PCB 회로 기판 설계 시 12가지 중요한 주의사항: 비용이 많이 드는 오류를 피하고 신뢰성을 확보하세요

PCB 회로 기판 설계는 균형 잡기입니다. 엔지니어는 성능, 소형화, 제조 가능성을 최적화해야 하며, 재작업, 지연 또는 제품 실패로 이어지는 실수를 피해야 합니다. 사소한 실수(예: 잘못된 트레이스 간격, 열 관리 불량)조차도 단락, 신호 저하 또는 조기 부품 고장을 초래할 수 있으며, IPC 산업 데이터에 따르면 제조업체는 설계 반복당 평균 1,500달러의 비용을 지불합니다.

이 가이드는 부품 배치에서 열 관리, 신호 무결성에 이르기까지 PCB 설계에 대한 12가지 필수 예방 조치를 설명합니다. 각 예방 조치에는 실패의 근본 원인, 실행 가능한 솔루션 및 실제 사례가 포함되어 있어 신뢰할 수 있고, 제조 가능하며, 비용 효율적인 PCB를 구축하는 데 도움이 됩니다. 소비재 전자 제품, 자동차 시스템 또는 산업 장비를 설계하든 이러한 안전 장치는 위험을 최소화하고 생산을 간소화합니다.

PCB 설계 예방 조치가 중요한 이유
특정 예방 조치에 대해 자세히 알아보기 전에 설계 오류의 영향을 이해하는 것이 중요합니다.
  1. 비용: 단일 PCB 배치를 재작업하는 데 볼륨 및 복잡성에 따라 (5,000~50,000)달러의 비용이 발생할 수 있습니다.
  2. 시간: 설계 오류로 인해 제품 출시가 2~8주 지연되어 시장 기회를 놓치게 됩니다.
  3. 신뢰성: 설계 불량(예: 열 응력, 크로스토크)으로 인한 현장 고장은 브랜드 평판을 손상시키고 보증 청구를 증가시킵니다.
2024년 전자 제조업체 설문 조사에 따르면 PCB 관련 문제의 42%가 설계 실수에서 비롯되었으며, 사전 예방 조치가 위험을 줄이는 가장 효과적인 방법입니다.

예방 조치 1: 트레이스 및 공간에 대한 IPC 표준 준수
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
좁은 트레이스 간격(0.1mm 미만) 또는 작은 트레이스는 다음을 유발합니다.
  1. 크로스토크: 인접한 트레이스 간의 신호 간섭으로 고속 설계(>100MHz)에서 성능이 저하됩니다.
  2. 단락: 조립 중 솔더 브리징, 특히 미세 피치 부품의 경우.
  3. 전류 용량 문제: 작은 트레이스가 과열되어 고전력 응용 분야에서 구리 소손이 발생합니다.

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
전압, 전류 및 제조 능력을 기반으로 최소 트레이스/공간을 정의하는 IPC-2221 표준을 준수하십시오.

생산 전에 문제를 식별하기 위해 설계 프로세스 초기에 규정 준수 연구소와 협력합니다. 이렇게 하면 재작업 비용을 50% 줄일 수 있습니다.
PCB 소프트웨어(Altium, KiCad)에서 설계 규칙 검사(DRC)를 사용하여 실시간으로 위반 사항을 플래그 지정합니다. 고주파 설계의 경우 크로스토크를 줄이기 위해 간격을 트레이스 폭의 3배로 늘립니다.

예방 조치 2: 제조 가능성을 위해 부품 배치 최적화
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
부품 배치가 불량하면 다음이 발생합니다.
  a. 조립 문제: 정렬 불량 또는 과밀 부품으로 인해 픽앤플레이스 기계가 어려움을 겪어 불량률이 증가합니다.
  b. 열 핫스팟: 전력 부품(예: MOSFET, LED)이 열에 민감한 부품(예: 커패시터)에 너무 가깝게 배치되어 조기 고장이 발생합니다.
  c. 재작업 어려움: 부품이 빽빽하게 쌓여 인접 부품을 손상시키지 않고 수리할 수 없습니다.

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
다음 배치 지침을 따르십시오.
  a. 기능별 그룹화: 전력 부품, 아날로그 회로 및 디지털 회로를 별도로 클러스터링하여 간섭을 최소화합니다.
  b. 열 분리: 전력 부품(1W 초과 방열)을 열에 민감한 부품(예: 전해 커패시터, 센서)에서 최소 5mm 이상 떨어뜨려 놓습니다.
  c. 제조 여유 공간: 부품 본체와 보드 가장자리 사이에 0.2mm의 여유 공간을 유지합니다. 미세 피치 BGA(≤0.4mm 피치)의 경우 0.5mm.
  d. 방향 일관성: 조립 속도를 높이고 오류를 줄이기 위해 수동 부품(저항, 커패시터)을 동일한 방향으로 정렬합니다.

통신 회사는 제어 임피던스 및 차동 쌍 라우팅을 구현하여 10G 이더넷 신호 무결성을 35% 향상시켜 IEEE 802.3ae 표준을 충족했습니다.
소비재 전자 회사는 IPC-A-610 지침에 따라 전력 및 신호 회로를 분리하도록 부품 배치를 재구성한 후 조립 불량을 35% 줄였습니다.

예방 조치 3: IPC-7351 표준에 맞게 패드 설계
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
일반 또는 잘못된 패드 크기는 다음을 유발합니다.
  a. 톰스토닝: 고르지 않은 솔더 흐름으로 인해 작은 부품(예: 0402 저항)이 한쪽 패드에서 떨어집니다.
  b. 불충분한 솔더 조인트: 열 사이클링 시 고장이 발생하기 쉬운 약한 연결.
  c. 솔더 브리징: 패드 사이에 과도한 솔더가 있어 단락이 발생합니다.

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
부품 유형 및 클래스(클래스 1: 소비자; 클래스 2: 산업; 클래스 3: 항공 우주)를 기반으로 패드 치수를 정의하는 IPC-7351 풋프린트를 사용하십시오.

생산 전에 문제를 식별하기 위해 설계 프로세스 초기에 규정 준수 연구소와 협력합니다. 이렇게 하면 재작업 비용을 50% 줄일 수 있습니다.
QFN(Quad Flat No-Lead) 부품의 경우 솔더가 부품 본체 아래로 스며드는 것을 방지하기 위해 솔더 페이스트 탈출 경로(0.1mm 슬롯)를 추가합니다.

예방 조치 4: 적절한 접지 전략 구현
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
접지 불량은 다음을 유발합니다.
  a. EMI(전자기 간섭): 제어되지 않은 접지 전류가 노이즈를 방사하여 민감한 회로(예: 센서, RF 모듈)를 방해합니다.
  b. 신호 무결성 손실: 접지 루프는 전압 차이를 생성하여 고속 신호(>1GHz)를 저하시킵니다.
  c. 전원 공급 장치 노이즈: 접지 전위의 변동은 전압 조절에 영향을 미쳐 부품 불안정성을 유발합니다.

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
설계에 적합한 접지 토폴로지를 선택하십시오.

생산 전에 문제를 식별하기 위해 설계 프로세스 초기에 규정 준수 연구소와 협력합니다. 이렇게 하면 재작업 비용을 50% 줄일 수 있습니다.
예방 조치 5: 고전력 부품의 열 분산 관리

위험
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
  a. 부품 저하: 접합부 온도가 10°C 증가하면 부품 수명이 50% 단축됩니다(Arrhenius 법칙).
  b. 솔더 조인트 피로: 열 사이클링(가열/냉각)은 조인트를 약화시켜 간헐적 고장을 유발합니다.
  c. 성능 스로틀링: 프로세서 및 전력 IC는 과열을 방지하기 위해 속도를 줄여 제품 성능을 저하시킵니다.
솔루션

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
  a. 열 비아: 전력 부품(예: 전압 조정기) 아래에 4~6개의 비아(0.3mm 직경)를 배치하여 열을 내부 접지면으로 전달합니다.
  b. 구리 아일랜드: 고전력 LED 또는 IGBT 아래에 큰 구리 영역(2oz 두께)을 사용하여 열을 분산시킵니다.
  c. 방열판: >5W를 방열하는 부품의 경우 부착 가능한 방열판(예: 열 접착제 또는 나사 사용)에 대한 PCB 풋프린트를 설계합니다.
  d. 열 시뮬레이션: ANSYS Icepak과 같은 소프트웨어를 사용하여 열 흐름을 모델링하고 생산 전에 핫스팟을 식별합니다.
실제 영향

의료 기기 회사는 DFM 검토를 구현한 후 폐기율을 18%에서 2%로 줄여 연간 120,000달러를 절약했습니다.
예방 조치 6: 적절한 비아 설계 및 배치 보장

위험
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
  a. 신호 반사: 사용하지 않은 비아 스터브(과도한 길이)는 안테나 역할을 하여 고속 신호를 반사하고 지터를 유발합니다.
  b. 열 저항: 작거나 제대로 도금되지 않은 비아는 열 전달을 제한하여 핫스팟에 기여합니다.
  c. 기계적 약점: 작은 영역에 너무 많은 비아가 있으면 PCB가 약해져 조립 중 균열 위험이 증가합니다.
솔루션

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
  a. 비아 크기: 대부분의 응용 분야에 0.2mm(8mil) 비아를 사용합니다. 초고밀도 HDI 설계의 경우 0.15mm(6mil).
  b. 환형 링: 패드 리프팅을 방지하기 위해 최소 0.1mm 환형 링(비아 주변의 구리)을 유지합니다. 기계적 드릴링에 중요합니다.
  c. 스터브 제거: 고속 설계(>10Gbps)의 경우 백 드릴링을 사용하여 스터브를 제거하여 신호 반사를 80% 줄입니다.
  d. 비아 간격: 드릴 파손을 방지하고 안정적인 도금을 보장하기 위해 비아를 최소 0.3mm 간격으로 유지합니다.
프로 팁

생산 전에 문제를 식별하기 위해 설계 프로세스 초기에 규정 준수 연구소와 협력합니다. 이렇게 하면 재작업 비용을 50% 줄일 수 있습니다.
예방 조치 7: 부품 가용성 및 풋프린트 호환성 검증

위험

DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
  a. 생산 지연: 맞춤형 부품을 기다리면 리드 타임이 4~12주 연장될 수 있습니다.
  b. 조립 오류: 일치하지 않는 풋프린트(예: 0402 부품에 0603 풋프린트 사용)는 PCB를 사용할 수 없게 만듭니다.
  c. 비용 초과: 구식 부품은 종종 표준 대안보다 5~10배 더 비쌉니다.
솔루션

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
  b. 표준 부품 우선 순위 지정: 일반 값(예: 1kΩ 저항, 10μF 커패시터) 및 패키지 크기(0402, 0603, SOIC)를 선택하여 구식화를 방지합니다.<8 weeks) and minimum order quantities.
  c. 풋프린트 검증: 패드 치수, 핀 수 및 피치가 일치하는지 확인하기 위해 부품 데이터시트를 PCB 라이브러리와 교차 확인합니다.
  d. 대체 부품 추가: 공급망 위험을 줄이기 위해 중요한 부품에 대해 BOM에 1~2개의 대체 부품 번호를 포함합니다.
프로 팁

생산 전에 문제를 식별하기 위해 설계 프로세스 초기에 규정 준수 연구소와 협력합니다. 이렇게 하면 재작업 비용을 50% 줄일 수 있습니다.
예방 조치 8: 조립을 위한 솔더 마스크 및 실크스크린 최적화

위험
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
  a. 솔더 결함: 패드를 덮는 솔더 마스크(마스크 슬립)는 솔더링을 방지합니다. 마스크가 없으면 구리가 산화됩니다.
  b. 검사 문제: 판독할 수 없는 실크스크린은 조립 및 재작업 중에 부품을 식별하기 어렵게 만듭니다.
  c. 접착 문제: 패드와 겹치는 실크스크린은 솔더 조인트를 오염시켜 젖지 않게 합니다.
솔루션

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
  b. 마스크 두께: 25~50μm 마스크 두께를 지정합니다. 너무 얇으면 핀홀이 발생할 위험이 있습니다. 너무 두꺼우면 미세 피치 솔더링을 방해합니다.
  c. 실크스크린 지침:
      가독성을 위해 텍스트 크기를 ≥0.8mm x 0.4mm(32pt x 16pt)로 유지합니다.
      실크스크린과 패드 사이에 0.1mm의 여유 공간을 유지합니다.
      AOI(자동 광학 검사) 호환성을 위해 흰색 또는 검정색 잉크(최고 대비)를 사용합니다.
프로 팁

생산 전에 문제를 식별하기 위해 설계 프로세스 초기에 규정 준수 연구소와 협력합니다. 이렇게 하면 재작업 비용을 50% 줄일 수 있습니다.
예방 조치 9: 고속 설계에서 신호 무결성 테스트

위험
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
  a. 삽입 손실: 트레이스 저항 및 유전체 손실로 인한 신호 감쇠.
  b. 크로스토크: 인접한 트레이스 간의 간섭으로 데이터 오류가 발생합니다.
  c. 임피던스 불일치: 일관성이 없는 트레이스 폭 또는 유전체 두께는 반사 지점을 생성합니다.
솔루션

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
    예: 1.6mm FR-4에서 50Ω 단일 종단 트레이스의 경우 0.15mm 유전체 두께로 0.25mm 트레이스 폭을 사용합니다.
  b. 차동 쌍 라우팅: 스큐를 최소화하기 위해 차동 쌍(예: USB 3.0, PCIe)을 평행하게 유지하고 0.15~0.2mm 간격으로 유지합니다.
  c. 신호 시뮬레이션: Keysight ADS 또는 Cadence Allegro와 같은 도구를 사용하여 신호 무결성을 시뮬레이션하고 생산 전에 문제를 식별합니다.
  d. 종단 저항: 반사를 줄이기 위해 고속 신호의 소스에 직렬 종단(50Ω)을 추가합니다.
실제 사례

통신 회사는 제어 임피던스 및 차동 쌍 라우팅을 구현하여 10G 이더넷 신호 무결성을 35% 향상시켜 IEEE 802.3ae 표준을 충족했습니다.
예방 조치 10: 테스트 가능성 및 재작업 계획

위험
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
   b. 신뢰할 수 없는 테스트: 중요한 네트에 대한 불완전한 커버리지는 결함이 있는 PCB를 배송할 위험을 증가시킵니다.
높은 재작업 비용: 특수 도구(예: 열풍 스테이션)가 필요한 부품을 제거하면 인건비가 증가합니다.
솔루션

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
   a. 모든 중요한 네트(전원, 접지, 고속 신호)에 테스트 포인트(0.8~1.2mm 직경)를 배치합니다.
   b. 프로브 액세스를 위해 테스트 포인트와 부품 사이에 0.5mm의 여유 공간을 유지합니다.
2. 재작업 액세스:
   a. 재작업 도구를 위해 BGA/QFP 부품 주변에 2mm의 여유 공간을 남겨둡니다.
   b. 액세스를 차단하는 방열판 또는 커넥터 아래에 부품을 배치하지 마십시오.
3. DFT(테스트를 위한 설계):
   a. 포괄적인 테스트를 가능하게 하기 위해 복잡한 IC에 경계 스캔(JTAG) 인터페이스를 포함합니다.
   b. 솔더링 및 재료 성능을 검증하기 위해 테스트 쿠폰(작은 PCB 샘플)을 사용합니다.
프로 팁

생산 전에 문제를 식별하기 위해 설계 프로세스 초기에 규정 준수 연구소와 협력합니다. 이렇게 하면 재작업 비용을 50% 줄일 수 있습니다.
예방 조치 11: 환경 및 규제 준수 고려

위험
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
  a. 시장 금지: 유해 물질(납, 수은)에 대한 RoHS 제한은 EU, 중국 및 캘리포니아에서 판매를 차단합니다.
  b. 법적 처벌: IEC 60950(안전) 또는 CISPR 22(EMC)와 같은 표준 위반은 최대 100,000달러의 벌금을 초래합니다.
  c. 평판 손상: 비준수 제품은 브랜드 신뢰를 해치고 고객 충성도를 잃습니다.
솔루션

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
   a. 무연 솔더(SAC305), 할로겐 프리 라미네이트 및 RoHS 준수 부품을 사용합니다.
   b. 공급업체로부터 적합성 선언(DoC) 문서를 요청합니다.
2. EMC 준수:
   a. 전원 입력 및 신호 라인에 EMI 필터를 추가합니다.
   b. 방출을 줄이기 위해 접지면과 차폐 캔을 사용합니다.
   c. CISPR 22(방사 방출) 및 IEC 61000-6-3(내성) 표준에 따라 프로토타입을 테스트합니다.
3. 안전 표준:
   a. IT 장비의 경우 IEC 60950 또는 의료 기기의 경우 IEC 60601을 따릅니다.
   b. 전압에 따라 최소 연면 거리(도체 간 거리) 및 여유 공간(공극)을 유지합니다(예: 50V의 경우 0.2mm, 250V의 경우 0.5mm).
프로 팁

생산 전에 문제를 식별하기 위해 설계 프로세스 초기에 규정 준수 연구소와 협력합니다. 이렇게 하면 재작업 비용을 50% 줄일 수 있습니다.
예방 조치 12: DFM(제조 가능성을 위한 설계) 검토 수행

위험
DFM을 무시하면 다음이 발생합니다.
   a. 제조 결함: 공장 기능(예: 너무 작은 비아)과 일치하지 않는 설계는 폐기율을 증가시킵니다.
   b. 비용 초과: 맞춤형 프로세스(예: 0.075mm 비아용 레이저 드릴링)는 생산 비용에 20~30%를 추가합니다.
솔루션

 1. 제조업체와 파트너 관계: Gerber 파일 및 BOM을 PCB 공급업체와 공유하여 DFM 검토를 받습니다. 대부분은 이 서비스를 무료로 제공합니다.
 2. 주요 DFM 검사:
   a. 공장에서 비아 크기를 드릴링할 수 있습니까(대부분의 제조업체의 경우 최소 0.1mm)?
   b. 트레이스/공간이 해당 기능 내에 있습니까(일반적으로 0.1mm/0.1mm)?
   c. 정렬을 위한 충분한 기준 마크가 있습니까?
3. 먼저 프로토타입 제작: 대량 생산 전에 제조 가능성을 테스트하기 위해 5~10개의 프로토타입을 제작합니다.
실제 영향

의료 기기 회사는 DFM 검토를 구현한 후 폐기율을 18%에서 2%로 줄여 연간 120,000달러를 절약했습니다.
FAQ

Q: PCB 고장을 유발하는 가장 일반적인 설계 오류는 무엇입니까?
A: 열 관리 불량(IPC 데이터에 따르면 고장의 38%), 잘못된 트레이스/공간(22%) 및 일치하지 않는 풋프린트(15%)가 그 뒤를 잇습니다.
Q: PCB 설계에서 EMI를 줄이려면 어떻게 해야 합니까?

A: 솔리드 접지면, 접지 스티칭, 차동 쌍 라우팅 및 EMI 필터를 사용합니다. 고주파 설계의 경우 민감한 회로 주변에 차폐 캔을 추가합니다.
Q: 5A 전류에 대한 최소 트레이스 폭은 얼마입니까?

A: 1oz 구리의 경우 0.5mm(20mil) 트레이스를 사용합니다. 온도 상승을 줄이려면 2oz 구리의 경우 0.7mm(28mil)로 늘립니다.
Q: 10W 부품에 필요한 열 비아는 몇 개입니까?

A: 2oz 구리 접지면에 연결된 8~10개의 비아(0.3mm 직경)와 1mm 간격으로 10W를 효과적으로 방열합니다.
Q: 비아에 대한 백 드릴링은 언제 사용해야 합니까?

A: 백 드릴링은 신호 반사 및 지터를 유발하는 스터브를 제거하기 위해 고속 설계(>10Gbps)에 중요합니다. 저속 설계(<1GHz)의 경우 종종 불필요합니다.
결론PCB 설계 예방 조치는 단순히 “모범 사례”가 아니라 비용이 많이 드는 오류를 방지하고, 신뢰성을 보장하며, 생산을 간소화하는 데 필수적입니다. IPC 표준을 따르고, 부품 배치를 최적화하고, 열 및 신호 무결성을 관리하고, 제조 가능성을 검증함으로써 위험을 최소화하면서 성능 목표를 충족하는 PCB를 구축할 수 있습니다.

가장 성공적인 설계는 기술적 요구 사항과 실제 제조 제약 조건을 균형 있게 유지합니다. 이러한 예방 조치에 시간을 투자하면 향후 시간, 비용 및 좌절감을 줄여 좋은 설계를 훌륭한 제품으로 만들 수 있습니다.