인쇄 회로 기판(PCB)을 설계할 때 전자적 고장의 주요 원인인 열 순환, 진동, 기계적 충격 및 낙하를 반드시 고려해야 한다. 다양한 물리적 테스트를 수행하여 전자 장치가 어떻게 그리고 왜 실패했는지 확인할 수 있지만, PCB 모델링 및 시뮬레이션은 훨씬 빠르고 비용 효율적인 솔루션이 될 수 있다.
특히 시뮬레이션을 물리적 테스트와 함께 활용하면, 실제 시험 횟수를 최소화하면서도 전자 제품의 신뢰성을 보다 효율적으로 검증할 수 있다. 예를 들어 물리적 테스트를 시뮬레이션 결과에 맞게 조정하면 하나 또는 두 번의 시험만으로도 충분한 검증이 가능하다.
진동에 맞선 PCB 설계 최적화
진동 환경에 대응하기 위해 PCB 설계를 최적화하려면 우선 PCB의 고유 주파수 범위를 파악해야 한다. 이를 위해 Ansys Sherlock 또는 Ansys Mechanical과 같은 시뮬레이션 도구를 활용한 모달 분석(고유 진동수 해석)을 수행한다.
진동 분석 과정에서는 PCB의 특정 영역에 높은 변형률이 집중되는지 확인할 수 있다. 일반적으로 보드 하단의 대형 부품 주변이나 장착 지점 근처는 고위험 영역으로 분류된다. 이러한 경우 중앙 장착 지점을 제거하거나 추가 마운트를 배치하여 변형을 완화할 수 있다.
또한 고위험 부품에는 접착제 스테이킹(Staking)을 적용하여 부품 지지력을 높이고 진동에 의한 스트레스를 줄일 수 있다.
PCB 설계 시에는 대형 부품을 변형률이 높은 영역에서 멀리 배치하는 것이 중요하다. 특히 BGA, 세라믹 커패시터, QFN과 같이 변형에 민감한 부품은 장착 지점 주변이나 큰 부품 사이와 같은 고응력 영역을 피하는 것이 바람직하다. 이러한 설계 방식은 PCB의 무작위 및 고조파 진동 환경 대응 성능을 향상시킨다.
충격에 맞선 PCB 설계 최적화
기계적 충격은 기계적 변위를 유발하는 갑작스럽고 불규칙한 가속이 있을 때 발생한다. 구체적으로, 10G이상의 가속이기계적 충격은 갑작스럽고 불규칙한 가속으로 인해 기계적 변위가 발생하는 현상이다. 일반적으로 10G 이상의 가속이 100,000회 미만 반복될 때, 20ms 이하의 짧은 시간 동안 충격이 발생한다.
충격 환경에 대응하는 PCB 설계의 기본 원칙은 보드의 공진 주파수를 충격 펄스 주파수보다 최소 3배 이상 높게 유지하는 것이다.
기계적 충격 및 낙하로 인한 PCB 고장 위험을 줄이기 위해 다양한 전략을 적용할 수 있다.
예시 : 10ms 펄스
- 50Hz 펄스 주파수
- 보드는 150Hz 이
기계적 충격 및 낙하로 인한 PCB 고장 위험을 줄이기 위해 다음과 같은 여러 가지 전략을 사용할 수 있습니다.
자극 감소
- 대형 전자 조립체용 충격 차단기 적용
- 휴대폰 케이스 및 범퍼와 같은 외부 쿠션 구조 적용
- 배터리 분리와 같은 질량 방출 구조 고려
부품 수준 대응
- 충격 내성이 높은 부품 선택
- 세라믹 커패시터의 유연한 종료(Flexible Termination) 적용
- 리드 부품 및 본딩 적용
- 언더필(Underfill), 에지 본딩(Edge Bonding), 스테이킹(Staking) 적용
PCB 설계 대응
- PCB 두께 최적화
- 마운트 포인트 위치 최적화
열 환경에 맞선 PCB 설계 최적화
반복적인 온도 변화는 전자 장치 고장의 가장 일반적인 원인 중 하나이다. 일반적으로 PCB 부품과 보드 사이의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인해 발생하며, CTE 불일치가 클수록 납땜 접합부(Solder Joint) 고장 가능성이 증가한다.
또한 지역별 운용 환경에 따라서도 열 관련 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어 자동차 전장 PCB는 알루미늄 하우징 내부에서 과도하게 구속될 수 있으며, 차가운 영역은 수축하고 뜨거운 영역은 팽창하면서 보드 변형이 발생한다.
이러한 상황을 분석하기 위해서는 일반적으로 하우징이 없는 PCB와 하우징이 포함된 PCB를 각각 해석하고 변형률(Strain) 비교를 수행한다. 이를 통해 외함 구조가 PCB와 부품에 추가적인 스트레스를 유발하는지 확인할 수 있다.
실제 열 분석에서는 하우징이 없는 상태보다 하우징 장착 상태에서 특정 부품의 응력이 크게 증가하는 경우를 확인할 수 있으며, 특히 BGA 부품은 높은 부담을 받을 수 있다.
또한 Sherlock 기반 납땜 피로(Solder Fatigue) 신뢰성 예측 결과를 활용하면 차대 및 외함 구조가 PCB 고장 위험에 미치는 영향을 정량적으로 분석할 수 있다. 이러한 위험을 완화하기 위해서는 차대 재질 변경, PCB 장착 위치 조정, 접착제 스테이킹 적용 및 부품 위치 재배치 등을 고려해야 한다.
PCB 열 분석 예시
아래 예시는 섀시가 없는 보드의 분석 결과 이미지이며, BGA에 부하가 걸리고 있는 상태이다.
보드를 하우징에 넣어 분석했을 때, 변형률이 두 배로 증가한 것을 확인할 수 있다.
위의 표에서 Sherlock이 제공하는 납땜 피로 신뢰성 예측값 을 확인할 수 있다.
기판을 섀시에 장착하면 기판의 고장 위험이 증가하며 이러한 위험을 줄이려면 다른 섀시 재질, 다른 PCB 장착 지점, 접착제를 사용한 고정 또는 다른 부품 위치를 고려해야 한다.
세 가지 사례에서 볼 수 있듯이 진동, 충격 및 열 환경에 대응하는 PCB 설계에서 가장 중요한 요소는 다음과 같다.
- 변형률이 높은 영역에서 민감한 부품 제거
- 마운트 지점 최적화를 통한 보드 및 부품 스트레스 완화
- 적절한 재료 선택
이러한 환경 요인에 대한 시뮬레이션은 테스트 반복 횟수와 설계 시간을 줄일 수 있으며, 제품의 신뢰성과 수명 향상을 위한 중요한 통찰력을 제공한다.
[출처 : Ansys Optimize Your PCB for Vibration, Shock and Thermal Environments]
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