PCB 스택업 설계를 위한 8가지 규칙

PCB를 설계할 때 가장 기본적인 고려 사항 중 하나는 회로가 요구하는 기능을 구현하는 데 필요한 배선면, 접지면, 전원면의 개수입니다. 인쇄회로기판의 배선면, 접지면, 전원면의 개수는 회로 기능, 신호 무결성, EMI, EMC, 제조 비용 등의 요구 사항과 밀접하게 관련되어 결정됩니다.

대부분의 설계에서 PCB 성능 요구 사항, 목표 비용, 제조 기술 및 시스템 복잡성 간에는 상충되는 요구 사항이 많습니다. PCB 적층 설계는 일반적으로 다양한 요소를 고려한 후 절충안으로 결정됩니다. 고속 디지털 회로 및 위스커 회로는 종종 다층 기판으로 설계됩니다.

PCB 스택업을 설계할 때 유의해야 할 8가지 규칙을 소개합니다.

1. PCB 신호, 전원 및 접지면

다층 PCB에는 신호면, 전원면, 접지면이 있습니다. 전원면과 접지면은 일반적으로 분리된 솔리드 플레인이 없으며, 인접한 신호 트레이스에 대해 양호하고 낮은 임피던스의 전류 귀환 경로를 제공합니다.

대부분의 신호면은 전원면 또는 접지면 사이에 위치하여 대칭형 또는 비대칭형 스트립라인을 형성합니다. 다층 PCB에서 최상층과 최하층은 일반적으로 부품과 몇 개의 트레이스를 배치하는 데 사용되므로, 신호 트레이스는 자체적으로 발생하는 직접 방사량을 줄이기 위해 너무 길지 않아야 합니다.

2. 단일 전원 공급 기준면 정의

디커플링 커패시터는 전원 무결성을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다. 디커플링 커패시터는 PCB의 상단 및 하단 평면에만 설치해야 합니다. 디커플링 커패시터의 트레이스, 패드, 비아는 디커플링 커패시터의 성능에 심각한 영향을 미칩니다. 따라서 디커플링 커패시터에 연결되는 트레이스는 가능한 한 짧고 넓어야 하며, 비아에 연결되는 배선 또한 가능한 한 짧아야 합니다. 예를 들어, 고속 디지털 회로에서 디커플링 커패시터는 PCB의 상단 평면에 설치할 수 있습니다. 이때 평면 2는 고속 디지털 회로(예: 프로세서)의 전원 평면으로, 평면 3은 신호 평면으로, 평면 4는 고속 디지털 회로의 접지로 지정할 수 있습니다.

또한, 동일한 고속 디지털 장치에 의해 구동되는 신호 트레이스가 기준면과 동일한 전원면을 사용하도록 하고, 이 전원면이 고속 디지털 장치의 전원 공급면인지 확인하십시오.

3. 다중 전원 공급 장치 기준면 정의

다중 전원 공급 기준면은 서로 다른 전압을 가진 여러 개의 고체 영역으로 나뉩니다. 신호면이 다중 전원 공급면과 매우 가까우면 인접한 신호면의 신호 전류는 불충분한 귀환 경로를 만나게 되어 귀환 경로에 단절이 발생할 수 있습니다.

고속 디지털 신호의 경우, 이러한 부적절한 귀환 경로 설계는 심각한 문제를 야기할 수 있으므로 고속 디지털 신호 라우팅은 다중 전원 기준 평면에서 멀리 떨어뜨려야 합니다.

4. 더 많은 지상 기준면 정의

여러 개의 접지 기준면(접지면)은 공통 모드 전자기파(EMl)를 줄이는 저임피던스 전류 귀환 경로를 제공할 수 있습니다. 접지면과 전원면은 긴밀하게 결합되어야 하며, 신호면은 인접한 기준면과 긴밀하게 결합되어야 합니다. 이는 접지면 사이의 유전체 두께를 줄임으로써 달성할 수 있습니다.

5. 배선 조합을 합리적으로 설계하십시오

신호 경로가 가로지르는 두 평면을 " 배선 조합 "이라고 합니다. 최적의 배선 조합 설계는 한 기준 평면에서 다른 기준 평면으로의 귀환 전류 흐름을 방지하고, 한 기준 평면의 한 점(표면)에서 다른 점(표면)으로 전류가 흐르도록 하는 것입니다. 복잡한 배선을 구현하기 위해서는 평면 간 트레이스 변환이 불가피합니다. 신호 평면 간 전환 시에는 귀환 전류가 한 기준 평면에서 다른 기준 평면으로 원활하게 흐르도록 해야 합니다. 설계 시에는 인접한 평면을 배선 조합 으로 사용하는 것이 합리적입니다 .

신호 경로가 여러 평면에 걸쳐야 하는 경우, 여러 평면을 통과하는 경로는 귀환 전류에 대한 명확한 경로를 제공하지 못하므로 배선 으로 결합하는 것은 일반적으로 적절한 설계가 아닙니다 . 비아 근처에 디커플링 커패시터를 배치하거나 기준 평면 사이의 유전체 두께를 줄여 접지 바운스를 줄일 수는 있지만, 이는 좋은 설계 방식이 아닙니다.

6. 전류 분배 방향 설정

동일한 신호 평면 내에서는 대부분의 배선 방향이 일관적이어야 하며, 인접한 신호 평면의 배선 방향과 직교해야 합니다. 예를 들어, 한 신호 평면의 배선 방향을 "Y축" 방향으로 설정하고, 인접한 다른 신호 평면의 배선 방향을 "X축" 방향으로 설정할 수 있습니다.

7. 짝수 개의 레이어를 사용하세요 

설계된 PCB 스택업을 살펴보면, 기존의 스택업 설계는 홀수 층 대신 거의 모두 짝수 층으로 구성되어 있음을 알 수 있습니다. 이러한 현상은 여러 요인에 의해 발생합니다.

인쇄회로기판의 제조 공정을 살펴보면, 회로기판의 모든 전도성 평면은 코어 평면에 모이게 되며, 코어 평면의 재질은 일반적으로 양면 코팅 기판이라는 것을 알 수 있습니다. 코어 평면이 완전히 활용될 경우, 인쇄회로기판의 전도성 평면 수는 짝수가 됩니다.

짝수 층 인쇄회로기판은 비용적인 이점이 있습니다. 홀수 층 인쇄회로기판은 유전체 및 동박층이 하나 적기 때문에 원자재 비용이 짝수 층 인쇄회로기판보다 약간 낮습니다. 그러나 홀수 층 인쇄회로기판은 코어 평면 구조 공정에 기반한 비표준 적층 코어 평면 접합 공정을 추가해야 하므로 가공 비용이 짝수 층 인쇄회로기판보다 훨씬 높습니다. 일반적인 코어 평면 구조와 비교하여 코어층 외부에 동박층을 추가하면 생산 효율이 저하되고 생산 주기가 길어집니다. 외부 코어 평면은 적층 접합 전에 추가 가공이 필요하므로 외부 평면의 긁힘 및 접합 불량 위험이 증가합니다. 이러한 외부 평면 처리 추가는 제조 비용을 상당히 증가시킵니다.

다층 회로 접합 공정 후 인쇄 회로 기판의 내측면과 외측면이 냉각될 때, 적층 장력의 차이로 인해 인쇄 회로 기판이 휘어지는 정도가 달라집니다. 기판 두께가 증가할수록 서로 다른 두 구조로 이루어진 복합 인쇄 회로 기판이 휘어질 위험이 커집니다. 홀수 층 회로 기판은 휘어지기 쉽지만, 짝수 층 회로 기판은 휘어짐을 방지할 수 있습니다.

설계 시 적층층의 수가 홀수인 경우, 다음과 같은 방법을 사용하여 적층층을 늘릴 수 있습니다.

설계된 인쇄회로기판의 전원 공급면이 짝수이고 신호면이 홀수인 경우, 신호면을 추가하는 방법을 사용할 수 있습니다. 신호면 추가는 비용 증가로 이어지지 않으면서 처리 시간을 단축하고 인쇄회로기판의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

홀수 개의 전원면과 짝수 개의 신호면으로 구성된 인쇄회로기판을 설계하는 경우, 전원면을 추가하는 방법을 사용할 수 있습니다. 또 다른 간단한 방법은 다른 설정을 변경하지 않고 스택업 중간에 접지면을 추가하는 것입니다. 즉, 먼저 홀수 레이어로 인쇄회로기판을 배선한 다음 중간에 접지면을 복제하는 것입니다.

마이크로파 회로 및 혼합 유전체(유전율이 다른 유전체) 회로에서 인쇄 회로 기판 적층의 불균형을 최소화하기 위해 적층 중앙 부근에 빈 신호면을 추가할 수 있습니다.

8. 비용 고려 사항

제조 비용 측면에서 볼 때, 동일한 PCB 면적을 기준으로 다층 회로기판의 비용은 단층 및 복층 회로기판보다 확실히 높으며, 층수가 많을수록 비용은 더욱 증가합니다. 그러나 회로 기능 구현, 회로기판 소형화, 신호 무결성 확보, EMI, EMC 및 기타 성능 지표를 고려할 때, 다층 회로기판을 최대한 활용하는 것이 바람직합니다. 종합적으로 평가해 보면, 다층 회로기판과 단층 회로기판 간의 비용 차이는 예상보다 크지 않습니다.