고속 디지털 PCB를 위한 블라인드·매립 비아 설계 마스터하기

회로 시스템에서 대규모 및 초대규모 집적 회로 응용이 증가함에 따라 칩 집적도 확대, 부피 축소, 핀 수 증가, 속도 향상으로 회로 기판은 다층화와 복잡성 방향으로 발전 추세를 보입니다. 대부분의 고속 다층 PCB는 스루홀 비아를 통해 레이어 간 연결을 구현합니다. 그러나 상단에서 하단으로 순환하지 않는 전기 연결의 경우 불필요한 스루홀 비아 스터브가 발생하여 PCB 전송 품질에 나쁜 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 높은 성능과 높은 요구사항을 가진 일부 고속 디지털 시스템에서는 불필요한 스터브 영향을 결코 간과할 수 없습니다. 비용 대비 성능 균형을 맞추기 위한 시도로 블라인드/매립 비아 설계가 등장하여 불필요한 스터브 효과를 효과적으로 피하고 시스템 전송 품질을 높이고자 합니다.

블라인드 및 매립 비아 설계를 연구 대상으로 하여 모델링 시뮬레이션을 통해 블라인드/매립 비아의 비아 직경, 패드, 안티패드 파라미터가 S 파라미터, 임피던스 연속성 등 신호 특성에 미치는 영향을 주로 분석하고 고속 PCB 블라인드/매립 비아 설계에 대한 실무 지침을 제공합니다.

블라인드/매립 비아 주요 파라미터와 성능 지표

고속 디지털 회로 다층 PCB에서 비아는 한 평면의 상호연결 선과 다른 평면의 상호연결 선 간 고속 신호 연결에 필수적입니다. 비아는 서로 다른 평면 간 라우팅을 연결하는 전기 도체입니다. PCB 설계 차이에 따라 비아는 스루홀 비아, 블라인드 비아, 매립 비아로 분류할 수 있습니다(그림 1 참조).

• 스루홀 비아는 PCB 전체를 관통하며 레이어 간 상호연결 라우팅이나 부품 위치 결정을 위한 비아로 적용됩니다.
• 블라인드 비아는 PCB 전체를 관통하지 않으며 PCB 내부 레이어와 표면 평면 라우팅 간 연결을 담당합니다.
• 매립 비아는 PCB 내부 레이어 간 연결만 담당합니다. PCB 외관에서 직접 볼 수 없습니다.

비아를 단순한 전기 연결로만 볼 수 없으며 신호 무결성에 미치는 영향도 고려해야 합니다. 따라서 비아 아키텍처 설계가 고속 디지털 회로 성능에 미치는 영향을 더 잘 이해하는 것은 신호 무결성 우수 해결에 도움이 되어 고속 디지털 시스템 설계를 최적화하고 고속 신호 전송 품질을 개선할 수 있습니다.

고속 회로에서 비아의 등가 전기 모델은 그림 2와 같으며, 여기서 C₁, C₂, L은 각각 비아의 기생 커패시턴스와 인덕턴스를 나타냅니다.

이 모델에 기반하여 고속 회로의 모든 비아는 그라운드에 기생 커패시턴스를 생성합니다. 기생 커패시턴스는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:

이 공식에서 비아 기생 커패시턴스는 그라운드에 대한 안티패드 직경, 비아 패드 직경, 기판 재료 유전율, PCB 두께와 같습니다. 고속 디지털 회로에서 비아 기생 커패시턴스는 신호 라이징 타임을 느리게 하거나 저하시켜 회로 속도를 늦춥니다. 특성 임피던스가 Z₀인 전송선의 경우, 기생 커패시턴스와 신호 라이징 타임 관계는 다음 공식으로 나타낼 수 있습니다.

고속 신호가 비아를 통과할 때 기생 인덕턴스도 생성됩니다. 고속 디지털 회로에서 비아 기생 인덕턴스가 미치는 영향은 기생 커패시턴스보다 큽니다. 기생 인덕턴스는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

이 공식에서 비아 기생 인덕턴스는 비아 길이와 비아 직경과 같습니다. 또한 기생 인덕턴스로 인한 등가 임피던스는 결코 간과할 수 없으며, 등가 임피던스와 기생 커패시턴스 및 신호 라이징 타임 관계는 다음 공식으로 나타낼 수 있습니다.

위 공식들에 기반하여 비아 전기 성능은 설계 파라미터에 따라 변화합니다. 비아 직경, 길이, 패드, 안티패드 변화는 고속 회로에서 임피던스 불연속을 초래하여 신호 무결성에 큰 영향을 미칩니다. 이 글의 신호 특성 분석은 S₁₁(반사 손실)과 S₂₁(삽입 손실) 지표에 있습니다. 삽입 손실 감쇠도가 -3dB 미만일 때 유효 대역폭을 적용하여 블라인드/매립 비아 신호 전송 성능을 판단하고 분석합니다. 또한 TDR 시뮬레이션을 적용하여 임피던스 불연속으로 인한 반사를 분석할 수 있습니다.

블라인드/매립 비아 모델링 시뮬레이션 및 결과 분석

블라인드/매립 비아가 고속 PCB 신호 특성에 미치는 영향을 연구하기 위해 이 글에서는 HFSS 소프트웨어로 8층 PCB 모델을 설계했습니다(그림 3 참조).

이 PCB에서 1~2층, 4~5층, 7~8층은 모두 신호 레이어, 3층은 전원 레이어, 6층은 그라운드 레이어입니다. 각 레이어 두께는 0.2mm(8mil), 유전체 재료는 FR4, 유전율은 4입니다. 신호 선 라우팅 폭은 0.1mm(4mil), 두께 0.13mm(1.1mil)입니다. 시뮬레이션에서 신호 라이징 타임은 20ps로 설정하고 최대 스윕 주파수는 100GHz로 설정했습니다.

• 블라인드/매립 비아와 스루홀 비아의 신호 특성 영향 비교

신호 선이 1층에서 5층으로 순환해야 할 때 블라인드 비아로 연결할 수 있습니다. 블라인드 비아 반경은 0.1mm(4mil), 길이는 0.81mm(32mil)로 설정했습니다.

비교를 위해 스루홀 비아 연결도 설계했으며, 스루홀 비아 반경은 0.1mm입니다. 이 조건에서 스루홀 비아 스터브 길이는 0.6mm입니다.

시뮬레이션 결과에 따르면, 주파수 범위 40~80GHz에서 블라인드 비아 반사 손실(S₁₁)은 4~7dB에 불과합니다. 그러나 같은 주파수 범위에서 스루홀 비아 반사 손실(S₁₁)은 4~10dB입니다. 주파수 76GHz에서 블라인드 비아 삽입 손실(S₂₁)이 최대가 되지만, 52GHz에서 스루홀 비아 삽입 손실(S₂₁)이 최대가 됩니다. 삽입 손실이 -3dB 미만으로 보장되면 블라인드 비아 동작 대역폭은 22GHz인 반면 스루홀 비아는 15GHz에 불과합니다.

특성 임피던스 측면에서 블라인드 비아 특성 임피던스 변화 범위는 46~52이고, 스루홀 비아는 42~53으로 블라인드 비아가 더 나은 전송선 임피던스 연속성을 가집니다. 따라서 S 파라미터 안정성과 특성 임피던스 TDR 변화에 기반하여 블라인드 비아가 탑 레이어-내부 레이어 또는 바텀 레이어-내부 레이어 간 신호 선 연결에서 스루홀 비아보다 더 나은 전송 품질을 가짐을 알 수 있습니다.

신호 선이 2층에서 5층으로 순환해야 할 때 매립 비아로 연결할 수 있습니다. 매립 비아 반경은 0.1mm, 길이는 0.57mm로 설정했습니다. 비교용 스루홀 비아 반경은 0.1mil이며, 1층과 2층 사이 불필요한 스터브 길이는 0.23mm, 5층과 8층 사이는 0.6mm입니다.

시뮬레이션 결과, 40~80GHz 주파수 범위에서 매립 비아 반사 손실(S₁₁)은 4~8dB로 비교적 부드럽게 변화합니다. 그러나 같은 범위에서 스루홀 비아 반사 손실(S₁₁)은 4~10dB이며, 특히 32GHz에서 감쇠가 순간적으로 13dB로 변해 전송 안정성에 영향을 미칩니다. 77GHz에서 매립 비아 삽입 손실(S₂₁)이 최대이고, 54GHz에서 스루홀 비아 삽입 손실(S₂₁)이 최대입니다. 삽입 손실이 -3dB 미만으로 보장되면 매립 비아 동작 대역폭은 32GHz, 스루홀 비아는 20GHz에 불과합니다.

또한 매립 비아 특성 TDR 변화 범위는 41.8~52, 스루홀 비아는 37.5~52로 매립 비아가 스루홀 비아보다 더 나은 전송선 임피던스 연속성을 가집니다. 따라서 S 파라미터 안정성과 특성 임피던스 TDR 변화에 기반하여 매립 비아가 내부 레이어 간 신호 선 연결에서 스루홀 비아보다 더 나은 전송 품질을 가짐을 알 수 있습니다.

• 블라인드/매립 비아 직경, 패드, 안티패드가 신호 특성에 미치는 영향

블라인드/매립 비아 직경, 패드, 안티패드가 신호 특성에 미치는 영향을 연구하기 위해 블라인드/매립 비아 패드와 안티패드 크기를 고정했습니다. 블라인드/매립 비아 반경 초기값을 0.1mm로 설정하고 0.1mm~0.175mm 범위에서 변화시켰습니다.

시뮬레이션 결과, 블라인드 비아 반경이 0.1mm~0.175mm 범위에서 변할 때 임피던스 변화 범위는 6~13.5이며 임피던스 불연속 정도가 증가하여 삽입 손실 S₂₁ 범위가 증가합니다. 20~60GHz 주파수 범위에서 최대 감쇠는 1.7dB에 달합니다. 한편, 매립 비아 반경이 4mil~7mil 범위에서 변할 때 임피던스 변화 범위는 10~17이며 임피던스 불연속 정도가 증가하여 삽입 손실 S₂₁ 범위가 증가합니다. 20~60GHz에서 최대 감쇠는 1.6dB에 달합니다.

블라인드 비아 직경과 안티패드 크기를 고정한 채 블라인드/매립 비아 패드 반경 초기값을 0.2mm로 설정하고 0.2mm~0.28mm 범위에서 변화시켰습니다.

시뮬레이션 결과, 블라인드 비아 패드 반경이 0.2mm~0.28mm 범위에서 변할 때 임피던스 변화 범위는 6.5~10.5로 삽입 손실 S₂₁ 범위 증가를 초래합니다. 또한 최대 감쇠가 2dB 증가합니다. 한편, 매립 비아 패드 반경이 0.2mm~0.28mm 범위에서 변할 때 임피던스 변화 범위는 10.5~15.5로 임피던스 불연속 정도가 증가하여 삽입 손실 S₂₁ 범위가 증가합니다. 또한 최대 감쇠가 3.2dB 증가합니다.

블라인드/매립 비아 직경과 패드 크기를 고정한 채 안티패드 초기값을 0.3mm로 설정하고 0.3mm~0.375mm 범위에서 변화시켰습니다.

시뮬레이션 결과, 블라인드 비아 안티패드 크기가 0.3mm~0.375mm 범위에서 변할 때 임피던스 변화 범위는 6.5~5.5로 임피던스 불연속 정도와 삽입 손실 S₂₁ 범위가 감소합니다. 또한 최대 감쇠가 3.2dB 증가합니다. 한편, 매립 비아 안티패드 크기가 0.3mm~0.375mm 범위에서 변할 때 임피던스 변화 범위는 10~7.5로 임피던스 불연속 정도와 삽입 손실 S₂₁ 범위가 감소합니다. 또한 최대 감쇠가 3dB 증가합니다.

결론

블라인드 및 매립 비아를 가진 8층 PCB 모델을 HFSS로 구축하여 블라인드/매립 비아와 스루홀 비아의 S 파라미터와 특성 임피던스 TDR을 비교했습니다. 블라인드/매립 비아는 스루홀 비아보다 더 작은 삽입 손실과 더 나은 임피던스 불연속성을 가집니다. 삽입 손실이 -3dB 미만 조건에서 블라인드/매립 비아는 스루홀 비아보다 더 넓은 동작 대역폭을 가집니다.

이 글은 비아 직경, 패드, 안티패드 등 파라미터가 블라인드/매립 비아 신호 특성에 미치는 영향도 분석했습니다. 블라인드/매립 비아 직경과 패드 크기 증가 시 신호 삽입 손실 감쇠가 줄어들고 임피던스 불연속 정도가 증가합니다. 그러나 블라인드/매립 비아 안티패드 크기 증가 시 신호 삽입 손실 감쇠와 임피던스 불연속이 모두 줄어듭니다.

삽입 손실이 -3dB 미만이고 유효 동작 대역폭이 20GHz에 도달하려면: 블라인드 비아 반경 ≤ 0.175mm, 매립 비아 반경 ≤ 0.23mm; 블라인드 비아 패드 ≤ 0.25mm, 매립 비아 패드 ≤ 0.275mm; 블라인드 비아 안티패드 ≥ 0.25mm, 매립 비아 안티패드 ≥ 0.23mm여야 합니다.

임피던스 변화 범위를 ±10% 내로 제어하려면: 블라인드/매립 비아 반경 ≤ 0.125mm; 블라인드 비아 패드 ≤ 0.25mm, 매립 비아 패드 ≤ 0.175mm; 블라인드 비아 안티패드 ≥ 0.275mm, 매립 비아 안티패드 ≥ 0.4mm여야 합니다.

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참고 자료:
• 블라인드 비아와 매립 비아 비교
• PCBCart 풀 피처 PCB 제조 서비스 제공
• PCB 제조 외 PCBCart 턴키 PCB 조립 서비스도 제공
• 빠른 PCB 조립 견적 및 생산을 위한 PCB 설계 파일 요구사항
• HDI 플렉스-리지드 PCB에서 매립/블라인드 비아에 대해 모르는 3가지 중요 요소