PCB 설계기술

PCB(Printed Circuit Board)는 절연기판에 전자부품을 실장할 수 있는 홀을 가공하고 전자부품 간의 단자를 도체로 연결하여 만든 기판이다. PCB 설계는 아트웍(Artwork)이라는 별칭으로 불리어지고 있으며, PCB가 제작되기 전에 부품 사이의 연결을 컴퓨터를 활용하여 그래픽화하는 일련의 작업을 말한다.

PCB는 전기, 전자, 통신기기, 자동차, 선박, 의료기기, 반도체, 멀티미디어 기기, 군사용 무기, 우주분야 등 거의 대부분 산업분야에 걸쳐 PCB가 내장되어 중추적인 역할을 훌륭히 수행하면서 PCB 설계기술이 매우 중요한 핵심원천기술로 대두되고 있다.

반도체 산업과 전자산업의 급진적인 발달은 전자관련 제품의 성능을 빠른 속도로 진보하게 했다. 다시 말해서 설계의 허용 오차 범위가 점점 줄어들면서 속도가 점차 빨라지고 있으며, 제품의 외형치수와 함께 무게도 점차적으로 가벼워지고 있다.

이것은 기판설계자 입장에서는 단순한 설계범위를 넘어 전혀 예상하지 못한 여러 가지 현상들이 기판에 발생하여 수요자의 요구조건에 신속하게 대응하기가 더욱 어려워지고 있다. 즉 개발자의 의도와는 무관하게 신호 무결성(Signal Integrity, SI), 전력 무결성(Power Integrity, PI), 열 해석(Thermal Analysis) 등이 설계상에서 가장 중요한 문제로 크게 이슈화가 되고 있다.

이러한 문제가 나타나게 된 근본 원인은 끊임없는 클럭 속도의 증가와 협소해진 피치(Pitch, 단자간의 간격), 그리고 수요자의 다양한 요구조건과 까다롭고 엄격해진 설계규격 등에서 그 원인을 찾을 수 있다. 예를 들면, 클럭 속도가 증가하면서 크로스토크(Crosstalk), 반사(Reflection), 임피던스 부정합(Impedance Mismatch), 그라운드 바운스(Ground Bounce) 등의 문제가 기판에 빈번하게 나타나고 있다.

더욱이 소형화, 경량화, 고속화 추세에 따라 노이즈, EMI, 고속신호 등이 설계상에서 가장 중요한 문제로 나타나면서, 전문적인 설계기술을 갖춘 고급기술자의 필요성이 점점 심화되고 있는 실정이다. PCB에서 필연적으로 발생하고 있는 다양한 문제들을 해결할 수 있는 적절한 방법이 있는가?

기판에서 불필요한 성분이나 신호의 왜곡 현상을 최소화할 수 있는 검증된 몇 가지 방법들이 있다. 그것은 임피던스 정합을 위한 마이크로스트립/스트립 라인, 터미네이션 기법, 그라운드 설계기술, PCB 층 배열구조 등을 적절히 기판설계에 적용하는 것이다. 그러므로 기판설계자는 기존의 방식을 그대로 고수해서는 안 되며, 계속적인 기술개발과 최적화된 설계 알고리즘을 찾으려는 최선의 노력을 끊임없이 추진해야 한다,

본 교재는 보드레벨에서 발생할 수 있는 다양한 노이즈에 대한 실무적 대처 능력 향상과 EMI/EMC를 고려한 기판설계기술을 습득하여 산업현장이나 혹은 대학교육의 장에서 바로 적용할 수 있도록 올바른 설계방향을 제시하였다. 본 교재를 통해 실무적으로 혹은 이론적으로 많은 도움이 되기를 기원한다.

제1장 PCB 설계의 개요

1.1 PCB란 무엇인가?

1.1.1 PCB 설계를 위해 무엇을 알아야 하는가?

1.1.2 캐드 툴을 이용한 레이아웃 설계 과정

1.2 PCB 설계기술이 중요한 이유?

1.3 PCB 설계 과정

1.3.1 제품의 개발 과정

1.3.2 PCB 설계 과정



제2장 PCB 설계의 기본기술

2.1 전자부품의 배치 기술

2.1.1 PCB 설계 시 고려사항

2.1.2 배치의 기본기술

2.1.3 방사 노이즈에 강한 부품 배치

2.1.4 EMI에 강한 층 배열 구조(Layer Stackup)

2.2 배선설계기술

2.2.1 배선설계의 기본기술

2.2.2 배선설계기술의 원인과 대책

2.2.3 EMI에 강한 배선설계 기술



제3장 노이즈 저감과 EMI 대책 기술

3.1 노이즈와 EMC

3.1.1 노이즈의 개요

3.1.2 EMC의 개요

3.1.3 EMC 대책

3.2 노이즈 전달경로의 이해

3.2.1 전도 결합(Conductive Coupling)

3.2.2 용량 결합(Capacitive Coupling)

3.2.3 유도 결합(Inductive Coupling)

3.2.4 방사 결합(Radiative Coupling)

3.3 EMI 대책 기술

3.3.1 에너지 저장 소자 - L과 C

3.3.2 디커플링 커패시터와 바이패스 커패시터

3.3.3 인덕터와 페라이트 비드(Ferrite Bead)

3.3.4 EMI 개선을 위한 필터 사용법

3.3.4 3-W 규칙과 20-H 규칙



제4장 고속회로기판설계

4.1 고속신호전송 이론

4.1.1 전송선로(Transmission Line)

4.1.2 임피던스(Impedance)

4.1.3 맥스웰 방정식(Maxwell Equation)

4.2 고속신호전송의 문제와 대책

4.2.1 크로스토크(Crosstalk) 현상과 대책

4.2.2 전파지연(Propagation Delay)의 문제와 대책

4.2.3 반사(Reflection) 현상과 대책

4.2.4 표피효과(Skin Effect)

4.3 터미네이션(Termination) 방법

4.3.1 직렬 종단(Series Termination)

4.3.2 병렬 종단(Parallel Termination)

4.3.3 테브난 종단(Thevenin Termination)

4.3.4 RC 종단(RC Termination)

4.3.5 다이오드 종단(Diode Termination)

4.3.6 종단 노이즈와 배선설계

4.4 공통모드(Common Mode)와 차동모드(Differential Mode)

4.4.1 공통모드(Common Mode, CM)

4.4.2 차동모드(Differencial Mode, DM)

4.4.3 PCB 설계 대책

4.5 비아 홀 크기에 따른 전류량 계산법



제5장 RF회로기판

5.1 주파수(Frequency)와 파장(Wavelength)

5.2 LC 공진(Resonance)

5.2.1 LC공진의 원리

5.2.2 LC공진의 종류

5.2.3 LC 공진회로의 활용

5.3 마이크로스트립/스트립 라인(Microstrip/Strip Line)

5.3.1 마이크로스트립(Microstrip)을 사용하는 이유

5.3.2 마이크로스트립(Microstrip)의 일반식과 계산법

5.3.3 스트립라인(Stripline)의 일반식과 계산법

5.4 RF 회로기판설계방법

5.4.1 RF회로의 특성

5.4.2 RF회로기판설계

5.4.3 RF회로기판설계 방법



제6장 그라운드 설계기법

6.1 그라운드의 종류

6.1.1 시그널 그라운드(Signal Ground)

6.1.2 프레임 그라운드(Frame Ground)

6.1.3 어스(Earth)

6.2 귀환전류경로(Return Current Path)

6.2.1 귀환전류경로의 이해

6.2.2 귀환전류경로가 기판에 미치는 영향과 대책

6.3 그라운드 접속방법(Ground Connecting Method)

6.3.1 직렬접속방식(Series Connecting Method)

6.3.2 병렬접속방식(Parallel Connecting Method)

6.3.3 다점접지접속방식(Multi Point Connecting Method)

6.4 EMI를 고려한 그라운드 활용 및 대책

6.4.1 회로특성에 따른 효율적인 그라운드설계

6.4.2 그라운드 설계의 활용

6.4.3 다양한 그라운드설계 방법

6.4.4 최상의 그라운드설계를 위한 가이드라인

정성인 저자 정성인은

충남대학교 공학박사

전) 한국과학기술원 인공위성연구센터 선임연구원

전) 부산테크노파크 시스템설계 팀장

전) 국립안동대학교 산학협력 교수

『노이즈 대처를 위한 PCB 설계기술』외 다수