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PCB 설계 검증 자동화 란?

PCB 설계가 완료되면 PCB의 제조 및 부품 조립 공정에서 발생할 수 있는 불량 요소들을 사전에 검사(검증)하는 과정(Design Review)이 반드시 필요한데, 이런 과정을 일반적으로 전자캐드(ECAD) 프로그램에서 제공하는 DRC(Design Rule Check)와 육안 검사(Eye Check) 단계를 거치는 경우가 많다. 

하지만, Design Review 과정을 거치면서도 실제 제조(생산) 현장에서는 다양한 불량이 발생하고 있는 것이 현실이다. 불량 발생의 원인은 상당히 광범위하게 발생하지만, 대표적인 Design Review의 문제점은 아래와 같다. 

1) Design Review의 프로세스 부재

2) Design Review의 전문성·표준화 미비

3) Design Review의 Cross-Check 로 인한 Human Resource 부족

4) Design Review의 Human Error 발생

5) Design Review의 재발 방지 대책 및 후속 조치 미흡

본 기고에서 제안하는 PCB 설계 검증 자동화는 Design Review 과정을 기존의 DRC(Design Rule Check), 육안 검사(Eye Check)에 DFM(Design for Manufacturing) 과정을 추가로 수행하는 것이다. 다만, 기존의 Design Review 과정에서 DFM(Design for Manufacturing) 과정만을 추가하는 것이 아니라, 설계 과정에서의 DRC(Design Rule Check)를 반드시 수행하고 육안 검사(Eye Check) 항목 중 표준화·정량화가 가능한 검사 항목들을 DFM 영역으로 전환하게 된다면 기존의 Design Review 과정보다 효율적이고 균일한 PCB 설계에 대한 검사(검증)가 가능하다. 

DFM(Design for Manufacturing)이란?

DFM이란 Design for Manufacturing의 약자로 “제조(생산)를 위한 디자인”을 의미한다. 

이런 용어는 비단 PCB 관점에서만의 용어가 아닌 모든 종류의 설계 CAD를 활용한 디자인(설계)을 한다면 제조(생산) 관점에서의 사전 검사(검증)가 필요하다. 

• 제조의 상황을 고려해 부품, 기기의 설계를 하는 것. 

• 부품 수를 감소하고, 제조 공정이나 조립 및 검사/시험도 쉽게 수행하도록 해 전체의 공수나 비용(Cost)을 감소시 키고, 신뢰성이 높은 제품을 만들기 위한 설계. 

• 생산성 설계라고 불린다. (자료: PCB/SMT/PACKAGE/DIGITAL 용어 해설집, 2010.)

제품 개발 과정에서 DFM(Design for Manufacturing)적인 활동을 위한 개발자들의 역할이 무엇인지 확인이 필요하다. 하지만 용어 해설집에서 확인 가능하듯이 이미 모든 개발자들은 회로 및 PCB 설계 과정에서 DFM적인 활동을 하고 있다고 생각한다. 제품 개발 과정에서 최적의 부품 검색, 부품 수를 줄이기 위한 회로 개발, PCB 설계(Artwork) 과정의 Stack-up 관리 / Via Type 설정 / 부품 실장 / 배선 등을 고려한다. 또한, 개발 단계별 Debug 과정을 통한 최적화 및 각종 시험 과정을 통해서 제품의 신뢰성을 확보하기 위한 노력 등 무수히 많은 수고를 아끼지 않고 있기 때문이다. 

하지만, 최근 집적화, 소형화, 타임투마켓(Time to Market)이 강조됨에 따라 기존 방식으로 Design Review를 진행하는데 여러 이유로 한계를 느끼게 된다. 특히, 반복되는 불량 이슈에 대한 관리가 반드시 필요하게 된다. 

불량 이슈가 반복되는 이유는 앞에서 언급된 Design Review의 문제점과 다르지 않다. 이런 부분을 해결하기 위해서 방안을 생각해보자.

PollEx DFM을 활용한 PCB 설계 검증 자동화 구현 

국내외에서 사용되는 대부분의 전자캐드(ECAD) 프로그램에서 추출된 ASCII를 PollEx PCB로 변환하는 과정을 통하면 전자캐드(ECAD)에서 표현되는 모든 부품/배선 정보가 똑같이 표현된다. 이런 환경을 기반으로 검사 Rule 파일(*.DFMI)을 선택하면 검증 결과가 자동으로 생성된다.

PollEx DFM의 검사 항목 1 - Board

많은 개발자들이 연배열 보드에 관심을 보이지 않는 경우가 많이 있지만, 연배열 보드는 PCB 제조 과정에서의 표준화/효율성과 매우 밀접한 관계가 있다는 것을 알 수 있다.

1) 연배열 보드의 표준 크기

2) ‌Dummy PCB의 최소 크기 및 Mash Copper 적용 여부

3) Guide Hole의 크기와 위치

4) Fiducial Mark의 표준 크기와 위치

5) 외형 가공(Router & V-Cut 적용)

6) Soldering Direction Mark

7) 연배열 보드의 순서 Mark(번호)

8) 전자캐드(ECAD)에 적용된 PCB Outline 넓이

PollEx DFM의 검사 항목 2 - Placement

일반적으로 PCB에 실장 되는 부품의 경우, 실장 형태에 따라 SMD(Surface Mount Device) & IMD(Insert Mount Device)로 구분하며, 이를 패키지 형태에 따라 BGA, QFP, SOP, 전해CAP, CHIP, CONNECTOR, X-TAL, TRANSFORMER 등으로 구분하기도 한다.

이런 부품들을 배치할 때 신호/열의 흐름과 배선의 효율성을 고려해 결정하는 것도 중요하지만, 제조 과정의 생산성/신뢰성을 고려한 부품 배치도 매우 중요하다. 참고로, 부품 배치는 부품 실장 단계(공정)가 결정되는 요소이기도 하다.

1) 부품의 종류와 특성을 고려한 부품 배치 간격

2) 부품 실장 단계(공정)를 고려한 부품 배치 층(Layer)

3) ‌PCB의 휨, Soldering 방향 등을 고려한 부품 배치 각도

4) 기구물 등 배치 금지 구역을 고려한 부품 배치 위치

5) 고정 부품의 정확한 부품 배치 위치

6) ‌Heatsink, Eyelet등 쌍으로 존재 하는 부품의 존재 여부 및 간섭 검사

PollEx DFM의 검사 항목 3 - Pattern (Routing)

PCB 설계의 배선 단계에서 제일 중요시 되어야 하는 것은 신호 품질, 전원 공급 등이다.  다만, 이에 앞서 PCB DFM 관점에서 PCB의 제조 가능성과 단가를 결정하고, Soldering 신뢰성 확보를 위한 부가적인 배선 처리가 필요한 부분들이 다수 존재한다.

1) 배선의 최소 폭

2) ‌배선, PAD, Via간의 최소 간격(Same Net/ Other Net 구분 관리 필요)

3) 특정 영역(BGA 등)의 배선 폭, Via 종류/위치 

4) ‌Via의 종류(Buried-Blind Via, Laser Via, Stack-Up Via Type)와 최소 크기

5) ‌PAD의 납땜성/신뢰성 향상을 위한 Thermal Relief/Tear Drop 적용

6) ‌PAD에서 인출되는 배선 폭의 한계, 인접 PAD와의 연결 상태 제한

7) 부품 및 기구물 간섭 등 배선, Via의 배치 금지 구역

PollEx DFM의 검사 항목 4 - Silk Screen

 

모바일 제품 및 소형화 기기의 경우 Silk(Silk Screen)을 인쇄하지 않는 경우가 많이 있지만, 그렇지 않은 PCB에서는 여전히 많은 중요한 역할을 한다. 특히 관심을 가져야 하는 부분은 Silk와 PAD 또는 Solder Mask와 겹치지 않았는지 확인하는 것이다. 이 부분이 중요한 이유는 Silk와 PAD가 겹치는 경우, 반드시 Soldering에 문제가 생기기 마련이다. 그러나 이러한 부분들이 문제시 되지 않는 경우가 대부분인데 그 이유는 PCB 제조 과정의 일부인 CAM작업 과정에서 보정되기 때문이다. 여기서 필자가 중요하다고 생각하는 부분은, Silk 문제를 떠나 CAD Tool에 의해 설계된 데이터와 그 결과물인 Bare Board PCB가 서로 다르면 안 된다는 것이다.

1) ‌부품의 극성 마크(Polarity Mark), 1번 핀 마크(1st Pin Mark), 핀 개수 마크(Pin count Mark)의 존재 여부

2) Silk의 최소 넓이

3) ‌부품의 Reference Name 존재 여부 및 정렬 순서 검사

4) Silk간 겹치는지 검사

5) Silk와 Via, PAD, Solder Mask가 겹치는지 검사

6) ‌부품 배치 영역에 배치된 Reference Name의 존재 여부 검사

7) ‌Reference Name의 PCB Outline 외부에 존재 여부 검사

PollEx DFM의 검사 항목을 살펴보면 PCB제조 공정과 부품 조립 단계의 불량 이슈를 포함해서 생산성이나 효율성과 관련한 내용들도 다수 포함돼 있다. 

또한, PCB 설계 과정에서 발생할 수 있는 개발자의 Human Error 요소들도 다수 포함돼 있다는 것이 확인된다. 

이처럼 다양한 DFM(Design for Manufacturing) 항목들을 효과적으로 운영하기 위한 DFM Manager의 역할이 무엇보다 중요하다. 

일반적인 경우 회사 내부 문서에 PCB Design Rule에 대한 기준 문서가 존재한다. 기준 문서를 작성하는 과정은 한두 명의 담당자에 의해서 진행되기 보다는 DFM Manager, H/W 개발자, PCB 설계자, 제조·생산 담당자, CAE 담당자 등 관련 업무 담당자들의 협의체를 구성해 작성 및 개정되는 것이 바람직하다.(가급적 짧은 주기의 정기적 협의 진행) 

DFM Manager는 Design Rule 협의체의 회의 결과를 취합해 PollEx DFM의 검증 Rule(*.DFMI)에 즉시 반영 및 개발자들에게 공지와 교육을 진행해야 한다. 만약 공지와 교육이 충분히 전달·숙지되지 않아도, PollEx DFM이 변경된 Rule에 의거해 검사(검증)를 수행하기 때문에 최소한의 Gate 역할은 할 수 있다. 다만, 이 과정에서도 개발자에게 변경된 Rule에 대해서는 전달·숙지 되도록 계속적으로 노력이 필요하다는 것에 주의해야 한다. Design Guide를 정확하게 인지한 설계와 그렇지 않은 설계는 반드시 차이가 발생한다. 

DFM Manager는 개발자들이 PollEx DFM을 누구나 쉽게(자동화) 어떤 개발 단계에서도 사용 할 수 있도록 시스템을 운영·관리해야 하며(Core-Running/Batch Process제공), 업무 Process의 정립을 통해 DFM 설계 검증 과정이 선택이 아닌 필수의 단계로 인식되도록 하는 역할이 필요하다. 

글 : 캐드닉스 김호진 차장