스티칭 비아에 대해 알아야 할 모든 것

많은 경우 스티칭 비아는 PCB의 표면층에 퍼져 있습니다. 구리 주입을 올바르게 사용하는 경우, 비아 배열이 크로스토크/간섭을 억제할 수 있도록 적절한 비아 이격 거리를 계산하는 것이 이상적입니다. 또 다른 방법은 낮은 저항과 임피던스를 제공할 수 있는 레이어 간 여러 병렬 연결로 사용하는 것으로, 이렇게 하면 DC 또는 AC에서 높은 전류를 제공할 수 있습니다.

이 가이드에서는 스티칭 비아의 표준적인 사용과 PCB에서 스티칭 비아를 사용해야 하는 경우를 설명합니다. 이 PCB 설계 영역은 대부분의 설계에서 필요하지 않다고 알려진 구리 주입과 관련이 있기 때문에 일부 설계자 사이에서 논쟁의 여지가 있습니다. 구리 주입에 대한 여러분의 생각과는 별개로, 스티칭 비아는 낮은 주파수와 높은 주파수에서 PCB에서 중요하게 사용됩니다.

PCB 내 스티칭 비아의 기초

스티칭 비아는 간단한 구조로, 일반적으로 PCB 스택업에 걸쳐 접지되는 주기적인 비아 배열입니다. 이런 방식으로 스티칭 비아는 여러 레이어의 접지 네트를 서로 연결합니다. 레이어 간 전원 연결을 포함하는 비아 배열 사용 방법도 있습니다(아래 참조). 이러한 구조는 RF 설계에서도 중요한 용도로 사용되며, 이로 인해 스티칭 비아가 오용되는 경우가 있습니다.

PCB에서 스티칭 비아를 사용할 수 있는 다양한 방법을 빠르게 살펴보려면 아래 동영상을 시청하세요. 스티칭의 주요 용도 중 일부는 고속 PCB 설계, RF PCB 설계 및 여러 레이어에 걸친 전력 라우팅을 포함합니다.

각 용도를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

일반적인 사용법: 접지 연결

스티칭 비아의 표준적인 사용법은 여러 레이어에 걸쳐 접지를 연결하는 것입니다. 다중 PCB에서는 일반적으로 동일한 접지 네트에 두 개 이상의 구리 영역이 할당됩니다. 스티칭 비아는 이러한 영역을 각지에 연결하고 PCB의 기준면을 따라 전파되는 모든 복귀 전류에 대해 가능한 최소의 임피던스를 보장하기 위한 유용한 도구입니다.

여러 접지에 걸쳐 이러한 연결을 수립하기 위해 주기적으로 스티칭 비아를 사용할 필요는 없습니다. 접지는 어딘가에 연결해야 하며, 복귀 경로가 전원 복귀 지점으로 쉽게 이동할 수 있도록 여러 곳에 연결하는 것이 바람직할 수 있습니다.

비아를 통한 레이어 전환

이는 GND에 연결된 스티칭 비아가 가치를 입증하는 영역 중 하나입니다. 디지털 회로와 RF 회로의 레이어 전환은 PCB의 상호 연결을 따라 신호 전파를 제어하기 위해 명확한 접지 기준이 있어야 합니다. 레이어 전환을 수행할 때 스티칭 비아 배열의 인접 비아는 트레이스 아래의 접지면과 동일한 기능을 수행할 수 있습니다.

일반적으로 PCB에 스티칭 비아 배열을 배치하는 경우, 신호 비아를 통한 레이어 전환 근처에 스티칭 비아가 있을 가능성이 높습니다. 어떤 경우에는 이 방법이 잘 작동할 수 있으며, 비아 전환 영역 내에서 노이즈 방출이나 노이즈 민감성에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 신호 비아 근처에 접지된 스티칭 비아가 있으면 노이즈를 억제하기에 충분하며, 특히 느린 GPIO, I2C, UART 또는 기타 느린 디지털 프로토콜의 경우에는 더욱 그렇습니다(저주파 아날로그에도 동일하게 적용됨).

반면 고속 디지털 및 RF의 경우 상황이 다르며, 목적에 맞게 설계된 스티칭 비아 배열이 신호 비아 근처에 있어야 합니다. 스티칭 비아 배열의 목적은 스티칭 비아의 에지를 따라 유도된 복귀 전류에 대해 낮은 임피던스 경로를 제공하기 위한 것입니다. 이러한 전환에 스티칭 비아를 배치하는 또 다른 이유는 이 신호를 구성하는 전자기장을 스티칭 비아로 둘러싸인 비아 구조 내로 제한하기 위해서입니다.

이 경우 노이즈 억제 메커니즘을 '차폐'라고 부르기도 합니다. 마치 비아가 전자기파가 대상 상호 연결과 커플링되는 것을 방지하는 것처럼 말이죠. 이는 어느 정도 사실입니다. 스티칭 비아 구조를 신호 비아에 가깝게 배치하면 다음 두 가지 방식으로 노이즈를 줄일 수 있습니다.

1. 비아가 접지에 더 가깝기 때문에 비아 영역의 루프 인덕턴스가 더 낮습니다.
2. 접지에 더 가까울수록 신호 비아/접지 비아 전환이 비아를 따라 발생하는 총 전기 용량에 영향을 줍니다.

두 번째 방식은 접지면을 신호 트레이스에 더 가깝게 배치함으로써 와류 전기 용량을 줄이는 것과 동등합니다. 이 글에서 이 방법을 통해 다른 신호 네트에 대한 와류 전기 용량성 커플링을 어떻게 줄이는지 보여드렸는데, 여기에서도 동일한 결과를 기대할 수 있습니다.

비아 임피던스에 영향을 미치는 스티칭 비아와 안티패드

이전 섹션에서 커패시턴스와 인덕턴스를 수정한 실제 결과는 레이어 전환의 스티칭 비아 배치에 따라 비아 임피던스가 결정된다는 것입니다. 관련 부품은 이상적으로는 스티칭 비아와 교차하며 이에 따라 함께 임피던스를 수정하는 안티패드입니다. 대부분의 비아 임피던스 계산기는 스티칭 비아 배열의 존재와 레이어 전환 주변의 안티패드 크기 때문에 실제 비아 임피던스를 도출할 수 없습니다.

접지면을 통과하는 스티칭 비아와 안티패드가 임피던스에 영향을 주기는 하지만, 비아의 입력 임피던스는 주파수가 약 3~5GHz를 초과할 때까지 50옴(또는 약 100옴 차동)에서 크게 벗어나지 않습니다. 저주파수에서는 스티칭 비아와 안티패드 크기가 비아 임피던스에 미칠 영향을 걱정하지 않아도 됩니다. 비아가 전기적으로 매우 짧아서 어떤 효과도 느끼지 못할 가능성이 높기 때문입니다. 약 5GHz를 초과하는 경우에는 잘못 배치된 스티칭 비아와 대형 안티패드가 충분한 용량 부하를 제공하지 않아서 임피던스가 최대 100옴에 달하는 유도성 비아 전환이 발생하므로 이는 매우 중요합니다. 아래는 스티칭 비아 및 대형 안티패드가 없는 전환 비아의 예에 대한 S-파라미터입니다.

이 경우 중저역 주파수에서 차동 쌍의 용량성 부하에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 스티칭 비아가 아닙니다. 신호 비아의 간격이 더 크면 스티칭 비아가 신호 비아 임피던스에 더 큰 영향을 미칩니다. 신호 비아가 서로 더 가까우면 안티패드가 비아 임피던스를 결정하는 요인으로 더 중요하게 작용합니다. 신호 비아가 서로 가깝고 안티패드가 작으면 스티칭 비아로 인한 영향을 느끼지 못할 수 있습니다.

스티칭 비아가 차폐 기능을 제공합니까?

간단히 답변하자면 그렇지만, 특정 주파수까지만 가능합니다. 차폐를 제공할 목적으로 사용하는 경우, 설계자가 비아 사이에 필요한 간격을 추측할 수 있습니다. 일부 경우에는 도파관에서 차폐라고 부르는 것을 차라리 필드 제한이라고 부르는 것이 적합할 정도입니다. 어떤 명칭으로 부르든 스티칭 비아는 특정한 최대 주파수까지 전자기파의 전파 확산을 차단할 수 있습니다.

억제하려는 특정 주파수에 대해 비아 사이의 피치는 대략 다음과 같아야 합니다.

전자기파 확산을 차단하기 위한 이러한 스티칭 비아의 간격 요구 사항은 PCB의 도파관 내로 파동을 제한하기 위한 요구 사항과 동일합니다.

아래는 안테나 공급 회선으로 사용되는 접지된 동일 평면 도파관의 예입니다. 이 예에서 피치는 20mil이며, 위의 방정식에 따라 최대 43GHz의 차폐에 적합합니다. 근처에서 고속 신호가 이동하는 경우 이 공급 회선을 따라 높은 차폐 효과를 기대할 수 있으며 이는 RF 회선으로의 크로스토크를 억제하는 데 도움이 됩니다.

여기서 중요한 점은 스티칭 비아가 노이즈의 만병통치약이 아니며, 최상의 라우팅 조치를 생략하기 위한 핑계는 되지 못한다는 것입니다. 위의 방식으로 스티칭 비아를 사용했더라도 RF 기판의 올바른 배치 및 라우팅 전략을 이행해야 합니다.

전원용 스티칭 비아

스티칭 비아는 보통 전원 시스템용 PCB 레이아웃에 사용되는 경우 간격이 큰 일반적인 배열로 배치되지 않습니다. 이러한 설계에서는 스티칭 비아가 접지된 큰 구리 주입 영역에서 전혀 사용되지 않습니다. 그러나 스티칭 비아 배열은 전력 네트에서 낮은 저항의 레이어 전환을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 그러면 비아가 레이어 간 다량의 전류를 적은 손실로 전달할 수 있습니다.

특정량의 전류를 전달하려면 스티칭 비아가 몇 개 필요한가요? 이는 일반적인 비아의 DC 저항에 따라 달라집니다. 일반적인 비아 드릴 직경 및 패드 크기(10/20mil) 및 벽 도금 두께가 1mil인 경우 비아 저항은 약 1.5mOhm이며 열 저항은 약 180°C/W입니다. 이 비아를 통해 20A DC를 공급하려고 하면 600mW의 전력이 손실되고 비아의 온도가 108°C까지 상승할 수 있습니다.

온도 상승을 허용 가능한 한도 내로 유지하려면 배열에서 여러 개의 비아를 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 비아 10개를 병렬로 사용할 경우, 각 비아는 2A DC를 전달하며 각 비아(즉, 전체 배열)의 예상 온도 상승은 1.08°C입니다. 이를 통해 온도 상승 목표를 활용하여 스티칭 비아 수의 제한을 결정하는 방법을 알아볼 수 있습니다.

스티칭 비아 배치 자동화

스티칭 비아를 배치하려면 기판 주위에 대형 비아 배열의 위치를 정해 배치해야 하며 정확한 간격을 유지해야 하는데, 대다수의 CAD 도구로는 이 작업이 어려울 수 있습니다. 더 간단한 CAD 도구를 사용하는 경우에는 스티칭 비아를 수동으로 배치한 다음 기판 주변에 각 행/열을 복사하고 붙여 넣어 배열을 형성해야 합니다.

Altium Designer의 PCB 편집기에는 간단한 유틸리티가 포함되어 있는데, 이 유틸리티를 통해 사용자가 정의한 크기와 간격으로 스티칭 비아를 배치할 수 있습니다. 비아 템플릿을 선택하거나 비아 크기와 레이어 전환을 맞춤 설정하여 스티칭 비아를 배치할 수 있습니다. 이 기능은 PCB 편집기의 Tools(도구) 메뉴에서 액세스할 수 있습니다. 이 기능에 대한 자세한 내용은 설명서에서 확인할 수 있습니다.

그렇다면 객관적으로 '올바른' 스티칭 비아 사용법이 있을까요? 이에 대한 답변은 때로는 명확하지 않습니다. 다음과 같이 스티칭 비아 배열이 매우 구체적인 목적으로 사용되는 몇 가지 인스턴스를 보여드렸습니다.

• 접지만 연결해야 하는 경우(고속/RF 없음), 스티칭 비아는 편리하지만 필수는 아닙니다.
• 레이어 간 기준을 제공하는 경우, 스티칭 비아는 EMI를 최소화하기 위한 저속 신호에도 편리합니다.
• 전력을 공급하는 경우, 간격이 좁은 비아는 온도 상승을 최소화하면서 고전류를 공급할 수 있습니다.
• 고속 신호 전환 시 임의로 배치된 스티칭 비아로는 신호 무결성을 보장할 수 없습니다.

따라서 차폐는 스티칭 비아의 크기, 간격 및 배치와 관련하여 해결되지 않은 문제로 남습니다. 자세한 내용은 PCB 레이아웃의 구리 주입에 관한 문서를 읽고 스티칭 비아가 노이즈 커플링과 EMI에 미치는 영향을 알아보세요.

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