차폐형 커넥터를 사용하여 콤팩트한 고밀도 폼 팩터에서 신뢰할 수 있는 고속 연결 달성

전기 차폐는 전자 시스템의 초창기부터 엔지니어가 우려하는 목록에 올라 있었을 정도로 설계 및 제조 시 고려해야 할 사항이지만 데이터 전송률이 높아지고 시스템이 더 작아지며 더 가까운 거리에서 더 많은 신호 라인과 더 밀접하게 통합됨에 따라 우려 역시 높아지고 있습니다. 이러한 경향은 외부의 원치 않는 신호가 신호를 전달하는 컨덕터에 도달하여 영향을 미치는 것을 방지하고 원하는 신호의 에너지가 외부로 방사되어 인근의 컨덕터와 회로망에 영향을 미치는 것을 방지한다는 단순한 개념을 매우 복잡하게 만듭니다.

차폐가 효과적이려면 활성 상태인 컨덕터를 완전히 감싸고 종단 커넥터를 포함한 전체 경로를 따라 360° 전도성 장벽을 형성해야 합니다. 이를 수행하기 위해 많은 설계자는 동축 케이블과 커넥터를 사용해야 한다고 가정합니다. 내부 케이블 실드가 360° 차폐 무결성을 유지하면서 종단될 수 있기 때문입니다. 그러나 동축 케이블을 사용하면 결과적인 면적 채널 밀도가 낮기 때문에 이 접근 방식은 여러 기판 간 및 기판-후면판 상호 연결 응용 분야의 고속, 고밀도 전기 및 물리 요구 사항을 충족하기에 적합하지 않습니다. 해결책은 고속의 완전 차폐형 상호 연결을 선택하는 것입니다. 이러한 상호 연결은 단일 완전 차폐형 커넥터 하우징에서 높은 신호 경로 수를 지원합니다.

이 기사에서는 차폐 기본 사항과 여러 단일 채널 동축 케이블이 과도한 크기 및 벌크를 가질 수 있는 높은 채널 수의 상호 연결 및 차폐를 구현할 때 설계자들이 직면하는 문제점에 대해 간략하게 설명합니다. 또한 모든 것을 포함하는 360° 차폐가 특히 중요한 이유를 보여주고 Samtec의 몇몇 차폐형 커넥터 제품군을 사용하여 제한된 공간에서 고속 신호 무결성을 위한 설계 및 구현 모범 사례를 보여줍니다.

차폐 기본 사항부터 시작

케이블과 해당 상호 연결(커넥터)은 거의 모든 시스템에서 필수 부품입니다. 이는 마더보드를 메자닌 기판에 연결하거나 기판을 사용자 패널, 특수 인터페이스 또는 입출력(I/O) 배열에 연결할 수 있습니다. 신호 무결성을 유지하기 위해 상호 연결은 신호의 대역폭을 지원해야 하며 또한 전자파 장해/무선 주파수 전파 방해(EMI/RFI)에 강해야 합니다. 또한 동시에 EMI/RFI가 인접 상호 연결, 기판 또는 부품 특히 낮은 수준이나 민감한 신호를 전달하는 부품에 방사되는 것을 허용해서는 안 됩니다.

차폐는 전자파 장해와 무선 주파수 전파 방해의 영향을 감쇠합니다. 차폐는 배치되는 위치 및 방법에 따라 잡음을 주로 소스(잡음 ‘공격자’라고도 함) 가까이에서 감쇠하거나 잡음에 민감한 회로망(‘피해자’)에 도달하지 못하도록 차단할 수 있습니다.

그림 1: 차폐는 공격자 소스와 EMI 및 RFI의 의도하지 않은 무고한 피해자 사이에서 장벽 역할을 수행합니다. (이미지 출처: Journal of Computer Science and Engineering via Arvix)

특정 컨덕터는 EMI/RFI 에너지의 한 ‘클러스터’를 방출하는 공격자면서 다른 소스의 에너지 피해자일 수 있습니다. 또한 EMI/RFI 공격자가 반드시 제품과 무관한 외부 ' 타사’ 소스인 것은 아닙니다. 즉, 시스템의 또 다른 부품이 인접한 컨덕터나 부품에 에너지를 방사하여 의도하지 않은 공격자 역할을 할 수도 있습니다.

이러한 케이블 및 상호 연결의 접지 차폐를 종단하여 공격자와 피해자 간의 잡음 에너지 전달을 차단하거나 현저히 감쇠할 수 있는 방법 및 위치에 대한 많은 지침과 이른바 ‘중요한 규칙’이 있습니다. 안타깝게도 이러한 지침이 종종 충돌할 뿐 아니라 올바른 답이나 가장 좋은 답이 배열의 세부 사항에 달려있는 것처럼 보일 때도 있습니다. 다음은 권장 지침의 일부입니다.

• 차폐의 양쪽 끝을 종단(접지)합니다.
• 소스에서 한쪽 끝만 종단합니다.
• 수신기에서 한쪽 끝만 종단합니다.

직관적으로는 설계의 세부 사항과 필요한 감쇠량에 따라 모두 맞지 않을 수도 있고, 맞을 수도 있습니다. 종합적인 실험실 테스트에 따르면 기가헤르츠(GHz) 범위에 대한 효과적인 차폐를 위해서는 차폐의 양쪽 끝이 종단되어야 합니다. 다시 말하면 차폐는 연속적이어야 하며 중단되지 않아야 합니다.

이 규칙은 오디오 및 낮은 RF 주파수에서 다소 유연합니다. 그러나 차폐의 종단이 한쪽 끝에만 있으면 최대 약 1MHz의 응용 제품에는 적합할 수 있지만 10MHz 이상의 응용 제품에는 적합하지 않습니다.

전체 차폐 필요

자세한 테스트 결과를 통해 차폐에 대해 널리 사용되는 짧은 ‘피그테일’ 종단이 종종 얼마나 비효율적인지 알 수 있습니다(그림 2). 길이가 몇 밀리미터(mm)에 불과하더라도 낮은 유도 용량은 높은 주파수에서 성능을 저하시키므로 차폐 성능을 크게 무효화할 수 있습니다. 게다가 무해한 피그테일 단자가 전자기 에너지(안테나)의 라디에이터로 작용하여 실제로 비생산적일 수 있으며 단순히 감쇠에 효과가 없는 것이 아니라 오히려 더 많은 EMI/RFI를 방사할 수 있습니다.

그림 2: 이 HDMI 케이블의 무해해 보이는 피그테일 스타일 차폐 종단은 효과가 없을 뿐 아니라 전자기 라디에이터로써 비생산적일 수 있습니다. (이미지 출처: Dana Bergey and Nathan Altland, Interference Technology 인용)

대신 필요한 것은 대부분의 고성능 및 MIL 표준에서 요구되는, 차폐 종단의 360° 물리적 범위입니다(그림 3).

그림 3: 최대한의 차폐 효과를 위해서는 빠르고 쉬운 피그테일 접지 연결(하단)보다 전체 360° 종단(상단)이 필요합니다. (이미지 출처: ResearchGate)

빈틈없는 360° 범위로 양쪽 끝에서 종단이 필요한 이유는 물리학 때문입니다. 작동 주파수가 수백 MHz 및 GHz 범위로 올라감에 따라 해당 파장은 짧아집니다. 즉 차폐 범위의 작은 틈조차도 신호 에너지가 거의 또는 아예 감쇠하지 않고 통과할 수 있는, 문자 그대로 기회의 창을 의미합니다.

더 높은 주파수와 함께 오늘날의 시스템은 밀집 배치되어 있습니다. 즉 거리의 제곱에 따라 경로 손실이 증가하므로 공격자와 피해자 간의 RF 전파 경로 손실이 훨씬 적습니다. 따라서 보기에 미미한 정도의 의도치 않은 공격자 신호도 상대적으로 높은 강도로 피해자 회로망에 도달하여 영향을 미칠 수 있습니다.

종종 개별 동축 케이블 및 커넥터로 대표되는 360° 무결성 차폐를 사용하면 EMI/RFI 보호와 관련하여 분명 효과적입니다. 그러나 동축 케이블을 사용하면 여러 시스템의 높은 물리적 밀도 요구를 방해하는 경우가 많습니다.

또한 여러 고성능 시스템은 다음의 2가지 기본 시나리오에서 볼 수 있듯이 여러 병렬 신호 라인을 차폐해야 합니다.

• 마더보드와 메자닌 기판 간처럼 여러 라인 주변에 단일 차폐가 적용된 기판 간 상호 연결

• 단일 결합 커넥터가 있는 단일 케이블 조립품의 여러 차폐형 동축 케이블

기판 간 설계를 위한 단일 차폐

여러 신호 라인을 위한 단일 차폐를 사용하는 개념은 원칙적으로 간단합니다. 여러 라인은 페룰 위에 접힌 차폐가 감싸고 있으므로 커넥터 셸에 접촉합니다(그림 4).

그림 4: 신호 컨덕터 그룹 주변의 차폐를 래핑하여 여러 라인이 그룹으로 차폐됩니다. (이미지 출처: Samtec)

이 접근 방식은 차페 문제를 해결하며 비차폐 상호 연결에 비해 최소한의 추가 기판 공간이 필요합니다. 차폐형 다중 회선 커넥터는 차폐되지 않은 커넥터와 동일한 기본 신호 라인 성능을 제공하는 동시에 차폐를 손상시키지 않고 신뢰할 수 있고 일관된 결합 및 결합 해제를 보장하는 것이 중요합니다.

이 다중 회선 차폐형 상호 연결의 예로 Samtec의 ERM8-010-9.0-L-DV-EGPS-K-TR 헤더와 ERF8-010-7.0-S-DV-EGPS-K-TR 소켓으로 구성된 20접점 기판 간 차폐형 커넥터 쌍을 들 수 있습니다(그림 5). 이 러기드 고속 커넥터 스트립은 긴 수명의 고속(초당 28기가비트(Gbits/s)의 NRZ(비 복귀 기록, non-return to zero) 인코딩 및 초당 56기가비트의 4레벨 펄스 진폭 변조기(PAM4)) 응용 제품을 위해 설계되었습니다.

그림 5: 20접점 ERM8 헤더(왼쪽)와 해당 ERF8 소켓(오른쪽)은 차폐형 기판 간 연결을 제공합니다. (이미지 출처: Samtec)

이 커넥터는 최대 1.5mm 접촉 단자 와이프를 제공하며 러기드 래칭, 잠금, 360° 차폐를 특징으로 하며 결합 해제 동안 ‘지퍼’(축에서 벗어난 비정상적인 힘으로 당긴 상태)가 적용될 때 견고합니다. 긴 수명의 고속 응용 제품을 위해 설계된 Samtec의 Edge Rate 접점 시스템을 통해 고속 성능이 발휘됩니다. 측면 결합의 감소를 통해 신호 무결성에 최적화되었으며 마모를 감소하기 위해 매끄럽고 넓게 가공된 접촉 단자 표면이 있습니다(그림 6).

그림 6: 측면 신호 결합을 줄이기 위해 ERM8 및 ERF8은 독점 Edge Rate 접점 시스템을 사용합니다. (이미지 출처: Samtec)

넓게 가공된 접점은 잘린 모서리에 결합하는 스탬핑 접점과는 달리 매끄러운 결합 표면적을 제공합니다. 매끄러운 결합 표면은 접점의 마모 트랙을 줄여서 접점 시스템의 내구성과 수명을 향상시키며 삽입 및 인출력도 줄여줍니다.

동축 케이블도 필요

동축 케이블은 신호 전송에서 필수적이고 대체할 수 없는 역할을 하지만 단일 동축 케이블만을 지원하는 상호 연결을 사용하면 여러 병렬 신호가 필요할 때 불편할 수 있습니다. 이러한 상황을 해결하기 위해 Samtec은 20개, 30개, 40개, 50개 접점을 지원하는 다중 회선 차폐형 동축 케이블 커넥터 제품군을 제공합니다. 여기에는 20접점, 자체 결합, 암수 동체를 특징으로 하는 표면 실장 커넥터인 LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR이 있습니다(그림 7).

그림 7: LSHM-110-02.5-L-DV-A-S-K-TR은 20접점, 자체 결합, 암수 동체를 특징으로 하는 표면 실장 커넥터입니다(최대 50접점). (이미지 출처: Samtec)

LSHM은 기판 간 및 기판-케이블 응용 제품에서 사용하기 위한 러기드 고밀도 커넥터로, EMI 보호를 위해 선택적 차폐를 지원합니다. Razor Beam 미세 피치 접촉 시스템을 사용하는 암수 동체 설계는 X, Y, Z축에서 인쇄 회로 기판(PC 기판) 공간을 절약합니다. 이 커넥터는 0.50mm 피치가 특징이며 결합 시 딸깍 소리가 나고 결합 및 결합 해제 힘은 일반 마이크로 피치 커넥터보다 대략 4배 ~ 6배 더 큽니다.

이 기판 실장 커넥터는 케이블 조립품이 필요하므로 상호 연결의 절반에 해당합니다(그림 8). 또한 이 조립품은 피치가 0.50mm인 Razor Beam 기술을 사용합니다.

그림 8: Razor Beam 미세 피치 자체 결합 동축 케이블 조립품은 완전한 다중 회선 기판-케이블 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Samtec)

인용된 20접점, 기판 실장, 차폐형 다중 회선 동축 커넥터를 위한 보완 케이블 조립품으로 각 끝에 자체 결합이 가능하고 암수 구별이 없는 암수 동체 커넥터를 갖춘 1m 길이의 케이블인 HLCD-10-40.00-TD-TH-1이 있습니다(그림 9). 이는 임피던스가 50Ω인 38AGW 마이크로 동축을 사용하며 접점당 14Gbits/s에 대해 정격화되었습니다.

그림 9: 20접점 HLCD-10-40.00-TD-TH-1과 같은 다중 회선 50Ω 마이크로 동축 케이블 조립품에는 각 끝에 자체 결합이 가능하고 암수 구별이 없는 암수 동체 커넥터가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Samtec)

요약

이러한 고속 커넥터를 더 쉽게 지정하고 사용하기 위해 Samtec은 기판에서 가장 어려운 설계 문제 중 하나인 고속 커넥터 주변의 중요한 ‘브레이크 아웃 영역’(BOR)에 대한 참조 설계를 제공하여 제조업체 PC 기판 레이아웃과 커넥터 SPICE 모델 개념을 확장했습니다. Samtec의 신호 무결성 엔지니어들은 많은 고속 커넥터 계열에 대한 PC 기판 트레이스 라우팅과 관련된 권장 사항을 포함하여 소위 파이널 인치 브레이크 아웃 영역을 개발했습니다.

이러한 설계 권장 사항은 표준 기판 재료, 여러 계층, 저비용, 고수율 제조 공정과 함께 사용하는 것을 기반으로 하며 특별한 처리가 필요하지 않습니다. 이러한 권장 사항을 통해 설계, 개발, 검증 시간 및 리소스를 절약하고 성능을 제조 가능성 및 비용과 균형을 맞출 수 있습니다.

결론

케이블, 커넥터 및 상호 연결의 완벽한 전기 차폐는 기판 간 및 기판-케이블 구성 모두에서 신호 무결성과 성능에 중요합니다. EMI/RFI 방출 또는 이러한 방출에 대한 감응성을 방지하기 위해 차폐해야 하는 여러 개의 병렬 신호가 있을 때 차폐 문제는 더 어렵습니다. 위에서 살펴본 바와 같이 Samtec은 높은 수준의 기계적, 전기적 무결성 및 성능을 유지하는 동안 설계 및 제조를 간소화하는 다양한 다중 회선 기판 간 및 동축 케이블-기판 상호 연결 제품군을 제공합니다.