PCB 설계 검증 자동화 - DFM (Design for Manufacturing)
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PCB 설계 검증 자동화 - DFM (Design for Manufacturing)
  • 캐드닉스
  • 승인 2019.08.16 09:00
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일반적으로 PCB 설계가 완료되면 PCB의 제조와 부품 조립 공정에서 발생할 수 있는 여러 불량 요소를 사전에 검사(검증)하는 디자인 리뷰(Design Review)가 반드시 필요하다.

이 과정에는 주로 캐드(CAD) 프로그램에서 제공하는 DRC(Design Rule Check)와 육안 검사(Eye Check)가 포함된다. 하지만 디자인 리뷰를 거치면서도 실제 제조 현장에서는 다양한 불량을 겪는 것이 현실이다. 원인은 광범위하지만 디자인 리뷰 과정의 대표적인 문제점들은 다음과 같다. 

1. 디자인 리뷰의 프로세스 부재
2. 전문성/표준화 미비
3. 크로스 체크로 인한 인적 자원(Human Resource) 부족
4. 필연적인 인간의 실수(Human Error)
5. 문제 재발 방지 대책과 후속 조치 미흡

이번 글에서 제안하는 PCV 설계 검증 자동화는 디자인 리뷰 과정에 기존의 DRC(Design Rule Check), 육안 검사와 함께 DFM(Design for Manufacturing) 과정을 추가로 수행하는 것이다. 다만 기존의 디자인 리뷰에서 DFM 과정만 추가하는 것이 아니라, 설계 과정에서 DRC를 반드시 수행한 뒤 육안 검사 항목 중 표준화와 정량화가 가능한 검사 항목들을 DFM 영역으로 전환하면 기존 과정보다 효율적이고 균일한 PCB 설계 검증이 가능하다는 이야기다.

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DFM

DFM은 ‘제조(생산)을 위한 디자인’을 뜻한다. 비단 PCB뿐 아니라 모든 종류의 전자 CAD를 활용한 디자인과 제조 관점에서 필요한 개념이기도 하다.

우선 제품 개발 과정에서 DFM 활동을 위한 개발자들의 역할은 무엇인지 확인할 필요가 있다. 사실 이미 모든 개발자들은 회로와 PCB 설계 과정에서 DFM을 하고 있다. 개발자들은 개발 과정에서 최적의 부품 검색, 부품 수를 줄이기 위한 회로 개발, PCB 설계(Artwork) 과정의 스택 업(Stack up) 관리, Via 타입 설정, 부품 실장/배선 등을 고려하기 때문이다. 또한 개발 단계별 디버그 과정에서도 최적화와 각종 시험 과정을 통해 제품의 신뢰성을 확보하기 위한 노력이 수반된다.

하지만 최근에는 집적화, 소형화, 타임 투 마켓(Time to Market)이 강조되면서 기존 방식으로는 디자인 리뷰를 진행하는 데 한계를 느끼게 된다. 제품 불량 이슈가 반복되는 이유는 앞서 언급한 디자인 리뷰의 문제점들과 크게 다르지 않다. 이런 부분을 해결하기 위한 방안을 생각해보자. 

PollEx DFM을 활용한 PCB 설계 검증 자동화 구현

국내외에서 사용되는 대부분의 캐드 프로그램에서 추출된 ASCII를 PolEx PCB로 변환하는 과정을 거치면 캐드에서 표현되는 모든 부품/배선 정보가 똑같이 표현된다. 이런 환경을 기반으로 검사 Rule 파일(*.DFMI)를 선택하면 검증 결과가 자동으로 생산된다.

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PollEx DFM의 검사 항목1 - Board

많은 개발자들이 연배열 보드에 관심을 보이지 않지만, 다음 내용을 확인해보면 연배열 보드가 PCB 제조 과정에서의 표준화, 효율성과 매우 밀접하다는 사실을 알 수 있다.

1. 연배열 보드의 표준 크기
2. 더미 PCB의 최소 크기와 매쉬 코퍼(Mash Copper) 적용 여부
3. 가이드 홀의 크기와 위치
4. 기점 마크(Fiducial Mark)의 표준 크기와 위치
5. 외형 가공(Router & V-Cut 적용)
6. 솔더링 디렉션 마크(Soldering Direction Mark)
7. 연배열 보드의 순서 번호
8. 캐드에 적용된 PCB 아웃라인 두께

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PollEx DFM의 검사 항목2 - 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, 전해 CAP, CHIP, CONNECTOR, X-TAL, TRANSFORMER 등으로 구분하기도 한다.

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

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1. 부품의 종류와 특성을 고려한 부품 배치 간격
2. 부품 실장 단계(공정)를 고려한 부품 배치 층
3. PCB의 휨, 솔더링 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, Eyelet 등 쌍으로 존재하는 부품의 존재 여부와 간섭 검사

 

PollEx DFM의 검사 항목3 - Pattern(Routing)

PCB 설계 중 배선 단계에서 제일 중요한 건 신호 품질과 전원 공급이다. 다만, 배선 작업에 앞서 PCB DFM 관점으로 PCB의 제조 가능성을 검증하고, 제조 단가를 결정해야 하며 솔더링 신뢰성 확보를 위해 배선 시 주의가 필요한 부분들을 확인해야 한다. 

1. 배선의 최소 폭
2. 배선, PAD, Via간의 최소 간격(Same Net/ Other Net구분 관리 필요)
3. 특정 영역(BGA 등)의 배선 폭, Via 종류/위치 
4. Via의 종류(B-B Via, Layer Via, Stack-Up Via Type)와 최소 크기
5. PAD의 납땜, 신뢰성 향상을 위한 Thermal Relief/Tear Drop 적용
6. PAD에서 인출되는 배선 폭의 한계, 인접 PAD와의 연결 상태 제한
7. 부품, 기구물 간섭 등 배선과 Via의 배치 금지 구역

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PollEx DFM의 검사 항목4 - Silk Screen

모바일 제품과 소형화 기기의 경우 실크 스크린-Silk Screen(=Silk)을 인쇄하지 않는 경우가 많지만 그렇지 않은 PCB에서는 실크 스크린이 여전히 중요한 역할을 한다. 특히 관심을 가져야 하는 부분은 실크(Silk)와 패드(PAD), 또는 솔더 마스크(Solder Mask)와의 겹침 여부 확인이다. 이 부분이 중요한 이유는 실크와 패드가 겹칠 경우 솔더링에 문제가 생기기 때문이다. 

그러나 대부분 아무런 문제도 발생하지 않는다. PCB 제조 과정에서 CAM 작업 중 보정 작업을 거치기 때문이다. 바로 여기서 중요한 부분은 실크 문제를 떠나 캐드 툴에 의해 설계된 데이터와 그 결과물인 베어보드(Bare Board PCB)가 서로 다르면 안 된다는 것이다.

11. 부품의 극성 마크(Polarity Mark), 1번 핀 마크(1st Pin Mark), 핀 개수 마크(Pin count Mark)의 존재 여부
2. 실크의 최소 넓이
3. 부품의 레퍼런스 네임 존재 여부와 정렬 순서 검사
4. 실크 간 겹침 여부 검사
5. 실크와 패드, 솔더 마스크, Via가 겹치는지 검사
6. 부품 배치 영역에 배치된 레퍼런스 네임의 존재 여부 검사
7. 레퍼런스 네임의 PCB 아웃라인 외부에 존재 여부 검사

PollEx DFM의 검사 항목을 살펴보면 PCB 제조 공정과 부품 조립 단계의 불량 이슈를 포함해서 생산성이나 효율성과 관련한 내용들도 다수 포함돼 있다. 또한, PCB 설계 과정에서 발생할 수 있는 개발자의 휴먼 에러 요소도 다수 포함된 것이 확인된다. 이처럼 다양한 DFM 항목들을 효과적으로 운영하려면 DFM 매니저의 역할이 무엇보다 중요하다. 

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일반적인 경우 회사 내부 문서에 PCB 디자인 규칙(Design Rule)에 대한 기준 문서가 존재한다. 이를 작성하는 과정은 한두 명의 담당자에 의해서 진행되기보다 DFM 매니저, 하드웨어 개발자, PCB 설계자, 제조생산 담당자, CAE 담당자 등 관련 업무 담당자들의 협의체를 구성해 작성하는 것이 바람직하다(가급적 짧은 주기의 정기적 협의 진행이 좋음).

DFM 매니저는 디자인 규칙 협의체의 회의 결과를 취합해 PollEx DFM의 검증 Rule(*.DFMI)에 즉시 반영하고 개발자들에게 공지와 교육을 진행해야 한다. 만약 공지, 교육이 충분히 전달되지 않아도, PollEx DFM이 변경된 규칙에 따라 검사(검증)를 수행하므로 최소한의 관문(Gate) 역할은 할 수 있다.

다만, 이 과정에서도 개발자들이 변경된 규칙을 숙지할 수 있도록 지속된 노력이 필요하다는 점을 기억하자. 디자인 가이드를 정확히 인지한 설계와 그렇지 않은 설계는 반드시 차이가 발생하기 때문이다.

DFM 매니저는 개발자들이 PollEx DFM을 어느 개발 단계에서든 누구나 쉽게 사용할 수 있도록 시스템을 운영∙관리해야 하며(Core-Running/Batch Process 제공), 업무 프로세스의 정립을 통해 DFM 설계 검증 과정이 선택이 아닌 필수로 인식되도록 선도하는 역할이 필요하다. 

글 | 캐드닉스 김호진 차장