1. 고속 PCB 설계에 대하여
현대 세계에서, 전자 제품의 복잡성은 빠른 데이터 전송, 우수한 이미지 처리, 높은 컴퓨팅 성능 및 더 많은 기능성 등 높은 성능을 요구하는 수요로 인해 증가했습니다. 이는 PCB(회로 기판)의 구성 요소 수가 증가하고, 5GHz 이상의 높은 주파수 신호, HDMI, DDR3/4, 기가비트 이더넷 및 HDI(High Density Interconnect) PCB 기술 등의 고속 인터페이스, Blind 와 buried microvias를 가진 고밀도 인터커넥트 PCB 기술 등이 필요해졌음을 의미합니다. 미래에는 컴퓨터, 휴대폰 및 통신 장치로부터 더 높은 성능이 요구될 것이며, 이는 PCB가 더 높은 속도 및 더 높은 구성 요소 밀도에 대응할 수 있도록 설계되어야 함을 의미합니다.
앞으로 고속 PCB 설계의 도전과 그에 대응하기 위한 최적의 실천 방법에 대해 다룹니다.
고속 설계에는 특별한 주의가 필요하며, 일반적으로 저속 설계에서 필요하지 않은 요구 사항입니다. 요즘에는 고속 설계가 일반적으로 더 복잡합니다.
1.1 일반적인 PCB 회로 설계
아주 간단히 설명하면, 전자 제품은 제품 디자인 컨셉부터 제품 요구 사항 및 명세서 문서(주요 전자 구성 요소/장치 목록 및 사용할 주요 통신 인터페이스 포함), 회로 구성도 설계, PCB 설계, 마지막으로 PCB 제조 및 조립 단계를 거칩니다.
일반적으로 제품 컨셉의 정의, 상세한 제품 요구 사항 작성, 회로 구성도 설계는 시스템 디자이너의 역할 입니다.
회로 구성도 입력 과정에서는 디자인을 기능 블록으로 나누고, 모든 관련 구성 요소를 한 페이지에 모으며, 고속 연결과 전원 연결을 명확히 표시하는 데 주의를 기울여야 합니다. 예를 들어, 전형적으로 50MHz 이상에서 작동하는 이더넷 관련 구성 요소들은 회로 구성도의 한 페이지에 모아집니다. 차분 및 단일 종단 임피던스 제어 라인은 회로 구성도에서 명확히 표시되어야 합니다. 또한, 고전류 추적 및 전압을 지정해야 합니다. 이렇게 하면 PCB 디자이너가 구성 요소 배치 전략과 라우팅 전략을 결정하는 데 도움이 됩니다.
회로 구성도가 최종화되면 BOM(부품 목록)도 시스템 디자이너에 의해 검증 및 승인되어야 합니다.
이러한 작업이 완료되고 PCB 디자이너에게 제공되면 PCB 설계 계획을 수립해야 합니다. 첫 번째 단계로, 디자인의 고속 특성과 복잡성을 적절히 평가해야 합니다. 이러한 평가를 기반으로 적절한 PCB 기술을 선택하고 스택업을 설계합니다.
다음 단계는 PCB 레이아웃 설계로, 이 과정에는 부품 풋프린트 생성, 추적 너비, 추적 간격 등 DRC(Design Rule Check) 매개 변수 설정, via 패드스택 지정, 제어 임피던스 추적 식별 및 규칙 설정, 부품 배치, 라우팅이 포함됩니다. 배치와 라우팅이 진행되는 동안 신호 무결성 문제와 EMI를 줄이기 위한 모든 최상의 실천 방법이 고려됩니다.
모든 이러한 개념은 후속 섹션에서 자세히 다루어질 것입니다.
한 번 PCB 설계가 완료되고 모든 이해 관계자에게 검토 및 승인을 받으면 PCB 제조 과정과 최종적으로 PCB 조립 단계로 넘어갑니다.
PCB 디자이너들이 디자인이 제조 가능하고 성공적으로 조립될 수 있도록 보장해야 하는 것이 매우 중요합니다. 따라서 제조에 앞서 디자이너들은 제조용 설계(DFM, Design for Manufacturability) 및 조립용 설계(DFA, Design for Assembly) 관점에서 디자인을 철저히 검토해야 합니다.
1.2 고속 디자인 여부를 판단하는 기준이 무엇인가요?
회로 기판을 위한 성공적인 PCB 설계를 실행하려면 먼저 해당 디자인이 실제로 고속 디자인인지를 확인해야 합니다. 디자인이 고속 디자인인 경우 PCB 디자이너는 디자인 프로세스 중 특별한 주의를 필요로 하며, 이를 고속 디자인 고려 사항으로 명명하겠습니다. 이 글의 주제 입니다.
1. 대부분의 경우, 시스템 디자인 엔지니어링 팀은 과거 경험을 바탕으로 이것이 고속 디자인일 것이라고 결정할 수 있습니다. 디자인 팀은 이를 받아들여야 하며, 아래 설명된 프로세스를 통해 검증할 수 있습니다.
2. 때로는 명시적으로 디자인이 고속 디자인임을 명시하지 않을 수 있습니다. 그런 경우에는 디자인 팀이 해당 디자인이 고속 디자인인지 여부를 결정해야 합니다. PCB가 고속 디자인을 필요로 하는지 여부를 결정하기 위해 우리는 두 단계의 프로세스를 따릅니다
먼저, 시스템 디자이너들은 디자인의 다음과 같은 매개변수 중 하나 이상의 값을 명시해야 합니다.
• 회로 내에서 가장 높은 속도 신호의 최대 주파수 (Fm).
• 디지털 신호의 가장 빠른 상승(또는 하강) 시간 (Tr).
• 회로 내 신호에 적용 가능한 최대 데이터 전송 속도 (DTR).
기쁜 소식은 위의 세 매개변수가 모두 필요하지 않다는 것입니다. 하나만 있어도 충분하며, 나머지 두 매개변수를 대략적으로 추정하는 것이 가능합니다. 아래의 공식을 사용하여 나머지 두 매개변수를 대략적으로 추정할 수 있습니다.
Fm ≈ 0.5 / Tr ≈ 2.5 DTR
여기서 우리의 목표는 최고 신호 주파수 내용인 Fm을 결정하는 것입니다.
(Ex.1) 디지털 신호의 가장 빠른 상승 시간이 다음과 같이 주어진 경우
Tr = 100ps (피코초). 그럼, Fm = 0.5 / (100 x 10-12 sec.) = 5 x 109 Hz = 5GHz.
(Ex.2) 최고 데이터 전송률이 주어진 경우
DTR = 5.0Gbps (기가비트/초). 그럼, Fm = 2.5 x DTR = 2.5 x 5.0 x109 bps = 12.5GHz.
일반적인 규칙으로, 신호 내에서 최고 주파수 내용인 Fm이 50MHz보다 크면 고속 디자인으로 간주해야 합니다.
위의 규칙은 대부분 적절하지만, Fm = 60MHz일지라도 고속 디자인 고려가 필요하지 않을 때가 있는 특별한 경우가 있으며, Fm = 40MHz일지라도 고속 디자인 주의가 필요한 경우가 있습니다. 더 확실하게 하려면 다음의 추가 단계를 수행해야 합니다
두 번째로, 주어진 주파수(Fm)에 대한 전기적(정확히는 전자기적) 신호의 PCB에서의 파장(λm)을 결정해야 합니다.
Fm에 대한 파장: λm = v / Fm
여기서: v = PCB 상의 신호 속도 ≈ (11.8 inch/ns) I
여기서: Ereff = PCB 재료의 유효 유전 상수
전파 지연: tpd = 1/ v
위의 식에서 속도 'v'를 알고 있다면, 주어진 주파수 Fm에 대한 파장 'λm'을 계산할 수 있습니다.
1.3 디자인의 복합성
고속 디자인 고려 사항 외에도 디자인의 복잡성을 평가해야 합니다. 복잡성은 특별한 디자인 고려 사항을 필요로 하기 때문입니다. 디자인 복잡성에서 중요한 역할을 하는 주요 요인들은 다음과 같습니다.
• 구성 요소 밀도 및 회로 기판의 구성 요소 수/크기
• 필요한 라우팅 밀도
• BGA(볼그리드 어레이)와 같은 고핀 카운트 디바이스의 핀 간격
- 0.5mm, 0.4mm 피치의 파인 핀 BGAs(>16 핀)는 대부분 적절한 IO 팬아웃을 위해 블라인드 및 버리드 비아를 필요로 합니다.
- BGA의 핀 수가 250개를 초과합니다.
• 인터페이스 유형: HDMI, 기가비트 이더넷, DDR 등.
• 사용될 PCB 기술
• 구성 요소가 500개를 초과하는 큰 크기의 기판
• 100옴의 차분 신호선, 50옴의 단일 종단 선에 대한 임피던스 제어가 필요하며 구성 요소가 500개를 초과하는 디자인
• 레이아웃 작업에 2주 이상이 소요되는 모든 디자인
• 구성 요소 핀의 밀도가 제곱 인치당 110개 이상(제곱 센티미터당 17개)
• 구성 요소 부품의 밀도가 제곱 인치당 10개 이상(제곱 센티미터당 1.55개)
• 디지털, 무선 주파수(RF), 또는 아날로그의 혼합 기술이 필요한 회로
• 구성을 위해 혼합 재료가 필요한 기판
• 엄격한 전기 제약 조건이 있는 기판
• 복잡성에 따라 8 ~ 12층 이상의 레이어를 가진 기판.
1.4 고속 인터페이스 설계시 고려 사항
고속 PCB를 설계할 때 고려해야 할 특별한 사항들이 있습니다:
• 모든 고속 인터커넥션은 신호 왜곡, 크로스트크 및 전자기 방사를 줄이기 위해 포인트 투 포인트 연결이 아닌 전송 라인으로 설계되어야 합니다.
• 신호 저하의 모든 원인은 허용 가능한 한도 내에서 관리되어야 합니다.
• 구성 요소 밀도, 배선 밀도, 통신 프로토콜 및 복잡한 장치의 요구 사항을 충족하기 위해 적절한 PCB 기술을 선택해야 합니다.
• 비허용 가능한 수준의 전자기 방사의 모든 원인은 통제되어야 합니다.
• 고속 회로에서 전원 및 지상 레일에 높은 주파수 잡음이 발생하는 경우에도 적절한 전원 무결성을 유지해야 합니다. 전자 장치와 구성 요소에 모든 필요한 전원 공급 전압이 제공되어 정상적으로 작동하도록 보장해야 합니다.
• 구성 요소 밀도, 배선 밀도, 통신 프로토콜 및 복잡한 장치의 요구 사항을 충족시키기 위해 적절하고 특별한 PCB 라우팅 방식을 채택해야 합니다.
위 사항 중 1~3번째는 주로 신호 무결성과 PCB 스택업 디자인 학문에 포함되며, 4번째 항목은 EMI에 해당됩니다. 5번째는 전원 무결성에 속하고, 6번째는 특별한 레이아웃 라우팅 기술에 해당됩니다.
>>>>그 다음에 이어서 다루도록 하겠습니다.