스택업이 보드 특성에 미치는 영향

앞의 두 문서에서 정한 층 구성과 재료가 신호에 어떻게 나타나는지 항목별로 본다. 각 절은 무엇이 원인이고 파형에 어떻게 드러나는지의 순서로 짚는다.

특성 임피던스

특성 임피던스(characteristic impedance) Z0 를 정하는 것은 네 가지다 — 배선(routing) 폭 W, 동박 두께 T, 기준면(reference plane)까지의 거리 H, 유전율 εr.

바꾸는 값	Z0
H 증가 (기준면이 멀어짐)	오른다
W 증가 (배선이 넓어짐)	내린다
εr 증가	내린다
T 증가	약간 내린다

스택업(stackup)이 H 와 εr 을 정하고, 배선 규칙이 W 를 정한다. 그러므로 목표 임피던스는 스택업 확정 시점에 이미 절반 이상 결정된다. 유전체 두께를 바꾸면 그 층의 모든 배선 폭을 다시 계산해야 한다.

공차

제조 편차는 유전체 두께, 에칭에 의한 배선 폭, 동박 두께에서 온다. 관례적인 관리 범위는 ±10% 이며, 5 GHz 를 넘는 설계에서는 IPC-6012 Class 3 의 ±5% 를 지정하는 경우가 있다. 공차(tolerance)를 좁히면 재료 선택과 검사 비용이 오른다.

임피던스가 어긋나면 파형에 그대로 남는다. 배선 임피던스가 목표보다 낮으면 첫 도착 전압이 낮아졌다가 반사(reflection)가 왕복하며 계단으로 올라오고, 높으면 목표를 넘었다가 링잉으로 수렴한다. 계단의 시간 간격이 왕복 지연이므로 불연속의 위치를 역산할 수 있다.

전파 지연

전파 지연(propagation delay)은 실효 유전율이 정한다.

tpd ∝ √εr(eff)

마이크로스트립은 한 면이 공기라 실효 유전율이 낮고, 스트립라인은 전부 유전체에 묻혀 높다. FR-4 계열 마이크로스트립이 대략 5.3~6.0 ps/mm 이고 스트립라인은 그보다 느리다.

여기서 나오는 실무 문제가 둘이다.

• 층이 다른 배선끼리 길이만 맞추면 도착 시각이 어긋난다. 지연으로 맞춰야 한다
• 비아(via)로 층을 옮기는 배선은 구간마다 지연 계수가 달라진다. 총 지연은 구간별로 합산한다

삽입 손실

손실은 두 성분의 합이다.

성분	주파수 의존	정하는 것
도체손	√f 에 비례	배선 단면적, 동박 표면 거칠기
유전손	f 에 비례	tanδ, 실효 εr

기울기가 다르므로 낮은 주파수에서는 도체손이, 높은 주파수에서는 유전손이 지배한다. 교차 지점은 재료와 배선 치수가 정한다.

이 구분이 실무에서 중요한 이유는 대책이 다르기 때문이다. 도체손이 지배하는 대역에서는 배선을 넓히거나 매끄러운 동박으로 바꾸는 것이 듣고, 유전손이 지배하는 대역에서는 재료 등급을 올려야 한다. 원인을 가르지 않고 대책을 쓰면 비용만 오른다.

리턴 경로

신호 전류는 반드시 돌아온다. 리턴 전류는 인접한 기준면에서 배선 바로 아래를 따라 흐르려 한다. 그 경로가 끊기면 전류가 우회하면서 루프 면적(loop area)이 커지고, 인덕턴스가 늘어 임피던스 불연속으로 나타난다.

리턴 경로(return path)가 끊기는 지점은 정해져 있다.

상황	결과
기준면의 분할선을 넘어 배선한다	리턴 전류가 분할선을 돌아간다
층을 옮기는데 기준면이 바뀐다	두 면 사이를 건널 길이 필요하다
기준면에 큰 개구(void)가 있다	그 위를 지나는 배선의 리턴이 우회한다

대책은 두 가지다. 전환 전후의 기준면이 같은 전위라면 근처에 스티칭 비아(stitching via)를 두어 두 면을 잇는다. 다른 전위(접지 ↔ 전원)라면 비아로 이을 수 없으므로 스티칭 커패시터로 고주파 경로를 만든다. 기준면 전위가 바뀌는 전환에서 스티칭 커패시터로 고주파 리턴 경로를 이어 크로스토크(crosstalk)를 최대 10 dB 낮춘 사례가 보고된다.

스택업 단계에서 이것이 결정된다. 신호층 양옆을 같은 전위의 기준면으로 감싸 두면 층 전환이 쉬워지고, 접지면(ground plane)과 전원면(power plane) 사이에 신호층을 두면 전환마다 커패시터가 필요해진다.

크로스토크

두 배선 사이의 결합은 간격 자체가 아니라 기준면까지의 거리에 대한 간격의 비가 지배한다. 기준면이 가까울수록 전기력선이 기준면으로 몰려 옆 배선과의 결합이 준다.

그러므로 크로스토크를 줄이는 가장 효과적인 수단은 배선을 더 벌리는 것이 아니라 유전체를 얇게 해 기준면을 가까이 붙이는 것이다. 이것은 스택업에서만 할 수 있다. 얇아진 만큼 목표 임피던스를 맞추려면 배선 폭도 함께 줄어든다.

인접한 두 신호층을 함께 쓸 때는 배선 방향을 직교시킨다. 같은 방향으로 길게 나란히 가면 층간 결합이 층내 결합보다 커질 수 있다.

차동 쌍 내 스큐

적층 재료 에서 다룬 유리섬유 직물 효과가 파형에 남기는 결과다. P 와 N 의 도착 시각이 어긋나면 Vdiff 의 전이 구간이 넓어지고 진폭이 무너진다. 판별 여유가 그만큼 줄어든다. 동시에 어긋난 성분이 동상 성분으로 넘어가 EMI 로도 나타난다.

배선 길이를 아무리 정밀하게 맞춰도 이 스큐는 남는다. 원인이 길이가 아니라 재료의 불균일이기 때문이다. 대책은 재료와 배선 각도에 있다.

전원 무결성

전원면과 접지면이 마주 보면 그 자체가 커패시터다. 용량은 면적에 비례하고 두 면 사이 거리에 반비례한다. 얇을수록 고주파에서 전원 분배망의 임피던스가 낮아진다.

디커플링 커패시터(decoupling capacitor)가 담당하지 못하는 고주파 영역을 이 평면 커패시턴스가 맡는다. 부품으로는 대체하기 어려운 영역이므로, 전원면과 접지면을 인접시키고 그 사이를 얇게 두는 것이 스택업 단계의 선택이 된다.

정리 — 스택업이 확정하는 것

스택업의 선택	직접 정해지는 것
유전체 두께 H	임피던스, 크로스토크, 평면 커패시턴스
재료 εr · tanδ	전파 지연, 유전손
동박 무게와 거칠기	도체손, 두께 편차
유리섬유 직물 종류	차동 쌍(differential pair) 내 스큐
층 순서와 기준면 배치	리턴 경로, 층 전환 비용
전원면·접지면 간격	전원 분배망 고주파 임피던스
대칭 구성	휨, 실장 수율

배선 단계에서 되돌릴 수 있는 것은 이 표의 오른쪽 중 일부뿐이다. 스택업은 배선보다 먼저 확정하고, 확정 전에 해석으로 검증한다.