EDA(전자설계 자동화)의 최신 기술 동향 – 3D 설계

 

허선회

㈜폴리오그

 

서 론

많은 PCB 설계 툴들이 시장에 공급되어 온 시간을 거슬러 올라가 보면 벌써 25~30년이 훌쩍 지난 시간이 되어 버렸다. 설계 툴의 기능적(수평적) 발전을 거듭해 오는 동안 그 방법적 깊이가 얼마나 발전해 왔는가는 몇 번 이고 생각해 보아도 큰 변화가 없다는 결론을 얻게 된다.(아주 오래 전부터 진행되어 오던 Auto-placement, Auto-routing 조차 그 완성도에 있어서 크게 사용된다고 말하기는 어려운 실정이다.) 이에 대한 주요한 원인으로는 PCB 자체의 기술적 복합성 보다는 시장의 역학적 특성에 기인한 바가 크다. 구체적으로 표현하자면 PCB 제조에 사용되는 광범위한 원자재 의존성 때문이다. 수요가 엄청나게 증가한다고 해도 원자재 공급을 무한정 따라갈 수 없는 이유로 인해 상대적인 안정성을 갖는 시장인 만큼 여기에 따르는 기술적 변화도 상대적으로 어려운 것이다. 시장의 안정성은 빠른 기술적 변화를 이끌어내지 못하는 요인이기도 한 셈이다. 하지만, 이를 감안한다고 하더라도 EDA 벤더들에서 공급하는 툴의 기술적 진보성이 고객이 쏟아내는 제품의 기술적 흐름을 따라가기에도 버거운 시간은 아마도 10년 혹은 그 이상일지도 모른다. 아마도 얼마간의 시간이 지나지 않아서 설계라고 하는 영역에서 고객이 원하는 제품을 공급하지 못하는 최종 디폴트 시기가 올지도 모른다. 현재의 제품의 복잡성과 발생하는 많은 문제들을 보고 있으면 앞으로의 대안과 각 EDA 벤더들에서 준비하고 있는 기술적 흐름을 파악해 보았을 때 그 대안은 3차원설계에 맞춰져 있다고 보여진다. 단순히 설계 방법에 있어서의 변화만으로 그 완성도를 채울 수 없을지 모른다. 전자산업을 구성하는 각 참여주체, 물리적인 부품의 공급사, 툴(SW) 공급사, 제품 운용 주체(고객)가 근본적인 밑바탕의 그림을 다시 그려야만 가능한 일로 보여진다. 이 보고서에서는

  • 현재의 설계 방법에서 발생하는 문제는 어떤 것이 있으며
  • 현재의 기술적 상태로 인해 발생하는 문제
  • 이를 극복하기 위한 제언과
  • EDA에 관련하는 각 주체 별 변화의 방향과 현 주소

를 알아 보고자 한다. 이를 통해 새로운 3차원 PCB 설계의 현재 상황과 그 동향을 알아 보고자 한다.

일반적인 전자제품의 설계에 있어서의 2D PCB 설계와 디자인에서 발생하는 다양한 문제에 대한 해결방안은 많은 부분 해결이 되었다고 볼 수 있으나 새로운 기술이 적용되는 분야에 전자제품의 개발 및 생산에 대해서만 특정 형태의 기술적인 요구가 있는 상황이다. 신기술을 장착한 Smart Phone, HDI(High Density Interconnection) 장착 전자 제품, 자동차, 반도체 등의 고밀도 전자제품의 설계 분야는 특히나 3D PCB 설계 기술이 필요한 분야에 해당한다. 이러한 분야에서 3D PCB설계를 하게 될 때의 장점과 기존 2D 설계에서 처리하지 못하는 문제들이 어떤 것이 있는지 살펴 볼 필요가 있다. 이는 기존의 문제를 인식하고 3D PCB 설계의 어떤 장점들을 취할 것인지를 알아내고자 할 때 유익하게 활용될 것이다. 위에서 예시한 산업분야(모바일, HDI(High Density Interconnection) 장착 전자제품, 자동차, 반도체…) 등은 현재 또는 멀지 않은 미래에 임베디드 기술의 적용과 더 많은 다층 설계 등의 기술적 요구가 증가 할 확실한 분야에 해당한다. 이를 바탕으로 한 제품의 안정성 또는 소형화(보드의 고밀도화)가 요구되는 분야에 대해 현실적 요구에 대한 구체적 대안으로 SLP(Substrate Like PCB) 기술이 주요 전자제품 생산에 적용되는 추세이다. 이는 기존 Bare PCB 생산라인으로는 충족하기 어려운 기술적 추세로 대형 PCB 제조사를 시작으로 향후 많은 전자제품에 사용되는 PCB 설계에 적용될 분야이기도 한다. 다른 한편의 기술적 변화는 Laser가공 기술의 발달에 힘입은 Build-up PCB의 기술적 발전을 눈 여겨 볼 필요가 있다는 점이다. 기존의 열 가공 방식에서 Laser Beam을 활용하는 UV방식으로의 전환은 조금 더 세밀한 홀 가공이 가능하며 복잡한 build-up PCB의 상용화를 이끌고 있다는 점이다.

 

PCB 설계에 있어서의 Issue

전통적인 방식의 그리고 앞으로도 계속 될 듯 한 전자설계 방식은 2차원적인 방식에 의존 할 수 밖에 없다. 많은 사람에 의해 실행되는 설계는 시각적으로 직관적인 3D 보다는 Artwork이라 불릴 만한 부품의 배치와 배선을 위주로 하는 설계목적 상 2차원 평면상에서 작업이 훨씬 수월하고 효율적일 수 밖에 없는 상황이다. 설계 편의성 측면에서 개발을 거듭해 온 ECAD(Electronic Computer Aided Design)는 기술적으로 정점에 와 있어 보인다. 하지만, ECAD 툴이 이러한 발전에 발전을 해 오는 동안에도 실제 툴 사용자들의 기술적인 발전은 사용상의 편의 보다는 좀 다른 곳으로 발전했다고 볼 수 있다.

 

  • Mechanical 구조물과 Electrical 구조물에 대한 상호 간섭 증대.
  • Multi-board의 활용. (다양한 MCU가 개발되었음에도 불구하고 PCB 보든 독립적으로 동작하기 보다는 독립적인 여러 개의 보드가 시스템에 배치되어 영향을 미치며 사용될 수 밖에 없는 구조로 활용되고 있다.)
  • Flexible PCB의 확대.
  • 보드의 집적화를 넘어서는 Board Stacking 기술. (두 개 이상의 보드를 stacking하기는 현실적으로 많은 난제가 있으나 보드의 일부분에 대한 적층 구조를 변경해 특정 부품 또는 보드를 매립하는 기술은 R&D 단계에서 충분히 고려할 만하며 상용화 가능한 수준까지 와 있다고 할 수 있다.)
  • 열적/전기적 문제 대응을 위한 Shield-Can의 활용. (이는 단순한 shield-can의 활용에 관한 문제뿐 아니라 CPU 위에 얹혀지는 Cooling Heat-Sink 조차도 같은 형태의 문제로 볼 수 있다.)
  • 다양한 Connector와 Cable의 활용

등은 그 대표적 사례라 할 수 있다. 위의 기술적 변화는 일반적인 2D ECAD에서의 설계 이후 발생할 검증을 어렵게 만들고 있다. ECAD 툴 내부에서 지원되는 DRC(Design Rule Check) 기능들은 기본적인 내부의 자료구조를 바탕으로 검사를 하게 되겠지만 위에서 발생하는 문제들은 ECAD 보다는 외부의 3rd party 솔루션을 활용할 수 밖에 없는 구조이며 이를 위해서는 다양한 3D Graphic 기술과 기하학적 연산이 수반되는 엔진을 필요로 한다. Graphics 연산을 위해서는 성능이 더 좋은 CPU를 필요로 하지만 하드웨어의 눈부신 발전으로 그 활용도에 있어 검증 효율이 높아진 것은 사실이다. 다만, 기존 2D 설계도면을 바탕으로 한 검증에는 그 한계가 있다는 점이다. 이에 대한 대응 방법에 대해서는 우선 기술적인 진보에 따른 문제점을 좀더 살펴보도록 한다.

 

기술적 진보에 따른 문제

복잡하고 고도화된 현대의 전자제품들에서 사용되는 인쇄회로기판은 독립적 일수도 있으나 하나이상의 여러 개의 기판이 결합되어 사용되는 경우가 많으며 기존의 인쇄회로기판을 설계 시에 배제되었던 기구물(Mechanical Structure)이 회로기판에 제품 제조 시에 또는 동작 시에 기능적으로 영향을 미치는 많을 일이 발생하고 있다. 이는 단순히 제품이 복잡화되었다고 표현 할 수 없으며 전기적인 구조적인 근본적인 문제에 해당한다. 전기적인 한 보드의 pattern(배선, routing)이 인접한 다른 보드에서 영향을 받아 신호가 왜곡되는 문제, SI(Signal Integrity)와 중첩되는 EMI/EMC 문제, 하나의 보드에서 발생하는 최종 열적(Thermal) 문제가 인접한 보드와 상호 영향을 미치는 문제, 보드 외관을 둘러싸는 구조물들로 인한 열적/전기적인 문제 및 제조상의 어려움의 증가 등은 그 대표적인 사례라 할 수 있다.

Flexible PCB의 사용은 제한된 전자 제품의 공간에 분리된 기능을 가진 여러 보드를 결합해 사용할 수 있는 유용한 기술 중 하나이다. 이는 전자제품의 시각적 디자인에도 큰 유용성을 제공할 수 있으나 하나로 이루어진 전체 제품의 일관된 구성을 세부적이고 일목요연하게 구성하기 위해서는 3차원 형태의 화면 구성을 요구하는 한 요인이기도 하다.

앞에서 SLP(Substrate-Like PCB) 방식의 제조 형태는 고밀도화된 전자제품에 대응하는 제조사들의 극한 생존 방식이라 할 만 하다.

 

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SLP PCB란 다수의 Smart Phone에 적용된 HDI(High Density Interconnection, 고밀도다층기판) 기술에 반도체 packaging 기술을 입혀 보드의 면적과 폭을 줄이고 적층 층수를 높여 공간효율을 극대화 한 기술이다. 반도체 기술과 PCB제조 기술의 결합은 PCB 기판에 직접적인 부품의 매립까지를 생각할 수 있는 시대를 이끌어 낼 수 있다. 이는 하나의 인쇄회로 기판에 적용되는 공정이 하나의 일관된 설계 룰로 조정할 수 있는 복잡화된 검증을 필요로 하며, 하나의 보드에 여러 개의 적층 구조를 가질 수 있어 전기적으로도 여러 가지의 전기적 특징을 가질 것으로 판단할 수 있다. 복잡화된 구조는 때로는 기존의 ECAD에서 인쇄회로 기판을 기술하는 자료구조의 변화까지도 요구하게 된다. 적층 구조를 기술하는 부분과 부품이 장착되는 위치를 기존의 상/하 면에서 내층에 이르기 까지 다양한 기술 방법의 변화를 담을 수 있어야 한다.

 

3차원 설계를 통한 문제 극복

이제 PCB를 담는 자료구조는 단순히 bare PCB를 제조하기 위해 GERBER film을 만들어 내기 위한 용도에 머물러서는 안 되는 상황이다. 고도화된 인쇄회로 기판의 성격과 이에서 발생하는 SI/PI/EMI/EMC/ESD등의 전기적인 문제와 열, 진동, 휨(warpage) 등의 다양한 요인과 결합된 형태의 피로(fatigue) 해석과, 실장, 납(Soldering) 처리와 조립(Assembly), 동작 테스트까지의 SMT 공정에서 발생하는 문제를 담기 위해서는 다양한 요구조건과 이를 수용하는 형태의 변화가 불가피 하다.

 

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기존의 ECAD에서 PCB를 기술하는 자료구조는 인쇄회로기판에 장착되는 부품, 좀 더 상세하게는 부품의 단자(pin, terminal) 위치와 이를 연결하는 배선이 주를 이루는 자료가 되었다. 여기에 부품의 prototype을 기술하는 part library를 외부 또는 일부를 내부에 포함하는 형태가 전부라고 할 수 있다. 회로, 다양한 종류의 해석과 제조성(기구) 등의 프로세스에서 사용되는 라이브러리들은 물리적으로 별도의 저장공간에 관리되고 있다. 이로 인한 관리의 필요성과 PDM/PLM(Product Data Management/Product Life-Cycle Management)에 들어가는 비용 또한 적지 않은 상황이다. 3D 상태를 점검하기 위해 ECAD 상의 PCB 자료구조에서 제일 먼저 필요로 하는 부분은 부품에 대한 3D Package shape이라고 할 수 있다. 이는 PCB 자료구조에서 기존의 부품 핀(터미널, pin)과 인식을 위한 silkscreen및 padstack으로 결합된 footprint와의 완전 별개의 3차원 입체 구조를 지원하는 자료구조이다. 기존의 ECAD 툴에서는 툴 동작의 느려짐과 필요성의 부재로 자료구조에 포함시키기 어려운 부분이 있었으나 현재는 별도의 저장공간에 별도의 독자적인(Unique) 이름으로 관리되어 footprint name과 일치시켜 PCB의 3차원인 입체 형상을 이끌어 내거나 SMT공정상의 부품 실장 및 조립성 검토를 위해 사용되고 있다.

 

이는 단순히 화면을 3차원 구조로 도식화하는 것의 내용은 아니다. 3차원형태의 화면에 뿌려지는 모습은 기존 PCB를 ECAD를 사용해 설계/검토 해오던 다양한 공정 엔지니어들에게는 더 어렵고 복잡하게만 보일 수 있다. 하지만 이미 복잡해진 PCB 설계 데이터는 2차원 데이터에서 처리할 수 있는 한계를 넘어 섰으며 향후 일정기간 2D/3D가 결합되어 그 목적에 따라 화면 제어를 할 수 있는 시기를 지나게 될 것이다.

 

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PCB를 3차원 형태로 설계/Review하기 위한 다양한 시도의 첫 걸음은 아마도 3차원 부품과 3차원 부품(이하 package라고 칭함)에 담겨야 할 내용 및 이에 대한 관리 방안이 될 것이다. ECAD의 사용자는 모두 완제품 형태의 전자 제품 공급회사 들이다. 이들은 필요에 의해서 ECAD를 많은 경우 지난 30년간 활용해 왔고 그 기간 동안 축적된 다양한 형태의 디자인과 디자인에 활용된 라이브러리 parts를 소유하고 있다. 여기서 library parts라 하면 회로설계에서 사용되는 logic symbol 라이브러리와 PCB설계에 사용되는 footprint 라이브러리를 의미한다. 툴 공급사에 따라 이들은 별개로 또는 linked 된 형태의 자료구조로 공급되고 있는 상황이다.

 

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이와 별개로 3D Package 데이터를 별도로 추가해 관리되어야 하는 상황이 도래한 것이다. 위에서 기술한 바와 같이 3D package 데이터는 3차원 설계의 기본이 되는 데이터로써 기존에 관리되어 왔던 logic symbol과 footprint들과 어떠한 형태로 연계되어야 하는지가 그 사용 편이성에 있어서의 관건이 될 수 있다. 그 형태로는 데이터를 저장하는 방법과 사용방법 및 공급자에 따라 다음과 같은 3가지 방안이 활용될 수 있다.

  • Logic Symbol, Footprint와 별도의 물리적인 공간에 저장하고 linked list 형태로 관리되는 방법(기존의 EDA vendor에서 사용하는 방법으로 추가되는 부품 라이브러리의 생성 주체가 공급상의 문제를 야기할 수 있다. 다양한 EDA vendor에서 각자의 형식에 맞는 format을 제공해야 한다.)
  • 새로운 형태의 자료구조를 만들어 Logic Symbol, Footprint 및 package를 담을 수 있는 자료구조를 제공하고 확장성을 유지해 다양한 프로세스(Analysis, Manufacturing) 등에서 활용되는 정보를 추가할 수 있는 공간을 확보해 둔다.(이 경우 기존의 ECAD library를 지원해야 하는 문제가 제기될 수 있다.)
  • 표준화 기구 및 협회를 통한 설계에서 제조로 이어지는 모든 공정에서 활용될 표준 자료구조를 만든 이후 이 자료를 공유해 부품 공급사에서 물리적인 부품을 판매함과 동시에 필요한 데이터를 공급한다. 이는 바로 위의 자료구조를 표준화시켜 부품 공급사에서 제공하는 안이며 실질적인 하나의 물리적인 부품에 대한 자료를 다양한 형태로 프로세스에 따라서 기술하게 됨으로 인해 분산되어 온 자료구조의 관리를 가능하게 할 수 있는 방법이라 여겨진다.

2, 3번째 방법은 기존 시장에 유통되어있는 PCB 설계 소프트웨어에서 활용되고 있는 부품의 라이브러리에 대한 활용을 위해 자료구조를 통한 양방향 데이터 인터페이스 기술을 전제로 한다. 따라서 기존의 어떠한 ECAD에도 대응 가능하며 모든 프로세스에 가능한 정보를 담고 있어, 설계에서 해석, 생산에 이어지는 serial한 프로세스에서 발생하는 문제에도 효율적으로 대응할 수 있다. 이를 “통합부품라이브러리” 라고 부를 수 있다. 기존 ECAD의 라이브러리와의 인터페이스의 주체는 각 PCB설계 소프트웨어 공급사가 될 수도 있으며 때에 따라서는 자료구조를 이용한 라이브러리를 생성, 유통 하고자 하는 새로운 주체가 될 수 도 있다. 위에서 기술한 3가지 방법에 대하여 개별 혹은 중복되는 안을 조합하여 상업적인 모델로 적용할 수 있으며 이는 ECAD 소프트웨어 공급사들, 물리적인 부품의 공급사들 및 사용자들의 이해에 따라 그 형태를 달리 할 수 있으리라 보여진다. 현재의 모든 PCB설계 툴에서 공급하는 자료구조의 커다란 변경 없이도 3rd party 소프트웨어에서의 활용과 3차원 데이터의 활용이 가능한 분야에서 충분히 사용 가능 하리라 생각된다. 시장에서 어떠한 기술이 안정화 되기 위해서는 시장을 구성하는 개별 주체들의 이익에 부합하는 모든 움직임이 한 곳을 향하게 될 때 가능한 것과 같은 것이다.

 

업체들의 대응 및 통합부품라이브러리의 장점

통칭하는 분야의 EDA(Electronic Design Automation) 분야에서 PCB의 제조/생산에 관여하는 프로세스와 그에 해당하는 프로그램의 공급사들(Vendors) 및 물리적인 부품의 유통 및 공급에 관여하는 회사들의 현재 상황은 향후의 3차원 PCB 설계 시장의 변화를 예측 가능하게 한다. 눈 여겨 보아야 할 전통적인 주요 PCB 설계 소프트웨어 공급사들은 Cadence, Mentor Graphics, Zuken 및 새로운 강자로 떠오르는 Altium등을 들 수 있다.

 

PCB설계 S/W 공급사

주요제품

3차원 설계 가능 여부

Cadence

Allegro, OrCAD

2D 지원

Mentor Graphics

Xpedition, PADS

2D + Valor 를 통한 3D 검증

Zuken

CR8000, Cadstar

3D 설계 가능(자체 3D Librarian)

Altium

Altium Designer

2D 설계 + STEP Link를 통한 3D Display

Eagle

Eagle CAD

2D 설계전용

POLLIWOG

PollEx PCB

3D Display + 검증(자체 3D Librarian)

(Table 1. ECAD 툴 공급사들의 현재 3D 설계 지원 현황)

 

한편, EDA 시장과는 별도의 위에서 언급한 물리적인 부품을 공급/유통하는 주체를 보면 Digi-Key, Mouser, Arrow사와 같은 회사들과 PCB Libraries 등을 꼽을 수 있다. 위의 회사들은 부품유통과 더불어 자사 또는 Silicon Expert와 같은 타 데이터베이스 회사들과 연계한 부품 데이터 조회에 필요한 서비스를 공급하고 있다. 이와 같은 데이터베이스를 PCB 설계 툴을 공급하는 회사들과 연계해 3D Package는 물론 다양한 프로세스에 대응하는 각 종 정보를 제공한다고 하면 전체 PCB관련 시장의 확대는 물론 PCB 3차원 설계 및 검증의 시장은 그 규모를 지금보다 훨씬 더 크게 확대 가능하다.

위에서 언급한 통합부품라이브러리를 활용한 3차원 설계는 단순히 2차원 설계에서 발생하는 문제를 극복하는 데 그치지 않는다. 현재의 라이브러리 체계에서 기인하는 serial한 프로세스를 개선함은 물론 중간의 프로세스에서 발생하는 문제로 인한 이전 혹은 그 이전 프로세스로의 문제 해결을 위한 복귀(이를 “recursive step”이라 칭함) 횟수를 최소화 할 수 있으며 이는 단순히 PCB 설계를 3차원 형태로 display하여 보는 것 이상으로 많은 부수적인 효과를 이끌어 낼 수 있다. 이제 3차원 설계는 PCB 설계 시에 3차원 형태로 인쇄회로기판을 보고 검증하는 것으로 그 효과를 끝내기에 너무도 많은 부가적인 장점이 있다는 것을 알게 되었다. 좀 더 구체적인 3차원 설계를 위한 통합라이브러리를 사용하는데 있어서의 장점을 살펴보면 사용자 입장에서 다음과 같은 혜택을 찾게 된다.

  • 부품에 관한 더 많은 정보, 즉 IP(Intellectual Property)를 툴 사용자가 보유하게 됨.
  • 통합부품을 중심으로 한 툴 사용으로 실시간 여러 엔지니어들 사이의 협업이 가능하게 됨.
  • ECAD Vendor에서 제공하는 라이브러리(logic symbol, footprint)로부터 독립적.
  • Design Iteration의 감소로 더 빠른 개발-생산 시간과 생산 원가 절감.

 

결 론

밀집도에 있어서 더욱 복잡해진 인쇄회로 기판은 이제 내부적인 기술적인 문제뿐 아니라 인쇄회로 기판을 덮고 있는 기구물과의 복잡한 연관성이 더욱 증대되는 상황에 이르렀다. 기구물과의 간섭은 전기적, 열적, 구조적인 문제를 띄게 된다. 더 이상 간과하고 넘길 수 있는 시간이 지났다고 할 수 있다. 이러한 문제에 대응하기 위한 EDA Vendor간의 노력도 증가하고 있으며 그 기반은 3D Package Library라고 할 수 있다. 하지만, 단순히 3D 라이브러리를 그려놓고 관리하는 형태가 아니라 새로운 통합자료구조를 통한 시스템화된 관리만이 향후 추가될 문제까지도 해결할 수 있는 기반이 될 수 있으리라 믿는다.