효과적인 HDI PCB 설계를 위한 적층 전략

무어의 법칙이 유효하든 그렇지 않든, 더 작은 폼 팩터에 더 강력한 처리 능력을 집어넣으려는 경제적 동기는 앞으로도 사라지지 않을 것입니다. 이러한 흐름 속에서 HDI 적층 기술은 다층 PCB 설계의 최첨단 기술로, 앞으로도 작고 복잡한 보드를 설계할수 있는 가능성을 열어줍니다.

PCB(인쇄회로기판) 설계에서 적층(stack-up)은 기판의 성능, 제조 가능성, 신뢰성에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 특히 고밀도 상호연결(HDI) PCB에서는 컴팩트한 디자인과 복잡한 레이어 구조로 인해 적층 전략의 중요성이 더욱 강조됩니다.

HDI PCB의 제조는 1980년대 후반에 시작되었습니다. 최초의 HDI 생산은 1984년에 PCB의 순차적 빌드업으로 시작되었으며, 그 이후 설계자와 제조업체는 더 작은 공간에 더 많은 부품을 효율적으로 배치하기 위한 방법을 꾸준히 개발해 왔습니다. HDI 보드는 IPC-2315 및 IPC-2226 표준에 따라 설계 및 제조됩니다. 이 문서에서는 PCB 적층의 정의, 중요성, 적층 구성 선택 방법, 일반적으로 사용되는 적층 유형, 그리고 HDI PCB에서 임피던스 제어를 고려해야 하는 이유를 다룹니다.

PCB 적층이란 무엇인가?

PCB 적층이란 PCB에서 구리 층과 절연층이 배열되는 방식을 의미합니다. 이는 신호 트레이스와 전원 플레인이 각 레이어에 어떻게 분포되는지를 결정하며, 전기적 성능과 열 관리에 직접적인 영향을 미칩니다. HDI 설계에서는 높은 상호연결 밀도를 달성하기 위해 여러 레이어와 정밀한 구성이 필수적입니다.

왜 PCB 적층이 필요한가?

HDI PCB 설계는 마치 다차원 퍼즐과 같습니다. 다음은 HDI PCB 설계를 고려할 때 반드시 반영해야 할 주요 설계 요소들입니다:

• 임피던스 제어: 신호 무결성에 영향을 미치지 않도록 유전체 층 두께, 트레이스 폭 및 간격에 대해 ±10% 이내의 엄격한 공차를 유지해야 합니다.
• EMI/EMC: HDI가 고속 신호 설계에서 사용되므로, 우발적인 안테나 형성 및 잡음을 방지하기 위한 전자기 간섭(EMI) 및 전자기 호환성(EMC) 고려가 필요합니다.
• 열 관리: HDI는 열 성능을 향상시키는 경향이 있지만, 고속 신호 설계에서는 마이크로비아와 트레이스 폭의 열 안정성을 추가적으로 고려해야 합니다.

이처럼 물리적, 전자기적, 열적 요소를 HDI PCB 설계에 반영해야 하므로 설계 과정이 매우 복잡해질 수 있습니다. 그러나 다행히도, EDA(전자 설계 자동화) 소프트웨어 도구의 발전으로 이러한 다차원적인 PCB 설계 문제를 보다 쉽게 해결할 수 있게 되었습니다.

적절한 PCB 적층 설계 규칙

다른 설계나 제품 제조와 마찬가지로, 설계자는 최고 품질의 제품을 제작하기 위해 특정 규칙을 따라야 합니다. 전자 제품은 최종 완제품이 되기까지 여러 부품과 다양한 공정을 거치게 됩니다. 따라서 설계자는 입증된 PCB 적층 설계의 최적화 방법을 인식하고 이를 철저히 준수해야 합니다. PCB 적층 설계에서 최상의 결과를 얻기 위해 다음 규칙들을 따를 것을 권장합니다.

• 그라운드 플레인(ground plane) 사용: 신호가 스트립라인으로 라우팅되도록 하여 낮은 그라운드 임피던스를 유지함으로써 그라운드 노이즈를 효과적으로 감소시킵니다.
• 고속 신호 라우팅: 고속 신호는 레이어 간 중간층에 배치하고, 그라운드 플레인을 차폐층으로 사용하여 방사 노이즈를 억제해야 합니다.
• 신호층 배치: 최적의 성능을 위해 신호층은 반드시 그라운드 플레인 가까이에 배치되어야 합니다.
• 전원 및 접지층 설계: 전원 및 접지층은 효율적이고 안정적인 동작을 위해 세심하게 설계해야 합니다.
• PCB 구성의 대칭성: 균형 잡힌 성능을 유지하기 위해 PCB 구성은 대칭적으로 설계되어야 합니다.
• 신호 임피던스 요건 충족: 신호 무결성을 유지하기 위해 신호 임피던스 요구사항을 반드시 충족해야 합니다.
• 신호층 두께 고려: 설계 과정에서 각 신호층의 두께를 세심히 고려해야 합니다.
• 재료 특성 평가: 설계 요구사항에 적합한지 확인하기 위해 재료의 열적, 전기적, 화학적, 기계적 특성을 철저히 평가해야 합니다.

PCB 제조업체와의 협업은 설계의 실현 가능성을 높이고 산업 표준 준수를 보장하는 데 필수적입니다.

HDI 보드 라우팅 방법

부품 밀도가 증가함에 따라 HDI 보드의 라우팅은 점점 더 복잡해지고 있습니다. HDI PCB 설계에서는 고밀도 라우팅을 구현하기 위해 트레이스 폭, 비아 크기, 간격을 최소화해야 합니다. 중요한 신호 부품, 디커플링 커패시터, IC는 우선적으로 라우팅하고, 이후 나머지 부품을 순차적으로 라우팅하는 것이 좋습니다.

효과적인 방법은 다층 보드를 설계하고, 내부 레이어에 전원층과 접지층을 배치하여 고속 신호로 인해 발생하는 잡음과 크로스톡을 최소화하는 것입니다. 이러한 전원 및 접지층은 신호층 바로 아래에 배치되어 신호의 리턴 경로와 참조 레이어 역할을 합니다. 전원층은 접지층 아래에 배치함으로써 임피던스를 줄이는 데 기여할 수 있습니다.

또한, 신호 간섭을 줄이기 위해 분할 플레인 설계(split plane concept)를 통해 각 신호에 별도의 접지 플레인을 제공해야 합니다. 이는 다른 신호 및 부품으로 인한 잡음을 줄여 HDI PCB 설계에서 안정적이고 우수한 성능을 보장합니다. 아래는 가장 일반적으로 사용되는 다층 PCB 설계 지침입니다.

일반적으로 사용되는 PCB 적층 구성

• 2층 PCB 적층: 하나의 신호층과 하나의 전원/접지 플레인으로 구성된 가장 단순한 형태입니다. IoT 기기나 소비자 전자제품 같은 기본 응용에 적합합니다.
• 4층 PCB 적층: 두 개의 신호층과 두 개의 플레인(전원 및 접지)으로 구성됩니다. EMI 제어가 필요한 저주파 및 중간 복잡도의 설계에 적합합니다.
• 6층 PCB 적층: 추가적인 신호층과 플레인 층이 포함되어 성능이 개선됩니다. 통신 기기와 산업용 장비 같은 중간 수준의 응용에 흔히 사용됩니다.
• 8층 PCB 적층: 고밀도 상호 연결을 위해 여러 신호층과 플레인 층을 포함합니다. 고속 신호 설계와 공간 제약이 있는 고급 설계에 적합합니다.
• 10층 PCB 적층: 광범위한 신호, 접지 및 전원 플레인 분포를 제공합니다. 서버, 항공우주 시스템, 자동차 기술 같은 고급 응용 분야의 HDI PCB에서 주로 사용됩니다.

각 구성은 설계 요구사항에 맞춰 조정되며, HDI PCB는 높은 상호연결 밀도를 처리하기 위해 더 많은 레이어 수를 사용하는 것이 일반적입니다.

레이어 적층 (Layer Stack-Up)

다른 고급 PCB와 마찬가지로, HDI 설계에서 성공은 적절한 레이어 적층 설계에 달려 있습니다. 이는 신호와 전력 무결성 측면에서 중요한 것은 물론이고, 제조 가능성 측면에서도 매우 중요한 요소입니다. HDI PCB 적층은 IPC-2226 HDI PCB 표준에 따라 설계되어야 하며, 이러한 표준화된 적층 설계는 기생 임피던스를 줄이고 신호 무결성을 개선하는 데 기여합니다.

설계 요구사항에 맞는 적층 구조를 선택하면 노이즈를 최소화할 수 있습니다. 예를 들어, 신호 경로가 접지 플레인 위에 배치될 경우 신호가 더 빠르게 전파됩니다. 또한 적층 구조에 전원 플레인을 포함하면 트랙 수를 줄일 수 있어 VCC나 5V를 제공하기 위해 비아(via)를 활용할 수 있습니다.

EMI/EMC를 고려한 6층 PCB의 기본 적층 구조:

• Signal Layer)
• Ground Plane)
• Signal Layer)
• Power Plane)
• Ground Plane)
• Signal Layer)

오디오 응용을 위한 EMI/EMC를 고려한 4층 PCB의 기본 적층 구조:

• Signal Layer)
• Ground Plane)
• Ground Plane)
• Signal Layer)

임베디드 솔루션을 위한 4층 PCB의 기본 적층 구조:

• Signal Layer)
• Ground Plane)
• Power Plane)
• Signal Layer)

2+N+2 PCB 적층에 대해

2+N+2 PCB 적층 구조는 IPC-2226 표준(Type III)에 정의되어 있으며, 아래 다이어그램에서 이 구조를 자세히 확인할 수 있습니다. 이 다이어그램은 적층 구조의 상단 및 하단 부분에서 몇 차례의 순차적 적층 과정이 필요한지와 이 PCB 적층 구조의 빌드업 과정을 보여줍니다. 상단 레이어는 HDI 라우팅 레이어로, 얇은 유전체를 통해 마이크로비아를 사용하여 내부 레이어에 접근합니다. "2+N+2"에서 "2"는 두 번의 순차적 적층 단계가 필요함을 의미합니다. 이 단계는 상단의 두 HDI 레이어를 적층 내부 레이어 섹션 위에 쌓는 과정을 포함합니다.

HDI 적층의 다른 구성은 다음과 같은 형식으로 분류됩니다: i+N+i. 예를 들어, 1+N+1 적층은 코어의 양쪽에 한 번의 순차적 적층이 이루어진 구조를 나타냅니다. 2+N+2 적층은 두 번의 순차적 적층을 의미하며, "i"는 적층 횟수를 나타냅니다.

HDI PCB 설계에서 부품 배치

1. 부품 배치의 중요성: HDI PCB 설계에서 부품 배치는 라우팅 밀도와 신호 무결성에 직접적인 영향을 미칩니다. 철저한 계획은 최단 라우팅 경로를 보장합니다.
2. 부품 그룹화: 아날로그, 디지털, 고속 신호, 혼합 신호, 고주파 및 전원 공급 장치 등으로 회로를 그룹화합니다. 민감하고 중요한 부품은 별도로 분리하여 적절히 배치합니다.
3. 주요 부품 위치 선정: 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 이더넷, 메모리 장치와 같은 주요 부품은 보드 중앙에 배치하여 다른 부품과의 연결성을 극대화합니다. 디커플링 커패시터, 크리스탈 오실레이터, 저항은 주요 부품 가까이에 배치하여 신호 흐름을 최적화합니다.
4. 부품 방향 일치: 모든 부품의 방향을 동일하게 설정하여 라우팅 및 조립 오류를 방지합니다.
5. 부품 면 배치: 표면 실장 부품(SMD)은 보드의 한 면(상단 또는 하단)에만 배치하고, 스루홀 부품은 상단에 배치하여 조립 과정을 간소화합니다.
6. 아날로그 및 디지털 회로 분리: 아날로그 및 디지털 회로 섹션을 분리하여 잡음 간섭을 최소화합니다.
7. 디커플링 및 바이패스 커패시터 배치: 관련 회로 섹션에 가능한 한 가까이 배치하여 신호 무결성을 유지합니다.

적층 설계에서의 임피던스 제어

임피던스 제어는 고속 및 고주파 응용 분야에서 HDI PCB 설계의 핵심 요소입니다. 적층은 다음과 같은 요소를 통해 임피던스에 직접적인 영향을 미칩니다:

• 트레이스 폭과 두께: 목표 임피던스 값을 달성하기 위해 세밀하게 조정됩니다.
• 유전율(Dk): 신호 전파의 일관성과 신뢰성을 보장합니다.
• 층 간 간격: 절연을 유지하여 크로스톡(crosstalk)을 효과적으로 줄입니다.
• 전원 및 접지 플레인 배치: 신호에 안정적인 참조 플레인을 제공하여 신호 무결성을 유지합니다.

정확한 임피던스 제어는 신호 열화를 방지하고 오류를 줄이며, 고급 회로에서 안정적이고 신뢰할 수 있는 성능을 제공합니다.

결론

PCB 적층 설계는 설계자와 전자 엔지니어 모두에게 필수적인 과정입니다. 고품질 전자 제품을 제작하려면 다양한 요소를 종합적으로 고려해야 하며, 제대로 설계되지 않은 PCB는 제품의 품질과 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 설계자는 적합한 적층 구성과 PCB 재료를 신중하게 선택하여 고품질의 결과물을 얻어야 합니다. 고품질 PCB 적층은 높은 성능과 생산성을 제공하며, 간단한 2층 구성부터 복잡한 10층 HDI 설계까지, 설계 요구사항과 PCB 복잡성에 맞게 최적화될 수 있습니다.

고속 설계를 위해 설계된 적층은 일반 설계에 비해 비용이 더 많이 들지만, 비용 절감을 위해 적층 품질을 희생하면 신호 무결성이 저하되어 고속 응용 분야에서 사용이 어려울 수 있습니다. 따라서 적절한 재료 선택, 레이어 배치, 그리고 임피던스 제어에 집중함으로써 현대 전자 제품에 필요한 고성능, 신뢰할 수 있는 PCB를 설계할 수 있습니다. 또한 신뢰할 수 있는 제조업체와의 협업을 통해 설계가 생산으로 원활히 이어질 수 있도록 보장할 수 있습니다. 이는 혁신적이고 컴팩트한 기술 개발을 가능하게 합니다.