PCBInside

멀티 레이어 PCB의 제일 흔한 소재인 FR4와 고속 보드에서 가격대비 성능비로 많이 사용되는 N4000-13을 비교하여 보았다. 

FR4는 패턴폭 0.085~0.13mm 사이에서 1 oz와 1/2 oz 사이에 대역폭 차이가 거의 없음을 알 수 있다.

같은 조건에서 FR4보다 N4000-13이 확실히 좋으나 길이가 길어지면서 그 경향은 다소 줄어든다.

패턴 폭이 굵을수록 손실이 적다.

PCB 패턴 길이가 400mm 이고 중간에 30AWG 코엑시얼 케이블이 사용될 경우,

인터커넥트의 대역폭이 1GHz 이상 확보되려면,

PCB 자재는 FR4보다 손실이 적은 N4000-13을 선택하고 케이블은 200mm 이하로 사용해야 한다.

위 케이스는 주워진 조건(자재는 무조건 FR4 혹은 N4000-13, 케이블은 200mm 이상) 하에서 1GHz를 달성할 수 있는지 살펴본 것이다.

수 년 전에 전 직장에서 있었던 일이다. 전무님과 나 그리고 PCB 디자이너들이 저녁 회식을 하는데, 그 자리에 전무님과 지인 관계에 있는 어떤 분이 함께 자리를 하게 되었다. 그 때, 그 분이 나에게 이런 말을 했다. “임피던스는 PCB 제조업체에서 다 맞춰주는 거 아니냐? ……”

그 분의 요지는 회로는 회로 엔지니어가 다 만들어 주고, 임피던스는 제조회사에서 다 맞추어주니까 PCB 디자이너는 뭐 별로 하는 게 없지 안느냐 하는 것 이었다. 나는 그 자리에서 반박하지는 않았다. 그 이유는 2가지 때문인데, 첫째는 실제로 그 분 말이 어느정도는 맞기 때문이다. 실제로 많은 PCB 디자이너들이 (연결만 하면 되는?) 단순 디자인 작업을 많을 하고 있기 때문이다. 둘째는, 그 분이 PCB 디자인 작업을 그렇게 대수롭지 않게 생각하고 있는데, 거기다 대고 이러 저러 해서 그렇지 않고 중요하다고 말한다는 것 자체가 좀 우스운 것 같아서이다.

임피던스 컨트롤은 누가 하나? 제조업체에서 하나? 그렇지 않다. 임피던스 컨트롤은 보드 디자이너 - PCB 디자이너와는 개념이 다르다. 보드 디자이너가 PCB 디자인을 겸할 수도 있고, 회로 디자인을 겸할 수도 있다 - 가 하는 것이다. 보드 디자이너가 50 ohm으로 할지 40 ohm으로 할지 혹은 60 ohm으로 할지를 결정한다. 제조업체는 주문한 요구사항에 맞추어 제작을 할 뿐이다. 임피던스를 결정한다는 것은 단지 그 값을 정하는 것 만이 아니다. 회로 관점에서는, 어느 부분에서 어떤 터미네이션을 어떻게 할지, 임피던스 오차는 얼마로 할지를 결정하는 것이며, PCB 디자인 관점에서는, 어떤 적층 구조로 가져갈지, 트래이스의 패턴 폭은 얼마로 할 지, 보드 재료는 무엇으로 할 지 등을 결정 하는 것이다. 그리고 이런 정보를 제작업체에 주는 것이며, 제작 후, 실제 값이 처음 설정한 값과 어떻게 달라졌는지를 살펴서 피드백하고, 만들어질 보드의 성능이 회로의 성능에 어떤 영향을 주는 지를 살피는 것이다. 심할 경우 via의 크기(직경, 높이, 패드, 클리어런스)도 임피던스에 영향을 주므로 이런 것까지 고려를 해야 한다. 결코 가벼운 작업이 아니다. 전문적인 기술을 요구하는 작업이며, 초고속, 고성능 보드에서 성능을 좌우하는 매우 중요한 키 포인트 중에 하나이다. 초고속(GHz)에서는 transition time이 매우 짧으므로, 아주 작은 impedance mismatch 구간도 critical하게 작용할 수 있다. Impedance가 그래서 중요한 것이고, 보드 디자인은 임피던스로 시작해서 임피던스로 끝난다고 말하는 것이다. 임피던스라고 하는 한 마디의 말로 표현되지만 그 안에는 많은 것이 녹아 있다.

PCB 디자인은 회로의 물리적 구현이다. 어떻게 구현되느냐에 따라서 성능이 많이 달라진다(다만 성능 차이를 못 느낄 정도로 마진이 큰 보드들이 많이 있다. 그래도 EMI 특성은 상당히 달라질 수 있다). 특히 고속(GHz) PCB에서는 그 효과가 확연히 들어난다. 어떻게 PCB를 디자인 하였느냐에 따라서 개발 비용이 수 배 차이가 날 수 있다. 그런데 어떻게 PCB 디자인을 단순 작업이라 부를 수 있는가? 현명한 투자자라면 인건비 두 배를 더 주더라도 똑똑하고 유능한 PCB 디자이너를 고용하는 것이 몇 배의 비용 절감을 가져온다는 것을 알 것이다. PCB 디자이너도 자신이 어떻게 하느냐에 따라서 회사의 비용을 대폭 절감 시켜 줄 수도 있고 반대로 회사에 (자신의 인건비와는 비교도 안 되는) 큰 비용을 지불 시킨다는 것을 잊지 말아야 한다.

Stackup (적층구조)

PCB 디자인에서 적중 구조는 매우 중요한데 그 이유는 EMI에 영향을 주는 루프와 관련이 있고 신호선의 임피던스에 영향을 주기 때문이다. 적층구조란 신호선과 파워 판 혹은 그라운드판을 어떻게 쌓아서 PCB를 구성할 것인가를 결정 짓는 것이다. 파워판 혹은 그라운드판으로 사용되는 레이어(layer)는 신호의 리턴 경로를 제공해 주기 때문에 신호선으로 사용되는 레이어만큼 중요하다.

리턴 경로로 사용되는 레이어를 판(plane)으로 만드는 이유는 최적화된 리턴 경로와 균일함 임피던스를 제공하기 위함으로, 선으로는 구현이 매우 힘들다. 주의 해야 할 것은 신호선 밑에(혹은 위에) 있는 레퍼런스 판이 항상 연속적이어야 한다는 것이다. 아래는 PCB에서 구현되는 대표적인 적층구조 3 가지를 표시 했다. 첫 번째는 마이크로스트립(microstrip; MS), 그 다음은 스트립라인(stripline; SL), 마지막으로 듀얼스트립라인 이다.

마이크로 스트립은 공기와 접해 있어서 effective 유전률이 절연체의 유전률보다 작다. 따라서 같은 절연체를 가지고 PCB를 구성할 때, 스트립라인 보다 신호 전달이 빠르다. 레퍼런스 레이어는 일반적으로 그라운드를 사용하지만 반드시 그럴 필요는 없다. 설계 단계부터 파워를 레퍼런스로 디자인했다면 레퍼런스 레어어를 파워로 해도 된다. 그럴 경우에는 PCB 디자이너와 회로 디자이너가 반드시 서로 소통해야만 한다.

스트립라인은 위 아래로 레퍼런스 레이어가 2개 있는 경우이다. 이 경우에는 레퍼런스를 둘 다 그라운드나 파워로 사용할 수도 있고 파워와 그라운드를 섞어서 사용할 수도 있다. 어느 경우든지 그 상태를 그대로 유지해야지 중간에 섞이거나 바꾸어서는 안 된다. PCB 디자인을 할 때 한 쪽 레퍼런스는 연속인데 다른 한 쪽이 불연속인 경우를 종종 보게 되는데, 결코 바람직한 디자인은 아니다. 스트립라인의 임피던스는 두 개의 레퍼런스가 모두 연속이라는 가정하에서 균일한 값을 갖는다. 여기서도 레퍼런스의 결정은 설계 단계에서 결정되어야 할 사항으로 PCB 디자이너 임의로 결정을 하면 안 된다. 반대로 회로 디자이너도 결정을 신중히 해야 하고 결정된 사항을 반드시 PCB 디자이너와 공유해야 한다.

많은 PCB 디자이너들이 간과해서 실수를 많이 하는 부분이 듀얼스트립라인 구조이다. 이 구조에서, 위쪽에 있는 신호선의 임피던스는 거의 위쪽 레퍼런스에 의해서 결정된다. 즉 위쪽 신호 레이어의 리턴 경로는 위쪽 레퍼런스 레이어라는 것이다. 같은 식으로 아래쪽 신호 레이어의 임피던스는 아래쪽 레퍼런스 레이어에 의해 결정이 된다. 따라서 두 신호선의 리턴 경로가 분명히 다르다. 따라서 한 쪽 레퍼런스에 불연속이 발생할 경우 싱글 스트립라인보다 훨씬 더 치명적이 될 수 있다.

좋은 적층구조는 신호선에 연속된 리턴 경로를 적절히 제공해 줄 수 있도록 레이어를 쌓아 놓은 구조이다. 비아(via)를 통해서 신호레이어가 바뀌어도 레퍼런스는 유지되어야 한다.

DFM (Design for Manufacturing)

PCB 제조 업체들마다 제작할 수 있는 공정의 능력에 차이가 있다. 이는 대부분 장비의 성능에 의존하지만, 그 외에도 업체 고유의 기술적 노하우에 의해서 차이가 발생한다. PCB를 디자인 하기에 앞서, PCB를 제작할 업체에서 무리 없이 제조를 진행할 수 있는지 여부를 확인해야 한다.

먼저 만들고자 하는 PCB의 재료(프리프레그)를 제조 업체에 보유하고 있는지 미리 파악해야 한다. FR-4처럼 흔한 재료는 항상 보유하고 있지만, 예들 들어 폴리에틸렌 계열의 프리프레그 같은 경우에는 재료를 재고로 가지고 있지 않을 수 있다. 이런 재료를 사용할 경우 미리 업체에 재료를 준비 시켜 놓아야 할 것이고, 이런 재료를 사용하여 제작이 가능한지를 알아보아야 할 것이다. 재료는 고주파 영역에서 PCB의 전기적 특성을 많이 좌우하므로 GHz 대역의 신호 설계처럼 고속 회로를 설계할 경우, 설계 단계부터 신중히 결정을 해야 한다.

재료 다음으로 제조 업체의 공정 능력을 파악해야 하는 데, 공정 능력을 파악하는 주요 변수로 사용되는 것이, 최소 패턴(trace)의 폭, 패턴 사이의 최소 간격(spacing), 최소 비아(via)의 직경, 최대 적층 두께, impedance tolerance 등이 있다. 업체 마다 자신들 고유의 이런 공정 능력치를 나타내는 파라미터 값을 가지고 있다. 그리고 이 값들은 절대적인 값이 아니라 어느 정도 만족할 만한 수율(yield)이 확보되는 선에서 결정이 된다. 따라서 이 값을 그대로 사용하는 것은 최소한을 보장하는 것이고 좀 더 좋은 수율을 원한다면 이 값보다 좀 더 마진을 두는 것이 좋다.

PCB 제조업체로부터 받은 공정능력 파라미터를 기초로 하여 디자인 룰을 만든다. 칩의 패드나 소켓의 커넥터 등 신호가 밀집되는 영역에서는 공정능력에 기초하여 타이트한 룰을 적용하고, 대부분의 라우팅(routing)이 이루어지는 일반 영역에서는 ‘3W 룰’처럼 신호의 품질을 유지할 수 있는 느슨한 디자인 룰을 적용하는 것이 바람직하다. 밀집도가 매우 높은 보드에서는 시뮬레이션을 통하여 크로스토크를 산출한 뒤 최소 간격을 정하여 디자인 룰에 반영해야 한다.

제조 업체들은 일반적으로 좀 더 진보된 공정과 일반적인 공정을 가지고 있는데, 진보된 공정을 이용하면 좀 더 섬세하게 – 패턴 폭을 작게 한다거나 임피던스 오차를 작게 한다거나 등 – 제작을 할 수 있다. 그러나 그만큼 비용은 증가한다. 따라서, 보드의 성격 및 특성을 고려하여 어떤 공정을 이용할 지를 결정하는 것이 비용 대비 효과를 증가시킬 것이다.

디자인이 완료되면 아트워크 필름 데이터(주로 ‘거버’ 데이터라 불린다)를 제조 업체에 보내주어 제조를 하게 된다. 이 때, 제조될 PCB가 디자이너의 의도를 제대로 반영하려면 제조와 관련된 디자이너의 의도를 제조자에게 잘 전달해 주어야 한다. 이런 의도를 담은 내용을 팹노트(fabrication note)라고 하는데, 이것도 역시 필름 형태로 만들어 아트워크 필름을 줄 때 같이 포함하여 주면 된다. 팹노트에는 거버 포맷, 보드의 디멘전(dimension), Tg(thermal gradient), 유전체(코어/프리프레그), 적층구조(두께정보 포함), 각종 제조 상의 처리에 관련된 사항, 허용 오차, … 등을 포함할 수 있다.

DFM의 목적은 수율 향상이다. 즉 비용절감이다. 따라서 너무 마지널하게 디자인하지 말고 여유를 두어 디자인하는 것이 필요하다.

DFA (Design for Assembly)

PCB제조 업체에서 만들어진 PCB는 조립업체로 보내져 조립 과정을 거쳐야 완성된 PCB가 된다. 조립이 되기 전의 PCB를 베어(bare) PCB라고 부르고 조립이 완료된 PCB를 PCA(printed circuit assembly) 혹은 PCBA(printed circuit board assembly)라고 부른다.

조립은 크게 자동과 수동이 있다. 보드의 부품이 적고, 핀간 피치가 너무 좁지 않으며, 보드의 수가 적은 경우에는 수동 조립이 가능하나 위 3가지 조건 중 하나라도 만족하지 못할 경우 자동 조립을 이용하는 것이 비용과 시간 면에서 효과적이다.

PCB 제조 과정에도 수율이 있듯이 조립 과정에도 수율이 있다. 그리고 디자인 어떻게 하느냐에 따라서 조립 수율이 좋아질 수도 있고 나빠질 수도 있다. 수율을 결정하는 디자인 요소는 크게 2 가지로 첫째가 패드 디자인이고 둘째는 부품간의 간격 및 배치이다.

먼저 패드 디자인에 대해서 살펴 보자. 수동 조립의 경우에는 자동 조립에 비해서 패드 사이즈가 커야 한다. 그러나 자동 조립을 한다면 가급적 작은 패드가 좋다. 따라서 같은 부품의 패드라 하더라도 자동용과 수동용을 따로 관리하는 것이 수율을 높일 수 있다. 가장 좋은 패드는 업체에서 제공하거나 추천하는 패드를 사용하는 것이 수율 향상에 도움이 된다. 업체에서 제공하는 패드가 없을 경우, 다음 디자인 가이드를 따르면 수율을 향상 시킬 수 있다. 먼저 SM(surface mount) 패드의 디자인은 패드가 부품의 단자를 충분히 감쌀 수 있도록 크게 하고, 패드와 패드 사이의 거리는 멀게 하는 것이 수율 향상에 도움이 된다. 그리고 패드 사이의 솔더 마스크는 없애는 것이 좋다. 두 번째로, IM(insertion mounting) 패드의 경우, 홀의 사이즈 결정이 매우 중요한데, 너무 크면 솔더가 홀 밖으로 빠져나가고 너무 작으면 솔더가 홀 속으로 들어가지 않는다. 다음 공식을 사용해 보자. 아울러 Thermal relief도 반드시 사용해야 한다. 그렇지 않을 경우 패드 들뜸(delamination)이 발생한다.

홀 사이즈 = 핀 직경 + (plating 두께 x 2) + pin pitch tolerance + (0.05~0.1)

두 번째 수율 결정 요소인 부품의 간격에 대해서 살펴 보자. 부품의 간격이 너무 넓으면 공간이 낭비되지만, 너무 가깝게 하면 조립 수율이 나빠질 수 있다. 예를 들어, 패드 간격이 너무 가까우면 서로 short가 발생할 수도 있고, 부품을 픽업(pick-up)하기 어려울 수도 있다. 디자인을 시작하기 전에, 수율에 영향을 주지 않는 최소 부품 간격을 조립 업체에 문의해서 반드시 확인해보아야 한다. 또한 디스크릿(discrete)류의 부품을 큰 부품에 너무 가까이 붙이면 냉납(cold soldering)이 발생할 소지가 있다. 업체로부터의 가이드가 없다면 디스크릿류는 1 mm 이상, 부품은 2.5 mm 이상 띄우는 것이 바람직하다. 배치도 간격만큼 중요하다. 기계적 스트레스로부터 부품을 보호하기 위해서, 코너나 가장자리로부터 5mm 이상 안쪽으로 부품을 배치하는 것이 좋고 센터를 피하는 것도 좋은 방법이다. 패널을 분리하는 과정이나 PCB를 다루는 과정에서 코너나 가장자리 혹은 중앙 부위는 기계적 스트레스를 많이 받는다.

그 외에, 부품의 배치에 따라서 조립 머신의 속도가 빠르거나 느려질 수 있고, 패드에서의 팬아웃(fan-out) 라우팅 방법에 따라서도 수율이 영향을 받을 수 있다.

Routing (라우팅)

  라우팅과 관련한 여러 가지 주의 사항이 있겠지만, 가장 중요한 리턴 경로에 대해서 알아 보자.

PCB 디자이너 의 실수로 그라운드 – 정확하게는 리턴 경로 – 에 슬릿(slit)이 생기는 경우를 종종 보게 된다. 디자인을 하다 보면 많은 via를 좁은 영역에서 뚫는 경우가 종종 발생하는 이때 비아와 그라운드 판 간의 클리어런스(clearance) 때문에 아래 그림과 같이 슬릿이 발생할 수 있다.

신호선의 임피던스 입장에서 보면 바로 밑에 있던 판이 없어져서 C값이 작아지고, 반면 루프는 커져서 L값이 증가한다. 즉 Z가 커지게 된다. 또한 슬릿 위를 지나가는 트레이스가 많을 경우, 슬릿 양 끝 단에 리턴 전류가 몰리게 되어 크로스토크가 크게 증폭된다.

  위 그림은 적절히 잘 된 디자인이다. 왜냐하면 리턴 전류가 끊김 없이 부드럽게 흐를 수 있도록 디자인되어 있기 때문이다. 여기서 중요한 포인트는 리턴 경로로 사용된 판이 하나라는 점이다. 아래의 예에서는 똑같이 비아를 경유하여 신호 레이어를 갈아타는 구조이만, 적절치 못한 예인데, 왜 그런지 살펴보자.

먼저 첫 번째 경우, 아래쪽의 트레이스에서 위쪽 트레이스로 레이어를 갈아 탈 때, 아래 쪽 트레이스의 리턴 경로는 위로부터 세 번째 판의 밑에 형성이 되고, 위 쪽 트레이스의 리턴 경로는 첫 번째 판 의 위에 형성이 된다. 그리고 이 두 리턴 경로의 연결은 근처에 있는 두 판을 연결 시켜주는 비아를 통해서 이루어진다. 따라서 루프의 면적이 커지게 되고, 임피던스가 깨지게 된다. 임피던스가 깨지는 정도는 면적의 크기에 비례하므로, 보드의 두께가 두꺼울수록 그리고 shorting via와 signal via 사이의 거리가 멀수록 커진다. 두 번째 경우는 아예 근처에 shorting via가 없는 경우이다. 이 경우에는 판과 판 사이의 기생 capacitor를 이용해서 리턴 전류가 흐른다. 혹은 우리가 알지 못하는 어떤 곳을 찾아 흐른다. 첫 번째 경우보다 더 안 좋은 경우이다. 문제는 정도의 차이이다. 보드가 정상 동작할 수도 있겠지만 마진을 확보하기는 어려울 수 있다. 비아를 통해 레이어를 갈아탈 경우, 인접 레이어를 사용하거나 shorting via를 가까이 두자.