고속 PCB 설계란 무엇일까요?

오늘날 대부분의 PCB는 보통 고속 디지털 설계와 관련된 일부 유형의 신호 무결성 문제가 발생할 위험이 있는 것으로 간주할 수 있습니다. 고속 PCB 설계 및 레이아웃은 신호 무결성, 전원 무결성 및 EMI/EMC 문제에 덜 민감한 회로 기판 설계를 만드는 데 초점을 맞춥니다. 어떠한 설계도 이 문제들로부터 완전히 자유로울 수는 없지만, 이러한 고속 기판 설계 지침을 따르면 해당 문제를 눈에 띄지 않는 정도까지 완화하고 최종 제품에서 성능 문제가 발생하지 않게 만들 수 있습니다.

회로도를 만들었으며 회로 기판 레이아웃으로 전환할 준비가 되었다면 PCB 설계 도구의 특정 기능을 활용하여 적절한 레이아웃 및 라우팅을 수행해야 합니다. PCB 설계 소프트웨어에서는 레이어 스택업의 전원 및 접지면 배열을 준비하고, 트레이스에 대한 임피던스 프로필을 계산하고, 스택업에 대한 PCB 재료 옵션을 볼 수 있습니다. 고속 설계의 대부분의 측면은 신호 및 전원 무결성을 보장하기 위해 PCB 스택업 설계 및 라우팅을 중심으로 이루어집니다. 올바른 ECAD 소프트웨어는 이러한 영역에서 성공적인 설계를 하는 데 도움이 될 수 있습니다.

1. PCB 스택업 및 임피던스 계획
2. 고속 PCB 배치
3. 라우팅, 신호 무결성 및 전원 무결성
4. 고속 설계 및 레이아웃을 위한 고급 도구

고속 디지털 설계 기본 사항

그렇다면 고속 기판 설계란 무엇일까요? 고속 설계란 고속 디지털 신호를 사용하여 부품 간에 데이터를 전달하는 시스템을 말합니다. 고속 디지털 설계와 느린 디지털 프로토콜을 사용하는 단순한 회로 기판은 구분하기가 모호합니다. 특정 시스템을 '고속'으로 나타내는 데 사용되는 일반적인 측정 기준은 시스템에서 사용되는 디지털 신호의 에지 속도(또는 상승 시간)입니다. 대부분의 디지털 설계는 고속(빠른 에지 속도) 및 저속(느린 에지 속도) 디지털 프로토콜을 모두 사용합니다. 오늘날과 같은 임베디드 컴퓨팅 및 IoT 시대에는 대부분의 고속 회로 기판에 무선 통신 및 네트워킹을 위한 RF 프런트 엔드가 있습니다.

모든 설계는 회로도에서 시작되지만, 고속 PCB 설계의 주요 부분은 상호 연결 설계, PCB 스택업 설계 및 라우팅에 초점을 맞춥니다. 처음 두 영역에서 성공하면 세 번째 영역에서도 성공할 가능성이 높습니다. 아래 섹션에서 고속 설계를 시작하는 방법과 PCB 설계 소프트웨어의 중요한 역할에 대해 자세히 알아보세요.

고속 PCB 스택업 및 임피던스 계획

고속 회로 기판용으로 만드는 PCB 스택업은 임피던스와 라우팅의 용이성을 결정하게 됩니다. 모든 PCB 스택업에는 고속 신호, 전원 및 접지면 전용 레이어 세트가 포함되어 있습니다. 스택업에서 레이어를 할당할 때는 다음과 같은 몇 가지 사항을 고려해야 합니다.

• 기판 크기 및 네트 수: 기판의 크기와 PCB 레이아웃에서 라우팅하는 데 필요한 네트의 수입니다. 대형 기판에는 많은 신호 레이어를 사용하지 않고도 PCB 레이아웃 전반에서 라우팅할 정도로 충분한 공간이 있을 수 있습니다.
• 라우팅 복잡도: 네트가 많고 기판 크기가 작은 경우에는 표면 레이어 주위에 라우팅할 공간이 많지 않을 수 있습니다. 그래서 트레이스가 서로 더 가까워지면 더 많은 내부 신호 레이어가 필요하게 됩니다. 작은 기판을 사용하면 라우팅 복잡도가 높아질 수 있습니다.
• 인터페이스 수: 버스의 폭(직렬 대 병렬)과 기판 크기에 따라 레이어당 하나 또는 두 개의 인터페이스만 라우팅하는 것이 좋을 때도 있습니다. 모든 신호를 동일한 레이어의 고속 디지털 인터페이스에 유지하면 모든 신호에 의해 일관된 임피던스 및 경사가 확인됩니다.
• 저속 및 RF 신호: 디지털 설계에 저속 디지털 또는 RF 신호가 있는 경우 해당 신호가 표면 레이어에서 고속 버스 또는 부품에 사용될 수 있는 공간을 차지할 수 있으며, 추가 내부 레이어가 필요할 수 있습니다.
• 전원 무결성: 전원 무결성의 초석 중 하나는 대형 IC에 필요한 각 전압 수준에 대해 대형 전원면 및 접지면을 사용하는 것입니다. 이러한 두 면은 인접 레이어에 배치하여 면의 전기 용량이 디커플링 커패시터로 안정적인 전원을 지원할 만큼 높은 값을 갖도록 해야 합니다.

PCB 재료 옵션, 레이어 수 및 두께

PCB 스택업을 설계하기 전에 설계의 모든 디지털 신호를 수용하는 데 필요한 레이어 수를 고려하세요. 레이어 수를 결정하는 방법에는 여러 가지가 있으나 이러한 방법들은 약간의 계산과 고속 기판 설계에 대한 과거 경험에 의존하고 있습니다. 위에 나열된 사항을 기반으로 레이어 수를 고려해야 하는 한편, BGA/LGA 풋프린트가 있는 대형 고속 IC은 필요한 기판 크기를 좌우할 수 있습니다. BGA 팬아웃을 수행할 때는 보통 신호 레이어당 두 개의 행을 맞출 수 있습니다. 스택업을 구축할 때는 레이어 수에 전원면 레이어 및 접지면 레이어를 포함해야 합니다.

FR4 등급 재료는 일반적으로 컴포넌트 간의 경로가 너무 길지 않은 한 고속 디지털 설계에 사용될 수 있습니다. 경로가 너무 길어지면 고속 채널에서 너무 큰 손실이 발생하며 채널의 수신기 측 컴포넌트가 신호를 복구하지 못할 수 있습니다. 재료를 선택할 때 고려해야 할 주요 재료 특성은 PCB 적층판의 손실 탄젠트입니다. 채널 지오메트리도 손실을 결정하지만, 보통 작은 기판에서는 손실 탄젠트가 낮은 FR4 적층판을 선택하는 것이 좋습니다.

경로가 너무 길면 고속 신호용 기판으로 더 특수한 재료가 필요할 수 있습니다. PTFE 기반 적층판, 유리 적층판 또는 기타 특수 재료 시스템은 경로가 매우 길고 낮은 입력 손실이 필요한 대형 고속 디지털 기판을 지원하는 데 적합합니다. 소형 고속 PCB를 위한 Tg가 높은 초보자용 적층판 재료 세트로는 370HR이 좋습니다. 대형 기판의 경우 Megtron 또는 Duroid 적층판 등을 사용하는 것이 좋습니다. 계속하기 전에 선택한 재료 및 제안된 스택업이 제조 가능한지 제작자에게 문의하세요.

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임피던스 제어

임피던스가 결정되도록 하려면 먼저 제안된 스택업을 만들고 이에 대해 제작소의 검증을 받아야 합니다. 제작자는 대체 PCB 재료 옵션 또는 레이어 두께 등 PCB 스택업에 대한 수정 사항을 제안할 수 있습니다. 사용할 스택업에 대한 허가를 받았고 레이어 두께가 확정되었다면 임피던스 값 계산을 시작할 수 있습니다.

임피던스는 보통 공식 또는 필드 솔버 도구가 있는 계산기를 사용하여 계산됩니다. 설계에 필요한 임피던스는 전송 회선의 크기와 근처에 있는 전원면 레이어 또는 접지면 레이어까지의 거리를 결정하게 됩니다. 전송 회선의 폭은 다음과 같은 도구 중 몇 가지를 사용하여 결정할 수 있습니다.

• IPC-2141 및 Waddell의 공식: 이러한 공식은 임피던스 추정을 위한 시작점을 제공하며, 낮은 주파수에서 정확한 결과를 생성합니다. 
  트레이스 임피던스 공식 사용에 대해 자세히 알아보세요.
• 2D/3D 필드 솔버 유틸리티: 필드 솔버는 고속 기판에 대해 정의하는 전송 회선 지오메트리 내에서 Maxwell의 방정식을 푸는 데 사용됩니다. 
  PCB 스택업 계산기에 내장된 업계 최고의 필드 솔버에 대해 자세히 알아보세요.

필드 솔버가 있는 Layer Stack Manager를 사용하면 구리 거칠기, 부식, 비대칭 회선 배열 및 차동 쌍을 고려하여 가장 정확한 결과를 얻을 수 있습니다. 트레이스에 대한 임피던스 프로필이 계산되고 나면 이를 라우팅 도구에서 설계 규칙으로 설정하여 트레이스에 필요한 임피던스를 갖도록 해야 합니다.

PCIe 또는 이더넷과 같은 대부분의 고속 신호 프로토콜은 차동 쌍 라우팅을 사용하므로 트레이스 폭 및 간격을 계산하여 특정 차동 임피던스에 맞게 설계해야 합니다. 필드 솔버 도구는 모든 지오메트리(마이크로 스트립, 스트립라인 또는 동일 평면)에서 차동 임피던스를 계산하기 위한 최고의 유틸리티입니다. 필드 솔버 유틸리티의 다른 중요한 결과는 길이 조정을 적용하기 위해 고속 라우팅 중에 사용될 전파 지연입니다.

• 마이크로 스트립 임피던스 계산에 대해 자세히 알아보기
• 대칭 스트립라인 임피던스 계산에 대해 자세히 알아보기

고속 PCB 배치

부품 컴포넌트를 고속 PCB 레이아웃에 배치해야 하는 특정 규칙이나 표준은 없습니다. 일반적으로 가장 큰 중앙 프로세서 IC는 보통 어떤 식으로든 기판의 다른 모든 컴포넌트와 인터페이스로 연결해야 하므로 기판 중앙 근처에 배치하는 것이 좋습니다. 중앙 프로세서와 직접 연결되는 작은 IC는 컴포넌트 간의 라우팅이 짧고 직접적으로 유지될 수 있도록 중앙 IC 주위에 배치하면 됩니다. 주변 장치는 기판 주위에 배치하여 필요한 기능을 제공하도록 할 수 있습니다.

컴포넌트를 배치하고 나면 PCB 설계 도구를 설정하여 설계 라우팅을 시작할 수 있습니다. 이는 고속 디지털 회로 설계에서 민감한 부분입니다. 잘못된 라우팅은 신호 무결성을 망칠 수 있기 때문입니다. 하지만 이전 단계를 제대로 완료한 경우에는 신호 무결성을 훨씬 쉽게 달성할 수 있습니다. 설계의 모든 경로가 올바른 폭 및 간격으로 배치되어 라우팅 중에 제어된 임피던스를 유지하도록 PCB 설계 규칙에서 임피던스 프로필을 설정해야 합니다.

라우팅, 신호 무결성 및 전원 무결성

신호 무결성은 기판에서 특정 임피던스 값을 설계하고 레이아웃 및 라우팅 중에 이를 유지하는 것에서 시작합니다. 신호 무결성을 보장하기 위한 몇 가지 다른 전략은 다음과 같습니다.

• 컴포넌트 간의 경로를 짧게 만들어 고속 신호 보장하기
• 최대한 내부 레이어 안팎으로 두 개의 비아만 사용하여 비아를 통한 라우팅 최소화하기
• 백드릴링으로 초고속 회선(예: 10G+ 이더넷)에서 스터브 제거하기
• 신호 반사를 방지하기 위해 종단 저항기가 필요한지 확인하고 데이터시트를 통해 'On-Die 종단'이 있는지 확인하기
• 섬유 직조 효과를 방지하는 데 도움이 될 수 있는 재료 및 프로세스에 대해 제작자와 상의하기
• 대략적인 크로스토크 계산 또는 시뮬레이션을 사용하여 회로 기판 레이아웃에서 네트 간의 적절한 간격 결정하기
• 조정 구조를 적용하여 스큐를 제거할 수 있도록 길이 일치가 필요한 네트 및 버스의 목록 작성하기

이러한 중요한 사항은 라우팅 도구에 대한 설계 규칙으로 인코딩할 수 있으며, 이는 고속 설계에 대한 모범 사례를 준수하는 데 도움이 됩니다.

고속 PCB 라우팅

고속 설계 프로젝트에서 설계 규칙을 설정하면 설계를 라우팅할 때 임피던스, 간격 및 길이 목표를 충족할 수 있습니다. 또한 차동 쌍 라우팅의 중요한 규칙을 라우팅에 적용할 수 있습니다. 특히 길이 불일치를 최소화하여 스큐를 방지하고 트레이스 사이에 간격을 두어 차동 임피던스 목표를 충족할 수 있습니다. 최고의 라우팅 도구를 사용하면 트레이스 지오메트리 제한을 설계 규칙으로 인코딩하여 성능을 보장할 수 있습니다.

고속 PCB 라우팅에서 중요한 사항 중 하나는 접지면을 트레이스 근처에 배치하는 것입니다. 임피던스 제어 신호에 인접한 레이어에 접지면이 오도록 레이어 스택을 구성하여 일관된 임피던스가 유지되고 PCB 레이아웃에 명확한 귀로가 정의되도록 해야 합니다. EMI 문제를 일으키는 임피던스 불연속을 방지하려면 트레이스를 접지면의 틈이나 구멍 위로 라우팅하지 마세요. 접지면 배치는 신호 무결성을 보장할 뿐만 아니라 전원 무결성과 안정적인 전력 전달을 보장하는 역할도 합니다.

전원 무결성

전원 무결성 문제는 신호 무결성 문제로 가장하는 경우가 많기 때문에 PCB 설계에서는 고속 컴포넌트에 안정적인 전력 전달을 보장하는 것이 중요합니다. 해당 문제는 상호 연결 및 버스에서 불필요한 복사를 생성하기도 합니다. 과도현상이 강한 진동을 퍼뜨리기 때문입니다. 안정적인 전력 전달을 보장하려면 자기 공진 범위가 있는 감결합 커패시터 그룹을 사용하여 설계가 가능한 가장 넓은 대역폭에서 낮은 임피던스를 갖도록 합니다. 인접 레이어에서 전원면 및 접지면 쌍을 사용하면 추가 전기 용량이 제공되어 PDN 임피던스를 낮게 유지하는 데 도움이 됩니다.

고속 설계 및 레이아웃을 위한 고급 도구

최고의 고속 PCB 설계 소프트웨어는 여러 설계 문제를 극복하기 위해 별도의 워크플로 사용을 강요하기보다는 단일 애플리케이션에 이러한 모든 기능을 통합합니다. 고속 PCB 레이아웃 설계자는 신호 무결성, 전원 무결성 및 전자파 적합성을 보장하기 위해 프런트 엔드에서 많은 작업을 수행해야 하지만, 적절한 고속 레이아웃 도구를 사용하면 설계 규칙으로 결과를 구현하여 설계가 예상대로 수행되도록 할 수 있습니다.

고급 PCB 설계 소프트웨어는 시뮬레이션 애플리케이션과 인터페이스로 연결되므로 업계 표준 분석을 수행하는 데 도움이 됩니다. 일부 시뮬레이션 프로그램은 특히 새로운 설계에서 신호 무결성 및 전원 무결성을 평가하고 PCB 레이아웃에서 EMI를 검사하도록 구성되어 있습니다. 시뮬레이션은 설계가 제조로 넘어가기 전에 사용자가 특정 SI/PI/EMI 문제를 정확히 찾아내는 데 도움이 되므로 고속 설계에 매우 유용합니다. 몇 가지 예로는 귀로 추적하기, 트레이스에서 임피던스 불연속 찾기, 감결합 커패시터를 제대로 배치하여 EMI 방지하기 등이 있습니다.

신호 무결성과 전원 무결성을 유지하면서 고급 고속 디지털 시스템을 구축해야 하는 경우 규칙 기반 설계 엔진에 구축된 최고의 고속 설계 및 레이아웃 도구 세트를 사용하세요. 복잡한 단일 기판 컴퓨터 또는 혼합 신호 PCB를 배치해야 하는 경우 최고의 PCB 레이아웃 도구를 사용하면 고속 PCB 레이아웃을 만들 때 유연성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

회로 설계자, 레이아웃 엔지니어 및 SI/PI 엔지니어는 고속 설계 및 레이아웃을 위한 Altium Designer®의 고급 설계 툴을 신뢰합니다. 설계를 완료하여 제조를 위해 공유할 준비가 된 경우 Altium 365™ 플랫폼을 사용하면 쉽게 협업하고 프로젝트 데이터를 공유할 수 있습니다.

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