PCB와 Stack-up

1. PCB란?

컴퓨터의 메인보드나 SSD를 살펴보면 여러 반도체 칩과 저항, 커패시터 등의 부품이 하나의 기판 위에 배치되어 있다. 이 부품들은 PCB에 형성된 구리 배선을 통해 전원과 신호를 주고받는다. 이처럼 PCB(Printed Circuit Board)는 전자부품을 고정하고, 부품 사이의 전기적인 연결을 제공하는 인쇄회로기판이다.

PCB는 기본적으로 전기가 통하는 Copper(구리)와 전기가 통하지 않는 Dielectric(유전체)으로 구성된다. 구리는 전기적인 연결 경로를 형성하고, 유전체는 서로 다른 구리층을 절연하면서 기판을 지지한다. PCB에서 전기적인 연결을 형성하는 구리 배선은 Trace라고 한다. 또한 여러 구리층을 사용하는 PCB에서는 Via라는 도금된 구멍을 이용해 서로 다른 층을 전기적으로 연결할 수 있다.

PCB는 구리층의 개수에 따라 단면 PCB, 양면 PCB, 다층 PCB로 구분할 수 있다. 다층 PCB는 여러 배선층을 사용하기 때문에 복잡한 회로를 배치하기 유리하며, Signal, Ground, Power의 전기적 경로를 체계적으로 설계할 수 있다.

2. Stack-up이란?

Stack-up은 PCB 내부에서 구리층과 유전체층이 어떤 순서와 두께로 적층되는지를 정의한 구조이다. 단순히 PCB가 몇 층으로 이루어져 있는지만 나타내는 것이 아니라, 각 구리층의 역할과 층 사이의 거리, 절연재의 종류 및 구리 두께 등을 함께 결정한다.

2.1 Stack-up 구조의 예시

대표적인 예시로 4-Layer PCB를 살펴보자.

[그림 1] 4층 PCB에서 Signal, Ground, Power Layer가 배치된 구조. (https://autocuro.com/images/blog/four_layer_stack.png)

Layer	역할
Layer 1 (Top)	Signal Layer
Layer 2	Ground Plane
Layer 3	Power Plane
Layer 4 (Bottom)	Signal Layer

이 구조에서는 상단과 하단에 신호 배선층을 배치하고, 내부에는 Ground와 Power Plane을 배치한다. Layer 1과 Layer 2 사이에 유전체가 존재하고, 나머지 구리층 사이에도 절연재가 배치된다. 따라서 서로 다른 구리층은 필요한 Via 등의 연결부를 제외하면 직접 접촉하지 않는다.

여기서 주의할 점은 4-Layer PCB라고 해서 반드시 위와 같은 구조를 사용해야 하는 것은 아니라는 것이다. 예를 들어 Signal–Ground–Ground–Signal 구조를 사용할 수도 있다. 이 경우 양쪽 Signal Layer가 각각 인접한 Ground Plane을 기준으로 사용할 수 있어 고속 신호 설계에 유리할 수 있다. 대신 전원은 별도의 Power Plane 없이 배선이나 Copper Pour 등으로 공급해야 한다. 반면 [그림 1]의 구조에서는 Layer 4가 Power Plane에 인접하므로, 해당 층의 고속 신호에 대해서는 기준 평면과 Return Path를 신중하게 설계해야 한다.

2.2 Stack-up은 왜 필요한가?

PCB의 배선은 전류가 흐르는 도체일 뿐만 아니라, 빠르게 변화하는 전기 신호가 전달되는 경로이기도 하다. 특히 고속 신호에서는 배선 주변의 전기장과 자기장이 신호 전달에 영향을 미치며, 구리층의 배치와 층간 거리에 따라 이러한 전자기장의 분포가 달라진다. 따라서 Stack-up을 적절하게 설계하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다.

• 신호의 Impedance를 원하는 값으로 제어할 수 있다.
• 신호 간의 간섭인 Crosstalk을 줄이는 데 도움이 된다.
• Return Path를 확보하여 EMI 발생을 줄일 수 있다.
• 전원 공급 경로의 Impedance와 Noise를 관리할 수 있다.
• 필요한 배선 공간과 PCB 제조 비용을 고려할 수 있다.

즉 Stack-up은 단순히 PCB 내부에 구리층을 배치하는 작업이 아니라, 신호와 전원이 안정적으로 전달되도록 전기적 구조를 설계하는 과정이다.

3. Stack-up의 주요 구성요소

3.1 Signal Layer

Signal Layer는 IC 사이에서 데이터, 클록, 제어 신호 등을 전달하는 구리 배선이 주로 배치되는 층이다.

예를 들어 SSD Controller와 NAND Flash 사이에는 데이터와 제어 신호를 전달하는 여러 배선이 필요하다. 이러한 신호들은 PCB의 Signal Layer에 형성된 Trace를 따라 이동한다.

Signal Layer에서 중요한 것은 단순히 두 부품을 연결하는 것이 아니다. 고속 신호에서는 배선의 폭, 길이, 간격, 기준 평면과의 거리가 신호 품질에 영향을 줄 수 있다. 따라서 Signal Layer는 다른 층의 배치까지 고려하여 설계해야 한다.

3.2 Ground Plane

Ground Plane은 PCB 내부에서 GND에 연결된 넓은 구리 영역이다. 일반적인 신호 배선이 길고 좁은 선의 형태라면, Ground Plane은 넓은 면적을 사용하는 구조이다.

Ground Plane의 중요한 역할 중 하나는 신호 전류가 원래의 공급원으로 돌아가는 Return Path를 제공하는 것이다. 전류는 출발하는 경로뿐만 아니라 되돌아오는 경로도 필요하기 때문에 신호가 전달되기 위해서는 전체적으로 닫힌 전류 경로가 형성되어야 한다.

특히 빠르게 변화하는 신호의 Return Current는 일반적으로 Signal Trace 바로 아래에 있는 연속적인 Reference Plane(기준 평면)에 집중되는 경향이 있다.이와 같이 신호 전류와 Return Current가 가까운 경로를 따라 이동하면 전류 루프의 면적이 작아지며, 불필요한 전자기장 확산을 줄이는 데 도움이 된다.

따라서 Ground Plane은 단순히 전압의 기준을 제공하는 층이 아니라, 고속 신호의 안정적인 전달에도 중요한 역할을 한다.

3.3 Power Plane

Power Plane은 PCB 내부에서 전원을 분배하기 위해 사용하는 넓은 구리 영역이다.

PCB에는 서로 다른 전압을 필요로 하는 여러 IC가 존재할 수 있다. 예를 들어 Controller와 NAND Flash는 각자의 동작 조건에 맞는 전원을 공급받아야 한다. 전원은 일반적인 Trace로도 전달할 수 있지만, 넓은 Power Plane을 이용하면 전류를 분배할 수 있는 경로를 확보하기 쉽다.

또한 Power Plane과 Ground Plane 사이에는 유전체가 존재하므로 두 평면은 하나의 커패시터와 유사하게 동작한다. 두 평면의 거리가 가까울수록 정전용량이 증가하며, 이 정전용량은 IC의 급격한 전류 변화에 대응하여 전원 전압의 변동을 줄이는 데 도움을 준다.

3.4 Dielectric Thickness

Dielectric은 서로 다른 구리층 사이를 절연하는 물질이다. PCB에서는 일반적으로 FR-4와 같은 절연재가 사용된다. 다층 PCB에 사용되는 대표적인 절연 구조에는 Core와 Prepreg가 있다.

• Core: 이미 경화된 절연 기판으로, 일반적으로 양면 또는 한쪽 면에 구리가 부착될 수 있는 구조
• Prepreg: 유리섬유와 부분 경화된 수지로 구성된 재료로, 여러 층을 적층하고 접합하는 데 사용

Dielectric Thickness는 구리층 사이의 유전체 두께를 의미한다. 이 두께는 PCB의 전체 두께뿐만 아니라 Signal Layer와 Reference Plane 사이의 거리에도 영향을 준다. 특히 고속 신호 배선에서는 이 거리가 Trace의 Impedance를 결정하는 중요한 요소 중 하나이므로, 적절한 두께를 선정해야 한다.

3.5 Reference Plane과 Return Path

Reference Plane은 신호 배선이 전기적으로 기준으로 삼는 도전성 평면이다. 주로 Ground Plane이 사용되지만, 설계 조건에 따라 Power Plane도 신호의 Reference Plane이 될 수 있다. 그렇다면 Reference Plane이 중요한 이유는 무엇일까?

[그림 2] 신호 배선 아래의 Ground Plane에 형성되는 고주파 Return Current 경로.

[그림 2]에서 신호 전류는 Signal Trace를 따라 이동하고, Return Current는 그 아래 Ground Plane을 따라 되돌아온다. 이때 신호와 Reference Plane 사이에는 전기장과 자기장이 형성된다. 따라서 신호가 전달되는 경로의 전기적인 특성은 Trace 자체뿐만 아니라 주변 평면의 구조에 의해서도 결정된다.

만약 신호 배선 아래의 Ground Plane이 중간에서 끊어지면 어떻게 될까? Return Current가 기존 경로를 그대로 따라갈 수 없으므로 다른 경로로 우회하거나 인접 평면 및 커패시터 등을 통해 이동해야 할 수 있다. 이러한 변화는 Return Path의 Inductance를 증가시키거나 신호 경로의 불연속을 발생시켜 Signal Integrity와 EMI에 불리하게 작용할 수 있다.

따라서 고속 신호 배선을 설계할 때는 Signal Trace뿐만 아니라 해당 신호의 Return Path도 함께 확인해야 한다.

4. Stack-up이 PCB 성능에 미치는 영향

4.1 Impedance

Impedance는 교류 신호에 대해 전압과 전류의 관계를 나타내는 개념이다. 고속 PCB에서는 특히 Transmission Line의 Characteristic Impedance(특성 임피던스, \(Z_0\))가 중요하다. 신호가 빠르게 변화하면 PCB Trace를 단순한 도선이 아니라 Transmission Line으로 고려해야 할 수 있기 때문이다.

Characteristic Impedance는 배선의 저항값만으로 결정되지 않으며, 신호 배선과 Reference Plane이 형성하는 전기적 구조에 따라 달라진다.

[그림 3] Microstrip과 Stripline의 단면 및 특성 임피던스에 영향을 주는 기하학적 요소 (NW Engineering)

 

대표적인 Transmission Line 구조에는 Microstrip과 Stripline이 있다.

• Microstrip: 외부 Signal Layer에 배선이 있고, 유전체를 사이에 두고 Reference Plane이 배치된 구조
• Stripline: 내부 Signal Layer의 배선이 두 Reference Plane 사이에 배치된 구조

두 구조는 전자기장이 분포하는 방식이 다르므로, 동일한 배선 폭이라도 Characteristic Impedance가 달라질 수 있다.

Characteristic Impedance를 결정하는 주요 요소는 다음과 같다.

• Trace Width: 신호 배선의 폭
• Copper Thickness: 신호 배선의 구리 두께
• Dielectric Thickness: 배선과 Reference Plane 사이의 거리
• Dielectric Constant: 유전체의 상대 유전율

일반적인 Microstrip에서 다른 조건이 동일하다면 Trace Width가 넓어질수록 Characteristic Impedance는 낮아지는 경향이 있다. 반면 Reference Plane과의 거리가 증가하면 Impedance가 높아지는 경향이 있다.

고속 신호에서는 배선의 Impedance가 연결된 송신기, 수신기 및 종단 조건과 적절하게 맞지 않으면 Reflection(반사)이 발생할 수 있다. 반사된 신호는 원래 신호와 중첩되어 파형을 왜곡하거나 수신 측에서 데이터를 판별하는 데 어려움을 일으킬 수 있다.

따라서 고속 PCB에서는 Stack-up을 결정한 후 목표 Impedance에 맞추어 Trace의 폭과 간격 등을 설계한다.

4.2 Crosstalk

Crosstalk은 한 신호 배선의 전기적 변화가 주변의 다른 신호 배선에 영향을 주는 현상이다. PCB의 인접한 Trace 사이에는 전기장과 자기장을 통한 결합이 발생할 수 있다. 따라서 한 배선에서 신호가 변화하면 다른 배선에 원하지 않는 전압이나 전류가 유도될 수 있다.

특히 다음과 같은 조건에서는 Crosstalk이 커질 수 있다.

• 신호 배선 사이의 거리가 가까운 경우
• 서로 나란히 배치된 구간이 긴 경우
• 신호의 상승 및 하강 시간이 짧은 경우
• Reference Plane과의 거리가 멀어 신호 간 결합이 상대적으로 커지는 경우

Stack-up 설계에서는 Signal Layer와 Reference Plane을 적절하게 배치하여 전자기장의 분포를 제어할 수 있다. 예를 들어 서로 다른 Signal Layer 사이에 연속적인 Ground Plane을 배치하면 층간 결합을 줄이는 데 도움이 된다.

다만 같은 Signal Layer에서 인접하게 배치된 Trace 사이의 Crosstalk까지 완전히 제거되는 것은 아니다. 따라서 배선 간격과 병렬 구간의 길이도 함께 고려해야 한다.

4.3 EMI

EMI(Electromagnetic Interference)는 전자기적인 에너지로 인해 다른 회로나 장치의 동작에 간섭이 발생하는 현상이다. PCB에서는 빠르게 변화하는 전류와 전압에 의해 전자기장이 형성되며, 일부 에너지가 주변으로 방사되거나 다른 회로에 결합할 수 있다. 이때 중요한 요소 중 하나가 신호 전류와 Return Current가 형성하는 Loop Area이다.

[그림 4] 연속적인 Ground Plane과 분리된 Ground Plane에서 Return Current가 이동하는 경로의 차이. (PCB HERO)

[그림 4] 의 위쪽 구조에서는 신호 아래에 연속적인 Ground Plane이 있어 Return Current가 신호 배선과 가까운 경로로 이동할 수 있다. 반면 아래쪽 구조에서는 Ground Plane이 끊어져 Return Current가 우회해야 하므로 Loop Area가 증가한다.

이처럼 Return Path가 멀어지면 신호 전류와 Return Current가 형성하는 전류 루프의 Inductance가 커질 수 있으며, EMI 방사에도 불리하게 작용할 수 있다.

따라서 Stack-up 설계에서는 고속 Signal Layer 가까이에 연속적인 Reference Plane을 배치하고, 신호가 Reference Plane의 분리된 영역을 가로지르지 않도록 고려하는 것이 중요하다.

4.4 Power Integrity

Power Integrity(PI)는 IC에 필요한 전압을 전류 변화와 Noise가 발생하는 상황에서도 허용 범위 내에서 안정적으로 공급하는 특성을 의미한다.

IC는 동작 상태에 따라 소비하는 전류가 달라진다. 특히 여러 회로가 동시에 스위칭하면 짧은 시간 동안 전류 수요가 크게 변화할 수 있다. 이때 전원 공급 경로에 Impedance가 존재하면 전압 강하나 변동이 발생할 수 있다. 따라서 Power Integrity를 확보하기 위해서는 Power Distribution Network(PDN)의 Impedance를 적절하게 관리해야 한다. Stack-up은 이러한 PDN의 특성에 영향을 준다.

Power Plane과 Ground Plane을 가까이 배치하면 두 평면 사이의 정전용량이 증가하고, 전원 공급망의 고주파 특성을 개선하는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 Stack-up만으로 모든 전원 변동을 해결할 수는 없다. 따라서 IC 근처에 Decoupling Capacitor를 배치하고, 전원 및 Ground 연결 경로의 불필요한 Inductance를 줄이는 설계도 함께 필요하다.

즉 Power Integrity는 Stack-up, 전원 배선, 커패시터 및 전압 조정 회로 등을 종합적으로 고려해야 하는 문제이다.

5. Stack-up 설계 시 고려해야 할 사항

지금까지의 내용을 종합하면 Stack-up 설계에서는 다음과 같은 사항을 검토해야 한다.

• PCB에 필요한 Signal Layer의 개수와 배선 공간
• 고속 신호를 위한 연속적인 Reference Plane 확보
• 목표 Characteristic Impedance와 Dielectric Thickness
• Signal Layer 사이의 Crosstalk 및 EMI
• Power Plane과 Ground Plane을 통한 전원 공급 구조
• PCB 제조 비용과 제작 가능한 적층 구조

특히 Stack-up은 PCB 배선을 완료한 후 결정하는 것이 아니라, 부품 배치 및 상세 배선에 앞서 검토하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 Stack-up에 따라 신호 배선의 Impedance, Return Path, 배선 가능 공간이 달라지므로, 적층 구조를 나중에 변경하면 기존 PCB Layout도 수정해야 할 수 있기 때문이다.

또한 실제 PCB 제작 시에는 제조업체가 제공하는 유전체 재료와 두께, 구리 두께 등의 조건을 확인해야 한다.

결국 Stack-up 설계의 핵심은 구리층을 많이 사용하는 것이 아니라, 필요한 Signal, Ground, Power 경로를 적절하게 배치하여 전기적인 성능과 제조 조건을 함께 만족시키는 것이다.

참고자료

1. Altium – Defining the Layer Stack
   https://www.altium.com/documentation/altium-designer/pcb/defining-layer-stack
2. Altium – PCB Stackup Basics
   https://resources.altium.com/p/pcb-stackup-basics
3. Texas Instruments – TUSB73x0 Board Design and Layout Guidelines
   https://www.ti.com/lit/ug/sllu149e/sllu149e.pdf
4. Renesas – Microstrip vs Stripline: Crosstalk and RMS Phase Jitter
   https://www.renesas.com/en/document/apn/1014-microstrip-vs-stripline-crosstalk-and-rms-phase-jitter
5. Altera – Microstrip Impedance
   https://docs.altera.com/r/docs/683073/current/an-958-board-design-guidelines/microstrip-impedance
6. Altium – Decoupling Strategies for PDN
   https://resources.altium.com/p/decoupling-strategies-for-pdn
7. Altium – The Right Way to Use Power Planes in a 4-Layer PCB Stackup
   https://resources.altium.com/p/right-way-use-power-planes-4-layer-pcb-stackup
8. ANALOG DEVICES - What Are the Basic Guidelines for Layout Design of Mixed-Signal PCBs? https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/what-are-the-basic-guidelines-for-layout-design-of-mixed-signal-pcbs.html
9. Altium -Interplane Capacitance and PCB Stackups
   https://resources.altium.com/p/interplane-capacitance-and-pcb-stackups