고속 백플레인 디자인 및 PCB 레이아웃 팁

여러 보드를 더 큰 시스템에 연결하고 그 사이의 상호 연결을 제공해야 하는 경우, 이러한 보드를 배열하기 위해 백플레인을 사용할 가능성이 높습니다. 백플레인은 고속 설계, 기계 설계, 고전압/고전류 설계, 심지어 RF 설계에서 일부 요소를 차용하는 고급 보드입니다. 이러한 보드는 종종 임무 중요 방위 시스템, 통신 시스템, 데이터 센터에서 사용됩니다. IPC에서의 신뢰성 요구 사항을 넘어서는 자체 표준 세트를 가지고 있습니다.

백플레인은 많은 다른 PCB에서 볼 수 없는 특정 표준을 따르지만, 레이아웃과 라우팅에 관련된 개념은 많은 PCB 설계자에게 익숙합니다. 대량의 커넥터와 넷, 그리고 전형적인 백플레인의 좁은 공간은 처음에는 도전적으로 보일 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 몇 가지 간단한 전략을 사용하면 조직을 유지하고 백플레인 설계를 완료하면서 높은 신뢰성을 보장할 수 있습니다. 라우팅과 레이아웃 측면에서 다음 백플레인 설계에 접근할 전략을 몇 가지 배우게 되기를 바랍니다. 신뢰성과 신호 무결성을 균형 있게 유지하기 위해서입니다. 더 이상 말하지 않고, PCB 설계의 이 풍부한 영역으로 뛰어들어 보겠습니다.

백플레인 디자인 시작하기

백플레인 디자인, 레이아웃, 그리고 라우팅에 접근할 때 여러 각도를 고려할 수 있습니다. 이러한 디자인은 제한된 공간과 레이어 수를 가진 큰 보드에서 수천 개의 연결을 관리해야 할 수도 있기 때문에 어려울 수 있습니다. 더욱이, 백플레인은 실제로 딸깍방울 카드에 전력을 공급하는 데 관여할 수 있으며, 각 딸깍방울 카드는 다양한 고속 장치를 통해 여러 암페어의 전류를 끌어낼 수 있습니다. 이는 백플레인이 약 100 A의 전류를 지원해야 할 수도 있다는 것을 의미합니다.

백플레인의 주요 기능이 더 큰 시스템에서 여러 보드 간의 연결을 제공하는 것이므로, 모든 것은 사용할 커넥터를 중심으로 회전하며, 이 커넥터가 디자인이 시작되는 곳입니다. 백플레인 디자인에 관련된 기본적인 작업들은 다음과 같습니다:

1. 핀아웃: 첫 번째 단계는 필요한 라우팅 토폴로지를 지원하기 위해 커넥터의 핀아웃을 결정하는 것입니다. 이 점에 대해 아래에서 더 자세히 설명하겠습니다.
2. 기계적 요구사항: 딸깍방울 보드 커넥터의 적절한 배치뿐만 아니라, 가이드 핀은 적절한 결합과 구조적 무결성을 보장하는 데 사용됩니다. 이 목록의 하단에 있는 이미지는 백플레인 커넥터와 함께 사용되는 전형적인 가이드 핀을 보여줍니다.
3. 재료 선택: 고속 백플레인의 경우, 이는 설계 과정에서 중요한 점입니다. 백플레인이 상당히 클 수 있기 때문에 전체 평면을 가로질러 이동해야 하는 신호는 상당한 손실을 경험할 수 있습니다. 낮은 손실을 가진 라미네이트와 밀도 높은 유리 섬유 직물이 긴 연결에서 삽입 손실을 최소화하는 데 필요합니다. 멀티 기가 백플레인에 유용한 몇 가지 예로는 Rogers와 Megtron 라미네이트가 있습니다.
4. 전력 및 접지 전략: 많은 수의 딸 보드에 고전력을 전달해야 하는 백플레인의 경우, 온도를 낮게 유지하는 데 도움이 되는 전력 및 접지 전략이 필요합니다. 다른 평면 레이어에서의 접지/전력 평면 배열은 보드 주변으로 라우팅되는 고속 신호에 대한 격리도 제공해야 합니다.
5. 레이어 수: 백플레인에 필요한 레이어 수는 평면 레이어 수와 필요한 신호 레이어 수에 따라 달라집니다. 백플레인은 모든 설계 요구 사항을 수용하기 위해 최대 24개의 레이어를 가지고 몇 mm 두께일 수 있습니다.

위의 포인트들은 다른 고속 설계에서도 고려해야 할 동일한 사항들입니다. 하지만, 백플레인을 작업할 때는 커넥터 핀아웃이 라우팅을 제약하기 때문에 조금 다른 상황이 발생합니다. 이는 백플레인 설계의 큰 부분을 차지하며 신중하게 계획되어야 합니다.

모든 것이 커넥터, 핀아웃, 그리고 라우팅에 관한 것입니다

초기 설계 단계에서의 주요 초점은 백플레인의 커넥터에 있을 것입니다. 백플레인 커넥터를 포함한 커넥터 선택은 과학만큼이나 예술이며, 이러한 커넥터들은 신호 무결성의 주요 결정 요소가 될 것입니다. 커넥터-트레이스 인터페이스에서 신호가 과도하게 저하되지 않도록 보장하기 위해 시뮬레이션은 매우 중요합니다.

커넥터의 핀아웃 또한 중요한데, 이는 각 레이어에서 라우팅의 용이성을 돕기 때문입니다. 특히, 핀아웃은 두 가지 목표를 달성해야 합니다:

• 주어진 레이어에서 신호가 백플레인 버스의 모든 커넥터로 라우팅될 때 서로 교차하지 않도록 설계되어야 합니다. 제대로 수행되면, 몇 개의 신호 레이어를 제거할 수 있을 것입니다.
• 이상적으로, 백플레인 전체에서 라우팅이 유동적이어야 합니다(대부분 수평적으로) 각 커넥터의 핀에 도달함에 따라.

TRANSLATE: 일은 아래에 보여드린 차동 쌍 라우팅과 유사하게 행별로 하는 것이 가장 좋습니다. 각 커넥터의 핀이 각 열에서 교차되어 있는 것을 주목하세요. 이는 차동 쌍의 트레이스가 커넥터 핀의 행 사이로 들어갈 수 있게 합니다. 만약 모든 핀이 같은 열에 있다면, 아래에 보여진 라우팅을 하기 위해 2개의 레이어가 필요할 것입니다, 1개 대신에요.

이러한 모든 설계 요구 사항을 고려할 때, 첫 번째 백플레인에서 이들을 모두 균형 있게 조정하는 것이 어려웠고, 우리는 초기 구성 요소 배치조차 하지 않았습니다. 구성 요소 배치에 있어 많은 자유를 가지지 못할 수도 있지만, 커넥터 간에 핀아웃이 조직적이고 일관되어 있다면 신호를 백플레인을 통해 라우팅하면서도 사물을 정돈된 상태로 유지할 수 있습니다. 성공적이기 위한 몇 가지 다른 팁은 다음과 같습니다:

• 고속 신호에서의 비아 전환 최소화. 각 비아는 연결에 삽입 손실을 추가하며, 삽입 손실은 가능한 한 최소화되어야 합니다.
• 고속 비아 전환을 백드릴하세요. 백드릴링은 비용이 추가되지만, 긴 전송 라인에서 스터브 불연속성을 최소화합니다.
• 그라운드 플로어를 두려워하지 마세요.그라운드 푸어 사용은 다른 그룹의 고속 트레이스 사이의 격리를 돕고, 일관된 임피던스 프로필을 보장하며, 높은 반환 전류를 위한 충분한 도체를 제공하는 데 도움이 됩니다.
• 사용하지 않는 신호 레이어를 모두 평면 레이어로 만드세요. 백플레인을 통해 전력을 공급하는 경우, 레이어 스택에 추가 전력 평면을 넣는 것을 두려워하지 마세요. 여러 전력 평면 사이에 전류를 분할하는 것은 PDN을 시원하게 유지하는 데 도움이 됩니다.

백플레인 디자인은 여러 전문 분야가 필요하기 때문에 마음이 약한 사람에게는 적합하지 않습니다. 그러나, 적절한 디자이너 팀과 완벽한 디자인 도구 세트를 갖추고 있다면, 대부분의 디자인 과정을 단일 플랫폼에서 해낼 수 있습니다. Altium Designer®는 레이아웃, 라우팅, 신호 무결성, 제조 등을 위한 전체 디자인 도구 모음을 제공하는 유일한 프로그램입니다. 단일 프로그램에서 백플레인 디자인을 완료하고 생산을 위해 준비할 수 있습니다.

완성된 백플레인 디자인을 제조 과정에 넘길 준비가 되면, Altium 365® 플랫폼에서 디자인 데이터를 공유할 수 있습니다. Altium Designer를 Altium 365에서 사용하여 할 수 있는 일들의 표면만 긁어본 것입니다. 더 심층적인 기능 설명이나 On-Demand Webinars 중 하나를 제품 페이지에서 확인할 수 있습니다.