멀티 보드 PCB 신호 무결성: 완벽 가이드

멀티 보드 PCB 설계는 겉보기에 매우 간단해 보입니다. 여러 보드의 조립체를 설계하고 케이블, 엣지 연결, 메자닌 커넥터, 포고 핀 등으로 서로 연결합니다. 멀티 보드 PCB는 단일 PCB만 있는 시스템에서는 항상 발견되지 않는 일련의 신호 무결성 문제를 가지고 있습니다. 단일 보드이든 여러 보드의 조립체이든, 군사, 항공우주, HPC, AI와 같은 분야에서 발견되는 고급 시스템에서 특히 신호 무결성을 유지해야 합니다.

그렇다면 멀티 PCB 조립체에서 신호 무결성 원칙을 어디에 적용해야 할까요? 신호 무결성이 유지되어야 하며 종종 실험적으로 검증되어야 하는 몇 가지 영역이 있습니다:

• 커넥터 핀아웃 및 인터페이스
• 케이블 및 하네스 디자인
• 예를 들어, 금속화된 인클로저로의 연결

이러한 영역에서의 신호 무결성 문제는 또한 EMI/EMC 문제로 변할 수 있으며, 이는 특히 멀티 보드 PCB에서 사실입니다.

이 가이드에서는 멀티 보드 신호 무결성이 유지되도록 구성 요소를 선택하고 인터커넥트를 설계하는 방법을 설명하려고 합니다. 이러한 단계는 여전히 PCB 상의 신호 무결성의 필요성을 없애지는 않지만, 시스템에서 중요한 부분이며 EMI 문제를 방지하는 데 도움이 됩니다.

멀티 보드 인터커넥트에서의 신호 및 방출

멀티 보드 PCB 설계를 언급할 때, 당연히 두 PCB 사이에 신호를 전송하므로, 신호와 이로 인해 발생할 수 있는 잠재적 방출에 대해 알아야 합니다. 방출에 대한 이러한 언급은 EMI/EMC와 멀티 보드 PCB 설계 사이의 핵심 연결 고리 중 하나입니다.

두 PCB 사이에 전송해야 하는 신호의 유형에 따라 예상할 수 있는 방출 및 노이즈 유형이 달라집니다:

• 차동 신호, 자체 참조가 있는
• 단일 종단 신호, 참조가 필요한
• 정현파 또는 좁은 대역 신호, 일반적으로 단일 종단인

신호의 유형과 에지 속도는 핀아웃의 설계를 결정하며, 핀아웃이 미리 결정되지 않았다고 가정할 때입니다. 적절한 핀아웃을 설계하고 적절한 커넥터를 선택할 수 있다면, 커넥터 인터페이스를 통해 신호 무결성을 보장할 수 있습니다.

핀아웃의 설계뿐만 아니라 커넥터 자체도 신호 무결성 문제를 일으킬 수 있습니다. 보드 간 연결에서 발생할 수 있는 주요 신호 무결성 문제는 과도한 반사로, 이는 방사를 초래합니다. 근거리에서는 방사가 주로 커넥터 본체 자체로 직접 추적될 수 있는데, 이는 신호를 포함할 일관된 접지 참조의 부재 때문입니다. 마지막으로, 특정 커넥터가 적절한 핀아웃을 가지고 있고 특정 데이터 속도에 적합하다고 평가되더라도, 커넥터 본체로의 잘못된 트레이스 진입이나 남은 스터브는 과도한 손실을 일으킬 수 있습니다.

먼저, 신호 무결성이 주요 관심사인 상황에서 필요한 커넥터 유형을 살펴보겠습니다.

신호 무결성에 최적인 커넥터 유형

주요 커넥터 제조업체들은 매우 높은 데이터 속도에서 사용이 입증된 다양한 보드 간 연결 시스템을 개발했습니다. 즉, 이러한 커넥터 시스템은 장치 매개변수로부터 결정된 매우 높은 채널 대역폭까지 성공적으로 작동하는 것으로 나타났습니다. 이러한 커넥터 유형의 예로는:

• 에지 마운트 기판 대 기판 커넥터와 슬라이딩 핀 접촉
• 블레이드 커넥터(수직 및 에지 마운트)
• VPX 시스템과 같은 스루홀 마운트 슬롯 또는 블레이드 커넥터 시스템
• 슬라이딩 핀 커넥터 시스템
• 커넥터 어레이용 동축형 커넥터
• 고밀도 BGA 마운트 커넥터

이러한 매우 높은 속도의 신호율을 지원할 수 있는 부품의 훌륭한 예는 Samtec 40핀 QTE/QSE 메이팅 커넥터 쌍으로, SYZYGY 커넥터로 더 잘 알려져 있습니다.

부품 번호: Samtec QTE-020-01-F-D-A

RF 시스템, 특히 mm-wave 시스템의 영역에서는 PCB에 마운트할 수 있고 케이블과 인터페이스할 수 있는 갱드 코액스 커넥터 제품도 있습니다. 예를 들어, 아래의 갱드 SMPM 커넥터입니다.

부품 번호: TE Connectivity 2441485-1

마지막으로, 고속 인터커넥트에서도 이 커넥터들의 유용성을 보여주기 위해 VPX 백플레인에서 찾을 수 있는 스루홀 커넥터 예시를 제시하는 것을 좋아합니다. 커넥터가 스루홀 구성요소로 장착되긴 하지만, 보드 대 보드 인터페이스는 헤더에서 찾을 수 있는 핀을 사용하지 않습니다. 대신, 이들은 매우 높은 데이터 속도와 호환되는 슬라이딩 접촉 커넥터입니다.

Amphenol SpaceVPX VITA 78 메이팅 커넥터

특히 이 커넥터가 회로 기판에 스루홀로 장착되기 때문에, 가장 높은 속도의 핀에 백 드릴링을 구현하거나 전체 스택업을 거쳐 라우팅해야 합니다. 다른 옵션으로는 부메랑 비아를 사용하는 것이지만, 이 유형의 커넥터를 사용하는 보드는 신뢰성에 대한 우려로 인해 HDI 빌드업 레이어를 사용하지 않는 경우가 일반적입니다.

따라서, 스루홀 마운트 커넥터를 사용하여 고속 디지털 채널에서 신호를 전달할 경우, 스택업을 거쳐 신호를 라우팅할 수 있도록 라우트를 신중하게 계획해야 합니다. 이것이 곧 우리가 잠시 후에 볼 핀아웃 계획이 중요해지는 지점입니다.

고속 멀티 보드 인터커넥트를 위한 핀아웃 디자인

고속 신호를 지원하는 멀티 보드 간 연결을 위한 핀배열에는 보드 간 연결을 통해 일부 접지 참조를 포함해야 합니다. 이는 직접 보드 간 연결이나 보드-케이블 연결을 사용하는 경우에도 적용됩니다. PCB 스택업에서 특정 레이어를 접지 평면으로 할당하는 것처럼, 커넥터 핀배열에서 특정 핀을 접지로 할당하고자 합니다.

매우 간단한 경험칙은 디지털 신호 사이에 접지 핀을 배치하는 것입니다. 제가 자주 보여주는 예 중 하나는 백플레인 라우팅에 관한 다른 기사에서, 특히 VPX 백플레인에 관한 것입니다. 아래 이미지는 수십 기가비트 속도로 동작하는 핀배열로의 차동 쌍 라우팅을 보여줍니다. 이 커넥터는 수직으로 장착된 스루홀 구성요소이며, 들어오는 트레이스는 최소한의 남은 스터브를 남기기 위해 뒷층 근처에 위치합니다.

이 Gbps 차동 핀은 이 핀배열에서 대각선으로 배치되어 있으며 서로 접지로 분리됩니다. 이 커넥터를 통해 더 많은 신호를 전달할 수 있지만, 많은 핀을 접지로 할당하는 것은 차동 크로스토크와 방사된 방출을 억제하는 데 필수적입니다.

핀배열 가이드라인

신호 무결성을 보장하기 위해 다음과 같은 간단한 가이드라인을 따르십시오:

• 가능한 경우 교차 배치된 접지 핀을 사용하세요
• 단일 종단 핀을 접지 핀 옆에 배치하세요
• 차동 쌍에서는 양극과 음극 핀을 서로 옆에 두세요
• 여러 행에 걸쳐 차동 핀이 겹치지 않도록 하세요
• 사용하지 않는 핀이 있다면 모두 GND에 연결하세요

핀에 접지를 교차 배치하는 이유

위의 예에서 볼 수 있듯이, 들어오는 신호 핀은 접지 핀으로 둘러싸여 있습니다. 이는 세 가지 이유로 수행됩니다:

• 핀 간 크로스토크를 최소화하기 위해
• 커넥터에 일관된 입력 임피던스를 설정하기 위해
• 신호에서 방사되는 방출을 억제하기 위해
• 차동 핀의 공통 모드 노이즈를 포함하기 위해

이것들은 단일 종단 연결과 차동 연결이 다핀 커넥터로 들어올 때 접지 핀을 포함하는 기본적인 이유들입니다. 주된 이유는 단일 종단 신호에 대한 접지를 제공하여, 특히 신호가 케이블로 라우팅될 때 방사되는 방출과 독립적인 크로스토크를 줄이는 것입니다. 두 번째 이유는 케이블 임피던스를 설정하기 위해 종종 케이블에 접지가 필요하다는 것인데, 이는 USB 케이블과 같은 꼬인 쌍 케이블이 있는 표준화된 케이블에 해당됩니다.

차동 신호를 가진 커넥터와 케이블에도 동일한 원칙이 적용됩니다. 차동 쌍이 자체 참조하는 것은 사실이지만, 접지의 존재는 차동 쌍 주변의 전기장을 변화시키며, 이것이 차동 크로스토크의 가능성에 영향을 미치는 이유입니다.

전송선 진입 라우팅

고속 신호용 커넥터는 컴포넌트 데이터 시트에 특정한 전송선 진입 권장 사항이 없을 수 있습니다. 이는 트레이스가 커넥터 핀과 같은 레이어에 있을 때입니다. 커넥터는 케이블이나 맞물리는 커넥터를 바라보는 일정한 입력 임피던스를 가지고 있으며, 이는 전송선 임피던스와 일치해야 합니다. 보통 이는 단일 종단 트레이스의 경우 50옴 임피던스이거나 차동 트레이스의 경우 100옴 차동 임피던스입니다.

차동 트레이스에 대한 중요한 참고 사항: 이 경우 100옴 차동 임피던스는 실제로 50옴의 기이 모드 임피던스에 해당합니다. 연결이 차동인 경우, 커넥터의 차동 임피던스와 일치하는지 확인하세요.

아래에는 두 줄의 고밀도 커넥터에서의 라인 진입 예가 있습니다. 이미지에서, 우리는 단일 종단 트레이스와 차동 트레이스를 가지고 있습니다.

이 트레이스 입력 이미지에서, 커넥터에서 멀리 떨어진 차동 쌍은 퍼져 있지만, 커넥터로 들어가는 동안 트레이스가 가까워집니다. 커넥터 핀으로 들어가는 경로가 가까워질 때 이를 더 가까이 모으는 것이 적절합니다. 마치 집적 회로의 핀으로 들어갈 때 할 수 있는 것처럼 말이죠. 이 커넥터의 또 다른 주목할만한 특징은 중앙 접점으로, GND에 할당되어 있으며 핀 그룹 내에서 여러 차동 쌍의 사용을 가능하게 합니다.

다음으로, 트레이스 너비가 패드 크기와 비슷한 것을 알 수 있습니다. 트레이스를 패드 크기보다 넓게 할 수는 있지만, 패드로 들어가는 트레이스를 좁혀야 할 수도 있습니다. 이는 트레이스가 핀 근처에서 모일 때 클리어런스를 위반할 수 있기 때문에, 좁히는 것이 필요할 수 있습니다. 이것들은 제어된 임피던스 트레이스이므로, 더 좁은 트레이스가 필요하다면 기판을 더 얇게 하거나 더 높은 유전 상수 값을 사용해야 합니다.

마지막으로, 트레이스 입력을 비아를 통해 할 수 있으며, 이는 패드 내 비아 또는 커넥터 핀에서 더 멀리 떨어진 위치에서의 전환으로 수행될 수 있습니다. 핀 간격에 따라, 클리어런스 DRC 오류를 방지하기 위해 비아를 서로 떨어뜨려 배치해야 할 수도 있습니다.

고속 신호용으로 평가된 커넥터를 다루고 있음을 기억하세요. 따라서 비아 전환도 의도적으로 설계되어야 합니다. 의도는 비아의 특성 임피던스를 커넥터 핀 입력 임피던스와 일치시키는 것이며, 최종 결과는 비아에서 본 전송선 임피던스와 일치하는 결합 입력 임피던스가 되는 것입니다. 이는 다음을 적절히 크기 조정하는 것을 의미합니다:

• 안티패드 크기
• 비아 직경
• 비아 착륙 패드 크기
• NFPs의 존재 또는 제거
• 스티칭 비아

의 위치 및 수량이 일반적으로 단일 종단 또는 차동 전환을 다룰 때 취하는 접근 방식입니다. 고채널 대역폭이 필요할 때 중요해지며, 이는 대략 3 GHz 이상에서 작업할 때 중요해집니다. 다른 기사에서 자세히 보여주었습니다.

커넥터를 사용한 고속 링크 분석 S-파라미터 사용

다른 고속 링크와 마찬가지로, S-파라미터는 연결부의 일부로 커넥터와 케이블이 있는 전송선을 분석하는 데 사용될 수 있습니다. 물론, 커넥터 본체의 3D 모델과 심지어 케이블의 3D 모델을 사용하여 전체 연결부 지오메트리를 구축하는 것이 가능합니다; 그런 다음 3D 전자기장 솔버를 사용하여 전체 링크에 대한 S-파라미터를 결정하게 됩니다. 분명히, 이는 많은 컴퓨팅 파워와 전문 소프트웨어가 필요한 매우 시간이 많이 소요되는 작업입니다.

다행히도, 고속 디지털 링크나 고주파 RF 링크에서 사용하기 위해 제품을 시장에 내놓는 커넥터 제조업체들은 종종 Touchstone 파일로 제품의 S-파라미터 데이터를 제공합니다. 그러면 커넥터 제조업체의 데이터를 사용하여 연결부에 대한 선형 네트워크 모델을 생성한 다음, 연쇄된 S-파라미터를 결정할 수 있습니다.

Simbeor, MATLAB, Keysight ADS와 같은 분석 도구는 이 모델에 대한 연쇄 S-매개변수를 결정할 수 있습니다. 이를 통해 전체 연결망을 따라 전력 전송과 손실을 알 수 있습니다. 이제 설계의 다른 매개변수를 기반으로 링크가 어떻게 기능할지 예측할 수 있으며, 특히 전송선 설계와 커넥터 진입 설계를 제어할 수 있습니다. 이 네트워크에서는 각 개별 섹션의 S-매개변수를 알아야 하며, 그런 다음 시뮬레이터가 연쇄 네트워크와 그 S-매개변수를 계산할 수 있습니다.

그렇다면 커넥터 S-매개변수를 모르는 역문제는 어떨까요? 이 경우, 커넥터의 S-매개변수를 디임베딩하기 위해 측정값을 사용해야 합니다. 이 경우, 커넥터는 선형 네트워크에서 DUT를 형성하며, 연쇄 네트워크 S-매개변수를 사용하여 디임베딩을 통해 커넥터 S-매개변수가 결정됩니다. 선형 네트워크의 다른 구성 요소의 S-매개변수가 알려져 있다면, 위에 나열된 동일한 분석 프로그램을 사용하여 커넥터의 S-매개변수를 디임베딩할 수도 있습니다.

더 알아보려면, Ben Jordan의 다음 비디오를 시청하세요.