[ PCB / Artwork ] Signal VIA ( 고속신호 설계시 )

PCB Artwork에서 신호비아는 어떻게 사이즈를 선정 알아보자.

VIA  Characteristics (특징) 

Signal  또한 전기적 신호이므로 임피던스의 영향을 받는다. 그러므로  VIA 또한 Signal에 맞는 임피던스를 선정해 줘야 된다. 특히 고속신호 (PDIe, DDR, Ethernet 등등)에서는 중요하다.

 

Saturn PCB  Design Toolkit를 이용하여 VIA 사이즈를 정하는 방법을 알아보자

Via properties(비아 속성)

- Anti-Pad:  VIA 주변의 전원 플레인 또는 그라운드 플레인에서 제거된 영역을 말함. 즉 전기적 절연을 위한 것
- Via-Pad: VIA 구멍을 감싸는 구리 도금 영역으로, VIA와 PCB 레이어 사이의 전기적 연결을 위한 것
- DHS(Dynamic Hole Size) 또는 Drill Hole Diameter : PCB 설계에서 VIA 의 크기, 설계 요구 사항에 따라 Drill Hole의 크기를 조정하여 다양한 VIA를 생성함. PCB 재질 및 임피던스에 따라서 크기가 결정됨.

VIA 설명

 

Full Plane opening  

 -  특정 전원 또는 그라운드 플레인이 완전히 절단되거나 분리된 영역을 가지는 것을 의미 함.
즉  VIA 주변의 전원 또는 그라운드 플레인을 일부 절단하거나 구멍을 내어 다른 신호 레이어 또는 플레인과의 단락을 방지.
why?? 고속 신호 설계에서 불필요한 플레인 연결을 제거해 VIA 주변에서 발생할 수 있는 임피던스 불연속을 최소 하기 위함.

추가 : 전기적 분리(Electrical Isolation)가 필요한 경우에 사용됩니다.

예를 들어: 디지털 신호와 아날로그 신호 분리 / 고전압 회로와 저전압 회로 분리 / 노이즈 민감 회로 보호

VIA Full Plane opening

Saturn PCB  Design Toolkit - Via properties(비아 속성)

- 예를 들어 PCIe 설계를 위한 VIA 사이즈를 만들어보자

• Baud Rate(속도): PCIe Gen2 (Gen1 2.5 Gbps / Gen2 5Gbps / Gen3 8 Gbps)  
• Material Selection(재료선택) : 185HR
• Differential Pair Z( 임피던스 ): 85 ohm

- Substrate Options (기판 옵션) :PCB의 재질에 대한 속성을 선택. 옵션 안에 사용하는 재질이 없을 경우 Custom으로 선택하여 값을 입력함.

•  Material Selection(재료선택)
•  Er (Electrical Performance/ 전기성능 )
•  Tg (Glass Transition Temperature/유리전이 온도)

- Property Selection (속성선택) : Differential 선택 / PCIe는 Differential로 신호가 출력됨.

- Via Characteristics(특성)

• Drill Hole Diameter (또는 DHS(Dynamic Hole Size)): 일반적으로 0.254 
• 상황에 따라서 크기 조절 가능 (ex: BGA 타입의 IC에 Pitch 간격에 따라서 VIA의 크기를 변경할 수도 있음. *PCB를 제작하는 업체에서 최소 작업이 가능한 VIA의 크기를 미리 알아야 됨 )
•  Differential Pair Z( 임피던스 ): 85 ohm
• Ref Plene Opening H/W/S : 조절하여 아래의 Differential Impedance 값을 조정함. 즉  Differential Pair Z 값과 거의 동일할 수 있게 값을 조절함.

• Maximum stud Length: 해당 비활성 신호 경로의 길이를 나타냄
  •  stud Length 값을 초과 할시 고속 신호 설계에서 주요 문제가 될 수 있으며, 신호 왜곡, 지터(Jitter), 신호 지연 등을 유발함. (방안: 레이어 최적화, Back Drilling(백 드릴링))

Saturn PCB  Design Toolkit - Via properties(비아 속성)

Artwork에서 모습 예시

 

사진 및 자료 출처: https://saturnpcb.com/saturn-pcb-toolkit/

 

Substrate Options (기판 옵션) 확인하는 법

 - PCB 재질 제조사에서 검색하여 확인함.

 

사진 및 자료 출처: https://www.isola-group.com/

 

 

마무리

꼭 고속신호를 설계 시 VIA 또한 임피던스를 매칭하여서 사용해야 된다.