배선 폭 결정

참고

이 문서의 층위 — 기본 이론. 트랙의 폭 하나를 정하는 근거를 다룬다. 폭이 저항·인덕턴스· 커패시턴스로 가는 경로는 기하와 전기적 성질이, 특성 임피던스의 계산은 PCB 전송선 구조가 소유한다.

1. 폭을 정하는 근거는 셋이다

같은 “폭” 이라는 값을 세 가지 서로 다른 이유로 정한다. 어느 근거가 지배적인지는 넷의 성격이 정한다.

근거	무엇을 만족시키는가	지배적인 넷
전류	허용 온도 상승 안에서 전류를 나른다	전원 · 접지 · 구동 출력
임피던스	목표 특성 임피던스를 맞춘다	고속 신호 · RF
제조 한계	제조사가 만들 수 있는 최소 폭 이상이다	고밀도 부품의 탈출 배선

세 근거가 같은 값을 가리키는 일은 드물다. 그래서 넷마다 어느 근거가 지배적인지를 먼저 정하고, 나머지 둘은 제약 조건으로 확인한다.

넷	지배 근거	확인해야 하는 것
전원	전류	제조 최소 폭보다 넓은가
고속 신호	임피던스	제조 최소 폭보다 넓은가 · 전류가 미미한가
일반 신호	제조 한계 · 관례	전류가 미미한가

2. 전류로 정할 때

트랙에 전류가 흐르면 저항이 열을 낸다. 그 열이 기판으로 빠져나가는 속도와 균형을 이루는 지점에서 온도가 멎는다. 그러므로 폭은 전류가 아니라 허용 온도 상승으로 정해진다.

2.1 두 가지 기준

규격	성질
IPC-2221	오래된 실측 자료를 곡선으로 맞춘 경험식. 단순하고 보수적이다
IPC-2152	열 측정에 근거한 최신 기준. 유전체 열전도율·인접 동판·기판 두께를 함께 본다

IPC-2221 의 관계식은 다음 형태다.

I = k · ΔT^0.44 · A^0.725

I 는 전류, ΔT 는 허용 온도 상승, A 는 도체의 단면적이며, k 는 외층 0.048 · 내층 0.024 를 쓴다.

참고

두 규격은 같은 조건에서 다른 답을 낸다. IPC-2152 는 기판의 방열 조건을 반영하므로 대개 IPC-2221 보다 넓은 전류를 허용한다. 어느 쪽을 근거로 삼았는지 설계 문서에 밝힌다 — 밝히지 않으면 검토하는 사람이 다른 기준으로 다시 계산해 어긋난다.

2.2 외층과 내층이 다른 이유

같은 폭이라도 바깥 층의 트랙이 더 많은 전류를 견딘다. 바깥 층은 공기와 맞닿아 열을 대류로 버릴 수 있고, 안쪽 층은 유전체에 둘러싸여 있기 때문이다. IPC-2221 이 내층 계수를 외층의 절반으로 둔 것이 이 차이를 담은 것이다.

층	방열 조건	같은 전류에 필요한 폭
외층	대류 · 복사가 함께 작동한다	좁아도 된다
내층	유전체를 통한 전도만 가능하다	넓어야 한다

주의

바깥 층에 솔더 마스크가 덮이면 조건이 달라진다. 마스크는 열을 잘 옮기지 않으므로 노출된 동박만큼 대류에 유리하지 않다. 큰 전류를 다루는 트랙은 마스크를 걷고 솔더를 얹어 단면적을 늘리기도 한다.

2.3 동박 두께와의 교환

전류 용량은 폭이 아니라 단면적이 정한다. 그러므로 두꺼운 동박을 쓰면 같은 전류를 더 좁은 폭으로 나를 수 있다.

동박을 두껍게 하면
얻는 것	같은 폭에서 저항이 줄고 전류 용량이 는다
치르는 것	미세한 폭과 간격을 만들기 어려워지고 비용이 오른다

동박 두께는 층 전체의 성질이므로 트랙 하나를 위해 바꾸지 않는다. 큰 전류를 다루는 층이 따로 필요하면 스택업 단계에서 정한다.

3. 임피던스로 정할 때

목표 특성 임피던스가 있는 넷에서 폭은 자유롭게 정하는 값이 아니라 계산되는 값이다.

Z₀ = √( L / C )

폭을 넓히면 커패시턴스가 늘어 임피던스가 내려간다. 그러므로 목표 임피던스를 맞추려면 폭과 절연층 두께를 함께 정해야 하고, 절연층 두께는 스택업이 소유하므로 스택업이 확정되기 전에는 폭을 확정할 수 없다.

조건이 바뀌면	폭도 바뀐다
층이 바뀐다	기준면까지의 거리가 달라진다
단면 구조가 바뀐다	마이크로스트립과 스트립라인은 다른 폭을 요구한다
재료가 바뀐다	비유전율이 달라진다

주의

같은 목표 임피던스라도 층마다 폭이 다르다. 층을 바꾸면서 폭을 그대로 두면 그 지점에서 임피던스가 어긋난다. 넷 클래스의 폭 규칙은 층별로 지정할 수 있어야 한다.

계산과 구조 선택은 PCB 전송선 구조와 제어 임피던스가 소유한다.

4. 제조 한계로 정할 때

제조사는 만들 수 있는 최소 폭과 최소 간격을 등급으로 제시한다. 이 값보다 좁게 설계하면 제작할 수 없거나 수율이 급격히 떨어진다.

확인할 것	내용
최소 폭	그 제조사가 그 동박 두께에서 만들 수 있는 가장 좁은 트랙
최소 간격	트랙 사이·트랙과 동판 사이의 최소 거리
동박 두께와의 관계	동박이 두꺼울수록 최소 폭·간격이 커진다

최소 폭은 절대 하한이지 목표가 아니다. 최소 폭으로 설계하면 제조 오차의 여유가 사라져 수율이 내려간다. 여유를 두고 설계하고, 좁혀야만 지나갈 수 있는 자리에서만 최소값에 가까이 간다.

5. 네킹 — 좁혀 지나가기

고밀도 부품의 핀 사이를 빠져나갈 때는 트랙을 일시적으로 좁혀야 한다. 이것을 네킹(necking)이라고 한다.

얻는 것	치르는 것
좁은 자리를 지나갈 수 있다	그 구간에서 임피던스가 올라간다
배선을 다른 층으로 넘기지 않아도 된다	그 구간에서 저항과 발열이 는다

좁힌 구간이 짧으면 임피던스 변화가 파형에 거의 나타나지 않는다. 신호가 그 구간을 지나는 시간이 상승 시간보다 훨씬 짧으면 그 구간은 하나의 작은 불연속으로만 보이기 때문이다. 그러므로 네킹의 판단 기준은 얼마나 좁혔는가가 아니라 얼마나 길게 좁혔는가이다.

규칙	내용
길이	필요한 만큼만 좁히고 곧바로 원래 폭으로 되돌린다
위치	부품 탈출 구간에서만 쓰고 긴 구간에서는 쓰지 않는다
대칭	차동쌍은 두 트랙을 같은 자리에서 같은 만큼 좁힌다
전류	전원 트랙은 네킹하지 않는다 — 좁힌 자리가 발열 지점이 된다

참고

네킹은 DRC 로 검출되지 않는다. 좁힌 폭이 최소 폭 규칙을 만족하면 위반이 아니기 때문이다. 넷 클래스에 목표 폭을 두고 그것과 다른 구간을 조회하는 방법으로 확인한다.

6. 확정 전 점검 항목

축	확인
근거	넷마다 폭의 지배 근거를 정했는가
전류	어느 규격으로 계산했는지 문서에 밝혔는가
전류	내층과 외층을 구분해 계산했는가
전류	허용 온도 상승을 정했는가
임피던스	스택업이 확정된 뒤에 폭을 정했는가
임피던스	층마다 다른 폭을 지정했는가
제조	최소 폭·최소 간격을 제조사 기준으로 확인했는가
제조	최소값에 여유를 두었는가
네킹	좁힌 구간이 짧고 곧바로 되돌아가는가
네킹	전원 트랙을 네킹하지 않았는가