고속 PCB 설계의 중요성: 현대 전자 제품의 성능 보장

데이터가 초당 수십억 비트로 이동하는 시대에, 고속 PCB 디자인은 "좋아 할 것"에서 제품 성공의 중요한 결정 요소로 전환되었습니다.5G 기지국부터 인공지능 서버와 자율주행 차량까지, 현대 전자제품은 10Gbps 이상의 신호를 손상없이 전송할 수 있는 PCB에 의존합니다.고속 설계에서 단 한 번의 실수, 즉 잘못된 경로 또는 부적절한 임피던스, 성능을 손상시킬 수 있습니다., 데이터 오류, 시스템 충돌, 또는 고장난 제품으로 이어집니다.

이 가이드는 왜 고속 PCB 설계가 중요한지, 그것이 제시하는 독특한 도전과 신호 무결성을 보장하는 핵심 원칙을 탐구합니다.엔지니어와 제조업체는 오늘날의 초연결된 세계의 요구를 충족시키는 전자 제품을 만들 수 있습니다..

주요 내용
1고속 PCB 설계 (신호 ≥ 1Gbps) 는 신호 저하를 방지하여 표준 PCB 레이아웃에 비해 오류율을 90% 감소시킵니다.
2고속 설계의 부적절함은 25Gbps 시스템에서 데이터 처리량을 50% 감소시킬 수 있는 크로스 토크 (신호 누출) 및 반사 (reflection) 등의 문제를 유발합니다.
3.비판적인 설계 요소는 임피던스 제어, 지상화 및 추적 라우팅이 성능에 직접 영향을 미칩니다. 5% 임피던스 불일치로 신호 강도를 30% 줄일 수 있습니다.
45G, 데이터센터, 자동차 ADAS 같은 산업은 높은 속도 PCB 설계에 의존하여 신뢰할 수 있고 실시간 성능을 제공합니다.

고속 PCB 설계 는 무엇 으로 정의 됩니까?
초고속 PCB 디자인은 단순히 "고속" 신호에 관한 것이 아니라 신호가 1Gbps에 접근하거나 초과하거나 주파수가 1GHz를 초과할 때 신호의 동작을 관리하는 것입니다.신호는 단순한 전류처럼 행동하지 않고 전자기파처럼 행동하기 시작합니다., PCB의 재료, 흔적 및 구성 요소와 복잡한 방식으로 상호 작용합니다.

PCB 설계 는 언제 "고속"이 될 것 입니까?
a. 데이터 속도의 임계: 신호 ≥1Gbps (예: USB 3.2, PCIe 5.0) 는 왜곡을 피하기 위해 고속 설계가 필요합니다.
b.파장 관계: 추적 길이가 신호의 파장 (λ) 의 1/10을 초과하면 추적은 제어 된 임피던스를 필요로하는 "전달선" (transmission line) 으로 작용합니다. 10Gbps 신호 (λ ≈ 30mm) 를 위해,3mm 이상의 흔적은 고속 설계가 필요합니다..
c. 응용 예제: 5G 트랜시버 (28GHz), 데이터 센터 스위치 (100Gbps), 자동차 레이더 (77GHz) 모두 고속 PCB 디자인을 요구합니다.

고속 PCB 설계 의 중요성
초고속 설계의 결과는 매우 광범위하며, 중요한 시스템의 성능, 신뢰성, 심지어 안전에도 영향을 미칩니다.
1신호 붕괴를 방지합니다.
초고속 신호는 취약합니다. 작은 간섭조차도 데이터를 손상시킬 수 있습니다. 초고속 설계는 세 가지 주요 문제를 완화합니다.

a. 크로스 스톡: 인접한 트랙 사이의 신호 누출. 25Gbps 시스템에서 관리되지 않은 크로스 스톡은 비트 오류율 (BER) 을 1e-12 (수용가능) 에서 1e-6 (사용 불가능) 로 증가시킬 수 있습니다.
반사: 임피던스 불일치에서 반사되는 신호 (예를 들어, 75Ω 구성 요소에 연결된 50Ω 흔적). 반사로 인해 "소리" (신호 진동) 이 발생합니다.1과 0을 구분하기 어렵게 만듭니다..
약화: 거리에 따른 신호 손실. 28GHz에서 표준 FR4에서 10cm의 흔적은 고속 최적화 (예: 저손실 물질) 없이 강도의 50%를 잃습니다.

2다음 세대의 기술을 가능하게 합니다.
현대 혁신은 약속된 성능을 제공하기 위해 고속 PCB 설계에 의존합니다.

a.5G 네트워크: 5G는 28GHz+ mmWave 신호를 필요로 합니다.이 신호들은 유용할 수 없을 만큼 빠르게 분해됩니다..
b.AI와 머신러닝: 100Gbps+의 상호 연결을 가진 AI 서버는 지연 없이 GPU 사이에 데이터를 전송하기 위해 고속 PCB가 필요합니다. 10%의 지연 증가로 AI 훈련이 몇 시간씩 느려질 수 있습니다.
c.자율주행자동차: 자율주행자동차는 10~100Gbps의 리다르, 레이더 및 카메라에서 데이터를 처리합니다. 고속 설계는 이러한 데이터가 실시간으로 도착하여 결정 지연을 방지합니다.

3비용과 재작업을 줄여줍니다.
생산 후 고속 설계 결함을 수정하는 것은 비용이 많이 든다.

a. 단일 100Gbps 데이터센터 PCB를 재작업하는 데는 500~1000달러가 들며, 표준 PCB를 고치는 것보다 10배 더 비싸다.
b.고속 설계의 부진으로 인한 현장 장애 (예를 들어, 5G 통화 중단) 는 통신 회사에 매년 1억 달러 이상의 고객 회수 및 수리 비용이 발생합니다.

적절한 초고속 설계는 이러한 비용을 70%~80% 감소시킵니다. IPC (인터넷 연계 산업 협회) 의 연구 결과로 확인되었습니다.

4표준을 준수하는 것을 보장합니다.
규제 및 산업 표준은 고속 성능을 요구합니다.

a.PCIe 6.0: 64Gbps 신호를 엄격한 BER 제한 (1e-12) 로 요구하며, 컴플라이언스 테스트를 통해 시행됩니다.
b.5G 3GPP: mmWave 링크 (≤8dB/km) 의 최대 신호 손실을 지정하며, 범위 목표를 충족시키기 위해 고속 PCB 설계가 필요합니다.
c.자동차 ISO 26262: 안전성 확보를 위해 ADAS에서 신뢰성 높은 고속 통신을 요구하며 PCB 설계가 주요 준수 요인입니다.

고속 PCB 설계의 중요한 원칙
초고속 설계의 장점을 활용하기 위해 엔지니어들은 다음의 핵심 원칙에 초점을 맞추어야 합니다.
1임페던스 제어
임피던스 (Z) 는 신호에 대한 전체 저항이다. 고속 신호의 경우 일관성 있는 특성 임피던스 (일반적으로 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발, 단발)100Ω의 미분 쌍) 은 반사를 방지합니다..

a.그것을 달성하는 방법: 저항은 흔적 너비, 구리 두께, 다이 일렉트릭 물질 및 지상 평면과의 거리에 달려 있습니다.로저스 RO4350에 50Ω의 흔적 (Dk=3).48) 0.2mm의 다이렉트릭 두께로 0.15mm의 폭이 필요합니다.
b. 관용 문제: 25Gbps+ 신호에 ±5%의 임피던스 허용이 표준입니다. 이 기준을 초과하면 반사율이 증가합니다.

2전략적 지상화
단단한 지상 평면은 고속 신호 무결성의 기초입니다.

a.소음을 줄여줍니다. EMI를 흡수하는 "교신"으로 작용하여 교란을 40% 줄여줍니다.
b. 반환 경로를 제공합니다: 고속 신호는 소스에 낮은 임피던스 반환 경로를 필요로합니다. 연속적인 지상 평면은 루프 영역을 최소화합니다 (EMI의 주요 소스).
c.분열을 피한다: 지상 평면은 더 긴 회귀 경로를 취하기 위해 힘 신호를 분할하여 소음을 증가시킵니다. 고속 구간에 단일, 끊이지 않는 지상 평면을 사용하십시오.

3추적 라우팅 최선 사례
추적 레이아웃은 신호 행동에 직접적인 영향을 미칩니다.

a. 짧고 직접적: 더 긴 흔적은 저하를 증가시킵니다. 28GHz 신호에 대한 고속 흔적 <10cm을 유지합니다.
b.차별 쌍: USB 및 이더넷과 같은 경로 신호를 차별 쌍 (반대의 신호를 운반하는 두 개의 흔적) 으로 표시하여 잡음을 취소합니다. 쌍을 밀접하게 분리하십시오 (0.1 ∼ 0.0).3mm) 의 길이와 같으며 (±0).5mm) 를 사용해서 타이밍 오차를 방지할 수 있습니다.
c. 스터브를 피하십시오: 사용하지 않은 추적 세그먼트 (스터브) 는 신호를 반사하는 안테나 역할을합니다. 100Gbps 신호를 위해 1mm 이하의 스터브를 유지하십시오.

4재료 선택
PCB 기판 (핵 물질) 은 높은 주파수에서 신호 손실에 영향을 미칩니다.

a. 표준 FR4: ≤10Gbps에 적합하지만 28GHz (45dB/인치) 에서 손실이 높습니다.
b. 로저스 RO4350: 저손실 라미네이트 (28GHz에서 1.8~2.2dB/인치) 5G 및 25Gbps + 설계에 이상적입니다.
c.PTFE (테플론): 항공우주 및 60GHz+ 애플리케이션에 ultra-low loss (0.8~1.2dB/inch at 28GHz).

예제: 로저스 RO4350을 사용하는 28GHz 5G 안테나는 FR4의 동일한 디자인보다 30% 더 긴 범위를 달성합니다.

고속 PCB 대 표준 PCB 설계: 비교

실제 세계 에 미치는 영향: 사례 연구
15G 기지국 배포
도시 5G 네트워크에서 전화가 끊어질 때 통신 사업자가 어려움을 겪었습니다. 분석 결과:

a. 표준 PCB 설계는 28GHz에서 30%의 신호 손실을 초래하여 커버지를 제한합니다.
b.고속 설계로 전환 (로저스 RO4350, 50Ω 제어 임피던스) 는 손실을 10%로 줄이고 범위를 50% 늘리고 전화를 80% 줄였습니다.

2데이터 센터 스위치 성능
클라우드 제공자의 100Gbps 스위치는 다음과 같은 이유로 15%의 지연을 겪었습니다.

a.저량차 쌍 라우팅 (불평등한 길이, 느슨한 간격)
b.고속 재설계 (동의 길이의 쌍, 좁은 간격, 지상 평면 보호) 는 대기 시간을 3%로 줄여서 서버 처리량을 12% 향상시킵니다.

3자동차 ADAS 신뢰성
자동차 제조사의 레이더 시스템 (77GHz) 은 교차음파로 인해 잘못된 양성 반응을 보였다. 수정 사항은 다음과 같습니다.

a. 0.2mm에서 0.6mm로 흔적 간격을 증가시키는 것.
b. 레이더와 제어 경로 사이에 전용 지상 평면을 추가한다.
c.결과: ISO 26262 안전 표준을 충족하는 거짓 긍정이 90% 감소했습니다.

피해야 할 일반적 인 초고속 설계 실수
1시뮬레이션을 무시: 신호 무결성 시뮬레이션을 건너뛰는 (예를 들어 Ansys HFSS) 는 반사 및 크로스 스톡과 같은 문제를 생산까지 놓친다.
2.물질 손실을 무시: 28GHz + 신호를 위해 FR4를 사용하면 과도한 약화 ◎ 낮은 손실 라미네이트로 업그레이드됩니다.
3관리 방식이 좋지 않습니다: 비아 (층 사이의 구멍) 는 임피던스 불일치로 발생합니다. 블라인드 / 장사 된 비아와 백 드럴을 사용하여 스터브를 제거하십시오.
4.불일치한 지상: 지상 평면 분열 또는 별 지상 (하속 설계에서 일반적) 은 고속 시스템에서 소음을 증가시킵니다.

자주 묻는 질문
Q: PCB 디자인은 얼마나 빨리 "고속"이 되나요?
A: 일반적으로 1Gbps 이상의 신호 또는 1GHz 이상의 주파수는 전송 라인 효과 (반사, 교란) 를 나타내기 때문에 고속 설계가 필요합니다.

Q: 초고속 PCB 디자인은 대기업에만 해당되는가요?
A: 소규모 기업은 설계 도구 (Altium, Cadence) 와 초고속 전문 지식을 가진 계약 제조사를 활용하여 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있습니다.

Q: 초고속 PCB 설계가 비용에 얼마나 추가되는가?
A: 표준 디자인보다 2~5배 더 많지만, 이는 5G 및 데이터 센터 제품에 대한 개선된 성능과 감소된 재작업에 의해 상쇄됩니다.

Q: 고속 PCB는 생산 전에 테스트 할 수 있습니까?
A: 예 TDR (Time Domain Reflectometry) 같은 도구는 임피던스를 측정하고 네트워크 분석기는 프로토타입에서 신호 손실과 교란을 테스트합니다.

Q: 초고속 PCB 설계의 미래는 어떤가요?
A: 6G (100+GHz) 및 테라비트 속도 시스템이 등장함에 따라 설계는 복잡성을 관리하기 위해 초저손실 재료 (예를 들어, LCP) 및 AI가 주도하는 레이아웃 최적화에 초점을 맞출 것입니다.

결론
초고속 PCB 디자인은 5G, AI 및 자율 시스템을 정의하는 속도, 신뢰성 및 성능을 가능하게 하는 현대 전자 장치의 척추입니다.그 중요성은 신호 저하를 막는 것 뿐 아니라차세대 기술의 잠재력을 최대한 발휘하는 것입니다.

임피던스 제어, 전략적 인어딩, 시뮬레이션과 테스트에 의해 뒷받침되는 신중한 라우팅을 우선시함으로써 엔지니어들은 오늘날의 데이터 중심의 세계 요구에 부응하는 PCB를 만들 수 있습니다.초고속 설계 에 투자 된 비용 과 노력 은 단지 비용 이 아니다하지만 제품 성공, 고객 신뢰, 경쟁 우위에 대한 투자입니다.

기술이 더 빠른 속도와 더 높은 주파수를 향해 나아갈수록초고속 PCB 디자인은 중요성이 커질 것입니다. 내일의 전자 제품을 만드는 모든 사람에게 필수적인 기술로 변할 것입니다..