EMC 향상을 위한 6층 PCB 스택업 설계

6층 PCB는 높은 넷 수와 작은 크기를 가진 다양한 응용 프로그램에 경제적이고 인기 있는 스택업입니다. 큰 보드는 4층 스택업으로도 잘 작동할 수 있으며, 보드의 각 측면 사이의 격리를 보장하기 위해 신호 레이어를 희생할 수 있습니다. 올바른 6층 스택업을 사용하면 다른 레이어 사이의 EMI를 억제하고 높은 넷 수를 가진 미세 피치 구성 요소를 수용할 수 있습니다. 그러나 4층이나 8층 스택업을 사용하는 것이 더 합리적인 경우도 있으며, 이러한 판단을 내리기 위해 보드의 평면 레이어 기능을 이해하는 것이 도움이 됩니다.

전원, 접지 및 신호 평면이 몇 개 필요한가요?

이 질문에 대한 답변은 매우 중요하며 정말로 보드의 응용 프로그램에 따라 달라집니다. 제한된 공간을 가진 밀집된 보드를 라우팅하는 경우, 모든 것이 저속이거나 DC인 경우, 두 개의 평면 레이어와 네 개의 신호 레이어로도 충분히 잘 작동할 수 있습니다. 그러나 그 경우, 창의적인 레이아웃과 라우팅으로 레이어 수를 4층으로 줄일 수 있습니다.

EMI에 대한 민감도를 크게 줄이려면 다른 스택업을 사용해야 하며, 전원/접지 층을 더 많이 사용하고 신호 층을 더 적게 사용해야 합니다. 이것이 디지털 보드나 혼합 신호 보드인 경우, 신호의 배치와 평면 층에 대한 배치, 그리고 밀접하게 배치된 전원/접지 평면 쌍은 EMI 문제를 일으키지 않고 보드 전체에 라우팅할 수 있는 유연성을 제공할 것입니다. 보드 주변에 접지를 더 추가하는 것도 차폐 캔과 같은 우아하지 않은 해결책 없이도 상당한 차폐 효과를 낼 수 있습니다.

디지털과 아날로그 신호를 혼합하거나, 고주파와 저주파 신호를 혼합하거나, 이 모든 것의 조합을 사용해야 하는 경우에도, 6층 PCB 스택업의 창의적인 사용을 할 수 있습니다. 어느 시점에서는 보드를 더 크게 하거나 스택에 더 많은 층을 추가해야 할 수도 있습니다(또는 둘 다!). 6층 PCB 스택업에는 많은 신호/평면 층 조합이 있지만, 몇 가지 일반적인 예가 아래에 나와 있습니다.

6층 PCB 스택업 예시

이를 염두에 두고, 몇 가지 6층 PCB 스택업 예시를 살펴보겠습니다:

신호+전원/접지/2 신호 층/접지/신호+전원

이 6층 PCB 스택업 예시는 외부 층의 트레이스로부터 내부 층의 저속 트레이스를 보호하는 인기 있는 초보자용 옵션입니다. 또한, 고체 평면에 대한 밀접한 결합이 있습니다. 신호를 낮은 주파수/느린 스위칭 속도로 라우팅하거나 내부 층을 통해 라우팅할 수 있습니다. 단, 이들이 직교해야 합니다. 저는 서로와 내부 층의 저속/주파수 트레이스로부터 보호하기 위해 외부 층에서 더 높은 속도의 디지털 및/또는 아날로그 신호를 라우팅할 것입니다. 아래에 예시가 나와 있습니다.

이 경우, 내부 층에서 아날로그와 디지털을 혼합하지 않는 것이 좋습니다. 단, 보드의 다른 영역으로 분리할 수 있다면 예외입니다. 그러나 디지털과 아날로그 섹션 사이에 분리가 필요한 상황에서는 내부 평면이 있는 4층 스택업과 일부 창의적인 레이아웃/라우팅을 사용하거나, 4층에서 선호되는 SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR 배열을 사용할 수 있습니다(지침 보기).

이 유형의 스택업에서는 레이어 2를 전원 평면 레이어로 만들지 말고, L3+L4에서 평행하게 광범위한 커플링 쌍을 시도하지 마십시오. 대신, 신호 레이어에서 PWR을 라우팅할 것입니다. 이 경우의 주요 문제는 전원 및 접지 평면 레이어 사이에 평면간 커패시턴스가 부족하고 L1에서 L5로의 고인덕턴스 반환 경로입니다. 이러한 평면 레이어가 분리되어 있기 때문에, L1의 신호에 대한 예측할 수 없는 반환 경로를 보상하기 위해 더 많은 디캡과 접지 반환 비아가 필요합니다. 이러한 이유로, 이 보드들은 정확한 반환 경로 예측 및 추적이 필요하지 않은 전력 또는 DC 시스템에서만 사용되어야 합니다.

신호/접지/전원/접지/신호/접지

이 6층 PCB 스택업 예시는 고속 신호에 많은 디커플링을 제공해야 하지만 신호를 위해 3층이 필요할 정도로 밀도가 높지 않은 보드에 적합한 비대칭 스택업입니다. 하나의 예로는 고속(L1)과 저속(l5) 신호의 혼합이 있으며, 이러한 신호들은 서로 격리되고, 밀접하게 배치된 PWR+GND 평면 쌍이 고속 전력 무결성을 지원하기 위한 높은 디커플링을 제공할 것입니다. 내부 신호 층은 두 개의 접지 평면 사이에 둘러싸여 있기 때문에 표면 신호 층으로부터 차폐될 것입니다. 또한, 고체 도체가 효과적인 차폐를 제공함으로써 내부 신호 층이 전자기 간섭(EMI)으로부터 방해받는 것을 억제하는 데에도 유용합니다. 전력 및 접지 평면은 고속 디지털 장치에 대한 효과적인 디커플링을 제공하기 위해 밀접하게 배치될 가능성이 높습니다.

이 스택업의 주요 문제는 상단 레이어에만 쉽게 구성 요소를 배치할 수 있게 해주며, 하단 레이어에서 접지를 잘라내어 구성 요소를 위한 공간을 만들기 시작하지 않는 이상, 기본적으로 단면 보드만을 구축하게 된다는 것입니다. 이는 내부 신호 레이어로 이어지는 비아를 배치하기 위해 많은 드릴링을 요구하기 때문에 제작에 있어 비용이 많이 드는 제안입니다. 이는 4층 또는 8층 PCB 스택업의 장점을 강조합니다. 8층 스택업을 사용하면, 내부 레이어에서 인접한 전원/접지의 유사한 배열을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 내부 라우팅 및 하단 레이어의 구성 요소/라우팅도 수용할 수 있습니다.

신호/접지/전원/신호/접지/신호

이것은 추가적인 신호 레이어를 제공하는 이전 보드의 변형입니다. 외부 레이어에서 임피던스 제어가 필요한 중간 I/O 개수의 디지털 시스템을 작업하는 경우 좋은 출발점입니다. 예를 들어, 우리는 Gbps 이상의 데이터 속도로 작동하는 네트워크 스위치와 혼합 신호 보드에 이 스택업을 사용합니다. 단점은 이전 스택업에 비해 PWR과 GND 사이의 낮은 분리입니다. 낮은 PWR/GND 결합은 데캡의 뱅크로 보상됩니다. 그러면 L4는 PWR를 참조하는 낮은 속도의 신호와 함께 사용될 수 있으며, 이는 다시 L2의 GND에 직접 결합될 것입니다.

GND/신호/PWR/GND/신호/GND

만약 여러분의 보드가 전기적으로 소음이 많은 환경에 배치되거나 강한 방사선의 근원지 근처에 위치할 경우, 이 스택업은 우수한 EMI 억제 기능을 제공합니다. 신중하게 간격을 둔 스티칭 비아를 추가함으로써, 여러분은 일반적으로 GHz 범위까지의 어떤 고주파수까지도 차폐를 제공할 수 있습니다. 단점은 신호 레이어가 단 두 개뿐이므로 신호 라우팅을 위한 보드 공간이 제한될 것입니다. 또한 신호 레이어 사이를 라우팅하거나 표면 레이어로 나갈 때 PWR 평면을 비아로 잘라내게 됩니다. 그럼에도 불구하고, 신호 레이어를 쌓인 전도성 평면 사이에 배치하는 것은 EMC 관점에서 좋은 선택입니다.

이 레이어 스택은 또 다른 눈에 띄지 않는 이점을 제공합니다: 더 나은 열 관리. 비록 이 보드들이 높은 전류를 가진 전력 시스템을 위한 것은 아니지만, 신호 레이어의 양쪽과 내부 레이어의 도체들은 열을 보드 가장자리와 표면으로 전달하는 데 도움을 줄 수 있으며, 여기서 수동 또는 능동 냉각으로 열을 방출할 수 있습니다. 금속 코어 보드나 세라믹과 같은 수준의 열 방출을 가지지는 않겠지만, EMI 억제를 돕기 위한 여러 평면의 이점을 가지고 있습니다.

여러 레이어 사이의 라우팅에 대한 참고사항

우리는 종종 여러 층을 통해 경로를 라우팅하는 것에 대해 이야기하지만, 이렇게 하면 회로의 루프 영역이 증가하는 반환 경로에서 불연속성이 발생할 수 있습니다. 이 경우, 층 사이의 기생 용량이 신호 via 근처에서 반환 전류를 유도하는 일부 방전을 제공해야 합니다. 불행히도, 용량은 보통 신뢰할 수 있는 낮은 임피던스 반환 경로를 제공하기에는 너무 작습니다. 이러한 이유로, 반환 경로는 가장 가까운 디커플링 커패시터나, 여러 층에서 접지 영역을 연결하는 데 사용하는 via에서 나타날 것이며, 이 모든 것이 신호 via에서 멀리 떨어져 있을 수 있습니다. 결과적으로 매우 큰 반환 경로와 큰 루프 인덕턴스가 생기며, 이는 해결해야 할 새로운 EMC 문제를 생성합니다.

결과적으로, 반환 경로 부족으로 인한 EMI를 제거하는 방법으로 자주 언급되는 두 가지 일반적인 옵션이 있습니다:

1. 시그널 via와 병렬로 디커플링 커패시터를 배치하여 반환 경로를 제공하세요
2. 시그널 via와 병렬로 접지된 via 또는 접지된 via 쌍을 배치하여 반환 경로를 제공하세요

제 의견으로는, 두 참조 평면이 동일한 전위에 있을 때 시그널 via 옆으로 하나 또는 두 개의 접지된 via를 배치하는 것이 더 나은 옵션입니다. 이는 낮은 인덕턴스를 가진 반환 경로를 제공하며 참조 평면에 대한 커플링을 끊지 않습니다. 반환 경로를 제공해야 하는 이 필요성은 디자이너가 레이아웃을 완성한 후에 레이아웃 전체에 접지된 스티칭 via를 채우려는 이유 중 하나입니다.스티칭 via를 이용할 경우, 이 기사를 꼭 읽어보세요.

EMI 억제를 제공하기 위해 6층 스택업을 사용하는 몇 가지 다른 사용 사례, 특히 IoT 제품에서의 사례를 보려면 Ken Wyatt의 최근 AltiumLive 2022 발표를 확인하세요.

PCB 설계 패키지에는 처음부터 스택업을 설계할 수 있는 도구가 포함되어야 합니다. Altium을 사용하면, 레이어 배열, 재료 상수, 그리고 치수에 대한 완전한 제어를 할 수 있습니다. 심지어 레이어 스택 매니저를 사용하여 간편하게 리지드-플렉스 및 멀티보드 시스템을 생성할 수도 있습니다. 이러한 모든 설계 도구는 단일 프로그램에서 회로도 설계, 레이아웃, 그리고 결과물 생성 도구와 직접 통합됩니다.

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