전력 전자 하드웨어의 제조 용이성을 위한 설계

이 기사는 Magna-Power Electronics에서 작성하였으며, IEEE Power Electronics Magazine 2021년 4분기 호의 커버 스토리로 처음 게재되었습니다. DOI: 10.1109/MPEL.2021.3123832

소규모의 다양한 전문 엔지니어 팀을 보유한 Magna-Power Electronics는 최대 10,000 Adc의 전류, 최대 10,000 Vdc의 전압, 최대 3,000 kW의 전력 범위에 걸쳐 250,000가지 이상의 프로그래머블 전원 공급 장치 및 전자 부하 구성을 제공할 수 있습니다. 이는 엔지니어링 팀과 제조 팀의 긴밀한 통합, 인력 최소화 및 자동화 극대화, 그리고 모든 설계에 걸쳐 일관성을 핵심 원칙으로 적용함으로써 가능해졌습니다. 본 기사에서는 인쇄 회로 기판(PCB) 설계 및 협력업체 선정, 시제품 및 설계 관리, 전기-기계 통합 등 회사가 40년의 역사 동안 반복적으로 개선해 온 전력 전자 설계 프로세스 내의 여러 전략을 공유합니다. Magna-Power는 하나의 시설 내에서 거의 완전한 자체 제조 운영을 수행하고 있지만, 제시된 전략은 긴밀한 협력업체 관계 및 다양한 생산 공정과 기계의 제약 조건에 대한 이해를 통해서도 구현할 수 있습니다.

인쇄 회로 기판 설계

PCB 제조는 당사가 외주하는 몇 안 되는 제조 구성 요소 중 하나입니다. 또한 사양 지정, 개정 및 재고 관리가 가장 복잡한 구성 요소이기도 합니다. PCB 제조업체에 설계 요구 사항을 정확하게 전달하고 각 제조업체의 개별 제조 제약 조건을 준수하면, 설계를 여러 제조업체 간에 호환 가능하게 만들 수 있습니다. 이러한 프로세스는 다양한 협력업체와의 실험을 통해 수년에 걸쳐 개선되어 왔습니다. 다양한 제품 라인을 지원하려면 서로 다른 전문 분야를 가진 제조업체 풀을 유지해야 합니다. 일부는 미세 피치 및 다층 기판에 뛰어나고, 다른 일부는 고온스 구리 및/또는 고온 내성 유리 섬유를 전문으로 하며, 또 다른 일부는 연중무휴 24시간 운영되는 신속 시제품 제작에 특화되어 있습니다. 서로 다른 지역의 복수 제조업체를 확보함으로써 공급망의 회복력이 크게 향상되었으며, 이는 국가별 공휴일로 인한 가동 중단 시, 그리고 최근 COVID-19 사태 시에 큰 이점으로 작용했습니다.

다음 두 섹션에서는 고전압 및 대전류 레이아웃 설계와 제조에 대한 제조 고려 사항을 살펴봅니다. 각 고려 사항은 무시했을 때 발생하는 실제 결과 이미지와 함께 제시됩니다.

대전류 인쇄 회로 기판

PCB가 처리할 수 있는 전류는 온스 단위로 지정되는 구리 두께와 레이어 수로 지정되는 도체 수에 의해 결정됩니다. 두꺼운 구리(고온스) 클래드 FR4를 사용하면 주로 화학적 및 기계적 한계에 기인하는 기판 제조 및 회로 조립 양쪽 모두에서 문제가 발생합니다. 두꺼운 구리(Magna-Power에서는 4 oz 이상)는 산성 에칭이 더 어려우며, PCB 제조업체는 더 넓은 공차와 별도의 설계 지침을 제시합니다. 예를 들어, 당사의 한 기판 제조업체는 1 oz 구리에 대해 최소 5 mil 트레이스 폭을 권장합니다. 이 권장 값은 4 oz 구리의 경우 15 mil로 증가합니다. 트레이스 폭이 넓어지면 기판에 설치할 수 있는 디지털 IC의 선택 범위가 제한됩니다. 모바일 컴퓨팅의 발전으로 칩이 점점 소형화되면서 IC 패키지의 피치가 줄어들고 있으며, 이러한 리드는 전력 기판의 트레이스 배선에 비해 간격이 너무 촘촘한 경우가 많습니다. 이 문제의 해결 방법은 Fig. 1에 나타낸 것처럼 로직 및 제어 회로를 저온스 PCB에 통합하고 이를 고온스 PCB와 결합하는 것입니다.

구리는 우수한 전기 및 열 전도체입니다. 후자의 특성은 접합부에서 열을 빼앗아 솔더를 완전히 녹이는 데 필요한 온도 이하로 떨어뜨리기 때문에 제조에 있어서는 바람직하지 않습니다. Fig. 2에 나타낸 것과 같은 서멀 릴리프는 생산 시 솔더링을 용이하게 하기 위해 모든 구리 충전면-패드 연결부에 권장됩니다. 단일 대전류 PCB 패드(단자, 버스 탭 등)는 여러 개의 병렬 연결로 분할해야 합니다. 이렇게 하면 동일한 전류 출력을 유지하면서 각 접합부의 열 전도도가 증가하여 Fig. 3에 나타낸 것처럼 솔더링이 용이해집니다. 대부분의 스루홀 어셈블리는 모든 접합부를 한 번에 솔더링하는 웨이브 솔더 머신을 통과하므로, 연결부가 추가되어도 공수에 영향을 미치지 않으며 솔더 인두를 사용한 재작업도 더 효율적으로 수행할 수 있습니다.

대부분의 Magna-Power PCB는 업계에서 일반적인 레이어 스택업인 62 mil 두께를 유지합니다. 대전류 PCB의 경우, 각 구리 레이어는 5.6 mil이므로 다중 레이어가 필요한 경우 최종 어셈블리의 강성을 유지하기 위해 코어 두께를 증가시킵니다. 4 oz, 4 레이어 PCB에서 Magna-Power 설계는 59 mil 유전체 코어와 총 92 mil의 기판 스택업을 사용합니다. 코어 두께는 픽 앤 플레이스 머신에서 기판을 평평하게 유지하여 더 정확한 부품 배치를 가능하게 하며, 웨이브 또는 리플로우 오븐의 열로 인한 휨을 방지합니다. 일반적인 취급, 무거운 부품(트랜스포머, 히트싱크) 삽입 시 발생하는 PCB 휨은 표면 실장 저항기와 커패시터의 균열을 유발할 수 있습니다. 부품을 기판 가장자리에 너무 가까이 배치하는 것은 생산 과정에서 신속히 확인되는 일반적인 설계 실수입니다. Fig. 4에 나타낸 것처럼, 디패널링 톱의 압력이 PCB를 충분히 휘게 하여 섬세한 MLCC 커패시터와 심지어 후막 저항기까지 균열시킬 수 있습니다.

PCB 제조업체의 제조 한계를 내재화해야 하며, 이러한 한계는 구리 온스 사양에 따라 달라집니다. 중요하지만 명확하지 않은 제약 조건 중 하나는 솔더 마스크 인쇄 해상도를 나타내는 최소 솔더 슬리버입니다. 예를 들어, 한 PCB 제조업체는 1 oz 구리에 대해 8.5 mil 마스크를, 4 oz에 대해 11.5 mil을 지정합니다. 당사의 오랜 협력업체는 두꺼운 구리가 표면을 더 높이 올려 평평한 표면을 전제로 하는 마스킹 공정에 문제를 일으킨다고 설명했습니다. 솔더 마스크 스크린을 여러 번 통과시켜야 상면을 완전히 코팅하고 구리와 유전체 사이의 홈을 채울 수 있으며, 이는 필요한 공차도 증가시킵니다. PCB 제조업체는 간격이 너무 좁으면 자동으로 솔더 마스크를 제거하여 솔더링 결함을 초래합니다. 마스크가 없으면 Fig. 5에 나타낸 것처럼 동일 노드의 패드가 서로 브리지되며, 비아가 장착된 칩에서 솔더를 빨아들여 리드의 솔더가 부족해지면서 Fig. 6에 나타낸 것과 같은 솔더 결함[1]이 발생할 수 있습니다.

고전압 인쇄 회로 기판

대전류 PCB 설계에서 고려해야 할 기계별 제약 조건이 많습니다. 고전압 PCB 설계의 경우, 이러한 제약 조건은 대부분 전기적인 것입니다. 구리 온스 및 제조업체별 제약 조건을 수동으로 추적하는 것은 번거롭고 인적 오류가 발생하기 쉽습니다. Magna-Power에서는 PCB 설계 소프트웨어 내의 설계 규칙을 광범위하게 활용하여 복잡하고 다양한 제약 조건을 실시간으로 문서화하고 자동 적용합니다. PCB 설계에서 발견된 결함은 프로젝트의 설계 규칙, 설계 규칙 라이브러리를 통한 범용 적용, 또는 마스터 라이브러리 풋프린트를 사용하여 영구적으로 저장, 버전 관리 및 적용됩니다. 이러한 방식으로 결함을 저장함으로써 발견 사항이 전체 엔지니어링 팀에 공유되며, 향후 프로젝트에서 반복되지 않습니다. 고전압 PCB 설계의 두 가지 주요 설계 규칙은 클리어런스와 크리피지입니다. 고전위 및 저전위 네트를 식별하여 그룹화하고, 최악 조건 전압과 IPC-2221[2] 권장 사항에 기반하여 이들 사이의 거리 규칙을 설정합니다. 규칙 기반 설계의 장점은 구리 충전면이 설계 규칙을 만족하도록 자동으로 조정되면서 각 영역에서 허용되는 최대 구리를 제공한다는 것입니다. 당사 고전압 출력 어셈블리의 제약 조건이 적용된 세라믹 커패시터 배선이 Fig. 7에 나타나 있습니다. 이 예에서 크리피지가 클리어런스보다 높은 우선순위를 가지므로, 클리어런스 기준을 충족하지 못하더라도 설계 규칙 검사기가 설계를 승인합니다. 또한 클리어런스 규칙이 고전위 영역의 구리를 정밀하게 깎아내는 방식에 주목하십시오.

선택된 연면 거리는 구현된 생산 공정에 따라 달라집니다. IEC 60947-1 [3]에 따르면 표면 오염물질과 유전체 재료가 연면 거리를 감소시키며, 이는 전원 공급 장치의 경우 전력 밀도 저하로 이어집니다. 그림 7에서와 같이 유전체에 슬롯을 밀링하는 방식은 [4]에서 실험적으로 절연 파괴 전압을 20% 증가시키는 것으로 입증되었습니다. 모든 Magna-Power 제품은 표준화된 정밀 랙마운트 장비로, 합리적으로 청결한 실험실 환경(오염도 2)에서 운용되며 이에 맞게 설계되었습니다. 입력단의 간격은 최악의 경우 1.2 kV(3상 전원에서 480 V)에 맞게 설계되었습니다. 출력단 간격은 DC 출력 전압 정격에 의해 결정됩니다. 극단적인 예로, Magna-Power의 XR Series 전원 공급 장치(최대 10 kVdc 출력 범위)의 경우 출력부 PCB는 생산 후 모두 세척하여 아크를 방지합니다. 대부분의 다른 저전압 조립품은 노클린(no-clean) 공정을 사용하는데, 이는 노동력을 줄이지만 잔류 플럭스(오염물질)가 남는 단점이 있습니다. 고전압 조립품은 또한 아크 발생점이 될 수 있는 날카로운 모서리를 피해야 합니다. 모서리는 소프트웨어에서 예각 설계 규칙을 적용하고, 라운드 처리된 트레이스와 구리 채움으로 배선하며, 그림 8에 표시된 것처럼 스루홀 부품의 리드를 플러시 커팅하여 방지할 수 있습니다. 이러한 모든 설계 규칙과 생산 예방 조치에도 불구하고, 이물질이 의도치 않게 고전압 영역을 오염시킬 수 있습니다(예: 부적절한 디버링으로 인한 금속 부스러기). 따라서 1 kV 이상의 모든 제품은 공장 테스트 시작 전에 내전압 시험(hipot)을 실시합니다.

내부 제조를 위한 시제품 관리

시제품을 생산 작업 지시서와 함께 효과적으로 추적하고 관리하는 것은 Magna-Power에서 오랜 과제였으며, 비즈니스 로직과 기록 관리에 많은 반복적 개선이 필요했습니다. 목표는 시제품 작업을 일반 작업과 동일하게 취급하여 표준 생산 절차를 따르도록 하는 것입니다. 새로운 설계를 가능한 한 많은 공정에 노출시키면 전기적 결함뿐만 아니라 제조 결함도 발견할 수 있으며, 이는 내부 생산(인소싱)의 핵심 이점입니다. 소규모 생산/시제품 실행을 준비하려면 사전 기록 작업이 필요합니다: 모든 부품을 데이터베이스에 입력하고, BOM(자재 명세서)을 완성하고, 구매 주문서에 서명하고, 작업 지시서(WO)를 발행하고, 작업을 키팅해야 합니다. 기록 관리 오류를 포착하는 것은 화려하지 않지만 동등하게 중요한 작업입니다. 대량 생산 시까지 이러한 오류를 발견하지 못하면 매우 비용이 큰 실수가 될 수 있습니다. 이 섹션에서는 제조 부서가 설계를 읽기 위해 필요한 기록 관리 및 버전 관리에 대한 Magna-Power의 접근 방식, 기록 입력 및 검증을 지원하기 위해 개발된 맞춤형 소프트웨어 도구, 그리고 생산 후 엔지니어링 회고에 대해 설명하며, 이 모든 것이 비용이 많이 드는 설계 반복을 최소화하는 데 기여합니다.

문서 관리

대부분의 생산 부서는 설계를 현실로 구현하기 위해 엔지니어링 도면에 의존합니다. 새로운 도면과 수정 사항은 제품의 기능, 이슈 또는 개선 사항에서 비롯되며, 생산, 경영진, 영업/마케팅 또는 고객이 티켓 형태로 보고합니다. 이 티켓을 배정받은 엔지니어는 관련 티켓을 조사하고 그룹화하여 동일한 시제품 실행에서 여러 티켓을 해결/진행할 수 있도록 합니다. 도면이 처음 작성되거나 수정되면 파일 버전 관리 시스템의 작업 폴더에 커밋됩니다. 각 변경 사항은 원래 티켓에 연결되어 그림 9에 표시된 것처럼 파일 변경 사항과 그 근거에 대한 완전한 이력 기록을 한 곳에서 제공합니다. 버전 관리 시스템에서는 파일이 삭제되지 않으며, 권한이 있는 사람만 파일을 보거나 수정할 수 있고, 모든 사람이 중앙 집중식으로 접근할 수 있으며, 두 명의 엔지니어가 서로의 작업을 덮어쓰는 것이 방지됩니다. 이러한 시스템은 고도로 협업적인 엔지니어링/제조 환경에서 작업할 때 필수적입니다. 동일한 버전 관리는 회로도, 레이아웃, 기계 도면, 자성체 도면 및 소스 코드에 사용됩니다. 이 시스템은 복잡한 픽 앤 플레이스 레시피와 로봇 머신 프로그램을 저장하는 데에도 사용되어 작업을 신속하게 호출하고 반복 가능하게 합니다. 회사가 구현한 티켓/버전 관리 시스템은 엔지니어링과 생산 세계 사이의 주요 문화적 갈등을 해결했습니다. 엔지니어는 변화와 개선을 추구하는 반면, 제조업체는 품질과 반복 가능성을 추구합니다. 티켓은 변경을 정당화하기 위한 근거를 생산부에 제공하고, 버전 관리는 설계를 고정하여 반복 가능성을 보장합니다.

생산 기록

초기 문서 설계를 담당하는 엔지니어가 부품 및 BOM에 대한 새 기록을 처음 생성하는 사람이기도 합니다. 엔지니어링, 제조 및 기획을 명확히 분리하는 기업은 종종 동기화되지 않고 오류가 발생하기 쉬운 중복된 기록 관리 시스템을 갖게 됩니다. Magna-Power의 수직 통합과 중앙 집중식 기록은 설계 도구와 제조 장비 간의 데이터 공유를 가능하게 하며, 그 이점은 이 섹션에서 논의됩니다.

엔지니어가 새 부품을 입력할 때 취할 수 있는 가장 중요한 기록 전략은 가능한 한 새 부품 입력을 피하는 것입니다. 엔지니어는 공급망에 있는 기존 부품을 사용하고 반드시 필요한 경우에만 새 부품을 도입해야 합니다. 그 1% 저항기가 정말 필요한 것인지, 아니면 재고실에 있는 기존 5% 저항기로 충분한 것인지? 공급업체 검증, 공인 유통업체 확인, 가격 협상, 재주문 수준 설정 및 재고 관리 기록에 많은 노력이 들어갑니다. 제조 측면에서 픽 앤 플레이스 기계는 피더 레인이 제한되어 있습니다. 부품 통합은 릴 교체를 줄여 노동력을 감소시키고, 취급 횟수가 줄어 피킹 오류 가능성이 낮아집니다. 새로운 설계에서 자재 재사용을 장려하기 위해 Magna-Power는 중앙 데이터베이스를 회로도 및 레이아웃 소프트웨어에 통합했습니다. 회로도 설계에서는 그림 10에 표시된 것처럼 활성 부품만 실시간 재고 수준과 함께 표시됩니다. 부품을 회로도에 드래그하면 풋프린트, 심볼 및 약 10개의 관련 속성이 추가되며, 이 간편함이 기존 부품 재사용을 촉진합니다. 회로도를 가져와 데이터베이스에 다시 주입하는 맞춤형 소프트웨어가 프로그래밍되었습니다. 400개 이상의 부품을 포함하는 회사의 차세대 디지털 제어 보드와 같은 복잡한 보드의 경우, BOM이 버튼 한 번 클릭으로 전사적 자원 관리(ERP) 소프트웨어에 주입되었습니다.

설계가 성숙해짐에 따라 엔지니어링에서 문제 해결이나 기능 구현을 위해 수정할 수 있고, 기획에서 부품이 단종되거나 구하기 어려워지면 교체할 수 있습니다. 이러한 상황에서 인적 오류는 필연적으로 발생합니다. 엔지니어링에서 BOM 업데이트를 잊거나 기획에서 엔지니어링에 회로도 수정을 알리지 못할 수 있습니다. 이러한 오류는 설계 문서가 BOM과 동기화되지 않아 생산부에서 어느 것이 올바른지 혼란을 겪는 결과를 초래합니다. 이 문제를 방지하기 위해 PCB 부서가 픽 앤 플레이스 기계용 레시피를 생성할 때 실행되는 맞춤형 소프트웨어가 개발되었습니다. 이 소프트웨어는 BOM을 회로도/레이아웃과 비교하여 불일치를 기록합니다. 소프트웨어는 지정자(예: R1, C43 등), 부품 번호, 부품 속성(값, 전압, 전력, 허용 오차)을 교차 참조하여 생산에 들어가기 전 최종 검증을 수행합니다. 부품 속성 참조가 가장 중요한데, 픽 앤 플레이스 기계가 로드된 속성과 물리적으로 측정된 저항 및 정전용량을 교차 참조하여 배치 전에 올바른 릴이 피더 위치에 장착되었는지 확인하기 때문입니다.

기록 버전 관리는 제조 출시(RTM) 후 몇 가지 주요 시점에서 이루어집니다. Magna-Power는 초도품 검사(FAI) 후 추가 변경이 불가능할 때 문서의 리비전을 확정(태그)합니다. 예를 들어, PCB 레이아웃은 보드 제작업체에서 돌아온 후 태그가 지정되는데, 엔지니어가 아트워크 릴리스 후 제작업체를 위해 수정 사항을 반영하는 경우가 많기 때문입니다. BOM 활성화에도 유사한 철학이 적용됩니다. 완성된 조립품이 테스트를 마치면 설계 엔지니어가 회고를 수행합니다. 이 엔지니어는 모든 생산 티켓에 대한 피드백을 검토하여 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있도록 합니다. 시제품 실행이 제대로 이루어지지 않은 경우, 엔지니어는 보류 중인 리비전을 비활성화하고 기존 리비전을 유지한 채 새로운 보류 리비전으로 다시 시도할 수 있습니다. BOM 또는 PCB를 활성화하면 대량 생산 및 대량 자재 구매가 승인되므로 주의와 신중한 고려가 필요합니다.

티켓 시스템은 여러 공정과 부서를 거치면서 명확한 문서화 이력을 제공합니다. 회고는 엔지니어가 티켓을 해결하기 전에 문제가 실제로 해결되었는지 검토하고 검증하며, 개선 영역을 식별하고, 다음 설계 주기를 위한 새로운 티켓을 생성할 시간을 제공합니다. 이 워크플로의 성공은 부서들이 티켓을 통해 문제를 보고하는 성실성과 엔지니어가 생산 공정에 적극적으로 참여하는 것에 크게 의존합니다.

펌웨어 및 소프트웨어 버전 관리

하드웨어에 대해 설명한 Magna-Power의 워크플로, 버전 관리 및 도구는 소프트웨어 개발에서 더 일반적으로 볼 수 있는 것들로부터 채택되었습니다. 소프트웨어 개발자들은 여러 사람이 여러 디지털 파일을 관리하는 문제를 오래전에 해결했습니다. 이 개발자들은 또한 대규모 프로그램을 더 작은 구성 요소로 분할하고, 빌드하고, 검증하고, 안정적인 리비전에 태그/버전을 지정하는 방법을 배웠습니다. 이러한 관행을 전체 전자 제품에 적용하면 훨씬 더 높은 수준의 정교함이 요구됩니다.

Magna-Power의 최신 디지털 플랫폼에는 펌웨어와 부트로더(5개의 서로 다른 프로세서와 10개의 코드 프로젝트로 구성), 컴퓨터 제어 프로그램, 자동화 테스트, LabVIEW 드라이버, 심지어 문서에 이르기까지 별도의 코드베이스가 있습니다. 복잡성의 원인은 소프트웨어 프로젝트들이 서로 간에 그리고 하드웨어와 의존성을 갖고 있다는 것입니다. 소프트웨어와 하드웨어 모두 고객의 요구를 충족하기 위해 지속적으로 개선됩니다. 이러한 지속적 개선에서 발생하는 복잡성의 예는 다음과 같습니다:

• 최신 리비전 BOM에 특정 리비전 PCB가 필요한 경우;
• 특정 범위의 BOM 리비전에서만 사용 가능한 새로운 펌웨어 기능;
• 동일한 펌웨어 버전을 사용해야만 서로 통신할 수 있는 프로세서;
• 동일한 통신 프로토콜 버전을 사용해야만 펌웨어와 통신할 수 있는 컴퓨터;
• 기능에 대한 저장된 설정이 추가, 수정 및 제거됨에 따라 펌웨어 변경에 적응해야 하는 EEPROM의 영구 메모리.

Magna-Power는 코드 변경을 감지한 후 컴파일, 테스트, 암호화, 패키징, 태그 지정 및 내부와 고객에게 소프트웨어를 배포하도록 설계된 정교한 맞춤형 지속적 통합 서버(CIS)를 통해 이러한 복잡성을 해결하기로 했습니다. CIS는 이 증가하는 복잡성을 엔지니어링과 생산부로부터 숨겨 직원들이 하위/상위 호환성이나 도구 문제가 아닌 개발/생산에 에너지를 집중할 수 있도록 합니다. 이 CIS 서버는 상태 기반 모델 설계와 결합되어 단일 펌웨어 개발로 전원 공급 장치, 전자 부하 및 기타 특수 응용 제품과 함께 작동하면서 고객이 언제든지 인터넷을 통해 펌웨어를 업그레이드할 수 있도록 했습니다. 교체용으로 보내진 보드는 메인 보드의 파일에서 자동으로 플래싱하여 업그레이드되며, 제품 간 연결(마스터/슬레이브)은 교차 제품 펌웨어 업데이트를 트리거할 수 있습니다. 현재까지 최대 37개의 프로세서가 네트워크를 형성하고 각각의 펌웨어를 업그레이드했습니다.

전자 및 기계 통합

전자 조립품은 여러 PCB 조립품, 금속 조립품(스탠드오프 및 인서트), 플라스틱 부품, 고무 부품 및 자성 부품으로 구성될 수 있습니다. 조립품의 설계 및 제작에는 여러 엔지니어링 팀과 제조 부서가 참여합니다. 수직 통합은 시제품 주기를 대폭 단축하고 신속한 변경 사항을 전달하는 민첩성을 제공하며, 주기 중간에 제조 문제를 발견할 수 있는 가시성을 확보하고 전반적인 제품 품질을 향상시킵니다.

파라메트릭 모델링은 전자 조립품의 기계적 적합성을 물리적으로 제작하기 전에 확인하는 데 도움이 되는 Magna-Power의 최신 도구입니다. 모든 시제품 주기는 시간, 자재, 도구 및 기회비용 측면에서 비용이 많이 들기 때문에 각 단계에서 가능한 한 많은 것을 올바르게 만들고자 하는 동기가 높습니다. 효과적인 파라메트릭 모델링의 예는 그림 11에 표시된 Magna-Power의 차세대 디지털 전면 패널에서 볼 수 있습니다. 이 설계는 VFD 디스플레이, 키패드, 라이트 파이프, 로터리 인코더, 10개의 7세그먼트 LED를 4.4 cm 수직 높이에 맞추기 위해 여러 PCB를 겹쳐 배치해야 했습니다. 전자, 펌웨어 및 금속은 여러 내부 팀에 걸쳐 설계되었으며, 키패드, 렉산 및 인쇄 패드를 위한 일부 외부 협력업체도 참여했습니다. 이 설계에서 전기 팀은 정확한 3D 표현을 모델링 소프트웨어에 가져올 수 있도록 모든 부품에 대한 3D 바디를 정의했습니다. 기계 팀은 PCB를 사용하여 보드 장착 위치를 결정하고, 스탠드오프를 추가하고, 고무 키패드를 위한 개구부를 만들었습니다. 전기 팀에는 카본 패드의 타격 위치를 고정하기 위해 보드 레이아웃 소프트웨어에 가져온 전면 패널 도면이 제공되었습니다. 이 왕복 과정은 팀 간의 필수적인 소통과 소프트웨어 간의 데이터 교환을 보여줍니다. 이 프로젝트에서 대부분의 설계 결함은 생산에 들어가기 전에 발견되었습니다. 키패드 개구부의 파우더 코팅 두께를 간과한 것과 같은 일부 결함은 통과되었습니다. 그러나 펀치 프레스와 파우더 코팅 시스템을 자체 보유하고 있어 신속한 수정이 가능했으며, 예상치 못한 결함을 보다 관리하기 쉽게 만들었습니다. 이 프로젝트의 주요 병목은 유일하게 외주 제작된 부품인 키패드였습니다.

결론

설계 일관성은 Magna-Power의 역사 전반에 걸쳐 변함없이 유지되어 온 핵심 원칙입니다. 엔지니어가 경험을 쌓으면서 이 일관성은 직관이 됩니다. 이러한 민첩성은 회사의 성공에 매우 중요하며, 비교적 소규모 팀으로 매우 광범위한 제품군을 지원할 수 있게 합니다. 설계 일관성은 변함없이 유지되었지만, 이 원칙을 달성하기 위한 전략은 회사가 성장함에 따라 진화해 왔고 계속 진화하고 있습니다. 설계 프로세스에 제약 조건을 적용하고, 부품 및 규칙 라이브러리를 공유하며, 시제품 워크플로를 검증하고, 설계 파일에 대한 생산 기록 점검을 자동화하는 소프트웨어 기반 도구가 제시되었습니다. 설계는 또한 공정, 장비 제한 및 표준을 고려해야 하며, 이는 많은 PCB 공급업체와 협력한 Magna-Power의 경험을 통해 설명되었고, 여기서 회사 자체의 내부 생산 공정과 여러 핵심 PCB 설계 전략이 명시되었습니다.

저자 소개

Grant Pitel([email protected])은 미국 뉴저지주 플레밍턴에 위치한 Magna-Power Electronics의 최고기술책임자(CTO)입니다. 미국 일리노이주 어바나-샴페인 소재 일리노이 대학교에서 전기 및 컴퓨터 공학 석사 및 박사 학위를 취득했습니다.

Adam Pitel([email protected])은 미국 뉴저지주 플레밍턴에 위치한 Magna-Power Electronics의 최고경영자(CEO)입니다. 미국 뉴저지주 프린스턴 대학교에서 공학 석사(M.Eng) 학위를 받았습니다.

참고 문헌

[1] "IPC-2221B", Generic Standard for Printed Board Design, November 2012.
[2] "IPC-A-610H", Acceptability of Electronic Assemblies, September 2020.
[3] "IEC 60947-1:2020", Low-voltage switchgear and control gear - Part 1: General rules, April 2020.
[4] J. Maxwell and E. Lemus, "Arc Season and Board Design Observations" presented at the Capacitor and Resistor Technology Symposium, Orlando, FL, USA, 2006.