비아(Vias) 101 파트 2

이번 "Vias 101" 시리즈의 두 번째 기사에서는 이전 토론에서 다룬 필수 비아 파라미터에 대해 계속해서 살펴볼 것입니다. 이번에는 비아 배치의 측면, 비아 배치 문제가 평면 공극을 초래하는 문제, 그리고 전송 비아와 스티칭 비아로 불리는 몇 가지 독특한 비아 사용 사례를 검토할 예정입니다.

비아에 대한 파라미터와 세부 사항이 PCB 설계에서 이 짧은 기사에서 다룰 것보다 훨씬 더 많다는 점을 기억하세요. 그러나 이 기사는 초보 PCB 설계 엔지니어들이 주제에 대해 더 깊이 파고들 수 있는 좋은 출발점을 제공할 것입니다. 시작해봅시다!

배치

트레이스, 구성 요소, 윤곽, 비아 등을 다루고 있든, 우리는 항상 이러한 요소들 사이의 여유 공간, 예를 들어 비아와 트레이스 사이, 비아와 비아 사이, 비아와 패드 사이 등을 생각해야 합니다. 보통, 최소 여유 공간은 선택한 PCB 제조업체나 표준에 의해 자세히 설명됩니다. 그러나 제조상의 이유뿐만 아니라 크로스토크와 같은 다른 이유로도 이 최소값에서 벗어나는 것이 좋습니다.

또한, 전원 및 접지 비아를 살펴볼 때, 관련 구성 요소 패드에 대한 연결이 가능한 한 짧고 넓어서 인덕턴스를 최소화하고자 합니다. 이것은 비아를 패드 안이나 바로 인접한 곳에 배치한다는 의미가 아니라, 솔더 윅킹 문제가 발생하지 않도록 적절한 거리에 배치하는 것을 의미합니다.

비아가 쌍으로 오기 때문에, 전원 및 접지 비아를 가까이 배치하여 인덕턴스를 최소화하고 전력 전달 특성을 개선하려고 합니다.

공극

비아를 서로 가까이 배치할 때, 공극이라고 알려진 문제가 발생합니다. 기본적으로, PCB의 전체 두께를 관통하는 비아의 경우, 비아 안티-패드가 너무 가까이 배치되어 참조 평면에서 절단이 발생할 수 있습니다. 이는 아래 이미지에서 볼 수 있듯이, 너무 가까이 배치된 비접지 비아로 인해 GND 평면이 손상된 예입니다. 이는 반환 전류를 방해하고, 잠재적으로 EMI 문제를 일으킬 수 있습니다.

밀집된 설계에서의 공극 문제는 특정 영역에 신호 비아가 많을 때 피하기 어려울 수 있습니다. 또한, 참조 평면의 분할 부위 위로 트레이스를 라우팅하게 되면, 이는 전자기 간섭(EMI) 성능에 매우 해로울 수 있습니다. 반환 전류는 참조의 이 분할을 둘러 흐르게 되어, 필드가 퍼지게 되고, 방사 및 전자기 서명이 증가하게 됩니다.

공간이 허락한다면, 참조 평면에서 공극을 완화하는 간단한 해결책은 비아들을 서로 충분히 멀리 배치하여 이 비아 안티패드 사이에 구리가 흐를 수 있도록 하는 것입니다. 

다른 방법으로는 HDI 비아를 사용하는 것이 있으며, 안티패드의 크기를 줄이기 위해 마이크로 비아를 사용하거나, 참조 평면을 관통하지 않는 맹비아나 매립비아를 사용할 수 있습니다. 하지만, 이는 물론 PCB 제조 비용의 증가로 이어집니다.

어떤 경우에도, 레이아웃 및 라우팅 단계에서 공극을 확인하기 위해 항상 참조 평면을 점검해야 합니다. 최종 Gerber 출력 파일을 공극에 대해 스캔하는 것도 적극 권장합니다.

전송 비아

레이어를 전환할 때 신호 비아를 사용하면 일반적으로 기준 평면도 변경합니다(예를 들어, 네 층짜리 SIG-GND-GND-SIG 보드를 생각해 보세요). 상단 레이어에서 트레이스로 라우팅하는 동안에는, AC 신호(>20 kHz)의 경우, 반환 경로가 바로 아래의 기준 평면에 있습니다. 하단 레이어에 있을 때는, 반환 경로가 위의 기준 평면에 있습니다.

레이어를 변경할 때 Z축을 따라 비아를 따라 이동하면 반환 경로와 따라서 필드는 어떻게 될까요? 그러면 필드는 적절한 "부착 지점"(반환 경로)을 찾으려고 퍼지게 되며, 이는 차례로 EMI 문제의 원인이 될 수 있습니다. 이러한 경우에는 신호 비아 근처에 전달 비아—기본적으로 접지된 비아—를 배치하고자 합니다. 이는 Z를 따라 전환하는 동안 정의된 기준 및 반환 경로를 유지하기 위함입니다. 이 전달 비아는 전환하는 기준이 모두 같은 유형일 때만 작동한다는 점에 유의하세요(예를 들어, GND에서 GND로). 

GND에서 PWR 참조로 전환할 때는 전환 지점 근처에 GND와 PWR 참조 사이에 소량의 커패시터를 배치해야 합니다.

스티칭 비아

스티칭 비아에는 주로 두 가지 이유가 있습니다. 단일, 다층 PCB 설계에서는 종종 여러 개의 접지 또는 전원 층과 여러 개의 접지 또는 전원 구리 푸어(pour)를 가지고 있습니다. 스티칭 비아(접지 또는 전원 비아)가 없으면, 다양한 접지 및 전원 층과 그 외의 접지 또는 전원 구리 푸어가 잘 연결되지 않습니다. 특히 고주파에서 임피던스, 특히 인덕턴스로 인해 그 사이에 전압 차이가 발생할 수 있습니다. 이를 완화하기 위해 비아로 이들을 연결해야 합니다.

스티칭 비아를 배치함으로써 PCB의 여러 X-Y 위치에서 이 층과 푸어를 함께 연결할 수 있습니다. 또한, 종종 전혀 연결되지 않았거나(또는 연결이 불량한) 소수의 비아만으로는 부착되지 않는 구리 섬이 있을 때마다, 이러한 구리 섬은 안테나처럼 작동하여 공진하고 심지어 방사할 수 있습니다. 이는 물론 보드의 EMI 성능에 매우 해로울 수 있습니다.

스태칭 비아를 사용하는 두 번째 이유 또는 용도는 차폐 목적입니다. 실제로, 우리는 차폐 비아의 "벽"을 사용하여 PCB의 특정 부분으로 들어오거나 나가는 전자기파의 에너지를 (일정 주파수까지) 억제할 수 있습니다. 차폐의 간격은 PCB에서 나타나는 최대 주파수에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 오디오 PCB의 경우 이 주파수는 20 kHz일 수 있고, RF PCB의 경우 2.4GHz, 더 높을 수도 있습니다.

PCB의 최대 주파수를 알게 되면, 우리는 간단히 이 공식을 사용하여 간격을 계산할 필요가 있습니다. 여기서 c는 빛의 속도, ε는 유전 상수, 그리고 f는 우리의 최대 관심 주파수입니다:

예를 들어, 2.4 GHz에서 외부 층(마이크로스트립) 트레이스에서 라우팅할 때, 이 공식은 우리에게 스태칭 비아 간격 3.4 mm를 제공합니다.

이 기사 시리즈에서, 우리는 PCB 설계에서 비아의 기초를 살펴보았습니다. 드릴 및 패드 크기와 같은 비아 매개변수, 비아의 유형, 그리고 전달 및 스태칭 비아를 포함하여 비아가 사용될 수 있는 것들을 봤습니다.

Altium Designer의 내장된 비아 기능을 모두 확인해 보세요. HDI 보드에서 발견되는 더 복잡한 유형의 비아, 예를 들어 마이크로 비아, 맹비아, 매립비아를 처리할 수 있는 기능을 포함합니다.