고속 PCB 설계에서 비아(Via)의 영향

고속 신호에서는 임피던스 매칭이 필수적입니다. 이는 신호 경로의 임피던스가 연속적이며 수신기 임피던스와 일치해야 한다는 것을 의미합니다. 임피던스가 일치하지 않으면 신호 반사가 발생하여 신호가 왜곡될 수 있습니다. 기본적으로 PCB 트랙의 특성 임피던스는 트랙 폭, 트랙 구리 두께, 기준 GND 평면으로부터의 거리, 그리고 유전체 상수에 의해 결정됩니다. 이러한 원칙은 고속 설계에서 매우 중요하지만, 비아와 관련하여 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다.

비아는 신호 경로가 90도 방향으로 바뀌는 지점을 의미합니다. 비아의 구조적 특성은 PCB 트랙과 다르며, 기본적으로 기준 평면(reference plane)을 가지지 않습니다. 이러한 구조와 기준 평면의 부재로 인해 비아의 임피던스는 PCB 트랙의 임피던스와 일치하지 않을 가능성이 높습니다. 이는 신호 반사를 유발해 신호 무결성을 저하시킬 수 있습니다. PCB 성능에 영향을 미치는 다양한 요소 중 비아는 고속 및 고주파 회로에서 신호 무결성을 유지하고 손실을 줄이는 데 있어 중요한 역할을 합니다. 본 문서에서는 비아가 고속 PCB 설계에 미치는 영향을 분석하며, 비아가 신호 전송에 미치는 영향, 관련 과제, 그리고 최적화 방안을 탐구합니다.

본 문서에서는 다음과 같은 내용을 다룹니다:

• RF PCB 레이아웃에서 비아 전환 설계는 특히 GHz 주파수 대역에서 매우 세밀하게 이루어져야 합니다.
• HDI PCB에서는 적절한 비아 전환 설계와 안티패드(antipad) 크기 조정이 임피던스 제어를 유지하는 데 필수적입니다.
• 기준 평면 비아 간격, 접지된 동축 파형 가이드 설계, 그리고 적절한 스티칭 비아(stitching via)의 활용은 다양한 주파수 대역에서 중요한 요소입니다.

비아란 무엇이며, 작동 특성은 무엇인가?

비아(Via)는 PCB의 층 사이에서 전기 신호를 전달하기 위해 형성된 도전 경로입니다. 이는 소형화와 다층 설계에 필수적이며, 신호 라우팅, 전력 공급, 접지와 같은 역할을 수행합니다. 그러나 고속 및 고주파 설계에서는 비아가 신호 왜곡과 임피던스 불일치 등의 문제를 일으킬 수 있어 세심한 설계가 필요합니다. 비아의 작동 특성은 다음과 같습니다:

• 비아는 다른 도체와 마찬가지로 길이에 따라 분포된 인덕턴스를 갖습니다.
• 비아는 도금된 구멍(배럴)과 이를 둘러싼 평면 사이에서 분포된 커패시턴스를 형성합니다.
• 신호가 비아의 전체 길이를 따라 이동하면, 커패시턴스와 인덕턴스라는 두 기생 요소가 신호 트레이스와 유사한 전송선을 형성합니다.
• 신호가 비아 길이의 일부만 통과할 경우, 일부 커패시턴스는 신호 트레이스에서 분리된 상태로 남게 되며, 이는 종종 "비아 스텁(Via Stub)"으로 잘못 인식됩니다.

신호 무결성에 미치는 비아의 영향

고속 설계에서 비아의 배치는 신호 무결성을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 트레이스와 비아는 모두 고주파 신호에 영향을 미칠 수 있는 인덕턴스를 추가합니다. 이러한 인덕턴스와 신호 열화를 줄이기 위해 비아 사용을 최소화하는 것이 중요합니다. 특히, 차동 신호 쌍의 경우 두 트레이스가 동일한 비아를 공유하도록 배치해 경로 차이를 최소화해야 합니다. 또한, 비아 안티패드(antipad)가 겹쳐 접지 평면에 빈 공간이 생기지 않도록 주의해야 합니다. 이러한 빈 공간은 신호 반환 경로를 방해해 EMI(전자기 간섭)와 신호 무결성 문제를 악화시킬 수 있습니다. 올바른 비아 배치는 고속 PCB 설계에서 최적의 성능을 보장합니다.

• 임피던스 불연속성: 비아는 트레이스의 기하학적 구조 변화와 기생 커패시턴스 및 인덕턴스의 추가로 인해 임피던스 변화를 초래할 수 있습니다. 이는 신호 반사와 성능 저하를 유발합니다.
• 신호 손실: 고주파 신호는 비아로 인해 추가되는 기생 저항 및 인덕턴스에 의해 손실됩니다. 이러한 손실은 주파수가 높아질수록 더 심각해지며, 비아 설계가 중요한 이유를 보여줍니다.
• 크로스토크: 비아가 과도하게 가까이 배치되면 전자기 결합으로 인해 신호 경로 간 크로스토크가 발생할 수 있습니다. 이는 밀집된 고속 설계에서 특히 문제가 됩니다.
• 지연 및 스큐(Skew): 비아는 신호 전파 지연에 변화를 초래하며, 이는 차동 신호 쌍이나 버스 간 타이밍 불일치를 야기할 수 있습니다.

고속 설계에서 비아 불연속성을 완화하는 방법

비아는 트레이스의 기하학적 변화로 인해 짧은 구간에서 커패시턴스와/또는 인덕턴스의 불연속성을 발생시킬 수 있습니다. 이러한 불연속성은 신호 반사를 초래하며, 비아를 통해 신호가 전송될 때 신호 열화를 유발할 수 있습니다. 비아로 인한 부정적인 영향을 최소화하려면 비아 스텁(via stub)의 전체 길이를 줄이는 것이 중요합니다. 스텁이 길수록 낮은 주파수에서 공진이 발생하고 삽입 손실이 증가하기 때문에 스텁 길이는 가능한 한 짧게 유지해야 합니다. 일반적으로 비아 스텁의 길이는 15 mil 이하로 제한하며, 더 긴 스텁은 백드릴링(back-drilling)을 통해 제거해야 합니다.

고주파 응용에서 비아 사용 시의 과제

고주파 신호는 저주파 신호와는 다른 방식으로 동작하며, 비아 사용으로 인해 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다:

• 기생 효과: 비아는 고유의 기생 커패시턴스와 인덕턴스를 추가하며, 이는 고속 신호를 왜곡시킬 수 있습니다.
• 스텁 효과: 비아가 적절히 종료되지 않으면 스텁이 형성되어 특정 주파수에서 공진기로 작용하며 신호 품질을 저하시킬 수 있습니다.
• 반환 경로 불연속성: 고주파 신호는 끊김 없는 반환 경로가 필요합니다. 비아는 이러한 경로를 방해해 EMI(전자기 간섭)를 증가시킬 수 있습니다.

고주파 임피던스 문제를 완화하는 방법

스티칭 비아(stitching via)를 추가하고 안티패드(antipad) 크기를 줄이면 5~50GHz 주파수 대역에서 임피던스 상승을 효과적으로 완화할 수 있습니다. 스티칭 비아와 안티패드는 신호 비아에 병렬로 연결된 커패시턴스를 조정하여 전체 특성 임피던스를 감소시킵니다. 이러한 요소를 더 가깝게 배치하면 임피던스가 목표치(단일 종단 또는 차동 임피던스)에 더 근접하도록 조정할 수 있습니다.

레이어 간 비아 전환의 모범 사례

1. 비아 간격: 접지 평면에 연결된 비아 간의 거리는 최대 작동 주파수의 파장의 1/10을 초과해서는 안 됩니다. 예를 들어, 2.4GHz 주파수에서는 비아 간격을 6mm로 유지해야 합니다. 이는 PCB 가장자리에 비아를 배치해 RF 손실을 줄이는 데 유용합니다.
2. 접지된 동축 파형 가이드: 밀리미터파(mmWave) PCB에서는 접지된 동축 파형 가이드가 기본 전송선 구조로 사용됩니다. 비아 펜스는 고주파 간섭 방지 및 차단 기능을 제공하며, 높은 수준의 신호 격리를 지원합니다.

채널 대역폭에 따른 비아 설계

일반적으로 고속 회로에 대해 흔히 있는 오해 중 하나는 "고속 회로는 고주파 클럭을 사용한다"는 것입니다. 하지만 실제로 고속 신호의 특성은 신호의 상승 시간(rise time)과 하강 시간(fall time)에 의해 결정됩니다. 아래는 신호 품질과 관련된 주요 내용을 정리한 것입니다:

1. 상승 시간이 20ns 이상인 느린 신호: I2C, 제어 신호 및 느린 GPIO와 같은 느린 신호의 경우 반환 비아(return via)나 스티칭 비아(stitching via)는 필요하지 않습니다. 저주파에서는 RF 전송선의 비아 임피던스가 하류 전송선의 임피던스와 유사하며, 이들이 임피던스 매칭 상태라면 비아 임피던스는 큰 문제가 되지 않습니다.
2. 3GHz 이하 대역폭의 채널: 다수의 평면 레이어를 통과할 경우 접지 반환 비아가 필요합니다. 3GHz 이하의 주파수에서는 반환 비아가 없는 경우 비아 전환부의 입력 임피던스가 50옴에서 크게 벗어날 수 있습니다. 그러나 매우 빠른 신호를 제외하면 별도의 스티칭 비아 구조는 일반적으로 필요하지 않습니다.
3. 5GHz 이상의 대역폭을 가지는 채널: 이 경우 신호 전환 주변에서 안티패드 크기를 정밀하게 설계하고 스티칭 비아 배열을 배치해야 합니다.
4. 90GHz 이상의 대역폭을 가지는 채널: 기존 비아를 사용하는 것이 어려울 수 있으며, 레이어 전환을 위한 완전히 새로운 설계 접근 방식이 필요합니다. 주파수가 증가할수록, 특히 밀리미터파(mmWave) 대역에서는 비아 임피던스의 기생 효과가 신호 무결성에 미치는 영향이 더욱 커집니다.

특히 5GHz 이상의 대역폭에서는 스티칭 비아가 없을 경우 전환부가 유도성(inductive)으로 보일 수 있습니다. 이 경향은 30GHz까지 비아 전환부의 임피던스가 3~4배로 증가하는 결과를 초래하며, 더 높은 주파수에서는 커패시턴스 효과가 우세해져 약 50GHz까지 임피던스가 감소하게 됩니다.

고속 및 고주파 설계를 위한 비아 최적화

고속 및 고주파 응용에서 최적의 성능을 보장하기 위해 비아 설계 시 다음 사항을 고려해야 합니다:

1. 비아 기하 구조: 기생 커패시턴스와 인덕턴스를 최소화하기 위해 직경이 작은 비아를 사용합니다. HDI PCB에서 흔히 사용되는 마이크로비아는 고주파 설계에 특히 효과적입니다.
2. 백드릴링(Back-Drilling): 사용하지 않는 비아 스텁을 제거하여 고주파에서 발생하는 공진을 방지합니다.
3. 임피던스 제어: 비아 설계는 보드의 임피던스 요구 사항과 일치해야 하며, 이를 통해 신호 반사를 방지할 수 있습니다.
4. 스티칭 비아: 고속 신호 비아 주변에 여러 개의 접지 비아를 추가하여 일정한 반환 경로를 유지하고 EMI를 줄입니다.
5. 비아-인-패드(Via-in-Pad): 고밀도 설계에서는 비아를 패드에 배치하여 신호 경로를 단축할 수 있습니다. 다만, 납 흡수를 방지하기 위해 고급 제조 기술이 요구됩니다.

전통적인 PCB 설계와의 비교

저속 또는 아날로그 설계에서는 비아가 신호 성능에 미치는 영향이 미미합니다. 그러나 주파수가 높아질수록 비아의 기생 효과는 신호 성능에 점점 더 중요한 요소로 작용하며, 이를 해결하기 위해 정밀한 설계 기술이 필요합니다. 전통적인 PCB 설계에서는 표준 비아를 사용하고, 임피던스나 기생 효과를 크게 고려하지 않을 때가 많습니다. 반면, 고속 및 고주파 설계에서는 블라인드 비아(blind via), 버리드 비아(buried via), 백드릴 비아(back-drilled via)와 같은 고급 비아 설계 기술이 필수적이며, 이는 신호 열화를 최소화하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

고속 PCB 설계에서 최적화된 비아의 장점

적절하게 최적화된 비아는 고주파 및 고속 PCB 설계에서 다양한 이점을 제공합니다:

• 효율적인 라우팅: 비아는 다층 라우팅을 가능하게 하여 복잡하고 고밀도 설계에서 필수적인 요소로 작용합니다.
• 향상된 열 관리: 열 비아(thermal via)는 고출력 부품에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시켜 회로의 열 안정성을 높입니다.
• 설계 유연성: 적절한 비아 설계를 통해 신호 성능을 저하시키지 않으면서도 효과적인 라우팅이 가능합니다.

결론

비아는 PCB 설계에서 필수적인 요소지만, 고속 및 고주파 응용에서는 더욱 신중한 설계가 필요합니다. 잘못 설계된 비아는 신호 무결성을 저하시킬 뿐만 아니라 손실을 증가시키고 EMI 문제를 유발할 수 있습니다. 그러나 비아의 기생 효과를 충분히 이해하고, 백드릴링, 임피던스 제어, 스티칭 비아와 같은 고급 설계 기술을 적용하면 이러한 문제를 효과적으로 완화할 수 있습니다. 최적화된 비아 설계는 고속 및 고주파 회로의 성능을 극대화하고, 현대 전자 기기의 신뢰성과 효율성을 보장하는 데 핵심적인 역할을 합니다.