층 구성 (stackup)

한 줄 요약 — 층 수와 배치가 리턴 경로·임피던스(impedance)·EMI를 결정합니다. 아날로그 측정 보드는 GND 층을 아끼지 마세요.

층 수별 특징

2층

층	내용
1 (윗면)	신호 + 부품
2 (아랫면)	GND — 가능한 한 넓게

✅	⚠️
가장 저렴	비아(via)가 길어(1.6 mm) 인덕턴스(inductance) 큼
간단	배선(trace)이 GND 플레인(plane)을 뚫음 → 슬롯
	전원을 배선으로 → 임피던스 높음

적합: 저주파, 저속, 단순 회로 부적합: 고속, 저잡음 아날로그, 고밀도

💡 2층에서도 Bottom을 최대한 GND로 채우고, 배선은 Top에 집중하면 상당히 개선됩니다.

4층 — 표준

구성 A: Sig - GND - PWR - Sig (범용)

기본 4층 구성

층	용도	아래층과의 간격
1	신호 + 부품	0.1~0.2 mm ← 얇게
2	GND (연속)	1.2 mm
3	PWR	0.1~0.2 mm
4	신호 + 부품	—

층 1과 층 2를 얇게 붙이는 것이 핵심입니다. 신호선과 리턴 플레인이 가까울수록 루프 면적이 작아집니다.

✅	⚠️
리턴 경로 우수	층 4의 리턴이 PWR 플레인
플레인 커패시턴스
비아 짧음

구성 B: Sig - GND - GND - Sig (아날로그 권장)

층	내용
1 (윗면)	신호 + 부품
2	GND (연속)
3	GND (연속)
4 (아랫면)	신호 + 부품

✅	⚠️
양면 모두 GND 기준	전원을 배선으로 처리
차폐(shielding)차폐 shielding도체로 감싸 전기장을 막는 것으로, 한쪽 끝만 접지해야 접지 루프가 생기지 않습니다.자세히 보기 → 우수	전류가 크면 부적합
아날로그 측정에 최적

💡 소비 전류가 수백 mA 이하면 구성 B가 아날로그에 훨씬 좋습니다. 전원은 넓은 배선(폴리곤)으로 충분합니다.

6층 이상

층	내용
1 (윗면)	신호
2	GND
3	신호 (내층, 위아래가 막혀 차폐됨)
4	신호 (내층)
5	PWR
6 (아랫면)	신호

✅	⚠️
고밀도, 임피던스 제어	비싸다 (4층의 1.5~2배)
내층 신호는 차폐됨
전원 분리 자유

★ 층 간격이 중요합니다

\text{루프 면적} = \text{배선 길이}\times\text{유전체 두께}

층1-층2 간격	100 mm 배선의 루프 면적(loop area)루프 면적 loop area가는 길과 오는 길이 감싸는 넓이로, 이것이 곧 안테나 크기이므로 좁힐수록 잡음이 줍니다.자세히 보기 →
0.1 mm	10 mm²
0.2 mm	20 mm²
0.5 mm	50 mm²
1.0 mm	100 mm²

신호층과 그 기준 플레인을 최대한 가깝게 배치하세요.

전형적인 4층 두께 배분 (1.6 mm 보드):

두께 배분 — 신호층을 각자의 리턴 플레인에 바짝 붙입니다.

위치	두께	재료	이유
Top ↔ GND	0.1~0.2 mm	프리프레그	신호와 리턴을 붙인다
GND ↔ PWR	1.2 mm	코어	여기는 두꺼워도 무방
PWR ↔ Bottom	0.1~0.2 mm	프리프레그	아래층 신호도 리턴이 가깝게

총 두께가 1.6 mm 로 같아도, 어디를 얇게 하느냐로 성능이 갈립니다.

💡 제조사에 “층1-2와 층3-4를 얇게” 요청하세요. 기본값은 균등 배분인 경우가 많습니다.

임피던스 제어

고속 신호는 특성 임피던스특성 임피던스 characteristic impedance전송선을 지나는 파의 전압과 전류의 비로, 길이와 무관하고 단면 구조만으로 정해집니다. $Z_0 = \sqrt{L/C}$ 자세히 보기 →를 맞춰야 반사(reflection)가 없습니다.

Z_0 \approx \frac{87}{\sqrt{\varepsilon_r+1.41}}\ln\frac{5.98h}{0.8w+t} \quad(\text{마이크로스트립})

기호

r저항 (소신호)small-signal resistanceΩ

t시간times

w폭widthm

Z_00번 임피던스impedance 0Ω

목표	용도
50 Ω	싱글엔디드 고속, RF
90 Ω (차동)	USB
100 Ω (차동)	이더넷, LVDS

언제 필요한가:

\text{신호 상승시간} < 2\times\text{전파 지연}

FR4에서 전파 속도는 약 150 mm/ns입니다.

예: 배선 50 mm → 지연 0.33 ns. 상승시간이 0.66 ns보다 빠르면 임피던스 제어 필요.

💡 측정 시스템의 아날로그 신호는 대개 임피던스 제어가 불필요합니다(느림). 다만 ADC의 LVDS 출력이나 USB는 필요합니다.

재료

재료	$\varepsilon_r$	손실	용도
FR4	4.2~4.6	중간	범용
FR4 (고속용)	3.8~4.2	낮음	~5 GHz
Rogers	3.0~3.5	매우 낮음	RF
폴리이미드	3.5		유연 기판

유연 기판(FPC): 이식형·웨어러블 소자. 층 수 제약, 기계적 신뢰성 고려

⚖️ 트레이드오프

선택	✅	⚠️
2층	최저 비용	리턴 나쁨, 고속 불가
4층 (S-G-P-S)	균형, 표준
4층 (S-G-G-S)	아날로그 최적, 차폐	전원을 배선으로
6층+	고밀도, 성능	비쌈
얇은 층 간격	루프↓, 플레인 커패시턴스↑	제조 요청 필요, 크로스토크(crosstalk)크로스토크 crosstalk옆 배선의 신호가 용량이나 자기장을 타고 내 신호에 섞여 들어오는 것입니다.자세히 보기 →↑
두꺼운 간격	임피던스 제어 쉬움	루프↑

🔌 용도별 권장

시스템	층 구성
단순 로직·DC	2층
일반 측정 보드	4층 S-G-P-S
저잡음 AFE	4층 S-G-G-S 또는 6층
고속 디지털 + 아날로그	6층 이상
이식형·유연	폴리이미드 2~4층
RF	특수 재료

⚠️ 이상과 실제의 차이

이상	실제
층 수만 맞으면 됨	간격 배분이 성능을 좌우
제조사가 알아서	기본값은 균등 배분 → 명시적으로 요청
FR4는 균일	$\varepsilon_r$ 이 주파수·방향에 따라 변동
임피던스 계산대로	제조 공차 ±10%

연습문제

문제 1. 저잡음 AFE 보드(소비 200 mA)에 4층을 씁니다. 어떤 구성이 좋습니까?

exercises/15-04-afe-stackup.yaml

풀이

S-G-G-S (신호-GND-GND-신호)를 권장합니다.

이유:

200 mA는 넓은 배선(폴리곤)으로 충분히 공급 가능
양면 신호가 모두 GND를 기준으로 하므로 리턴 경로가 완벽
GND 층이 둘이라 차폐 효과가 큼 (Top과 Bottom 신호가 서로 격리)
전원 노이즈가 플레인 전체로 퍼지지 않음

층 간격: 측정 회로용 구성 — 전원층을 포기하고 접지를 두 층 씁니다.

층	용도
1	신호 + 부품
2	GND
3	GND (또 하나)
4	신호 + 부품

전원은 굵은 배선으로 층 1·4에 깝니다. 접지가 두 층이면 양쪽 신호층이 모두 바로 아래 리턴 플레인을 갖고, 두 플레인 사이 차폐 효과까지 생겨 아날로그 프론트엔드에 유리합니다.

전원 처리: Top이나 Bottom에 폭 1~2 mm 폴리곤으로 배선. 필요하면 내층 GND 사이에 짧은 구간만 전원 폴리곤을 넣을 수도 있습니다.

문제 2. 100 mm 배선의 신호 상승시간이 1 ns입니다. 임피던스 제어가 필요합니까?

연습 15-04-2 — 100 mm 에 상승 1 ns, 임피던스 제어가 필요한가워크벤치에서 열기 →

풀이

전파 지연:

t_{pd} = \frac{100\ \text{mm}}{150\ \text{mm/ns}} = 0.67\ \text{ns}

기호

t_pd시간 (pd)time (pd)s

판정 기준: $t_r < 2t_{pd}$ 이면 전송선으로 취급

2t_{pd} = 1.33\ \text{ns} > t_r = 1\ \text{ns}

기호

t_pd시간 (pd)time (pd)s

t_r상승 시간rise times

필요합니다. 상승시간이 왕복 지연보다 짧으므로 반사가 발생합니다.

대책:

임피던스 제어 (50 Ω)
직렬 종단 (소스에 $R = Z_0 - R_{driver}$ ) ← 간단하고 효과적
또는 배선을 짧게 (30 mm 이하면 $2t_{pd}$ = 0.4 ns < 1 ns → 불필요)
또는 슬루레이트를 늦춤 (9-01)

💡 측정 시스템에서는 “슬루레이트(slew rate)슬루레이트 slew rate출력이 오를 수 있는 최고 속도로, 이걸 넘기면 정현파가 삼각파로 잘려 나옵니다. $f_{max} = \frac{\mathrm{SR}}{2\pi V_p}$ 자세히 보기 →를 늦추는 것”이 EMI 관점에서도 유리합니다. 속도가 필요 없다면 일부러 느리게 하세요.

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