배선·배치 실무

스택업(stackup)은 배선(routing)을 시작하기 전에 확정된다(기초). 그러므로 배선과 배치는 스택업이 만들어 둔 조건 위에서 이루어진다. 뒤늦게 스택업을 바꾸면 임피던스(impedance) 기하가 달라져 이미 배선한 트랙(track)의 폭과 간격을 전부 다시 잡아야 한다.

이 문서의 규칙은 대부분 하나의 사실에서 나온다.

신호는 배선만으로 흐르지 않는다. 리턴 전류가 함께 흐르고, 그 경로는 기준면(reference plane)이 정한다. 배선한다는 것은 곧 전류 루프를 만드는 일이다.

1. 층 배정 — 배선보다 먼저 정한다

층 배정은 상세 배선 전에 확정한다. 판단 기준은 셋이다.

기준	내용
기준면 인접	모든 신호층은 연속된 기준면과 맞닿는다. 접지면(ground plane)을 우선한다
신호층 격리	신호층 두 장을 맞붙이지 않는다 — 사이에 기준면이 없으면 층 사이로 결합한다
평면 쌍	전원면(power plane)과 접지면을 얇은 유전체로 붙여 평면 커패시턴스를 얻는다

신호층이 불가피하게 맞붙으면 두 층의 배선 방향을 직교시킨다. 나란히 달리는 구간이 사라지면 용량성·유도성 결합이 함께 준다. 다만 직교 배선은 완화책이지 대안이 아니다 — 기준면을 사이에 끼우는 편이 결합을 막고 리턴 경로(return path)까지 함께 해결한다.

주의

바깥 층 신호의 기준이 전원면이 되는 배정을 경계한다. 리턴 전류가 전원 잡음(noise)을 그대로 탄다.

2. 리턴 경로 — 층을 바꾸면 리턴도 바꿔야 한다

고주파 리턴 전류는 저항이 아니라 인덕턴스가 최소인 경로를 고른다. 그래서 배선 바로 아래를 따라 흐른다. 배선이 비아(via)로 층을 바꾸면 리턴 전류도 기준면을 갈아타야 하는데, 갈아탈 경로가 없으면 루프가 벌어진다.

층 전환의 종류	리턴이 지나는 경로
같은 전위의 기준면 사이	스티칭 비아(stitching via) — 신호 비아 바로 옆에 접지 비아를 둔다
다른 전위의 기준면 사이	스티칭 커패시터 — 직류는 막고 고주파만 건넨다
기준면이 바뀌지 않음	별도 경로가 필요 없다 — 가장 좋은 층 전환이다

스티칭 비아의 효과는 신호 비아와의 거리가 지배한다. 멀어질수록 루프 면적(loop area)이 그대로 늘어난다. 고속 배선의 층 전환마다 접지 비아를 짝지어 두는 것이 기본이고, 차동 쌍(differential pair)이면 쌍마다 둔다.

층 전환 횟수 자체를 줄이는 것이 가장 확실하다. 비아 하나는 임피던스 불연속이자 스터브이자 리턴 경로 문제다. 셋을 한꺼번에 없애는 방법은 층을 바꾸지 않는 것뿐이다.

3. 기준면의 틈을 넘지 않는다

기준면에 난 분할(moat)이나 큰 개구부를 배선이 가로지르면, 리턴 전류는 틈을 돌아가는 수밖에 없다. 루프 면적이 급격히 늘어 방사와 크로스토크(crosstalk)가 함께 커진다.

• 분할은 기능 경계에서만 만든다. 아날로그와 디지털을 가르는 경우가 대표적이고, 틈은 대략 0.25 mm(10 mil) 면 격리에 충분하다
• 배선은 그 틈을 넘지 않도록 배치 단계에서 경로를 잡는다. 배선 단계에서는 이미 늦다
• 넘어야만 한다면 교차 지점에 스티칭 커패시터(100 nF 급, 0402 이하)를 둔다. 배선에서 2.5 mm(0.1 inch) 안에 있어야 효과가 있다

혼합 신호에서 ADC·DAC 는 두 영역의 경계에 걸치도록 배치하고, 아날로그 핀은 아날로그 쪽, 디지털 핀은 디지털 쪽을 향하게 돌린다. 부품 하나의 방향이 분할 설계를 대신한다.

4. 간격 — 3W 는 규칙이 아니라 결과다

크로스토크를 지배하는 것은 배선 사이 간격 S 자체가 아니라 기준면까지의 거리 H 에 대한 비 S/H 다. 유전체가 얇으면 전기력선이 기준면으로 빨리 닫혀 옆 배선까지 가지 않는다.

그러므로 얇은 유전체 위에서는 좁은 간격으로도 목표를 만족하고, 반대로 기준면이 없는 인접 신호층에서는 아무리 벌려도 부족하다. 간격 규칙을 층과 무관한 상수로 두면 한쪽에서는 낭비고 다른 쪽에서는 미달이다.

널리 쓰이는 경험칙은 이렇게 정리된다.

규칙	중심 간격	보고되는 결합 감소
3W	배선 폭의 3배	약 70 %
10W	배선 폭의 10배	약 98 %

3W 는 특정 스택업에서 S/H 가 적절해지는 지점을 배선 폭으로 환산해 둔 것이다. 스택업이 바뀌면 같은 3W 가 다른 결합을 준다. 실무에서는 층마다 목표 결합량으로 간격을 다시 구한다.

가장 효과가 큰 수단은 간격을 벌리는 것이 아니라 유전체를 얇게 하는 것, 즉 스택업이다.

5. 비아 스터브 — 어느 층으로 나가는가가 정한다

관통 비아(through via)로 L1 에서 L4 로 내려가면 L4 아래의 배럴은 아무 데도 연결되지 않은 채 남는다. 이 스터브는 한쪽이 열린 전송선(transmission line)이라, 길이가 신호 성분의 1/4 파장에 가까워지면 공진해 그 주파수 대역을 깎아낸다.

항목	값
문제가 드러나는 대역	대략 5~10 Gbps 이상
백드릴 검토 기준	스터브 길이 0.38 mm(15 mil) 초과
백드릴 후 잔여 목표	0.15 mm(6 mil) 이하

배선 관점의 대응은 두 가지다.

1. 층 배정으로 스터브를 짧게 만든다 — 고속 신호를 보드 바깥쪽 가까운 층 쌍 사이에서 주고받으면 남는 배럴이 짧다. 스택업 단계의 결정이다
2. 블라인드·베리드 비아를 쓴다 — 스터브가 원리적으로 생기지 않는다. 다만 제조 비용과 층 구성 제약이 따른다

백드릴은 마지막 수단이다. 공정이 추가되고 드릴 깊이 공차(tolerance)만큼 잔여 스터브가 남는다.

6. 차동 쌍 — 스택업이 짝의 대칭을 정한다

차동 쌍은 두 배선이 같은 것을 겪을 때만 차동으로 동작한다. 스택업은 그 “같음”의 조건을 정한다.

항목	실무 값
차동 임피던스	90~120 Ω (규격이 정한다)
임피던스 공차	일반 ±10 % · 5 GHz 이상 정밀 등급 ±5 %
엣지 결합 간격	대략 0.10.2 mm (48 mil)
이웃 신호와의 간격	3H 이상 — 폭이 아니라 기준면까지의 거리 기준
전파 지연(propagation delay)	마이크로스트립 140150 ps/inch · 스트립라인 160180 ps/inch

쌍 내부 스큐(intra-pair skew)의 허용값은 속도가 정한다.

대상	허용
USB 2.0 급	±150 mil
USB 3.x 급	±5 mil
10 Gbps 이상 링크	5 ps 미만

지켜야 할 것은 값이 아니라 어디서 스큐가 생기는가다.

• 층을 섞지 않는다. P 와 N 이 서로 다른 층을 지나면 전파 지연이 달라 스큐가 누적된다. 마이크로스트립과 스트립라인은 inch 당 20~30 ps 씩 차이 난다
• 층 전환은 짝으로 한다. 비아 구조까지 대칭이어야 한다
• 보정은 어긋난 자리에서 한다. 굽이(serpentine)는 진폭을 배선 폭의 1/3 이하로 억제해 스스로 결합을 만들지 않게 한다
• 10 Gbps 를 넘어서면 유리섬유 직물 효과가 배선으로 해결되지 않는 스큐를 만든다. 스프레드 글래스를 쓰거나 직물에 대해 7~15° 기울여 배선한다

7. 배선 폭은 층마다 다르다

같은 임피던스를 목표해도 바깥 층과 안쪽 층의 배선 폭은 같지 않다.

	안쪽 층	바깥 층
공정	동박에 바로 식각	도금 후 식각
최종 동박	대략 17~35 µm	대략 50~70 µm
식각 계수	약 2.5	약 1.4
결과	단면이 사다리꼴에 가깝고 공차가 좁다	사다리꼴이 뚜렷하고 공차가 넓다

바깥 층은 보정량이 커서 도면상 트랙 폭이 더 넓게 잡힌다. 그러므로 층을 옮긴 배선에 같은 폭을 그대로 쓰면 임피던스가 어긋난다. 넷마다 층별 폭 규칙을 두고, 임피던스 요구는 제조 지시서에 적어 제조사가 자기 공정으로 폭을 재계산하게 한다.

8. 부품 배치 — 배선이 시작되기 전에 결과가 정해진다

배치가 좋으면 배선은 쉬워지고, 배치가 나쁘면 배선은 불가능해진다. 스택업 관점에서 배치가 결정하는 것은 루프의 크기다.

8.1 디커플링 커패시터 — 값보다 루프가 지배한다

커패시터가 전류를 얼마나 빨리 내어 줄 수 있는지는 용량이 아니라 IC 핀 → 커패시터 → 평면으로 돌아오는 루프의 인덕턴스가 정한다. 루프가 크면 자기 공진 주파수 위에서 커패시터는 사실상 인덕터다.

• 고주파 디커플링은 전원 핀에서 1~2 mm 안에 둔다
• 커패시터 패드(pad)에서 평면으로 가는 비아를 붙여 둔다. 비아 두 개를 벌리면 그만큼 루프다
• 패드와 비아를 잇는 배선은 짧고 넓게. 가늘고 긴 연결선 하나가 커패시터 성능을 지운다
• 평면 쌍이 얇으면(§1) 평면 자체가 고주파 커패시터로 동작해 부담을 나눈다

배치 순서는 IC 를 배치하고 → 디커플링을 붙이고 → 나머지를 채우는 것이다. 반대로 하면 자리가 없다.

8.2 커넥터·구획

• 기능 단위(아날로그·디지털·전원·RF)로 구획을 먼저 나눈다. 구획이 리턴 경로의 공유를 줄인다
• 커넥터는 보드 가장자리에, 신호가 들어와 목적지까지 한 방향으로 흐르도록 배치한다. 되돌아 나가는 배선은 그 자체가 결합면이다
• 조립을 위한 여유(부품 간격·가장자리 여유)를 배치 단계에서 확보한다. 배선을 마친 뒤에 드러나면 배치를 되돌려야 한다

8.3 팬아웃과 층 수

BGA 는 층 수를 결정하는 부품이다. 패드 사이로 몇 가닥이 지나갈 수 있는지가 층당 뽑아낼 수 있는 열의 수를 정하고, 그것이 전체 층 수를 정한다.

채널 수 = ⌊ (피치 − 패드 지름 − 2 × 간격) ÷ (선폭 + 간격) ⌋
층 수  ≈ 배선할 신호 핀 수 ÷ (4 × 층당 뽑아내는 열 수) + 2

피치	표준 접근	비고
0.8 mm 이상	도그본(dogbone) 팬아웃	일반 관통·블라인드 비아(blind via), 특수 공정 불필요
0.8 mm 미만	패드 내 비아(via-in-pad)	충전·도금 마감 필요

0.8 mm 피치에 4 mil 규칙을 쓰면 패드 사이 채널이 0 이 되는 조합이 나온다. 이 지점이 HDI 로 넘어가는 경계다. 배선 규칙과 피치를 함께 계산해 보지 않으면 층 수를 배선 도중에 늘리게 된다. 0.8 mm 피치에서는 선폭·간격 3.54 mil, 비아 드릴 0.20.25 mm 가 흔한 조합이다.

9. 제조가 걸어 두는 조건

• 동박 균형 — 층별 동박 잔존율이 크게 어긋나면 적층에서 수축이 달라 휜다. 빈 영역에는 기준면에 이어진 동판(copper pour)을 채우되, 떠 있는 동판은 두지 않는다
• 평면 가장자리 — 전원면을 접지면보다 안쪽으로 물리면 가장자리 방사가 준다. 층 간격 H 의 20배(20H) 물리면 전기장의 약 70 %, 100배면 약 98 % 가 접지면 안쪽에 갇힌다고 보고된다
• 임피던스 지시 — 목표 임피던스와 공차를 제조 지시서에 적는다. 폭은 제조사가 자기 공정으로 다시 계산한다

10. 확정 전 점검 항목

축	확인
층 배정	모든 신호층이 연속된 기준면에 맞닿는가
층 배정	신호층 두 장이 맞붙은 곳이 있는가 — 있다면 직교로 배선했는가
리턴	고속 배선의 층 전환마다 스티칭 비아가 짝지어져 있는가
리턴	기준면의 틈을 넘는 배선이 있는가
비아	스터브 길이가 대역에 견디는가 — 백드릴이 필요한가
차동	P 와 N 이 같은 층을 지나는가 · 층 전환이 짝으로 되었는가
임피던스	층별 배선 폭 규칙이 넷에 걸려 있는가
배치	디커플링이 전원 핀 1~2 mm 안에 있고 비아가 붙어 있는가
배치	BGA 팬아웃이 계획한 층 수 안에서 끝나는가
제조	층별 동박 잔존율이 균형에 가까운가