전원 배선이 가늘어지는 실수를 넷 클래스(Net Class)로 줄입니다

넷 클래스는 같은 배선 조건을 공유하는 묶음입니다

넷(net)은 전기적으로 연결되어야 하는 핀과 도체의 집합입니다. 넷 클래스(net class)는 여러 넷에 배선 폭, 도체 사이 간격, 비아 크기 등의 설정을 함께 적용하는 분류입니다. 전원선에 이름만 붙였다고 해서 실제 배선 규칙이 지정되는 것은 아닙니다.

층을 바꾸는 도금 연결을 비아(via)라고 합니다. 넷 클래스의 비아 설정에는 바깥 구리 지름과 구멍 지름 등이 포함됩니다.

신호와 전원을 서로 다른 폭으로 관리하면 화면에서도 용도를 구분하기 쉽습니다. 그러나 ‘신호는 6 mil, 전원은 20 mil’처럼 고정값을 모든 기판에 쓰지는 않습니다. mil은 0.001 inch, 즉 0.0254 mm입니다. 6 mil은 약 0.152 mm이고 20 mil은 약 0.508 mm이지만, 이 폭 자체가 특정 허용 전류를 보증하지는 않습니다.

허용 전류보다 먼저 설계 조건을 적습니다

전류를 흘렸을 때의 온도는 구리 두께, 외층·내층 여부, 주변 구리 면, 기판 구조, 주변 온도와 냉각에 따라 달라집니다. 손으로 만져 뜨겁지 않았다는 관찰만으로 온도 상승이나 장기 신뢰성을 판정하기도 어렵습니다.

전원이라는 이유로 무조건 넓히는 것도 적절하지 않을 수 있습니다. 고속 신호의 폭은 목표 임피던스와 연결되고, 스위칭 전원의 민감한 노드는 구리 면적과 기생 용량도 영향을 줍니다. 같은 ‘전원’ 안에서도 요구 조건이 다른 넷은 나눠 관리합니다.

허용 전류 표나 계산기로 폭을 구했다면 그 값이 가정하는 구리 두께, 층 위치, 허용 온도 상승과 냉각 조건을 확인합니다. 실제 기판이 밀폐된 외함 안에 있거나 주변 발열 부품과 가깝다면 같은 폭에서도 온도가 달라질 수 있습니다. 디레이팅(derating)은 실제 사용 조건을 고려해 정격보다 낮은 수준으로 사용하는 것입니다. 모든 기판에 같은 감소 비율을 적용하지 말고, 허용 온도와 부하 조건을 바탕으로 여유를 정한 뒤 실측으로 확인합니다.

기본 폭과 최소 허용 폭을 따로 설정합니다

설계 규칙 검사(DRC, Design Rule Check)는 배선이 지정한 폭·간격 등 조건을 어겼는지 자동으로 확인하는 기능입니다. 배선 도구의 기본 폭은 선을 새로 그릴 때 제안하는 값입니다. 모든 기존 선이 그 폭 이상이라는 뜻은 아닙니다.

예를 들어 KiCad 9의 넷 클래스 폭은 배선 도구가 사용할 기본값입니다. 다른 폭으로 직접 배선해도 넷 클래스 값과 다르다는 이유만으로 DRC 오류가 발생하지는 않습니다. 전원선에 최소 폭을 강제하려면 별도의 사용자 규칙에서 해당 넷 클래스의 최소 배선 폭을 제한해야 합니다. 사용 중인 도구에서도 ‘권장값’과 ‘검사 조건’이 어떻게 구분되는지 확인합니다.

1. 회로의 실제 넷 이름을 기준으로 클래스를 지정합니다. 이름 패턴으로 자동 분류한다면 분류 결과에서 빠진 전원 넷이 없는지 확인합니다.
2. 열·전압 강하 검토로 정한 값을 기본 폭과 검사 규칙에 각각 반영합니다. 예외가 필요한 핀 탈출 구간은 길이와 위치까지 정합니다.
3. 전원 핀부터 부하까지 넷을 강조 표시합니다. 짧은 목, 층 변경 비아, 커넥터 핀, 접합부를 하나씩 따라갑니다.
4. 검사용 복사본에서 일부 구간을 의도적으로 최소 폭보다 가늘게 바꿔 DRC가 검출하는지 확인합니다. 검출되지 않으면 규칙 적용 대상이나 우선순위가 잘못된 것입니다.
5. 원래 폭으로 복구한 뒤 전체 DRC와 최종 제조 데이터의 폭을 확인합니다. 완성 기판에서는 정해 둔 최대 부하·주변 조건에서 전압과 온도를 측정합니다.

폭 하나가 아니라 가장 약한 구간을 확인합니다

넓은 배선이 끝에서 작은 비아 하나로 이어지면 그 비아와 접속부가 제한 요소가 될 수 있습니다. 넓은 구리 면이 얇은 써멀 릴리프(thermal relief)로만 연결되는지도 봅니다. 써멀 릴리프는 납땜할 때 열이 큰 구리 면으로 지나치게 빠지는 것을 줄이는 가는 연결부이며, 전류 경로에서는 그 단면도 계산에 들어갑니다.

패드(pad)는 부품 단자나 도금 홀과 구리가 만나는 납땜 자리입니다. 납땜이 쉽다는 이유만으로 모든 패드에 써멀 릴리프를 적용하지는 않습니다. 패드와 구리 면을 잇는 가는 부분을 스포크(spoke)라고 합니다. 전류가 큰 접점에서는 스포크의 개수와 폭뿐 아니라 구리 두께, 패드 뒤쪽의 배선과 비아까지 이어지는 실제 경로를 확인합니다. 연결부가 가늘면 전압 강하와 국부 발열이 커질 수 있습니다.

빠른 신호 변화가 있는 회로의 접지 패드에서는 구리 면이 신호의 귀환 경로가 될 수 있습니다. 이때는 스포크로 좁아진 연결이 귀환 전류를 우회시키는지 확인합니다. 접속 임피던스(connection impedance)는 직류 저항뿐 아니라 빠르게 변하는 전류가 연결부를 지날 때의 방해 정도까지 포함합니다. 주변 회로에 간섭을 주거나 외부 간섭을 받는지를 보는 전자기 적합성(EMC, Electromagnetic Compatibility) 시험이 필요한 제품이라면, 연결 방식을 바꾼 전후의 결과도 비교합니다. 스포크가 언제나 EMC를 나쁘게 만든다는 뜻은 아닙니다. 귀환 경로와 시험 조건이 다른 기판에 같은 결론을 적용할 수 없습니다.

낮은 접속 임피던스나 열 전달이 우선인 패드에는 구리 면을 패드 둘레에 넓게 잇는 직접 연결(solid connection)을 검토합니다. 대신 넓은 구리 면이 납땜 열을 빨리 가져가므로, 땜납(solder)이 충분히 녹아 패드와 부품 단자에 퍼지는지 확인해야 합니다. 필요한 경우 부품과 기판의 허용 온도·가열 시간을 지키면서 예열판(preheating plate)으로 기판을 먼저 데우는 조립 방법을 시험합니다.

1. 패드에서 구리 면까지의 넷과 최대 부하를 확인하고, 기판 설계 도구에서 구리 면과 패드의 연결 방식을 확인합니다. 구리 면을 다시 채운 뒤 실제로 생성된 스포크의 개수·폭 또는 직접 연결 면을 봅니다.
2. 부하 전류가 흐르는 접점에서는 사용 조건의 전압 강하와 온도를 측정합니다. 빠른 귀환 전류가 지나는 접점은 신호 파형과 필요한 EMC 시험도 같은 구성에서 확인합니다.
3. 연결 방식을 바꿨다면 같은 조립 조건에서 땜납이 패드와 단자에 고르게 붙었는지 검사합니다. 예열로 납땜성이 좋아져도 부품의 허용 가열 조건을 넘었다면 합격으로 판단하지 않습니다.

전원에서 부하까지 가는 길을 확인한 뒤에는 부하에서 전원으로 돌아오는 접지 경로도 같은 순서로 따라갑니다. 구리 면에 생긴 틈 때문에 전류가 우회하거나 좁은 부분에 몰리는지 살펴봅니다. 전원 쪽 배선만 넓혀도 돌아오는 경로의 전압 강하와 발열은 남을 수 있습니다.

커넥터(connector)와 전선을 고정하는 단자대(terminal block)의 접점도 빠뜨리지 않습니다. 접촉 저항(contact resistance)은 두 금속 접촉면을 전류가 지날 때 생기는 저항입니다. 부하 전류를 I, 접촉 저항을 R이라고 하면 전압 강하는 V = I·R, 접점에서의 손실 전력은 P = I²·R입니다. 설명용으로 5 A가 20 mΩ의 접점을 지나면 0.1 V가 떨어지고 0.5 W가 접점에서 열로 바뀝니다. mΩ은 밀리옴으로 0.001 Ω이며, 이 예시는 특정 커넥터의 측정값이 아닙니다.

실제 점검에서는 같은 부하에서 접점 양쪽의 전압 차와 온도를 확인합니다. 측정 지점 사이에 전선이나 PCB 배선이 포함되면 그 저항까지 함께 측정되므로 위치를 기록합니다. 전원을 끈 뒤 체결·압착 상태와 접촉면을 확인하고, 지정된 조립 조건으로 수정한 뒤 같은 조건에서 다시 측정합니다. 커넥터의 허용 전류는 주변 온도, 사용 전선과 동시에 전류가 흐르는 접점 수에 따라 달라질 수 있으므로 부품의 디레이팅 자료도 확인합니다.

검토 결과에는 클래스 이름뿐 아니라 설계 전류, 구리 두께, 최소 폭, 예외 구간, 비아 구성과 실측 조건을 남깁니다. 그래야 부하가 바뀌거나 기판 적층이 바뀌었을 때 어떤 규칙부터 다시 계산해야 하는지 알 수 있습니다.