[기고] 0.5mm 피치의 보드-대-보드 커넥터에서 속도와 내구성 균형 잡기

글: 데이비드 파이크(David Pike) 제공: 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

2024-10-07 디일렉

전자 장비의 통신 속도가 그 어느 때보다 빨라지고 있다. 데이터 속도가 초당 100기가비트(Gbps)를 웃돌면서 커넥터 제조사들은 성능과 소형화라는 상충하는 요구를 충족하기 위해 새로운 기술들을 개발하고 있다. PCB와 PCB를 연결하는 커넥터는 이러한 통신의 핵심을 이루는 기술로서, 필요한 데이터를 공유할 수 있는 통로를 제공한다. 산업 분야에서 사용되는 데이터의 양은 어마어마하다. 엣지 컴퓨팅이 부상하면서 제조, 자동차 설계 같은 영역에서는 보드-대-보드 커넥터에 새로운 과제들이 제기되고 있다. 엣지 컴퓨팅과 좀더 최근의 엣지 인공 지능(AI)은 데이터가 생성되는 곳 가까이에 장비를 배치함으로써 소스와 처리 장비 간의 거리를 단축하고 지연시간을 줄일 수 있게 해준다.

자율 자동차나 안전이 중요한 시스템 같이 실시간으로 대처해야 하는 애플리케이션에서는 이처럼 지연시간을 최소화하는 것이 중요하다. 공장의 생산 현장이나 고속도로, 스마트 시티 같은 열악한 환경에 복잡하고 정교한 전자 시스템들이 구축될 경우, 보드-대-보드 커넥터는 견고한 인클로저로 보호되어 있다하더라도 충격이나 진동으로부터 영향을 받을 수 있다. 따라서 확실한 통신을 제공하기 위해서는 설계 엔지니어가 이러한 환경이 시스템에 미치는 영향을 이해해야 한다.
고속 커넥터를 필요로 하는 것은 산업 분야만이 아니다. 가상 현실(VR) 안경, 최신 스마트워치, 웨어러블 기기 같은 첨단 컨슈머 기기들은 디자인 소형화를 위해 혁신을 부추기고 있다.

이러한 추세에 발맞춰서 커넥터 제품들은 갈수록 소형화되고 있으며, 최신 세대의 보드-대-보드 커넥터는 0.5mm 혹은 그 이하의 피치(pitch)를 특징으로 한다. 이처럼 두께가 얇은 애플리케이션들이 일반화됨에 따라서 제조사와 설계 엔지니어들은 요구되는 성능을 달성하면서 커넥터 패키지를 되도록 작게 해야 하는 과제에 직면하게 되었다.

커넥터 소형화
미세 피치 커넥터를 설계하는 엔지니어들은 여러 과제에 직면하고 있다. 첫 번째는 물리적 견고성이다. 피치가 0.5mm인 커넥터에서 접점들은 크기가 이보다 더 작아야 한다. 접점들 사이에 충분한 공간을 확보하기 위해서다. 이처럼 작은 접점은 손상에 취약하므로 특수한 처리가 요구된다.

또한 커넥터는 접점들을 분리시키기 위해서 절연체 바디(insulator body)를 필요로 한다. 이러한 절연체 바디는 기계적 보호를 제공함으로써 사용 중의 손상을 방지하기도 한다. 커넥터 절연체는 몰딩이 되는 부분으로서, 다양한 절연성 물질로 이루어진다. 이러한 물질이 미세 피치 커넥터에서 효과적으로 사용될 수 있으려면 매우 얇아야 한다. 하지만 접점과 커넥터 하우징을 이처럼 얇은 물질로 만들면 쉽게 깨질 수 있기 때문에 보드-대-보드 커넥터가 일상적으로 사용되는 동안 문제가 될 수 있다. 이 점은 제조 시에도 고려해야 할 문제이다. 커넥터는 양산이 가능해야 한다. 갈수록 더 작은 커넥터를 만들어야 하는 압박 속에서 제조사들은 자신들이 설계하는 제품의 이러한 취약성을 인식해야 한다. 이러한 취약성은 필연적이다. 보드-대-보드 커넥터는 기계적 기능과 전기적 기능을 둘 다 수행하기 때문이다. 병렬로든 혹은 직각으로든 두 PCB 사이에 물리적 링크를 제공하기 위해서는 커넥터가 기계적 힘을 견딜 수 있도록 설계해야 한다. 데이터 속도가 높아지고 프로세서의 전력 소모가 증가함에 따라서 커넥터는 열 관리에 있어서도 중요한 역할을 한다. PCB가 적정한 거리와 방향으로 유지되도록 하고 냉각을 위한 에어플로우를 가능하게 하기 때문이다.

미세 피치와 빠른 속도
설계 엔지니어들은 이러한 커넥터의 용도도 고려해야 한다. 0.5mm 피치의 커넥터는 PCB 상에서도 마찬가지로 콤팩트한 트레이스를 필요로 함으로써 세심한 PCB 레이아웃 설계가 중요하다. PCB 상에 부품들을 탑재할 때 커넥터를 높은 정밀도로 배치해야 한다. 0.5mm 피치 커넥터의 배치 허용오차는 더욱 더 엄밀하기 때문에 정밀한 배치가 매우 중요한데, 특히 커넥터들을 사용해서 2개의 보드를 병렬로 연결할 때는 더욱 그렇다.

PCB 트레이스와 PCB 접점의 미세 피치는 이들이 전달하는 전기 신호에도 영향을 미친다. 병렬 트레이스들이 너무 가깝게 붙어 있으면 하나의 신호 트레이스가 다른 신호 트레이스에 간섭을 일으키는 누화(crosstalk) 발생의 위험이 있다. 갈수록 더 빠른 속도의 통신이 보편화되면서 신호 무결성(signal integrity, SI)이 더더욱 중요해졌다.

SI는 케이블과 커넥터를 통해서 전송되는 전기 신호의 품질을 말한다. 많은 내부적 및 외부적 요인들이 SI에 영향을 미친다. 엔지니어들은 외부 환경에 의해 발생하는 전자기 간섭(EMI)과 이것이 커넥터 시스템을 통해서 전달되는 신호 품질에 어떻게 영향을 미치는지 이해해야 한다.
케이블, 커넥터, PCB 트레이스를 통해서 전송되는 고속 신호는 서로 간에 간섭을 일으킬 수 있다. 이들 채널들이 가까우면 가까울수록 더 심하게 서로 영향을 미칠 수 있으며, 이는 전송 속도가 높아질수록 심화되는 경향을 나타낸다. SI의 중요성이 높아지면서, 신호들이 커넥터를 떠나서 PCB로 전이하는 보드 부분을 뜻하는 브레이크아웃 영역(break-out region, BOR)의 중요성이 부각되고 있다.

제조사가 아무리 SI를 유지하도록 커넥터를 설계한다고 하더라도 BOR 레이아웃이 부실하면 제조사의 노력은 헛수고가 된다. 그러므로 많은 제조사들이 고객에게 BOR 가장자리에서 깨끗한 인터페이스를 생성하도록 최적화된 템플릿을 제공한다.

맺음말
고성능 통신에 대한 요구가 높아짐으로써 커넥터 제조사들은 끊임없이 새로운 솔루션을 개발하고 있다. 하지만 속도만이 보드-대-보드 커넥터의 유일한 요구 사항은 아니다. 최신의 고속 시스템에서 최상의 성능을 이끌어내기 위해서는 견고한 디자인, 손쉬운 어셈블리, 열 관리 문제 역시 중요하다는 것을 설계 엔지니어들이 이해할 필요가 있다.