개요
소비자 가전 산업은 디바이스 신뢰성에 크게 의존합니다. 시뮬레이션과 테스트는 설계자가 제품이 제대로 작동하는지 확인할 수 있는 두 가지 도구입니다. 좋은 설계는 전체 PCB의 요구 사항을 예측하고 이러한 요구 사항을 충족하는 데 필요한 것을 제공해야 합니다. 안정적으로 제작하고 사용할 수 있는 기판을 만들기 위해서는 견고한 DFT, DFM 및 DFA 설계 관행이 필수적입니다.
설계자는 테스트 단계에서 기술자가 검사를 실행할 수 있도록 테스트 포인트 및 기타 테스트 기능을 PCB에 추가해야 합니다. 또한 좋은 설계는 보드 제조 및 조립을 용이하게 하는 규칙을 충족해야 합니다. 회로도와 시뮬레이션에 일찍 시간을 투자하면 개발 시간을 단축하고 최종 제품의 안정성을 높일 수 있습니다.
테스트용 디자인(DFT)
테스트와 검사는 PCB 제품 주기에서 필수적인 단계입니다. DFT는 회로의 기능을 더 쉽게 테스트할 수 있도록 PCB에 테스트 포인트와 같은 항목을 추가하는 것을 의미합니다. 추가 테스트 포인트는 엔지니어가 보드 제작 후 보드를 확인하는 데 도움이 됩니다. 목표는 제품 작동을 중단시킬 수 있는 제조상의 결함을 찾아서 확인하는 것입니다.
주요 DFT 아이디어
DFT의 두 가지 핵심 아이디어는 제어 가능성과 관찰 가능성입니다:
- 제어 가능성: 특정 회로 노드 또는 입력을 알려진 상태 또는 논리 값으로 설정하는 기능입니다.
- 관찰 가능성: 내부 노드 또는 출력의 상태 또는 로직 값을 볼 수 있는 기능입니다.
이 두 가지 아이디어를 통해 엔지니어는 설계를 알려진 시작 상태로 전환한 다음 내부 신호를 제어하고 관찰할 수 있습니다. 이를 통해 디바이스가 정상적으로 작동하는지 확인할 수 있습니다. 그런 다음 테스트를 통해 기능적 결함이나 제조상의 결함을 발견할 수 있습니다.
일반적인 기능 결함 및 점검
- A 기능적 결함 는 회로 동작 불량 또는 반복되는 기능 오류로 인해 시스템에서 부정확하거나 불량한 출력이 발생하는 것을 의미합니다.
- 오류는 코드 조정이나 사소한 수정으로 해결할 수 있지만 심각한 오류는 설계 변경이 필요함을 나타냅니다.
- 자세한 오류 진단 프로세스를 장애 모드 분석(FMA).
- 기능 테스트 중에 엔지니어는 라우팅된 전류, 핀 전압, 전력 레벨, 스위칭 및 타이밍 신호, 보드 온도도 확인합니다.
일반적인 제조 결함
제조 결함은 기판의 과도한 금속 잔여물, 도금 불량, 납땜 접합부의 오염, 유전체 문제 등의 문제에서 비롯됩니다. 이러한 문제는 단락, 개방 회로, 약한 납땜 접합부 또는 절연 실패로 이어질 수 있습니다. 이러한 결함의 위험을 최소화하고 결함이 발생할 경우 이를 쉽게 감지할 수 있도록 설계하는 것이 중요합니다.
DFT 기능을 추가하는 두 가지 방법
1. 임시 기술
- 원래 디자인을 크게 변경하지 않고 테스트 기능을 추가합니다.
- 임시 테스트 포인트를 사용하여 여러 개의 영구 테스트 패드를 추가하지 않고도 디바이스를 테스트할 수 있습니다.
- 장점: 비용 효율적이고 빠르게 구현할 수 있으며 초기 생산 실행 및 프로토타입에 적합합니다.
2. 구조적 기술
- 전용 테스트 포인트를 보드 설계에 통합하는 영구적인 솔루션입니다.
- 장점: 디버깅 간소화; 결함이 발생하면 영구적인 테스트 포인트를 통해 문제를 쉽게 찾고 수정할 수 있습니다.
- 대규모 제조 결함 탐지에 가장 적합합니다.
ICT - 회로 내 테스트
- ICT(회로 내 테스트) 는 일반적으로 못 고정 장치를 사용합니다.
- 기능: 저항, 커패시턴스 및 기타 수동 부품 값 측정, 아날로그 부품(예: 증폭기, 발진기)의 기능 확인, 단락, 개방 회로 또는 잘못된 부품과 같은 일반적인 문제 감지.
- 일반적인 설정: 테스터, 고정 장치 및 테스트 소프트웨어가 포함됩니다.
플라잉 프로브 테스트
- 간단하고 효과적인 형태의 ICT.
- 주요 특징: 프로브가 PCB에서 자유롭게 이동하여 필요한 테스트 지점을 터치할 수 있으며 고정된 고정 장치가 필요하지 않아 소량 생산 또는 프로토타입에 비용 효율적입니다.
- 장점: 설계 변경의 경우 테스트 포인트는 하드웨어 수정이 필요하지 않으며 테스트 프로그램만 업데이트하면 됩니다.
제조 가능성을 위한 설계(DFM)
부품 가용성과 제조 방법은 회사 및 국가마다 다릅니다. 전자파 적합성(EMC)은 디바이스가 시장에 출시되기 전에 반드시 충족해야 하는 또 다른 필수 표준입니다. 설계자는 설계가 사용 가능한 제조 공정에 부합하는지, 사용 가능한 구성 요소가 필요한 기능을 수행할 수 있는지, 최종 레이아웃이 지정된 크기 및 모양 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다. DFM(제조 가능성을 위한 설계) 쉽고 저렴한 비용으로 제조할 수 있도록 제품을 기획하고 설계하는 작업입니다.
DFM 목표
DFM은 PCB 생산 속도를 높이고 생산 시간과 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다. 다음은 DFM의 주요 점검 사항과 모범 사례입니다:
1. 구성 요소 선택
- 표준 구성 요소는 사용자 지정 구성 요소보다 더 안정적이고 비용 효율적이므로 제품에 가치를 더합니다.
- 표준 구성 요소를 사용하면 물류가 간소화됩니다. 맞춤형 구성 요소에 비해 고장 시 교체가 더 쉽습니다.
- 표준 구성 요소는 일반적으로 공차가 명확하고 납땜성이 우수합니다.
2. 보드 양식 및 레이아웃
- 고객이 지정한 모양과 크기 요구 사항을 준수합니다.
- 전원, 주파수 및 라우팅 요구 사항에 따라 커넥터 배치를 고려하고 회로를 그룹화하세요.
- 기능적으로 관련된 구성 요소를 가까이 배치하여 트레이스 길이와 간섭을 최소화합니다.
3. 부품 수 최소화
- 부품 수를 줄이면 비용이 절감되고 제조가 간소화되어 잠재적으로 PCB 레이어 수를 줄일 수 있습니다.
- 보드 면적, 전원 라우팅, 신호 무결성, 절연 요구 사항, 고속 신호 수에 따라 레이어 수를 결정합니다.
4. 디자인 요소 재사용
- 재사용 가능한 구성 요소를 설계하여 비용을 절감하세요(예: 잘 설계된 접지면은 구조 레이어, EMI 차폐 및 신호 무결성 향상기 역할을 할 수 있습니다).
- 최소 트레이스 너비, 트레이스 간 간격, 환형 링 크기를 통한 보정 등 DFM 규칙을 준수합니다.
5. 규정 준수 및 EMC
- 초기 설계 단계부터 EMC 및 전력 사용 규정 준수를 계획하여 제품 품질을 개선하고 비용이 많이 드는 재작업을 줄이세요.
- 조립 또는 성능 오류를 방지하기 위해 제조 후 보드 크기 또는 구성 요소 배치의 사소한 변경에 대한 허용 오차를 허용합니다.
6. 취급 및 포장
- 취급 중 손상을 일으킬 수 있는 비대칭 디자인은 피하세요(고장으로 이어질 수 있음).
- 깨지기 쉽거나 지나치게 유연한 부품의 사용을 최소화하세요.
- 배송 및 사용 중에 보드를 보호하기 위해 안전하고 컴팩트한 포장을 사용하세요.
조립용 디자인(DFA)
전자 산업은 부품 조립의 용이성에 의존합니다. 디바이스는 현지 및 글로벌 부품을 소싱하고 필요에 따라 조립하여 제조됩니다. 부품 수가 적을수록 조립 시간이 단축되고, 조립이 용이하도록 설계된 모듈은 전체 프로세스를 간소화합니다. DFA(조립용 디자인) 는 조립 편의성을 우선시하는 설계 방식으로 상당한 비용 절감 효과를 제공합니다.
DFA 모범 사례
1. 부품 다양성 감소
- 여러 위치에서 동일한 구성 요소를 사용하여 재고를 줄이고, 픽 앤 플레이스 작업을 간소화하며, 오류를 최소화하세요.
2. 부품을 쉽게 배치하기
- 방향을 쉽게 찾을 수 있도록 극성 마커가 선명한 구성 요소를 선택하세요.
- 실제 부품 치수와 일치하는 풋프린트를 설계하고 안정적인 납땜을 위해 충분한 패드 면적을 제공합니다.
3. 논리적으로 부품 그룹화
- 테스트 또는 튜닝이 필요한 클러스터 구성 요소.
- 기능별로 부품을 그룹화하여 질서 정연한 조립과 테스트가 가능합니다.
4. 자동 조립을 위한 설계
- 자동화된 생산 라인을 위한 픽 앤 플레이스 기계 및 리플로우 오븐과의 레이아웃 호환성을 보장합니다.
- 보드를 평평하게 유지하고 인접한 부품의 조립을 방해할 수 있는 높은 부품은 피하세요.
5. 수동 작업 허용
- 작업자가 수동 조립 단계를 위해 패드와 커넥터에 접근할 수 있는 공간을 확보하세요.
- 장비와 인력에 의한 정렬을 위해 기준점과 명확한 마커를 사용합니다.
6. 좋은 기계 설계 사용
- 인클로저에 쉽게 설치할 수 있도록 보드 모양과 장착 구멍을 설계합니다.
- 명확한 장착 지점을 제공하고 설치 시 보드에 스트레스를 유발하는 디자인을 피하세요.
실용적인 점검 및 예시
1. 트레이스 너비 및 간격
- 다음을 따르십시오. PCB 제조업체의 트레이스 너비 및 간격에 대한 최소 요구 사항입니다.
- 트레이스가 넓을수록 더 많은 전류를 전달하고 제조하기 쉬우며, 트레이스 사이의 충분한 간격은 단락 위험을 줄여줍니다.
2. 디자인을 통해
- 적절한 비아 크기와 환형 링을 선택합니다. 작은 비아는 공간을 절약할 수 있지만 도금하기가 더 어렵고 크기와 성능의 균형이 맞지 않을 수 있습니다.
3. 솔더 마스크 및 실크스크린
- 솔더 마스크를 사용하여 단락을 방지하고 납땜을 용이하게 합니다.
- 납땜 가능한 영역에 인쇄하지 않도록 실크스크린을 깨끗하게 유지하고 패드에서 멀리 떨어뜨려야 합니다.
4. 열 및 전력 계획
- 전원 부품이 열을 방출할 수 있도록 적절한 구리 면적을 할당하세요.
- 필요한 경우 패드에 열 완화 장치를 사용하고 민감한 부품 근처에 열이 쌓이지 않도록 전원 부품을 배치하세요.
5. EMI 및 접지
- 단단한 평면과 짧은 복귀 경로를 사용합니다.
- 고속 트레이스는 짧게 유지하고 임피던스를 제어합니다.
- 바이패스 커패시터를 전원 핀에 가깝게 배치하고 전원망을 주의해서 배선하세요.
6. 조립 테스트 포인트
- 다른 구성 요소에 방해받지 않고 프로브에 쉽게 접근할 수 있도록 테스트 패드를 배치합니다.
- 프로빙 중 손상을 방지하려면 표준 크기의 테스트 패드를 사용하세요.
7. 포장 및 배송
- 정전기 방지 패딩을 사용하여 보드를 보호하세요.
- 패키지 보드는 유닛 간의 구부러짐이나 접촉을 방지하고 노출된 커넥터와 깨지기 쉬운 구성 요소를 보호합니다.
결론
PCB 생산 주기에서 제조 비용의 약 70%는 초기 설계 단계에서 결정됩니다. 처음부터 DFM을 구현하면 비용을 절감하고 시장 출시 기간을 단축할 수 있습니다. DFT는 제조 후 기능을 보장하는 반면, DFA는 조립 시간과 비용을 줄여줍니다. 설계자는 DFT, DFM, DFA의 모범 사례를 따라 안정적이고 비용 효율적인 PCB를 제작할 수 있습니다.
간단한 체크리스트(빠른 검토용)
- 키 넷에 대한 테스트 포인트를 추가합니다.
- 그물을 제어하고 관찰할 수 있는지 확인하세요.
- 가능한 경우 표준 구성 요소를 우선시하세요.
- 파트 수와 레이어 수를 최소화합니다.
- 트레이스 폭과 간격에 대한 공급업체 사양을 준수합니다.
- 접지면을 사용하고 전원 핀 근처에 바이패스 커패시터를 배치하세요.
- 실제 컴포넌트 치수와 일치하는 풋프린트를 설계합니다.
- 테스트 프로브와 픽 앤 플레이스 도구를 위한 공간을 확보하세요.
- 취급, 포장 및 장착 계획을 세웁니다.
- 프로토타입에서 ICT 또는 플라잉 프로브 테스트를 수행합니다.
