§ Part 1. Introduction
PCB Stack-up은 제품의 EMC 성능을 결정하는 중요한 요소입니다. 좋은 Stack-up은 Board에 연결된 Cable뿐만 아니라 PCB의 Radiation을 감소시키는데 아주 효과적일 수 있습니다. 반면 좋지 않은 Stack-up은 Board내의 Radiation을 증가 시킬 수 있습니다.
그렇다면 Board의 Stack-up에서 고려해야 할 중요한 사항에는 어떤 것이 있을까요?
다음 4개의 요소가 Board Stack-up에서 고려해야 할 중요한 사항입니다.
1. Layer의 수
2. 사용된 Plane의 수와 Type
3. 적층 순서
자, 그렇다면 이제는 Multi Layer Board(MLB)를 사용할 때 Board가 제대로 동작하기 위해서는 어떻게 해야 할까요? 물론 다른 사항들이 많이 있겠지만 Stack-up 관점에서 봤을 때 중요한 5개의 항목이 있습니다.
1. Signal layer는 항상 Plane에 인접해야만 한다.
2. 여러 개의 Signal layer들 역시 인접한 Plane에 가깝게 위치해야 한다.
3. Power와 GND plane은 서로 간에 가깝게 있어야 한다.
4. 고속 Signal은 Plane 사이에 위치한 내층 Signal layer에 배선되어야 한다. 이러한 방법으로 Plane은 Shield 역할을 할 수 있고 고속 Trace로부터 Radiation을 감소 시킬 수 있다.
5. 다수의 그라운드 Plane은 매우 이점이 많다. 왜냐하면 Board의 GND Impedance를 낮출 것이고 Radiation을 감소시킬 수 있다.
이상이 MLB의 Stack-up 시 중요하게 고려해야 할 항목입니다. 그럼 다음에서는 각각의 층수 별로 어떻게 Stack-up을 가져가는 게 좋은지에 대해서 알아보겠습니다.
§ Part 2. Four-Layer Boards
Figure 1은 가장 일반적인 4층 Board의 배열입니다. (Power와 GND Plane의 순서는 바뀔 수 있습니다.) 두 개의 외부 Trace 층은 보통 Trace의 배치가 서로 직각을 이룰 수 있는 방향을 갖는 구조 입니다. 이 구조가 4층 Board의 경우 가장 일반적이고 가장 많이 사용하는 구조입니다.
§ Part 3. Six-Layer Boards
대부분의 6층 Board는 일반적으로 네 개의 Signal 층과 두 개의 Plane으로 구성됩니다.
Figure 2는 가장 흔한 6층 보드의 Stack-up입니다. 이 구조는 앞서 언급한 Stack-up 관점에서 봤을 때 중요한 항목을 대부분 만족시킨다는 것을 알 수 있습니다. 그런데 보시다시피 만족 시키지 않는 항목이 있습니다. 바로 Power와 GND plane이 분리되어 있습니다. 이 분리 때문에 Power와 GND 사이에 층간 Capacitance가 존재하지 않습니다. 그러므로 이 구조에서는 Decoupling을 어떻게 가져가야 하느냐가 가장 중요한 요소입니다.
그럼 이번에는 다른 6층 Board의 Stack-up은 어떤 것이 있으며 그런 구조는 어떠한 장단점이 있는지를 간단하게 살펴보겠습니다.
6층 Board에 사용되지 않는 하나의 Stack-up은 Figure 3에 나타난 것입니다. Signal 층 중 두 층(1, 6)이 Plane에 인접해 있지 않는 것이 가장 이 구조를 사용하지 않는 가장 큰 이유입니다.
이 배열을 사용하는 유일한 경우는 만약 모든 고주파 Signal이 2층과 5층에 Routing 되어있고 아주 낮은 주파수의 Signal이 1층과 6층에 Routing 된 경우입니다. 이것이 사용된다 하더라도 1층과 6층에 사용되지 않은 지역은 “Ground Fill" 처리를 해야만 합니다.
Figure 4는 좋은 성능을 내지만 흔히 사용하지 않는 구조입니다. 이 구조는 위에서 언급한 5개의 항목을 모두 만족을 시키는 유일한 구조입니다. 그러나 가장 큰 단점으로는 오직 두 개의 Routing layer만이 존재한다는 것입니다. 그래서 보통 사용하지는 않는 구조입니다.
§ Part 4. Eight-Layer Boards
8층 Board는 두 개의 추가적인 Routing layer를 사용하거나 혹은 EMC 성능을 향상시키기 위해 추가적으로 두 개의 Plane을 사용할 수 있습니다. 8층 Board의 Stack-up 대부분은 추가적인 Routing layer를 사용 하는 것 보다 EMC 성능을 향상시키려는 목적으로 많이 사용되며, 대부분의 8층 Board는 4개의 Layer와 4개의 Plane으로 구성됩니다.
Figure 5는 가장 기본적인 8층 Board의 Stack-up 입니다.
이 배열은 Part 1.에 언급된 모든 항목을 만족시킵니다. 모든 Signal 층이 Plane에 인접해 있고, Power와 GND Plane도 인접해 있습니다. 고속 Signal은 Plane 사이에 배선되어 있어 그 Plane이 Emission을 감소시키기 위한 Shielding 역할을 해주며, 보드는 여러 층의 GND Plane을 사용하기 때문에 GND Impedance가 낮아지게 됩니다.
Figure 6의 배열 역시 EMC 성능이 좋은 구조입니다. 이 구조는 두 개의 외곽 층에 GND Plane이 포함되어 있습니다. 이 구조는 모든 Routing layer가 Plane 사이에 배열되어 있어 Shield 되어지는 장점이 있습니다.
Figure 7은 8층 Board의 또 다른 구조로서 Plane을 센터로 옮긴 것입니다. 이 배열은 한 쌍의 Coupled Power-Ground Plane을 갖고 있다는 이점이 있습니다.
이 구조는 위에서 언급한 5개의 항목 대부분을 만족시키며, Signal Integrity 측면에서도 훌륭한 성능을 갖는 구조입니다. 또한 Tight한 Coupled Power-Ground Plane 때문에 Figure 6의 Stack-up 보다 선호되는 경우도 있습니다.
이 Stack-up은 Laver4, 5에 Embedded PCB Capacitance 기술의 일부 형태를 사용함으로써 성능이 더 향상 될 수도 있습니다.
§ Part 5. Ten-Layer Boards
10층 Board는 6개의 Routing layer가 요구 될 때 사용됩니다. 그러므로 일반적으로 6개의 Signal layer와 4개의 Plane을 갖습니다. 10층 Board에서는 Signal layer가 6개보다 많다면 그리 추천하지는 않습니다.
10층 Board에서 가장 일반적이고 이상적인 Stack-up에 근접한 것은 Figure 8에 나타난 것입니다. 이 Stack-up이 좋은 성능을 내는 이유는 Board의 Center에 Tight하게 연결된 한 쌍의 Power/Ground Plane이 있는 것뿐만 아니라 Signal과 Return Plane의 Tight한 Coupling, 고속 Signal layer의 Shielding, 그리고 여러 개의 GND Plane 존재하기 때문입니다. 고속 Signal은 보통 Plane 사이의(이 경우에는 Layer 3-4 와 7-8) Signal layer에 Routing 됩니다. 몰론 이 배열은 Part 1.에 언급된 모든 항목을 만족시킵니다.
Figure 9는 10층 Board에서 가능한 또 다른 Stack-up 입니다.
이 배열은 Pair로 Power와 Ground를 가깝게 배치하는 것을 포기했습니다. 따라서 이 배열은 항목 1, 2, 4와 5를 만족시키지만 항목 3는 만족시키지 않습니다.
세 개의 Pair로 된 Signal Routing layer는 Board의 외곽 층에 있는 GND Plane에 의해 Shield 되어 집니다. 그리고 내부의 Power와 GND Plane에 의해 서로 분리됩니다. 즉 이 배열에서 모든 Signal layer는 Shield 되고 서로 각각 분리되어 집니다.
Figure 9의 Stack-up에서 만약 외곽 Signal layer에 아주 느린 Speed의 Signal이 있거나 또는 대부분의 Signal이 고속이라면 Pair로 Shield된 Signal Routing layer가 존재하기 때문에 이 배열은 매우 이상적입니다.
세 번째 방법이 Figure 10에 나타나 있습니다. 이 배열 역시 Power와 Ground Plane을 가깝게 배치하는 것은 포기했습니다. 이 배열은 Figure 6에 나와 있는 8층 Board와 유사하며 거기에 외곽에 저주파 Routing layer가 추가된 형태입니다.
이 배열 역시 항목 1, 2, 4와 5를 만족시키지만 항목 3은 만족시키지 않습니다.
§ Part 6. Summary
지금까지 4층부터 10층까지의 고속 Digital Logic PCB의 다양한 Stack-up 방법에 관해 알아보았습니다. 좋은 PCB Stack-up은 Radiation을 감소시키고, Signal Quality를 향상시키며, Power BUS의 Decoupling에 도움을 줍니다.
하지만 위에서 언급한 Stack-up 중 딱 어느 하나가 가장 좋다고 말할 수는 없습니다. 주어진 상황이나 환경에 따라 적절한 Stack-up을 선택하여 설계하는 것이 좋은 방법이라 생각됩니다.
마지막으로 지금까지의 내용을 아래 표로 정리해 보았습니다.
참고자료 : Henry Ott Consultants
Electromagnetic Compatibility Consulting and Training
Tech Tips
PCB Stackup
작성자 : Internex CAE Team
Park. Jung Yoon
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