PCB 기판 제작(1)

 

*이 글은 아마추어 수준의 PCB 기판을 쉽게 제작하는 방법에 대해 설명하고 있습니다.

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PCB에 대해 전혀 모르던 기계공학과 학부생이(=나)

이 글에서 설명한 약간의 기초적인 개념을 공부하고, Easy EDA 라는 툴 사용법을 익혀서, 1차 PCB 아트웍을 완성하는데

고작 하루 밖에 걸리지 않았다. (물론 이후에 수정을 거듭해서 총 이틀 정도 소요됨)

 

이 글 PCB 기판 제작(1) ~ (5)를 잘 읽으면서 따라 하면,

하루 이틀 안에 간단한 아마추어 수준의 PCB는 충분히 만들 수 있을 것이라고 생각한다.

(단 제작하고자 하는 회로도에 대해 충분히 이해한 상태에서)

 

그리고 마지막 글인 'PCB 기판 제작(6)' 을 참고하면 아트웍한 PCB를 실제 주문하는 것도 할 수 있을 것이다. 

 

 

* 글 바로가기 링크

PCB 기판 제작(1)  PCB란? PCB 관련 용어, 개념 소개. Easy EDA 툴 소개

PCB 기판 제작(2)  회로도 기호. 칩 타입 부품의 사이즈, 용량 표기법

PCB 기판 제작(3)  회로도 그리기. 부품 검색 및 불러오기

PCB 기판 제작(4)  회로도를 아트웍으로 변환하기. 부품 배치 및 오토라우팅

PCB 기판 제작(5)  PCB 아트웍에서 주의할 점. 아트웍 수정하기.

PCB 기판 제작(6)  거버파일 추출하기. PCB 주문하기.

 

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1. PCB란

 

PCB는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)의 약자이다. 

 

pcb 기판 예시

간단히는 위 사진처럼 전자 회로를 하나의 판에 넣고 표면에 부품들을 납땜 한 것을 pcb기판이라고 생각하면 된다. 

 

아두이노, PC의 메인보드, 터틀봇에 들어가는 OPEN_CR 등 뿐만 아니라 대부분의 전자기기에 들어가 것이 PCB이다. 

 

 

 

 

 

PCB기판을 사용하면 전자 회로를 작고 깔끔하게 만들수 있다는 장점이 있다.

 

위 회로도는 robotis OP3 로봇에 들어가는 GPIO보드이다.

 

이 회로를 만능기판으로 만들었을 때는 아래 두 사진과 같이

5X5cm 양면 만능기판 2개와 배선용 전선을 사용해서 상당히 두껍고, 큰 보드를 만들었었는데(심지어 잘 고장났음)

 

 

PCB 기판을 제작해 위 GPIO회로를 로봇에 넣을 수 있을 정도의 작은 크기로 만들수 있었다. (3x7cm)

 

 

 

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1.1 PCB 관련 용어

 

최소한의 용어와 뜻을 알면 pcb기판 제작시 많은 도움이 된다.

 

아트웍 :

 전자 회로도를 가지고, 인쇄기판을 설계하는것.

회로도는 기호를 사용해 부품과 부품간의 단순 연결관계를 나타내는 것이라면,

아트웍은 실제 만들어질 인쇄기판과 동일하게 기판을 디자인하는 것이다.

회로도(왼쪽)과  아트웍(오른쪽)

 

위 사진에서 왼쪽은 회로도이고, 오른쪽은 이 회로도로 기판을 제작하기 위한 아트웍 사진이다.

 

 

사진에서 볼 수 있듯이 아트웍은 실제 만들어질 pcb과 같다.

 

 

Layer :

PCB는 구리 원판에서 전선에 해당하는 라인만 남기고 라인 주변을 제거하는 방식으로 만들어진다. 즉 2차원이다.

 

그렇기 때문에 브레드보드나 만능기판을 사용해서 회로를 구성할 때는 전선 위로 다른 전선이 교차해서 지나갈수 있지만, pcb 회로에서는 한 라인 위로 다른 라인이 교차해서 지나갈 수 없다.

 

이 때문에 복잡한 회로의 경우, 부품을 배치해서 라인으로 연결할 때 한 평면상에서는 연결하지 못하는 경우가 생기게 된다.

이 같은 문제 때문에 pcb기판은 여러 개의 층을 겹쳐서 사용한다. 만약 라인이 다른 라인을 넘어가야 할 경우 다른 Layer로 이동해서 지나가면, 라인이 겹쳐지지 않게 넘어갈 수 있다. 층을 많이 겹쳐서 사용할 수록 복잡한 회로를 만들수 있게 된다.

 

이때 Layer에서 다른 Layer로 넘어가기 위해 필요한 것이 via라는 구멍이다.

 

어떤 위치에서 다른 Layer로 이동할 때, 그 위치에 via구멍을 뚫는다.

via구멍은 두 Layer를 모두 통과하는 구멍이다.

PCB기판을 보면 작은 구멍들이 많이 있는 것을 볼 수 있는 데, 이것들이 via구멍이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

아트웍에서 via hole은 왼쪽 사진과 같이 표시된다. 

사진에서 빨간색 선과 파란색 선은 각각 다른 layer의 라인인데,

서로 다른 layer의 라인을 via hole이 연결해주고 있다.

 

 

 

 

 

 

만약 두개의 층을 가지고 있는 2-Layer 기판이라면, 앞면의 층을 Top, 뒷면의 층을 Bottom이라고 한다.

앞 뒷면은 상대적인 것이므로 제작자가 임의로 정해서 사용한다.

위 그림에서 빨간색 라인이 Top Layer의 라인이고, 파란색 라인은 Bottom Layer의 라인이다.

 

 

 

 

GND : 

GND가 접지를 의미하는 것은 잘 알고 있는 사실일 것이다. 

회로 기호로는 이와 같이 나타낸다.

회로도에서 위와 같은 GND는 모두 하나로 연결해 주어야 한다.

그런데 보통 회로도를 보면 GND들이 굉장히 많다. 이것을 모두 하나의 라인으로 연결하면 기판이 굉장히 복잡해 질 것이다.

따라서 PCB에서 GND들을 연결할 때는 라인으로 연결하는 것이 아니라, 라인이 아닌 나머지 영역으로 연결해준다.

 

왼쪽 사진을 보면 부품을 납땜하는 사각형 부분이 그 주위 부분과 연결되어 있다. 

 

이 같이 GND로 연결되어야 하는 부분들은 그 주변 부분과 연결해준다.

 

PCB에서 라인이 아닌 이 같은 나머지 부분들은 보통 끊어져 있지 않고 하나로 연결되어 있기 때문에, GND들을 모두 주변 부분에 연결해주면, GND들이 모두 하나로 연결되게 된다. 

(층이 여러개인 multi layer PCB에서는 아예 독립적인 한 층을 차지하기도 한다. )

 

 

 

 

 

TOP layer와 Bottom layer의 GND도 연결되어야 한다.

 

왼쪽 사진을  보면 빈 구역에 생뚱맞게 via구멍이 하나 뚫려 있다.

 

이 구멍이 TOP 과 Bottom의 GND를 연결해주는 역할이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GND 역할을 하는 면을 Ground Plane 이라고 한다. 

https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=rlaghlfh&logNo=220790585792&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F

Ground plane

 

물론 우리가 직접 많은 GND들의 연결작업을 할 일은 없다. 오토라우터가 자동으로 다 잘 연결해 줄 것이기 때문에

오토라우터가 한 아트웍을 보고 이해할 수 있기만 하면 된다.

 

 

SMT:

표면실장기술(surface mount technology, SMT)

pcb 아트웍에서 추후에 납땜할 부품의 위치를 잘 표시하고 아트웍 거버파일과 부품 파일(BOM)을 제작 업체에 넘기면 SMT기계를 이용해 부품 납땜을 할 수 있다. 부품을 기계를 이용해 기판 표면에 납땜하는 기술을 SMT라고 한다.

크기가 아주 작아서 수작업으로 납땜 하기 어려운 부품이 많은 경우 SMT를 이용하면 쉽게 납땜할 수 있다.

 

그러나 당연히 비용이 추가로 들어가고, 앞, 뒷면 중 한 면만 SMT해주는 경우도 있기 때문에

간단한 기판인 경우 그냥 수작업으로 납땜 하는 것이 좋다.

 

이때 부품의 사이즈를 너무 작은것으로 아트웍하면 납땜이 굉장히 어려우므로 납땜하기 쉽게 적당히 큰 부품을 사용하는 것으로 아트웍하는 것이 좋다.

 

 

거버(Gerber)파일 :

아트웍을 마치면 아트웍 데이터가 담긴 파일을 추출해서 업체에 보낸다.

이 파일이 Gerber파일이다.

 

BOM파일 :

부품 리스트 파일. SMT를 진행하려면 추출해야 하지만, 손납땜을 할 예정이라면 신경 쓸 필요 없는 파일이다.

 

 

 

경험상 이 정도 용어만 이해하면 간단한 pcb제작에는 무리가 없을 것이다. (아마도)

 

 

 

 

*추가

 

 

 

왼쪽과 같이 아두이노 등에서 많이 사용되는 부품을 리드(lead)타입, 딥(deep)타입 부품이라고 한다.

 

오른쪽처럼 pcb기판에 부착하는 부품은 칩타입, SMD타입이라고 한다. 칩타입 부품은 크기 규격이 따로 정해져 있고. 

칩 저항의 경우 저항 읽는 방법도 리드타입 저항과 다르다. (색깔 띠로 읽지 않는다.)

 

 

물론 딥타입 부품도 PCB기판에서 사용할 수 있다.(오히려 남땜하기는 훨씬 더 편하다. )

그러나 딥타입 부품을 사용할수록 기판이 무겁고 두꺼워진다. 크게 상관 없다면 딥타입 부품에 맞춰 아트웍하는 것도 좋을 것이다.  

 

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다음 글에서부터는 easy eda라는 아트웍 툴을 이용해 직접 간단한 pcb 기판을 아트웍 해 볼 것이다.

easyeda.com/

EasyEDA - Online PCB design & circuit simulator

 

easy eda에 대해 소개 하자면

 

easy eda는 ORCAD나 PADS 같은 전문 아트웍 프로그램에 비해, 일반인도 굉장히 쉽고 직관적으로 pcb아트웍을 할 수 있는 eda프로그램이다. 

 

생각보다 국내에서는 많이 알려지지 않은 것 같다. 초보자용 무료 오픈소스 툴로 kiCAD라는 툴이 꽤 알려져 있는것 같은데 이 프로그램은 따로 설치해야하고, 대강 흝어보니 easy eda보다 인터페이스가 어려워보인다. 

EDA : 전자 설계 자동화
(Electronic Design Automation, 이하 EDA)는 인쇄 회로 기판부터 내장 회로까지 다양한 전자 장치를 설계 및 생산하는 수단의 일종이다. 즉, 전자 분야의 CAD

 

 

easy eda는  중국 pcb제작 회사인  JLC PCB와 긴밀하게 연결된 아트웍 툴이며,

easy eda로 아트웍을 하면 거버파일을 따로 추출하지 않아도 JLC PCB에서 바로 PCB제작 주문을 할 수 있다.

 

JLC PCB : 중국 선전에 공장을 가지고 있는 pcb회사인데, 국내 pcb제작 업체에 비해 제작 비용이 굉장히 저렴하다. 물론 품질은 조금 떨어지겠지만, 일반인이 설계하는 간단한 기판의 경우 성능상의 차이는 거의 없으며 나름 알려진 회사이기 때문에 기술력은 크게 걱정하지 않아도 된다. 배송비를 감안해도 저렴하고 배송은 DHL 배송기준으로  일주일 이내. 다만 코로나19 사태 이후에 공장 가동을 거의 중지한 적이 있었음. 나는 하필 이때 pcb를 주문해서 시간이 굉장히 오래 걸렸다.)

 

easy eda의 최대 장점은 일반인도 쉽게 사용할 수 있는 직관적이고 간단한 인터페이스이다.

또한 다른 전문가용 프로그램과 다르게 따로 설치할 필요가 없고 웹 상에서 작업한다. orcad등의 프로그램이 상당히 많은 저장공간을 요구하는 무거운 프로그램임을 생각하면, 웹에서 작업할 수 있는 것은 큰 장점이다.

 

또 하나의 장점은 무료 툴이라는 것이다. orcad 등 유료 라이센스 툴은 대략 한달 정도의 무료 체험 기간이 끝나면 사용할 수 없다.

많은 저장공간을 소모해서 무거운 프로그램을 설치 해 놨더니 한 달 이후에는 못쓰게 되는 것

무료 체험기간이 지나면 아트웍 해놓은 것을 수정할 수도 없기 때문에 어둠의 경로로 구버전의 툴을 다시 받게 되기도 한다. 

 

easy eda의 단점은 전문적인 분야에 활용하기는 어렵다는 것이다.

아마추어 수준의 간단한 설계에 사용하기에는 좋지만 컴퓨터 메인보드 기판을 설계한다던지 하는 일에 사용할 수는 없다.

 

 

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**추가

 

구글에서 PCB아트웍에 대해 찾아보면 굉장히 복잡하고 어려운 내용들이 넘쳐난다.

PCB 아트웍은 단순히 부품을 불러와서 선으로 이어주는 것이 다가 아니라, 고려해야할 부분들이 아주 많다고 한다.

주의사항들도 많다. PCB설계는 무척 전문적인 작업이고, pads나 orcad등의 EDA프로그램이 복잡한 이유도 이 때문일 것이다.

 

그렇지만 정말 아마추어 레벨에서 간단한 회로의 기판을 만들때는, 전문가 레벨에서 고려해야 하는 많은 사항들을 굳이 신경쓰지 않아도 되는데, 이런 경우에 orcad나 pads등의 프로그램은 너무 과하게 복잡하게 느껴질 것이다.

 

이런 경우에 사용하기 좋은 프로그램이 Easy EDA이다.

앞으로 이어질 내용들에서는 Easy EDA의 기능 중에서도 가장 단순한, 최소한의 기능들만 사용해서 설명했기 때문에,

만능기판이나, 브레드보드에서도 (매우 노오력하면) 만들수 있을 정도의 회로를 PCB로 만들때, 적합한 내용이다.

 

Easy EDA로 비교적 복잡한 기판을 만들고 싶을 때는

PCB 아트웍시 고려해야 하는 주의사항 등을 검색해서 알아보고

 

Easy EDA의 기능들이 상세하게 설명되어 있는, 아래의 Tutorial 페이지를 잘 읽어보는 것이 좋을 것이다.

docs.easyeda.com/en/FAQ/Editor/index.html

EasyEDA Tutorial