KR100651559B1

KR100651559B1 - 잡음 특성이 개선된 고주파 신호 전송 선로

Info

Publication number: KR100651559B1
Application number: KR1020040116802A
Authority: KR
Inventors: 김영우; 류창명; 김한; 채우림
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2006-11-29
Also published as: JP2006190964A; CN100521865C; US20060146484A1; US7543264B2; CN1798473A; JP4220987B2; KR20060078113A

Abstract

본 발명은 잡음 특성이 향상된 고주파 신호 전송 선로에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 종래의 잡음 차폐를 위해 신호 선로 사이에 배치하던 접지 보호 선로에 간격을 줌으로써 방사 잡음 및 반사 잡음 특성을 향상시킨 신호 전송 선로에 관한 것이다.

전송선로, 고주파, 누화잡음, 반사잡음, 방사잡음

Description

잡음 특성이 개선된 고주파 신호 전송 선로{Signal transmission line with reduced noise}

도1은 신호 선로에서 잡음을 최소화하기 위한 종래의 고밀도 배선 구조의 사시도를 나타낸다.

도2는 도1의 종래 구조에 대한 단면도이다.

도3은 본 발명에 따른 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판의 사시도이다.

도4는 도3의 본 발명에 따른 인쇄회로기판 구조에 대한 단면도이다.

※ 도면의 주요 부분의 부호 설명 ※

31 : 신호 전송선로 32 : 접지보호선로

33 : 비아홀 34a,34b : 접지전극부

35 : 프리프렉 36 : 신호 진행 방향

37 : 신호 회귀 방향 38 : 랜드부

39 : 방사잡음을 생성하는 폐루프

전자 시스템에서 칩의 고속 스위칭 및 높은 주파수의 신호 전송은 전자기 간섭(ElectroMagneticInterference)에 의한 잡음을 발생시킨다. 특히 고밀도 회로 설계가 필요한 고주파 패키지용 인쇄회로기판은 일정한 배선 길이가 요구되며, 높은 주파수 신호를 전송하는 배선과 낮은 주파수를 전송하는 배선들이 인접하여 설계를 해야 하는 문제점 때문에 두 배선 사이에 발생된 누화 잡음으로 인한 신호 전송에 어려움이 있다.

인쇄회로기판에 형성된 마이크로 스트립을 통한 신호 전송에 있어서 발생하는 잡음으로는 누화 잡음(Crosstalk noise), 반사 잡음(Reflection noise), 방사잡음(Radiation noise) 등이 있다.

누화 잡음은 신호 선로를 구성하는 두 전송 선로 사이에 용량성 결합(Capacitive Coupling)과 유도성 결합(Inductive Coupling)에 의해 발생되며, 전송 선로의 설계 방법과 절연 매질 및 임피던스 매칭 정도에 따라 잡음의 정도가 달라지게 된다.

또한, 누화 잡음은 근접 누화 잡음(Near-end cross-talk) 과 종단 누화 잡음(Far-end cross-talk)으로 구분할 수 있다.

근접 누화 잡음은 고주파 선로에 신호가 인가된 후부터 종단까지 전달되는 동안 인접한 선로에 잡음을 유기하며, 다시 종단으로부터 신호가 인가된 부분까지 회귀하는 시간 동안 발생한다.

종단 누화 잡음은 선로의 종단에 신호가 전달되었을 때 발생한다. 종단 누화 잡음은 근접 누화 잡음에 비해 매우 작은 신호 폭을 가지게 되나, 크기가 커서 스위칭의 오동작을 일으키는 주요 원인이 된다.

또한 반사잡음은 고주파 신호 전송 선로와, 인접 선로의 특성 임피던스 또는 종단 저항 사이에 부정합이 존재하는 경우에 발생하는 잡음이다. 전송 선로의 종단에서 발생하는 반사 잡음은 근접 누화 잡음에 영향을 주게 되므로 반사잡음 뿐만 아니라, 반사잡음으로 인한 누화 잡음을 최소화하는 것이 중요하다.

방사 잡음(Radiation Noise)은 신호 전송 선로 내에서 폐루프가 형성되는 경우 전송되는 신호가 폐루프를 돌면서 그 폐루프로부터 발생하는 잡음이다.

종래에 고밀도 배선 설계에 있어 누화 잡음을 최소화 하는 방법으로 접지 보호벽 선로(Ground Guard Fence Line,GGFL)를 고주파 신호 선로와 인접 선로 사이에 배선하는 방법과, 접지 보호벽 선로에 비아 홀을 배치한 구조를 사용하였다.

도1은 종래의 고밀도 배선 설계에 있어서, 신호 선로들(11) 사이에 접지보호 선로(12)를 배치하여 잡음을 최소화하기 위한 구조의 사시도를 나타낸다. 도2는 도1의 A-A'를 따라 절단한 단면도로서, 접지보호선로(12)와 비아홀 및 접지전극부(14a,14b)의 구성을 나타낸다.

접지보호선로(12)에는 일정한 간격으로 비아홀(13)이 형성되어 있으며, 비아홀(13)에 의해 접지보호선로(12)의 상하층 각각에 위한 접지전극부(14a,14b)가 연결된다.

또한, 도1에 도시된 바와 같이, 종래 방식에 따른 구조는 신호 선로(11) 사이에 접지보호선로(12)를 배치하고, 접지 보호 선로(12)에는 일정 간격으로 비아홀들(13)을 형성하여 신호 선로(11)에서 복사된 방출 에너지를 접지보호선로(12)에서 차폐하도록 설계한 구조이다.

그러나 도1 및 도2에 도시된 방식 및 다른 종래 방식에는 모두 누화 잡음만을 고려했을 뿐 반사 잡음에 대해서는 고려되지 않았다.

종래 방식 구조는 누화 잡음(Crosstalk Noise) 차폐에 있어 효과는 있으나 배선 밀도가 높은 기판에서는 반사 잡음에는 취약한 구조로서 반사 잡음과 누화 잡음에 대한 동시 개선 효과가 떨어진다.

도2를 참조하면, 종래 방식의 구조에서는, 접지 보호 선로(12)에서 상부 및 하부에 위치한 접지 전극(14a,14b)을 통해 회귀 방향 신호가 발생된다. 고주파 신호는 화살표(16)에 표시되는 바와 같이 좌측에서 우측으로 진행하고, 회귀 방향 신호는 화살표(17)에 으해 표시된 바와 같이 우측에서 좌측으로 진행한다고 가정한다.

이 때, 접지보호선로(12)의 상층 및 하층 접지 전극(14a,14b)과 상층 및 하층을 연결하는 비아홀 사이에 점선 화살표(18a,18b)로 표시된 바와 같은 폐루프가 형성되어서 결과적으로 방사 잡음(Radiation Noise)이 발생한다.

한편, 반사 잡음이 발생하는 이유는 접지선로과 신호 선로 사이에 용량성 결합(Capacitive coupling)에 의한 캐패시턴스가 유기됨에 따라 특성 임피던스 부정합이 발생되기 때문인데 반사 잡음을 줄이기 위해서는 접지선로와 신호선로 사이에 일정 거리가 확보되도록 설계하면 된다. 그러나, 이와 같이 설계하면 누화 잡음(Crosstalk Noise)을 차폐하기 위한 접지 선로의 효과가 없어지게 된다. 즉 배선 밀도를 높였을 시에 누화 잡음을 차폐하기 위한 접지선로 때문에 반사 잡음이 다시 증가하게 된다.

또한 접지보호선로(12)에 형성되는 전달 신호 회귀로에서, 접지보호선로(12), 접지전극부(14a,14b)와 비아홀(13)에 의해 폐루프가 발생하면 이 폐루프에 의해 방사 잡음이 발생하게 된다. 그런데, 종래의 접지보호선로 설계시에 누화 잡음을 차폐하기 위해 인접하는 신호 선로들을 서로 가까지 붙이게 되면 접지보호선 로(12) 상에서 발생되는 방사 잡음이 더욱 강해져 신호 전송의 신뢰성이 떨어지게 된다.

이에 따라 배선 밀도를 높이면서 동시에 반사 잡음과 누화 잡음 및 방사 잡음이 모두 고려되어야 하는데, 3가지 잡음 중 어느 한 쪽에 중점을 두어 설계하면, 다른 잡음을 키우게 되는 결과가 되기 때문에 적절한 배선 패턴을 설계하는 것은 배선 패턴 설계에 많은 어려움을 가져온다.

이와 관련하여, "Effect of Ground Guard Fence with Via and Ground slot on Radiated Emission in Multi-Layer Digital Printed Circuit Board", IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2001년. pp.653-656에는, 인쇄회로기판 상의 마이크로 스트립 선로인 신호 전송선로 사이마다 접지보호 선로(ground guard fence line)를 배치하여 누화잡음을 제거하는 구성에 대해서 설명하고 있다. 그러나, 이는 위에서 설명한 바와 같이, 누화 잡음은 개선할 수 있으나, 반사 잡음 및 방사 잡음은 여전히 그대로 남아 있거나, 오히려 커져서 인쇄회로기판의 전체 잡음 특성은 열화시키는 결과를 가져오고 있어서 인쇄회로기판 잡음 특성 문제를 해결한다고 할 수 없다.

본 발명은 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판에서 종래의 보호 접지 선로를 갖는 구조를 개선하여 잡음 특성이 개선된 인쇄회로기판 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 누화 잡음 이외에도 반사 잡음 및 방사 잡음까지 최소화할 수 있는 고주 신호전송용 인쇄회로기판 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판에서 여러 종류의 잡음 간의 관계를 고려하여 전체 잡음 최소화할 수 있는 인쇄회로기판 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판은, 인쇄회로기판 내에 패터닝되어 고주파 신호를 전달하는 복수의 전송선로; 비아홀이 형성되고, 상기 전송선로 사이에 배치되며, 신호 전달 방향으로 소정 거리만큼 이격되어 노이즈를 차폐하는 다수의 접지선로블록; 및 상기 비아홀에 의해 상기 접지선로블록과 접속되는 접지전극부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도3은 본 발명에 따른 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판의 사시도이고, 도4는 도3의 B-B'를 따라 절단한 단면도로서, 접지보호선로(32)와 비아홀(33) 및 접지전극부(34a,34b)의 구성을 나타낸다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판은 다층 인쇄회로기판으로서, 한 층에는 고주파 신호를 전달하는 신호전송선로(31), 상기 신호전송선로(31) 사이에 배치되어 노이즈를 차폐하기 위한 접지선로블 록(32)이 형성된다. 또한, 접지선로블록(32) 각각에는 비아홀(33)이 형성된다. 접지선로블록(32)은 비아홀(33)과의 접속을 위한 랜드부(38)를 포함할 수 있다.

접지선로블록(32)의 상하에는 접지전극부(34)가 형성되어 있으며, 접지선로블록(32)은 비아홀(33)에 의해 접지전극부(34)와 연결된다. 접지전극부(34)는 잡음을 흡수하여 접지 단자로 전달함으로써 잡음을 제거하는 역할을 한다.

신호전송선로(31)와 접지선로블록(32)은 인쇄회로기판의 동일층에 형성되고, 접지전극부(34)는 상하면의 다른층에 형성된다.

도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판은 도1 및 도2에 도시된 종래의 고주파 신호 전송 선로의 접지선로블록(22)을 소정 간격(S_SGFL)만큼 이격 시켜놓은 형태이다.

본 발명에 따른 인쇄회로기판에서, 접지선로블록(32) 서로 간의 간격(S_SGFL)은 실험 결과에 따라,

S_SGFL = c / 37ㆍFmax (mm) (1)

인 것이 바람직하다.

여기서, c는 광속으로서 c=2.998 X 10¹¹ mm/sec이고,

Fmax는 전송 신호가 디지털 신호인 경우는 동작 주파수의 5배, 전송 신호가 RF 경우는 그 전송 신호의 동작 주파수이다.

삭제

신호전송선로(31)와 접지선로블록(32) 사이의 이격거리를 LSGFL라 하면,

(2)

인 것이 바람직하고, 여기서 a,b값은 다음과 같다.

(3)

또한, 잡음을 최소화하기 위해 접지선로블록(32)에 형성된 랜드부(38)의 폭을 Ld라 하고, 비아홀(34)의 직경을 Vd라 하면, 랜드부(38)의 폭(Ld)은 비아홀(34)의 직경(Vd)보다 0.2mm 정도 크게 하는 것이 바람직하다. 즉,

Ld = Vd + 0.2 (mm) (4)

인 것이 바람직하다.

Ld의 범위는,

(5)

인 것이 바람직하다.

도4를 참조하면, 고주파 신호 전송 방향은 화살표(36)에 의해 표시된 바와 같이 도4의 좌측에서 우측으로 진행하고, 회귀 신호는 화살표(37)에 의해 표시된 바와 좌측에서 우측으로 진행하는 것으로 가정한다.

접지선로블록(32)에는 회귀 신호에 의해 점선 화살표(39)에 표시된 바와 같이 상하면의 접지전극부(34a,34b)와 비아홀(33)에 의해 폐루프가 형성된다. 그런데, 상하면의 접지전극부(34a, 34b)에만 회귀 방향 선로가 형성되고, 종래의 전송 선로와 달리 접지선로블록(32)에는 회귀 방향 선로가 형성되지 않기 때문에 결과적으로 회귀 방향 선로에 생성되는 폐루프의 수가 줄게된다. 그 결과, 도1 또는 도2에 도시된 종래 구조에 비해 전송 선로내에 형성되는 폐루프에 의해 발생하는 방사 잡음의 발생이 현저히 줄어들게 된다.

한편, 신호전송선로(31), 접지선로블록(32) 및 접지전극부(34a, 34b) 사이를 채우고 있는 것은 인쇄회로기판의 층간 절연층으로 사용되는 프리프렉(35)이다. 도체인 신호전송선로(31), 접지선로블록(32) 및 접지전극부(34a, 34b) 사이에 절연체인 프리프렉(35)이 채워져 있기 때문에 인쇄회로기판은 수개의 캐패시터가 일렬로 배열된 것과 같은 결과를 가져온다.

이 때, 신호전송선로(31)와 접지선로블록(32) 사이에 형성되는 캐패시턴스 C는,

(6)

와 같다. 여기서, ε는 절연층(35)의 유전율이고, A는 접지선로블록(32)들의 간격에 해당하는 접지전극부(34a, 34b)의 면적이며, d는 접지전극부(34a, 34b) 간의 간격이다.

도1 및 도2에 도시된 전송선로에서의 접지전극부(24)와 접지선로(22)의 간격 에 비해, 절반으로 줄어든 형태가 되므로, 접지선로블록(32)과 절연체(35)에 의해 형성되는 캐패시턴스 C는 약 2배가 된다.

전송선로의 특성 임피던스를 Zo라 하면,

(7)

이고, 여기서 R은 전송선로의 단위길이당 저항, L은 전송선로의 단위길이당 인덕턴스, G는 전송선로의 단위길이당 컨덕턴스, C는 전송선로의 단위길이당 캐패 시턴스이다.

통상적으로 전송 선로의 종단저항값으로는 50Ω이 가장 널리 사용되는데, 도1 및 도2에 도시된 종래의 신호 전송 선로는 종단 저항값이 50Ω에 미치지 못하여, 임피던스 미스매칭에 따른 반사 잡음을 발생시켰다. 그러나, 본 발명에 따른 신호 전송용 인쇄회로기판에서는 C가 감소하여, 결과적으로 특성 임피던스가 증가하여 종단 저항 50Ω에 보다 근접하게 되므로 가장 널리 사용되는 종단 임피던스 50Ω에 보다 근접시킬 수 있게 되었다. 따라서, 임피던스 미스매칭에 의해 발생하는 반사 잡음이 크게 감소된다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고주파 전송선로구조에 따르면 접지 보호벽 선로 사이에 일정한 간격을 주어 접지보호선로와 신호전송선로와의 캐패시턴스를 줄임으로써 누화 잡음 효과를 그대로 유지하면서 반사잡음을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고주파 전송선로구조에 따르면 접지 보호벽 선로 사이에 일정한 간격을 주어 접지보호선로 상에 형성되는 폐루프 수를 줄임으로서, 누화 잡음효과를 그대로 유지하면서 폐루프에 의해 발생하는 방사잡음을 최소화할 수 있다.

아래 표1은 본 발명과 도1 및 도2에 도시된 종래 기술과 접지보호선로를 갖 추지 않은 전송선로의 잡음 발생 및 개선율을 시뮬레이션을 통해 구한 측정치를 비교한 것이다. 표1에 나타난 바와 같이, 종래의 접지보호선로 구조보다 본 발명에 의할 경우 누화 잡음 특성은 거의 변화 없이 반사 잡음 및 방사 잡음 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다.

(표1)

	Mode	측정 전압(V)			개선율(%)
		종래	본발명	접지보호선로없는 경우	종래	본 발명

근접 누화 잡음	Even	0.0184	0.0130	0.0473	61.12	*72.6*
	Odd	0.0173	0.0127	0.0491	64.78	74.2
종단 누화 잡음	Even	0.0750	0.0551	0.8602	91.28	*93.6*
	Odd	0.0722	0.0546	0.7857	90.81	93.0
반사 잡음		0.4600	0.2198	0.2158	*-113.1*	*-1.82*
방사 잡음		0.07	0.01	0.05	*-140.0*	20

이상 본 발명을 실시예를 통해 설명하였으나, 본 발명의 범위가 상기 실시예로 한정되는 것이 아니며 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다. 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위의 해석에 의해서만 한정된다.

Claims

인쇄회로기판 내에 패터닝되어 고주파 신호를 전달하는 복수의 전송선로;

비아홀이 형성되고, 상기 전송선로 사이에 배치되며, 신호 전달 방향으로 소정 거리만큼 이격되어 노이즈를 차폐하는 다수의 접지선로블록; 및

상기 비아홀에 의해 상기 접지선로블록과 접속되는 접지전극부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판.
제1항에 있어서,

상기 접지전극부는 상기 복수의 전송선로 및 접지선로 블록과 다른 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판.
제1항에 있어서,

상기 접지전극부, 전송선로 및 접지선로블록 사이에는 절연층이 배치된 것을 특징으로 하는 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판.
제1항에 있어서,

상기 접지선로블록의 이격 거리(S_SGFL)는,

S_SGFL = c / 37ㆍFmax

이고, c는 광속으로서 c=2.998 X 10¹¹ mm/sec, Fmax는 전송 신호의 동작 주파수인 것을 특징으로 하는 고주파 신호 전송용 인쇄회로기판.