50옴 임피던스를 갖춘 두 가지 4-레이어 PCB 스택업

2-레이어 기판을 졸업하고 4-레이어 기판에 진입한 신입 설계자는 아마 전원 및 접지면 작업을 시작할 준비가 되어 있을 것이며, 대부분의 제작업체에서 설계를 구축하는 데 도움이 되는 표준 스택업이 있을 것입니다. 자주 접할 수 있는 기본 스택업은 내부 레이어가 평면 또는 큰 다각형인 SIG/GND/PWR/SIG 유형의 스택업입니다. 단순한 레이아웃 및 라우팅 실수를 저지르지 않는다면 많은 유형의 설계에 이러한 스택업을 사용해도 상관없습니다.

기판 양쪽에 고속 컴포넌트를 배치하고 라우팅하는 등 좀 더 고급 작업을 수행해야 하는 경우라면 대체 스택업을 사용해야 합니다. 기본 4-레이어 스택업이 초래하는 전형적인 라우팅 실수는 명확한 복귀 경로를 제공하지 않은 채 표면 레이어 간에 고속 신호를 라우팅하는 것이며 이로 인해 기판에서 많은 방사선 EMI가 발생합니다. 대신 대체 4-레이어 스택업 중 하나를 사용하여 PCB 스택업 및 레이아웃을 생성하는 것이 좋습니다.

스택업 #1: GND/SIG+PWR/SIG+PWR/GND

이 스택업은 외부 레이어의 접지를 사용하여 외부 EMI에 대한 높은 차폐 기능을 제공합니다. 또한, 비아를 통해 내부 레이어로 이동할 필요 없이 ESD를 GND로 다시 이동하고, 최종적으로 장치 섀시나 접지로 이동할 수 있는 쉬운 경로를 제공할 수 있습니다. 외부 레이어에 접지가 있고 트레이스와 함께 GND에 직접 낮은 임피던스로 연결되는 이러한 유형의 설계는 EMI 및 ESD 관점에서 볼 때 가장 안전한 설계입니다. 게다가 필요한 경우 더 많은 레이어 수로 확장할 수도 있습니다.

이 스택업의 잠재적인 문제는 서로 다른 레이어의 신호 간 크로스토크입니다. 일반적으로 기판의 두꺼운 코어는 약 40mil 정도지만 특히 고속에서 트레이스에 크로스토크가 발생하지 않도록 보장하기에 충분한 거리는 아닙니다. 유도성 크로스토크를 방지하는 가장 좋은 방법은 서로 다른 레이어에서 직교 라우팅을 사용하는 것입니다. 또한 지나치게 빠른 속도 신호나 높은 주파수에서는 이 방법을 사용하지 마세요. 만약 사용하게 되면 신호 레이어 간의 용량성 크로스토크가 발생할 수 있으며 이는 고출력 GHz 주파수에서 더 큰 문제가 됩니다.

크로스토크 문제를 해결하려면 아래와 같이 해당 스택업을 뒤집는 것을 고려해 봅니다.

스택업 #2: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR

이 스택업은 특히 기판의 두 표면 레이어 사이에서 고속 신호가 전환되어야 하는 기판의 경우에 적합합니다. 해당 스택업은 이전 스택업이 반대로 바뀌었을 뿐입니다. 그러나, 그 기능은 다르며 반드시 외부 노이즈 소스로부터 높은 절연을 제공하기 위한 것은 아닙니다. 대신 고속 컴포넌트와 기판 양쪽에 라우팅이 필요한 시스템에 더 적합한 옵션입니다. 또한 50옴 제어 임피던스를 위한 4-레이어 스택업을 쉽게 설계할 수 있습니다. 마지막으로, 신호 전환이 이루어지는 곳 근처마다 비아를 사용하여 GND 평면을 연결해야 합니다.

이 스택업의 단점은 외부 레이어의 신호에 대한 차폐가 낮다는 것입니다. 기판 양쪽의 신호는 서로 차폐되지만 외부 복사선 소스로부터 차폐되지는 않습니다. 이 스택업이 가진 장점은 접지면을 절단할 필요 없이 컴포넌트에 직접 할 라우팅할 수 있다는 점입니다. 전반적으로 표준 SIG/PWR/GND/SIG 스택업과 비교했을 때 해당 스택업과 이전 스택업의 이러한 장점은 양쪽 표면에 라우팅을 사용하는 고속 시스템에 이상적입니다.

이러한 스택업이 단일 종단 고속 신호에 더 적합한 이유

4-레이어 기판의 표준 SIG/PWR/GND/SIG 스택업은 고속에도 문제가 없지만 기판의 한 면에서만 중간 속도부터 고속의 디지털을 안정적으로 지원할 수 있습니다. 이는 디지털 신호에 SIG/GND 레이어 쌍이 이상적이기 때문입니다. GND 레이어에 인접한 신호 레이어는 디지털에 사용되어야 하는 레이어로, 그 이유는 다음과 같습니다.

• 제어 임피던스: GND 레이어와 SIG 레이어 사이의 좁은 간격 때문에 트레이스의 폭을 과도하게 넓히지 않고도 제어 임피던스 단일 종단 트레이스를 50옴(또는 다른 임피던스)으로 정의할 수 있습니다.
• 차폐: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR 스택업은 내부 노이즈와 레이어 간의 크로스토크로부터 가장 높은 차폐율을 가지는 반면, 역 스택업은 외부 노이즈로부터 가장 높은 차폐율을 갖지만 올바르게 라우팅되지 않으면 내부 크로스토크가 발생할 수 있습니다.
• 명확한 복귀 경로: 전기 용량으로 결합된 복귀 경로는 접지면에서 직접 여기되기 때문에 임피던스가 낮습니다. 이를 SIG/PWR 레이어 쌍과 비교해 보시기 바랍니다. SIG/PWR 레이어 쌍의 복귀 경로는 높은 임피던스를 제공하거나 매우 큰 복귀 전류 루프로 인해 EMI를 발생시킵니다.

이러한 대체 스택업을 사용하는 가장 큰 이유는 바로 마지막 항목으로, 복귀 경로 제공에 대한 필요성 때문입니다. 전원면에서 유도되는 복귀 경로는 예측할 수 없으며 매우 클 수 있습니다.

디지털 신호 복귀 경로의 루프 영역과 임피던스를 줄이기 위한 한 가지 임시방편은 전원면 위의 트레이스 주변 표면층에 구리 주입 영역을 배치하는 것입니다. 그러나 트레이스와 신호 사이의 정전 용량 결합이 약할 수 있으며 EMI가 크게 감소한다는 보장도 없습니다.

디지털 신호에는 이상적인 레이어가 두 개가 아니라 하나만 존재하지만 표준 SIG/PWR/GND/SIG 스택업에는 다른 장점이 있습니다. 전용 전원면을 사용하면 전력 라우팅에 사용되는 구리 주입 영역보다 더 높은 전류를 라우팅할 수 있으므로 디지털 제어 회로가 필요한 전력 시스템에서 유용할 수 있습니다. 백 레이어는 커넥터나 패시브와 같은 다양한 기타 컴포넌트를 고정하는 데 사용할 수 있습니다.

표준 4-레이어 스택업 설계, 특히 4-레이어 기판에 전원을 배치하는 것과 관련된 요점은 전용 전원 레이어를 포함한다고 해서 설계가 EMC 테스트에 자동으로 실패하는 것은 아니라는 점입니다. 그러나 균일한 전원면을 통해 라우팅한다고 해서 디지털 신호를 원하는 대로 라우팅할 수 있다고 가정해서도 안 됩니다. 복귀 경로가 전원면에서 어떻게 전파되는지 그리고 높은 임피던스 복귀 경로를 통해 어떻게 접지로 커플링 되는지를 이해하는 것이 더 중요합니다.

제작하고자 하는 4-레이어 PCB 스택업 유형에 상관없이 사용하기 쉬운 CircuitMaker 설계 도구를 사용하면 스택업을 빠르게 맞춤 제작하고 PCB 레이아웃을 구축할 수 있습니다. CircuitMaker를 통해 모든 사용자는 구상부터 제작까지 설계를 수행하는 데 필요한 회로도, PCB 레이아웃 및 제조 문서를 생성할 수 있습니다. 또한 Altium 365 플랫폼에서 개인 작업 공간에 액세스하여 설계 데이터를 클라우드에 업로드 및 저장할 수 있으며 안전한 플랫폼에서 웹 브라우저를 통해 프로젝트를 쉽게 조회할 수 있습니다.

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