HDI PCB 보드의 레이어 스택업을 최적화하는 방법

다층 PCB 설계의 첨단 기술인 HDI 스택업의 도입으로, PCB 설계자들은 앞으로 점점 더 복잡하고 작은 보드를 제작할 수 있게 될 것입니다. PCB 스택업을 설계하는 첫 단계는 프로젝트의 요구 사항을 정확하게 파악하는 것입니다. 필요한 레이어 수를 결정하는 것이 첫 번째 단계이며, 이는 회로의 복잡도, 신호 밀도, 전력 분배 요구 사항, 그리고 설계에 RF 또는 고속 신호가 필요한지 여부에 따라 달라집니다.

HDI PCB 제조는 1980년대 후반에 시작되었습니다. 1984년의 순차 적층(Sequential Build-up) 방식이 최초의 HDI 제조의 시작을 알렸습니다. 이후 제조업체와 설계자들은 더 좁은 공간에 더 많은 부품을 배치할 수 있는 방법을 지속적으로 모색해 왔습니다. HDI 보드는 IPC-2315 및 IPC-2226 규격에 따라 설계 및 생산됩니다. 이 글에서는 PCB 스택업이란 무엇인지, 왜 중요한지, 어떻게 선택하는지, 일반적인 스택업 구성, 그리고 HDI PCB의 임피던스 제어 문제를 다룰 예정입니다.

1.    PCB 스택업이란 무엇인가요?

PCB의 구리 층과 절연 층의 배열을 스택업이라고 합니다. 스택업은 각 레이어에 걸친 전원 평면과 신호 트레이스의 분포를 결정하며, 이는 온도 제어와 전기적 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. HDI 설계에서는 높은 인터커넥트 밀도를 확보하기 위해 정밀하게 구성된 다중 레이어 스택업이 자주 사용됩니다. 그러나 여전히 몇 가지 의문이 남아 있습니다. 예를 들어, 레이어는 어떻게 선택해야 할까요? 공식이 있을까요? 4층을 사용해야 할까요, 6층을 사용해야 할까요? 이 글을 끝까지 읽으시면 이러한 모든 질문에 대한 답을 얻으실 수 있습니다. 정해진 공식은 없지만, 반드시 준수해야 할 기본 설계 원칙이 있으며, 이를 지키지 않을 경우 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

⦁\t저항 불일치(Resistance Mismatch)

⦁\t열 지연 및 EMI/EMC 관련 문제

2.    올바른 PCB 스택업을 위한 설계 가이드라인:

최고 품질의 제품을 만들기 위해서는 다른 설계 및 제품 제조 공정과 마찬가지로 설계자가 특정 가이드라인을 준수해야 합니다. 이미 알고 계시겠지만, 최종 제품이 생산되기 전에 전자 제품은 다양한 부품이 관여하는 여러 공정을 거쳐야 합니다.

⦁\t그라운드 평면은 스트립 라인에서의 신호 라우팅을 가능하게 하고 그라운드 임피던스를 낮춰 그라운드 노이즈를 크게 줄여주므로 매우 중요합니다.

⦁\t그라운드 평면은 고속에서 방사를 줄이는 실드 역할을 하며, 고속 신호는 레이어 사이의 중간 레이어에서 라우팅되어야 합니다.

⦁\t최상의 결과를 위해 신호 레이어는 그라운드 평면과 가깝게 배치해야 합니다.

⦁\t효과적인 동작을 위해 접지 평면과 전원 연결을 신중하게 계획해야 합니다.

⦁\t균형 잡힌 성능을 보장하기 위해 PCB 구성은 대칭적이어야 합니다.

⦁\t적절한 신호 무결성을 유지하려면 신호 임피던스 기준을 충족해야 합니다.

⦁\t설계 시 각 신호 레이어의 두께를 고려해야 합니다.

⦁\t재료가 설계 사양을 충족하는지 확인하기 위해 기계적, 화학적, 전기적, 열적 특성을 평가해야 합니다.

3.    효과적인 신호 라우팅을 위한 설계 가이드라인:

부품 밀도가 높아질수록 HDI 보드의 라우팅은 점점 더 복잡해집니다. HDI PCB 설계가 고밀도 라우팅을 지원하려면 트레이스 폭, 비아 크기, 간격을 최소한으로 유지해야 합니다. HDI PCB 설계에서는 핵심 신호 부품, 디커플링 커패시터, IC의 라우팅이 완료된 후에 나머지 모든 부품을 라우팅해야 합니다.

고속 신호로 인한 노이즈와 크로스토크를 줄이기 위해서는 그라운드 레이어와 전원 레이어를 내층으로 하는 다층 보드로 설계하는 것이 권장됩니다. 이러한 그라운드 및 전원 레이어의 배치는 그라운드 레이어가 신호 레이어 바로 아래에 위치하도록 하며, 이는 상단 레이어의 차동 신호에 대한 기준 레이어이자 리턴 경로 역할을 합니다. 임피던스를 낮추기 위해 전원 레이어는 그라운드 레이어 다음에 배치됩니다.

각 신호에 개별 그라운드 평면을 제공하려면 분할 평면(split plane) 개념으로 구리를 채워야 합니다. 이렇게 하면 인접 신호의 간섭과 다양한 신호 및 부품에서 발생하는 노이즈 없이 HDI PCB 설계가 더 원활하게 동작합니다. 아래는 가장 흔히 사용되는 다층 PCB 설계 규칙 중 일부입니다.

4.    레이어 수를 선택하는 방법:

FPGA, SoC 또는 RF 애플리케이션을 사용하는 복잡한 보드는 대개 6~8층 이상이 필요한 반면, 단순한 설계는 2~4층만으로도 충분할 수 있습니다. 고속 회로 및 EMI에 민감한 설계에는 일반적으로 추가적인 그라운드 평면과 신중하게 고려된 레이어 구성이 필요합니다

스택업의 각 레이어는 고유한 목적을 수행해야 합니다. 신호 레이어는 트레이스 라우팅에 사용되는 반면, 그라운드 평면은 특히 고속 통신에서 신호 무결성에 필수적인 저임피던스 리턴 경로를 제공합니다. 전원 평면은 보드 전체에 전압을 공급하는 데 사용되므로, 밀도가 높은 설계에서는 여러 개의 전원 평면이 필요할 수 있습니다. 노이즈와 전자기 간섭을 줄이기 위해서는 신호 레이어를 그라운드 평면과 가깝게 배치하는 것이 이상적입니다. 혼합 신호 아키텍처에서는 아날로그 영역과 디지털 영역을 신중하게 분리해야 합니다.

5.    레이어 스택업 설계:

설계 사양에 맞춰 레이어 스택업을 선택하면 노이즈를 최소화할 수 있습니다. 예를 들어, 신호 경로를 그라운드 평면 위에 배치하면 신호가 더 빠르게 전파됩니다. 또한, 스택업에 전원 평면을 추가하면 필요한 트랙 수가 줄어들어 비아를 통해 VCC 또는 5V를 공급할 수 있게 됩니다.

6.    4층 PCB 스택업:

4층 스택업 1(범용 표준):

레이어 1: 신호(상단)

레이어 2: 그라운드(GND) 평면

레이어 3: 전원(VCC) 평면

레이어 4: 신호(하단)

4층 스택업 2(신호 무결성 중점):

레이어 1: 신호

레이어 2: 그라운드

레이어 3: 그라운드/전원(필요 시 분할)

레이어 4: 신호

7.    6층 PCB 스택업:

6층 스택업 1(고속 신호):

레이어 1: 신호

레이어 2: 그라운드

레이어 3: 신호

레이어 4: 신호

레이어 5: 전원

레이어 6: 신호

6층 스택업 2(전원 무결성 중점):

레이어 1: 신호

레이어 2: 그라운드

레이어 3: 전원

레이어 4: 그라운드

레이어 5: 신호

레이어 6: 신호

8.    8층 PCB 스택업:

8층 스택업 1(EMI 제어, 고속 설계):

레이어 1: 신호

레이어 2: 그라운드

레이어 3: 신호

레이어 4: 전원

레이어 5: 그라운드

레이어 6: 신호

레이어 7: 그라운드

레이어 8: 신호

8층 스택업 2(고밀도 전원 분배):

레이어 1: 신호

레이어 2: 그라운드

레이어 3: 신호

레이어 4: 전원

레이어 5: 전원

레이어 6: 신호

레이어 7: 그라운드

레이어 8: 신호

결론:

PCB와 회로의 애플리케이션에 따라 2층부터 10층 HDI 보드에 이르기까지 어떤 스택업이 가장 적합한지가 결정됩니다. 고속 스택업은 EMI와 신호 무결성 등 고려해야 할 사항이 많기 때문에 비용이 더 많이 듭니다. 이러한 요소를 고려하지 않고 스택업 품질을 설계할 경우, PCB가 고속 애플리케이션에 적합하지 않게 될 수 있습니다.  JLCPCB와 같은 신뢰할 수 있는 제조업체와 협력하는 것이 필수적입니다. 선도적인 PCB 제조업체 중 하나인 JLCPCB는 최첨단 생산 라인을 갖추고 있어 가장 복잡한 고속 설계도 신뢰성 있고 비용 효율적으로 제조할 수 있도록 보장합니다. 이는 원활한 생산을 보장할 뿐만 아니라 엔지니어들이 최첨단의 소형화된 기술을 더욱 빠르게 시장에 선보일 수 있도록 지원합니다.