How to Design a PCB (So a Manufacturer Won’t Reject It)

회로 기판을 보고 '그래, 난 저런 건 못 해'라고 생각한 적이 있으신가요? 할 수 있습니다.

즉시가 아닙니다. 처음부터 완벽하지는 않습니다. 그러나 작동하고, 문제없이 제조되며, 일주일 동안 디버깅하는 악몽으로 변하지 않는 PCB를 설계하는 방법을 확실히 배울 수 있습니다.

솔직히 가장 어려운 부분은 부품 배치나 라우팅 흔적이 아닙니다. 무엇을 먼저 해야 하는지, 무엇을 다시 확인해야 하는지, 그리고 이를 무시하면 나중에 어떤 문제가 발생할지 아는 것입니다.

그래서 이것은 실용적인 안내입니다. 회로도를 완성하고 이제 실제 보드를 손에 쥐고 싶어하는 친구에게 설명하는 방식입니다.

“회로 기판 설계'에는 실제로 무엇이 포함되나요?

사람들은 “PCB 설계”를 마치 한 단계인 것처럼 사용합니다. 사슬에 가깝다고 할 수 있습니다.

요구 사항 및 제약 조건 정의
회로도(논리 회로) 만들기
풋프린트 할당(물리적 패키지)
보드 윤곽과 기계적 제약 조건 만들기
의도가 있는 컴포넌트 배치
경로 추적 및 평면
설계 규칙 검사 및 전기 검사 실행
제조 파일 생성
제작 및 조립하기
테스트, 수정, 반복

2~8단계는 PCB CAD 도구에서 수행할 수 있습니다. 나머지는, 음.. 실생활입니다.

1단계: 명확한 요구 사항으로 시작하세요(이렇게 하면 나중에 시간을 절약할 수 있습니다).

KiCad나 Altium 등을 열기 전에 간단한 체크리스트를 적어 두세요.

이사회가 하는 일을 한 문장으로 요약하면 무엇인가요?
입력 전압 범위? 역극성 위험?
모든 레일의 최대 전류는?
보드는 얼마나 커질 수 있나요?
어떻게 장착하나요? 나사, 스탠드오프, 클립?
어떤 커넥터가 어디를 향해야 하나요?
민감한 신호가 있나요? 고속, 아날로그, RF, 저잡음?
환경. 열, 진동, 습기?
목표 비용 및 수량

지루하게 느껴지지만 모든 것을 형성합니다. 좋아요. 2개 레이어가 필요한지 4개 레이어가 필요한지. 흔적이 두툼하고 관대해야 하는지 아니면 임피던스 제어가 필요한지 여부.

2단계: 회로도 캡처(및 읽기 쉽게 만들기)

PCB는 회로도에서 시작됩니다. 회로가 간단하더라도 제대로 만들어야 합니다.

성가시게 들리지만 디버깅을 훨씬 쉽게 만들어주는 몇 가지 규칙을 소개합니다:

모든 곳에 긴 전선 대신 네트 라벨 사용
기능별 그룹: 전원, MCU, 센서, 커넥터
나중에 PCB뿐만 아니라 회로도에서도 IC 전원 핀 옆에 디커플링 커패시터를 배치합니다.
지금 테스트 포인트를 추가하세요. 나중에 스스로에게 감사하게 될 것입니다.
임의 메모가 아닌 필드에 부품 값과 부품 번호를 입력합니다.

또한 핀아웃을 메모리에 의존하지 마세요. 배선 기호는 항상 데이터시트를 사용하세요. 특히 레귤레이터와 USB, 그리고 여러 접지나 노출된 패드가 있는 모든 기호의 경우 더욱 그렇습니다.

다음 단계로 넘어가기 전에 잠시 정신 차리기

스스로에게 물어보세요:

필요한 곳에 풀업과 풀다운이 있나요?
LED용 전류 제한 저항기가 있나요?
마이크로 컨트롤러 보드인 경우 프로그래밍 또는 디버그 헤더를 포함했나요?
전원 입력에 보호 장치가 있나요? 최소한 퓨즈 또는 폴리퓨즈, 외부 커넥터인 경우 TVS 다이오드일 수 있습니다.

3단계: 실생활에 존재하는 구성 요소 선택하기

많은 첫 번째 보드가 여기서 죽습니다. 회로도에서는 모든 부품이 작동합니다. 제조 현장에서는 풋프린트와 가용성이 좋은 부품만 작동합니다.

부품을 선택할 때 주의하세요:

실제로 납땜할 수 있는 패키지 크기(0603은 괜찮음, 0402는 귀찮음, QFN은 가능하지만 주의가 필요함)
공급망 가용성. 유니콘 부품을 고르지 마세요
마진이 있는 전압 및 전류 정격
커넥터의 경우 기계 도면을 확인하세요. 추측하지 마세요.

나중에 다시 주문할 수 있는 제품을 제작하는 경우, 잘 지원되는 시리즈의 부품을 선택하세요. 미래의 자신은 덜 화를 낼 것입니다.

4단계: 발자국. 실수가 큰 대가를 치르는 곳

모든 회로도 기호에는 정확한 물리적 부품과 일치하는 풋프린트가 필요합니다.

초보자가 실수로 구리가 묻은 컵 받침 10개를 주문하는 부분입니다.

이 작업을 신중하게 수행하세요:

핀 수와 핀 간격 일치
패키지 변형과 일치(SOIC는 TSSOP가 아니며, QFN은 다양한 크기로 제공됨)
다이오드, 전해질, IC 핀 1의 극성 마커를 확인합니다.
사용자 지정 풋프린트를 만든 경우 코트야드 및 솔더 마스크 개구부를 확인합니다.

저는 다음과 같은 간단한 점검을 즐겨합니다.

PCB를 종이에 1:1로 인쇄하고 그 위에 실제 부품을 놓습니다. 특히 커넥터.

저급한 기술처럼 들립니다. 작동합니다.

다음 단계로 넘어가기 전에, 철저한 PCB 검사 를 사용하여 모든 발자국과 배치가 정확한지 확인합니다.

5단계: 보드 윤곽선 및 레이어 스택 설정하기

이제 PCB 레이아웃으로 이동합니다.

시작하기:

보드 모양 및 치수
장착 구멍 및 킵아웃 영역
커넥터 배치 제약 조건(가장자리에 있는 USB 등)
레이어 수 결정

2 레이어 대 4 레이어

대부분의 취미용 보드와 많은 상업용 보드의 경우 2레이어로도 충분합니다.

하지만 다음과 같은 경우 4개의 레이어가 필요할 수 있습니다:

고속 신호(USB 2.0, 고속 에지, DDR 등)가 있는 경우
더 나은 접지 기준과 적은 노이즈가 필요합니다.
BGA 또는 많은 미세 피치와 같은 고밀도 부품을 라우팅하는 경우
전력 무결성이 더 쉬워지기를 원합니다.

일반적인 4계층 스택은 다음과 같습니다:

상단 신호, 접지면, 전원면, 하단 신호.

필수는 아닙니다. 하지만 좋은 기본값입니다.

6단계: 의미대로 컴포넌트 배치하기

배치는 장식이 아닙니다. 전기적 성능, 제조 가능성 및 건전성입니다.

다음은 실제로 작동하는 배치 순서입니다:

커넥터와 사용자 인터페이스 부품(버튼, LED, 디스플레이)을 최우선으로 고려하세요.
전원 입력 및 전원 조절 섹션을 다음에 배치합니다.
메인 컨트롤러 또는 메인 IC 배치
주변에 지지 부품(크리스탈, 디커플링, 부트 저항기)을 배치합니다.
기능 블록 배치: 센서, 드라이버, 연산 증폭기 등
테스트 포인트 및 프로그래밍 헤더 배치

소음과 이상 현상을 방지하는 배치 팁

유지 디커플링 커패시터 IC 전원 핀에 매우 가깝습니다. “약간 가깝다”가 아니라. 바로 옆에
아날로그 섹션을 스위칭 레귤레이터에서 멀리 떨어뜨려 놓으십시오.
고전류 루프를 단단하게 유지합니다. 짧고 넓은 트레이스, 최소한의 루프 영역
크리스털을 MCU에 가깝게 유지하고 가능한 경우 비아를 사용하지 않고 트레이스를 짧게 라우팅합니다.
라우팅을 위한 공간을 남겨두세요. 모든 것이 가장자리에서 가장자리까지 꽉 차 있으면 라우팅이 퍼즐이 되어 버립니다.

또한 조립에 대해서도 생각해 보세요. 공장에서 보드를 조립하는 경우, 일관된 방향과 픽 앤 플레이스에 충분한 여유 공간이 있어야 합니다.

7단계: 디자인 규칙을 조기에 정의하기(간격, 너비, 비아 크기)

PCB 도구가 알아야 할 사항 제조 제한.

많은 팹의 일반적인 안전 기본값입니다:

트레이스 폭: 신호의 경우 6밀리 또는 8밀리(넓을수록 편함)
클리어런스: 6밀리 또는 8밀리
비아 드릴: 0.3mm, 직경 0.6mm(팹 확인)
솔더 마스크 확장: 팹 기본값은 일반적으로 괜찮습니다.

하지만 추측하지 마세요. 제조업체 기능을 사용하세요. 각 팹에는 기능 페이지가 있습니다. 저렴한 프로토타입을 만들려면 보수적으로 유지하세요.

전류의 트레이스 폭

신호가 얇을 수 있습니다. 전력 트레이스는 종종 더 넓어야 합니다.

추적에 1A 이상이 있는 경우 6백만 달러로 실행하지 말고 희망하세요. 사용 트레이스 너비 계산기 또는 넓고 짧게 만드세요. 또는 구리를 붓습니다.

8단계: 보드 배치하기(그리고 침착하게 유지하기)

라우팅은 사람들이 집착하거나 포기하는 곳입니다. 라우팅은 마법이 아닙니다. 우선순위의 집합입니다.

지상 전략

2개 레이어에 있는 경우 한쪽의 접지면은 금색입니다. 반대편에 신호를 최대한 많이 라우팅한 다음 비아로 접지를 스티치합니다.

그라운드를 분할해야 한다면 의도적으로 분할하세요. 대부분의 경우 초보자는 그라운드를 분할하지 말아야 할 때 분할하는 경우가 많습니다. 일반적으로 연속적인 접지면이 더 좋습니다.

도움이 되는 몇 가지 라우팅 습관

파워를 위해 긴 스키니 트레이스를 피하세요.
도구로 쉽게 할 수 있다면 45도 모서리 또는 호를 사용하세요. 90도 모서리가 저속에서 나쁘기 때문이 아니라 더 깔끔하게 경로를 지정하기 때문입니다.
민감하거나 빠른 신호의 비아 최소화
리턴 경로를 염두에 두세요. 신호 아래에는 일반적으로 접지면에 리턴 전류 경로가 필요합니다.

차동 쌍(USB 등)

USB D+ 및 D-가 있는 경우 다음과 같이 라우팅합니다. 일관된 간격과 길이 매칭이 가능한 차동 쌍, 를 클릭하고 스택업이 지원하는 경우 올바른 임피던스를 사용하세요. 일반적으로 CAD 도구는 스택업을 기반으로 너비를 계산할 수 있습니다.

모르더라도 괜찮습니다. 그러나 프리스타일을 사용하지 말고 한 쪽은 보드 주위에 뱀을 추적하고 다른 쪽은 똑바로 가도록 하세요.

9단계: 구리 타설, 열 릴리프 및 스티칭 비아 추가하기

구리 타설은 임피던스를 줄이고 발열에 도움이 될 수 있습니다. 일반적인 타설:

상단 및 하단의 접지 부어(GND 망에 연결)
필요한 경우 고전류 레일용 전원 공급 장치

타설물에 연결된 스루홀 패드에는 열 릴리프를 사용하세요. 그렇지 않으면 수작업 납땜이 힘들어지고 재작업도 더 어려워집니다.

스티칭 비아를 추가하여 상단과 하단 접지 타설물을 연결합니다. 특히 주변, 커넥터 근처, 스위칭 레귤레이터 근처에 특히 주의하세요.

10단계: 실크스크린. 친근한 보드 만들기

실크스크린은 단순한 라벨이 아닙니다. 바로 사용성입니다.

포함:

최소한 주요 부품에 대한 참조 지정자(R1, C5, U2)
다이오드, 전해질, LED의 극성 표시
IC용 핀 1 마커
커넥터 라벨. TX, RX, 5V, GND 등
보드 이름, 버전, 날짜 또는 수정본

빵 부스러기를 남겨두세요. 몇 달 후 이 게시판으로 돌아와도 아무것도 기억나지 않을 것입니다.

11단계: 내보내기 전에 검사 실행하기

CAD 도구에서 이 작업을 수행합니다:

회로도의 ERC(전기 규칙 확인)
PCB의 DRC(설계 규칙 확인)
연결되지 않은 그물 확인
허가 위반
환형 링 및 드릴 점검

그런 다음 사람이 직접 확인합니다:

모든 커넥터가 올바른 방향을 향하고 있나요?
장착 구멍이 올바른가요?
보드 가장자리에 인클로저와 충돌할 수 있는 부품이 있습니까?
TX와 RX를 교체하셨나요? 그렇습니다.
모든 편광 부품이 회로도와 실크스크린과 일치합니까?

가능하다면 3D 보기를 해보세요. 현재 많은 도구가 이를 지원하며 어리석은 기계적 문제를 빠르게 포착할 수 있습니다.

12단계: 제조 파일 생성(거버, 드릴 및 메모)

대부분의 PCB 제조업체가 원합니다:

거버 파일 (또는 때로는 단일 거버 패키지 지퍼)
드릴 파일(엑셀론)
보드 개요
읽기 도움말 또는 제작 노트(선택 사항이지만 도움이 됩니다)
조립용: BOM 및 픽 앤 플레이스 파일(중심선), 조립 도면

프리셋을 제공하는 경우 팹에서 권장하는 설정을 사용하여 내보내세요.

한 가지 더. 레이어 이름을 명확하게 지정하세요. 그리고 버전을 유지하세요. “final final v7”은 그렇지 않을 때까지는 재미있어요.

13단계: 문제가 예상되는 대로 프로토타이핑하기(문제가 있을 수 있으므로)

먼저 소량으로 주문하세요. 디자인이 “단순”한 경우에도 마찬가지입니다.

보드가 도착하면

밝은 조명 아래에서 검사
플러그를 꽂기 전에 전원 레일에 단락이 있는지 확인하세요.
가능하면 벤치 공급 장치와 전류 제한을 사용하여 전원을 천천히 올리세요.
레일, 클록, 프로그래밍, 주변 장치 순으로 검증하기

무언가 실패하더라도 당황하지 마세요. 체계적으로 디버그하세요. 대부분의 초기 PCB 버그는 그렇습니다:

잘못된 풋프린트 또는 잘못된 핀 매핑
누락된 풀업 또는 풀다운
전원 시퀀싱 또는 레귤레이터 안정성 문제(잘못된 캡)
스위칭 레귤레이터 관련 레이아웃 문제
접지 또는 반환 경로 문제
간단한 방향 오류

정상입니다.

작동하는 간단한 도구 스택(소프트웨어를 선택하는 경우)

KiCad무료, 매우 유능한, 훌륭한 커뮤니티
EasyEDA: 빠른 클라우드 워크플로우를 원하는 경우 편리함
Altium: 업계 표준, 고가, 강력한 성능
오토데스크 퓨전 전자 장치: 워크플로우에 따라 다름

초보자에게는 KiCad가 강력한 시작점이며 더 이상 장난감이 아닙니다.

이상하게도 피하기 쉬운 초보자의 흔한 실수

디커플링 커패시터 잊어버리기

대부분의 IC는 각 전원 핀에 0.1uF를 가까이 두고 근처에 벌크 커패시터(예: 4.7uF 또는 10uF)를 필요로 합니다. 데이터시트를 읽어보세요.

무작위 발자국 신뢰하기

라이브러리의 발자국이 도움이 되지만 데이터시트와 비교하여 확인하세요. 항상.

프로그래밍 헤더를 불가능한 곳에 배치하기

펌웨어를 플래시해야 하는 경우 헤더를 디스플레이 아래에 숨기거나 인클로저 벽에서 1mm 떨어진 곳에 두지 마세요.

테스트 포인트 없음

GND, 3V3, 5V, RX, TX용 패드만 사용해도 됩니다. 프로빙이 가능합니다.

스위칭 레귤레이터 레이아웃 “방금 라우팅”

스위칭 레귤레이터에는 레이아웃 가이드라인이 있는 데에는 이유가 있습니다. 데이터시트의 참조 레이아웃을 최대한 가깝게 따르세요.

마지막 생각(그리고 실제로 보드를 제작하는 부분)

PCB 설계는 반복입니다. 설계하고, 제작하고, 배우고, 수정합니다. 두 번째 기판은 항상 첫 번째 기판보다 깨끗합니다.

추측 없이 거버를 완성하고 결승선을 통과할 수 있도록 도와줄 수 있는 제조 파트너를 원한다면 이는 매우 중요합니다. 아주 중요하죠.

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자주 묻는 질문(FAQ)

회로도부터 완성된 보드까지 PCB를 설계하는 데 필요한 주요 단계는 무엇인가요?

PCB 설계에는 요구 사항 및 제약 조건 정의, 회로도 생성, 풋프린트 할당, 보드 외형 및 기계적 제약 조건 설정, 신중하게 부품 배치, 트레이스 및 평면 라우팅, 설계 규칙 및 전기 검사 실행, 제조 파일 생성, 보드 제작 및 조립, 마지막으로 필요에 따라 테스트 및 반복 등 일련의 단계가 포함됩니다.

명확한 요구 사항을 가지고 PCB 설계를 시작하는 것이 중요한 이유는 무엇일까요?

명확한 요구 사항으로 시작하면 PCB 설계의 모든 측면을 구체화하는 데 도움이 됩니다. 보드의 기능, 입력 전압 범위, 전류 제한, 크기 제약, 실장 방법, 커넥터 요구 사항, 민감한 신호, 환경 조건, 목표 비용 및 수량을 파악하면 프로젝트의 요구 사항에 맞는 레이어 수(2개 또는 4개), 트레이스 폭, 임피던스 제어 및 부품 선택과 같은 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.

회로도를 더 읽기 쉽고 디버깅하기 쉽게 만들려면 어떻게 해야 하나요?

회로도 가독성을 높이려면: 모든 곳에 긴 선 대신 네트 라벨을 사용하고, 전원 섹션이나 센서와 같은 기능별로 구성 요소를 그룹화하고, 회로도에서 IC 전원 핀 옆에 디커플링 커패시터를 배치하고, 테스트 포인트를 일찍 추가하고, 메모 대신 전용 필드에 부품 값과 번호를 포함하고, 특히 복잡한 부품은 항상 데이터시트로 핀아웃을 교차 확인합니다.

PCB용 부품을 선택할 때 고려해야 할 사항은 무엇인가요?

사용 가능한 풋프린트와 공급망 지원을 갖춘 실제 존재하는 구성 요소를 선택하세요. 납땜할 수 있는 패키지 크기(0603은 관리 가능, 0402나 QFN 같은 작은 크기는 주의가 필요), 마진을 포함한 전압/전류 정격, 특히 커넥터의 기계 도면에 주의하고 향후 재주문을 계획하는 경우 지원이 잘 되는 시리즈에서 부품을 선택해야 합니다. 소싱하거나 교체하기 어려운 ‘유니콘’ 부품은 피하세요.

내 발자국이 실제 물리적 부품과 정확하게 일치하는지 확인하려면 어떻게 해야 하나요?

핀 수와 간격을 정확히 일치시키고, 패키지 변형(예: SOIC 대 TSSOP)을 확인하고, 다이오드 또는 전해질의 극성 마커를 확인하고, 특히 맞춤형 풋프린트의 경우 코트야드 치수와 솔더 마스크 개구부를 확인해야 합니다. 실용적인 팁은 PCB 레이아웃을 종이에 1:1로 인쇄하고 실제 부품을 그 위에 실제로 배치하여 계속 진행하기 전에 적합성을 확인하는 것입니다.

언제 2레이어보다 4레이어 PCB를 선택해야 하나요?

고속 신호(예: USB 2.0 또는 DDR)가 있거나, 노이즈를 줄이기 위해 더 나은 접지 레퍼런스가 필요하거나, BGA 또는 미세 피치 IC와 같은 고밀도 부품을 라우팅해야 하거나, 향상된 전력 무결성을 원하는 경우 4레이어 PCB를 사용하는 것이 좋습니다. 일반적인 4레이어 스택에는 상단 신호 레이어, 접지면, 전력면 및 하단 신호 레이어가 포함되어 있어 많은 취미용 프로젝트에 적합한 일반적인 2레이어 보드에 비해 이러한 요구 사항을 쉽게 충족할 수 있습니다.

PCB를 설계하는 방법(제조업체가 거부하지 않도록)