전자 기기가 소형화되고 보편화됨에 따라 이를 구동하는 인쇄회로기판(PCB)과 구성 요소는 전력 밀도가 높아지고 복잡성이 더욱 커지게 된다. 따라서 제품의 신뢰성과 성능을 보장하기 위해서는 정확하고 상세한 분석 방법론이 필요하다.
특히 전자 제품은 모델링이 놀라울 정도로 어려울 수 있다. 우리는 종종 대형 차체(예: 자동차 또는 비행기)를 시뮬레이션하기 가장 어려운 것으로 생각한다. 그러나 단순한 컴퓨터나 휴대폰은 1000배(100미크론~100mm)의 범위를 가진 수만 개의 차체를 가질 수 있어 고급 컴퓨팅 기능이 필요한 매우 복잡한 모델로 이어질 수 있다. 좋은 예는 PCB 그 자체이다.
PCB 모델링 기술
그림 1의 PCB는 11개의 구조층을 가지고 있다. 라미네이트(Laminate) 또는 프리프레그(Prepregre)의 5개 층은 유리 섬유 강화 에폭시로 각 층마다 유리 조각이 다르다. 6개의 층은 수천 개의 구리 트레이스, 패드 및 에폭시 수지가 구리 특징 사이의 틈새를 채우는 평면으로 구성되어 있다. 두 종류의 층 모두 비아 또는 마이크로 비아로 묘사되는 수천 개의 도금된 구멍을 가지고 있다. 이 복잡한 보드 지오메트리는 공간적으로 다양한 재료 특성(예: 탄성, 밀도, 열전도율 등)을 유발하며, 이는 모든 유형의 시뮬레이션을 위해 정확하게 지정되어야 한다.
이러한 PCB 모델링 문제를 극복하기 위한 첫 번째 단계는 Ansys Sherlock을 사용하는 것이다. Sherlock은 ECAD(Electronic Computer-Aided Design) 파일에서 PCB 지오메트리를 캡처하고 처리하도록 특별히 설계되었으며 Gerber, ODB ++, IPC-2581 및 EDB를 포함한 모든 산업 표준 출력 파일을 가져올 수 있다. 그림 2에서 보듯이, Sherlock은 모든 트레이스, 플레인, 비아, 구멍, 보드 아웃라인 및 스택 업을 캡처할 수 있다. PCB 데이터가 Sherlock에 업로드되면, 지오메트리를 모델링 하는 몇 가지 방법이 있다.
방법 1 : 뭉쳐진 또는 효과적인 재료 속성
PCB의 복잡한 지오메트리를 다루기 위한 가장 기본적인 접근 방식은 ‘뭉쳐진’ 또는 ‘효과적인’ 재료 특성을 가정하는 것이다.
이 방법의 첫 번째 단계는 유리 섬유 강화 라미네이트 층의 직교이방성 성질을 계산하는 것을 포함한다. 그림 1의 시공 세부 사항을 보면 다양한 층(1078, 2116 등)의 유리조직을 볼 수 있습니다. 다양한 유리 짜임새는 주로 다양한 수지 함량으로 인해 매우 다른 재료 및 기계적 동작을 유발할 수 있다. 탄성모듈(E)과 열팽창계수(CTE)는 라미네이트 구조에 따라 40% 이상 차이가 난다..
Sherlock은 표준 구성(50% 수지/50% 유리)을 위해 라미네이트 데이터시트에 열거된 재료 특성을 가져와서 광범위한 유리 짜임에 대한 직교이방성 특성을 계산하고 수지의 등방성 특성을 역전시킬 수 있다.
다음 단계에는 구리 및 수지 층의 직교이방성 성질 계산이 포함된다. 이 방법에서는 보드의 각 층에 대한 구리 커버리지 비율을 가정하고 효과적인 직교이방성 재료 특성을 계산할 수 있다.
재료 특성이 뭉쳐지는 정도는 분석가가 결정할 수 있다. 속성은 모든 레이어에 걸쳐 또는 레이어별로 일괄될 수 있습니다. 일괄 접근 방식은 분석가에게 보드 속성에 대해 신뢰할 수 있는 1차 추정치를 제공하지만 공간 속성의 변동 “번짐”으로 인해 오류가 발생할 수 있다. 모든 레이어에 걸쳐 레이어 별로 계산된 효과적인 속성의 예는 그림 3에 나와 있다.
PCB 모델링에 대한 효과적인 속성 접근 방식은 사전 레이아웃 또는 레이아웃의 초기 버전과 같은 첫 번째 통과 평가에 적합하다. 그러나 최종 확인을 위해 추가 세부 정보가 필요하다.
방법 2 : 매핑 된 재질 속성 (트레이스 매핑)
이 접근 방식에서는 직사각형 배경 그리드가 보드의 각 레이어에 구성된다. 배경 그리드의 각 셀은 구리 및 유전체의 로컬 농도에 기초하여 효과적인 직교이방성 재료 특성을 계산하여 효과적으로 PCB의 각 레이어에 걸쳐 재료 속성의 맵을 형성한다.
로컬 속성은 방법 1과 유사한 방식으로 계산된다. 그러나 각 셀에서는 보드의 유한 부분만 고려되므로 재료 맵이 속성의 로컬 변경 사항을 포착할 수 있다. Ansys Mechanical에서 구성된 이 재료 맵의 예는 아래 그림 4에 나와 있다. FEA 또는 CFD 모델의 메쉬는 PCB의 로컬 재료 속성을 결정할 때 이 기본 재료 맵을 참조할 수 있다.
트레이스 매핑의 주요 이점은 메쉬의 청결도와 메쉬 밀도의 완벽한 제어이다. 트레이스, 패드, 평면의 복잡한 지오메트리를 따르도록 강요받지 않고, 메쉬는 거의 전적으로 1차 벽돌로 구성될 수 있다. 벽돌은 구조 역학 모델링의 1차 사면체 요소보다 선호되는데, ‘테트’는 너무 뻣뻣한 경향이 있기 때문이다. 선호하는 요소 크기는 응용 분야에 따라 100에서 500마이크론 사이이며(예: 열, 기계, 열-기계 등) 메쉬가 미세할수록 트레이스 맵이 실제 형상과 상관되기 시작한다.
트레이스 매핑은 방법 1에 자세히 설명된 유효 속성 접근 방식보다 PCB를 더 정확하게 표현할 수 있게 한다. 또한 아래 방법 3에서 설명한 접근 방식보다 더 적은 리소스로 시뮬레이션을 더 빨리 수행할 수 있다.
PCB 설계의 복잡성이 증가함에 따라, 트레이스 모델링은 열 기계적 고장의 위험을 예측하는 데 선호되는 접근 방식이다.
방법 3 : 세부 지오메트리 (트레이스 모델링)
분석가는 방법 1의 단순성의 반대 극점에 있는 방법을 사용하여 PCB 레이아웃의 전체 3D 지오메트리를 추출하여 전체 보드를 명시적으로 표현하도록 선택할 수 있다. 이 접근법에서는 각 트레이스 및 비아가 상세하게 모델링 되므로 보드 내의 재료 분포에 대해 더 적은 가정이 이루어진다.
스택형 마이크로 비아의 사용이 증가하고 고속 회로에 대한 극히 작은 트레이스(최대 25마이크로미터 폭) 때문에 명시적 지오메트리를 포함하지 않으면 현장에서 제조, 검증 테스트 및 작동 중에 고장 위험이 발생하는 응용 프로그램이 증가하고 있다.
그러나 전체 PCB 지오메트리를 모델링하는 문제는 간과할 수 없다. 분석가는 대규모 모델(잠재적으로 레이어당 1M 요소를 초과함)을 생성해야 할 뿐만 아니라, 복잡한 지오메트리가 메쉬를 만들 수 없거나 바람직하지 않은 요소 유형 및 가로 세로 비율로 채워진다.
이러한 문제를 극복하기 위해 Sherlock은 사용자에게 다양한 옵션을 제공한다.
- 트레이스 모델링 (위의 내용)
- 트레이스 모델링 영역
- 트레이스 모델링 보강
트레이스 모델링 영역은 사용자가 미리 정의된 영역의 모든 형상에 대한 솔리드 지오메트리를 생성할 수 있는 기능을 제공한다. 이는 모델의 잠재적인 크기를 줄이고 BGA(ball grid array) 또는 QFN(quad flat pack no lead)과 같은 특정 구성 요소로 확인된 열역학적 위험이 있을 때 특히 유용하다. 이는 로컬-글로벌 모델링 접근 방식과 유사하지만 트레이스 모델링 영역은 글로벌 저화질 모델 내부에 로컬 고화질 모델을 생성한다.
트레이스 모델링 강화는 Sherlock에서 이용할 수 있는 최신 기능이다. 보강재는 3D 구조 요소 또는 상위 요소 내에 포함된 2D 또는 1D 요소이다. 보강재의 변형은 임베딩 요소의 변위 필드에서 계산되며, 이는 보강재와 주변 재료 사이의 강한 결합을 의미한다(동박과 구리 도금 및 에폭시 수지 사이의 결합을 모방함).
보강재의 이점에는 수지 또는 라미네이트의 메쉬에 영향을 미치지 않는 레이아웃 지오메트리가 포함된다. 이는 분석가에게 메쉬가 대부분 1차 벽돌이고 메쉬 밀도를 완전히 제어할 수 있는 트레이스 매핑과 유사한 이점을 제공한다.
이러한 모든 기능은 차세대 기술을 위한 전자 제품의 전기, 열, 기계적 및 신뢰성 모델링에 있어 흥미로운 기회를 제공한다.
출처 : Ansys How to Overcome PCB Modeling Challenges [Updated for 2020]
