BIPA산업기술교육센터

부천산업진흥재단에서 PCB 설계 교육을 담당하고 있는 정성인 강사님께서 교육생들의 이해를 돕기 위해 정기적으로 관련자료를 업데이트 할 예정이니, 참고하시기 바랍니다. 본 게시물의 저작권은 작성자에게 있으며, 출처를 밝히는 경우 배포가 가능합니다.
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전자부품의 배치 기술 (2)
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전자부품을 기판에 배치한다는 의미는 신호 흐름에 따라 단순하게 배치하는 개념이 아니다. 회로가 가지고 있는 Noise 문제(특히 Radiated Emission 문제), EMI 문제, 고속신호에서의 Impedance Matching 문제, 불필요한 성분의 유입 등을 고려한 포괄적인 이해가 요구되고 있다. 
부품 배치는 ① 전원부(파워&amp;그라운드) -&gt; ② Clock Line -&gt; ③ Critical Line(중요 신호선) -&gt; ④ General Line(일반신호선)의 순서에 따라 배치해야 한다. 이것은 나중에 ‘배선 설계’에서 좀 더 세밀하게 다루고자 한다. 
 일부 회로 설계자는 자신이 설계한 회로도(Schematic Drawing)가 기판에 구현될 때, 아무런 방해요소 없이 동작되리라는 그릇된 생각을 하고 있다. 이것은 매우 잘못된 판단을 하고 있다. 시스템에 적절한 회로가 제대로 설계되었다고 하더라도 기판의 올바른 설계가 적절히 구현되지 못한다면, 시스템 동작에 예상하지 못했던 이상 동작이 제품 테스트과정에서 발생하는 경우가 의외로 많이 나타나게 된다. 기판 은 실제적으로 회로나 시스템의 동작의 여부를 가름하는 현실적인 설계이기 때문이다. 
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이에 따라 부품의 배치에 대한 몇 가지 규칙에 대해서 설명하면 다음과 같다.
&nbsp;- 커넥터의 정보에 따라 부품을 배치한다.
&nbsp;&nbsp; ;커넥터를 최우선적으로 배치해야 한다.
&nbsp;&nbsp; ;커넥터의 위치에 따라 배치가 전혀 다른 배치가 될 수 있다.
&nbsp;- 커넥터가 왼쪽에 배치되었을 경우 회로도의 흐름에 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 배치한다. 
&nbsp;&nbsp; ;대부분 커넥터가 왼쪽에 배치되어 있는 경우가 많다.
&nbsp;- 충분한 배선이 지나갈 수 있도록 배치한다.
&nbsp;- 회로도를 블록화하여 배치해야 한다.
&nbsp;&nbsp; ;블록화하여 배치하면, 신호의 길이를 대체로 짧게 만들 수 있다.
&nbsp;&nbsp; ;블록화는 방사 노이즈를 억제하는 역할도 담당한다.
&nbsp;- 여러 개의 그라운드/전원은 같은 그라운드/전원끼리 모아서 배치한다.
☞ 아래 부분에 설명
&nbsp;- 실장 부품의 전체 무게가 기판에 균등하게 되도록 배치를 해야 한다. &nbsp;
※ 하드웨어 설계자(회로적 특성, 특이사항)나 기구물 설계자(기판의 구조, 시스템간의 연관성)와 기판에 대해서 충분한 협의가 필요하다. 
※ 여러 개의 그라운드/전원은 같은 그라운드/전원끼리 모아서 배치한다.
과거에는 단일전원, 단일 그라운드가 대부분을 차지하였으나 시스템 구조가 복잡해지고 고속 및 경량화 추세로 여러 개의 전원과 여러 개의 그라운드를 기판에 사용되고 있다. 이에 따라 기판에 다전원이 사용될 때 부품의 배치는 어떻게 형성하면 되는지에 대해 예를 들어 설명하고자 한다. 그림 1에 여러 가지 전원에 대한 배치 방법을 나타내었다.
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<img src="http://image.postman.co.kr/postman2011/user/20150907/bipf_e3b94a8002498db6619fb8699c2ca067.jpg" border="0" data-cke-saved-src="http://image.postman.co.kr/postman2011/user/20150907/bipf_e3b94a8002498db6619fb8699c2ca067.jpg" />
 
그림 1. 여러 가지 전원에 대한 배치 방법
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외부로부터 입력되는 전원이 +24V/10A, +12V/3A, +5V/300mA 그리고 +3.3V/1A라고 가정하자. 그리고 그림 1과 같이 배치되었다고 한다면, 그림 1은 적절한 배치가 되었는가?
☞ 정답은 적절하지 못한 배치이다.
☞ 해설
전기전자는 전압과 전류를 적절히 가공하여 필요로 하는 전압이나 전류를 재생산해 내는 일련의 과정을 거친다. 이러한 과정을 하드웨어 설계라고 한다. 
배치의 가장 우선순위는 전원부이다. (상기에서 설명하였다.)
전원부에서 전압을 고려한다면, +24V와 +3.3V간에 전위차가 매우 크게 나타나는데, 이것은 커플링(coupling)이 발생할 가능성이 매우 높다. 그리고 이번에는 전류에 대해서 살펴보면, +24V/10A와 +3.3V/1A간에 유동성분(inducing)이 발생할 가능성이 매우 높다. 전류량이 매우 높은 전원들이 같은 층에 배치할 경우에는 충분한 이격거리를 확보해야 한다. 
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배치는 설계자의 숙련도에 따라 큰 여향을 미치고 있으며, 배치하는 방법에 따라 기판의 온도와 밀접한 관련이 있다. 특히 적절하지 못한 배치는 방사 노이즈의 원인을 제공하여 인접해 있는 부품이나 기판에 영향을 줄 수도 받을 수도 있다. &nbsp;
그림 1에서 살펴본 내용을 간략히 요약하면, 부품을 배치할 때 전원부를 고려한 배치가 제일 먼저 수행되어야 한다. 그리고 전압의 측면에서는 전위차가 최소화가 될수록 배치해야 한다. 또한 전류측면에서는 전류의 밀도가 높은 전원은 동박으로 Palne화 하여야 하며, 전류의 밀도가 다소 낮은 전원은 배선으로 라우팅(routing)하는 것이 바람직하다. 전원부의 특성으로 무조건 Copper로 Plane화하는 것은 매우 위험할 수도 있다. &nbsp;
 
그림 2에 전압과 전류를 고려한 여러 개의 전원에 대한 효율적인 배치방법을 나타내었다. 전원에 대한 배치 방법은 인접해 있는 영역들이 전압차가 크지 않도록 재배치를 해야 하고, 전류량에 따라 영역간의 이격거리를 충분히 확보해야 한다. 가령 +5V/300mA는 전류량이 비교적 높지 않으므로 패턴으로 라우팅하는 것이 Copper Plane하는 것보다 더 효율적이다. 전원을 Plane화하는 것은 전원을 안정적으로 설계하는 측면에서는 유리하지만, 그로인해 방사 노이즈의 원인이 되어 인접해 있는 전자부품에 직?간접적으로 영향을 끼칠 수 있다는 점에 주의해야 한다. 
또한 전압과 전류의 용량의 성질에 따른 기판의 배치는 온도 상승을 억제할 수 있으며, Plane과 Plane간의 커플링과 유도성분의 영향을 덜 받을 수 있도록 설계할 수 있다. Plane간의 간격은 1mm이나 혹은 1.5mm 정도 간격을 유지하면 커플링이나 유도성분의 영향을 덜 받을 수 있다.
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<img src="http://image.postman.co.kr/postman2011/user/20150907/bipf_114d70dc3f50372d32f39d009e186b10.jpg" border="0" data-cke-saved-src="http://image.postman.co.kr/postman2011/user/20150907/bipf_114d70dc3f50372d32f39d009e186b10.jpg" />&nbsp;
 
그림 2. 전압과 전류를 고려한 여러 개의 전원에 대한 효율적인 배치 방법
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흔히 기판 설계에서 부품의 배치는 대략 80% 정도를 차지할 정도로 매우 중요하다고들 말한다. 기판에 부품을 배치한다는 것은 단순히 배치만 생각해서는 안 된다. 배치를 하면서 클럭 라인이나 중요한 신호 라인을 고려한 배치가 이루어져야 한다. 배치하는 과정에서 클럭 라인이나 신호 라인이 다소 길어지면 짧은 라인이 형성될 수 있도록 재배치를 해야 한다.
정리하자면, 부품의 배치는 단순한 배치가 아닌 중요 신호 라인을 고려한 배치가 되어야 한다.


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제목	[Chapter_3] 전자부품의 배치 기술(2)
작성자	관리자
작성일	2015-09-07 오후 3:06:21
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