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신호 레이어가 비아를 통해 변경될 때, 리턴 전류의 흐름을 잘 보여주는 그림이 있어서 올려 본다.

먼저 어떤 신호 레이어에서 인접 신호 레이어로 변경될 때이다.

리턴 전류(빨간색)는 신호 전류(검정 점선) 바로 아래 형성이 된다. 위쪽 신호 레이어의 리턴 전류는 레퍼런스 판의 위쪽에 형성이 되고, 아래쪽 신호 레이어의 리턴 전류는 레퍼런스 판의 아랫쪽에 형성 되며, 레퍼런스 판의 위 아래에 형성된 리턴 전류는 판의 클리어런스 홀 기둥을 통해서 연결 된다. 이렇게 리턴 전류가 형성 되어야 루프 인덕턴스가 최소가 되기 때문이다.

다음은 어떤 신호 레이어가 인접 신호 레이어가 아닌 멀리 떨어진 신호 레이러로 변경 될 때이다.

이 경우 두 신호 레이어의 레퍼런스 판이 물리적으로 다른 판이 된다. 위쪽 신호 레이어의 리턴 전류는 위쪽 레퍼런스 판의 위쪽에 형성되고, 아래쪽 신호 레이어의 리턴 전류는 아래쪽 레퍼런스판의 아래쪽에 형성된다. 두 레퍼런스 판은 물리적으로 분리되어 있으므로 두 판에서 흐르는 리턴 전류가 연결 되려면 두 판을 연결 시켜주는 shorting via가 필요하게 된다. 위 그림은 신호 비아 근처에 두 레퍼런스 판을 연결시켜주는 비아 한 개를 놓은 경우이다. 따라서 아래쪽 판의 아래쪽으로 흐르던 리턴 전류는 아래 판의 클리어런스 홀 기둥을 타고 올라와서 그 판의 위쪽으로 해서 shorting via 쪽으로 전류가 흐른 후 그 비아를 타고 올라가 위쪽 레퍼런스 판의 아래쪽에서 신호 비아의 클리어런스 기둥 쪽으로 흐른후 기둥을 타고 올라와 판의 위쪽에서 위쪽 신호 레이어와 마주보며 흐르게 된다.

두번째 경우를 좀 더 생각해 보자, 신호 비아와 레퍼런스 쇼팅 비아 사이의 거리(s)는 루프 면적 에 영향을 주므로 신호 트래이스의 임피던스에 영향을 준다. 같은 이유로 두 판사이의 거리(h)도 멀수록 s의 효과가 더 커지게 된다. s만으로 임피던스 제어가 어려울 경우 via의 수량 자체를 늘려 제어 할 수 있다. 위 그림에서는 한 개의 쇼팅 비아를 사용했지만 경우에 따라 2~4개의 비아를 사용할 수 있을 것이다. 다른 경우로, 아예 쇼팅 비아 없는 경우를 생각할 수 있다. 그 경우에는 두 레퍼런스 판 사이의 기생 커패시턴스를 경로 삼아 전류가 흐르게 되는데 가급적 피하는 것이 좋다.

그림 출처: www.sigcon.com

 최근 signal의 speed가 GHz 대역으로 사용되면서 심각하게 고려해야되는 factor 중에 하나가 via이다. 잘못된 via의 사용은 interface의 voltage margin을 심각하게 줄이거나 심지어 error를 유발할 수도 있다. 그럼 어떻게 하면 via의 효과를 줄일 수 있는지 살펴보자.

1. full-size via 보다는 blind via를 사용한다.

2. signal이 어떤 power(혹은 ground) plane에서 다른 power plane으로 reference plane을 갈아 탈 경우 근처에 bypass capacitor를 붙여준다.

3. 더 좋은 방법은 같은 power(혹은 ground) plane을 refernece로 사용하고, plane-to-plane via를 근처에 뚤어 준다.

4. 더 좋은 방법은 한 plane의 양면을 사용하는 것이 좋다.

5. 결정적으로 both-end termination을 해주면 효과가 매우 좋다.

추가 : 보드의 두께, 비아의 크기(드릴,애뉼라링,안티패드)는 유발되는 노이즈의 양에 큰 영향을 줄 수 있다. 좀 더 정확한 예측을 원한다면 HFSS같은 시뮬레이션 툴을 사용하여 결과를 예측해 보는 것이 좋을 것이다.