PCB, 층 배열(Layer Stack up), 층 배열 구조

 

 

 

PCB 설계에서 층 배열(Layer Stack up) 의 중요성, 회로특성에 따른 올바른

층 배열 구조를 배움으로 노이즈나 EMI 인증 시험에 능동적으로 대응할 수 있다

 

 

 

 

▶ 층 배열 (Layer Stack up) 기본 개념

 

층 배열은 EMC(Electro Magnetic Compatibility) 성능을

결정하는 데 중요한 역활을 담당한다

 

 

 

  ▷ 회로 및 환경적 특성을 고려한 층 배열

 

  다양한 노이즈(Noisy)를 줄이는 데 결정적인 역활을 한다

  특히 방사 노이즈(Radiated Emission) 를 감소 시키는 데 큰 효과를 얻을 수 있다

 

 

 

PCB 층 배열을 위해 회로의 특성 을 충분히 이해하고 있어야 하고

서로 다른 그라운드의 성질 을 정확히 알고 있어야 한다

또한 신호의 주파수 특성 을 면밀히 파악해야 한다

 

 

 

 

 

▶ 층 배열 (Layer Stack up)  알고리즘

 

고속으로 동작하는 신호 라인이나 고주파 라인 등은

그라운드(GND) 층이 인접 되어 있어야 한다

 

 

 

  ▷ 파워(Power) 층과 그라운드(GND) 층

 

  파워 층과 그라운드 층은 하나의 쌍으로 배열 되어 있어야 한다

  둘이 분리 될 시 커패시턴스(Capacitance) 가 낮아지고 임피던스(Impedance)

  가 높아질 수 있다

 

 

 

많은 그라운드 층이 형성되는 것은 EMI(Electro Magnetic Interference) 를 개선 하는데

큰 효과를 얻는다. 성질이 서로 다른 그라운드(GND) 가 존재 할 경우에는 서로 인접하지 않도록

주의 해야 한다

 

클럭(Clock) 라인이 형성된 층과 인접한 층 에 그라운드가 형성 되어 있어야 한다

 

 

 

 

 

▶ PCB 적층 구조

 

  ▷ PCB 적층 구조의 원리

 

  PCB 원판은 PCB를 만드는 기본 재료이다. CCL(Copper Clad Laminate)이란

  FR-4(Glass Epoxy Resin) 양 쪽에 동박(Copper Foil) 을 입힌 적층판 이다

< 2층 PCB 구조 >

  ▷ 동박(Copper Foil)

 

  절연기판의 단면 또는 양면을 덮어 도체 회로를 형성하게 하는 얇은 판이다

  신호 라인이나 파워 라인, 그라운드 등을 형성하여 PCB의 고유의 기능을

  원할히 수행할 수 있도록 한다

 

  ▷ 절연체 (동박 적층판)

 

  FR-4 는 에폭시 수지와 유리 섬유 천으로 만들어진 화염 저항 재료이다

  재료는 수지(Resin) 이 사용된다. 절연 특성이 우수하고, 강도가 약해 온도에 따라

  치수 변화가 매우 크다 ( 종이, 유리직포 등을 사용하여 안정화 시킨다 )

 

  

 

 

 

 

▶ PCB 층 수의 따른 분류

 

 

 

  ▷ 4층 PCB ( 4 Layer PCB )

 

   PCB 원판 양쪽에 Prepreg 라는 절연체를 접착하고 그 바깥쪽에는 

  동박을 붙인 PCB 이다

 

  Prepreg 란 유리섬유 등의 재료에 열경화성 수지를 침투시켜 B스테이지(수지의

  반경화 상태) 까지 정화시킨 소재로 동박 적층판의 기초 원자재 및 다층 기판의 층간

  접착제로 사용 된다

 

  동박 2 는 그라운드(GND) 층, 동박 3 은 파워(Power) 층이다

 

< 4층 적층 구조 >

 

 

 

 

  ▷ 6층 PCB ( 6 Layers PCB )

 

  2 장의 PCB 원판 양쪽에 Prepreg 를 접착하고, 동박을 양쪽에 붙은 기판

  8층 이상의 PCB는 PCB 원판을 늘리고 동박을 양쪽에 붙이면 된다

 

< 6층 적층 구조 >

 

 

 

▶ 6층 배열 구조

 

  ▷Signal Layer ( 1, 6 ) 가 플랜(Plan) 에 인접하지 않은 경우 

 

  일반적으로 잘 사용하지 않는다

 

  High Frequency, Signal 은 Layer 2, 5 에 배열 하고

  Low Frequency Signal 은 Layer 1, 6 에 배열 한다

 

  신호 라인보다 파워(Power) 가 더 중요할 경우 에 사용되는 구조이다 

< 6층 배열 구조 - 1 >

 

 

 

  ▷ EMI(Electro Magnetic Interference) 에 효과적인 배열 구조

 

  내외부적인 노이즈(Noisy) 에 충분히 대처 할 수 있고

  방사 노이즈(Radiated Emission) 을 감소한다

 

  2개의 층 만이 Signal Layer 로서 PCB 제작 비용이 고가이므로

  양산 제품에 적합하지 않는다

< 6층 배열 구조 - 2 >

 

 

 

 

 

 

▶ 8층 배열 구조

 

  ▷ 모든 신호 층이, 플랜(Plan) 에 인접

 

  파워(Power) 층과 그라운드(GND) 층이 서로 인접 해 있다

 

  High Frequency Signal 이 그라운드(GND) 층과 인접해 있어

  방사 노이즈(Radiated Emission) 감소 를 위한 충실한 실딩 역활을 한다

 

  여러 개의 그라운드 플랜은 임피던스(Impedence) 를 낮출 수 있다

< 8층 배열 구조 - 1 >

 

 

  ▷ EMC(Electro Magnetic Compatibility) 에 좋은 배열 구조

 

  파워(Power) 층이 그라운드(GND) 층과 인접해 있지 않으므로 커패시턴스(Capacitance)

  가 매우 약하게 존재해 임피던스(Impedence) 가 높아 질 수 있다

  → 이런 경우 디커플링 커패시터의 배치 및 배선 설계 기술이 매우 중요하다

  

  High Frequency Signal 이 그라운드(GND) 플랜과 인접해 있어

  이 또한 방사 노이즈(Radiated Emission) 감소를 위한 충실한 실딩 역활을 한다

 

< 8층 배열 구조 - 2 >

 

 

 

 

 

▶ 10층 배열 구조

 

파워(Power) 와 신호 모두 민감 할 때 사용하는 구조이다

 

파워(Power) 그라운드(GND)가 Layer 5, 6에 하나의 쌍으로 서로 인접해 있어

EMI 에 효과적으로 대처할 수 있다

 

High Frequency, Clocks 과 귀환경로(Return Path) 의 최소화로

EMI 개선, 신호의 원형을 그대로 유지할 수 있다

 

여러 개의 그라운드(GND) 로 임피던스(Impedence)를 낮출 수 있다

 

< 10층 배열 구조 >

 

 

 

 

▶ 층 배열이 중요한 이유

 

  ▷ 올바른 층 배열(Layer Stack up)  구조를 위한 고려사항

 

  중요한 신호 라인 측에 인접한 그라운드(GND) 층이 존재 해야 한다

  전자기적인 영향을 최소화 하여 신호 간의 간섭을 억제해야 하기 때문이다

 

  특히 클럭(Clock) 라인은 링잉(Ringing) 현상을 방지하기 위해 그라운드(GND) 층에

  인접해 있어야 한다

 

  파워(Power) 층과 그라운드(GND) 층이 서로 인접될 수 있도록

  개발 초기 단계부터 고려 를 해야 한다

 

 

 

  ▷ 부적절한 층 배열(Layer Stack up) 구조의 문제점

 

  구조의 문제로 층 간의 전자기적인 영향으로 신호 간의 간섭 이 발생하면 신호가 왜곡 된다

 

  클럭(Clock) 라인이 설계된 층이 그라운드(GND) 층과 인접되지 않는다면

  EMI 성능 시험 중 방사 노이즈(Radiated Emission) 에 큰 영향을 받을 수 있다

 

  또한, 파워(Power) 층과 그라운드(GND) 층이 인접되지 않고 떨어져 있다면

  임피던스(Impedence) 가 높게 나타나는 현상이 발생한다

 

  부적절한 층 배열은 구조는 인접한 전자기기나 기판에 영향 을 줄 수

  있기 때문에 적절한 배열을 해주어야 한다