Board Stackup 기초

보드 스택업(stackup)은 동박층과 유전체층을 어떤 순서·두께·재질로 쌓을 것인가를 정한 것이다. 배선(routing)을 시작하기 전에 확정되며, 한 번 정하면 특성 임피던스(characteristic impedance)·전파 지연(propagation delay)·손실·크로스토크(crosstalk)·전원 무결성이 모두 그 위에서 결정된다. 배선 규칙은 스택업의 결과이지 그 반대가 아니다.

층의 구성

동박층 사이를 유전체가 채운다. 유전체는 두 종류다.

재료	상태	역할
코어(core)	이미 경화된 판. 양면에 동박이 붙어 있다	보드의 기계적 뼈대
프리프레그(prepreg)	수지를 함침한 유리섬유 직물. 반경화 상태다	적층 공정에서 녹아 층을 접합하고 두께를 만든다

적층(lamination)은 코어와 프리프레그를 번갈아 쌓고 열과 압력을 가해 한 장으로 만드는 공정이다. 프리프레그의 수지가 흘러 동박 패턴 사이를 메우므로, 같은 프리프레그라도 그 층의 동박 밀도에 따라 최종 두께가 달라진다.

동박 두께는 무게로 부른다. ½ oz · 1 oz · 2 oz 가 각각 약 17 µm · 35 µm · 70 µm 다. 공칭 1 oz 동박이 31 µm 인 경우도 규격 안에 들어가므로, 기본 동박 두께에 약 ±10% 의 편차를 예상한다.

층 배치

층 수는 대개 짝수다. 대칭 적층이 가능하고 코어 단위로 제작하기 쉽기 때문이다.

배치할 때 지키는 것은 셋이다.

1. 모든 신호층에 인접한 기준면(reference plane)을 둔다. 리턴 전류가 배선 바로 아래로 흐를 수 있어야 한다
2. 전원면(power plane)과 접지면(ground plane)을 가까이 둔다. 두 면 사이의 정전용량이 전원 분배망의 고주파 임피던스를 낮춘다
3. 중심면을 기준으로 대칭을 유지한다. 아래 대칭성 절을 본다

전송선 구조

같은 배선이라도 어느 층에 있느냐에 따라 전기적 구조가 달라진다.

구조	위치	기준면	특징
마이크로스트립	바깥 층	한쪽	한 면이 공기라 실효 유전율이 낮다 — 빠르다
스트립라인	안쪽 층	위아래 양쪽	전부 유전체에 매립된다 — 느리지만 방사가 적다
코플래너	바깥·안쪽	아래 + 같은 층 양옆	옆 간격 S 가 임피던스에 함께 작용한다

실효 유전율의 차이가 도착 시각의 차이로 나타난다. FR-4 계열에서 마이크로스트립의 전파 지연은 대략 5.3~6.0 ps/mm 이고, 스트립라인은 전부 유전체에 묻히므로 그보다 느리다. 길이를 맞춘 배선 쌍이라도 서로 다른 층에 있으면 도착 시각이 어긋난다.

대칭성과 휨

적층과 리플로우에서 보드는 열을 받는다. 리플로우 온도는 230~250 ℃ 에 이른다. 이때 위아래의 재료 구성이 다르면 수축·팽창량이 달라 보드가 휜다(warpage).

대칭 적층은 중심면을 기준으로 유전체 두께·동박 무게·재료 종류가 거울상이 되도록 배치하는 것이다. 6층 보드라면 L2 의 구성이 L5 와 같아야 한다. 한쪽에만 두꺼운 전원면을 두고 반대쪽에 대응하는 층을 두지 않으면 그 응력이 상쇄되지 않는다.

휨은 실장 공정에서 문제가 된다. 부품이 뜨거나 솔더 접합이 어긋나며, 검사에서 걸러지지 않고 초기 불량으로 남는 경우가 있다.

확정해야 하는 항목

스택업을 확정한다는 것은 다음을 모두 정한다는 뜻이다.

항목	영향
층 수와 층 역할(신호·GND·전원)	리턴 경로(return path), 배선 자유도
각 유전체의 두께	특성 임피던스, 크로스토크
각 층의 동박 무게	저항, 두께 편차, 대칭
유전체 재료 등급	손실, 실효 유전율, 내열
유리섬유 직물 종류	차동 쌍(differential pair) 내 스큐
동박 표면 처리	고주파 도체손
완성 두께와 공차(tolerance)	커넥터 결합, 임피던스 공차

재료 항목은 적층 재료 에서, 각 항목이 신호에 미치는 영향은 스택업이 보드 특성에 미치는 영향 에서 다룬다.