메인보드 내부의 다층 PCB 구조와 각 층의 역할, 비아 설계, 신호 제어 원리까지 폭넓게 설명한 기술 포스트입니다.
우리가 흔히 보는 메인보드는 복잡하게 얽힌 전선과 칩으로 가득 차 있습니다. 하지만 이 회로판은 단순한 평면이 아니라 다층(Multilayer) 구조의 PCB입니다. 그 안에는 눈에 보이지 않는 수많은 신호선과 전원층이 숨어 있죠. 이번 글에서는 메인보드에 사용되는 다층 PCB의 구조와 각 층의 역할, 그리고 왜 그렇게 설계되는지에 대해 깊이 있게 알아보겠습니다.
1. 메인보드는 단순한 1장이 아니다
일반적으로 PCB(Printed Circuit Board)는 단면 또는 양면 구조로 구성됩니다. 하지만 컴퓨터 메인보드처럼 복잡한 회로가 요구되는 경우에는 4층~12층 이상의 다층 PCB가 사용됩니다.
각 층은 얇은 절연층과 구리 층이 교차하며 적층되어 있고, 비아(Via)라는 구멍을 통해 서로 연결됩니다.
2. 메인보드 다층 PCB의 기본 구조
| 층수 | 명칭 | 주요 기능 |
|---|---|---|
| 1층 | Top Layer | CPU, 칩셋, 커패시터 등 부품 장착면 |
| 2층 | Ground Layer (GND) | 노이즈 억제 및 기준 전위 제공 |
| 3층 | Signal Layer | 데이터 신호 선로 (PCIe, USB, 메모리 등) |
| 4층 | Power Layer | 3.3V, 5V, 12V 등의 전력 배선 |
| 5층+ | Additional Signal/Power | 고속 인터페이스, 전력 보강용 |
| Bottom | Bottom Layer | 보조 부품 부착면 및 기타 배선 |
층 수가 많을수록 회로 설계 자유도가 높아지고, 고속 신호나 고전력 요구 조건도 쉽게 충족할 수 있습니다.
3. GND와 Power Layer의 중요성
GND 층은 회로에서 ‘전기적 기준점’ 역할을 하며, 노이즈 억제와 안정적인 동작에 필수적입니다. 전류는 항상 루프를 만들기 때문에, GND 경로가 불안정하면 전자파 간섭(EMI)이 커지고 시스템 오류가 발생할 수 있습니다.
Power Layer는 CPU, GPU, RAM 등 부품에 필요한 다양한 전압을 안정적으로 공급합니다. 멀티 전원 레일(12V, 5V, 3.3V)이 존재하며, 각기 다른 층에서 분리 설계됩니다.
4. 신호층(Signal Layer)의 설계 핵심
- 임피던스 정합: 고속 신호(PCIe, HDMI 등)는 선로의 임피던스를 일정하게 유지해야 손실과 반사를 줄일 수 있습니다.
- 크로스토크 억제: 신호선 사이의 간섭을 방지하기 위해 거리 간격 유지와 GND 층 병행이 필요합니다.
- 트레이스 설계: 데이터 길이를 일정하게 유지(스큐 보정)하는 것이 중요합니다.
특히 DDR 메모리, PCIe, NVMe, USB 3.2와 같은 고속 신호는 밀리미터 단위의 정밀 설계가 필요합니다.
5. 비아(Via)란 무엇인가?
다층 PCB의 각 층은 절연되어 있기 때문에, 회로를 연결하기 위해 비아(Via)라는 작은 구멍을 뚫어야 합니다. 비아는 금속으로 도금되어 신호나 전력을 상하 층으로 전달합니다.
비아의 종류:
- Through-Hole Via: 전체 층을 관통
- Blind Via: 외부와 내부 층만 연결
- Buried Via: 내부층끼리만 연결 (외부에서는 보이지 않음)
비아는 적절히 설계되지 않으면 신호 반사 또는 발열 집중의 원인이 될 수 있습니다.
6. 다층 구조의 장점과 도전과제
장점:
- 고속 신호 설계 가능
- 고밀도 부품 집적
- 전원·신호 간 분리로 노이즈 억제
단점:
- 제작 비용 상승
- 수리 및 리워크 어려움
- 열 분산 및 방열 대책 필요
보이지 않는 메인보드의 세계
우리가 겉으로 보는 메인보드는 단순한 회로판처럼 보이지만, 그 안에는 정밀하게 설계된 수층의 전자 세계가 숨어 있습니다. 다층 PCB는 고속·고성능 컴퓨팅을 가능하게 하는 핵심 기술 중 하나입니다. 전원 안정성, 신호 정확성, 노이즈 억제 등을 종합적으로 고려한 설계 덕분에 오늘날의 컴퓨터가 작동하는 것입니다.
이제 메인보드를 볼 때, 그 안에 숨겨진 층과 신호의 흐름까지 상상해 보세요.
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