소개
정보화 시대가 도래하면서 PCB 사용은 계속 증가하고 있습니다. PCB 설계는 점점 더 복잡해지고 있습니다. 전자 부품이 PCB에 더 가깝게 배치됨에 따라 전기 간섭이 일반적인 문제가 되고 있습니다. 다층 기판에서는 신호 레이어와 전원 또는 접지 레이어를 분리해야 합니다. 따라서 스택업 설계와 레이어 순서가 매우 중요합니다. 좋은 스택업은 EMI와 크로스토크를 크게 줄일 수 있습니다.
멀티레이어 보드를 사용하는 이유
단일 레이어 보드에 비해 멀티 레이어 보드는 신호 레이어, 라우팅 레이어, 별도의 전원 및 접지면을 추가합니다. 가장 큰 장점은 디지털 신호에 안정적인 전압을 제공한다는 것입니다. 모든 부품에 전력을 고르게 분산시킵니다. 따라서 신호 간의 노이즈를 줄이는 데 도움이 됩니다.
파워 플레인 및 접지면
전력용 대형 구리 타설과 견고한 접지면을 사용하면 해당 평면의 저항이 낮아집니다. 저항이 낮으면 전원 플레인 전압이 일정하게 유지됩니다. 이는 각 신호 라인이 고유한 임피던스를 유지하는 데 도움이 됩니다. 안정적인 임피던스는 반사를 줄이고 크로스토크를 낮추는 데 도움이 됩니다. 하이엔드 PCB 설계에서 설계자는 종종 6층 이상의 스택 업을 선택합니다. 다층 기판은 전기 성능과 전자기 방사 차단 측면에서 단일 또는 저층 기판을 능가합니다. 레이어가 많을수록 비용은 증가합니다. PCB 가격은 레이어 수와 단위 면적당 라우팅 밀도에 따라 달라집니다. 비용을 절감하기 위해 레이어를 줄이면 라우팅 공간을 잃게 됩니다. 그러면 라우팅 밀도가 높아집니다. 설계를 맞추기 위해 더 좁은 트레이스와 더 작은 간격이 필요할 수 있습니다. 이러한 변경으로 인해 비용이 증가하거나 기판 제작이 더 어려워질 수 있습니다. 레이어를 줄이면 비용을 절감할 수 있지만 전기적 성능이 저하될 수 있습니다. 이러한 선택은 역효과를 낼 수 있습니다.
마이크로 스트립, 리턴 경로 및 전송 라인의 일부인 접지면
PCB 마이크로 스트립 레이아웃을 모델로 보면 접지면은 전송 라인의 일부가 될 수 있습니다. 신호 트레이스 아래의 접지 구리 포설은 신호의 리턴 경로 역할을 합니다. 전원 플레인은 AC 보기에서 디커플링 커패시터를 통해 접지에 연결됩니다. 이 두 평면은 신호 리턴에 대해 동일한 방식으로 작동합니다. 저주파 전류 루프와 고주파 전류 루프의 차이점은 리턴 전류가 경로를 찾는 방식입니다. 저주파에서는 전류가 저항이 가장 적은 경로를 따라 반환됩니다. 고주파에서는 인덕턴스가 가장 적은 경로를 따라 전류가 반환됩니다. 리턴 전류는 신호 트레이스 바로 아래에 집중되는 경향이 있습니다.
고주파 리턴 전류 및 자체 차폐
고주파에서 트레이스가 접지면 바로 위에 있으면 반환 경로가 많더라도 전류는 소스로 다시 연결되는 가장 가까운 라우팅 계층의 신호 트레이스 아래로 되돌아갑니다. 이 경로는 임피던스가 가장 낮습니다. 대형 디커플링 커패시터를 사용하여 전원을 접지에 연결하면 커패시턴스에 의한 전기장을 억제할 수 있습니다. 리턴 경로의 인덕턴스를 낮게 만들면 자기장을 억제할 수 있습니다. 이 두 가지 효과는 순 리액턴스를 낮게 유지합니다. 이를 자기 차폐라고 합니다.
루프 면적, 거리 및 전류 밀도
리턴 전류 방정식에서 리턴 전류 밀도는 신호 트레이스와의 거리와 반비례한다는 것을 알 수 있습니다. 거리가 짧을수록 루프 영역이 작아지고 인덕턴스도 작아집니다. 또한 신호 라인과 리턴 경로가 가까우면 두 경로의 전류는 크기가 비슷하고 방향이 반대라는 것을 알 수 있습니다. 두 자기장은 가까운 공간에서 서로 상쇄됩니다. 따라서 외부 EMI가 매우 작아집니다. 스택업 설계에서는 접지면을 모든 신호 레이어에 가깝게 배치하는 것이 가장 좋습니다.
상호 인덕턴스로 인해 발생하는 누화
접지면 누화에서 고주파 회로는 주로 유도 결합에 의해 누화를 일으킵니다. 복귀 전류 공식에서 두 개의 인근 신호 트레이스가 겹치는 전류 루프를 형성합니다. 이러한 중첩 루프는 자기장 간섭을 일으킵니다. 공식의 결합 계수 K는 신호 상승 시간과 간섭 트레이스의 길이에 따라 달라집니다. 스택업에서 신호 레이어와 접지면을 더 가까이 가져가면 접지면으로부터의 간섭이 줄어듭니다.
구리 타설, 분할 및 격리 벽
라우팅에서 설계자는 전원 및 접지를 위해 구리를 타설할 때 타설 영역에 절연 벽이 생기지 않도록 주의해야 합니다. 이 문제는 종종 비아가 너무 많거나 비아 절연 계획이 잘못되었을 때 발생합니다. 그 결과 에지 상승이 느려지고, 루프 영역이 커지고, 인덕턴스가 높아지고, 누화 및 EMI가 증가할 수 있습니다.
비아 밀도와 비아 펜스는 지상면을 섬으로 나눌 수 있습니다. 이러한 섬은 리턴 전류가 더 긴 경로를 따르도록 강제합니다. 이는 루프 면적과 인덕턴스를 증가시킵니다. 이를 방지하려면 비아 배치 및 평면 분할을 설계하여 리턴 전류가 원활하게 흐를 수 있도록 합니다. 다른 전압에 대해 평면을 분할해야 하는 경우 스티칭 비아를 배치하고 장치에 가깝게 디커플링을 유지합니다.
공정 균형을 위한 구리 타설 페어링
보드에 구리를 놓을 때 공정 균형을 위해 쌍으로 타설을 배치합니다. 이것은 PCB 제조의 문제입니다. 불균형한 구리는 기판을 휘어지게 할 수 있습니다. 각 신호 레이어에 대해 일치하는 구리 타설 레이어를 이웃으로 두는 것이 가장 좋습니다. 고전류 파워 플레인과 인근 구리 타설 사이의 거리는 안정성과 EMI에 영향을 미칩니다. 고속 보드 설계에서는 신호 레이어를 분리하기 위해 추가 접지 레이어를 추가하는 것이 일반적입니다. 이러한 추가 접지 레이어는 차폐 역할을 하여 EMI를 낮게 유지하는 데 도움이 됩니다.
소스에 가까운 디커플링 및 리턴 경로
디커플링 커패시터를 디바이스의 전원 핀에 가깝게 유지하세요. 디커플링 캡은 고주파에서 전원과 접지면을 하나로 묶어줍니다. 디커플링이 양호하면 디바이스 근처에서 짧은 복귀 경로를 제공합니다. 따라서 루프 면적이 줄어들고 인덕턴스가 낮아집니다. 루프가 짧으면 EMI와 누화가 낮아집니다.
임피던스 제어 및 트레이스 속성
트레이스 임피던스를 제어한다는 것은 트레이스 지오메트리와 유전체 특성을 일정하게 유지한다는 의미입니다. 임피던스가 일정하면 신호가 깨끗하게 유지되고 반사가 줄어듭니다. 임피던스를 제어하려면 트레이스 위에 솔리드 기준면을 놓고 거리와 유전체 상수를 일정하게 유지합니다. 트레이스 바로 아래에 접지 기준이 있으면 마이크로스트립 또는 스트립라인 동작이 양호합니다. 이는 싱글 엔드 및 디퍼렌셜 페어 모두에 도움이 됩니다.
디퍼렌셜 페어 및 공통 모드 노이즈
디퍼렌셜 쌍은 디퍼렌셜 임피던스를 안정적으로 유지하려면 간격이 좁고 기준면이 견고해야 합니다. 디퍼렌셜 신호는 쌍이 잘 라우팅되면 공통 모드 노이즈를 줄입니다. 쌍을 함께 유지하고, 스텁을 피하고, 리턴 플레인을 가깝게 유지하세요. 이렇게 하면 방사성 EMI와 인근 네트로의 누화를 모두 줄일 수 있습니다.
라우팅 규칙 및 레이어 수 트레이드 오프
레이어 수가 줄어들면 라우팅 공간도 줄어듭니다. 따라서 설계자는 트레이스 폭과 간격을 줄여야 합니다. 라우팅 밀도가 높아지면 크로스토크와 임피던스 변동이 증가할 수 있습니다. 많은 설계에서 올바른 선택은 라우팅을 더 쉽게 유지하고 전기적 성능을 유지하기 위해 더 많은 레이어 수를 수용하는 것입니다. 더 많은 레이어에 대한 비용은 실제로 발생하지만 신호 무결성이 나쁘면 디버그 시간과 제품 장애로 인해 더 많은 비용이 발생할 수 있습니다.
고속 보드 및 추가 접지 레이어
고속 보드는 신호 레이어를 분리하기 위해 접지 레이어를 추가하면 이점이 있습니다. 이렇게 하면 서로 다른 레이어에 있는 신호 간의 결합이 줄어듭니다. 추가 접지 레이어는 차폐 역할을 합니다. 이 레이어는 근처에 낮은 인덕턴스 리턴 경로를 제공합니다. 따라서 EMI가 감소하고 타이밍을 더 예측할 수 있습니다.
스택업 및 라우팅을 위한 실용적인 팁
- 모든 고속 신호 레이어에 견고한 접지면을 가까이 배치하세요.
- 구리 타설면이 넓은 파워 플레인을 사용하고 저항을 낮게 유지하세요.
- 전원 핀 근처에 디커플링 캡을 배치하고 짧은 경로로 전원을 접지에 연결합니다.
- 고속 트레이스 아래에서는 평면 분할을 피하세요. 분할해야 하는 경우 트레이스 근처에 스티칭 비아를 추가합니다.
- 밀도를 통해 시청하여 평면에 단절이 생기지 않도록 합니다.
- 흔적을 짧게 유지하고 스텁을 피하세요.
- 노이즈 내성이 필요한 신호에는 차동 쌍을 사용합니다.
- 반환 경로를 짧게 유지하고 루프 영역을 작게 유지하는 스택 업을 선택합니다.
- 외부 레이어의 구리를 균형 있게 배치하여 뒤틀림을 줄입니다.
요약
전자기기의 밀도가 높아질수록 EMI와 누화는 더 큰 문제가 됩니다. 다층 PCB는 이러한 문제를 해결할 수 있는 도구를 제공합니다. 전원 및 접지면, 쌍을 이루는 구리 타설, 타이트한 스택업, 우수한 디커플링이 모두 도움이 됩니다. 신중한 레이어 계획과 라우팅은 루프 면적과 인덕턴스를 낮춥니다. 이는 EMI와 누화를 줄입니다. 결국, 올바른 스택업 및 라우팅 선택은 디버그 및 장애 위험을 줄여 시간과 비용을 절약합니다.
