임베디드 부품이 포함된 PCB 설계

기존의 회로 기판 설계 방식은 기판의 상단 및 하단 표면에 컴포넌트를 배치하는 것이었습니다. 이러한 방식은 회로 기판 조립 업체에서 널리 지원하며, 일반적으로 자동 픽 앤 플레이스 장비를 사용해 각 컴포넌트를 표면에 납땜할 수 있도록 배치합니다. 더 작고 집적도가 높은 전자 제품에 대한 수요가 지속적으로 증가하고, 이러한 장치 내부의 신호 주파수도 높아지면서 회로를 더 효과적으로 제작하고 조립하는 방법에 대한 연구가 계속되고 있습니다.

집적도를 높이는 동시에 더 높은 신호 주파수를 효과적으로 지원하는 기법 중 하나는 회로 구조의 레이어 내부에 컴포넌트를 embed하는 것입니다. 예를 들어, 집적 회로 바로 아래에 개별 컴포넌트를 내장하면 신호 경로 길이가 짧아지고, 저항과 기생 인덕턴스가 감소하여 노이즈와 EMI가 줄어들며, 회로의 신호 무결성이 향상될 수 있습니다. 이러한 개선을 통해 더 빠른 신호 속도와 더 높은 대역폭을 지원하는, 더 작고 신뢰성 높은 제품을 구현할 수 있습니다. 또한 제작 공정과 기술의 지속적인 발전과 결합하면 제품 크기를 줄이고 제작 및 기판 수준의 조립 비용을 절감할 수 있습니다.

컴포넌트를 내장하면 설계부터 제작, 조립, 완제품의 테스트 및 유지보수에 이르기까지 각 공정 단계에 여러 특수한 요구 사항이 발생합니다.

컴포넌트는 어떻게 내장할 수 있나요?

컴포넌트를 내장하면 회로 기판 제조 방식에 중요한 차이가 생깁니다. 즉, 베어 보드를 제작한 다음 조립 과정에서 해당 베어 보드에 컴포넌트를 실장하는 두 공정 사이의 구분이 더 이상 명확하지 않습니다. 이 두 작업은 필요한 공정과 기술이 뚜렷하게 달랐기 때문에 서로 다른 업체에서 수행하는 경우가 많았습니다. 내장 컴포넌트를 사용하는 경우에는 제작 과정 중에 컴포넌트를 기판에 실장해야 합니다. 과거에는 고도로 전문화된 제작 업체만 가능했던 작업이지만, 이제는 공정에 대한 이해가 충분히 축적되어 내장 컴포넌트가 있는 회로를 제조할 수 있는 업체가 많습니다.

컴포넌트를 내장하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 개방형 캐비티를 만들어 그 안에 컴포넌트를 배치하고 완성된 기판에서도 보이게 하거나, 제작 중 내부 레이어에 컴포넌트를 배치한 다음 상부 레이어를 추가하면서 덮어 완성된 기판에서는 보이지 않게 할 수 있습니다.

내장 컴포넌트가 있는 기판을 제작하는 방법은 다양하며, 아래 설명과 이미지는 그중 한 가지 방법을 보여 줍니다.

1. 양면 동박 적층 Rigid 코어로 시작하여 필요에 따라 동박 레이어를 에칭하고 드릴로 가공합니다.
2. 양쪽 면에 프리프레그+동박 레이어를 적용하고, 필요에 따라 에칭 및 레이저 드릴 가공을 수행합니다.
3. 예를 들어 솔더 페이스트 도포와 리플로 공정을 사용하여 이 레이어의 한쪽 또는 양쪽 면에 내장 컴포넌트를 실장합니다.
4. 각 내장 컴포넌트를 위한 캐비티가 만들어지도록 컷아웃이 있는 프리프레그 레이어를 추가합니다.
5. 양쪽 면에 프리프레그+동박 외부 레이어를 적용하고, 필요에 따라 에칭, 레이저 드릴 및 스루홀 드릴 가공을 수행합니다.

  기판은 빌드업 기술로 제작되며, 이 공정의 일부로 내장 컴포넌트가 배치되고 내부에 봉입됩니다.
기판 하단의 내장 컴포넌트에 연결하기 위해 사용된 레이저 가공 마이크로 비아에 주목하세요.

내장 컴포넌트를 사용한 설계

PCB Editor에서는 기존의 상단 또는 하단 표면 신호 레이어뿐 아니라 모든 신호 레이어에 컴포넌트를 배치할 수 있습니다. 컴포넌트를 내부 동박 레이어에 배치하고 덮으면 이를 내장 컴포넌트라고 합니다. 컴포넌트를 내장하는 방법에는 두 가지가 있습니다.

• 사용자 정의 캐비티를 만들어 컴포넌트 주변에 필요한 클리어런스를 확보합니다.
• 또는 0201과 같은 소형 패키지의 경우 캐비티 없이 후속 레이어를 추가하면서 컴포넌트를 그대로 봉입합니다. 이 경우 완성된 기판의 각 컴포넌트 위치에 돌출부가 생깁니다.

컴포넌트에 캐비티가 필요한 경우, 캐비티를 기판 내부에 완전히 밀폐하거나 기판의 한쪽 면까지 확장하여 개구부를 만들 수 있습니다. 아래 이미지는 내장 컴포넌트 3개를 보여 줍니다. 바깥쪽 컴포넌트 2개는 기판 상단으로 개방되도록 캐비티가 정의되어 있습니다. 가운데 컴포넌트는 더 낮은 레이어에 있어 완전히 밀폐됩니다. 설계자 입장에서 컴포넌트 배치 과정은 개방형 캐비티와 밀폐형 캐비티 모두 동일합니다.

내장 컴포넌트 3개 중 바깥쪽 컴포넌트 2개의 캐비티는 기판 표면으로 개방되어 있으며, 가운데 컴포넌트는 완전히 내장되어 있습니다.

이 컴포넌트는 완전히 내장되어 있습니다. 이미지를 쉽게 이해할 수 있도록 컴포넌트는 파란색 윤곽선으로, 캐비티는 주황색 윤곽선으로 강조했습니다.

PCB 라이브러리 컴포넌트에서 캐비티 정의하기

컴포넌트를 내장해야 하고 캐비티가 필요한 경우, PCB 라이브러리 Editor에서 컴포넌트 풋프린트의 일부로 캐비티를 정의합니다. 캐비티를 추가하더라도 해당 컴포넌트를 표면 레이어에서 사용할 수 있습니다. 이 경우 소프트웨어는 캐비티를 무시합니다.

캐비티를 정의하려면:

1. 기계 레이어에 Region 객체를 배치합니다. 각 측면에 충분한 클리어런스를 확보하면서 컴포넌트의 3D Body를 둘러싸도록 객체를 배치합니다. 필요한 클리어런스는 제작 업체에 문의하세요.
2. Region 객체를 편집하고 Kind 속성을 Cavity로 설정합니다.
3. Layer 속성이 적절한 기계 레이어로 설정되어 있는지 확인합니다.
4. Cavity Height 속성을 적절한 높이로 설정합니다. 일반적으로 3D Body의 높이에 제작 업체에서 권장하는 클리어런스를 더한 값으로 설정합니다.

아래 이미지는 PCB 라이브러리 Editor를 보여 주며, 다음 항목이 표시되어 있습니다.

• Mechanical 15 레이어에서 선택된 녹색 캐비티 정의
• 컴포넌트 패드의 빨간색 윤곽선
• 커패시터의 패드 2개와 본체를 정의하는 3D Body 객체의 보라색 음영

캐비티는 기계 레이어에 Region 객체를 배치하고, 종류를 캐비티로 설정한 다음 Cavity Height를 필요한 캐비티 깊이로 설정하여 정의합니다.
보라색 음영 영역에 주목하세요. 이 영역은 캐비티 안에 들어가는 3D Body입니다.

내장 컴포넌트 배치 및 방향 설정하기

컴포넌트를 내장하려면 컴포넌트 속성을 편집하고 Layer를 필요한 내부 동박 레이어로 설정합니다. 내장 컴포넌트가 향하는 방향(위 또는 아래)은 Layer Stack Manager에서 해당 동박 레이어에 지정한 Orientation에 따라 결정됩니다.

Properties Panel에서 컴포넌트의 레이어를 설정합니다.

Layer Stack Manager에서 각 Signal 레이어에 있는 컴포넌트의 방향을 설정합니다.

캐비티와 레이어 스택의 상호 작용

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PCB 라이브러리 Editor에서 정의하는 캐비티에는 높이 속성이 있습니다. 이 높이는 컴포넌트가 배치된 구리 레이어의 표면을 기준으로, 소프트웨어가 그 위의 모든 레이어를 제거할 거리를 정의합니다.

캐비티와 캐비티가 관통하는 레이어 간의 상호 작용을 단순화하기 위해, 소프트웨어는 레이어가 부분적으로만 절삭되지 않도록 합니다. 캐비티가 유전체 레이어와 같은 레이어 내부로 들어가지만 해당 레이어를 완전히 관통하지 않는 경우, 소프트웨어는 캐비티가 해당 레이어를 완전히 관통하도록 자동으로 확장합니다.

아래 이미지는 이러한 동작을 보여 줍니다. 캐비티의 모서리와 컴포넌트가 마지막으로 절삭된 레이어의 표면보다 아래에 놓이는 모습을 보여 주기 위해 진한 선을 추가했습니다. 하지만 레이어의 컷아웃은 해당 레이어를 완전히 관통합니다. 이 동작은 내부 캐비티와 개방형 캐비티 모두에 적용됩니다.

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

임베디드 컴포넌트, 서브스택 및 관리형 스택

아래의 마우스 오버 이미지는 임베디드 컴포넌트가 포함된 Rigid-Flex 설계의 Layer Stack Manager를 보여 줍니다. Rigid-Flex 설계의 개별 구역 또는 Region은 서로 다른 수의 레이어로 구성될 수 있습니다. 이를 구현하려면 substacks(이)라는 여러 스택을 정의할 수 있어야 합니다.

 Rigid/Flex 옵션을 활성화하면 서브스택 선택기 버튼이 나타납니다. 이 버튼을 클릭하여 각 서브스택을 선택하고 구성합니다. 이미지 위에 커서를 올리면 Flex 서브스택을 볼 수 있습니다.

컴포넌트를 내장하면 PCB Editor는 해당 임베디드 컴포넌트가 레이어 스택에 미치는 영향을 관리해야 합니다. 여기에는 표시 방식뿐 아니라 솔더 마스크 개구부 및 설계 규칙 검사와 같은 계산 데이터도 포함됩니다. 이를 위해 설계에 포함된 다양한 임베디드 컴포넌트에 필요한 배치 레이어와 절삭 레이어의 고유한 조합마다 스택을 생성합니다. 이러한 스택을 Managed Stacks(이)라고 합니다.

관리형 스택은 컴포넌트가 기판의 레이어 내부에 내장될 때 자동으로 생성됩니다. 관리형 스택은 자동으로 생성되므로 생성 및 관리에 사용자 입력이 필요하지 않습니다. PCB Editor는 임베디드 컴포넌트를 확인하고 현재 관리 중인 스택 중 적합한 스택이 있는지 검사한 다음, 적합한 스택이 없으면 새 스택을 생성합니다. 임베디드 컴포넌트를 제거할 때도 마찬가지로, 관리형 스택이 더 이상 필요하지 않으면 자동으로 제거됩니다. PCB Editor가 새 관리형 스택의 필요 여부를 확인하도록 하려면 2D 레이아웃 모드와 3D 레이아웃 모드 간에 전환하세요.

사용자 스택과 마찬가지로 관리형 스택도 PCB Panel을 Layer Stack Regions(으)로 설정하면 목록에 표시됩니다. 아래 이미지는 두 임베디드 컴포넌트 R1과 C15의 관리형 스택을 보여 줍니다. 이 기능을 사용하여 X, Y 평면에서 각 관리형 스택이 차지하는 범위를 확인할 수 있습니다.

레이어 스택을 살펴보면 오른쪽에 두 개의 관리형 스택이 보입니다.

다음 단계

• Gerber X2 및 ODB++ CAD-CAM 데이터 교환 형식은 모두 임베디드 컴포넌트를 지원합니다.

• IPC 표준인 IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry에는 임베디드 컴포넌트에 권장되는 설계 기법이 자세히 설명되어 있습니다. 

• PCB 제조업체는 임베디드 컴포넌트와 같은 공정 기술에 관한 유용한 정보를 제공합니다. 예를 들어 Wurth Electronik은 웹사이트에 임베딩 전용 섹션을 마련하여 소자 설계 규칙, 구리 설계 규칙 및 임베딩 설계 가이드에 관한 정보를 제공합니다. PCB에 임베디드 컴포넌트를 사용하는 경우, 반드시 제조업체에 요구 사항을 확인하세요.