PCB 설계에서의 백드릴링: 비아 신호 무결성을 개선하는 쉬운 방법

작성 날짜: 시월 22, 2020
업데이트 날짜: 시월 23, 2020

지난 20년 동안 전자 기기는 점점 더 정교해졌습니다. 20년도 채 되지 않아 전화를 걸 수 있는 휴대폰을 가지는 것이 드물었지만, 오늘날 우리의 휴대폰은 우리의 삶을 지배합니다. 스마트폰 기술에 대한 수요가 증가함에 따라 기술은 더 빠르고, 더 기능적이며, 직관적이 되었습니다. 구성 요소 기반의 개선은 공정을 간소화하고 제조 비용을 줄였습니다.

스마트폰은 더 높은 주파수 신호를 사용하여 처리 속도가 증가하고 신호 가장자리가 감소합니다. 엔지니어들은 더 높은 주파수 스펙트럼에 대한 의존으로 인해 발생하는 새로운 도전에 적응해야 했습니다.

이러한 기기의 보드를 만드는 PCB 디자이너들은 기술이 발전함에 따라 새로운 도전에 직면하고 있습니다. 그들은 단순히 회로도에 따라 PCB상의 구성 요소 출력을 연결하는 것을 넘어서 신호 전파 경로가 무결성을 유지하고 신호 손실이 최소화되도록 보장해야 합니다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 디자이너들은 보드를 만들기 위해 재료를 신중히 선택하고 임피던스를 계산하고 검증해야 합니다.

데이터 전송 속도가 초당 수 기가비트(Gb/s)에 이르면, 설계자는 신호 경로에서 발생할 수 있는 이질성을 완전히 배제하거나 최소화해야 합니다. 어떠한 이질성도 파형, 신호의 무결성을 상당히 변경시키고 장치 기능에 영향을 줄 수 있습니다. 이는 특히 비아를 통과하는 신호에 대해 사실이며, 비아의 일부가 사용되지 않을 때 특히 그렇습니다. 이 부분은 이질적이며 아래에 나와 있는 것처럼 신호에 부정적인 영향을 미칩니다 (그림 1).

그림 1. 신호가 비아를 통과합니다. 4번째와 6번째 층 사이의 비아 부분이 사용되지 않고 스터브를 생성합니다.

일부 연구 [1]는 비아의 사용되지 않는 부분이 고속 신호의 품질에 미치는 강력한 영향을 설명했습니다 (그림 2).

그림 2. 비아 스터브가 고속 신호의 품질에 미치는 영향. 왼쪽의 긴 스터브는 신호 무결성을 저해하는 상당한 왜곡을 보여줍니다. 사진 제공 [1].

이질성으로 인한 다중 반사는 형태를 왜곡시키므로, 설계자들은 전송선의 임피던스를 맞춰야 합니다. 일부 경우에는 PCB가 제조된 후 수정 형태로 수행될 수 있습니다. 임피던스를 맞추는 방법에는 단일 입력 저항기를 사용한 직렬 종단, 출력 저항기를 통한 병렬 매칭, 전압 분배기를 통한 매칭 및 기타 여러 방법이 있습니다.

종단 방법은 추가적인 구성 요소의 사용을 요구하는데, 이는 특히 밀집된 인쇄 회로 기판에서 구현하기 어려울 때가 있습니다. 비아의 수를 줄이기 위해, 설계자들은 고속 신호를 한 층에서 처리하려고 노력하고 있습니다. 하지만 PCB 조립의 밀도가 증가하고 설계자들이 장치의 크기를 줄이려는 의도로 인해, 이 접근법은 도전적일 수 있습니다.

Altium Designer는 고속 신호의 품질을 상당히 간단한 방법으로 개선하는 데 도움을 줄 수 있습니다; 그 중 하나의 방법이 백드릴링 기술입니다. 사용되지 않는 금속화 구멍의 일부를 특정 깊이까지 더 큰 직경으로 드릴링합니다. 아래 예에서, 설계자는 6층에서 4층까지 사용되지 않는 부분을 제외해야 합니다 (그림 3).

그림 3. 구리가 6층에서 4층으로 드릴링됩니다.

백드릴링은 양쪽에서 다른 깊이로 수행될 수 있습니다(그림 4).

그림 4. 다양한 백드릴링 방법.

백드릴링을 사용할 때, 디자이너는 PCB 제조업체가 권장하는 백드릴과 구성 요소 및 토폴로지 요소 사이의 거리를 유지해야 합니다. 이 거리는 보통 표준 비아보다 조금 더 큽니다.

디자이너는 컴퓨터 지원 설계 시스템에서 백드릴링을 어떻게 구현하고 PCB 제조업체에 어떤 데이터를 전달해야 하는지 확신하지 못할 수 있습니다. Altium Designer에서 백드릴을 구성하는 것은 매우 간단합니다.

첫 번째 단계는 Layer Stack Manager (LSM)을 실행하고 기능 섹션의 오른쪽 상단에서 Back Drills를 선택하는 것입니다(그림 5). 이 간단한 순서로 디자이너는 이러한 유형의 구멍을 사용할 기능을 활성화합니다.

Accessing backdrills in the layer stack manager

그림 5. LSM에서의 백 드릴

Layer Stack Manager에서 원하는 만큼의 백드릴링 구멍을 생성할 수 있습니다(그림 6).

그림 6. LSM에서 백드릴링이 있는 구멍.

드릴링 설정은 LSM에서 백드릴 속성 패널을 사용하여 조정됩니다(그림 7).

그림 7. 백 드릴 속성 패널.

디자이너는 첫 번째 레이어(드릴링 시작 부분)와 마지막 레이어(드릴링이 끝나는 레이어)를 지정합니다. 거울 체크박스가 활성화되면 드릴링이 대칭적으로 이루어집니다. 예를 들어, 양쪽 모두에서 (그림 8).

그림 8. 양쪽에서의 드릴링.

디자이너는 또한 어떤 네트가 백 드릴링될지 정의해야 합니다. 이 과정은 디자인 규칙을 사용하여 구현됩니다. 고속 섹션에서 Max Via Stub 길이(백드릴)를 선택하고 새 규칙을 생성합니다 (그림 9).

그림 9. 백드릴을 위한 규칙.

디자이너는 백 드릴링 작업의 조건을 정의하고, 드릴링 직경이 주 구멍에 비해 얼마나 커야 하는지, 남아 있는 비아 스텁의 최대 허용 길이와 이 규칙이 적용될 객체를 지정합니다. 객체에는 네트, 네트 클래스, 그리고 xSignals이 포함될 수 있습니다. 규칙에 지정된 조건이 활성화되면 백드릴링이 자동으로 추가됩니다.

인쇄 회로 기판의 2D 모드에서 백드릴은 다음과 같이 표시됩니다 (그림 10):

그림 10. 2D 모드에서 표시된 백드릴.

백드릴은 두 가지 색상으로 표시됩니다. 하나는 드릴링이 시작되는 레이어의 색상이고, 다른 하나는 드릴링이 끝나는 레이어의 색상입니다. 이 표시는 디자이너가 백드릴 위치를 쉽게 찾아갈 수 있도록 합니다.

백드릴링은 3D 모드에서도 표시됩니다 (그림 11):

그림 11. 3D 모드에서 표시된 백드릴.

백드릴링에 대한 정보는 PCB 제조업체에 필요합니다. 이 정보는 PCB 파일과 Draftsman 문서, 그리고 출력된 Gerber 파일과 NC 드릴 파일(백드릴을 위한 별도의 파일이 생성됨)의 드릴 테이블에 표시됩니다. PCB 에디터에서 얻은 테이블의 일부를 예로 들어 보여줍니다 (그림 12).