고속 기판 간 커넥터를 사용하여 회로 밀도와 성능을 모두 개선

전자 장치들의 크기는 점점 작아지고 있는 반면, 데이터 전송률은 증가하고 있습니다. 이러한 추세로 인해, 설계자는 더 작은 공간에 더 많은 회로를 통합하는 동시에 데이터 전송률, 안정성 및 신호 무결성을 유지해야만 합니다. 또한 설계자는 냉각을 위한 공기 흐름과 물리적 분리를 해결하여 전자파 장해(EMI)를 최소화해야 합니다.

회로 밀도를 높이기 위한 일반적인 솔루션은 인쇄 회로 기판(PC 기판)을 쌓는 것입니다. 도터 및 메자닌 서브 기판을 사용하면, 냉각 및 신호 분리를 위한 경로를 제공하면서 더 많은 회로 기판 공간을 확보할 수 있습니다.

이 기사에서는 고속 회로 설계자가 직면하는 문제를 간략하게 살펴봅니다. 그런 다음 Würth Elektronik의 기판 간 커넥터를 소개하고 신호 무결성을 유지하면서 안정적인 신호 연결을 제공하는 데 이 커넥터를 사용하는 방법을 보여줍니다.

메자닌 기판

메자닌 기판 레이아웃은 두 개의 병렬 PC 기판을 서로 겹쳐서 쌓고 기판 간 커넥터를 통해 연결하는 방식으로 구성됩니다(그림 1, 왼쪽).

그림 1: 다양한 메자닌 실장 PC 기판의 예(왼쪽) / 커넥터에, 또는 표면 실장 또는 나선형 스페이서를 사용하여 실장할 수 있는 보조 기판(오른쪽)(이미지 출처: Würth Elektronik)

두 PC 기판의 기판간 배열로, 회로를 위한 물리적 공간을 추가로 제공합니다. 이 기판은 체적 효율을 높이거나, 상호 호환성을 허용하거나, 공기 흐름을 개선하고 EMI를 줄이기 위해 물리적 분리를 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 기판 간 커넥터는 기판을 상호 연결하며, 케이블을 사용하지 않습니다. 메자닌 기판 커넥터는 다양한 스택 높이를 제공하며, 이는 기판 간격을 결정합니다. 상부 기판은 커넥터로 지지 및 고정하거나 표면 실장 또는 나선형 스페이서로 고정하여 진동 및 충격에 대한 내성을 높일 수 있습니다(그림 1, 오른쪽).

신호 무결성 고려 사항

신호 무결성은 커넥터를 통해 한 기판에서 다른 기판으로 신호가 전송될 때 발생하는 신호의 왜곡이나 감쇠 현상을 설명합니다. 이러한 효과 중 일부(예: 접점 저항)는 주파수에 의존적이지 않으며, 쉽게 설명하고 수정할 수 있습니다.

그러나 주파수에 따라 달라지는 두 가지 주요 신호 무결성 파라미터는 반사 계수(ρ)와 전송 계수(t)입니다(그림 2). 전송 계수는 일반적으로 데시벨(dB) 단위의 삽입 손실로 표시됩니다. 반사 계수(반사 손실)는 임피던스 값이 갑자기 달라지는 지점을 만날 때 데이터 신호가 소스로 반사되기 때문에 발생합니다. 삽입 손실은 전송 경로를 통한 감쇠를 정량화합니다. 둘 다 PC 기판 라인 임피던스(Z_s)에 대한 커넥터의 임피던스(Z_CAB)에 따라 달라집니다.

그림 2: 반사 손실 및 삽입 손실은 PC 기판 라인 임피던스에 대한 커넥터의 임피던스에 따라 달라집니다(이미지 출처: Würth Elektronik).

전송 손실은 신호가 커넥터를 통과하는 동안에 신호 진폭을 감소시키며, 경로 길이와 커넥터의 구조에 비례합니다. 근단 누화(NEXT) 또는 원단 누화(FEXT)로 인해 일부 에너지가 손실될 수도 있습니다. 반사 손실 및 전송 계수는 커넥터 임피던스(케이블로 모델링)와 PC 기판 전송 라인 임피던스(이 예에서는 50Ω으로 가정)의 차이에 따라 달라지는 주파수 종속 파라미터입니다. 반사 계수 및 전송 계수는 표시된 방정식에 의해 정의됩니다.

그림 2의 그래프는 커넥터(케이블) 임피던스의 함수에 따른 이러한 파라미터의 변화를 보여줍니다. 커넥터 임피던스가 50Ω인 경우 이론적 반사 손실은 0, 전송 계수는 100%로, 이는 손실이 없음을 나타냅니다. 커넥터 임피던스가 50Ω과 다른 경우, 파라미터는 50Ω과의 차이와 주파수에 따라 비례하여 달라집니다. 커넥터에서 임피던스는 사용된 절연 재료와 폭, 길이, 간격(피치) 등 접점 핀의 기하학적 구조에 따라 달라집니다. 또한 인접한 핀의 배선에도 영향을 받습니다.

고속 데이터 전송에는 두 가지 일반적인 배선 구성이 있습니다(그림 3). 데이터 신호가 접지를 기준으로 하는 단일 엔드와 두 개의 보완 신호 라인을 사용하는 차동(데이터 신호 진폭은 전압의 차이로 결정)입니다. 차동 신호는 이중 신호 라인의 잡음과 간섭을 줄이기 위해 사용됩니다. 일반적으로, 차동 신호는 가장 높은 데이터 전송률에서 사용됩니다. 데이터 신호는 일반적으로 잡음 픽업을 줄이기 위해 하나 이상의 접지 신호와 쌍을 이룹니다.

그림 3: 잡음 및 간섭 픽업을 줄이기 위해 중간 접지 도체를 사용하는 세 가지 일반적인 신호 배선 구성을 보여줍니다(이미지 출처: Würth Elektronik, 작성자 수정).

단일 엔드 배선은 일반적으로 50Ω의 특성 임피던스로 설계되고, 차동 배선은 100Ω으로 설계됩니다. 커넥터에서 기판까지의 핀 선택은 접지 컨덕터의 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

신호 무결성 측면에서 볼 때, 기판 간 커넥터는 지정된 임피던스와 데이터 전송률을 지원하도록 설계되어야 합니다.

기판 간 커넥터의 예

고속 데이터 응용 제품의 신호 커넥터에 적합한 옵션은 Würth Elektronik의 WR-BTB 옵션입니다. 40핀, 80핀 또는 100핀, 피치 0.80mm와 피치 1.00mm의 64핀의 표면 실장 기판 간 커넥터로 제공됩니다. 1.00mm 피치, 64핀 커넥터는 IEEE 1386 메자닌 커넥터 요구 사항과 호환됩니다. 0.80mm 피치 커넥터는 역결합을 방지하기 위해 극성이 지정됩니다. 각 핀 수에 대해 여러 적층 높이 옵션이 제공됩니다.

모든 WR-BTB 커넥터는 구리 합금 접점을 사용하며, 선택적 금 도금이 적용되어 있고, 핀 수에 따라 접점 저항은 50mΩ 이하입니다. 커넥터 본체는 무할로겐 플라스틱으로 제작되어 강도, 전기 저항, PC 기판 조립 시의 납땜 온도 저항 또는 화재 방지 등급이 그대로 유지되는 동시에 환경 친화적입니다. -55°C ~ 85°C의 온도 범위에서 작동하며 RoHS 3도 준수합니다.

RF 커넥터와 달리 WR-BTB 커넥터에는 고정된 특성 임피던스가 없으며, 접점 치수, 기본 기판의 유전율, PC 기판 배선 레이아웃 등에 따라 달라집니다. WR-BTB 커넥터 설계는 50Ω 단일 엔드 또는 100Ω 차동 회로 전송 라인용 고속 PC 기판 시스템에서 신호 반사를 최소화합니다. 예를 들어 0.8mm 및 1mm 피치 커넥터는 480Mbits/s에서 PCIe 2.0 신호 또는 USB 2.0 차동 신호와 호환됩니다.

특정 WR-BTB 플러그/리셉터클 커넥터 쌍의 예로는 658158303064 64핀 플러그(그림 4, 왼쪽)와 그 658101003064 결합 리셉터클(그림 4, 오른쪽)이 있습니다. 모두, 피치 1.00mm, 접점 폭 0.30mm의 덮개형 64핀 커넥터이며, 정격 작동 전압은 100V_AC, 정격 전류는 1000mA입니다. 이 커넥터의 최대 접점 저항은 30mΩ입니다. 두 커넥터 모두 표면 실장 기판 가이드가 통합되어 있으며 픽 앤 플레이스(PnP) 클립이 포함되어 있습니다. 접점을 손상시키지 않고 커넥터를 픽업할 수 있도록 PnP 기계 진공 노즐에 평평한 표면을 제공합니다.

그림 4: 64핀, 1.0mm 피치, 플러그/리셉터클 쌍과 PnP 클립입니다(이미지 출처: Würth Elektronik).

이 제품군에서 제공하는 가장 많은 핀 수는 100핀으로, 658807713100 리셉터클과 결합되는 658855603100 0.80mm 피치 100핀 플러그가 있습니다. 정격 전압은 50VAC이며 최대 500mA의 전류를 처리할 수 있고 최대 접점 저항은 50mΩ입니다.

적층 높이는 플러그와 리셉터클 쌍의 특정 조합을 선택하여 선택할 수 있으며, 제공되는 적층 높이는 핀 수와 피치에 따라 달라집니다(그림 5).

그림 5: 커넥터 피치 및 리드 수에 따라 적층 높이를 선택할 수 있습니다(이미지 출처: Würth Elektronik, 작성자에 의해 수정됨).

어떻게 작동하는지 확인하기 위해, 658158303064 플러그와 658101003064 리셉터클(파란색으로 강조 표시됨)을 결합했을 때 적층 높이는 14.75mm입니다. 리셉터클이 658105303064(녹색으로 강조 표시됨)인 경우에는 적층 높이가 9.75mm입니다. 2개의 플러그 부품과 3개의 리셉터클로 64핀 1.0mm 커넥터에 7.75mm ~ 14.75mm 범위의 6가지 적층 높이로 제공됩니다. 0.80mm 피치 커넥터는 더 넓은 범위의 적층 높이를 제공합니다.

반면, 658807713100 리셉터클과 결합된 658855603100 0.80mm 피치 100핀 플러그는 단 10mm의 적층 높이만 제공합니다.

응용 분야

기판 간 커넥터는 소비자 가전, 차량 시스템, 산업 자동화, 의료 장치 등 광범위한 응용 분야에 사용됩니다.

기판 간 커넥터를 사용하는 메자닌 기판은 다음과 같은 경우에 사용할 수 있습니다.

• 공기 흐름 개선 및 냉각을 위한 물리적 공간이 필요한 하위 부품
• 여러 제품 모델에서 공통 하위 부품을 사용하여 비용 절감
• 두 기판을 연결하기 전에 각 기판을 별도로 조립할 수 있어 조립 단순화 달성
• PC 기판을 분리했다가 다시 연결할 수 있어 설계 유연성 제공
• 메자닌 하위 부품으로 분리할 수 있는 무선 주파수(RF) 또는 고전압(HV) 전원 공급 장치와 같은 특수 회로
• 기판을 간편하게 업그레이드

위 예는 기판 간 커넥터가 있는 메자닌 기판이 제공하는 장점 중 일부에 불과합니다.

환경 및 안전 인증

WR-BTB 커넥터는 커넥터에 적용되는 일반적인 환경 및 안전 표준에 대한 인증을 받았거나 이를 준수합니다(그림 6).

인증:

그림 6: WR-BTB 환경 및 안전 인증이 표시되어 있습니다(이미지 출처: Würth Elektronik).

결론

메자닌 구성에 사용되는 Würth Elektronik 기판 간 커넥터는 전자 장치의 체적 효율성, 신호 무결성 및 신뢰성을 향상시킵니다. 또한 냉각을 위해 더 효율적인 공기 흐름을 제공하고, 전자기 분리를 개선하며, 조립을 간소화합니다.