PCB 스택업 기본 사항

PCB의 구축과 비교했을 때 스택업은 각 레이어의 전기적 유형과 더 관련이 있습니다. 재료 두께 또는 사용되는 유전체보다는 신호(SIG) 레이어, 접지(GND) 레이어 또는 전원(PWR) 레이어 등 어떤 레이어가 어디에 사용되는지가 더 중요합니다.

신호 레이어는 주로 신호 전달 트레이스를 포함하지만(라우팅된 전원 또는 구리 주입 영역을 포함하는 경우도 있음), 전원 및 접지 레이어는 보통 전체 레이어에 걸친 완전히 견고한 구리 주입 영역으로 구성됩니다. 접지 레이어는 신호 레이어와 그 복귀 경로의 기준으로 사용되며, 전원 레이어는 특정 전압의 견고하고 연속적인 전원면으로 구성되거나 다양한 전압 수준의 여러 아일랜드 또는 구리 주입 영역으로 구성됩니다.

PCB를 라우팅하기 전에 우리는 사용 가능한 레이어 수에 따라 스택업을 결정하고자 합니다. 그 후에는 접지, 전원 또는 신호를 개별 레이어에 하나씩 할당하려 합니다.

물론 전원과 접지, 신호와 접지 또는 신호와 전원을 혼합할 수도 있습니다.

접지 레이어

중요한 레이어 유형 중 하나는 접지 레이어입니다. 이 레이어 유형은 주로 신호(및 전원) 트레이스 복귀 경로에 대한 기준면 또는 기준 레이어로 사용됩니다. 모든 전송 경로의 경우 루프를 완료하려면 복귀 경로가 필요합니다. 

전원 레이어

전원 레이어는 배전에 사용됩니다. 저속 및 저대역폭 시스템의 경우 이는 크게 중요하지 않으며, 신호 레이어의 트레이스를 사용하여 전원을 라우팅할 수 있습니다. 하지만 전원면과 전원 레이어는 고속 회로의 전력 전달 측면에서 그 중요성이 점점 더 커지고 있습니다. 또한 이들은 밀접하게 배치된 인접 평면의 접지 레이어와 결합되는 경우 일종의 평행판 커패시터를 형성합니다.

신호 레이어

마지막으로는 트레이스를 라우팅하여 신호 전송 경로를 효과적으로 형성하는 신호 레이어가 있습니다. 앞에서 언급했듯이 복귀 경로에 대한 기준으로 접지 레이어를 사용할 수 있으며, 경우에 따라 전원 레이어를 사용할 수도 있습니다.

복귀 경로 및 기준

PCB에 레이어 유형을 합리적으로 할당하는 방법은 무엇일까요? 우리는 EMI 성능, 신호 및 전원 무결성에 대한 특정 목표를 가지고 있으며, 체계적으로 스택업을 결정하고자 합니다. 여러 레이어 유형을 임의로 할당하지는 않을 것입니다.

몇 가지 기본 원칙이 있습니다. 우선, 몇몇 kHz 영역에서 AC 신호에 대한 복귀 경로는 최단 경로가 아니라 트레이스(전송 경로) 바로 아래의 경로입니다. 여기서 임피던스는 최소값을 갖습니다. 예를 들어 상위 신호 레이어에 트레이스가 있고 바로 아래 L2에 접지면이 있는 경우 전송 경로는 신호 레이어에서 형성되며 복귀 경로는 트레이스 바로 아래, 즉 아래에 있는 접지면에 형성됩니다.

고려해야 할 또 다른 사항은 신호 에너지가 구리(트레이스와 평면) 사이의 유전체 공간에서 흐른다는 점입니다. 이에 따라 구리는 단순히 도파관이 됩니다. 우수한 신호 무결성과 EMI 성능을 위해서는 신호 에너지가 흐르는 전송 경로 및 복귀 경로를 모두 고려해야 하며, 신호 에너지가 전송 경로와 복귀 경로 사이에서 경계를 이루는 방식도 고려해야 합니다.

요컨대 필드가 확산되지 않도록 하려면 신호면과 접지면 및 전원면과 접지면 간에 긴밀한 결합이 필요합니다. 우리의 주요 목표는 필드가 확산되는 것을 방지하는 것입니다. 필드가 확산되면 신호가 서로 결합되어 누화가 발생하기 때문입니다. 필드가 확산된다는 것은 복사가 발생하여 EMI 문제가 발생한다는 것을 의미합니다.

레이어 및 레이어 쌍 할당하기

필드가 확산되는 것을 방지하려면 어떻게 해야 하고, 이러한 필드를 포함하려면 어떻게 해야 할까요?

PCB 설계 엔지니어가 염두에 두어야 할 주요 사항은 모든 전송 신호 또는 전원 경로가 밀접하게 결합된 기준을 필요로 한다는 점입니다. 또한 고속 또는 고에너지 신호의 경우 마이크로 스트립 트레이스 대신 스트립라인을 사용하는 것이 좋습니다. 스트립라인은 신호 트레이스를 두 접지면 사이에 끼워서 신호부터 두 접지면까지 우수한 필드 결합을 제공하는 것을 의미합니다.

앞서 언급한 바와 같이 고려해야 할 또 다른 사항은 인접한 전원면 및 접지면입니다. 이는 SMD 커패시터(소형 패키지의 커패시터도 포함)가 유도성을 보이기 시작하는 고주파수에서 전력 전달을 개선하기 위한 것입니다. 

요컨대 스택업을 설계할 때는 신호 또는 전원 레이어에 밀접하게 인접한 접지 기준 레이어를 하나 이상 두는 간단한 규칙을 따르세요. 그러면 시작하기에 좋을 것입니다.

추천 다중 레이어 스택업

제가 좋아하는 몇 가지 다중 레이어 스택업은 다음과 같습니다. 이러한 스택업은 앞에서 간략히 언급된 지침을 따릅니다.

4-레이어(라우팅된 전원): SIG – GND – GND – SIG

6-레이어: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG

8-레이어: SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG – GND – SIG

Rick Hartley의 동영상

마지막으로, 적절한 접지를 달성하고 레이어 스택업을 올바르게 선택하는 방법에 대해 Rick Hartley의 동영상을 추천합니다. 동영상에서 Rick은 이 문서에 간략히 언급된 여러 원칙을 훨씬 더 자세히 설명합니다. Altium의 YouTube 채널에서 해당 동영상을 확인하세요.