PCB 레이아웃 "경험칙" 및 지침 논쟁이 계속되고 있다

오늘날까지도, 거의 20년 전에 일반적이었던 PCB 레이아웃 "경험칙"을 여전히 많이 보게 됩니다. 이러한 규칙들이 여전히 보편적으로 적용될까요? 대답은 확실한 "아마도"입니다. PCB 설계 규칙에 관한 포럼에서의 많은 대화는 항상/절대로 논쟁으로 흐르며, 일부 설계자들이 적용되지 않을 수 있는 상황에서 흔히 볼 수 있는 설계 규칙을 사용하거나 무시하게 만듭니다. 어떤 경우에는 이것이 보드가 실패하는 원인이 되지 않을 수 있습니다. 일부 PCB 설계 베테랑이 말했듯이, 보드가 우연히 잘 작동할 수도 있습니다.

PCB 레이아웃 경험칙에 대한 논의는 이러한 규칙들이 옳거나 그르다는 것이 아닙니다. 문제는 이러한 규칙들에 대한 논의가 종종 맥락을 결여하여, 일부 인기 있는 포럼에서 볼 수 있는 항상/절대로 타입의 논의로 이어진다는 것입니다. 이 글의 목표는 일반적인 PCB 설계 규칙 뒤에 있는 맥락을 전달하는 것입니다. 이를 통해 이러한 다양한 규칙들이 적용될 때와 피해야 할 때를 설명하기를 바랍니다.

일반적인 PCB 레이아웃 경험칙

더 이상 미루지 않고, 일반적인 PCB 레이아웃 경험칙을 살펴보고 이러한 설계 규칙 뒤에 있는 유용한 맥락을 제공할 수 있는지 살펴보겠습니다.

직각 라우팅

최근 기사에서 이 특정한 경험칙에 대해 논의했습니다, 그래서 여기서는 중요한 점들만 반복해서 설명하겠습니다. 직교 라우팅 규칙은 인접한 신호 층에서 트레이스가 수직 방향으로 라우팅되어야 한다고 명시하고 있으며, 이는 이웃하는 층의 트레이스 사이에서 유도성 크로스토크를 제거하기 위함입니다. 고주파에서는 용량성 크로스토크가 지배적이 되어, 직교하는 트레이스 사이에 전류 스파이크를 발생시킵니다.

낮은 상승 시간과 낮은 주파수(몇 GHz 미만)에서는 인접한 층의 직교 트레이스 사이에 뚜렷한 용량성 크로스토크가 발생하지 않습니다. RF 보드의 고주파수(수십 GHz)에서는 섬유 직조와 접지되지 않은 전도 구조체 사이의 공동 공진이 특정 주파수에서 강한 전자기 공진을 생성할 수 있습니다. 이는 각 층의 트레이스가 직교로 라우팅되어 있더라도 신호 층 사이에 강한 크로스토크를 유발할 수 있습니다.

어떤 주파수에서든 더 나은 선택은 신호 층을 평면 층으로 단순히 분리하는 것입니다. 이는 현대의 PCB에서 특히 그렇습니다. 현대의 IC에서 사용되는 로직 패밀리 때문에 높은 에지 속도/주파수에서 단순히 작동하기 때문입니다. 직교 트레이스 라우팅을 사용해도 괜찮을 것이라고 의심된다면, 직교 트레이스로 기본 크로스토크 시뮬레이션을 실행하여 크로스토크가 귀하의 노이즈 마진을 뚫고 나올지 확인해야 합니다. 또한 직교 트레이스 라우팅의 주요 문제 중 하나인 반환 경로를 신중하게 계획하는 것도 중요합니다.

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열 완화 비아

이것은 그 전형적인 ‘항상/절대 아님’ 유형의 논쟁 중 하나입니다. 한 디자이너는 열 완화 비아를 절대 사용하지 않으며 납땜이나 조립 문제가 결코 없었다고 말할 것입니다. 한편, 다른 디자이너는 모든 평면 연결에 항상 열 완화 비아를 사용해야 한다고 주장할 것입니다. 그렇다면 누가 옳은 것일까요?

양측 모두 다른 상황에서 옳습니다. 만약 손으로 납땜을 한다면, 평면층으로의 열 소산을 보상하기 위해 납땜 인두의 온도를 올릴 수 있습니다. 그렇지 않고 조립 업체가 웨이브 납땜을 사용할 경우, 부품 이동, 냉접합, 무덤돌기를 방지하기 위해 열 완화 비아가 필요합니다. 제 생각에는 어차피 열 비아를 사용하는 것이 낫습니다.

직각 라우팅

이 경험칙은 아마도 모두가 싫어하는 유일한 규칙일 것입니다. 오늘날까지도, 설계자들이 어떠한 상황에서도 직각 트레이스를 사용해서는 안 된다고 주장하는 것을 보고 있습니다. 그 이유에는 비논리적인 것들이 포함되어 있습니다. 예를 들어, 전자가 트레이스 모서리에서 90도 회전을 할 수 없다는 것, 그러나 이러한 같은 설계자들은 비아에서의 90도 회전을 무시합니다. 실용적인 이유도 있습니다. 예를 들어, 두 개의 90도 회전보다 두 개의 45도 회전으로 더 짧은 트레이스를 라우팅할 수 있습니다. 이 경험칙에 대한 다른 설명은 모든 90도 회전의 바깥쪽이 경사져야 한다고 합니다. 또한 산성 함정의 문제도 있지만, 현대의 알칼리 에칭제와 함께 이는 더 이상 걱정거리가 아닙니다.

50 GHz 이상에서 작업하지 않는 한(현재는 mmWave 레이더/5G 커뮤니티만 해당됩니다), 직각 트레이스에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 실제로, 원하는 각도로 라우팅할 수 있으면서도 연결 전체에서 임피던스 제어를 유지할 수 있습니다. 이 과정은 PCB 라우팅 도구가 전자기장 솔버와 통합되어 있을 때 매우 쉽습니다.

PCB 레이아웃: '3W' 규칙

이것은 실제로 세 가지 규칙을 의미합니다. 3W 규칙의 첫 번째 버전은 인접한 트레이스 사이의 간격이 트레이스 너비의 최소 3배 이상이어야 한다고 명시합니다. 목표는 트레이스 간의 자기 플럭스를 최소화하는 것입니다. 논리는 트레이스 간의 자기 플럭스를 최소화함으로써 유도성 크로스토크를 최소화한다는 것입니다.

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이 규칙의 여러 변형을 읽어보면, 공격자와 피해자 트레이스의 루프 인덕턴스 강도가 두 트레이스에 의해 둘러싸인 면적에 비례하며, 이는 루프 인덕턴스와 각 트레이스에 의해 둘러싸인 면적이 작아지면, 트레이스 간격을 3W보다 적게 할 수 있다는 사실을 무시하는 것 같습니다. 직교 라우팅의 경우와 마찬가지로, 트레이스 간격을 변경하면서 기본 크로스토크 시뮬레이션을 실행해야 합니다.

3W 규칙의 다른 형태는 길이 맞춤을 위한 톱니 모양 라우팅에서 나타납니다. 이 규칙은 톱니 모양 섹션의 크기에 대한 상한선으로, 이러한 길이 맞춤 구조에서 임피던스 불연속을 최소화하려는 것입니다. 이 버전의 3W 규칙에 대해 최근 기사

에서 더 읽어보세요. 마지막으로, 이 규칙의 세 번째 형태는 마이크로스트립과 인근 구리 푸어 사이, 또는 스트리플라인과 인근 구리 푸어 사이의 간격과 관련이 있습니다. 이 분리 규칙은 트레이스와 구리 푸어 사이의 간격이 트레이스의 너비의 최소 3배 이상이어야 한다고 명시하고 있으며, 이는 인근 푸어가 구리의 임피던스를 변경하는 것을 방지하기 위함입니다.

최근 기사에서 논의했고 간단한 시뮬레이션으로 보여준 바와 같이, 이 규칙은 지나치게 보수적입니다. 이 규칙을 따르는 것이 반드시 설계에 해를 끼치거나 신호 무결성 문제를 일으키는 것은 아니지만, 어느 정도까지는 이 규칙을 위반할 수 있습니다. 이 규칙을 어느 정도까지 위반할 수 있는지는 트레이스 폭 대 층 두께 간격 및 기판의 유전 상수에 따라 달라집니다. 이 계산 방법을 보려면 링크된 기사를 확인해 보세요. 스트립라인이나 마이크로스트립에서 설정할 수 있는 최소 간격을 계산하고 싶지 않다면, 안전을 위해 3W 규칙을 따르는 것도 좋습니다.

‘20H’ 규칙

이 규칙은 PCB에서 전원 평면 아래에 접지 평면이 확장되어야 하는 거리를 정의합니다. 먼저, 현대 PCB에서는 충분한 평면 간 전기용량을 확보하고 고속 보드에서 전원 버스 리플을 줄이기 위해 전원 평면을 접지 평면과 인접하게 배치해야 합니다.

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이 문제에 대한 일부 실험 연구는 혼합된 결과를 보여줍니다. 한 연구에 따르면, 대략 300 MHz 이하의 주파수에서 프린지 필드로부터 발생하는 RF 방출은 20H 규칙을 따름으로써 약 5 dBμV/m 감소할 수 있습니다. 그라운드 플레인-파워 플레인 도파관 구조에서 강제 공진에 해당하는 더 높은 주파수에서는 결과가 매우 다릅니다. RF 방출은 일부 주파수에서는 억제되지만 다른 주파수에서는 증가하며, 이는 20H 규칙을 따르는지 여부와 관계없습니다. 실제로, 20H 규칙을 따르는 것은 단지 공진 주파수를 변경할 뿐이며, 이 모든 주파수는 GHz 범위에 있습니다.

결론은 다음과 같습니다: 만약 귀하의 신호 대역폭이 GHz 범위 이하라면, 20H 규칙을 사용하는 것이 좋습니다. 그렇지 않다면, 보편적인 이점이 있는 것으로 보이지 않습니다; 20H 규칙이 프린지 필드로부터 RF 방출을 억제할지 여부는 신호 대역폭에 따라 다릅니다.

PCB 레이아웃 규칙에 대한 추가 읽을 거리

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• PCB 디자인을 위해 모든 PCB 디자이너가 알아야 할 상위 5가지 설계 지침
• PCB 디자인에 대한 7가지 일반적인 오해
• 우리가 들어본 PCB 디자인에 대한 최악의 조언

디자인에 중요한 PCB 레이아웃 규칙이나 업계 표준이 무엇이든, Altium Designer^®에서 디자인 규칙으로 정의할 수 있습니다. Altium Designer의 통합 디자인 환경은 디자인 데이터를 라우팅 및 레이아웃 도구와 통합하며, 레이아웃을 구축함에 따라 디자인 도구가 디자인 규칙에 대해 보드를 검사합니다. 또한 신호 무결성 시뮬레이션을 실행하고 새 제품을 제조 준비를 위한 완벽한 도구 세트를 갖게 됩니다.

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