소개: 좌절스러운 디버깅 경험

작년에 한 프로젝트에서 16비트 ADC로 센서 데이터를 수집하고 있었습니다. 측정된 노이즈가 매우 높았고, SNR은 이론값보다 거의 15dB 낮았습니다. 모든 것을 확인했지만 전원 공급 리플은 괜찮았고, 기준 전압 소스는 안정적이었으며, ADC 주변에 충분한 디커플링 커패시터가 추가되었습니다. 마침내 문제는 눈에 띄지 않는 곳에서 발견되었습니다. 아날로그 입력 신호선에 비아가 사용되었고, 내부 레이어로 이동되었습니다.

당시 해당 비아는 디지털 클럭 트레이스의 비아에서 3mm도 채 떨어져 있지 않았습니다. 재설계 후 모든 아날로그 신호를 최상단 레이어로 배치하자 즉시 문제가 해결되었습니다. 이 경험은 상당히 고통스러웠고 "아날로그 신호선 비아"라는 주제에 대해 더 깊이 이해하게 되었습니다.

사실 이 문제는 상당히 흔합니다. 많은 엔지니어들이 PCB 설계 시 비아에 대해 양극화된 태도를 가지고 있습니다. 사용을 두려워하여 모든 트레이스를 같은 레이어로 라우팅하려고 하거나, 비아를 완전히 무시하고 부주의하게 사용합니다. 두 극단 모두 문제를 야기할 수 있습니다.

비아가 아날로그 신호에 미치는 영향은 무엇인가요?

비아를 언제 사용하고 언제 사용하지 않아야 하는지 이해하려면 먼저 비아가 아날로그 신호에 어떤 영향을 미치는지 이해해야 합니다. 비아는 단순히 "와이어 연결"이 아니라 본질적으로 기생 인덕턴스와 커패시턴스를 가진 구조입니다.

직경 0.3mm의 쓰루홀은 약 0.5~1.2nH의 기생 인덕턴스와 0.3~0.8pF의 기생 커패시턴스를 가집니다. 이 값들은 작아 보이지만 아날로그 신호에 미치는 영향은 상상하는 것보다 훨씬 클 수 있습니다.

기생 인덕턴스의 영향
기생 인덕턴스는 신호 경로의 커패시턴스와 상호 작용하여 LC 필터링 효과를 생성하고 고주파 성분의 감쇠를 유발합니다. 이 효과는 고주파 아날로그 신호(RF 프런트엔드 등)에 중요합니다. 제 경험상 500MHz 이상의 주파수에서는 단일 비아의 삽입 손실이 0.2~0.5dB에 달할 수 있습니다.

더 큰 문제는 인덕턴스가 신호의 상승 및 하강 에지를 늦춘다는 것입니다. 고속 아날로그 신호의 경우 이는 대역폭 손실로 이어집니다. 샘플링 클럭 신호의 경우, 느려진 에지는 직접적으로 지터를 유발하여 ADC의 SNR에 영향을 미칩니다.

기생 커패시턴스의 영향

기생 커패시턴스는 더 은밀합니다. 비아 패드와 기준 평면 사이에 커패시턴스가 형성되어 신호선에 적용되어 임피던스 강하를 유발합니다. 고임피던스 노드(예: 연산 증폭기 입력)의 경우, 이 커패시턴스는 소스 임피던스와 전압 분배기를 형성하여 신호 감쇠를 유발합니다.

[사례 연구] 정밀 측정 회로에서 연산 증폭기 입력 임피던스는 1MΩ이고 비아 기생 커패시턴스는 0.5pF입니다. 100kHz에서 커패시터 임피던스는 약 3.2MΩ이며, 효과는 미미합니다. 그러나 10MHz에서는 커패시터 임피던스가 32kΩ로 떨어지고 신호가 30배 감쇠됩니다!

스텁 효과: 간과된 함정
비아가 완전히 활용되지 않으면(예: L1에서 L3까지이지만 비아가 보드 전체를 통과하는 경우) 비아의 하반부가 "스텁"이 됩니다. 이 스텁은 안테나처럼 작동하여 특정 주파수에서 공진합니다.

공진 주파수를 계산하는 공식은 다음과 같습니다: f = c / (4 × L × √Dk_eff)

여기서 L은 스텁 길이이고 Dk_eff는 유효 유전 상수입니다. 스텁 길이가 파장의 1/4에 도달하면 삽입 손실이 극적으로 증가합니다. 표준 1.6mm 두께의 4층 보드의 경우, 스텁 공진 주파수는 약 10~15GHz입니다. 그러나 보드가 더 두껍거나 스텁이 더 길면 공진 주파수가 낮아져 더 높은 주파수의 아날로그 신호에 영향을 미칩니다.

【경고】스텁의 효과는 선형적이지 않습니다. 공진 주파수 근처에서 신호 품질이 급격히 저하됩니다. 아날로그 신호 주파수가 공진 지점 근처에 떨어지면 결과가 심각할 수 있습니다.

리턴 경로 중단

이것이 아날로그 신호 비아의 가장 큰 숨겨진 위험입니다. 신호가 레이어를 변경하면 리턴 전류도 레이어를 변경합니다. 신호가 L1에서 L3으로 변경되면 원래 L2의 접지 평면에서 흐르던 리턴 전류는 이제 L3의 해당 접지 평면으로 돌아갈 경로를 찾아야 합니다.

일치하는 접지 비아가 없으면 리턴 전류는 더 긴 경로를 택해야 하며, 큰 전류 루프를 형성합니다. 이 루프는 안테나처럼 작동하여 간섭을 송수신합니다. 약한 아날로그 신호의 경우 이는 치명적입니다.

언제 비아를 사용할 수 있나요?

그렇게 많은 위험을 논의했는데, 이것이 아날로그 신호가 전혀 비아를 사용할 수 없다는 것을 의미하나요? 반드시 그런 것은 아닙니다. 어떤 경우에는 비아를 사용하는 것이 합리적이며 심지어 필요합니다.

저주파 아날로그 신호는 비아를 사용할 수 있습니다.

10MHz 미만의 주파수를 가진 아날로그 신호는 비아의 기생 매개변수에 크게 민감하지 않습니다. 일반적인 오디오 신호, DC 바이어스 및 저속 센싱 신호는 레이어 전환을 위해 비아를 안전하게 사용할 수 있습니다. 단, 너무 많이 사용하지 않도록 주의하십시오.

개인적으로 DC 및 저주파 신호에 대한 비아의 영향은 무시할 수 있다고 생각합니다. 신호가 극도로 약하지 않은 한(마이크로볼트 범위), 너무 걱정하지 마십시오.

전원 및 접지선은 반드시 비아를 사용해야 합니다.

전원 및 접지선에 비아를 사용하는 것은 필수적이며, 많이 사용해야 합니다. 전력 분배 네트워크(PDN)는 저임피던스 경로를 요구하며, 비아 인덕턴스는 병목 현상입니다. 등가 인덕턴스는 병렬 연결로 감소합니다.

【권장 사항】전원 비아의 경우, 1A 전류에 대해 최소 2-3개의 비아가 권장됩니다. 고전류 애플리케이션(예: 전력 모듈 입력)의 경우 더 많은 비아가 필요합니다. 공간을 아끼지 마십시오.

일치하는 리턴 경로가 있는 경우 비아를 사용할 수 있습니다.

신호 비아 옆에 접지 비아가 있고 접지 비아가 신호 비아에 매우 가까우면(이상적으로는 100mil 미만), 리턴 경로가 완료됩니다. 이 경우 비아가 아날로그 신호에 미치는 영향이 크게 줄어듭니다.

구체적으로, 신호 비아가 레이어를 변경할 때마다 옆에 접지 비아를 배치하여 이전 및 새 레이어의 접지 평면을 연결하십시오. 차동 신호의 경우, 두 신호 비아 사이에 접지 비아를 배치하는 것이 좋습니다.

블라인드 비아/버리드 비아를 사용할 수 있습니다.

블라인드 비아는 외부 레이어만 내부 레이어에 연결하고, 버리드 비아는 내부 레이어만 연결합니다. 기생 매개변수는 쓰루홀 비아보다 훨씬 작습니다. 더 중요한 것은 블라인드 및 버리드 비아는 긴 스텁을 생성하지 않아 고주파 신호에 훨씬 더 친화적입니다.

비용이 허락한다면, 고정밀 및 고주파 아날로그 회로에는 블라인드 또는 버리드 비아를 선호해야 합니다. 특히 24비트 이상의 ADC 및 GHz 수준의 RF 회로의 경우 블라인드 및 버리드 비아는 거의 표준입니다.

언제 비아를 사용하지 않아야 하나요?

어떤 경우에는 아날로그 신호선에 비아를 피하거나 극도로 주의하는 것이 가장 좋습니다.

고정밀 아날로그 신호는 주의가 필요합니다.

16비트 이상의 ADC/DAC 또는 80dB를 초과하는 신호 대 잡음비 요구 사항이 있는 시스템의 경우, 아날로그 신호 경로는 가능한 한 깨끗해야 합니다. 비아에 의해 도입된 기생 매개변수는 양자화 오류 증가 및 INL/DNL 저하를 유발할 수 있습니다.

[예시] 이론적 SNR이 112dB인 24비트 데이터 수집 시스템이 설계되었습니다. 실제 테스트 결과 95dB만 나왔습니다. 조사 결과 아날로그 입력 라인에 비아가 있었고, 스텁 공진 지점이 신호 대역폭의 가장자리에 떨어졌습니다. 라우팅을 동일한 레이어로 변경한 후 SNR은 108dB로 향상되었습니다.

고주파 아날로그 신호에 주의하십시오.

100MHz를 초과하는 아날로그 신호(RF, 고속 클럭)의 경우, 비아의 기생 인덕턴스가 병목 현상이 될 수 있습니다. 신호 에지가 저하되고 임피던스 불연속성이 나타나 반사를 유발합니다.

RF 신호 레이어 전환의 경우, 특수 설계된 비아 구조와 안티 패드 최적화 및 접지 비아 펜싱을 결합하는 것이 가장 좋습니다. 단순히 일반 비아를 직접 배치하면 VSWR이 좋지 않습니다.

민감한 아날로그 영역 아래에 비아를 배치하지 마십시오.

크리스탈 발진기, 위상 고정 루프, 기준 전압 소스 및 고임피던스 입력 노드와 같은 민감한 회로 근처에 관련 없는 비아를 피하십시오. 비아는 접지 평면의 무결성을 방해하고 다른 레이어의 노이즈를 "유도"할 수 있습니다.

【참고】특히 디지털 신호 비아의 경우, 아날로그 회로 영역을 통과하지 마십시오. 디지털 신호의 고주파 노이즈는 비아의 기생 커패시턴스를 통해 아날로그 라인으로 커플링될 수 있습니다. 제 경험상 디지털 비아는 민감한 아날로그 회로에서 최소 10mm 떨어져 있어야 합니다.

접지 평면이 중단된 경우 주의하십시오.

비아가 밀집되어 접지 평면에 큰 창(안티 패드)을 만들면 접지 평면의 연속성이 중단됩니다. 리턴 전류는 우회해야 하며, 루프 안테나를 형성합니다.

이 문제는 혼합 신호 PCB에서 특히 심각합니다. 아날로그 접지 평면이 비아에 의해 중단되면 디지털 노이즈가 커플링 경로를 통해 아날로그 영역으로 침입할 수 있습니다.

실제 설계 고려 사항

원리와 경계 조건을 이해한 후 실제 설계에서는 어떻게 진행해야 할까요? 다음은 몇 가지 개인적인 팁입니다.

레이어 변경을 최소화하도록 라우팅 전략을 계획하십시오.

최고의 비아는 드릴되지 않은 비아입니다. 배치 단계에서 라우팅 경로를 명확하게 정의하고, 중요한 아날로그 신호가 동일한 레이어에서 완료되도록 노력하십시오. 레이어 변경이 절대적으로 필요한 경우, 칩 핀 근처에서 변경하는 것을 우선시하고, 트레이스 중간에 갑자기 비아를 뚫는 것을 피하십시오.

비아 매개변수 최적화

비아가 필요한 경우, 극한까지 최적화하십시오:

• 가장 작은 비아 직경:0.2mm 이하로, 기생 매개변수가 낮아집니다.
• 안티 패드를 적절하게 확대하십시오:표준은 10mil이며, 고속 신호는 20~30mil로 확대할 수 있습니다.
• 패드는 너무 크지 않아야 합니다:과도하게 큰 패드는 기생 커패시턴스를 증가시키고 공간을 차지합니다.

일치하는 리턴 비아

각 신호 비아에 대해 리턴 경로를 고려하십시오. 신호가 L1에서 L3으로 변경되고 접지 평면이 L2에 있는 경우, L2와 L3의 접지를 연결하기 위해 신호 비아 옆에 접지 비아를 배치해야 합니다.

접지 비아는 신호 비아에 최대한 가까워야 합니다. 100mil 이내가 안전한 범위입니다. 50mil 이내가 더 좋습니다.

아날로그-디지털 분리 및 격리

혼합 신호 PCB의 경우, 아날로그 및 디지털 영역은 물리적으로 격리되어야 합니다. 비아도 분리되어야 하며, 아날로그 비아는 아날로그 영역에, 디지털 비아는 디지털 영역에 있어야 합니다. 디지털 비아가 아날로그 영역을 "통과"하지 않도록 하십시오.

ADC/DAC와 같은 혼합 신호 장치가 있는 경우, 아날로그 신호가 디지털 영역을 장거리 이동하지 않도록 장치 근처에 비아를 배치하십시오.

시뮬레이션 검증:

고속, 고정밀 설계의 경우 경험에만 의존하지 마십시오. SI 시뮬레이션 도구를 사용하여 비아의 임피던스, 반사 및 삽입 손실을 확인하십시오. 특히 스텁 공진 지점은 시뮬레이션으로 즉시 드러납니다.

일반적인 오해 해소:

• "비아가 적을수록 좋다"

—전적으로 사실은 아닙니다. 신호 비아는 실제로 더 적어야 하지만, 전원 및 접지 비아는 더 많아야 합니다. 핵심은 이를 다르게 취급하는 것입니다.

• "아날로그 접지는 디지털 접지와 분리되어야 한다"

—절대적인 것은 아닙니다. 간단한 시스템은 통합 접지 평면으로 이익을 얻는 경우가 많습니다. 복잡한 시스템은 분리가 필요하며, 그렇더라도 단일 지점 연결이 필요합니다.

• "블라인드 비아는 너무 비싸고 불필요하다"

—응용 분야에 따라 다릅니다. 24비트 ADC 및 GHz RF의 경우 블라인드 비아는 가치 있는 투자입니다. 일반적인 응용 분야에서는 실제로 불필요합니다.

요약:

아날로그 신호선이 비아를 사용할 수 있나요? 답은 다음과 같습니다: 상황에 따라 다릅니다. 저주파는 민감하지 않으므로 비아를 사용할 수 있습니다. 고정밀은 주의가 필요하므로 가능한 한 비아를 피해야 합니다. 고주파는 특별한 처리가 필요하며, 사용하는 경우 매개변수를 최적화해야 합니다. 핵심 원칙은 다음과 같습니다:

• 가능하면 비아를 피하십시오;

레이어 변경을 줄이기 위해 라우팅 전략을 잘 계획하십시오.

• 비아를 사용해야 한다면, 잘 사용하십시오;

비아 직경, 안티 패드를 최적화하고 일치하는 리턴 비아를 사용하십시오.

• 민감한 신호를 우회하십시오;

스텁을 피하기 위해 고정밀, 고주파 아날로그 신호를 최상단 레이어로 라우팅하십시오.

• 아날로그와 디지털 신호를 분리하십시오;

노이즈 커플링을 피하기 위해 비아로 영역을 교차하지 마십시오.

• 시뮬레이션하고 검증하십시오;

고속, 고정밀 설계의 경우 경험에만 의존하지 마십시오.

비아는 작지만 배울 것이 많습니다. 원리를 이해하고, 경계를 파악하면 아날로그 신호 비아가 설계의 함정이 되지 않을 것입니다. 이 경험이 도움이 되기를 바랍니다.