1. 스택업 설계의 핵심 원칙
전반적으로 스택업 디자인은 두 가지 규칙을 따라야 합니다:
- 각 라우팅 레이어에는 가까운 참조 레이어가 있어야 합니다. 참조 레이어는 파워 플레인 또는 그라운드 플레인이 될 수 있습니다.
- 주 전원 플레인과 접지면을 최대한 가깝게 유지하세요. 이렇게 하면 커플링 커패시턴스가 더 커집니다.
아래는 2레이어 보드부터 최대 8레이어 보드까지 스택업 예시입니다.
2. PCB 레이어 수에 따른 스택업 방식
2.1 1레이어 및 2레이어 보드 스택업
2레이어 보드의 경우 레이어 수가 적습니다. 스택업 문제는 다층 보드에서와 같은 방식으로 존재하지 않습니다. EMI 방사 제어는 라우팅과 레이아웃에서 이루어져야 합니다.
단일 레이어 및 이중 레이어 보드는 EMC 문제가 증가하고 있습니다. 주요 원인은 신호 루프 영역이 커질 수 있기 때문입니다. 루프 영역이 넓으면 방사선이 강해질 뿐만 아니라 회로가 외부 노이즈에 민감해집니다. EMC를 개선하기 위한 가장 간단한 단계는 주요 신호의 루프 영역을 줄이는 것입니다.
주요 신호: EMC 관점에서 주요 신호는 강한 방사선을 발생시키는 신호와 외부 노이즈에 민감한 신호를 말합니다. 강한 방사선을 발생시키는 신호는 일반적으로 주기적인 신호입니다. 여기에는 시계와 저차 주소 신호가 포함됩니다. 노이즈에 민감한 신호는 일반적으로 저레벨 아날로그 신호입니다.
단일 및 이중 레이어 보드는 일반적으로 10kHz 미만의 저주파 아날로그 설계에 사용됩니다. 다음 기본 규칙을 따르세요:
- 가능하면 같은 레이어에 방사형으로 전원을 배선하세요. 트레이스의 총 길이를 짧게 유지하세요.
- 전원 및 접지 트레이스를 서로 가깝게 유지하세요. 키 신호 옆에 접지 트레이스를 배치하세요. 접지 트레이스를 가능한 한 신호에 가깝게 배치하세요. 이렇게 하면 루프 영역이 작아집니다. 루프 영역이 작으면 공통 모드 방사선이 줄어들고 신호가 외부 노이즈에 민감해지는 정도가 줄어듭니다. 신호 옆에 접지 트레이스를 배치하면 작은 루프가 신호 리턴 전류를 끌어당깁니다. 그러면 신호 전류는 다른 접지 경로를 거치지 않고 이 작은 루프를 통과합니다.
- 양면 보드의 경우, 신호 트레이스 바로 아래에 보드의 반대편에 넓은 접지 트레이스를 배치합니다. 이 그라운드 트레이스는 가능한 한 넓게 만듭니다. 이렇게 하면 보드 두께에 신호 길이를 곱한 것과 같은 루프 영역이 만들어집니다.
2.2 4레이어 보드 스택업
일반적인 4계층 스택업에는 다음이 포함됩니다:
- SIG - GND(또는 PWR) - PWR(또는 GND) - SIG
- GND - SIG(또는 PWR) - SIG(또는 PWR) - GND
이 두 스택업 모두 표준 보드 두께가 1.6mm(62밀리미터)인 경우 잠재적인 문제가 있습니다. 레이어 사이의 간격이 커집니다. 간격이 크면 임피던스, 레이어 커플링 및 차폐를 제어하기 어렵습니다. 특히 전력면과 접지면 사이의 간격이 크면 보드 커패시턴스가 떨어집니다. 낮은 보드 커패시턴스는 노이즈 필터링에 좋지 않습니다.
첫 번째 스택업(SIG - GND/PWR - PWR/GND - SIG)의 경우
사람들은 보드에 칩이 많을 때 이 방법을 자주 사용합니다. 이 스택업은 우수한 신호 무결성을 제공합니다. EMI 성능은 그다지 좋지 않습니다. 신중한 라우팅 및 기타 세부 사항을 통해 EMI를 제어해야 합니다.
요점
- 가장 밀집된 라우팅을 가진 신호 레이어 옆에 접지면을 배치합니다. 이렇게 하면 방사선을 흡수하고 줄이는 데 도움이 됩니다.
- 또한 보드 면적을 늘립니다. 20시간 규칙을 따르세요.
두 번째 스택업(GND - SIG/PWR - SIG/PWR - GND)의 경우
칩 밀도가 낮고 칩 영역에 전력 구리 타설을 위한 공간이 있을 때 사용합니다. 이 설계에서 외부 레이어는 접지면이고 두 개의 내부 레이어는 신호 또는 전력 레이어입니다. 넓은 트레이스가 있는 신호 레이어에 전력을 라우팅합니다. 트레이스가 넓으면 전력 경로 임피던스가 낮아지고 마이크로스트립 신호 임피던스가 낮아집니다. 외부 접지 레이어는 내부 신호가 방사되지 않도록 차폐할 수 있습니다. EMI 제어 관점에서 볼 때, 이는 현재 사용 가능한 최고의 4레이어 PCB 구조입니다.
요점
- 두 개의 내부 혼합 신호 및 전원 레이어 사이의 간격을 더 크게 유지하세요.
- 크로스토크를 방지하기 위해 라우팅 방향을 해당 레이어 간에 직교하도록 설정합니다.
- 제어판 영역에서 20H 규칙을 따릅니다.
- 라우팅 임피던스를 제어해야 하는 경우 전원 및 접지 구리 섬 아래에 트레이스를 조심스럽게 배치하세요.
- 또한 가능한 한 전원 또는 접지층에 구리 타설물을 상호 연결하세요. 이렇게 하면 DC 및 저주파 연결이 잘 됩니다.
2.3 6레이어 보드 스택업
칩 밀도가 높고 클럭 속도가 빠른 설계의 경우 6레이어 보드를 고려하세요. 권장되는 두 가지 6레이어 스택업은 다음과 같습니다:
옵션 1: SIG - GND - SIG - PWR - GND - SIG
이 방식을 사용하면 우수한 신호 무결성을 얻을 수 있습니다. 각 신호 레이어는 접지면 옆에 위치합니다. 전원 및 접지면이 쌍을 이룹니다. 각 라우팅 레이어의 임피던스를 잘 제어할 수 있습니다. 두 접지면 모두 자속을 잘 흡수할 수 있습니다. 최대 전력 및 접지면을 사용하면 각 신호 레이어는 좋은 복귀 경로를 갖습니다.
옵션 2: GND - SIG - GND - PWR - SIG - GND
이 옵션은 디바이스 밀도가 그리 높지 않은 보드에 적합합니다. 첫 번째 옵션의 장점은 그대로 유지합니다. 또한 상단과 하단의 접지면이 더 연속적입니다. 좋은 보호막 역할을 합니다.
참고: 전원 면을 주요 구성 요소 면이 아닌 측면 근처에 배치하세요. 그러면 하단 면이 더 완벽해지며 첫 번째 옵션보다 EMI 성능이 더 좋아집니다.
6층 보드용 요약입니다:
전원면과 접지면 사이의 거리를 가능한 한 작게 유지하세요. 이렇게 하면 전원과 접지의 결합이 잘 이루어집니다. 62밀리미터 보드 두께에서는 레이어 간격이 4레이어 옵션보다 작습니다. 하지만 주 전원과 접지 간격을 매우 작게 만드는 것은 쉽지 않습니다. 두 번째 옵션에 비해 첫 번째 옵션은 비용이 적게 듭니다. 그래서 우리는 종종 실용적인 스택업을 위해 첫 번째 형태를 선택합니다. 설계 시 20H 규칙과 미러 레이어 규칙을 따르세요.
2.4 8레이어 보드 스택업
8층 기판에는 여러 가지 스택업이 가능합니다. 일부는 흡수율이 낮고 전력 임피던스가 크기 때문에 EMI에 더 좋지 않습니다. 다음은 세 가지 형태에 대해 설명합니다:
유형 A(좋지 않음)
이 형태는 전자기 흡수율이 낮고 전력 임피던스가 더 큽니다. 레이어 순서는 다음과 같습니다:
- 신호 1: 컴포넌트 측, 마이크로 스트립 라우팅 레이어
- 신호 2: 내부 마이크로스트립 라우팅 레이어, 양호한 라우팅 레이어(X 방향)
- Ground
- 신호 3: 스트립라인 라우팅 레이어, 양호한 라우팅 레이어(Y 방향)
- 신호 4: 스트리플라인 라우팅 레이어
- 전원
- 신호 5: 내부 마이크로 스트립 라우팅 레이어
- 신호 6: 마이크로 스트립 라우팅 레이어
이 형식은 모든 신호 계층에 일관된 참조를 제공하지 않기 때문에 좋은 선택이 아닙니다. 전력 임피던스가 높고 EMI 제어가 약합니다.
유형 B(참조 레이어가 추가된 변형)
이것은 세 번째 유형의 변형입니다. 레퍼런스 레이어를 추가하면 EMI 성능이 향상됩니다. 각 신호 레이어의 특성 임피던스를 잘 제어할 수 있습니다. 한 가지 가능한 순서는 다음과 같습니다:
- 신호 1: 컴포넌트 측, 마이크로 스트립 라우팅 레이어, 양호 라우팅 레이어
- 지면: 우수한 파도 흡수
- 신호 2: 스트라이플라인 라우팅 레이어, 양호 라우팅 레이어
- 전원: 이 전원면과 그 아래의 지면은 좋은 전자기 흡수력을 형성합니다.
- 접지면: 접지면
- 신호 3: 스트립라인 라우팅 레이어, 양호한 라우팅 레이어
- 전원: 이 전원 플레인은 더 큰 전력 임피던스를 가집니다.
- 신호 4: 마이크로스트립 라우팅 레이어, 양호한 라우팅 레이어
유형 C(모범 사례)
이것이 가장 좋은 스택업 형태입니다. 여러 개의 접지 기준면을 사용합니다. 이는 매우 우수한 전자기 흡수를 제공합니다. 일반적인 순서는 다음과 같습니다:
- 신호 1: 컴포넌트 측, 마이크로 스트립 라우팅 레이어, 양호 라우팅 레이어
- 지면: 우수한 파도 흡수
- 신호 2: 스트라이플라인 라우팅 레이어, 양호 라우팅 레이어
- 파워: 이 파워 플레인과 그 아래의 지면은 뛰어난 전자기 흡수력을 형성합니다.
- 접지면: 접지면
- 신호 3: 스트립라인 라우팅 레이어, 양호한 라우팅 레이어
- 접지: 두 번째 접지면, 우수한 파도 흡수력
- 신호 4: 마이크로스트립 라우팅 레이어, 양호한 라우팅 레이어
3. 레이어 수 및 스택업 선택 방법
여러 가지 요소를 고려하여 레이어 수와 스택업 형태를 선택합니다. 여기에는 보드의 신호망 수, 부품 밀도, 핀 밀도, 신호 주파수, 보드 크기 등이 포함됩니다. 이 모든 것을 함께 고려하세요.
디자인 노트:
- 신호망이 많은 경우 더 많은 레이어를 사용하여 디자인하세요.
- 컴포넌트 밀도가 높으면 더 많은 레이어를 선택합니다.
- 핀 밀도가 높으면 더 많은 레이어를 선택합니다.
- 신호 주파수가 높으면 더 많은 레이어를 선택합니다.
- 우수한 EMI 성능을 얻으려면 모든 신호 레이어에 고유한 레퍼런스 레이어가 있는지 확인하세요. 레퍼런스 레이어는 접지 또는 전원일 수 있습니다. 이렇게 하면 임피던스를 제어하고 리턴 경로를 타이트하게 만들 수 있습니다. 타이트한 리턴 경로는 루프 영역을 줄입니다. 루프 영역이 작을수록 방사 및 간섭에 대한 민감도가 감소합니다.
4. 모든 디자인에서 따라야 할 간단한 규칙
- 각 라우팅 레이어에 가까운 기준면을 지정합니다. 이렇게 하면 임피던스와 리턴 전류를 제어하는 데 도움이 됩니다.
- 가능하면 전원과 접지면을 페어링하세요. 간격을 작게 유지합니다. 이렇게 하면 플레인 커패시턴스가 증가합니다. 플레인 커패시턴스가 높으면 노이즈가 줄어듭니다.
- 고밀도 라우팅이 있는 신호 레이어 옆에 접지면을 배치합니다. 이렇게 하면 방사선을 흡수하고 차단하는 데 도움이 됩니다.
- 인접 신호 레이어에서 직교 라우팅을 사용하여 누화를 줄이세요.
- 혼합 레이어에서 전원 라우팅에 넓은 트레이스를 사용하여 전원 경로 임피던스를 낮게 유지하세요.
- 전원 및 접지면에 구리 포설물을 상호 연결하여 강력한 DC 및 저주파 연결을 제공합니다.
- 보드 영역을 설정할 때 20H 규칙을 따르고 미러 레이어 디자인 규칙을 염두에 두세요.
- 고속 또는 고밀도 설계에서는 각 신호 레이어가 가까운 레퍼런스를 가질 수 있도록 6레이어 또는 8레이어 보드를 선호합니다.
- 저주파 아날로그 설계의 경우 루프 영역을 작게 유지하고 신호 근처에 접지를 배치하면 1 또는 2레이어 보드가 작동할 수 있습니다.
- 가능하면 내부 전원과 접지면을 가깝게 만드세요. 이렇게 하면 디커플링이 개선되고 EMI가 감소합니다.
5. 마무리 노트
스택업 선택은 시스템 거래입니다. 그물망, 레이아웃, 구성 요소 배치, 핀 수, 주파수를 한 번에 살펴보세요. 더 나은 EMI 및 신호 제어를 위해 각 신호 레이어에 명확한 주변 참조를 제공하세요. 가능하면 쌍으로 된 플레인과 좁은 플레인 간격을 사용하세요. 다층 보드에서 최상의 전자기 흡수를 위해 여러 개의 접지면을 사용하세요. 설계할 때 비용과 성능의 균형을 맞추세요. 위의 간단한 규칙에 따라 보드 요구 사항에 맞는 스택업을 선택하세요.
