우리는 PCB 상점에 가서 물었습니다: “트레이스 임피던스를 10% 이내로 제어할 수 있습니까?”라고 물었습니다. 그들은 자신 있게 대답할 것입니다: “문제없습니다!” 조금 더 밀어붙여 8%를 요청하면 잠시 생각하다가 이렇게 말할 수도 있습니다: “좋아요(이너 레이어용)!”라고 대답할 것입니다. 그러면 이렇게 물어보세요: “비아를 10%로 조절할 수 있나요?” 우정의 작은 배는... 뒤집힐 수도 있습니다!
핵심 질문: 트레이스와 비아 임피던스 허용 오차 비교
트레이스와 비아 모두 트랜시버 칩을 연결합니다. 그렇다면 왜 트레이스는 10%로 유지될 수 있지만 비아는 그렇지 않을까요? 트레이스도 제어하기가 쉽지 않다는 것을 알고 있습니다. 트레이스 임피던스에 영향을 미치는 요인으로는 식각 계수, 레이어 이동, 표면 거칠기 등이 있습니다. 마이크로 스트립 라인의 경우 솔더마스크와 구리 두께도 중요합니다. 하지만 많은 메인스트림 보드 제조업체는 트레이스에 대해 10% 또는 8% 임피던스 허용 오차를 보장할 수 있습니다. 비아의 경우, 제가 아는 한 보드 숍에서 10% 이내의 임피던스를 통해 제어할 수 있다고 약속하는 곳은 없습니다. 즉, 비아에는 보드 숍에서 제어할 수 없는 요소가 많기 때문에 보장할 수 없다는 뜻입니다.
이 문서에서 다루는 내용
이 글에서는 먼저 드릴링과 비아 충진이라는 두 가지 비아 프로세스를 소개합니다. 많은 사람들이 드릴링이 중요하다는 것을 알고 있지만, 드릴링 공차가 비아 성능에 얼마나 영향을 미칠까요? 충전의 경우 비아를 레진이나 솔더마스크로 채우면 비아 성능이 달라질 것이라고 생각하는 경우가 많습니다. 시뮬레이션을 통해 이러한 효과를 테스트합니다.
1. 드릴링 프로세스와 비아 성능에 미치는 영향
첫째, 드릴링입니다. 우리는 종종 드릴 크기와 완성된 구멍 크기라는 두 가지 이름을 듣습니다. PCB 파일에 8밀리미터 구멍을 설계하면 공장에서 8밀리미터 드릴 비트를 사용할까요? 당연히 아니겠죠. 비아는 다른 레이어에 트레이스를 연결해야 합니다. 구리가 구멍을 통해 수직으로 흐르도록 구멍을 도금해야 합니다. 이것이 바로 도금 스루 구리입니다. IPC 표준에 따르면 도금 스루 구리 두께는 약 18µm에서 20µm로 요구 사항이 정해져 있습니다. 따라서 공장에서는 도금 후 구멍이 8밀리미터가 되도록 보장합니다. 이 최종 크기가 완성된 구멍입니다. 즉, 원래 드릴 크기가 8밀리미터보다 커야 합니다. 얼마나 더 큰가요? 10밀리미터? 12밀리? 이 크기 차이는 비아 성능에 큰 영향을 미칩니다.
공장 드릴 공차 규칙에 따르면 0.2mm(8밀리미터) 마감 구멍에는 최소 0.25밀리미터(10밀리미터) 드릴 비트를 사용합니다. 더 엄격한 제어를 지정하지 않으면 공장에서 0.3mm(12밀리) 드릴 비트를 사용할 수 있습니다. 드릴이 클수록 임피던스가 낮아진다는 것은 누구나 알고 있습니다. 하지만 얼마나 더 낮을까요? 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있습니다.
시뮬레이션 결과 0.2mm~0.3mm의 비아는 5옴 이상의 임피던스 차이가 있는 것으로 나타났습니다.
비아로 인한 손실도 살펴보면 분명한 차이를 확인할 수 있습니다.
이 단일 비아 드릴링 공정의 경우, 가공 공차만으로도 10% 이상의 스윙이 발생할 수 있습니다.
2. 채우기를 통해: 시뮬레이션 및 결과
이제 비아 채우기에 대해 알아봅시다. 많은 친구들이 비아를 채우는 것이 비아 성능에 영향을 미치는지 물어보았습니다. 저는 계속 이렇게 대답했습니다: “효과 없습니다! 아무런 영향이 없습니다!” 친구들은 제 말을 믿었지만 여전히 의구심을 가졌습니다. 그래서 저는 시뮬레이션을 실행하여 확인했습니다.
아래 그림은 비어 있는 비아와 채워진 비아의 모델을 보여줍니다. 빨간색은 비아를 채우는 레진 또는 솔더마스크를 의미합니다.
두 가지 경우의 리턴 손실과 삽입 손실을 비교했습니다. 왜 선이 하나만 있나요? 선이 겹치기 때문입니다. 선이 겹치는 이유는 무엇인가요? 효과가 없기 때문입니다. 결과는 동일합니다.
이론적 이유: 채우기가 중요하지 않은 이유
고속 이론을 조금이라도 아는 사람이라면 신호가 더 빠른 속도에서 스킨 효과를 보인다는 것을 알고 있습니다. 신호는 비아 외벽 근처에서 흐릅니다. 따라서 비아 내부에 어떤 유전체가 있더라도 신호와 기준 사이의 전자기장은 내부를 감싸지 않습니다. 내부에 전계가 없는 경우 비아 내부의 재료는 아무런 영향을 미치지 않습니다.
