모든 고속 PCB 디자이너는 이 사실을 알고 있다: 신호는 단지 앞으로만 가는 것이 아니라 되돌아오기도 해야 합니다.
복귀 전류에는 습관이 있습니다. 신호 추적 바로 아래의 기준면에서 흐릅니다.. 신호가 via를 통해 레이어를 변경할 때, 반환 전류도 새 기준 평면으로 이동해야 합니다.. 다리가 없으면, 우회가 필요하다. 루프 영역이 확장됩니다., EMI는 즉시 상승합니다..
세 가지 레이어 전환 시나리오
대본 1: 동일한 접지면. 신호가 L1에서 L3으로 이동합니다., 둘 다 L2 접지면을 참조함. 반환 경로는 변경되지 않습니다.. 조치가 필요하지 않습니다..
대본 2: 다양한 접지면. 신호가 L1에서 전환됩니다. (L2 접지 참조) L6으로 (L5 접지 참조). 두 개의 접지면이 연결되어 있지 않습니다.. 해결책: 장소바느질을 통해 두 개의 접지면을 연결하는 신호 경유 옆.
대본 3: 접지-전원 기준. 가장 어려운 경우입니다. 신호가 L1에서 이동합니다. (L2 접지 참조) L4로 (L3 VCC 참조). 전원과 접지는 DC 절연되어 있습니다.. 직접 연결이 불가능합니다.. 유일한 해결책은스티칭 커패시터, 고주파수 복귀 전류가 전력 평면에서 다시 접지로 결합되도록 허용합니다..
반품을 얼마나 멀리 배치해야 합니까??
거리가 효율성을 결정합니다. 상한은 관심 있는 가장 높은 주파수의 파장에 의해 결정됩니다.. 파장은 PCB 유전체는:
λ = c / (f × √Dk)
여기서 c는 빛의 속도 (3×10⁸m/초), f는 관심 주파수, Dk는 유효 유전 상수입니다..
표준 간격 규칙: 최대 비아 간격 ≤ λ/20. 이는 인접한 비아 사이의 간격이 파장에 비해 충분히 작아서 효과적인 방사 안테나 역할을 하지 않도록 보장합니다..
FR-4 재질의 경우 (Dk ≒ 4), 다양한 주파수에서의 λ/20 간격은 다음과 같습니다.:
| 빈도 | FR-4의 λ | λ/20 간격 |
|---|---|---|
| 1 GHz | 150 mm | 7.5 mm |
| 3 GHz | 50 mm | 2.5 mm |
| 5 GHz | 30 mm | 1.5 mm |
| 10 GHz | 15 mm | 0.75 mm |
| 20 GHz | 7.5 mm | 0.375 mm |
실제 엔지니어링 규칙이 이러한 추세를 확인합니다.: 아래에 1 GHz, 이내에 반품을 유지하십시오. 200 mil의 신호를 통해; 1-5GHz, 이내에 100 밀; 5-15GHz, 이내에 50 밀; ~ 위에 15 GHz, 이내에 20 mil — 가능한 한 가깝다.
널리 사용되는 또 다른 경험 법칙: 정상적인 조건에서, 간격은 유전체 두께의 2.5배를 초과해서는 안 됩니다.; ~ 위에 10 GHz, 1.5×로 조이세요. 예를 들어, 유전체층 두께 0.2 mm, 반환 경로는 다음 내에 배치되어야 합니다. 0.5 mm.
리턴 비아 수? 매개변수는 무엇입니까?
수량 선택:
- 최소 요구 사항을 통한 단일 종단 신호 1 다음을 통해 돌아오다.
- 아래에 5 Gbps, 1 충분하다.
- 10–25Gbps: 2 추천.
- 56 Gbps 이상: 3–4 권장.
측정된 데이터에 따르면 1 에게 4 리턴 비아는 삽입 손실을 다음보다 더 향상시킵니다. 3 에서 dB 10 GHz.
차동 쌍의 경우: 최소 두 개의 리턴 비아가 차동 비아 쌍의 양쪽에 대칭으로 배치되어야 합니다.. 위 주파수의 경우 10 GHz, 4개의 리턴 비아가 권장됩니다., 비아 쌍을 둘러싸는 대각선 또는 사각형 패턴으로 배열. 복귀 경로 대칭은 추적 대칭만큼 중요합니다. 비대칭 복귀 경로는 공통 모드 잡음을 발생시킵니다..
차원 매개변수를 통해:
기존 디자인에서는, 치수를 통한 신호는 다음과 같습니다.: 드릴 직경 0.2–0.3 mm, 패드 0.4~0.5mm, 패드 방지 0.6~0.8mm. IPC-2221의 경우, 표준 관통 구멍 드릴 직경은 다음과 같습니다. 0.3 mm(패드 직경 포함) 0.6 mm. IPC-2221은 최소 구멍 직경을 세 가지 밀도 등급으로 분류합니다. - 일반 (에이), 기준 (비), 고밀도 (기음) — 최대 핀 직경의 공차와 플러스 0.25 mm, 0.20 mm, 그리고 0.15 각각 mm. 비아 종횡비는 일반적으로 다음과 같이 제한됩니다. 10:1.
위에 10 GHz, 드릴 직경을 0.15–0.2 mm로 줄이십시오.중요한 데이터 포인트: ~에 28 GHz mmWave 애플리케이션, 비아 드릴 직경 감소 0.3 mm to 0.2 mm는 삽입 손실을 대략적으로 향상시킵니다. 0.8 DB/인치. ~에 28 GHz, 프리미엄 FR-4 소재도 1~3dB/cm의 삽입 손실을 나타냅니다. 모든 데시벨은 링크 마진을 직접 절단합니다..
단일 비아의 기생 인덕턴스는 기하학적 구조에 따라 결정됩니다.:
L_비아 ≒ (5.08 ×h) × [ln(4시간/일) + 1] NH
여기서 h는 비아 길이(인치)이고 d는 드릴 직경(인치)입니다.. 62mil 보드 두께의 일반적인 12mil 드릴은 대략적인 결과를 얻습니다. 0.95 인덕턴스의 nH, 에 대해 대표하는 6 임피던스의 Ω 1 GHz.다중 병렬 리턴 비아는 유효 인덕턴스를 비례적으로 감소시킵니다.: L_유효 = L_경유 / N. 이것이 고주파수 설계에 다중 리턴 비아가 필요한 이유입니다. 단일 비아만으로는 평면 간 임피던스를 억제할 수 없습니다..
스티칭 커패시터: 전력-지상 전환을 위한 유일한 솔루션
접지 기준에서 전력 기준으로 전환하는 경우, 유일한 옵션은스티칭 커패시터.
커패시터 선택은 임의적일 수 없습니다.커패시터는 자체 공진 주파수 이하(그 이상)에서만 용량성을 갖습니다., 유도적이 된다. 선택 지침:
- 아래에 500 MHz → 100 nf
- 500 MHz - 2 GHz → 10 nf
- 위에 2 GHz → 1 nF 이하
패키지 크기가 중요합니다: 0201 또는 01005 — 가장 낮은 기생 인덕턴스. 등가 직렬 인덕턴스 (ESL) 스티칭 커패시터의 값은 ≤이어야 합니다. 0.3 아래의 유도성 리액턴스를 보장하기 위한 nH 1 Ω에서 5 GHz. 한때 0603 패키지를 사용했던 하이엔드 서버 마더보드 10 nF 커패시터 (ESL = 0.85 NH) PCIe에서 4.0 차선, 결과적으로 23% 수신기의 눈 높이 저하 및 10⁻² 임계값을 초과하는 비트 오류율.
놓기: 커패시터를 내부에 배치하십시오. 50 mil의 신호를 통해, 각 끝에서 해당 평면까지 최소 2개의 비아가 있음. 엔지니어링 실무에서는 다음을 권장합니다.다단계 병렬 전략: 1차 스티칭 커패시터로 0.1~1nF 사용.
다섯 가지 엄격한 규칙
- 모든 신호 비아에는 근처에 리턴 비아 또는 스티칭 커패시터가 있어야 합니다. — 최대한 가까이.
- 참조 평면 분할을 통해 신호를 라우팅하지 마십시오. — 불가피한 경우, 교차점에 스티칭 커패시터를 배치합니다..
- 고속 신호는 동일한 평면을 참조하는 레이어 간에 우선적으로 전환되어야 합니다. — 접지에서 전원으로의 전환을 피하십시오..
- 주파수에 따른 간격을 통한 복귀 선택 — λ/20이 상한입니다., 권장값은 아닙니다.
- 파워 플레인이 기준 역할을 하는 경우, 두 개의 추가 고주파 디커플링 커패시터 배치 (0.01 µF) 전환점 근처.
기억해야 할 한 문장
신호가 레이어를 변경하기 전, 먼저 복귀 경로를 계획하세요. 복귀 전류는 스택업 의도에 상관하지 않습니다. 물리학을 따릅니다.. 경로를 제공하지 않는 경우, 하나를 찾을 것입니다 - 그리고 그 경로는 빛날 것입니다.
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데이터 소스 선언
이 기사에 인용된 기술 데이터 및 설계 규칙은 다음의 권위 있는 출처에서 파생되었습니다.:
- IPC-2221C -인쇄 기판 설계에 대한 일반 표준 — 비아 홀 직경, 인주, 종횡비, 및 기타 디자인 사양
- IPC-6012F -경질 인쇄 기판의 자격 및 성능 사양 — 구멍 공차 및 제조 등급 요구 사항
- 케이던스 학술 자료 — 고속 설계의 RF 비아 전환
