오늘은 반도체 설계 교육 센터(IDEC) 에서 진행하는 '석박사 우선교육 과정' 중
'인공지능 반도체 센서용 PCB 설계' 수강 후기를 남겨보려고 한다.
IDEC 소개
IDEC에서는 비정기적으로 반도체 소자 / 설계 / 통신 등과 관련한 tool 실습 및 이론 수업을 진행하고 있고,
학기 중에 배웠던 이론과 접목 가능한 tool 실습을 하고 싶거나, 평소에 관심 가던 분야를 단기 집중적으로 배워볼 수 있다.
반도체설계교육센터
http://www.idec.or.kr
대전에 위치한 본센터부터 광운대, 경북대, 부산대, 전남대, 충북대, 한양대(ERICA) 에서 대면 강의를 진행하고 있고,
강의에 따라 비대면을 병행하는 경우도 있다.
특히, 반도체 소자 관련 강의는 설계 분야에 비해 적게 열리기도 하고 인기가 대체로 많은 편이라,
정시에 신청해야 하는 경우도 있으니 미리미리 확인하시고 관심 강의 들어보시길 추천드린다.
수강료도 무료!
'인공지능 반도체 센서용 PCB 설계' 수업은 안산에 위치한 한양대 ERICA 캠퍼스에서 2일동안(10:00-17:00) 대면으로 진행된다.
tool 실습 위주의 수업이었고, 강의의 핵심은 아래 두 가지로 요약할 수 있다.
1. Fusion 360으로 센서를 활용한 다양한 PCB 회로 구조도를 직접 그려보고,
2. Auto CAD로 레이아웃을 짜고 배치해보기.
1일차
교수님께서 연구하시는 센서 기반 AI semiconductor 산업 동향과 연구 방향에 대해 소개해주시면서 시작한다.
1. Artificial Neural Networks : Neuromorphic(3rd Gen)
- Specific use for individual
- Brain-like operation
- Extremely low power consumption
- Beyond CMOS tech
| Von Neumann architecture (2nd Gen) | CPU, 메모리 | 1:1 직렬 처리 (Bus - Bottleneck issue) |
처리와 저장 따로 |
| Artificial Neural Networks(3rd Gen) | 시냅스, 뉴런 (인공신경망) |
대규모 병렬처리 | 처리와 저장 동시에 |
2. How about Future Sensor?
AI Semiconductor (= AI Accelerator) + Digital Healthcare = Smart Healthcare System
예를 들어, Skin-interfaced healthcare sensors의 경우 크게 두 가지 기술이 필요하다고 한다.
Technique 1 : Electronic Circuit Design for wireless sensor system
1) functionality & component selection : 어떤 센서를 활용하여 어떤 기능을 만들건지 정하기
호흡, 걸음 수 및 수면 패턴 등과 같은 생체 신호들을 tracking 해서 헬스 케어 시스템을 만든다고 했을 때 필요한 component는?
- BLE chip(bluetooth low energy chip) for wireless data communication
- 강력한 무선 통신, 대신 초기 연결 시 순간적 에너지 소모량 많음.
- LDO (low dropout) regulator chip for power management
- 낮은 입출력 전위차에도 ripple 없이 정전압 레벨을 자동으로 유지하는 전압 조정기
- 2개의 capacitor과 짝을 이룸.
- why? 입출력에 병렬로 연결되면 전압 ripple 최소화하는 특성을 가진 cap
- I = C (dV/dt)
- Wireless Charging
- voltage rectifier + regulator chips for wireless charging
- IMU(Inertial Measurement Unit chip) for 6-axis motion detection
- NTC(Negative Temperature Coefficient thermistor) - 개발된 센서를 구입하여 사용
2) Circuit configuration & Operation confirmation : 1)에서 고른 component들을 PCB 회로에 레이아웃 하는 과정
3) Outline design & Component arrangement : cad를 활용하여 실제 제품 크기 및 모양에 맞게 외형 디자인하기
Technique 2 : Device Assembly and Packaging for Clinical Application
Clinical application으로 활용하기 위해서는, 환자 몸에 부착하기 편한 packaging을 가져야 한다.
1) Component assembly : 기판에 납땜하는 과정
2) Battery wiring이 관건!
배터리가 크면 오래 쓸 수 있지만, 부피가 상대적으로 커서 소자 사이즈를 결정하는 요소이며, 발열 문제가 발생할 수 있다.
3) Encapsulating device (silbione) : 전체 컴포넌트들을 감싸는 포장 용기라고 생각하면 된다.
Wireless Button 형태로 작동하도록 구성될 수 있으며,
PMIC, BLE, temperature sensor, 3-axis accerlerometer 가 Bluetooth 로 user interface와 소통할 수 있도록 한다.
본격적인 실습에 들어가게 되는데,
회로의 구조와 레이아웃을 잡을 때에는 Fusion 360을 활용한다.
Fusion 360을 들어가서 '새로운 전자제품 디자인' 파일을 열게 되면, 아래와 같은 화면이 나온다.
회로 기호를 통해 컴포넌트를 연결한 뒤, PCB 기판에 소자 크기를 고려하여 위치시키는 과정까지 수행하며,
Schematic -> PCB(layout) 순으로 연동된 두 개의 파일을 작업할 수 있다.
먼저 회로를 구성해볼 것이다.
* 실습에서는 간단한 저항 회로와 RC 회로를 구성해보았다.
1. Schematic (회로) : 구조도는 회로 기호를 라이브러리에서 불러와 우리가 원하는 회로도를 보기 쉽게 작성하는 과정이다.
원하는 컴포넌트를 불러와서 선으로 연결하면 끝! 인데
만약 원하는 컴포넌트가 없다면?
내장되어 있는 라이브러리를 활성화하거나, 구글링하여 라이브러리를 다운 받을 수 있다.
- 라이브러리를 활성화 하는 방법
'라이브러리 관리자'에 들어가서 원하는 라이브러리를 검색하여 오른쪽 버튼 아이콘을 활성화하면 된다.
* 실습 때는 rcl 라이브러리를 활성화하여 원하는 캐패시터와 저항, 인덕터를 불러왔다.
좌측 'filter'창에서 특정 라이브러리 내 컴포넌트를 검색할 수도 있다.
중요한 건 접지!! 항상 gnd 를 잊지 말자.
이제 컴포넌트들을 이어줘야 한다.
연결 탭에서 '네트' (첫번째 아이콘)로, 이어주고 싶은 컴포넌트를 클릭하여 연결해주면 된다.
이때 네트 옆 '이름' 아이콘을 사용하여 node를 지정한 뒤, 이름을 지정해줄 수 있다.
원하는 회로를 구성했다면 좌측 상단에 스위치 버튼을 눌러 다음 단계인 PCB layout으로 넘어간다.
2. Layout (PCB) : PCB로 변환하여 실제 소자 크기와 위치를 고려하여 기판에 위치시키는 것이다.
컴포넌트들을 원하는 위치에 세팅하고, schematic의 네트와 유사하게, 이번엔 '루트'를 이용하여 연결해준다.
이어져야 하는 노드들을 가는 노란 선들로 연결되어 있고, 이를 참고하여 루프로 연결해주면 된다.
이때, 루프의 모양과 추적 폭을 설정할 수 있다.
layout 작업을 할 때,
1) 뷰 - 그리드 - 단위를 mm로 설정하고
2) 규칙 DRC/ERC - DRC - 틈새 는 아래 사진과 같이 설정하는 것이 좋다고 말씀해주셨다.
PCB layout은 실제 기판에 전선을 배치하는 것이므로, 물리적으로 전선이 겹치면 안된다.
이는 Via 를 통해 해결할 수 있다.
쉽게 말하면 기판에 구멍을 뚫어 위로 지나가던 전선을 via를 통해 기판 아래로 보내, 전선이 물리적으로 겹치지 않도록 하는 것이다.
Via에 연결할 노드를 지정하고,
기판 위로 지나가는 전선은 top line(red) 으로, 기판 아래로 지나가는 전선은 bottom line(blue)로 나타내면 된다.
이렇게 만들어진 PCB는 3D view 로도 확인 가능하다.
스위치 우측에 3D PCB로 푸시 버튼을 눌러보면, 3D view를 볼 수 있고 우측 상단 박스를 돌려가며 기판 위 아래를 확인할 수 있다.
tapepad를 추가한 LPF / HPF 를 만들어보는 것으로 Day1 수업을 마친다.
- Low Pass Filter(LPF)
- High Pass Filter(HPF)
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