플로팅 보드-투-보드 인터커넥트 기반 모듈형 설계
출처: 마우저 일렉트로닉스
라이언 스마트(Ryan Smart), 하윈(Harwin) 제품 부문 부사장
제품을 설계하는 것은 다양한 요소를 동시에 고려해야 하는 복합적인 과제입니다. 엔지니어들은 더 작은 폼팩터에 보다 우수한 성능과 더 많은 기능을 구현해야 할 뿐 아니라, 짧은 개발 기간 내에 설계를 완료해야 합니다. 또한 제조 공정에서는 생산 속도를 높이면서도 제품 수명 동안의 품질과 동작 신뢰성을 유지해야 하는 압박이 점점 커지고 있습니다.
이러한 요구사항은 설계 방식뿐 아니라 사용되는 소재와 부품 선택에도 영향을 미칩니다. 예를 들어 모듈형 설계는 I/O, 프로세서, 아날로그 신호 처리와 같은 핵심 기능 블록을 각각 별도의 PCB에 구현해 여러 제품에서 재사용할 수 있도록 해줍니다. 이를 통해 설계 리스크와 개발 기간을 줄일 수 있습니다. 하지만 이 같은 여러 개의 모듈 보드를 어떻게 연결할 것인가는 매우 중요한 고려사항입니다
단일 커넥터 vs. 다중 커넥터
보드와 보드를 연결하는 데 단일 커넥터를 사용할 경우, 연결은 간단하지만 노이즈, 크로스토크, 긴 배선(trace) 문제를 유발할 수 있습니다. 반대로 다중 미세 피치 커넥터를 사용하면 신호 분리(signal separation)를 개선하고 배선 길이를 줄일 수 있는데, 그 대신 이 방식은 극히 높은 정밀도의 PCB 정렬을 요구합니다. 제조 공정 허용 오차(manufacturing tolerance)로 인해 발생하는 밀리미터 이하 수준의 오정렬조차도 커넥터에 스트레스를 유발해 손상, 수율 저하, 현장 신뢰성 감소로 이어질 수 있습니다.
플로팅 커넥터를 통한 오정렬 보완
이러한 문제를 해결하기 위해 특수한 형태의 보드-투-보드(board-to-board) 커넥터가 개발됐습니다. ‘플로팅(floating)’ 커넥터라 불리는 이들 제품은 좌우 및 전후 방향으로 움직일 수 있는 하우징과 스프링 구조를 적용한 접점(contact) 설계를 통해 일정 수준의 유연성을 제공합니다. 일반적으로 커넥터의 수 커넥터(male connector)에 내장된 접점이 하우징을 지지하는 구조를 갖고 있습니다.
그림 1: 플로팅 커넥터는 자동화 제조 과정에서 발생하는 오정렬(misalignment)을 보완할 수 있습니다. (출처: 하윈)
이 구조가 제공하는 2축 방향 이동 범위는 제조 공정 중에 발생할 수 있는 오정렬 범위를 초과하는 경우가 많습니다. 따라서 다중 커넥터를 사용하는 PCB에서도 고속·고정밀 결합을 구현할 수 있으며, 자동 픽앤플레이스(pick-and-place) 공정을 보다 안정적으로 적용할 수 있습니다. 그 결과, 설계 엔지니어는 제조상의 제약보다 회로 요구사항에 집중할 수 있으며, 보드당 여러 개의 플로팅 보드-투-보드 커넥터를 자유롭게 배치할 수 있습니다. 즉, 커넥터의 종류와 수량을 인터커넥트 한계가 아니라 회로 설계 요구에 따라 결정할 수 있게 됩니다.
플로팅 커넥터의 스프링 기반 서스펜션 구조는 실제 동작 환경에서도 연결 신뢰성을 향상시키는 데 기여합니다. 이는 특히 휴대용 기기의 일상적 사용, 이동 차량 환경, 공장 자동화 시스템과 같은 환경에서 효과적입니다. 예를 들어 장기간 진동으로 인해 접촉부 도금이 마모되는 프레팅(fretting) 현상이 발생하면 내부 합금이 산화될 수 있는데, 플로팅 커넥터는 이러한 성능 저하 및 고장 가능성을 완화할 수 있습니다.
그림 2: 혁신적인 접점(contact) 설계는 플로팅 커넥터에 다양한 이점을 제공합니다. (출처: 하윈)
플로팅 커넥터가 모든 애플리케이션에 필요한 것은 아닙니다. 일반적인 보드-투-보드 커넥터만으로 충분한 경우도 많습니다. 따라서 사용자는 다음과 같은 질문을 기준으로 적절한 기술을 선택해야 합니다.
- 보드 쌍(board pair)당 여러 개의 커넥터가 필요한가?
- 자동화 제조 공정의 기계적 정밀도는 어느 정도인가?
- 제품이 실제 사용 환경에서 얼마나 많은 충격과 진동에 노출되는가?
- 제품 수명 동안 보드를 얼마나 자주 분리·교체해야 하는가?
또한 커넥터 선택 과정에서는 환경적 요소도 고려해야 합니다. 특히 밀폐형 구조에서는 온도 변화가 커넥터 스트레스를 증가시킬 수 있으며, 재질 차이 또는 PCB 두께 차이가 이러한 문제를 악화시킬 수 있습니다.
이와 함께 대부분의 애플리케이션에서는 RoHS 완전 준수, REACH SVHC(Substances of Very High Concern) 비포함, 납(Lead) 미사용, 브롬계 난연제(Brominated Flame Retardants) 미사용, 적린(Red Phosphor, PFOS/PFOA) 미사용, 안티모니(Antimony) 미사용과 같은 환경 규제를 만족해야 합니다.
플로팅 커넥터 기술 발전
최근 플로팅 커넥터 제품군은 0.5mm ~ 0.8mm 수준의 초미세 피치와 160개 이상의 접점을 지원하는 방향으로 발전하고 있습니다. 또한 수직 및 수평 암 커넥터(female connector), 평행 또는 직각 연결 구조,
최소 6mm 수준의 낮은 장착 높이와 같은 다양한 옵션이 제공됩니다. 이를 통해 점점 더 소형화되는 제품 폼팩터 요구를 충족할 수 있습니다.
하윈(Harwin)은 고성능 다중 마이크로피치 인터커넥트에 적합한 플렉토(Flecto) 플로팅 커넥터 제품군을 확장하고 있습니다. 이 제품은 수 커넥터 결합 영역이 중심선(centerline) 기준 최대 ±0.8mm까지 이동 가능합니다.
최신 제품은 최대 12Gbit/s 데이터 전송 속도를 지원하며, 이는 엔터프라이즈 서버 및 스토리지 분야에서 널리 사용되는 SAS(Serial Attached SCSI) 표준 성능 요구를 충족합니다. 또한 하나의 커넥터에서 신호와 전력을 동시에 전달할 수 있는 기술도 등장하고 있어, 고전류를 요구하는 애플리케이션 지원이 가능해지고 있습니다.
최신 플로팅 커넥터는 기본적인 스프링 구조 외에도 위치 결정 핀(location peg - 리플로우 솔더링(reflow soldering) 중 움직임 방지), 리텐션 탭(retention tab - 추가적인 기계적 강성 제공)과 같은 기능을 통해 정렬 정확도와 기계적 강도를 향상시킵니다.
그림 3: 리텐션 탭(retention tab)과 관통형 핀(through-board pin)은 플로팅 커넥터의 기계적 강성을 향상시킵니다. (출처: 하윈)
맺음말
PCB 간 연결 방식은 설계 초기 단계부터 충분히 고려돼야 합니다. 적절한 인터커넥트 선택은 최신 생산 공정에 최적화된 제품 구현뿐 아니라, 현장 운용 중 장기 신뢰성 확보에도 중요한 역할을 합니다. 특히 다축 방향의 오정렬과 미세 움직임을 흡수할 수 있는 플로팅 커넥터는 산업 자동화, 전기차, 보안 시스템, IoT 기기 등 다양한 분야에서 점점 더 폭넓게 적용되고 있습니다.
저자 소개
라이언 스마트(Ryan Smart)는 Harwin의 제품 부문 부사장으로 혁신을 주도하고 신제품 개발을 이끌고 있습니다. 전자 부품 분야에서 10년 이상의 경험을 쌓은 그는 제품 구상부터 출시까지의 전 과정을 총괄하며, 최첨단 연결 솔루션으로 엔지니어들을 지원하고 있습니다.
기업 소개
Harwin은 가혹한 환경에 적합하고 극한의 진동, 충격 및 온도를 견딜 수 있는 고신뢰성 인터커넥트 제조업체입니다. Datamate, Gecko 및 M300 제품군은 군사, 항공우주 및 기타 안전 필수 시장에서 그 성능이 입증된 역사를 자랑합니다. 기타 보드 레벨 솔루션으로는 자동화 실장(placement) 공정을 통해 신뢰성과 유연성을 높이고 비용을 절감하는 EMC 쉴딩(Shielding) 제품이 있습니다. Harwin에서는 상업용 애플리케이션을 위한 업계 표준 커넥터 및 PCB 하드웨어도 제공합니다.