토라우터로 양산 가능한 설계를 만들 수 있을까요? 오토라우터 혼자서, 버튼 한 번으로는 불가능합니다. 하지만 애초에 그것은 잘못된 질문이었습니다. 배치가 좋고 규칙 세트가 완전하다면, 자동 배선은 팬아웃, 버스, 길이 조정, 저속 네트를 안정적으로 처리합니다. 반면 스위칭 루프, 리턴 경로, 임피던스 제어, 아날로그 분리에서는 실패합니다. 이 중 어느 것도 클리어런스 규칙으로 표현할 수 없기 때문입니다.

오토라우터를 생산적으로 쓰는 방법은 역할이 좁은 빠른 조수로 활용하는 것입니다. 중요한 것은 직접 배선해 잠그고, 나머지는 모두 클래스로 분류한 뒤, 지루한 나머지 작업은 감독하에 라우터가 마무리하게 하십시오. 그다음 제조 가능성은 설계의 정확성과는 별개의 관문으로 다루십시오. 규칙에 맞는 기판이 자동으로 제작 가능한 기판이 되는 것은 아니기 때문입니다. 무료 DFM 검사와 제조업체의 엔지니어링 검토는 오토라우터가 감지하지 못하는 공정 문제를 잡아내며, 둘 다 비용을 지출하기 전에 이용할 수 있습니다.