신뢰도 높은 PCB 해석을 위한 모델링 방법 및 전자기판 모델링 자동화 

 

전자 장비가 고도화됨에 따라 제품의 내구성 및 신뢰도에 대한 요구가 점차 증가하고 있다. 이러한 해석의 밑바탕이 되는 PCB 모델링 방법과 Reinforcement Trace Mapping을 알아본다. 또한 Ansys Sherlock의 자동화 기능을 통해 회로기판(PCB)뿐만 아니라 부품이 실장된 전자기판(PCB Assembly)를 쉽게 모델링 하는 방법을 소개한다. 

 

서론

전자기판(PCB Assembly)은 전자 장비부터 차량까지 이제 대부분의 산업에서 필수적인 부품이 되었다. 기술의 발전에 따라 전자 부품의 기능이 복잡해지고, 회로기판(PCB)이 고밀도화 됨에 따라 전자제품의 신뢰도는 점차 중요한 항목이 되고 있다. 특히 차량 전장품의 경우 [그림 1]에서와 같이 각 부품이 안전과 밀접하게 연관되기 때문에 보증 수명까지의 무결성이 중요한 요소이다. 또한 진동, 온도 등 노출되는 환경이 광범위하기 때문에 이를 고려한 강건 설계가 필수적이다. 환경적인 요인을 모사하여 가속 시험, 가혹 환경시험 등 다양한 시험들을 진행 하지만 시험을 위한 실물 PCB가 필요하며, 초기 기판 설계 단계에서는 환경적인 요인을 고려하기가 쉽지 않다.

 

[그림1] Automotive Electronic Systems

(Clemson Vehicular Electronics Laboratory)

  

이러한 문제를 해결하기 위해 회로기판 해석을 통한 설계 및 신뢰성 분석의 필요성이 대두되고 있다. 시뮬레이션은 제작된 기판이 없어도 부품 위치에 따른 진동의 영향이나, 온도 변화에 따른 기판의 변형 및 취약점을 발견할 수 있다. 또한 시험으로는 알기 어려운 파손 위치(Lead, Solder 등)을 특정할 수 있으며 해석 결과를 바탕으로 예상 수명 및 신뢰도를 도출하여 설계에 적용할 수 있다.

신뢰성 분석 및 설계는 GM이나 테슬라의 차량 전장품 설계에 적용되어 다양하게 사용되고 있고 최근 [그림 2]에서와 같이 미국 자동차 협회의 SAE J3168 기준에 따라 재정되어 점차 확대되고 있다. 

 

[그림 2] SAE J3168 International Standards

  

회로기판의 복합적인 신뢰성 분석을 진행하기 위해서는 PCB와 실장되어 있는 부품의 현실적인 모델링이 선행되어야 한다. 전자 부품의 특성상 작은 부품이나 납땜의 불량이 하나라도 발생하면 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 이러한 부분까지 확인할 수 있는 형상 모델이 필요하지만 기판 내부의 회로도부터 전자부품의 리드까지 구성하는 것은 많은 작업과 시간이 필요한 일이다. 이번 글에서는 다양한 PCB 기판 모델링 방법을 소개하고 Reinforcement Trace Mapping에 대해 설명한다. 또한 모델링 작업을 자동화하고, 쉽게 해석을 시작할 수 있도록 Ansys Sherlock의 ‘Export Reinforcement Trace Mapping’ 기능을 소개하겠다. 

 

PCB/FPCB 구성

기판 모델링에 앞서 PCB에 대해 간략히 설명하면 일반적으로 PCB는 여러 층이 적층된 구조이며, 각층은 신호 전달 전원, 접지 역할을 하는 Trace와 Trace 사이의 절연체가 있다. 또한 각 Trace 층 간의 신호 전달을 위한 Via, PTH 등을 포함하고 있다. 

 

[그림 3] PCB Layer 구조

  

PCB에 사용되는 절연 소재와 구리 회로 간의 탄성계수 및 열팽창 계수의 차이가 있으며 2가지 소재 비율에 따라 기판 전체의 물리적인 특성도 변하게 된다. 이러한 차이로 인해 위치에 따라 열 팽창 및 변형이 불균일하게 발생하며 기판의 손상을 일으킨다. 또한 Via, PTH에도 응력이 발생하여 피로 파손이 발생하게 된다. 해석적으로 이러한 부분을 확인하고 예측하기 위해서는 Trace의 모델링이 필요하며 정밀한 모델일수록 구체적인 결과를 확인할 수 있다.

 

[그림 4] Trace 및 PTH 파손 형태

  

FPCB는 유연한 기판 재질로 인해 신호 전달을 위한 케이블이나 특수한 형상의 기판으로써 다양하게 적용되고 있다. 기판의 구성은 Rigid PCB와 동일하게 Trace 층과 절연층으로 구분되나, 유연한 소재로 사용된다. 소재의 차이가 있는 만큼 굽힘에 의한 변형이나 열팽창 등 기존의 Rigid PCB 대비 고려해야 할 점들이 많으며, Trace에 가해지는 응력도 증가함으로 설계에 주의가 필요하다. 또한 아래 LED Strep과 같이 FPCB 위에 부품이 직접 올라가는 경우 기판과 부품, Solder 간의 강성 차이가 커서 부품의 탈락 및 파손이 쉽게 발생한다. FPCB의 구조, 변형 해석을 통해 보다 강건한 설계를 적용한다면 굽힘이나 변형에 대해 안전하도록 대응할 수 있을 것이다.

 

[그림 5] FPCB로 제작된 LED Strep

 

Lumped Method / Trace Mapping

Lumped Method는 PCB를 모델링하는 가장 간단한 방법으로 PCB 전체 영역이나 일부 영역을 등가 물성으로 치환하여 적용하는 방법이다. Trace를 단순화하여 적용하는 만큼 빠르게 해석 결과를 도출할 수 있는 방법이다.

 등가 물성에 대한 계산은 물성을 변경할 영역에 각 재료가 포함된 비율을 바탕으로 계산하며, 관련된 수식은 아래와 같다.

 

 

수식에서 볼 수 있는 것 같이 각 재료의 비율을 바탕으로 하나의 등가 물성을 도출하며 정확도가 떨어질 수 있기 때문에 [그림 6]과 같이 필요에 따라 각 층, 구역 별로 나누어 적용하기도 한다.

 

  

[그림 6] 재료 구성비(β_i)에 따른 Lumped Method 예시

 

Trace Mapping Method는 재료 비율을 바탕으로 물성을 변경한다는 점은 Lumped Method와 동일 하지만, 요소 단위에서 적용함으로써 정확도를 확보한 모델링 방법이다. 물성이 요소에 맞게 계산됨으로 격자 크기가 중요하며, 얇고 정밀한 Trace에 대한 표현이 필요할 경우 원하는 수준의 형상이 구성되는지 주의가 필요하다.

 

[그림 7] Trace Mapping 적용 예시

  

Reinforcement Trace Mapping

Reinforcement Trace Mapping은 Trace와 절연체의 형상에 따라 격자 모델을 재구성하여 PCB를 구성하는 방법이다. 이러한 모델링을 위해서 Reinforcement 요소가 필요하며 주로 복합소재에 적용되는 요소이다. 철근 콘크리트와 같이 모재(기지재) 내부에 강화재가 포함된 구조를 모델링하기 위한 기법이며 복잡한 형상이나, 접촉 조건 없이 간편하게 해석할 수 있다. 

PCB 해석에서는 FR4과 같은 절연층 소재를 모재로, 내부의 Trace 소재를 강화재로 설정하여 모델링을 구성한다. 각 파트별로 격자를 형성한 뒤 해석을 시작하면 자체적으로 REINF 264, REINF 265로 변환하여 해석이 되며, 격자 형상은 [그림 8]과 같다. 

 

[그림 8] REINF 264, 265 Element

 

Reinforcement 해석을 위해서는 Trace 형상의 모델링 및 설정이 필요하다. 원하는 Trace 형상 및 위치에 맞도록 Line 또는 Shell Body로 구성되어야 한다. 이후 [그림 9]에서와 같이 해당하는 부품을 Ansys Mechanical에서 ‘Geometry’>‘Details’의 Model Type을 Reinforcement로 설정하면 모재 내부의 강화재로써 해석에 적용된다.

 

 

Reinforcement Trace Mapping의 중요한 장점은 Trace 형상만을 따로 구분하여 결과를 확인할 수 있다는 점이다. 기존의 방법으로는 각 소재가 갖는 강성이 섞인 등가의 물성이 사용되기 때문에 Trace가 받는 응력이나 변형률을 확인하기 어려웠다. 하지만 아래 [그림 10]에서와 같이 Trace에 대한 결과를 구분해서 확인할 수 있다. 

 

[그림 10] Reinforcement Trace를 적용한 해석 결과 

  

Reinforcement Trace Mapping을 통해 PCB 결과만으로 확인하기 어려운 내부 Trace의 응력을 확인할 수 있으며, 이러한 해석 결과를 통해 보다 구체적인 해석 결과를 도출할 수 있다.

 

Sherlock을 활용한 PCB Assembly 모델링 자동화

앞서 소개한 Reinforcement Trace Mapping의 기능은 효과적이고, 구체적인 해석을 하기에 적합한 기능이나 Trace 형상을 Shell Body로 구성하는 것은 많은 작업이 필요하다. 특히 PCB 형상과 함께 [그림 11]과 같은 기판에 실장되는 부품 및 리드까지 모델링할 경우 형상을 구성하는 것만으로도 많은 시간이 소요된다.

 

[그림 11] Ball Grid Array형 부품 및 Lead형 부품

  

이에 대한 대안으로 Ansys Sherlock을 통해 형상을 구성하면 손쉽게 자동으로 Reinforcement Trace를 포함한 모델을 구성할 수 있다. 

Ansys Sherlock은 PCB Assembly의 설계 분석 소프트웨어이다. 신뢰성 물리학을 기반으로 온도 변화, 진동, 충격 등 회로기판의 사용 수명에 영향을 주는 항목들을 분석하여 기판의 신뢰성을 도출하고 예측할 수 있다. 또한 Sherlock에서 제공하는 전자 부품 DB를 활용하여 기판의 형상을 손쉽게 구성할 수 있다. 60만개 이상의 Sherlock DB에서 부품 번호를 기준으로 부품의 형상을 구현할 수 있으며 물성 정보도 플라스틱 소재에서부터 세라믹 소재까지 다양한 소재를 적용할 수 있다. 

Ansys Sherlock의 Export Reinforcement Trace Mapping은 회로기판의 설계 파일과 Sherlock DB를 바탕으로 Ansys Workbench 환경에서 자동으로 구성하는 기능이다. 아래의 동영상은 Sherlock을 사용하여 기판을 불러오고, 모델링을 구성하는 과정이다. Sherlock에서 PCB 기판 정보를 ODB++ 파일로 불러오면 기판, Trace, Chip의 형상과 위치정보를 자동으로 인식한다. 이후 ‘Trace Modeling’기능을 통해 내부 회로 형상을 구성하고 ‘Export Reinforcement Trace Model’을 실행시킨 뒤 확장자를 *.wbjn으로 선택해 저장하면 자동으로 모델링이 구성된다.

 

이후의 과정은 대부분 자동을 별다른 조작 없이 진행된다. 저장을 하게 되면 Ansys Workbench Journal, 3D CAD Model(Step File), Material Assign Script(Python 파일)이 생성된다. 그리고 Workbench를 실행시켜 Solid Body 구성 및 물성 정보를 입력하고 각 부품에 맞게 설정한다. 다음으로는 Trace 형상을 Shell Body로 모델링하고 물성 설정이 되며, Reinforcement 설정까지 자동으로 구현된다. 

 

이러한 자동화 작업을 통해 PCB 및 실장된 부품의 형상까지 모델링 되는 것을 확인할 수 있으며, Sherlock의 모델링 설정을 통해 Chip의 Lead, Solder Ball의 형상 까지도 같이 구현할 수 있다. 

생성된 파일은 격자 생성과 경계 조건만 설정하면 해석이 가능하도록 [그림 12]와 같이 물성 정보를 포함하여 구성되며 구조, 열, 진동 해석 등 다양하게 사용될 수 있다. 

 

[그림 12] 각 부품에 입력된 물성 자료

  

또한 [그림 13]처럼 FPCB를 활용한 기판의 설계 분석에도 활용될 수 있다. Sherlock에서 모델링을 구성하기 전에 PCB의 물성 정보를 Polyamide와 같은 유연한 소재의 절연체로 설정하여 구성할 수 있으며, 이러한 과정을 통해 부품이 실장된 FPCB나 Rigid-Flex PCB의 모델링을 쉽게 구성할 수 있다.

 

[그림 13] FPCB의 Trace 해석 결과

  

맺음말

본 호에서는 PCB 해석을 위한 모델링에 대해 소개하고 그중 Reinforcement Trace Mapping을 중점적으로 설명하였다 또한 Sherlock을 활용한 모델링 자동화에 대해 소개하였다. 

Reinforcement Model을 통해 PCB 표면 및 내부의 Trace의 응력, 변형률을 검토할 수 있으며, 이러한 구체적인 모델을 통해 PCB 및 FPCB에 대한 신뢰도 높은 해석 결과를 도출할 수 있을 것이다. 

Ansys Sherlock에는 본 글에서 소개한 전처리 기능 외에도 PCB 기판의 신뢰성 분석을 위한 다양한 기능들이 있고, 열, 진동, 충격 등 다양한 조건에 대한 분석을 할 수 있다. 또한 Ansys에서 수행한 분석 결과를 불러와 신뢰성 분석을 할 수 있어 앞서 설명한 PCB/FPCB의 변형에 따른 사용 수명을 예측할 수 있다. 보다 자세한 내용은 태성에스엔이 홈페이지와 관련 교육을 통해 확인할 수 있다. 

이러한 모델링 방법과 프로그램을 잘 활용한다면 PCB assembly에 대한 다각적인 분석과 실제적인 결과 도출에 도움이 될 것이라 예상하며, 수명의 개선을 위한 강건 설계에의 적용도 가능할 것이라 판단된다.