PCBInside

어떤 분이 교육을 받던 중에 90도 라우팅과 관련된 이야기가 나왔다고 합니다. 문제는 아래 3개 중에서 가장 좋은 것을 고르라는 내용 이었답니다.

1. 직각

2. 45도

3. 곡선

교육은 받으신 분은 3번을 선택했고, 강사님은 2번이 정답이라고 했다고 합니다. 이유는 가장 현실성 있고, VIA의 배치나 공간상의 잇점이 있기 때문이었다고 합니다. 즉 이론상은 3번이 좋지만, 현실상은 2번이라고 강사분께서 이야기 했다고 합니다.

여기서, 제 의견을 말씀 드리겠습니다. 이론적으로 가장 좋은 것은 3번이 맞습니다. 신호선 주변의 전자기장 분포를 생각해 볼 때 변화의 크기가 제일 적은 적은 것이 품질이 가장 좋습니다. 곡선이 변화가 제일 적을 것입니다. 그런데, 여기서 중요한 부분은 그 품질 차이가 유의미한 품질 차이인가 입니다. 품질 차이를 느낄 수 없다면 그것이 곡선이든 직선이든 무슨 상관 있겠습니까?

예들 들어 우리의 눈은 60Hz 주기로 꺼짐과 껴짐이 반복되는 LED를 켜진 것으로 봅니다. 즉, 꺼진 줄 눈치채지 못합니다(항상 켜져 있는 것 보다 밝기는 약하겠지만). 만약 10Hz 정도로 꺼짐과 켜짐이 반복 되었다면 LED 불빛의 떨림을 감지 할 수 있을 것입니다. 자 그럼 120Hz로 더 빠르게 한 것이 60 Hz와 차이가 있을까요? 240Hz는요? 우리가 느낀다면 의미 있는 것이지만 느끼지 못한다면 같은 거라고 보아도 될 것입니다. 그럼, 칩 입장에서 들오는 신호가 똑 같이 보인다면 그 신호가 지나온 경로의 차이가 의미가 없는 것이고, 칩에서 보았을때 신호가 다르게 보인다면 경로의 차이는 의미가 있는 것이라고 볼 수 있을 것 입니다.

아래 50mm x 50mm 보드에 30mm 길이를 갖는 3개의 선이 있습니다. 유전율은 4.2이고 손실계수는 0.02 이며 트래이이스 폭은 0.13mm에 51ohm 입니다.

위 3 신호 선의 S21(전달)특성은 아래와 같습니다.

10GHz까지 특성이 같은 것을 볼 수 있습니다(너 높은 주파수 까지 올라가면 다소 달라 질 수 있습니다).

다시 정리를 하자면, 우리가 흔히 사용하는 디지털 신호 범위 내에서 직각/45/곡선은 모두 같습니다. 왠지 직선은 나쁘고 곡선은 좋을 것 같다는 것은 너무 이론적인 생각에 지배된 결과인 것 같습니다.

잘 생각해 보면, 꺽인 구간은 시간으로 환산 하면 1ps 이하 될 정도로 짧은 시간 입니다. 이 시간에 커진 C 값을 느낄 정도면 신호가 어마무시하게 빨라야 할 것 입니다.

전송선이 아닌 회로(예들 들어 매칭 회로)로서 선에서 아주 짧은 길이도 매우 중요 합니다. 왜냐하면 매칭 특성서이 달라집니다

교육을 받으신 분이 궁금해 하는 또 다른 것은 곡선이 이론상 좋지만 많은 사용자들이 사용하는 툴인 PAD의 사용 상의 제약으로 인해 45도 설계를 권장하는 것이 현재 아트웍 업계의 관례가 아닌지, 그래서 Allegro 같은 곡선 설계도 잘 할 수 있는 툴을 사용 하면 곡선으로 최적 설계가 될 수 있는것 아닌 지에 대한 것 입니다.

일상적인 디지털 신호 범주에서는 차이가 없음은 위에 설명 하였습니다. 그런데, 옛날에 만들어진 많은 PCB 설계 가이드를 보면 45도가 90도 보다 좋으니 45도 그리라고 되어 있습니다. 그리고 대부분의 분들이 맹신적으로 그것을 따르고 있습니다. 우리나라 PCB 설계하시는 분들의 대부분이 PAD를 사용하는 것은 맞는 것 같습니다. PAD는 SOHO용 툴이라 Enterprize급인 Expedition이나 Allego보다 여러 면에서 성능이 떨어지는 것은 사실입니다. 그리고 Allegro를 사용하면 쉽게 원형 설계, ARC 설계 등을 할 수 있는 것도 사실 입니다. 실제로 알레그로에서 ARC로 라우팅해도 어려울 것이 별로 없습니다. 그런데, 많은 알레그로 사용자 분들도 굳이 일부러 ARC로 하지는 않는 것 같습니다(제 추즉은 기존에 45도로 하던 습관이 계속 되는 것 같습니다). 공간 제약 등으로 ARC를 사용해야 라우팅에 유리한 경우가 흔하진 않지만 가끔 있습니다. 그런 경우에 ARC를 사용하는 것 같습니다. 그리고, 6Gbps 이상을 신호를 전송하는 고속 직렬 통신 신호선은 ARC를 많이 사용합니다. 질문자 분계서 말씀하신 최적화를 위한 예 입니다. 그런데, 8/10/12Gbps 이상의 속도가 되면 신호선 곡선 처리보다 패드 처리나 via 처리 등 다른 더 중요한 부분들이 있습니다.

다시 질문에 답변드리자면, 알레그로 같은 툴을 사용하면 곡선 설계도 잘 할 수 있고 최적화 할 수 있습니다. 다만 대부분의 디지털 보드는 곡선 설계로 신호 성능이 체감적으로 좋아지지는 않습니다. 다르게 보면 90도로 그려도 체감적으로 나빠지지도 않습니다. 다만 미관적으로 좋지 않고 직선은 면적도 많이 차지 합니다. 통상은 직선 위주의 라우팅이 작업 속도도 빠르고 직관적인 면에서 유리합니다. 하여 직선위주로 작업을 하되 꺽이는 곳은 45도를 적용하는 것이 일반적인 PCB 라우팅 방법이고, 이 방법은 적절한 방법인 것 같습니다. 강사분도 이런 현실성에 바탕을 둔 답을 하신 것 같습니다.

마지막 질문은 45도가 관례가 된 이유가 45도로 설계하더라도 공정상의 문제, CAM 상의 문제로 인해

정확히 45도가 아닌 135도 이상의 ARC를 가지게 되기 때문에, 결국 상관이 없지 않는지...

재밌는 부분은 IC 칩 내부에서는 대부분의 선들이 직선으로 처리 됩니다. PCB 툴은 선(line) 베이스이고 IC 툴은 다각형(polygon) 베이스 입니다. 따라서 PCB는 어떤 작은 원을 그어서 배선을 합니다. 볼펜으로 그렸다면 생각하면 이해가 쉬울 듯 합니다. IC는 종이에 칼로 긴 사각형을 그려 오려내어 붙였다고 생각하면 쉬울 듯 합니다. 그럼 IC 내 배선들은 직각을 띄고 있을 까요? 멀리서 보면 직각 맞습니다. 가까이서 보면 직각 부분이 라운드가 됩니다. 볼펜으로 그린 것 처럼요. 이는 노광 및 식각 과정이 디지털처럼 무 자르듯 되는 것이 아니라 번짐 현상이 있기 때문입니다. PCB는 처음부터 원을 그은 것이라서 직각이 될 수 없습니다. 물론 번짐이나 과도한 식각 같은 현상도 있습니다. 그런데, 그것으로 45가 135도가 된다는 것은 좀 억지스런 주장 같습니다. 큰 틀로 보면 45도는 45도 입니다. 위에 말씀드렸듯이 매우 작은 부분이 확대되어 그것을 곡선으로 볼 정도면 매우 짧은 시간이고 그것은 일반적인 디지털 신호 영역을 넘어서는 부분입니다.

유사  참고 자료: Delay Tune(트럼보닝)