적절한 어댑터와 키트를 활용하여 최신 부품이 탑재된 브레드 기판을 유연하고 효율적으로 사용하기

초소형 수동 소자 및 능동 소자와 기가헤르츠(GHz) 범위의 회로 작동 주파수가 널리 사용되면서, pc 기판에 커밋하기 전에 회로 설계를 작성하여 평가한 후 최종 시제품 제작 단계로 전환하는 것이 점점 더 어려워지고 이로 인해 난감한 문제가 발생하기도 합니다. 리드 장치와 이중 인라인 패키지(DIP) IC에 적용된 브레드 기판 키트와 기술은 오늘날의 고밀도 IC 패키지, 패키지의 리드 패드, 눈에 거의 보이지 않는 표면 실장 기술(SMT) 장치, 전체 RF 또는 프로세서 모듈과 호환되지 않습니다.

다행히 개별 서브 회로 모듈과 맞물리면서 벤치 기반 개발 도구 형태의 기본 브레드 기판을 생성할 수 있습니다. 애호가, 제작자, DIY 애호가 및 엔지니어링 전문가는 이러한 브레드 기판 시스템을 사용하여 전체 제품의 일부를 제작하고 테스트한 후 전체 기능 장치에 통합할 수 있습니다.

이 기사에서는 최신 전자 부품 브레드 기판 작업과 관련한 기본적인 문제에 대해 살펴본 다음, Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties, Phase Dock, Inc.와 같은 벤더의 어댑터 및 브레드 기판 키트를 최종 제품과 흡사한 시제품 제작을 위한 토대로 활용할 수 있는 방법을 알아봅니다.

마지막으로 이러한 키트를 활용하면 회로 토폴로지와 인터페이스를 검증하고, 필요에 따라 개별 모듈 및 평가 기판에 연결하며 중요한 시제품을 제작할 수 있는 유용하고 안정적인 브레드 기판을 제작하는 것이 얼마나 간편해지는지를 보여줍니다.

전자 장치 브레드 기판의 유래

세련되지 않고 조악해 보이기까지 한 '브레드 기판'이라는 단어를 회로에 사용하는 것이 의아해 보일 수도 있지만, 이에 대한 어원은 문서에 분명히 기록되어 있습니다. 전자 장치 초창기에 DIY 실험자와 제작자는('브레드 기판'이라는 단어가 현대적 맥락으로 사용되기 이전) 자가 전력 구동 수정 무선 통신 및 기본 진공 튜브 무선 통신을 사용하여 실제 브레드 기판, 즉 빵을 자르는 데 사용되는 목재 기판에서 회로를 제작했습니다. 또한 딱딱한 빵이나 손톱을 연결 지점으로 사용하고 주위를 전선으로 감았으며, 연결 부위를 납땜하는 경우도 있었습니다(그림 1).

그림 1: '브레드 기판'이라는 용어는 목재 절삭 기판을 이 3관식 무선 통신과 같은 DIY 전자 회로의 기반으로 사용한 것에서 유래합니다. (이미지 출처: Warren Young/Tangentsoft.net)

물론, 이러한 목재 브레드 기판은 현대 부품을 사용하는 회로용 플랫폼으로 더 이상 사용되지 않습니다. 그럼에도 불구하고 '브레드 기판' 및 '브레드 기판 작업'은 대략적으로 제작하는 데모 회로 또는 서브 회로와 관련한 표준 용어가 되었습니다. 하지만 전자 기술이 진공 튜브에서 이산 소자 리드 트랜지스터 및 수동 소자 부품, DIP IC를 거쳐서 거의 보이지 않는 표면 실장 장치로 발전하면서 브레드 기판 기술 및 플랫폼에 큰 영향을 주었습니다.

브레드 기판과 시제품의 차이점

브레드 기판과 시제품의 차이점과 관련하여 확실히 짚고 넘어가겠습니다. 둘 사이에 공식적인 구분은 없으며, 두 용어가 혼용되는 경우도 있습니다. 하지만 대부분의 엔지니어는 다음을 비롯하여 예비 설계 단계를 지원하는 데 필요한 회로 또는 서브 회로의 대략적인 레이아웃을 의미할 때 브레드 기판을 사용합니다.

• 기본 회로 아이디어, 기능 또는 설계 방식의 실행 가능성 확인
• 소프트웨어 드라이버 개발 및 확인
• 서브 회로 간이나 회로와 트랜스듀서 또는 부하 간의 인터페이스 호환성 확인
• 데이터 링크 프로토콜 및 형식 계획
• 추정 모델 개발 및 확인
• 회로 및 기능 성능 평가

위 목록에서 브레드 기판은 완전한 시스템이 아니고 패키징과 최종 제품의 '부가 기능'이 부족하지만, 제품 설계에서 브레드 기판의 중요한 역할을 쉽게 확인할 수 있습니다. 예를 들어 브레드 기판은 흔히 배송된 제품의 내부 공급 장치가 아닌 외부 전원 공급 장치를 사용합니다. 기판과 개방형 레이아웃으로 인해 브레드 기판은 일반적으로 부품을 프로빙, 조정, 교체 부품에 널리 사용됩니다. 하지만 그런 펼쳐진 레이아웃은 현실적으로 레이아웃과 부품의 기생 및 상호 작용으로 인해 일부 성능 기능, 특히 고주파 작동 관련 기능을 사용할 수 없다는 것을 의미합니다.

반면에 시제품은 최종 제품과 흡사하고 동일한 부품, 패키징, 폼 팩터, 사용자 I/O를 사용합니다. 시제품은 기능적으로 완전하며 주로 물리적 공간거리, 조립 문제, 열 경로, 사용자 상호 작용, 시각적 외관과 같은 제조 관련 문제를 확인하는 데 사용됩니다.

기본 어댑터로 시작

오늘날의 브레드 기판 작업에서는 현대 설계를 주도하는 초소형 IC에 연결하여 사용할 수 있어야 합니다. 예를 들어 6리드 SOT-23 IC를 대형 pc 기판에 납땜할 수 있지만, 작은 크기와 좁은 리드 피치로 인해 장치에 연결하고 교체하는 데 어려움이 있습니다. IC에만 하부 범프 패드가 있는 경우 상황이 더욱 까다로워집니다.

이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 Aries Electronics의 LCQT-SOT23-6 소켓 어댑터와 같은 장치를 사용하는 것입니다. 이 장치는 SOT-23을 6리드 DIP 하우징으로 변환합니다(그림 2). SOT-23 장치는 리드 간격이 0.1in인 DIP처럼 보이며, 대형 DIP 장치에 맞게 설계된 브레드 기판 솔루션 중 하나와 함께 사용될 수 있습니다.

그림 2: LCQT-SOT23-6 소켓 어댑터는 처리하기 어려운 초소형 6리드 SOT-23 패키지를 표준 DIP 리드 간격을 가진 관리하기 훨씬 쉬운 DIP 장치로 변환합니다. (이미지 출처: Aries Electronics)

대부분의 설계에서는 다양한 패키지 크기와 핀 구성을 가진 SMT 부품 어레이를 사용합니다. 이러한 경우 여러 단일 IC 소켓 어댑터를 처리하고 상호 연결하기 어려울 수 있습니다. Schmartboard의 202-0042-01 QFN 어댑터 기판은 잠재적 혼동을 최소화할 수 있습니다(그림 3). 이 2in × 2in 기판에는 0.5mm 피치 16핀 및 28핀, 0.65mm 피치 20핀, 0.8mm 피치 12핀 및 16핀(QFN 장치용)을 가진 최대 5가지 IC가 사용됩니다.

그림 3: 202-0042-01-QFN과 같은 어댑터 기판은 여러 SMT IC 패키지를 위한 온보드 납땜 및 연결 브레이크아웃을 수용합니다. (이미지 출처: Schmartboard)

202-0042-01-QFN에서는 특허 받은 기술을 사용하여 이러한 초소형 표면 실장 부품을 빠르고 쉽고 문제가 없는 수동 방식으로 납땜합니다. 또한 각 IC 핀과 연결된 다중 플레이트 스루홀을 사용하여 상주 부품을 손쉽게 상호 연결하거나 원하는 경우 다른 장치 및 기판과 연결할 수 있습니다.

브레드 기판 문제가 IC와 관련 없고, 케이블 또는 주변 장치 커넥터의 액세스 및 모니터링 핀과 연관된 경우도 있습니다. 예를 들어 25핀 RS-232 커넥터가 우세 통신 인터페이스인 경우 대부분의 핀에 대한 온/오프 스위치와 점퍼 단자가 있는 '브레이크아웃 박스'가 다중 계측기만큼 널리 사용됩니다(그림 4).

그림 4: 이 RS-232 브레이크아웃 박스는 이전에 널리 사용된 커넥터 및 표준 25핀 케이블에서 전선을 모니터링하고 재배열하는 데 중요한 역할을 합니다. (이미지 출처: Wikipedia)

RS-232 박스는 현재 거의 필요하지 않지만 Micro SD 카드와 같은 주변 장치를 위한 브레이크아웃 기능에는 여전히 필요합니다. 이 기능에 유용한 어댑터로는 Adafruit Industries의 254 Micro SD 카드 브레이크아웃 기판이 있습니다. 이 어댑터를 사용하면 설계자가 널리 사용되는 메모리 카드를 위한 하드웨어 인터페이스 연결과 드라이버 소프트웨어 모두에 연결하여 테스트하고 확인할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 설계자는 Adafruit 254 Micro SD 카드 브레이크아웃 기판을 사용하여 시스템 프로세서와 이 주변 장치 메모리 장치에 손쉽게 연결하고 액세스하여 둘 사이의 신호를 모니터링할 수 있습니다. (이미지 출처: Adafruit)

이 기판에는 3.3V ~ 6V 전압을 마이크로 SD 카드에 맞는 3.3V로 변환하는 초저 드롭아웃 조정기와 기판에서 3.3V 또는 5V 마이크로 컨트롤러에 연결할 수 있도록 인터페이스 논리(3.3V ~ 5V)를 3.3V로 변환하는 레벨 시프터가 포함되어 있습니다. 0.1in 피치 간격으로 핀에 연결하도록 개별 헤더를 어댑터에 납땜할 수 있습니다.

어댑터를 넘어선 기능

어댑터를 사용하면 최종 설계의 유일한 구성 요소인 개별 부품에 대한 연결 문제를 해결할 수 있습니다. 현재 액세스 가능한 부품은 다른 능동 소자 부품 및 수동 소자 부품에 연결하고, 입/출력(I/O) 인터페이스를 지원하고, 부품 교체를 허용하고, 공식 테스트 포인트와 필요에 따른 프로빙을 제공해야 합니다.

이중 인라인 패키지(DIP)에서 장치를 손쉽게 직접 수용할 수 있는 첫 번째 브레드 기판 중 하나이자 이산 소자 부품으로 1960년대에 개발되어 현재도 널리 사용되고 있는 무납땜 브레드 기판이 있습니다. 이 기판은 편리하고 접근 가능하고 간편하며 합리적인 부품 밀도를 지원합니다.

예를 들어 저주파 회로의 시제품 제작에 적헙한 Global Specialties의 PB-104M 외부 구동 무납땜 브레드 기판이 있습니다(그림 6). 이 기판은 21cm × 24cm 프레임(9.45in × 8.27in)에 실장되고, 3220개의 기준점과 4개의 전원 공급 장치 연결용 바인딩 포스트를 포함하고, 28개의 16핀 IC를 지원하며, 끝부분의 피복을 벗겨 0.4mm ~ 0.7mm 지름의 점퍼를 생성합니다. 표준 DIP 부품을 수용하기 위해 0.1in 간격으로 배치된 구멍, 어댑터와 헤더의 핀, 전선 리드는 이 브레드 기판이 다양한 용도로 사용되는 데 중요한 역할을 합니다.

그림 6: Global Specialties의 PB-104M 무납땜 브레드 기판 조립품에는 여러 DIP IC, DIP 실장 면적 어댑터, 전선 리드가 있는 이산 소자 부품, 개별 전선 점퍼가 있습니다. (이미지 출처: Global Specialties)

사용 시, 무납땜 브레드 기판은 부품 리드에도 연결되는 구멍에 삽입된 짧은 단선을 사용하여 DIP IC와 다른 부품을 연결하는 연결 가능 플랫폼입니다. 양쪽의 두 외부 레일은 일반적으로 전력 및 접지용으로 예약되어 있으며, 짧은 피더 전선을 통해 수동 소자 부품을 공급합니다(그림 7).

그림 7: 무납땜 브레드 기판에서 양쪽의 두 외부 레일은 일반적으로 전력 및 접지용으로 예약되어 있습니다. 짧은 피더 전선은 레일을 수동 소자 부품에 연결합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

무납땜 브레드 기판을 사용할 경우 몇 가지 규율을 준수해야 합니다. 예를 들어 전선을 쉽게 식별할 수 있도록 색상 코딩을 사용하는 것이 좋습니다(예: 양극 레일 빨간색, 음극 레일 검정색, 접지 녹색). 또한 혼잡도를 최소화하기 위해 기판에서 점퍼를 평평하게 배치하고, 가동 중단을 최소화하면서 IC를 프로빙하고 교체할 수 있도록 상호 연결 점퍼를 IC를 통하지 않고 IC 주위로 배열해야 합니다. 그렇지 않으면 대부분의 다른 '임시' 구현과 마찬가지로 무납땜 브레드 기판은 '전선 꼬임'이 발생하여 디버그하거나 추적하기 어려울 수 있습니다(그림 8).

그림 8: 무납땜 브레드 기판에서 극소수를 제외한 모든 프로젝트에 대해 점퍼를 설치할 때 주의하고 규율을 따라야 합니다. 그렇지 않으면 전선이 꼬여서 구분하기 어려울 수 있습니다. (이미지 출처: Wikipedia)

현대 설계에서 브레드 기판 혼용

무납땜 브레드 기판은 편의성, 유연성, 다목적성으로 인해 현재도 널리 사용되고 있지만 사전 조립된 컴퓨터 기판, RF 회로, 모듈, 전력 모듈 등과 관련하여 높은 클록 속도와 주파수로 작동되는 현대 설계에서 심각한 제한이 있습니다. 이러한 제한을 수용하려면 완벽한 시스템 기능을 지원할 수 있는 대형 장치에 여러 브레드 기판, 시제품 플랫폼, 하위 부품을 통합할 수 있는 시스템이 필요합니다.

그런 브레드 기판으로는 Phase Dock 10104 실장 시제품 제작 시스템이 있습니다(그림 9). 핵심 시스템은 작업 표면이 54in2인 10in × 7in 기본 행렬, 전자 장치를 실장하는 데 사용되는 두 가지 크기의 5개 'Click', Arduino, Raspberry Pi 또는 유사한 모듈을 실장하는 데 사용되는 '슬라이드'로 구성되며, Click/슬라이드 콤보를 조립하고, 슬라이드에서 전자 장치를 실장하고, 전자 장치를 슬라이드 없이 Click에 직접 실장하고, 높이가 높은 '타워' 전자 장치를 추가하고, 전선과 케이블을 관리하는 데 사용되는 나사와 같은 소형 하드웨어 물품을 포함합니다. 또한 시스템을 보호하고, 외관을 개선하며, 운반을 용이하게 해주는 선택적 투명 플라스틱 덮개가 있습니다.

그림 9: 기본 Phase Dock 10104 Mounting Prototyping System에는 기본 행렬(위쪽), 전자 장치 실장용 Click(아래쪽 중간), Arduino 및 유사한 플랫폼 사용을 위한 슬라이드(아래쪽 하단), 모든 중요한 실장 하드웨어(아래쪽 하단 왼쪽)가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Phase Dock, Inc.)

이 제품 개발 시스템을 사용하면 단일 플랫폼에서 무납땜 브레드 기판, 나사 단자와 커넥터가 있는 특수 기판, 프로세서 플랫폼(예: SparkFun의 RedBoards), 이산 소자 스위치 및 전위차계를 고정하는 브라켓과 같은 다양한 브레드 기판 및 모듈 기술을 혼합할 수 있습니다(그림 10). 모든 소자는 Phase Dock 베이스에 단단히 실장된 다음 필요에 따라 시스템 개념을 테스트하고 주요 신호 및 테스트 포인트에 접근하는 데 적절히 연결됩니다.

그림 10: Phase Dock 시스템은 무납땜 브레드 기판(흰색), 특수 pc 기판(녹색), 프로세서 플랫폼(예: 이 자동 컨트롤러 시스템을 위한 SparkFun Redboards(빨간색))을 비롯한 시스템 요소의 "혼합 및 정합" 실장과 상호 연결을 지원합니다. (이미지 출처: Phase Dock, Inc.)

브레드 기판을 연결하는 벤더 평가 기판

고성능 IC, 특히 하위 레벨 신호, 정밀 증폭 또는 RF 신호 처리에 사용되는 고성능 IC는 현재 평가 기판 또는 키트와 함께 제공됩니다. 대상 응용 분야에서 성능을 확인하도록 고급 부품을 설정하고 나머지 시스템과 통합하려면 적절한 지원 부품(대부분 수동 소자)을 사용하고 신중한 레이아웃과 연결이 필요하기 때문입니다. 문제는 이러한 평가 기판을 활용하는 설계자의 역량에 달려 있습니다. 즉, 설계자의 역량에 따라 평가 기판이 최종 시스템 설계에 매우 유용할 수도 있고 방해될 수도 있습니다.

부품의 성능을 극대화하도록 설계된 평가 기판을 고려하십시오. 따라서 여기에는 메모리, 로컬 DC-DC 조정기, 마이크로 컨트롤러와 같은 추가 지원 부품이 포함됩니다. 이러한 부품은 독립형 평가에 필요할 수 있지만 엔지니어의 제품 설계에서 실제 IC 사용을 방해할 수도 있습니다.

반면에 대부분의 평가 기판에는 필요한 특수 커넥터와 같은 부품이 있습니다. 평가 기판을 사용하면 설계자의 회로망 재작업( '시간 낭비') 필요성이 감소되며, 올바르게 수행되고 적절히 기록된 평가 기판 설계는 일반적으로 벤더에서 IC에 정통한 직원이 생성한 회로보다 더 우수합니다.

따라서 설계자는 브레드 기판 배열에서 벤더 공급 평가 기판의 이점을 이해하고 활용하는 데 어려움이 있습니다. Analog Devices ADL6012, 2GHz ~ 67GHz, 500MHz 광대역 엔벨로프 감지기와 같은 "소형" IC를 고려하십시오. 회로도 구성도에서는 이 10리드 LFCSP의 기본적인 상호 연결이 매우 간단해 보이지만, 신중한 레이아웃, 우회 및 하이엔드 RF 커넥터가 필요하므로 실제 사용하는 것은 훨씬 어렵습니다(그림 11).

그림 11: "이론상으로는" Analog Devices ADL6012 광대역 엔벨로프 감지기를 연결하여 사용하는 것이 간단해 보이지만, 설계 및 레이아웃과 관련한 많은 세부 사항이 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 RF IC를 설계에 통합하려는 설계자는 최종 회로도를 작성하고 레이아웃과 패키징을 계획하기 전에 먼저 RF IC의 특성을 이해하고, 인터페이스를 테스트하고, 브레드 기판 단계에서 ADL6012-EVALZ 평가 기판을 활용하여 전체 프로젝트에 맞게 "세부 조정"하는 것이 좋습니다(그림 12).

그림 12: ADL6012-EVALZ 평가 기판을 사용하면 설계자가 간단해 보이지만 정교한 이 IC를 설계할 때의 복잡하고 미묘한 문제를 완화하고, 평가 기판을 브레드 기판에 통합하여 제품 개발 시간과 혼동을 최소화할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

브레드 기판을 사용하면 평가 기판을 물리적으로 활용하고, 전원 공급 장치를 추가하고, RF 입력 증폭기 및 지정된 차동 출력 부하를 제공하고, 사전 시제품 제작 단계에서 시제품 구성까지 모든 프로세서와 인터페이스를 지원해야 하는 어려움이 있습니다. 그렇게 하려면 브레드 기판 기술, 플랫폼 및 접근 방식을 결합해야 합니다.

결론

어댑터 및 브레이크아웃 기판을 사용하면 설계자가 거의 모든 최신 제품의 표준인 초소형 리드리스 부품을 통합, 상호 연결, 실행 및 평가할 수 있습니다. 무납땜 브레드 기판은 현재도 널리 사용되고 있으며 부품, 모듈, 기타 조립품의 혼합과 정합을 지원합니다. 따라서 물리적 견고성이 향상되며, 너절하고 오류가 발생하기 쉬우며 불안정한 실장과 배선이 최소화됩니다. 이러한 어댑터와 브레드 기판을 사용하면 테스트 및 디버그 단계가 가속화되고 실현 가능한 시제품을 더 빠르게 제작할 수 있습니다.