[헬로티]

케빈 메러디스(Kevin Meredith) 샘텍 제품 엔지니어

인쇄 회로 기판(PCB) 회사들은 밀도를 더 높이고, 풋프린트를 축소하고, 높이를 낮추고, 열을 관리하고, 더 높은 데이터 레이트를 지원하고, 신뢰성을 높이면서 동시에 비용은 낮추라는 압박을 끊임없이 받고 있다. 

PCB 기술은 이러한 압박에 성공적으로 대응하며 꾸준히 발전해 왔는데, 최근 PCB 설계 엔지니어들 사이에는 새로운 과제가 떠오르고 있다. 두 장의 PCB 사이에 여러 개의 커넥터 세트를 사용해야 할 때, 이들을 정렬하기가 점점 더 까다로워지고 있다는 것이다.

그렇다면 갈수록 긴축하는 예산과 촉박해지는 출시 일정 속에서 어떻게 해야 시스템 성능과 밀도, 신뢰성을 해치지 않으면서 이러한 정렬 문제를 해결할 수 있을까?

이 글에서는 커넥터 정렬 문제에 대해서 살펴보고 최신 PCB와 신뢰성 높은 고밀도 커넥터의 상충되는 요구를 비용 효과적으로 충족할 수 있는 방법에 대해 알아본다.

소형화로 인해 까다로워진 커넥터 정렬

PCB는 밀도, 데이터 레이트, 열 관리, 신뢰성 등 다양한 측면에서 발전을 지속해 왔다. 크기 면에서도 많이 축소되었는데, 이 때문에 설계 엔지니어들은 커넥터를 선택하고 구현하기가 점점 더 까다로워지고 있다. PCB에 여러 개의 커넥터를 사용할 때는 더욱 그렇다.

소형화 추세로 인해 커넥터 피치는 지난 25년 사이에 0.100인치(2.54mm)에서 0.016인치(0.40mm)로 6배나 줄어들었다. 이에 따라 공차(tolerance)도 더 엄격해졌다. 공차가 엄격해진 것 자체는 큰 문제가 아니지만, 공칭 공차 범위 내의 변동성이 여러 커넥터에 걸쳐서 누적될 때는 문제가 될 수 있다.

하나의 커넥터 세트를 사용하는 애플리케이션은 문제가 되지 않는다. 공차가 누적되지 않고, 메자닌 카드를 자유롭게 움직일 수 있고, 커넥터의 매크로 및 마이크로 정렬 특성들이 완벽한 정렬이 가능하다(그림 1).

그림 1. 단일 커넥터 쌍을 사용하는 애플리케이션(위)은 공차가 누적되지 않고 커넥터의 매크로 및 마이크로 정렬 특성들이 완벽한 정렬을 할 수 있다. 하지만 다중의 커넥터 쌍을 사용하면 공차가 누적될 수 있고 정렬 오차를 일으킬 수 있다. (이미지 출처 : Samtec)

하지만 동일한 마더 메자닌 카드 상에 또 다른 커넥터 세트들을 어떤 방향이나 어떤 간격으로든 추가하면 공차들이 누적된다. 이러한 공차는 PCB 팹 숍, EMS(electronic manufacturing service), PCB에 사용된 소재 특성 등에 따라 달라진다.

그림 2. PCB를 비롯한 모든 요소의 공차를 고려해야 한다. (이미지 출처 : Samtec)

그림 2의 다중 메자닌 커넥터 시스템을 보자. 이 어셈블리는 6개의 이상의 소자들로 구성된다. 마더보드(A), 메자닌 카드(B), 1번 암 커넥터(C), 이것과 짝을 이루는 1번 수 커넥터(D), 2번 암 커넥터(E), 이것과 짝을 이루는 2번 수 커넥터(F)가 그것이다.

메자닌 커넥터와 충분히 견고한 PCB를 정확한 공칭 조건으로 제조 및 조립한다면 두 PCB 사이에 몇 개의 커넥터들이라도 성공적으로 탑재할 수 있을 것이다. 

하지만 현실적으로는 공차 범위 내에서의 변동성과 소재 특성 등이 제한 요인이 된다. 그림 2의 경우에 설계 엔지니어는, 흔히 간과되는 2개의 PCB, (A)와 (B)의 공차까지 포함해서 모든 요소의 공차를 고려하고 계산에 넣어야 한다.

PCB와 커넥터의 정렬 문제, 어떻게 해결할 것인가?

어떤 PCB는 기계적 공차는 고려하지 않고 거버(Gerber) 패킷(그림 3)에 들어 있는 사양만을 사용해서 PCB를 제조할 수 있다. 다중 커넥터 애플리케이션을 위해서는 이 패킷과 함께 별도의 기계적 도면을 사용해야 한다. 이 도면에는 아트워크, 드릴링, 배선 공차 등이 표시된다.

그림 3. 어떤 PCB는 기계적 공차를 고려하지 않고 Gerber 패킷에 들어 있는 사양만을 사용해서 PCB를 제조할 수 있다. 다중 커넥터 애플리케이션을 위해서는 이 패킷과 함께 별도의 기계적 도면을 사용해야 한다. (이미지 출처 : Samtec)

성공적인 결과물을 얻기 위해서는 설계 엔지니어가 두 가지 것을 해야 한다. 첫째, 정렬 문제와 관련해서 PCB 회사와 커넥터 회사에 어떻게 요구할 것인지 이해해야 한다. 둘째, 시스템 차원의 공차 분석을 실시해서 해당 설계에서 커넥터 정렬 불량이 발생하지 않을지 검토해야 한다.

다시 그림 2의 다중 커넥터 메자닌 카드 시스템으로 돌아가서, 커넥터 회사는 커넥터 공차만 제어할 수 있다. 유능한 커넥터 회사는 정해진 성능 요건보다 높은 수준을 제공하고, PCB 공차 및 취급과 관련한 권장사항을 알려주며, 더 나아가서는 PCB 회사와 장비 추천까지도 할 수 있을 것이다.

시스템 또는 제품 설계 엔지니어는 커넥터 풋프린트 및 제품 시방서를 이해해야 한다. 이 자료에서 정렬 불량에 대해서 어떻게 설명하고 있는지 확인하고 시스템 차원의 공차 분석 결과와 비교함으로써 동일한 카드 상에 여러 개의 커넥터를 성공적으로 사용할 수 있다.

최초 및 최종 각도 또는 선형 정렬 불량 값을 넘지 않는 한, 커넥터 시스템은 적절히 작동된다. 이 정렬 불량 값은 절연체 간섭, 빔 굴절, 접점 와이프(contact wipe) 같은 요소들을 고려해서 계산할 수 있다. 이 정렬 불량 값을 초과하면 회로/절연체 개방 또는 손상을 일으킬 수 있다.

오늘날에는 설계 엔지니어가 설계, 부품 공차, 장비, 제조 등과 관련해서 모든 필요한 정보에 손쉽게 접근할 수 있게 되기는 했으나, 공차 누적으로 인한 정렬 불량 문제와 관련해서 커넥터 제조사에 좀더 자세히 문의하고 확인하는 것이 필요하다. 

정렬 핀은 다중 커넥터 애플리케이션에는 부적합

어떤 커넥터 제조사들은 커넥터 하단 양쪽에 선택 사양인 정렬 핀을 제공하기도 한다(그림 4). 이 핀은 수동식으로 탑재할 때 도움이 될 수 있으며, 이 핀을 사용해서 커넥터를 PCB에 분극시킬 수 있다. 이 핀은 단일 커넥터 애플리케이션에서는 공차를 누적시키는 것과 무관하다.

그림 4. 정렬 핀은 수작업 탑재와 분극을 위해서는 유용하나, 다중 커넥터 애플리케이션으로는 공차 누적에 일조하므로 권장되지 않는다. (이미지 출처 : Samtec) 

하지만 다중 커넥터 애플리케이션에서는 이러한 정렬 핀이 공차 누적에 영향을 미칠 수 있으므로 권장되지 않는다. PCB 상에서 분극이 필요할 때, 더 나은 방법은 PCB에 필요한 것보다 조금 더 크게 구멍을 드릴링하고 장비를 사용해서 커넥터를 탑재하는 것이다.

마찬가지로 커넥터 탑재를 보조하기 위해서 픽스처나 다월(dowel)을 사용하는 것도 권장되지 않는다. 이들 방법은 PCB에 아트워크가 아니라 천공된 구멍을 사용하는데, 대체로 이 구멍의 위치 공차가 나빠 커넥터를 정밀하게 장착하지 못하게 하는 원인이 된다.

다중 커넥터 애플리케이션에서 좋은 방법은 솔더 패드 어레이 A에서 위치 A1로부터 모든 솔더 패드를 기준으로 하고, 패드 상에서 커넥터를 정확하게 탑재하고 리플로우를 하는 것이다.

잭 스크류를 사용한 PCB 고정

견고성이 특히 중시되는 애플리케이션이라면 잭 스크류를 사용해서 두 개의 PCB를 고정할 수 있다. 이 경우에는 스크류를 커넥터 시스템에 되도록 가깝게 배치한다(그림 5).

그림 5. 잭 스크류를 사용할 때는 커넥터 시스템과 되도록 가깝게 배치한다. (이미지 출처 : Samtec)

이렇게 하면 스트레스를 커넥터 주변으로 국소화 할 수 있으며 영향을 받는 PCB 부위를 줄일 수 있다. 그렇지 않으면 PCB에 휨 스트레스를 일으키고, 이는 또 다른 부품들에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 특히 표면 실장 부품들에 나쁜 영향을 줄칠 수 있다.

커넥터를 사용하는 PCB의 또 다른 스트레스 요인은 하중이다. 많은 수의 입력과 출력(I/O)이 극히 높은 삽입력 및 발거력을 유발할 수 있다. 

이러한 힘들이 PCB를 휘게 만들기 때문에 PCB를 지지하기 위해서 추가적인 보강재가 필요할 수 있다. 그러므로 제품 검증 테스트 보고서에서 커넥터 삽입력 및 발거력에 관한 정보를 반드시 확인해야 한다(그림 6).

맺음말

전자 장비의 소형화 추세로 인해 커넥터를 정렬하기가 갈수록 까다로워지고 있다. 하지만 설계 가이드라인을 잘 따른다면 두 개의 PCB 상에 여러 개의 커넥터 세트를 성공적으로 사용할 수 있다. 

그러기 위해서는 시스템 공차 분석을 실시해서 커넥터 정렬 불량이 발생하지 않는지 검토하고, 커넥터 제조사의 권장 풋프린트 및 스텐실 설계 권고를 따르고, 장비를 사용해서 커넥터를 장착해야 한다.

또한 설계 작업의 조기 단계에서부터 커넥터 회사의 조언을 받는 것이 좋다. 커넥터 회사는 커넥터 선택을 도와줄 수 있을 뿐만 아니라 전반적인 PCB 및 커넥터 스트레스를 최소화하고 성공적인 설계를 달성하도록 조언해줄 수 있다.

▲케빈 메러디스(Kevin Meredith) 샘텍 제품 엔지니어

저자 약력

케빈 메러디스(Kevin Meredith)는 커넥터 업계에서 27년 간 종사하면서 풍부한 경험을 쌓고 있다. 현재는 샘텍에서 제품 엔지니어로 재직하고 있으며, 그 전에는 3M과 Robinson Nugent에서 근무한 이력이 있다. 미캐니컬 엔지니어로서, 루이스빌 대학의 J. B. 스피드 공과대학을 졸업했다.