비아의 임피던스 제어 및 PCB 설계에서 신호 무결성에 미치는 영향

비아는 다층 PCB(인쇄 회로 기판)의 여러 레이어에 걸쳐 트레이스를 연결하는 도체 역할을 합니다. 저주파의 경우 via는 신호 전송에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 주파수가 상승하고(1GHz 이상) 신호 상승 에지가 가파르게 되면(최대 1ns) 비아를 단순히 전기적 연결의 함수로 간주할 수 없으며 비아가 신호 무결성에 미치는 영향을 신중하게 고려해야 합니다. 비아는 전송 라인에서 불연속 임피던스가 있는 중단점으로 작동하여 신호 반사를 유발합니다. 그럼에도 불구하고 비아로 인한 문제는 기생 커패시턴스와 기생 인덕턴스에 더 집중되어 있습니다. 비아 기생 커패시턴스가 회로에 미치는 영향은 주로 신호의 상승 시간을 연장하고 회로의 실행 속도를 줄이는 것입니다. 그러나 기생 인덕턴스는 바이패스 회로의 기여를 약화시키고 전체 전력 시스템의 필터링 기능을 감소시킬 수 있습니다. 이 기사에서는 임피던스 제어를 통해 신호 무결성에 어떻게 영향을 미치는지 보여주고 회로 설계에 대한 몇 가지 조언을 제공합니다.

임피던스 연속성에 대한 비아의 영향

비아 존재시와 비아 부재시 TDR(Time Domain Reflectometer) 곡선에 따르면 비아 부재시 명백한 신호 지연이 발생합니다. 비아가 없는 경우 두 번째 테스트 홀까지의 신호 전송 시간은 458ps이고, 비아가 있는 경우 두 번째 테스트 홀까지의 신호 전송 시간은 480ps이다. 따라서 via는 신호를 22ps 동안 지연시킵니다.

신호 지연은 주로 아래 공식을 통해 계산되는 비아의 기생 커패시턴스로 인해 발생합니다.

이 공식에서 D₂ 지면의 패드 직경(mm)을 나타냅니다. D₁ 비아의 패드 직경(mm), T에서 PCB 기판 두께(mm), ε_r 기판의 유전 상수와 C를 비아의 기생 커패시턴스(pF)로

이 논의에서 비아의 길이는 0.96mm이고 비아 직경은 0.3mm, 패드 직경은 0.5mm, 유전상수는 4.2로 위에서 언급한 공식에 포함되어 계산된 기생 커패시턴스는 약 0.562pF로 파악됩니다. 저항이 50Ω인 신호 전송 라인의 경우 이 비아는 다음 공식으로 계산된 변화량으로 신호의 상승 시간을 변화시킵니다.

위에서 소개한 공식에 따르면 비아 커패시턴스에 의한 상승 시간 변화는 30.9ps로 테스트 결과(22ps)보다 9ps 길어 이론적인 결과와 실제 결과 사이에 편차가 있음을 알 수 있다.

결론적으로 비아 기생 커패시턴스로 인한 신호 지연은 그렇게 분명하지 않습니다. 그러나 고속 회로 설계에 관해서는 특히 트레이싱에 다중 비아를 적용한 레이어 변환에 주의를 기울여야 합니다.

기생 커패시턴스와 비교하여 비아의 기생 인덕턴스는 회로에 더 많은 손상을 줍니다. 비아의 기생 인덕턴스는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

이 공식에서 L은 비아의 기생 인덕턴스(nH), h는 비아의 길이(mm), d는 비아 직경(mm)을 나타냅니다. 기생 인덕턴스를 통해 발생하는 등가 임피던스는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

테스트 신호의 상승 시간은 500ps이고 등가 임피던스는 4.28Ω입니다. 그러나 비아에 의한 임피던스 변화는 12Ω 이상에 이르며, 이는 측정값이 이론 계산값과 극도의 편차를 보인다는 것을 의미한다.

임피던스 연속성에 대한 비아 직경의 영향

일련의 실험에 따르면 비아 직경이 클수록 비아의 불연속성이 더 크다는 결론을 내릴 수 있습니다. 고주파 및 고속 PCB 설계 과정에서 임피던스 변화는 일반적으로 ±10% 범위 내에서 제어되며, 그렇지 않으면 신호 왜곡이 발생할 수 있습니다.

임피던스 연속성에 대한 패드 크기의 영향

기생 커패시턴스는 고주파 신호 대역 내의 공진점에 매우 큰 영향을 미치며 대역 폭은 기생 커패시턴스와 함께 시프트를 겪습니다. 기생 커패시턴스에 영향을 미치는 주요 요소는 신호 무결성에 동등한 영향을 미치는 패드 크기입니다. 따라서 패드 직경이 클수록 임피던스 불연속성이 발생합니다.

패드 직경이 0.5mm에서 1.3mm 범위 내에서 변경되면 비아로 인한 임피던스 불연속성이 지속적으로 감소합니다. 패드 크기가 0.5mm에서 0.7mm로 증가하면 임피던스는 상대적으로 큰 변화 진폭을 나타냅니다. 패드 크기가 계속 증가함에 따라 비아 임피던스 변경이 원활해집니다. 따라서 패드 직경이 클수록 비아에 의해 발생하는 임피던스 불연속성이 낮아집니다.

Via 신호의 반환 경로

리턴 신호 흐름의 기본 원리는 고속 리턴 신호 전류가 가장 낮은 인덕턴스 경로를 따라 흐르는 것입니다. PCB 보드에는 하나 이상의 접지면이 포함되어 있으므로 반환 신호 전류는 신호 라인에 가장 가까운 접지면에서 신호 라인 아래의 한 경로를 따라 직접 흐릅니다. 한 지점에서 다른 지점으로 모든 신호 전류가 동일한 평면을 따라 흐르는 상황에서 신호가 한 지점에서 다른 지점으로 비아를 통해 이동하게 되면 접지 연결이 되지 않으면 리턴 신호 전류가 점프할 수 없습니다. 달성했습니다.

고속 PCB 설계에서 임피던스 불일치를 제거하기 위해 신호 전류를 통해 리턴 경로를 제공할 수 있습니다. 비아 주변에서 접지 비아는 신호 비아와 접지 비아 사이에 생성된 인덕턴스 루프로 신호 전류에 대한 반환 경로를 제공하도록 설계할 수 있습니다. 비아의 영향으로 임피던스 불연속성이 생기더라도 전류가 인덕턴스 루프 쪽으로 흐를 수 있어 신호 품질이 향상됩니다.

비아의 신호 무결성

S 매개변수는 신호 무결성에 대한 비아의 영향을 평가하는 데 사용할 수 있으며, 손실, 감쇠 및 반사 등을 포함하여 채널의 모든 구성 요소의 속성을 나타냅니다. 이 기사에서 활용한 일련의 실험에 따르면 접지 비아가 가능함을 나타냅니다. 전송 손실을 줄이고 비아 주변에 접지 비아가 많을수록 전송 손실이 낮아집니다. 비아 주변에 비아를 추가하면 비아로 인한 손실을 어느 정도 줄일 수 있습니다.

이 기사에서 위에서 설명한 논의에 따르면 두 가지 결론을 내릴 수 있습니다.
a. 비아로 인한 임피던스 불연속성은 비아 직경과 패드 크기의 영향을 받습니다. 비아 직경과 패드 직경이 클수록 유발된 임피던스 불연속성이 더 심각해집니다. 비아로 인한 임피던스 불연속성은 일반적으로 패드 크기가 증가함에 따라 감소합니다.
b. 접지 비아 추가는 ±10% 범위 내에서 제어할 수 있는 비아 임피던스 불연속성을 분명히 개선할 수 있습니다. 또한 접지 비아를 추가하면 분명히 신호 무결성이 향상될 수 있습니다.

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