Designing a PCB with Embedded Components

회로 기판 설계의 전통적인 접근 방식은 기판의 상단 및 하단 표면에 부품을 배치하는 것이었습니다. 이 공정은 일반적으로 자동 픽앤플레이스(pick and place) 장비를 사용해 각 부품을 지정 위치에 올려놓고 표면에 납땜할 수 있도록 준비하는 PCB 조립 업체에서 잘 지원됩니다. 점점 더 작고 고집적화된 전자 제품에 대한 수요 증가와, 이러한 장치 내부 신호의 고주파화가 결합되면서 회로를 더 잘 제작하고 조립할 수 있는 방법에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있습니다.

더 높은 밀도와 고주파 신호에 대한 향상된 지원을 동시에 제공하는 한 가지 기법은, 회로 구조의 층 내부에 embed 부품을 매립(embedded)하는 것입니다. 예를 들어, 집적회로(IC) 바로 아래에 개별(discrete) 부품을 직접 매립하면 신호 길이가 더 짧아지고, 저항 및 기생 인덕턴스가 감소하여 노이즈와 EMI가 줄어들며, 회로 신호 무결성이 향상될 수 있습니다. 이러한 개선은 더 작고 더 신뢰성 높은 제품을 가능하게 하며, 더 빠른 신호 속도와 더 높은 대역폭을 지원합니다. 또한 제작 공정과 기술의 지속적인 개선과 결합되면 제품 크기 감소는 물론, 제작 및 보드 레벨 조립 비용 절감으로도 이어질 수 있습니다.

부품 매립은 설계부터 제작, 조립, 테스트, 그리고 완제품의 유지보수에 이르기까지 공정의 각 단계에 여러 가지 이례적인 요구 사항을 부과합니다.

부품은 어떻게 매립할 수 있나요?

부품 매립은 PCB 제조 방식에 중요한 차이를 도입합니다. 더 이상 ‘베어 보드(bare-board)를 제작한 다음, 조립 단계에서 그 베어 보드에 부품을 실장’하는 식의 단순한 구분이 성립하지 않습니다. 이 두 작업은 공정과 기술 요구 사항이 뚜렷이 달라 종종 서로 다른 회사가 담당해 왔습니다. 매립 부품을 사용하는 경우, 해당 부품은 제작 공정 중에 보드에 장착되어야 합니다. 과거에는 고도로 전문화된 제작 업체의 영역이었지만, 현재는 공정이 잘 정립되어 있으며 매립 부품이 포함된 회로를 제조할 수 있는 제작사가 많이 있습니다.

부품을 매립하는 방법은 두 가지가 있습니다. 하나는 오픈 캐비티(open cavity)를 만들어 매립 부품이 그 캐비티 안에 놓이되 완성된 보드에서 여전히 보이도록 하는 방식이고, 다른 하나는 제작 중 내부 레이어에 배치한 다음 상부 레이어를 적층하면서 덮어 완성된 보드에서 보이지 않게 하는 방식입니다.

매립 부품이 있는 보드를 제작하는 접근 방식은 다양하며, 아래 설명과 이미지는 그중 한 가지 방법을 보여줍니다.

1. 보드는 양면 동박이 적층된 경질 코어(rigid core)로 시작하며, 이 동박 레이어는 필요에 따라 에칭 및 드릴링됩니다.
2. 각 면에 프리프레그+동박 레이어를 적용하고, 필요에 따라 에칭 및 레이저 드릴링합니다.
3. 이 레이어(한쪽 또는 양쪽)에 매립 부품을 실장합니다. 예를 들어 솔더 페이스트를 도포하고 리플로우 공정을 적용할 수 있습니다.
4. 각 매립 부품에 대한 캐비티를 만들기 위해 컷아웃이 있는 프리프레그 레이어를 추가합니다.
5. 각 면에 프리프레그+동박 외층 레이어를 적용하고, 필요에 따라 에칭, 레이저 드릴링 및 관통홀(thru-hole) 드릴링을 수행합니다.

  보드는 빌드업(build-up) 기술로 제작되며, 매립 부품은 공정의 일부로 배치되고 봉입(encase)됩니다.
보드 하부 측면의 매립 부품에 접근하기 위해 사용된 레이저 드릴 마이크로 비아(micro via)에 주목하십시오.

매립 부품을 사용한 설계

PCB 편집기에서는 전통적인 상단 또는 하단 표면 신호 레이어뿐 아니라 어떤 신호 레이어에도 부품을 배치할 수 있습니다. 덮이는 내부 동박 레이어에 배치되는 경우, 해당 부품을 매립 부품(embedded component)이라고 합니다. 부품 매립에는 두 가지 접근 방식이 있습니다:

• 사용자 정의 캐비티가 부품 주변에 필요한 클리어런스를 생성하는 방식,
• 또는 0201과 같은 소형 패키지의 경우 캐비티 없이, 후속 레이어가 추가되면서 부품이 그대로 봉입되어 완성 보드에서 각 부품 위치에 돌출(bump)이 생기는 방식입니다.

부품에 캐비티가 필요한 경우, 이 캐비티는 보드 내부에 완전히 둘러싸이도록 만들 수도 있고, 보드 한쪽 면까지 연장하여 개구(opening)를 만들 수도 있습니다. 아래 이미지는 3개의 매립 부품을 보여주며, 바깥쪽 2개는 캐비티가 정의되어 보드 상단 면에서 개방되어 있습니다. 가운데 부품은 더 낮은 레이어에 있어 완전히 봉입됩니다. 설계자 관점에서 오픈 캐비티와 클로즈드 캐비티 부품 모두 부품 배치 프로세스는 동일합니다.

세 개의 매립 부품: 바깥쪽 두 부품의 캐비티는 보드 표면으로 개방되어 있고, 가운데 부품은 완전히 매립되어 있습니다.

이 부품은 완전히 매립되어 있습니다. 이미지를 더 쉽게 해석할 수 있도록 부품은 파란색 윤곽선으로, 캐비티는 주황색 윤곽선으로 강조 표시했습니다.

PCB 라이브러리 컴포넌트에서 캐비티 정의하기

부품을 매립해야 하고 캐비티가 필요하다면, 캐비티는 PCB Library 편집기에서 해당 부품 풋프린트의 일부로 정의합니다. 캐비티를 추가하더라도 그 부품을 표면 레이어에서 사용하는 것이 막히지는 않으며, 이 경우 소프트웨어는 캐비티를 무시합니다.

캐비티를 정의하려면:

1. 기계 레이어(mechanical layer)에 Region 객체를 배치합니다. 객체는 부품의 3D 바디를 둘러싸도록 배치하되, 각 측면에 충분한 클리어런스를 확보해야 합니다. 필요한 클리어런스는 제작사에 확인하십시오.
2. Region 객체를 편집하고 Kind 속성을 Cavity(으)로 설정합니다.
3. Layer 속성이 적절한 기계 레이어인지 확인합니다.
4. Cavity Height 속성을 적절한 높이로 설정합니다. 일반적으로 3D 바디 높이에 제작사가 권장하는 클리어런스를 더한 값입니다.

아래 이미지는 PCB 라이브러리 편집기를 보여주며, 다음이 포함됩니다:

• Mechanical 15 레이어에 있는 녹색의 선택된 캐비티 정의,
• 부품 패드의 빨간 윤곽선,
• 커패시터의 두 패드와 바디를 정의하는 3D 바디 객체의 보라색 음영 표시.

캐비티는 기계 레이어에 region 객체를 배치하고, Kind를 Cavity로 설정한 다음 Cavity Height를 필요한 캐비티 깊이로 설정하여 정의합니다.
보라색 음영 영역에 주목하십시오. 이것이 캐비티 안에 놓이는 3D 바디입니다.

매립 부품 배치 및 방향 설정

부품을 매립하려면 부품 속성을 편집하고 Layer를 필요한 내부 동박 레이어로 설정합니다. 매립 부품의 방향(위/아래)은 Layer Stack Manager에서 해당 동박 레이어에 대해 지정된 Orientation에 의해 정의됩니다.

Properties 패널에서 부품의 Layer를 설정합니다.

Layer Stack Manager에서 각 신호 레이어의 부품에 대한 Orientation을 설정합니다.

캐비티와 레이어 스택 간 상호작용

Related article: PCB 레이어 스택 관리

PCB Library 편집기에서 정의한 캐비티에는 Height 속성이 있습니다. 이 높이는 부품이 배치된 동박 레이어 표면 위쪽에 있는 모든 레이어를 소프트웨어가 제거할 거리를 정의합니다.

캐비티와 그것이 관통하는 레이어 간 상호작용을 단순화하기 위해, 소프트웨어는 레이어가 부분적으로만 잘리지 않도록 보장합니다. 캐비티가 유전체 레이어와 같은 레이어 안으로 들어가지만 그 유전체 레이어를 완전히 관통하지 않는 경우, 소프트웨어는 자동으로 캐비티를 해당 레이어 전체를 관통하도록 연장합니다.

아래 이미지는 이를 보여줍니다. 더 진한 선은 캐비티의 모서리와, 부품이 마지막으로 잘린 레이어 표면 아래에 놓이는 방식을 보여주기 위해 추가된 것이지만, 레이어 컷아웃은 그 레이어를 끝까지 관통하여 계속됩니다. 이 동작은 내부 캐비티와 오픈 캐비티 모두에 적용됩니다.

캐비티가 레이어를 완전히 관통하지 않으면, 소프트웨어가 자동으로 해당 레이어를 관통하도록 캐비티 생성을 완료합니다.

매립 부품, SubStacks 및 Managed Stacks

아래의 호버 이미지는 매립 부품을 포함하는 리지드-플렉스(rigid-flex) 설계를 위한 Layer Stack Manager를 보여줍니다. 리지드-플렉스 설계의 각 개별 존(zone) 또는 영역(region)은 서로 다른 레이어 수로 구성될 수 있습니다. 이를 위해서는 여러 개의 스택을 정의할 수 있어야 하며, 이를 substacks(이)라고 합니다.

 Rigid/Flex 옵션을 활성화하면 Substack Selector 버튼이 나타납니다. 클릭하여 각 substack을 선택하고 구성하십시오. 커서를 이미지 위에 올리면 Flex substack을 확인할 수 있습니다.

부품을 매립하면 PCB 편집기는 해당 매립 부품이 레이어 스택에 미치는 영향을 관리해야 합니다. 이는 표시 방식뿐 아니라 솔더 마스크 오프닝 및 설계 규칙 검사(DRC) 같은 계산 데이터 측면도 포함합니다. 이를 위해 설계에 포함된 다양한 매립 부품에 대해, 필요한 ‘배치된 레이어 + 컷된 레이어’의 고유 조합마다 하나의 스택을 생성합니다. 이러한 스택을 Managed Stacks(이)라고 합니다.

관리 스택(Managed Stack)은 부품이 보드의 레이어 내부에 임베디드(embedded)될 때 자동으로 생성됩니다. 관리 스택은 자동으로 생성되므로, 생성 및 관리 과정에서 사용자가 입력할 필요가 없습니다. PCB 편집기는 임베디드 부품이 있는지 확인하고, 현재 관리 중인 스택 중 적합한 것이 있는지 테스트한 뒤, 없으면 새로 생성합니다. 임베디드 부품이 제거될 때도 동일하게 적용되며, 더 이상 필요하지 않은 관리 스택은 자동으로 제거됩니다. PCB 편집기가 새로운 관리 스택이 필요한지 확인하도록 강제로 트리거하려면 2D와 3D 레이아웃 모드 사이를 전환하세요.

User Stack과 마찬가지로 Managed Stack도 PCB 패널이 Layer Stack Regions(으)로 설정되어 있을 때 목록에 표시됩니다. 아래 이미지는 두 개의 임베디드 부품 R1과 C15에 대한 관리 스택을 보여줍니다. 이 기능을 사용해 X, Y 평면에서 각 Managed Stack의 범위를 확인할 수 있습니다.

레이어 스택을 살펴보면, 오른쪽에 두 개의 Managed Stack이 보입니다.

다음은?

• Gerber X2 및 ODB++ CAD-to-CAM 데이터 교환 포맷은 둘 다 임베디드 부품을 지원합니다.

• IPC 표준, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry에는 임베디드 부품에 대한 권장 설계 기법이 자세히 설명되어 있습니다. 

• PCB 제작 업체(PCB Fab)는 임베디드 부품과 같은 공정 기술에 대한 훌륭한 정보원입니다. 예를 들어 Wurth Electronik은 웹사이트에 전용 Embedding 섹션을 운영하며, 디바이스 설계 규칙, 구리(copper) 설계 규칙, 임베딩 설계 가이드에 대한 정보를 제공합니다. PCB에 임베디드 부품을 사용하는 경우, 제작 업체의 요구사항을 항상 확인하세요.