고속 설계의 비아 처리

참고

이 문서의 층위 — 적용. 고속 신호가 층을 바꿀 때 무엇을 어떤 순서로 정하는가를 다룬다. 왜 그렇게 하는지는 등가 모델과 고주파 거동이 소유하며 여기서 다시 유도하지 않는다.

1. 층 전환 판단 절차

고속 신호의 층 전환은 배선 도중의 사소한 결정이 아니라 여덟 항목을 정하는 절차다. 앞의 결정이 뒤의 선택지를 좁히므로 순서가 있다.

#	단계	정하는 것
1	전환이 필요한가	같은 층에서 끝낼 수 있으면 비아를 두지 않는다
2	어느 층으로 가는가	목적 층과 그 층의 기준면
3	기준면이 바뀌는가	같은 넷인가 다른 넷인가
4	리턴 경로를 무엇이 잇는가	접지 비아인가 커패시터인가
5	비아 종류	관통 · 블라인드 · 백드릴
6	스터브가 얼마나 남는가	남는 길이와 그 공진 주파수
7	랜드와 안티패드	전이 구간의 임피던스
8	검증	해석과 실측으로 확인한다

참고

1 번이 가장 효과가 크다. 비아를 두지 않으면 스터브도 리턴 경로 문제도 임피던스 불연속도 없다. 고속 신호의 층 전환 횟수를 줄이는 것은 그 자체로 설계 목표다.

2. 백드릴

백드릴(backdrill)은 관통 비아를 뚫고 도금한 뒤, 반대쪽에서 쓰지 않는 배럴을 더 굵은 드릴로 깎아 내는 2차 가공이다. 컨트롤드 뎁스 드릴링이라고도 한다.

얻는 것	치르는 것
관통 비아의 제조 이점을 유지하면서 스터브를 줄인다	공정과 비용이 는다
블라인드 비아보다 적층 구조가 단순하다	깎아 낸 자리에 도금이 없다
층 배정의 자유가 커진다	잔여 스터브를 0 으로 만들 수는 없다

2.1 지정할 때 밝히는 것

백드릴은 제조 지시이므로 설계 데이터만으로는 전달되지 않는다. 제조 문서에 다음을 밝힌다.

항목	내용
대상	어느 넷 또는 어느 비아를 깎는가
방향	어느 면에서 들어가는가
깊이	어느 층까지 남기는가
드릴 지름	원래 드릴보다 굵어야 배럴이 깎인다
허용 잔여 스터브	얼마까지 남는 것을 허용하는가

2.2 잔여 스터브가 0 이 되지 않는 이유

깎아 낸 자리가 살아 있는 층의 동박까지 침범하면 연결이 끊긴다. 그래서 목표 층 바로 위에서 멈춰야 하고, 드릴 깊이에는 기계적 오차가 있으므로 안전 여유를 남긴다. 결과로 짧은 스터브가 반드시 남는다.

남길 수 있는 길이는 제조사가 알려 주는 값이고, 그 길이가 만드는 공진 주파수가 신호 대역 밖인지를 고주파 거동 §2 의 사분파장 조건으로 확인한다.

3. 리턴 비아 배치

기준면이 같은 넷일 때, 리턴 전류가 두 면 사이를 건너는 통로가 접지 비아다. 배치의 원칙은 가까움 하나다.

패턴	성질
접지 비아 없음	리턴 전류가 가장 가까운 기존 비아나 판 가장자리까지 돌아간다
한 개	리턴 경로가 정해진다. 방향이 한쪽으로 치우친다
마주 보는 두 개	경로가 나뉘어 인덕턴스가 준다. 차동쌍에서 대칭을 유지한다
둘레에 여럿	인덕턴스가 더 낮아지고 이웃 비아와의 결합이 준다

개수를 늘리기 전에 거리를 줄인다. 멀리 있는 넷보다 곁의 하나가 루프 면적을 더 줄인다.

주의

접지 비아를 두었다고 리턴 경로가 이어진 것은 아니다. 그 비아가 실제로 두 기준면 모두에 이어져 있어야 한다. 층 배정을 확인하지 않고 접지 비아를 배치하면 한쪽 면에만 붙어 아무 일도 하지 않는다.

4. 스티칭 커패시터

기준면이 서로 다른 넷이면 접지 비아로 이을 수 없다. 교류 경로만 만들어 주는 소자를 둔다.

항목	내용
무엇	두 기준면 사이에 배치하는 커패시터
어디	신호 비아에 최대한 가까이 배치한다
왜 가까이	커패시터까지의 배선과 비아가 그 자체로 인덕턴스이기 때문이다
한계	커패시터의 기생 인덕턴스가 있어 접지 비아만큼 낮은 임피던스는 되지 않는다

그러므로 첫 선택지는 커패시터가 아니라 층 배정이다. 신호가 같은 기준면을 유지하도록 층을 배정하면 이 문제 자체가 생기지 않는다. 커패시터는 그것이 불가능할 때의 차선책이다.

커패시터의 기생 성분과 자기 공진은 전원 무결성이 소유한다.

5. 차동쌍 비아

차동쌍(differential pair)이 층을 바꿀 때는 두 비아를 하나의 구조로 다룬다.

지킬 것	내용
배럴 길이	두 비아가 같은 층 구간을 지난다
스터브	두 비아의 잔여 스터브가 같다
리턴 비아	두 비아에 대칭으로 배치한다
안티패드	두 비아가 같은 조건이다
진입 배선	두 배선이 같은 길이로 들어오고 나간다
주변 도형	한쪽만 다른 동박·비아에 물리지 않는다

대칭이 깨진 자리를 찾는 방법은 하나씩 짚어 보는 것이다. 두 경로를 나란히 놓고 항목마다 같은지 확인한다. 자동으로 검출되지 않는다 — DRC 는 대칭을 보지 않는다.

참고

전환 자체를 줄이는 것이 대칭을 지키는 것보다 쉽다. 차동쌍의 층 전환 횟수를 줄이면 대칭을 지킬 자리도 줄어든다.

6. 저속 설계와의 차이

같은 비아를 두고 정하는 항목이 다르다.

	저속 회로	고속 회로
비아를 무엇으로 보는가	층을 잇는 통로	3차원 전이 구조
정하는 값	드릴 · 랜드 · 개수 · 전류	왼쪽 전부 + 안티패드 · 스터브 · 리턴 비아 · 대칭
검증 방법	연결 검사 · 전류 계산	전자기장 해석 · TDR · 아이 개구 판정
틀렸을 때	이어지지 않거나 발열한다	이어져 있고 DRC 도 통과하는데 링크가 서지 않는다

마지막 줄이 고속 비아 설계의 성질이다. 검사로 걸리지 않으므로 절차로 지킨다.

7. 확정 전 점검 항목

축	확인
횟수	고속 넷의 층 전환 횟수를 줄일 여지가 없는가
기준면	전환 전후의 기준면이 같은 넷인가
리턴	같은 넷이면 접지 비아가 곁에 있는가
리턴	다른 넷이면 커패시터가 전환 지점 가까이 있는가
리턴	그 접지 비아가 두 기준면 모두에 이어져 있는가
스터브	남는 스터브 길이를 알고 있는가
스터브	그 길이의 공진 주파수가 신호 대역 밖인가
백드릴	대상 · 방향 · 깊이 · 허용 잔여를 제조 문서에 밝혔는가
임피던스	랜드와 안티패드를 전이 구간 임피던스 기준으로 정했는가
안티패드	그 안티패드가 다른 배선의 리턴 경로를 끊지 않는가
차동	두 비아의 여섯 항목이 대칭인가
결합	이웃 비아와의 간격을 확인했는가 · 사이에 접지 비아가 있는가
검증	해석 결과와 실측을 대조했는가