고주파 PCB 설계에서 라우팅 및 적층 문제 해결

고주파 PCB 설계는 특히 라우팅 및 적층 구성에서 독특한 도전 과제를 제공합니다. 신호 무결성과 최적의 성능을 보장하기 위해서는 체계적인 계획과 정확한 실행이 필수적입니다. 아래에서는 고주파 PCB 설계에서 흔히 발생하는 문제와 이를 해결하기 위한 전략을 살펴봅니다.

신호 무결성은 주로 임피던스 매칭과 밀접한 관련이 있습니다. 임피던스 매칭에 영향을 미치는 주요 요인으로는 신호 소스 아키텍처, 출력 임피던스, 트레이스 특성 임피던스, 부하 특성, 그리고 회로 토폴로지가 포함됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 종단(Termination) 기술을 활용하거나 트레이스 토폴로지를 조정하는 방법이 사용됩니다.

고주파 PCB의 라우팅 과제

고주파 회로는 전자기 간섭(EMI)과 크로스토크에 매우 민감하기 때문에 정밀한 라우팅 설계가 필수적입니다. 부적절한 라우팅은 신호 열화, 노이즈 증가, 그리고 기능적 문제를 초래할 수 있습니다. 이를 해결하기 위한 주요 방법은 다음과 같습니다:

• 임피던스 제어: PCB 소재와 신호 주파수에 맞춰 적절한 트레이스 폭과 간격을 유지하여 일관된 트레이스 임피던스를 보장합니다.
• 크로스토크 최소화: 고속 신호 트레이스를 충분히 분리하고, 차동 쌍(Differential Pair)을 사용하여 노이즈를 줄입니다.
• 신호 반사 방지: 차동 쌍의 트레이스 길이를 동일하게 하고, 적절한 종단 저항을 적용하여 신호 반사를 방지합니다.
• 비아(Via) 사용 최소화: 비아의 개수를 줄여 신호 무결성 손실과 불필요한 지연을 방지합니다.

고속 신호를 위한 수동 대 자동 라우팅

대부분의 고급 PCB 라우팅 소프트웨어는 라우팅 방법과 비아 개수를 제어할 수 있는 다양한 제약 조건을 제공하는 자동 라우터를 포함하고 있습니다. 하지만 라우팅 엔진의 성능과 제약 조건은 EDA(전자 설계 자동화) 회사마다 크게 다를 수 있습니다. 예를 들어, Serpentine 라우팅 패턴이나 차동 쌍 간의 간격 제어 기능은 소프트웨어마다 다를 수 있습니다.

이러한 차이는 자동으로 생성된 트레이스가 설계자의 의도와 얼마나 일치하는지에 영향을 줍니다. 또한, 수동으로 트레이스를 조정하는 작업의 용이성은 라우팅 엔진의 기능에 따라 달라집니다. 예를 들어, 트레이스나 비아를 밀어내는 기능은 특정 엔진에서만 제공될 수 있습니다.

따라서, 강력한 기능을 갖춘 라우팅 엔진을 선택하는 것이 이러한 문제를 효과적으로 해결하는 핵심입니다.

고주파 PCB 설계에서 더 나은 라우팅을 위한 팁

1. 아날로그와 디지털 영역 분리

디지털과 아날로그 접지를 분리하는 것이 일반적으로 올바른 설계 방식입니다. 신호 트레이스가 분리된 영역(모트)을 가로지르지 않도록 설계하며, 전력 및 신호의 반환 전류 경로가 과도하게 길어지지 않도록 주의해야 합니다.

2.크리스탈 오실레이터 라우팅

크리스탈 오실레이터는 아날로그 양성 피드백 발진 회로로, 안정적인 발진 신호를 생성하려면 루프 이득과 위상 조건을 충족해야 합니다. 이 발진 회로는 간섭에 민감하며, 접지 가드 트레이스를 추가하더라도 간섭을 완전히 차단하지 못할 수 있습니다. 크리스탈 오실레이터가 너무 멀리 배치되면 접지 평면의 노이즈가 회로에 영향을 미칠 수 있으므로, 오실레이터는 칩에 최대한 가까운 위치에 배치해야 합니다.

3.EMI(전자기 간섭) 감소

EMI 문제를 해결하기 위해 저항, 커패시터 또는 페라이트 비드를 추가할 때 신호의 전기적 특성을 손상시키지 않도록 해야 합니다. 또한, 고속 신호를 내부 레이어에 배치하는 등 라우팅 및 PCB 적층 기술을 우선적으로 활용해야 합니다. 저항, 커패시터 또는 페라이트 비드의 사용은 신호 무결성에 미치는 영향을 최소화하기 위해 최후의 수단으로 고려해야 합니다.

차동 라우팅이란 무엇인가?

차동 신호(Differential Signaling)는 두 개의 동일하지만 반대 극성을 가진 신호를 통해 하나의 데이터를 전송하는 방식입니다. 데이터는 두 신호 간의 전압 차이에 따라 결정됩니다. 신호의 일관성을 보장하기 위해 라우팅 시 선폭과 간격을 일정하게 유지하며, 트레이스는 반드시 평행하게 배치해야 합니다.

차동 쌍 라우팅은 적절한 간격을 유지하며 평행 배치가 필요합니다. 간격은 차동 임피던스(Differential Impedance)에 중요한 영향을 미치며, 간격의 변동은 차동 임피던스 불일치를 초래해 신호 무결성과 타이밍 지연에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.

차동 라우팅을 설계에서 구현하는 방법

차동 쌍 라우팅에서는 두 가지 핵심 사항을 고려해야 합니다. 첫째, 쌍을 이루는 트레이스가 동일한 길이를 가져야 합니다. 둘째, 두 트레이스 간의 간격(차동 임피던스에 의해 결정됨)을 일정하게 유지해야 합니다. 이러한 트레이스는 반드시 평행으로 배치되어야 합니다. 평행 라우팅은 같은 레이어에서 나란히 배치하거나 인접한 레이어에서 위아래로 배치하는 두 가지 방식으로 구현할 수 있으며, 일반적으로 나란히 배치하는 방식이 더 자주 사용됩니다.

• 단일 출력 클록 신호를 위한 차동 라우팅: 차동 라우팅은 신호 소스와 수신기 모두 차동 신호일 때만 유효합니다. 따라서 단일 출력 클록 신호에는 차동 라우팅을 사용할 수 없습니다.
• 매칭 저항의 개념: 차동 쌍의 수신기 간에는 일반적으로 매칭 저항이 추가됩니다. 이 저항 값은 차동 임피던스와 일치해야 신호 품질이 향상됩니다.
• 차동 쌍 사이의 접지선: 일반적으로 차동 신호 사이에 접지선을 추가하지 않아야 합니다. 차동 신호의 주요 장점은 상쇄 효과와 노이즈 면역 효과인데, 접지선을 추가하면 커플링 효과를 저해할 수 있습니다.

PCB 레이어에서의 구리 포어링(Copper Pouring)

대부분의 경우, 빈 공간에 채워진 구리는 접지(Ground)에 연결됩니다. 그러나 고속 신호 라인 근처에 구리를 채울 때는 구리와 신호 라인 사이의 거리를 신중히 고려해야 합니다. 이는 구리가 트레이스의 특성 임피던스를 약간 낮출 수 있기 때문입니다. 또한, 듀얼 스트립라인(Dual Stripline) 구성에서는 구리가 다른 레이어의 특성 임피던스를 방해하지 않도록 설계해야 합니다.

• EMC(전자기 적합성): 넓은 접지 또는 전력 구리 포어링 영역은 차폐 기능을 제공합니다. 특정 특수 접지(예: PGND)는 보호 기능을 수행합니다.
• PCB 제조 요구 사항: 효과적인 도금과 적층 변형 방지를 위해 트레이스가 적은 PCB 레이어에 구리를 채웁니다.
• 신호 무결성 요구 사항: 구리 포어링은 고속 디지털 신호에 완전한 반환 경로(Return Path)를 제공하며, DC 네트워크 트레이스의 사용을 줄여줍니다. 또한, 열 방출을 지원하거나 특정 부품 장착 요구 사항을 충족하는 데 사용됩니다.

신호 반환 경로(Signal Return Path)란 무엇인가?

신호 반환 경로는 신호가 드라이버에서 PCB 전송 라인을 통해 부하로 이동한 후, 부하에서 접지 또는 전력 레이어를 통해 드라이버로 다시 돌아오는 경로를 의미합니다. 이러한 반환 신호를 **신호 반환 경로(Return Current)**라고 부릅니다.

Dr. Johnson은 그의 저서에서 고속 신호 전송은 전송 라인과 DC 레이어 사이의 유전 용량(Dielectric Capacitance)을 충전하는 과정이라고 설명했습니다. 신호 무결성(Signal Integrity, SI) 분석은 이러한 전자기적 특성과 그 결합 현상을 검토하는 과정입니다.

고주파 PCB의 적층 문제

4-레이어 보드의 경우, 프리 패드(Free Pad) 또는 비아(Via)를 멀티레이어로 정의하면 모든 4개 레이어에 나타납니다. 반면, 이를 탑 레이어(Top Layer)로만 정의하면 해당 비아는 탑 레이어에만 나타납니다. 잘못된 레이어 적층은 EMI, 임피던스 불일치, 열 문제를 악화시켜 보드 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이를 해결하기 위한 주요 전략은 다음과 같습니다:

• 레이어 구성 최적화: EMI 차폐를 개선하고 신호 무결성을 유지하기 위해 전용 접지 및 전력 평면을 사용합니다.
• 유전체 소재 선택: 손실 계수(Df)가 낮고 유전 상수(Dk)가 안정적인 소재를 선택하여 신호 손실을 최소화합니다.
• 신호 레이어 계획: 중요한 고주파 신호는 인접한 참조 평면(Reference Plane)을 배치하여 노이즈와 크로스토크를 최소화합니다.
• 열 관리: 구리 평면과 열 비아(Thermal Via)를 활용하여 효율적으로 열을 방출합니다.

예시: 12-레이어 PCB에서 3개의 전력 레이어(2.2V, 3.3V, 5V) 처리

3개의 전력 공급을 각각 별도의 레이어에 배치하면 신호 품질이 향상됩니다. 이는 교차 평면 분할(Cross-Plane Layer Division)이 발생할 가능성을 줄이기 때문입니다. 교차 평면 분할은 신호 품질에 중요한 영향을 미치지만, 시뮬레이션 소프트웨어에서 종종 간과되곤 합니다. 전력 및 접지 평면은 고주파 신호에서 동일하게 작동합니다.

실제로는 신호 품질뿐만 아니라, 전력 평면 결합(인접 접지 평면을 활용하여 전력 평면의 AC 임피던스를 줄임)과 대칭 레이어 적층(Symmetric Layer Stacking)도 중요한 고려 사항입니다.

적층 설계로 EMI 문제를 줄이는 방법

EMI 문제는 시스템 수준에서 해결해야 하며, PCB 설계만으로 모든 문제를 해결할 수는 없습니다. 적층 설계에서는 신호의 가장 짧은 반환 경로를 제공하고, 결합 영역(Coupling Area)을 최소화하며, 차동 모드 간섭(Differential-Mode Interference)을 억제하는 것을 목표로 합니다.

또한, 접지와 전력 레이어를 밀접하게 결합하고, 전력 레이어를 접지 레이어에 비해 적절히 후퇴시킴으로써 공통 모드 간섭(Common-Mode Interference)을 줄일 수 있습니다.

고주파 PCB 설계에서 고주파 소재 선택

PCB 소재를 선택할 때는 설계 요구 사항, 제조 가능성, 비용 간의 균형을 신중히 고려해야 합니다. 설계 요구 사항은 전기적 및 기계적 특성을 포함합니다. 특히 GHz 이상의 고속 PCB 설계를 진행할 경우, 소재 선택이 설계의 성패를 좌우할 만큼 중요한 요소로 작용합니다.

예를 들어, 일반적으로 사용되는 FR-4 소재는 몇 GHz의 고주파에서 유전 손실(Dissipation Loss)이 커져 심각한 신호 감쇠를 초래할 수 있으므로, 고주파 설계에는 적합하지 않을 수 있습니다. 전기적 관점에서 소재의 유전 상수(Dielectric Constant, Dk)와 유전 손실 계수(Dissipation Factor, Df)는 설계 주파수와 호환되어야 합니다.

FR-4 소재가 초고주파 설계에 부적합한 문제를 해결하기 위한 몇 가지 방안은 다음과 같습니다:

• 특수 고주파 적층 소재 사용: Rogers, Isola, Taconic과 같은 고주파 적층 소재는 안정적이고 신뢰할 수 있는 신호 전송을 지원합니다.
• 제조 공정과의 호환성 검증: 제조 과정에서 발생할 수 있는 박리(Delamination) 또는 뒤틀림(Warpage)을 방지하기 위해 소재의 호환성을 사전에 검증해야 합니다.

고주파 간섭을 방지하기 위한 팁

고주파 간섭을 방지하기 위한 기본 원칙은 고주파 신호로 인한 전자기장 간섭(크로스토크)을 최소화하는 것입니다. 이를 실현하기 위한 방법은 다음과 같습니다:

• 고속 신호와 아날로그 신호 간의 물리적 거리를 충분히 확보합니다.
• 아날로그 신호 옆에 접지 가드(Guard Trace) 또는 션트 트레이스(Shunt Trace)를 추가합니다.
• 디지털 접지와 아날로그 접지 사이에서 발생할 수 있는 노이즈 간섭에 주의합니다.

시뮬레이션 및 테스트

PCB 설계에서 발생할 수 있는 문제를 사전에 방지하기 위해 제조업체는 X-레이 테스트를 활용하여 에칭(Etching) 또는 적층 결함을 탐지합니다. SMT 조립 후에는 ICT(In-Circuit Testing)를 통해 설계를 검증하며, 이를 위해 PCB 설계 단계에서 ICT 테스트 포인트를 추가해야 합니다.

문제가 발생한 경우, 전문 X-레이 검사 장비를 통해 결함이 제조 과정에서 비롯되었는지 확인할 수 있습니다. 이를 해결하기 위한 주요 접근 방법은 다음과 같습니다:

• HFSS 또는 ADS와 같은 고주파 시뮬레이션 도구를 사용하여 신호 동작을 모델링합니다.
• SI(Signal Integrity) 및 PI(Power Integrity) 분석을 통해 설계 가정이 타당한지 검증합니다.
• TDR(Time Domain Reflectometry) 및 VNA(Vector Network Analyzer)를 활용하여 실제 환경에서 설계 성능을 검증합니다.

라우팅 및 적층 문제를 신중히 해결하면 고주파 PCB 설계에서 신뢰할 수 있는 신호 전송, 최소한의 노이즈, 그리고 일관된 성능을 확보할 수 있습니다. 올바른 소재 선택, 레이어 최적화, 철저한 테스트는 현대 고속 애플리케이션의 요구를 충족하기 위한 필수적인 요소입니다.

테스트 쿠폰(Test Coupons)이란 무엇인가?

테스트 쿠폰은 Time Domain Reflectometer(TDR)를 사용하여 제조된 PCB의 특성 임피던스를 측정하고, 설계 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 사용됩니다. 일반적으로 제어된 임피던스는 단일 신호 라인(Single-Ended Line)과 차동 쌍(Differential Pair)을 포함합니다. 따라서 테스트 쿠폰의 트레이스 폭과 간격은 PCB에서 제어된 트레이스와 동일해야 합니다.

테스트에서 가장 중요한 요소는 측정 시 접지 지점의 위치입니다. 접지 리드(Lead)의 인덕턴스를 최소화하려면 TDR 프로브의 접지 지점은 신호 측정 지점(프로브 팁)과 매우 가까워야 합니다. 따라서 테스트 쿠폰의 신호 측정 지점과 접지 지점 간의 거리와 방법은 사용하는 프로브에 맞게 설계해야 합니다.

고속 신호에서의 테스트 포인트 추가

테스트 포인트를 추가하는 방식과 신호 속도에 따라 신호 품질에 미치는 영향이 달라질 수 있습니다. 일반적으로 외부 테스트 포인트(기존 비아 또는 DIP 핀을 사용하지 않는 경우)는 트레이스에 직접 추가하거나, 트레이스에서 작은 분기를 만들어 추가합니다.

테스트 포인트는 가능한 작게 설계해야 하며(테스트 장비 요구 사항을 충족하면서도), 분기(branch)는 최대한 짧게 유지해야 합니다.

자주 묻는 질문

1. 고속 PCB 설계 관련 추천 도서와 리소스가 있나요?

• "High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic" by Howard Johnson
• "Signal and Power Integrity – Simplified" by Eric Bogatin
• "Electromagnetic Compatibility Engineering" by Henry W. Ott

이 책들은 신호 무결성, EMI(전자기 간섭), 그리고 실질적인 설계 전략에 대해 다룹니다. 또한 Cadence, Keysight, JLCPCB 블로그 등 온라인 리소스를 통해 유용한 튜토리얼과 설계 팁을 확인할 수 있습니다.

2.플렉시블 및 리지드-플렉스 보드 설계에 특화된 소프트웨어와 표준이 필요한가요?

-네, 플렉시블 및 리지드-플렉스 PCB 설계를 위해서는 Altium Designer, Cadence Allegro, Mentor Graphics와 같은 특화된 소프트웨어가 필요합니다. 이 소프트웨어는 Bend 시뮬레이션 및 레이어 적층 구성을 지원하는 독창적인 기능을 제공합니다. 또한 IPC-2223과 같은 표준은 신뢰성을 보장하기 위해 필수적이며, 소재 선택, Bend 허용치, 트레이스 라우팅에 대한 가이드라인을 제시합니다.