고주파 PCB 설계를 위한 구리 포일 선택 방법

PCB 소재 산업은 RF 응용 제품에 가능한 한 낮은 신호 손실을 제공하는 소재 개발에 상당한 시간을 투자해왔습니다. 고속 및 고주파 설계의 경우, 손실은 신호 전파 거리를 제한하고 신호를 왜곡시키며, TDR 측정에서 볼 수 있는 임피던스 편차를 생성할 것입니다. 우리가 인쇄 회로 기판을 설계하고 더 높은 주파수에서 작동하는 회로를 개발함에 따라, 모든 설계에서 가능한 한 가장 매끄러운 구리를 선택하는 것이 유혹적일 수 있습니다.

구리 거칠기가 추가적인 임피던스 편차와 손실을 생성한다는 것은 사실이지만, 실제로 귀하의 구리 호일이 얼마나 매끄러워야 하는지, 그리고 일부 손실을 극복하고 PCB에서 필요한 라우팅을 완료할 수 있는 다른 간단한 방법이 있는지 여부입니다. 이 글에서는 PCB에서 구리 호일 손실과 다른 유형의 손실 사이의 균형, 그리고 거칠기를 극복하기 위해 일반적으로 사용되는 몇 가지 전략을 살펴볼 것입니다.

PCB 스택업을 위한 구리 호일 유형

보드에 사용할 구리 호일을 선택하기 전에, PCB 스택업에 포함될 수 있는 실제 구리 호일에 대해 알아야 할 중요한 사항이 있습니다. 구리 호일은 항상 선택하여 각각의 라미네이트 재료와 짝을 이룰 수 있는 것이 아닙니다. 일부 라미네이트 제조업체는 다양한 종류의 구리 호일을 자신들의 재료 세트와 짝지어 제공할 수 있지만, 모든 라미네이트 제조업체나 재료에서 그런 경우는 아닙니다. 별도로 재료를 구매하여 라미네이션 과정을 거칠 수 없다면, 라미네이트 제조업체나 유통업체에서 구할 수 있는 재료 세트 내에서 작업해야 합니다.

이를 염두에 두고, PCB 재료에서 찾을 수 있는 다양한 종류의 구리 호일은 다음과 같습니다:

다양한 거칠기 범위는 PCB 층 구성에서 어떤 종류의 구리를 선택할지 결정하는 요소가 될 수 있으므로, 필요한 보드 기능을 검토하고 사용 가능한 구리 및 유전체 옵션과 비교하는 것이 중요합니다. 고주파 PCB용으로 마케팅되는 라미네이트는 낮은 프로파일 구리 옵션을 가지고 있어, 저손실 유전체와 매끄러운 구리의 이점을 동시에 얻을 수 있습니다. 그러나 중간(저 GHz) 주파수에서 작동하는 일부 장치는 표준 FR4 등급 에폭시-유리섬유 재료와 구리 종류가 성능에 눈에 띄는 차이를 만들지 않고도 잘 작동할 것입니다. 성능 목표를 달성해야 한다면 라미네이트 데이터시트에서 언급된 구리 종류를 이해하는 것이 중요합니다.

• PCB 층 구성에서 다양한 종류의 구리에 대해 더 알아보기

고주파 전류와 구리 호일

고주파에서는 스킨 효과가 전송선의 임피던스를 변경하며, 스킨 효과로 인한 임피던스 변화의 크기는 구리의 거칠기에 따라 달라집니다. 고주파수와 구리 도체의 상호작용은 세 가지 주요 메커니즘을 통해 손실을 발생시킵니다:

• 중간 범위 주파수에서의 임피던스는 더 커지고 저항 손실이 더 커집니다
• 거친 구리는 전계선을 더 작은 부피로 제한하여 전기장 플럭스를 증가시키고 따라서 유전 손실을 증가시킵니다
• 증가된 임피던스는 약간의 임피던스 불연속을 생성하며, 매칭되지 않으면 반사(S11)를 증가시킵니다

우리는 종종 스킨 효과를 초기 단계에서 살펴보지 않지만, 이것이 초기에 고려되지 않으면 임피던스 편차와 손실을 발생시킬 것이라는 점을 주목하는 것이 중요합니다. 거칠기가 눈에 띄기 시작하는 전형적인 주파수 범위는 10 GHz 이상입니다.

• 전송선에서의 스킨 효과에 대해 더 알아보기

손실 예산

고주파 PCB에서 사용할 구리의 유형을 선택하는 첫 번째 중요한 점은 가장 높은 주파수 또는 가장 넓은 대역폭의 연결에 대한 손실 예산을 살펴보는 것입니다. 예를 들어, RF PCB에서 RF 신호를 송수신해야 하는 구성 요소는 송신기 출력 전력과 수신기 감도(또는 비슷한 이름)라는 두 가지 사양을 가지며, 이는 mW 또는 dBm으로 설명됩니다. 대략적인 보드 크기나 링크 길이를 알고 있다면 RF 라인 중 하나를 따라 손실 예산을 꽤 정확하게 추정할 수 있습니다:

손실 예산 (dB) = [송신 전력 (dBm)] - [수신 감도 (dBm)]

이것은 수용할 수 있는 총 손실이 될 것이지만, 수신 감도 값보다 몇 dB 여유를 두는 것이 좋습니다. 이를 연결 길이로 나누면 라인에서 수용할 수 있는 길이당 손실을 알 수 있습니다.

• TRANSLATE: 설계에서 거칠기 손실을 추정하는 방법을 알아보세요

고속에서는 신호가 특정 주파수에서 전력과 손실이 집중되지 않기 때문에 더 복잡합니다. 고주파수에서 높은 손실이 발생할 수 있지만, 수신기 대역폭 범위에서 손실이 낮다면 신호는 수신기에서 복구될 수 있습니다. 따라서 입력 임피던스의 경우와 마찬가지로, 디지털 신호의 대역폭 한계에서 손실을 계산하여 구리를 선택하는 것이 좋습니다. 이는 다음 중 하나가 될 것입니다:

• 데이터 속도에 해당하는 나이퀴스트 주파수
• 수신 구성요소의 S11 스펙트럼에서 -10 dB 값에 기반한 주파수
• 역상승시간(예: 무릎 주파수, 또는 0.35/(상승 시간), 또는 0.5/(상승 시간)으로, 기브스 현상에 기반한 보수적인 추정치입니다)

고속 디지털에서는 첫 번째 포인트에 초점을 맞추고, RF 설계에서는 두 번째 포인트를 봅니다. 세 번째 포인트는 전문 설계자가 설계 목표로 사용해서는 안 됩니다.

중요한 주파수(무선 주파수(RF) 보드의 경우 캐리어 또는 디지털 보드의 경우 대역폭 제한)를 알게 되면, 손실을 추정하고 구리를 선택할 수 있습니다.

구리 거칠기와 손실 문제는 비트스트림에서 논리 상태를 읽는 데 필요한 채널 대역폭에 따라 달라지기 때문에, 다양한 구리 거칠기 및 유전체 손실 값에 대한 S-파라미터 측정을 사용하여 채널을 먼저 시뮬레이션하는 것이 훨씬 좋습니다. 이를 통해 구리 거칠기에 대해 받아들일 수 있는 목표 거칠기 값을 얻을 수 있으며, 채널에 너무 많은 거칠기가 있는지 판단할 수 있습니다.

이는 다음을 의미합니다:

1. 신호 규격을 살펴보고 대역폭 제한에서 달성해야 할 SI 메트릭을 결정합니다
2. 데이터 전송률을 살펴보고 라우팅 채널에 필요한 최소 대역폭을 결정합니다
3. 2번에서 찾은 대역폭 제한까지 SI 목표(보통 S21 손실)를 달성할 때까지 몇 가지 현실적인 거칠기 값을 반복합니다

Simbeor 또는 Ansys SIwave와 같은 플랫폼을 사용하여 이러한 S-파라미터 측정을 수집할 수 있으며, 과거에 이러한 측정의 여러 예를 보여주었습니다.

예를 들어, Rogers 3003에서 예시 라우팅 채널에 대해 아래에 표시된 시뮬레이션 결과를 살펴보세요. 이는 Simbeor에서 계산되었습니다. 여기서 우리는 S11 스펙트럼에서 -10 dB 채널 대역폭 한계를 명확하게 볼 수 있으며, S21 스펙트럼에서 해당 손실을 볼 수 있습니다. 구리의 거칠기를 조정하고 선 너비를 조정하여 보상함으로써, 우리는 채널을 더욱 최적화하여 수용 가능한 임피던스 매칭을 보장하면서 손실을 수용 가능한 한도로 줄일 수 있습니다.

래미네이트 및 구리 선택을 위한 과정

구리와 유전체 재료를 매칭할 때, 운영 목표를 달성하기 위해 따를 수 있는 간단한 과정이 있습니다.

1. 거칠기에 민감한 인터커넥트를 어디로 라우팅할지 계획하세요(표면층 대 내부층), 이것은 주요 구성요소와 함께 약간의 플로어플래닝을 필요로 할 것입니다
2. 운용 주파수에서 받아들일 수 있는 손실 탄젠트를 결정하세요
3. #2를 만족시키는 재료 세트를 찾은 후, 사용 가능한 구리 옵션을 살펴보고 디자인에 맞는 올바른 구리 거칠기와 표면 도금을 선택하세요
4. #3에서 선택한 구리 옵션이 필요한 무게로 사용 가능한지 확인하세요; 무거운 구리는 스킨 효과 손실이 낮을 것입니다

저는 거칠기가 중요한 운용 주파수에서는 유전체가 여전히 손실을 지배할 것이고, PCB 스택업(층 수/두께 등)을 고려해야 할 다른 측면들을 결정할 것이기 때문에 #2를 먼저 나열했습니다. 도금 및 구리 선택 단계는 사용 가능한 라미네이트 재료를 바탕으로 다음에 이루어져야 합니다.

제조업체를 위해 구리 선택과 스택업 디자인을 완전히 명시하려면 Altium Designer^®의 디자인 도구를 사용하세요. 레이어 스택 관리자 내에서 임피던스 프로파일과 라우팅 요구 사항을 결정할 수 있으며, 제작 중 PCB 스택업에 사용할 특정 재료를 지정할 수도 있습니다. PCB를 완성하고 협업자나 제조업체와 디자인을 공유할 준비가 되면, Altium 365^™ 플랫폼을 통해 완성된 디자인을 공유할 수 있습니다. 고급 전자 제품을 디자인하고 생산하는 데 필요한 모든 것이 하나의 소프트웨어 패키지에 있습니다.

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