PCB 설계 할 때 가장 중요한 것?

PCB 설계 할 때 가장 중요한 것?
 
PCB 설계, 아트웍을 할 때 가장 중요한 작업은 무엇일까?
부품풋프린트? 배치? 배선? 실크정리?
 
결론부터 얘기하자면 '모두 중요하다' 이다.
김 새는 결론일 수 있겠지만 하나하나의 과정이 모두 중요하므로 초기단계부터 세밀히 설계가 진행되어야 한다.
그래도 그 중에 가장 중요한 것을 꼽는다면, 굳이 구지 마지못해 하나 정한다고 한다면, 그래, 부품 배치가 그나마 좀 더 중요하다고 말할 수 있겠지만, 정확히는 중요도 보다는 '작업효율의 기여도'가 가장 크다고 할 수 있다.
 
PCB 설계 작업들을 살펴보자.
 
 

 
첫번째로, 부품 풋프린트를 만들고 준비하는 것 부터 살펴보자.
풋프린트는 부품이 올라갈 자리이다. 부품 핀이 풋프린트의 패드에 납땜이 된다. 만약 풋프린트의 패드 위치가 실제 부품 핀의 위치와 다르다면 납땜이 어렵거나 안될 수 있다. 그리고 각 핀은 회로도와 매칭되는 핀번호가 있는데 이 핀번호를 잘못 지정하여 풋프린트를 만들면 보드 동작이 안될 수 있고 최악으로는 부품도 보드도 망가질 수 있다.  
풋프린트를 만들 때 특히 주의해야 되는 부품이 있는데 바로 극성이 있는 부품과 핀배열이 중요한 부품이다. 극성이나 핀번호가 중요하지 않은 일반 저항, 극성없는 커패시터, 인덕터 같은 부품은 사이즈만 잘 맞게 만들면 된다. 그러나 극성이 있는 캐패시터, 다이오드, LED 같은 부품들은 풋프린트를 만들 때 회로핀번호와 매치하여 잘 만들어야 하고, 트랜지스터, FET, 기타 IC 도 주의해야 하는데 이때 '회로-데이타시트-풋프린트' 이 세가지를 같이 반드시 확인하여 핀번호를 잘 매칭시켜줘야 한다. 세가지를 같이 확인을 안하면 PCB를 만들고 나서 부품을 납땜할 때 부품을 뒤집거나 핀을 휘어서 납땜해야 하는 불상사가 생길 수 있다. 
풋프린트는 초기에 만들고 나면 아트웍 작업중에는 검토하기가 어려우니 초기에 정확히 만들어야 한다.
 
 

 
두번째로, 부품 배치를 살펴보자.
부품 배치는 PCB 설계 작업효율의 기여도가 가장 크다고 볼 수 있다. 배치가 적절하면 배선을 하기가 수월하다. 또 배치가 정확해야 케이스 조립 등 기구적으로도 문제가 없다. 디지털, 아날로그, RF 등 회로에 따라 부품 배치가 적절하면 노이즈에 대한 문제도 줄일 수 있다.
반대로 부품 배치가 잘못되면, 배선이 많이 진행됐어도 막판에 배선 공간이 안나와서 배치를 다시 변경하고 그에따라 배선도 처음부터 다시 해야하는 경우도 생긴다. 물론 배선중에는 배치도 조금씩 변경하면서 진행 할 수 밖에 없지만 여기서 말하는 배치는 저항 하나 위치 조금 바꾸는 게 아니고 전체적인 부품 배치를 말하는 것이다. 배치가 잘 되면 배선이 수월하다. 배치가 잘 되면 짧게 배선할 수 있다.
배치는 배선이 어떻게 연결될지를 어느정도 미리 예상해보고 배치를 해야 배선까지 막힘이 없다. 또 기구 사양에 맞게 배치를 해야 조립에 문제가 없다. 그리고 회로 흐름에 따라 부품을 구분하고 배치해야 노이즈 문제도 줄어든다.
이런 이유들 때문에 PCB 설계에서 배치가 중요하다고 이야기할 수 있고, 작업효율의 기여도가 가장 크다고 할 수 있다.
 
 

 
세번째로, 배선을 살펴보자. 
배선은 전기신호가 이동하는 경로이다. 실제 PCB를 만들면 설계한 배선대로 구리가 형성된다. 배선을 통해 전기신호가 흐르기 때문에 배선이 완성되어야 회로도 완성된다. 
배선은 두께, 폭, 이격거리, 이동경로 등을 잘 고려해야 한다.
전원회로를 먼저 보자. 전원은 전압이 높거나 전류가 많이 흐르거나 할 수 있다. 전압이 높으면 다른 배선과 이격을 많이 시켜줘야 한다. 전류가 많이 흐르면 배선 폭이나 두께를 두텁게 해줘야 한다. 
신호선을 생각해 보자. 주파수가 높지 않은 일반 신호선은 어떻게 배선하든 큰 문제는 안된다. 하지만 동작 주파수가 높은 신호선은 임피던스 매칭을 해주어야 한다. 신호가 왜곡되면 전달이 잘 안되고 보드가 오동작을 하기 때문이다. 그리고 DDR 같은 회로처럼 BUS 신호가 있는 경우는 그룹별로 길이를 같게 맞춰줘야 한다.
전원선이나 신호선 모두 노이즈가 발생되지 않도록 배선해야 한다. 신호선과 신호선끼리, 신호선과 부품끼리 노이즈에 영향을 주고 받기 때문에 주의해서 배선해야 한다.
RF회로 같은 경우는 주파수가 매우 높기 때문에 정확하게 배선을 해야 한다. 임피던스 매칭은 필수다. 그리고 RF신호는 배선이 저항도 되고 커패시터도 되고 인덕터도 된다. 이 개념은 일반 디지털 회로입장에서는 생소하지만 RF에서는 그렇게 동작한다. 
이론으로 정리된 회로를 완성시켜주는 PCB 배선을 살펴보았다.
 
 

 
마지막으로 실크정리를 살펴보자.
실크는 실크스크린(Silk Screen)을 간편하게 부르는 이름이고, 부품의 참조번호, 형상, 보드이름, 로고 등을 표현한 것들이다.  
전기적인 특성은 없다. 하지만 실크도 중요하다고 볼 수 있다. 예를 들어, 부품 참조번호는 해당 부품에 인접하게 위치시켜줘야 한다. 이 참조번호를 보고 부품품명을 찾아 이 위치에 실장을 하기 때문이다. 만약 참조번호 실크 위치가 다른 부품 위치에 있으면 다른 부품이 실장되어 보드가 오동작을 하게 된다. 더 심하게는 부품도 파손되고 보드도 파손될 수 있다.
저항값이 다른 여러 저항들이 연속으로 배치되어 있다고 보자. 이 경우 실크정리를 하다가 방심하게 되면 참조번호를 다른 저항에 위치 시키는 실수를 할 수 있다.
 
 
위 내용들은 그동안 PCB 설계를 하며 경험한 것들이다. 실수도 있었고 실수를 통해서 배워나갔다. 제일 어려운 부분은 실수가 시간과 돈으로 이어질 때다. 보드에 점퍼와이어 날리는 거야 큰 문제는 안되지만, 부품까지 조립한 PCB를 다시 만들어야 할 때는 가슴이 쓰린 것은 기본이고 시간과 돈까지 쓸려 나간다. 
무엇하나 소홀히 할 수는 없다. 자동차를 만드는 것도 마찬가지로 불필요한 것을 만들지는 않기 때문이다. 공정 하나하나가 중요하다.
사람도 마찬가지다. 사람의 몸 안에 불필요한 것이 있을까? 콩팥? 콩팥은 하나 떼어내도 문제 없을까? 생명을 유지하는 데는 필요없을 지 몰라도 콩팥은 콩팥대로 그 기능을 한다. 노폐물을 걸러내어 오줌으로 내보내야 하는 훌륭한 기능을 하는 콩팥이다.
부품 배치가 설계 시간과 효율에 대해 기여도가 크긴 하다. 그러나 모든 과정이 중요하다.
 
 
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발이 “나는 손이 아니므로 몸의 일부가 아니다”라고 말한다고 해서 발이 몸의 일부분이 아니라고 하겠습니까?
귀가 “나는 눈이 아니므로 몸의 일부가 아니다”라고 말한다고 해서 몸의 일부분이 아니라고 하겠습니까?
온몸이 눈이라면 어떻게 듣겠습니까? 온몸이 귀라면 어떻게 냄새를 맡겠습니까?
그러나 사실 하나님께서는 그분이 원하시는 대로 몸 안에 각각 다른 기능을 하는 여러 지체를 두셨습니다.
-쉬운성경 고린도전서 12장 15~18절