고속 신호는 MS가 유리할까 SL이 유리할까?

 SI를 처음 공부할 때(10년 전), 고속 신호는 SL을 사용하라고 책에서 본 것으로 기억을 한다. 아마 많은 사람들이 지금도 그렇게 생각할 것이다. 그런데, 이것이 지금도 항상 맞는 말일까? 그렇지는 않다. 요즘같은 GHz 대역의 신호를 사용하는 경우에서는 SL(Stripline)을 사용하는 것보다 MS(Microstrip)를 사용하는 것이 유리하다. 왜 그런지 살펴 보자.

 20년 전에을 생각해 보자. 1990년대 초중반의 PC는 286~486이 주류를 이루었는데, 이때 PC의 속도는 고작 수 십 MHz 대였다. 시간으로 환산하면 10 ns 이상이며, 길이로 환산하면 Rt 동안 진행하는 길이는 1 m 이상되었다. PC용 메인보드의 크기가 긴 변 기준으로 30 cm 정도 하니까 터미네이션이 필요없는 상황이었다. 즉 SI는 신경 쓸 필요가 별로 없던 시절이었다. 다만 이때도 EMI는 준수를 해야하는 사항었고 EMI를 도미넌트하게 만들어내는 신호는 이 때의 고속신호인 수 십 MHz의 신호였다. 이런 고속 신호가 전자파를 내보내거나 전자파의 영향을 받는 것을 예방하기 쉬운 방법은 신호를 SL로 구성하여 차폐시키는 것이다. 따라서 이 시기에는 고속 신호에 SL을 사용하는 것이 MS를 사용하는 것보다 좋다고 생각을 했을 것이다. 이 당시는 SI를 거의 무시하던 시기이다(via effect 같은 것은 생각할 필요도 없다).
그리고 그것은 SI가 중요해진 수백 MHz 신호를 사용할 때까지도 어느정도 유효 했다.
 PC를 기준으로 본다면 2000년대 중반 쯤에 가서야 CPU클럭이 GHz넘은 것으로 기억하는데, 이때 때부터 조금씩 문제가 발생한다. GHz 이상의 신호를 SL로 보낼 경우 EMI 차폐로 얻는 이익보다는 SI degradation 문제로 잃는 손해가 더 커지기 시작한 것이다. SL은 구조적으로 MS보다 유전율이 높을 수 밖에 없다. 높은 유전율은 고주파 신호의 dielectric loss를 급격히 심하게 만든다. 그것은 신호의 slope을 눕게 만들어 data eye를 닫히게 한다. 또한 PCB 표면에 있는 부품에서 SL로 신호를 뽑기 위해서는 via를 사용해야 하는데, via의 사용은 GHz 신호에서 보다 민감하게 noise를 유발시키는 요소이다. 따라서 SL을 사용하는 것보다 MS를 사용하는 것이 더 유리한 면이 많게 된다.

 위 에서 우리가 알 수 있는 것은 고속 신호라는 말 자체가 비교 대상이 없으면 정확하게 답을 할 수 없게 한다는 것이다. 따라서 case by case로 SL을 사용할 지 MS를 사용할지 결정을 해야 할 것이다. 이러한 결정은 송/수신 단의 거리, 보드의 유전율, via의 사용 갯 수, 신호의 Rt 등을 고려하여 결정해야 할 것이다.