고속 배선 설계 기법

이론이 말하는 것은 하나다 — 불연속을 줄이고 리턴 경로(return path)를 끊지 않는다. 이 문서는 그것을 배선(routing)에서 어떻게 하는가를 다룬다.

1. 종단 — 반사를 없애는 방법

방식	어디에	성질	쓰는 자리
직렬	구동단 바로 옆	되돌아온 반사(reflection)를 구동단에서 흡수한다. 정적 전류가 없다	점대점 · 클럭 · 저전력
병렬	수신단	선을 임피던스(impedance)로 끝맺는다. 정적 전류가 흐른다	한 방향 · 데이지 체인 끝
테브난	수신단	전원과 접지로 나눠 받아 기준 전압도 만든다	버스(bus) · 개방 드레인
AC(RC)	수신단	커패시터가 직류를 끊어 정적 소비가 없다	클럭 분배 · 분산 부하

1.1 선정 기준

• 직렬 종단(termination)은 구동단 바로 옆에 둔다. 떨어질수록 그 구간이 종단되지 않은 짧은 선으로 남는다
• 양방향 신호에는 직렬을 쓰기 어렵다 — 반대 방향에서는 저항이 수신단 앞에 배치된다
• 정적 전류를 감당할 수 있는가가 병렬·테브난의 실제 판단 기준이다
• 요즘 부품은 버퍼 안에 종단을 갖는 경우가 많다. 있는데 밖에 또 달면 과종단이 된다

참고

종단 저항값은 배선 임피던스에서 나온다. 임피던스가 확정되기 전에는 저항값도 확정되지 않는다. 그래서 스택업(stackup)이 배선보다 먼저다.

2. 토폴로지

토폴로지	성질
점대점	다루기 가장 쉽다. 종단 하나로 끝난다
데이지 체인	한 줄로 지나며 들른다. 스터브를 짧게 유지하는 것이 관건
스타	갈래마다 길이가 다르고 분기점에서 임피던스가 갈라진다
플라이바이	지나가며 들르고 끝에서 종단한다. 스터브가 가장 짧다

분기는 그 자체가 불연속이다. 갈라지는 지점에서 두 갈래가 병렬이 되어 임피던스가 절반으로 보이고, 각 갈래 끝에서 반사가 돌아온다. 그래서 고속 버스는 스타를 피하고 플라이바이로 간다.

3. 길이 정합과 스큐

3.1 맞추는 것은 길이가 아니라 지연이다

길이는 지연의 대리값일 뿐이다. 다음이 있으면 길이가 같아도 지연이 다르다.

• 두 배선이 다른 층에 있다 — 유효 유전율이 달라 전파 속도가 다르다
• 비아(via) 수가 다르다
• 유리 직물의 짜임 위를 지나는 자리가 달라 유전율이 미세하게 다르다
• 손실이 달라 에지 둔화가 다르게 나타난다

그래서 순서가 있다.

① 경로와 비아 수를 먼저 같게 한다 → ② 남은 차이만 미앤더로 맞춘다.

3.2 미앤더의 규칙

규칙	이유
되돌아오는 구간을 너무 가깝게 두지 않는다(선 폭의 3배 이상)	자기 자신과 결합해 지연이 줄고 임피던스가 흔들린다
짧은 쪽을 늘린다	긴 쪽을 줄이는 것은 재배선이다
차동 쌍(differential pair)은 어긋난 쪽만 먼저 맞춘다	짝 내 스큐와 짝 전체 길이는 다른 축이다
가능하면 어긋난 자리 가까이에서 맞춘다	멀리서 맞추면 그 사이 구간이 비대칭으로 남는다

3.3 요구 정합 수준

값은 규격이 정한다. 흔한 기준은 짝 내 스큐를 단위 구간(1비트 시간)의 5 ~ 10 % 안에 두는 것이고, 물리 길이로는 규격에 따라 ±0.05 ~ 0.13 mm 급을 요구하기도 한다.

요구값을 먼저 찾고 그 다음에 배선한다. 반대로 하면 배선을 마친 뒤에 전부 다시 배선하게 된다.

4. 차동 쌍

차동 쌍의 규칙은 배선·배치 실무 §6 이 스택업 관점에서 다룬다. 배선 관점에서 더할 것은 셋이다.

축	규칙
짝 내 대칭	두 선이 같은 것을 겪어야 한다 — 같은 층 · 같은 비아 수 · 같은 이웃
결합 유지	간격이 흔들리면 임피던스가 흔들린다. 벌려야 한다면 짧게, 대칭으로
공통 모드	짝이 비대칭이면 차동 신호의 일부가 공통 모드로 바뀌고, 그것이 방사한다

세 번째가 EMI 와 만나는 지점이다. 짝 내 스큐는 신호 품질 문제이면서 방사 문제다 (전원 무결성과 EMI §5).

5. 비아 전이

비아는 고속 채널에서 가장 흔한 불연속이다. 셋을 함께 봐야 한다.

축	무엇
스터브	쓰지 않고 남은 배럴. 어떤 주파수에서 공진해 신호를 삼킨다
안티패드	크면 임피던스가 오르고 작으면 절연이 모자란다
리턴 비아	신호 비아 옆에서 리턴 전류의 층 전환을 받아 준다

5.1 적용 순서

1. 층을 잘 고른다 — 표층에서 가장 먼 층으로 나가면 스터브가 짧아진다
2. 리턴 비아를 붙인다 — 신호 비아마다 접지 비아를 가까이 둔다
3. 그래도 모자라면 백드릴 — 남은 배럴을 깎아 낸다. 단가가 오른다

참고

대역이 낮으면 세 번째까지 갈 필요가 없다. 수 GHz 아래에서는 리턴 비아 하나로 충분한 경우가 많고, 5 GHz 를 넘는 대역에서 안티패드 설계와 스티칭 비아(stitching via) 배열이 의미를 갖기 시작한다. 필요 없는 공정을 넣는 것도 설계 실패다.

비아의 구조 자체는 패드의 구조와 마스크 · 페이스트 · 드릴 홀에서 다룬다.

6. 기준면 전환

층을 바꾸면 리턴도 바뀐다. 그 전환이 어디로 가는지가 정해져 있어야 한다.

상황	리턴이 가는 길	필요한 것
같은 접지면(ground plane)을 참조하는 두 층	그 면을 따라	접지 스티칭 비아
접지면 → 다른 접지면	두 면 사이	스티칭 비아
접지면 → 전원면(power plane)	두 면 사이	스티칭 커패시터 — 비아로는 못 잇는다

세 번째가 자주 빠진다. 전원면과 접지면은 직류로 이을 수 없으므로 커패시터가 고주파 리턴의 경로가 된다. 그 커패시터가 없으면 리턴은 가장 가까운 디커플링 커패시터(decoupling capacitor)까지 돌아가고, 그만큼 루프가 커진다.

7. 배치가 배선을 정한다

고속에서 배치는 배선의 사전 조건이다.

• 커넥터에서 부품까지 직선이 나오는가 — 배치가 꼬이면 배선은 그것을 풀 수 없다
• 종단 저항을 배치할 자리가 있는가
• 디커플링 커패시터를 핀 옆에 배치할 자리가 있는가
• 팬아웃이 층 수를 정한다 — 배선·배치 실무 §8.3

8. ImEDA 에서의 고속 배선

축	내용
차동 쌍 판정	설계 규칙(design rule)의 명시 정의 → 넷 클래스(net class) → 이름 규칙 순으로 짝을 정한다
차동 쌍 배선	중심선 하나로 배치하고 두 선을 좌우로 벌린다 — 결합이 유지된다
버스 배선	여러 넷을 순서를 지켜 한 번에 배치한다
길이 규칙	절대 길이 · 그룹 정합 · 짝 내 스큐 세 종류를 구분한다
길이 측정	배선 세그먼트의 합 + 비아의 층 두께 기여(포함 여부가 규칙 값이다)
보정	배선을 다시 배치하지 않고 가장 긴 직선 구간부터 미앤더로 바꾼다
보정 실패	여유가 없어 못 맞추면 위반으로 남긴다 — 조용히 통과시키지 않는다
짝의 보정	짝 내 스큐는 한쪽만, 짝 전체 길이는 둘을 함께 늘린다

마지막에서 두 번째 줄이 이 축의 규율이다. 맞추지 못한 것을 맞춘 것처럼 보고하지 않는다 — 넷 이름·목표·실측·차이를 값으로 남긴다.

9. 확정 전 점검 항목

축	확인
종단	방식과 값을 정했는가 · 부품 내부 종단과 겹치지 않는가
종단	직렬 저항이 구동단 옆에 있는가
토폴로지	스터브 길이를 확인했는가
길이	경로와 비아 수를 먼저 맞췄는가
길이	요구 스큐값을 규격에서 확인했는가
미앤더	되돌아오는 구간의 간격이 충분한가
차동	짝이 같은 층·같은 비아 수인가
비아	층 선택으로 스터브를 줄였는가 · 리턴 비아가 있는가
기준면(reference plane)	참조가 바뀌는 자리에 스티칭 비아 또는 커패시터가 있는가
배치	종단·디커플링을 배치할 자리가 배치 단계에서 확보되었는가