OrCAD로 설계를 하지만 실제로 내가 설계한 데이터가 어떻게 PCB 주문제작까지 진행될까 궁금한 사람들이 많을 것이다.

그래서 간단하게 OrCAD로 회로를 만들어서 실제 PCB를 주문하여 제작하는 것 까지 테스트를 해보았다.

PCB제조업체는 중국에 홍콩 업체 JLCPCB를 이용했다.

제품 제작까지는 보통 아래와 과정을 거친다고 볼 수 있다.

빵판 회로 제작 테스트(또는 회로 설계 후 빵판 제작) -> Schematic 회로도면 제작 -> PCB 설계 -> 결과 파일 출력 후 PCB업체에 전달 -> PCB 제조 업체와 설계 데이터 Feedback후 제조 진행 -> PCB 입수 및 납땜 제작

0. 빵판 테스트 (LED필요 갯수 파악, 필요 부품들 파악)

필요 부품: LED 19개, 330옴 저항 19개, Power Jack Connector 1개

(본인이 사용하고자 하는 부품리스트 BOM을 미리 파악해 둔다)

1. 회로도면 만들기, 풋프린트 넣기

풋프린트 입력. (전부 내장을 쓰고, J1 만 인터넷에서 다운받았다)

(풋프린트 심볼 무료 다운로드 사이트)

https://ansan-survivor.tistory.com/361

2. PCB 설계

3. 결과 파일 출력 후 압축

    다음 아래 파일들을 모두 압축하여 PCB제조 업체에 업로드.

    (각각 art 파일 필름 하나씩 확인해보기)

================ < PCB 주문 및 제조하기 > =================

4.  JLCPCB 주문하기

    다행이도 한국 고객은 무기한으로 7달러를 할인해주는 행사를 진행하고 있다. 역시 중국에서 구매는 가격이 정말 저렴해서 좋은 것같다.

(아래 회원가입 및 구매 링크)

 https://jlcpcb.com/RNA

    4-1. 회원가입 및 로그인 후 Order Now 클릭

    4-2. 압축파일 업로드

    4-3. 재료 및 기타 옵션 선택

    4-4. 다되면 카트에 담기

    4-5. 장바구니 확인하기.

5. 구매 진행하기

    5-1. 주소 확인, 배송비 확인

    5-2. 개인통관부호 입력

(개인통관부호가 없으면 아래 관세청 사이트에서 발급받는다.)

https://unipass.customs.go.kr/csp/persIndex.do

    5-3. JLCPCB에서 파일에 문제가 없는지 검토 확인

    5-4. 결재수단 선택.

 카드결재, Paypal결재, 쿠폰  3가지 방식이 있다.

    5-5. 주문내역 결과 확인

6. JLCPCB 엔지니어와 E-mail 피드백

  * 설계가 애매한 부분이 있을 경우 E-mail으로 JLCPCB 엔지니어가 친절하게 선택한 의도가 무엇인지 물어보고 옵션을 제공한다.

(내가 만든 PCB에 데이터가 애매한 부분이 있어 JLCPCB엔지니어가 먼저 연락이 왔다.)

7. 주말 제외 약 3일 정도 후 JLCPCB에서 부품 배송, DHL에서 주문 확인

    그 외 물건을 직접 받을지 집앞에 놓을 지 등 설정하면 된다.

8. PCB 언박싱

    마침내 PCB가 집까지 배송이 되었다.

9. DIY 부품 납땜 및 제작

10. 동작 테스트

    5V 전원을 인가했더니 정상적으로 잘 작동했다!

실제 산업체에서 PCB를 직접 설계하여 제작하지 않는 이상, 학생들이나 선생님, 일반 DIY를 하는 사람들은 OrCAD로 설계를 하고 실제 PCB 데이터를 가지고 제작을 맡기면, 이게 제작이 될까? 하는 사람들이 많을 것이다. 실제 어떤 데이터를 Export해서 제조를 의뢰해야 의문이 갖는 사람도 많을 것이다.

하지만 위에서 보여준 Artwork필름 파일들(.drl 파일  .art 파일)을 압축하여 JLCPCB 제조 업체에 위와 같은 과정으로 파일을 제출하고 이 과정대로 진행한다면 위처럼 동작이 되는 PCB를 받아볼 수 있다.

JLCPCB에서 아래와 같이 여러 이벤트를 진행하고 있다고 한다.

실제 OrCAD로 PCB를 제작까지 고려하고 있다면 위 혜택을 받아 PCB를 제조해보는 것도 좋은경험이 될 것이다.

 https://jlcpcb.com/RNA

일반적으로 쓰는 Drill Hole 두께에 따른 Land 직경 계산기

그냥 참고만하기 위해 업로드.

실제로는 각종 규격과 제조업체의 Rule 확인

cpu의 작동원리에 대한 좋은 영상이 있어 공유한다.

제일 기초가 되는 트렌지스터의 작동원리부터 하나씩 설명해서 보기 좋다.

https://www.youtube.com/watch?v=Fg00LN30Ezg 

위 동영상의 여러 목차를 아래와 같이 정리 했다. 필요한 부분의 시간에 가서 시청 하면 된다.

1. 전자의 이동 원리

2. 공핍영역, 문턱전압(Threshold Voltage), 베터리 원리

3. 트렌지스터 원리

4. 트렌지스터와 디지털 신호 (0, 1의 신호 스위치), AND, OR, NOT, XOR Gate

5. 디지털 신호의 이진법 논리 계산

6. Gate를 접합시켜 만든 ALU(Arithmetic Logic Unit) 산수 논리 장치

7. MOSFET 트렌지스터에 대해 (반도체의 기본 소자)

8. CPU의 RAM과 소통 원리 (속도 차이로 인한 Cache memory를 이용한 소통)

9. Cache memory 원리 (L1 속도가 빠른 cache, L3 용량이 큰 cache)

10. CPU 주변 기억장치의 구조. (Register, Cache memory, RAM, SSD 하드)

11. 레지스터의 작동 원리, 연산의 작동 순서, 메모리와 레지스터의 작동 원리

12. C언어와 컴파일러, Assembly언어와 기계어

13. 명령어 비트와 데이터 비트, 컴퓨터의 8비트, 16비트, 32비트, 64비트 원리

14. CPU가 메모리에 데이터를 처리하는 과정

15. 코어(Core)와 쓰레드(thread)

16. 프로세서(processor)구조와 아키텍쳐(architecture)

unused pad suppression을 해야 하는 이유는 아래 나와 있다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Non_functional_pad

A non-functional pad is a pad in a printed circuit board that is not connected to a track on the layer it is on.

Non-functional pads can be removed at any phase of the design process. Some software allows precise control during the design process, and also removes the non-functional pads during output file creation. Furthermore, some board manufacturers remove non-functional pads during data preparations.

Occasionally, this process of non-functional pad removal is also called unused pad suppression.

The benefits of removing the non-functional pads are limited. Electrically, it creates needless extra capacitance in certain designs, which needs to be removed. Removing non-functional pads can improve the drilling process, as it lessens drill wear.

Non-functional pad removal can influence the reliability. (e.g. barrel cracking failure mode). Removal can increase or decrease reliability. Depending on design parameters, removing the non-functional pads can free up routing space.

Non-functional pads naturally also affect thermal characteristics.

Sometimes, non-functional pads (or their removal) are used for copper balancing, which affects etching, bow and twist and other effects.

(번역)

non-functional pad는 PCB내의 pad로, layer간 배선에 사용되지 않는 필요가 없는 pad입니다.

사용하지 않는 pad는 설계 단계에서 제거가 가능합니다.

일부 설계 소프트웨어는 이를 정확히 이를 다룰 수 있고, 출력 파일을 생성할 때 이 요소를 적용할 수 있습니다.

일부 PCB제조업체는 제조를 위한 data작업을 준비하는 과정에 이를 제거할 수도 있습니다.

사용하지 않는 pad를 제거하는 것은 이점이 크지는 않지만, 이러한 pad는 전기적으로 필요없는 Capacitance를 생성시킬 염려가 있습니다. 또한 이러한 pad를 제거하면 드릴링으로 인한 마모를 적게하여 드릴작업시 성능 향상을 이룰 수 있습니다.

사용하지 않는 pad를 제거하는 것은 신뢰성이 늘거나 또는 줄거나 영향을 줄 수 있습니다. (예를들면 barrel cracking failure mode ) 설계 Parameter에 따라 사용하지 않는 pad의 제거는 배선시 공간을 확보 할 수 있습니다.

이러한 pad는 해당 pad의 고유 열 특성(natural thermal characteristic)에도 영향을 미칩니다.

때로는 사용하지 않는 pad를 제거하는 것은 구리(Copper)의 Etching(에칭작업), bow(굽힘), twist(꼬임) 등의 밸런스에 영향을 미칩니다.

 * barrel cracking failure mode: 

Thermal Cycle Test(반복적인 열 테스트)시 Through Hole의 도금되어 있는 구리에 천천히 작은 균열이 생기게 되면 이는 열 피로로 파괴가 될 수 있다.

이 파괴는 수천번의 열 반복 테스트를 거친 PCB에서 자주 관찰된다.

(참고: http://www.pwbcorp.com/EN/portfolio_2.php)

(OrCAD PCB 에서 해당 기능을 사용하는 방법)

https://ansan-survivor.tistory.com/784

(도쉬바에서 OP-AMP의 활용에 대한 정보를 퍼왔다)

https://toshiba.semicon-storage.com/ap-en/semiconductor/knowledge/faq/linear_opamp/for-what-applications-are-op-amps-used.html

For what applications are op-amps used?

An op-amp is an IC that amplifies the difference in voltage between two inputs.
Op-amps can be used for various applications, depending on the external components added.
In the most basic circuit, op-amps are used as voltage amplifiers, which can be broadly divided into noninverting and inverting amplifiers. Voltage followers (also simply called buffers) are a type of commonly used noninverting amplifiers. Op-amps are also used as differential amplifiers, integrator circuits, etc.

Op-amps are widely used for various applications. It is no exaggeration to say that op-amps are found in almost all electrical appliances. For example, op-amps amplify analog signals from various sensors in IoT-connected home appliances and measuring instruments.

무엇을 위해 OPAMP를 사용하는가?

op-amp는 두 입력 전압 차이를 증폭시키는 IC이다.

op-amp는 다양하게 활용이 가능한데, 외부 소자가 어떻게 연결되냐에 따라 다르다.

대부분 기본적인 회로에서 op-amp는 대충 반전(inverting) 또는 비반전(non-inverting) 전압 증폭기로 사용된다.

버퍼(buffer)라고 불리는 볼티지 팔로어(Voltage follower)는 보통 비반전(non-inverting)으로 쓰입니다. Op-amp는 또한 차동증폭기(differential amplifiers), 적분기(integrator circuits) 등으로 쓰인다.

Op-amp는 넓리 적용되는데, 과장없이 얘기해도 Op-amp는 대부분 가전제품에서도 사용된다. 예를 들면, Op-amp는 집에 연결된 다양한 IOT센서, 측정 장치로 부터오는 아날로그신호를 증폭시킨다.

도움이 될만한 자료를 퍼왔다.

간단한 application OPAMP 회로

(출처: https://www.microchip.com/en-us/products/microcontrollers-and-microprocessors/8-bit-mcus/core-independent-and-analog-peripherals/integrated-analog/operational-amplifier)

OPAMP를 활용한 기법들이 제시되어있는 좋은 블로그가 있다.

https://blog.naver.com/ansdbtls4067/221421824197

데이터 시트

lm2904 amp 2ch 30v(+-15v) 0.6v/us 1.1mhz 40mAoutA general

lmv324 amp 4ch 5.5V 0.7v/us 1.3mhz 70mAoutA railtorail

lmv358 current(amp) 2ch 5.5V 0.7v/us 1.3mhz 70mAoutA railtorail

[출처] opamp application (오피엠프 활용회로 모음|작성자 Revyture

그 외 땜스 전자연구소님의 여러 OPAMP 활용법들이다.

https://m.blog.naver.com/ansdbtls4067/221421824197

보통 도선으로 사용하는 구리(Copper)는 물리적으로 AC 고주파가 발생할 때 전류는 도선의 외곽 표피(skin)으로 흐르는 성질이 있다.

아래 위키에서 중요하다고 생각되는 부분만 강조해 두었다.

(출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%91%9C%ED%94%BC%ED%9A%A8%EA%B3%BC)

동 케이블(Copper cable) 선로에 있어서 교류전류를 이용할 경우 주파수가 증가되면 전류 밀도는 도체의 겉 둘레에 몰리게 된다. 이때 도체의 유효면적이 감소되어 전송 손실이 증가되는 것을 표피효과(Skin Effect)라 한다. 도선의 중심부로 갈수록 교류 전류 밀도가 적어지고, 전선의 도체 외부에 전류가 집중되므로 이는 전선이 굵고, 도전율 및 투자율이 크며, 주파수가 높을수록 전류의 침투 깊이가 감소하게 된다. 표피 효과를 줄이기 위해 케이블을 연선을 사용해서 전류의 양을 효과적으로 송전할 수 있다.

(frequency가 높을수록 skin으로 current가 몰림)

(저주파 or DC에서의 전류 흐름)

(고주파에서의 전류 흐름)

High Frequency에서는 전류가 가는 통로가 좁기 때문에 저항이 증가한다.

아래 영상에 설명 및 에니메이션을 매우 잘 표현해 주었다.

https://www.youtube.com/watch?v=y2BMEkMhBCk 

아래 사이트에서는 Cadence사에서 정기적으로 PCB에 관한 정보를 올려준다. PCB공부 및 영어공부할 겸 번역을 올려본다. 번역에 문제가 있는 부분은 댓글로 남겨주시길 바랍니다.

(참고사이트)

https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-working-with-pcb-test-points

PCB에서 Test Points

핵심 사항

• PCB 테스트포인트가 어떤 용도로 사용하는지
• PCB 설계에서 테스트포인트를 어떻게 생성하는지
• PCB 테스트포인트 생성에 도움을 주는 소프트웨어 기능

테스트는 우리 일상의 일부를 차지하고 있습니다.

단어 "test"란, 사람들이 그닥 좋아하지 않는 단어일 수 있습니다. 보통 학교시험, 운전면허 시험 등 불쾌한 기억을 떠올리게 합니다. 그러나 시련없이 기본을 다지기 어려울 것이고, 테스트를 통과함으로써 진정한 능력치와 그 경험으로 자신감을 얻을 수 있습니다.

우리가 설계하는 회로 기판은 의도한 용도에 맞게 작동하도록 다양한 테스트를 거칩니다. 보드가 설계된 대로 잘 작동하는 테스트를 할 뿐만 아니라, 올바르게 제조가 될 준비를 했는지를 검사합니다. 이 테스트를 용이하게 하기 위해 PCB는 test point라고 불리는 작은 금속 접촉점을 만듭니다. 아래에는 PCB Test Point가 무엇진지와 어떻게 설계를 해야 하는가에 대한 요약입니다.

PCB Test Point의 목적

부품 조립공정의 무결성(integrity)를 확인하기 위해 완성된 PCB는 자동화된 테스트 사이클을 거칩니다.

이는 부품의 핀이 양호한 납땜이 되어있는지 확인하기 위해 고안되었고, 시스템 프로브를 사용하여 기판의 테스트포인트에 접촉합니다. 일반적으로 테스트로 사용되는 두가지 방식이 있습니다.

In-circuit test (ICT) (회로 내 테스트): 

https://www.youtube.com/watch?v=nHFIFeEBujo 

이는 기판에 있는 모든 네트를 동시에 테스트하기위해 고안된 시스템입니다. 이를 하기 위해서는 프로브가 장착된 ICT 테스터기는 PCB보드의 테스트포인트에 접촉합니다. 테스터기에는 PCB의 테스트포인트당 하나의 프로브가 할당되어 테스트를 빠르게 수행할 수 있습니다. 이 테스터기는 일반적으로 PCB의 하단을 테스트하도록 구성되어 있지만, 필요에 따라 상단 및 양단도 가능합니다.

 ICT 테스터기는 각 회로 모두 함께 테스트할 수 있도록 고안되었기 때문에 대부분의 PCB기판 생산에 사용되는 테스트 방법입니다.  ICT 테스터기는 제조 테스트 외에 다른 이점으로는 PCB 기판의 기능 테스트를 수행할 수 있습니다. 

다만 문제는 ICT 테스터기는 개발하는 시간을 잡아먹을 수 있으며 만드는데 비용이 많이 듭니다. PCB 설계 수정을 위한 기존 테스터기의 변경도 비용이 많이 들 수 있습니다.

Flying probe (플라잉 프로브): 

https://www.youtube.com/watch?v=fjmjYVNuLEE 

이 시스템은 보드의 모든 테스트를 수행하는 데 2 ​​~ 6 개의 프로브 만 사용한다는 점에서 ICT와 다릅니다. 이름에서도 알 수 있듯이, 이 프로브는 순차적으로 프로그래밍된 특정 테스트포인트를 향해 날아서 이동합니다. 그러나 몇개의 프로브로 각각 개별적 검사로 인해 ICT에 비해서 시간이 많이 듭니다. 

플라잉프로브는 또한 한번에 프로빙할 수 있는 테스트포인트 수가 적기 때문에 기판의 기능 테스트를 수행할 수 없습니다. 그러나 플라잉 프로브의 이점으로는  준비 및 실행이 매우 빠르고 값이 쌉니다. 추가적으로 설계보드 수정에 따른 테스트 또한 쉽게 할 수 있습니다. 또한 플라잉 프로브는 ICT에 비해 매우 큰 보드사이즈도 테스트가 가능합니다.

(Allegro PCB Designer에서 생성하는 테스트포인트 메뉴)

PCB 설계에서 테스트 포인트를 생성하는 방법

PCB의 테스트포인트가 정상적으로 사용하려면, 테스트 하고자 하는 Net가 보드 외부에 노출된 금속 포인트지점이 있어야 합니다. 그래야만 자동화 장비의 프로브가 해당 부분에 접촉할 수 있습니다. 테스트 프로브의 팁은 다양한 형상(평면, 구형, 원뿔형 등)으로 제공되며, 해당 보드와 가장 적합한 형상의 프로브로 사용할 수 있습니다. 이는 설계자가 기판의 기존 Through-Hole 핀이나 Via를 테스트 포인트로 지정할 수 있습니다. 뿐만 아니라 납작한 SMD 타입도 가능합니다.

그 다음으로 해야할 것은 CAD 시스템으로 테스트포인트로 지정한 부분을 표시하는 것입니다. 대부분의 PCB 소프트웨어는 이 작업을 위해 해당 기능들이 내장되어 있으며, 위 메뉴창에서 봤듯이 해당 매개변수를 설정할 수 있습니다.

그 후 소프트웨어에서 특정한 매개변수 값과 설정된 간격 등을 통해 자동으로 테스트 포인트로 사용할만한 곳을 선정해줍니다.

또한 시각적으로 식별이 필요한 경우에는 via나 pad의 모양을 원형에서 사각형으로 바꾸는 등의 테스트 포인트로 사용 할 많은 옵션들이 있습니다. 각 테스트포인트가 선정되면 소프트웨어에서 해당 데이터를 파일로 추출할 준비가 됩니다. 이 데이터는 추 후 테스트포인트 장비의 자동으로 프로그래밍을 할 수 있도록 도와줍니다. 물론 이 모든 것을 쉽게 위해서는 테스트포인트를 쉽게 생성시켜주는 소프트웨어를 사용하는 것입니다.

테스트포인트 생성을 위한 PCB 소프트웨어

한때는 PCB의 테스트포인트 생성작업은 순전히 설계자가 직접 만들어야 했던 노가다 작업이었습니다. 그러나 요즘처럼 복잡한 PCB에서는 불가능에 가깝습니다. 신제품의 출시 일정을 앞당기기 위해서는 PCB 설계자에게는 최고의 테스트포인트 자동생성 기능이 필요합니다. 소프트웨어에는 테스프포인트 위치를 자동으로 선택하고 제조업체의 요구사항을 충족하는 다양한 매개변수를 설정하는 기능이 포함되어 있습니다.

(Allegro PCB Designer에서 Testpoint를 설정하는 방법)

https://ansan-survivor.tistory.com/696

자세한 사항은 아래 영문 링크 보길 바란다.

https://www.raypcb.com/the-difference-and-role-of-pcb-paste-mask-and-solder-mask/

위 내용을 간단히 요약했다.

Soldermask란?

보통 PCB보드의 전체에 덮혀있는 마스크 (보통 초록색, 또는 다양한 색)

납땜을 할때 납이 pad자리에 잘 머무를 수 있도록 도와주는 마스크

아래 사진을 보면 Pad또는 Via가 있는자리 빼고 나머지는 초록색으로 도포되어있다.

실제 부품을 납땜해보면 적정량의 납을 녹여주면, 납이 옆으로 번지지않고 해당 Pad자리에 고루 분배된다.

아래 사진은 Through-Hole, Via 자리를 제외하고 초록색으로 모조리 도포되어있다. 이 초록색이 모두 soldermask

SMD패드의 사이사이를 보면 초록색으로 도포되어있다. 이 자리에는 납이 묻지 않도록 마스크를 씌어준것이다. (soldermask없이는 계속 solder-bridge가 발생하여 smd패드를 납땜하긴 힘들것이다)

보통 soldermask의 크기는 pad사이즈보다 0.15mm 크게 만듬

Pastemask란?

어렸을때 학교에서 미술시간에 아래와 같은 활동을 해보았을 것이다.

어떤 틀을 대고 그 부분을 칠하면 해당 부분만 그림이 그려진다. 저 그림틀을 영어로 Stencil 이라고 부른다.

아주 복잡한 MCU나 CPU 등... SMD타입같은경우, BGA타입의 경우 아래와 같이 엄청 작은 크기의 pad를 지닌다. 이를 사람의 손으로 납땜하는 것은.. 미친짓에 가깝다. 만약 가능하다면 생활의 달인에 출현할 것이다.

그래서 보통 장비를 이용해서 납땜을 한다.

설계할 때 지정한 pastemask는 보통 왼쪽 그림처럼 stencil을 만든다고 보면 된다. stencil을 씌우고 그 위에 solder paste (치약같은..)를 도포하고 그 위에 쫙 뿌린다면 오른쪽 사진과 같이 pad위에만 paste가 묻게 될 것이다.

solder paste는 현미경으로 보면 미세한 납구슬?(solder ball)에 접착성분이 있는 형태이다. 이는 일정 온도이상 가해지면 Soldermask가 있는 부분을 피해서 녹아서 하나로 합쳐진다.

위 글을 읽어본 후 아래 영상을 보면 이제 pastemask가 뭔지 이해가 될 것이다.

https://www.youtube.com/watch?v=uSb1fgCMUug