고속 및 RF 비아 전환 설계 방법

고속 PCB 설계에서 때때로 보이는 설계 지침 중 하나는 단일 종단 신호와 차동 쌍 모두에서 신호 트레이스에 비아를 피해야 한다는 것입니다. 이것은 완전히 틀린 것은 아니지만, 약간의 맥락이 필요합니다. 신호 대역폭이 매우 넓어 GHz 범위까지 도달할 때, 비아의 입력에서 낮은 반환 손실을 제공하도록 비아 전환을 신중하게 설계해야 합니다. 또한, 비아로 들어가거나 나올 때의 라우팅을 고려할 때, 비아의 배치는 비아가 없는 동등한 채널의 삽입 손실을 변경해서는 안 됩니다.

이 글에서는 PCB의 층 사이에서 신호를 라우팅할 수 있도록 이러한 비아 전환을 설계하는 방법을 이해하는 데 필요한 주요 개념을 개요할 것입니다. 비아 전환은 임피던스 설계뿐만 아니라 생성하는 비아 구조의 제조 가능성을 보장하는 것에 관한 것입니다. 여기서 개요한 개념들은 스티칭 비아를 사용하여 층 전환을 구축하기 위해 보다 고급 설계 도구를 사용하는 방법을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

비아 전환 제조, 안티패드, 및 스티칭 비아

비아 전환을 설계할 때 시작하는 첫 번째 단계는 제조해야 할 구조를 이해하는 것입니다. 고속 비아와 RF 비아의 층간 전환을 올바르게 설계하는 데 사용되는 주요 도구는 스티칭 비아입니다. RF/고속 비아 전환의 설계는 신호 비아 주변에 스티칭 비아를 정확하게 배치하여 

• 비아 크기 - 비아 드릴 직경은 항상 제조업체의 드릴링 능력에 의해 제한됩니다. 특정 신호나 주파수에 필요한 비아 크기에 대한 엄격한 요구 사항은 없습니다.
• 앤티패드 크기 - 고속 설계와 RF PCB 설계에서 비아 전환은 적어도 하나의 평면 층을 통과해야 하며, 평면의 앤티패드는 임피던스를 결정하는 데 도움이 되므로 올바르게 크기를 설정해야 합니다.
• 비아 사이의 간격 - 제작할 수 있는 비아 사이의 벽 대 벽 간격에는 일정한 제한이 있을 것입니다.
• 패드 크기 - 패드 크기에 대한 제한은 결정할 것입니다. 또한 Class 2 또는 Class 3 제품의 링 요구 사항을 주목하십시오.
• 백드릴링 - 아래의 논의는 백드릴링을 구체적으로 고려하지 않지만, 백드릴링이 필요한 레이어 전환을 할지 결정하는 데 도움이 됩니다. 백드릴링 필요성 결정에 대해 자세히 알아보기.
• 고밀도 대 표준 제작 - HDI 빌드업을 사용할 예정이며 백드릴링이 필요한가요? 그렇다면, 레이어 전환에 대해 맹목적/매장된 비아를 사용하는 고밀도 접근 방식을 고려해 보세요.

두 레이어 간의 비아 전환을 디자인하기 시작하려면, 먼저 이러한 질문에 대한 답을 결정해야 합니다. 처음 두 가지가 가장 중요합니다. 왜냐하면 이것들이 보드의 DFM 요구 사항과 관련이 있으며, 이것은 비아 전환을 통해 신뢰할 수 있게 전송할 수 있는 주파수(또는 대역폭)를 제한할 것이기 때문입니다.

비아 전환 디자인 방법

모든 비아 전환은 필요한 신호 대역폭 내에서 요구되는 값을 가지도록 비아 임피던스를 디자인하는 것입니다. 이는 보드의 다음 물리적 측면의 크기를 조정함으로써 이루어집니다:

• 스티칭 비아의 수
• 스티칭 비아의 배치
• 패드 크기 및 안티패드 크기
• NFPs의 포함 또는제거

이 비아 전환 설계에 대한 주요 신호 무결성 목표 중 일부는 아래 표에 나와 있습니다. 삽입 손실이 중요한 요소라고 언급한 것을 주목하세요. 일반적으로 삽입 손실은 비아 구조의 주요 설계 목표가 아니지만, 비아 구조로의 라우팅과 비아 구조의 설계 간의 상호 작용은 전체 채널의 대역폭을 제한하는 삽입 손실의 큰 증가를 유발할 수 있습니다.

불행히도, 이 문제에 대한 일반화할 수 있는 분석적 방정식 세트는 존재하지 않습니다. 층 수나 스티칭 비아 구조에 관계없이 말이죠. 기하학과 경계 조건이 문제를 너무 복잡하게 만들어 분석적으로 다루기 어렵습니다. 또한, 비아 배열의 원통형 기하학 때문에 문제는 원통형 베셀 함수와 노이만 함수와의 관계를 포함하며, 어떤 엔지니어도 이러한 관계를 손으로 유도하는 데 시간을 보내고 싶어하지 않을 것입니다.

그러므로, 신호 비아 주변(또는 차동 채널의 비아 쌍)의 스티칭 비아 간격을 설정하기 위해 몇 가지 개념적 도구를 사용해야 합니다. 몇 가지 경우를 살펴보겠습니다:

3 GHz 이하: 반환 경로에 대해 걱정하세요

3GHz 이하에서는 근처에 접지 반환 via가 있는 한 via 전환의 입력 임피던스는 일반적으로 50 옴에서 크게 벗어날 것입니다. 따라서 매우 빠른 채널로 작동하지 않는 한, via 전환으로 특정 스티칭 via 구조를 배치하는 것에 대해 걱정하지 않아도 됩니다. 일반적인 안티패드 크기는 착륙 패드 크기만큼 클 것입니다. 근처에 반환 via가 어딘가 있다면 충분히 타이트한 전류 루프를 유지하여 EMI/감수성을 줄일 수 있습니다. 이에 대해 스티칭 vias에 관한 다른 글에서 논의했습니다.

이유는 입력 임피던스가 중요하고 via 전환에서의 입력 임피던스는 트레이스 임피던스(즉, via가 전기적으로 짧음)처럼 보일 것이기 때문입니다. 차동 쌍에도 동일하게 적용됩니다. via 전환은 5GHz 이상에서 정말 중요해집니다.

3-5GHz 이상에서

저는 여러 번 말씀드리고 계산/시뮬레이션으로 보여드렸듯이, 신호 대역폭이 3~5GHz를 초과하기 전까지는 비아 임피던스가 중요하지 않다고 합니다. 스티칭 비아가 없는 단순한 비아 전환만 있는 경우, 전환의 임피던스는 인덕티브해 보이며 약 30GHz까지 비아 전환의 특성 임피던스의 약 3-4배까지 증가합니다. 그 주파수 범위를 초과하면, 용량성이 우세해지며 비아 임피던스가 다시 떨어지기 시작하여 약 50GHz까지 감소합니다.

아래와 같이 몇 개의 스티칭 비아를 배치하고 안티패드 크기를 줄이면 5~50GHz 범위에서의 임피던스 상승을 줄일 수 있습니다. 이는 비아와 안티패드가 신호 비아와 병렬로 보이는 용량을 결정하기 때문에, 비아의 특성 임피던스와 따라서 입력 임피던스를 줄입니다. 비아와 안티패드 경계를 더 가까이 이동시킬 때, 임피던스 감소가 더 커지며 임피던스 목표치(단일 종단 또는 차동)에 더 가까워집니다.

차동 쌍의 경우, 안티패드가 입력 임피던스에 미치는 영향을 지배하며, 단일 종단 채널은 안티패드 크기와 비아 배치에 비슷한 민감도를 보입니다.

비아와/또는 안티패드를 너무 가깝게 배치하면, 과도한 커패시턴스가 추가되어 입력 임피던스가 5-50 GHz 범위에서 목표보다 낮아집니다. 비아를 적절히 배치하면 목표 임피던스를 달성하고 40-50 GHz까지 거의 평탄한 입력 임피던스를 유지할 수 있으며, 이는 매우 빠른 112G PAM-4 신호에 충분합니다.

위에서 언급했듯이, 비아 전환 설계 문제에 대한 해석적 해결책은 없으므로, 비아 임피던스가 실제로 중요한 주파수 범위에서 작동할 수 있는 폐쇄형 모델이 없습니다. 이것이 제가 본 모든 비아 임피던스 계산기가 잘못된 결과를 내고 실제 상황에서 유용하지 않은 이유입니다. 이 문제에 대해 다른 기사에서 논의했습니다; 이것이 또한 원하는 신호 대역폭 내에서 평탄한 임피던스를 가진 인터커넥트를 설계하기 위해 CST나 Simbeor와 같은 어플리케이션이 필요한 이유입니다.

스루홀 비아 전환의 최대 주파수는 있나요?

이러한 설계에서 기대할 수 있는 최대 대역폭은 어느 정도일까요? RF 신호의 경우 대략 100 GHz 이하의 값이 될 것이며, 디지털 신호의 경우 평탄한 임피던스를 ~50 GHz까지 설계할 수 있습니다.

대역폭/주파수를 비아 전환을 통해 전달할 수 있는 주요 제한 요소는 비아 전환을 구축하는 데 사용된 제조 기술입니다. 이는 드릴 크기와 스티칭 비아 간격이 제한될 것이기 때문입니다. ~90 GHz를 넘는 층 전환을 구축하려면 다른 제조 기술이 필요합니다.

이를 말하자면, 현재의 감산식 식각 및 드릴링 제조 기술의 한계에도 불구하고, mmWave 대역까지 잘 작동하는 관통 홀 비아 전환을 가능하게 합니다. 제 회사에서는 레이더 설계를 위해 77 GHz에서 비아 전환을 설계했습니다. 이러한 주파수에서, 대부분의 설계는 층 전환을 위해 블라인드 비아 사용에 중점을 둡니다만, 밀집 하이브리드 빔포밍 MIMO 레이더와 mmWave 대역에서 작동하는 5G 안테나 어레이와 같은 영역에서는 관통 홀이 실제로 매우 중요합니다. 이것을 최근 EDICON 발표에서 보여주었습니다.

여기서의 위험은 비아 배열에서 신호가 과도하게 누출될 수 있다는 것으로, 이는 국소화 주파수 한계(녹색으로 표시됨)에 의해 나타납니다.

RF 분야는 수십 GHz 범위까지 잘 작동할 수 있는 정밀한 층 전환 설계를 만드는 데 많은 노력을 기울여 왔으며, 이는 관통 홀 비아를 기반으로 하지 않습니다. 이러한 설계는 BGA 구성 요소의 광대역 커넥터 랜드에서 발견된 약 90 GHz 한계를 극복하는 데 도움이 되었으며, 위에 표시된 좁은 대역 전환 유형과 같습니다. PCB 층 스택의 일부 또는 전체를 mmWave 범위로 연결할 수 있는 대안적인 신호 전환 유형에는 개구 결합 및 단계적 맹목/매립 비아 결합이 포함됩니다.

불행히도, 이러한 모든 것들은 좁은 대역이므로, 이러한 비아 전환을 통해 고속 신호를 전달할 수 없습니다. 중간 주파수에서 전력을 잃기 시작할 것이며, 이는 신호 전환에서 반향 손실 측정에서 명확하게 볼 수 있습니다. 저는 차동 SerDes 채널을 위한 비아 전환 설계를 수행했으며, 이는 56 GHz 대역폭(이는 224 Gbps PAM-4 비트스트림의 나이퀴스트 주파수)을 지원할 수 있는 관통 홀 전환에 충분한 대역폭을 매우 명확하게 제공합니다. Megtron 기판에서.

제가 이 분야에서 수행한 설계에서는 한 표면층에 패치가 밀집되어 있고, 다른 표면층에는 송수신기가 밀집되어 있기 때문에 스루홀을 사용하지 않을 수 없습니다. 그러나 이러한 전환을 설계하고 지정하려면 전자기장 해석기, 명확한 제작 도면, 그리고 물론 업계 최고의 CAD 도구가 필요합니다.

요약

요약하자면, 여러 레이어를 통한 신호 전환에 스티칭 비아 배열이 필요한 경우, 단일 리턴 비아만 필요한 경우, 그리고 비아가 필요 없는 경우를 나열한 다음 표를 개발했습니다.

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