인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요, 답변 남겨드립니다.

질문에서 보신 “TD_N, RD_N 같은 신호는 via를 추가하지 않았는데도 연결이 된다”는 현상은 대부분 RJ45 커넥터의 핀이 스루홀(Plated Through Hole, PTH)로 되어 있기 때문입니다. 스루홀 패드는 단순히 Top에만 구리 패드가 있는 것이 아니라, 홀 벽면이 도금(플레이팅)되어 Top과 Bottom(그리고 내부층까지) 사이를 전기적으로 관통 연결해주는 구조입니다. 그래서 KiCad 입장에서는 RJ45의 해당 핀 패드 자체가 “이미 하나의 via처럼 동작”합니다. 즉, Top에서 그 핀으로 들어오든 Bottom에서 그 핀으로 들어오든 같은 패드(같은 net)에 붙기만 하면 전기적 연결이 성립하니 별도의 via를 추가할 필요가 없어 보이게 됩니다. 반대로 RJ45가 완전 SMD 타입으로 Top 패드만 존재했다면, Bottom에서 그 신호를 잡으려는 순간에는 층 변경이 필요하므로 via가 반드시 들어가게 됩니다.

반면 TVS 다이오드의 GND 쪽은 상황이 다릅니다. TVS를 Bottom에 놓았을 때, 그 GND 패드가 바로 “원하는 기준 GND(예: 섀시 GND 또는 보드 GND 플레인)”로 아주 짧고 넓게, 그리고 낮은 인덕턴스로 떨어져야 성능이 나옵니다. 그런데 GND 플레인이 보통 Inner layer에 있거나(4층/6층에서 흔함), Top에만 섀시 GND를 구성해 두었거나, Bottom에 GND 폴리곤이 없거나(혹은 있어도 섀시 GND/시그널 GND 분리 규칙 때문에 바로 못 물리는 경우)라면, Bottom의 TVS GND 패드에서 그 플레인으로 내려가기 위한 수직 연결이 필요해지고 이때 via를 써야 합니다. 스루홀 패드가 “신호 핀 위치”에 존재한다고 해서 TVS의 GND 패드가 자동으로 플레인에 연결되는 것은 아니고, TVS GND 패드에서 플레인까지의 의도한 전류 경로를 만들어줘야 하니 via가 추가되는 흐름이 자연스럽습니다.

여기서 현업 관점으로 더 중요한 포인트는 “CAD에서 연결이 된다/안 된다”보다 “그 연결이 ESD/EMI 관점에서 충분히 낮은 인덕턴스 경로냐”입니다. ESD는 상승시간이 매우 짧아 수백 MHz~수 GHz 성분이 강하게 포함되는데, via 인덕턴스를 보수적으로 1 nH로 잡으면 유도성 리액턴스는 X_L = 2pifL 입니다. f = 1 GHz일 때 X_L = 23.14161e91e-9 = 약 6.28 ohm 수준이어서, GND로 떨어지는 경로에 via 1개만 달랑 두면 TVS가 순간적으로 “생각보다 잘 못 잡는” 상황이 나올 수 있습니다. 그래서 RJ45 근처 TVS의 GND는 보통 via를 2개 이상(현장에서 2~4개를 많이 씁니다) 병렬로 박아 인덕턴스를 낮추고, TVS GND 패드에서 via까지 거리를 1~2 mm 이내로 최대한 붙여서(가능하면 0.5~1 mm 수준으로) 트레이스 길이를 줄이는 식으로 설계합니다. 예를 들어 via 1개 대신 3개를 병렬로 두면 이상적으로는 인덕턴스가 1/3 수준으로 내려가므로(대략), 1 GHz 기준 등가 리액턴스도 6.28 ohm에서 2 ohm대까지 줄어드는 효과를 기대할 수 있습니다(물론 실제는 배치/리턴패스/플레인 구조에 따라 달라집니다).

질문 이미지 같은 구조에서 실무적으로 자주 나오는 예시를 하나 들어보면, RJ45 핀(스루홀)에서 TD_P/TD_N 라인이 바로 TVS 라인 패드로 들어가고, TVS의 반대쪽이 GND로 떨어지는 형태일 때 신호 쪽은 “스루홀 패드가 층간 연결을 제공”하니 via가 없어도 라우팅이 완성됩니다. 하지만 TVS의 GND는 “스루홀 패드가 있는 위치”로 돌아가는 것이 아니라 “가장 가까운 섀시 GND 또는 보드 GND 플레인”으로 직하강해야 해서, 그 플레인이 Bottom이 아니면 via를 따로 만들어야 합니다. 또한 이더넷 차동쌍은 100 ohm 차동 임피던스가 목표이고(특히 PHY~Magnetics 구간), 불필요한 via는 임피던스 불연속과 추가 기생 성분을 만들어 아이 다이어그램/리턴로스에 악영향을 줄 수 있어 가능하면 via를 안 쓰는 쪽이 일반적으로 유리합니다. 그래서 “신호는 via를 안 넣는 게 오히려 정석에 가깝고”, “TVS GND는 via를 적극적으로 써서 최대한 낮은 인덕턴스로 떨어뜨리는 게 정석”인 경우가 많습니다.

정리하면, TD_N/RD_N 신호가 via 없이도 연결되는 직접적인 이유는 RJ45 핀 패드가 스루홀이라 그 자체가 층간 연결(=via 역할)을 하기 때문이고, TVS의 GND는 목표로 하는 GND 플레인/섀시 GND가 다른 레이어에 있어서 의도한 방전 경로를 만들기 위해 via를 추가한 것으로 이해하시면 됩니다.