저-Dk PCB 재료 가이드

PCB 재료 옵션과 층 구성에 대해 배우는 데 시간을 할애했다면, 시장에 나와 있는 다양한 재료들을 보셨을 것입니다. 재료 회사들은 다양한 Dk 값, Tg 값, 직조 스타일, CTI 값, 그리고 기계적 특성을 가진 라미네이트를 생산하여 전자 산업의 다양한 응용 분야를 대상으로 합니다.

낮은 손실 특성으로 많은 주목을 받는 재료 세트가 하나 있습니다: 저-Dk PCB 재료들입니다. 이 재료들은 종종 저손실 재료 옵션으로 고속 PCB 설계에 권장됩니다. 그러나 모든 시스템이 이러한 재료를 필요로 하는 것은 아니며, PTFE 기반 저-Dk 재료의 신뢰성이 훨씬 더 바람직한 다른 시스템도 있습니다. 이 재료들의 사용에 대해 더 알아보고 보드에 대한 더 현명한 재료 결정을 내리는 방법을 계속해서 읽어보세요.

표준 저-Dk PCB 재료 옵션

일반적으로 PCB 스택업에서 사용할 수 있는 저-Dk 재료는 네 가지 넓은 범주로 나뉩니다:

이 재료들은 일반적으로 FR4 등급 재료보다 낮은 손실 탄젠트를 가지고 있으며, Dk(대략 4.2에서 ~4.8까지)가 높습니다. 이것이 고속 PCB에 사용하기 위해 종종 권장되는 이유 중 하나이지만, 이 권장사항은 종종 올바른 맥락 없이 제공됩니다. 저는 아래에서 낮은 Dk 재료를 사용해야 하는 전형적인 시기에 대해 논의할 것입니다. 지금은, 이러한 재료 옵션을 살펴봅시다:

저손실 FR4

이 재료들은 엔지니어링 에폭시-레진 복합 재료로, 주요 재료 특성 및 구조(유리 섬유/레진 함량, Tg 값, 기계적 특성) 측면에서 다른 FR4 라미네이트와 대부분 비슷합니다. 이 재료들을 생산하는 가장 인기 있는 공급업체 중 두 곳은 Isola와 ITEQ이지만, 비슷한 라미네이트를 생산하는 다른 업체들도 있습니다. 이 재료들은 다른 FR4 등급 라미네이트가 사용되는 것처럼 PCB 스택업에 사용되며, 프리프레그와 코어 옵션이 제공되며, 주요 하이브리드 구조 문제를 고려할 필요가 없습니다.

• Dk 값: ~3.7
• 손실 탄젠트: 0.005-0.01
• Tg 값: 낮음 (~130 °C) 및 높음 (~180 °C) 옵션 가능
• 두께 값: 최소 2 mil
• 구리 옵션: 일반적으로 ED 또는 RA 구리

이 라미네이트에서 유리 섬유 직조 스타일은 개방형(106) 직조부터 매우 밀폐된(2116) 직조, 기계적으로 펼친 유리까지 크게 다양할 수 있습니다. 고속용 애플리케이션에서 이러한 라미네이트는 대부분의 고속 프로토콜(DDR3+, PCIe, 기가비트 이더넷, MIPI 표준 등)과 함께 사용될 수 있기 때문에 바람직합니다.

PTFE 라미네이트

모든 설계자에게 익숙해야 할 전형적인 저-Dk 라미네이트 재료는 PTFE입니다. 이 재료들은 PTFE와 경화제를 세라믹 필러와 혼합하여 유전 상수, 손실 탄젠트, 그리고 Tg를 특정 값으로 조정합니다. 이 재료들은 또한 낮은 Dk 애플리케이션에서 사용하기 위해 매우 높은 Dk 값을 가지도록 설계되었습니다(FR4보다는 여전히 총 손실이 낮음), 이는 제가 이 기사에서 설명한 바와 같습니다.

• Dk 값: 3에서 10까지 낮은 분산
• 손실 탄젠트: 0.0013-0.004 낮은 분산
• Tg 값: 매우 높음(~280 °C) 하지만 재료 구성에 따라 다름
• 두께 값: 5 mil 이하 옵션 일부
• 구리 옵션: ED, RA, 처리된, 또는 저프로파일 구리

가장 자주 언급되는 이 재료들의 응용 분야는 GHz 범위까지 운영되는 RF 시스템입니다. 5 GHz(와이파이 주파수 범위) 이하에서는 FR4 보드의 유전체 및 구리 손실이 너무 작아 의미가 없으므로 모든 RF 보드에 Rogers를 사용할 필요는 없다는 점에 유의하십시오. 보드가 매우 크지 않는 한 말이죠.

Rogers 유전체 손실 데이터에서 이러한 결과를 명확하게 볼 수 있습니다(이 블로그에서 여러 예를 인용했습니다). 또한 시뮬레이션 결과와 구리 거칠기에 대한 블로그에서 보여주는 분석 결과에서도 이를 매우 명확하게 볼 수 있습니다.

낮은 Dk를 제공하는 일부 PTFE 기반 PCB 재료는 유리 섬유 직물 보강이 없는 비보강 라미네이트로 제공될 수 있습니다. 예를 들어, Rogers 3003은 매우 낮은 손실 탄젠트를 가진 매우 부드러운 구리를 가지고 있으며, 유리 보강 없이 제공되는 한 예입니다. 이는 섬유 직물 효과를 제거하지만, 라미네이트가 얇을 때 재료를 다루기 더 어렵게 만듭니다.

액정 폴리머

이 저-Dk, 저손실 재료는 초고밀도(HDI) 선폭/간격 범위에서 작동하는 고급 유연 PCB에 가장 잘 알려져 있습니다. 이러한 재료는 수정된 폴리이미드와 함께 사용하여 고층 회로를 형성할 수 있으며, 스마트폰에서 자주 사용됩니다. 다른 응용 분야로는 커넥터의 제거를 통해 장치 실패를 방지해야 하는 고신뢰성 시스템, 예를 들어 항공우주 시스템이 있습니다.

• Dk 값: ~3.1
• 손실 탄젠트: ~0.002
• Tg 값: 높음 (~250 °C)
• 두께 값: 다양함
• 구리 옵션: 저프로파일/ED, 일반적으로 낮은 구리 무게

이 재료 클래스에 대해 자세히 알아보려면, Happy Holden이 작성한 이 기사를 읽어보세요.

폴리이미드 및 접착 필름

이 두 세트의 재료는 유연 또는 유연-강성 조립체에서 사용됩니다. 폴리이미드는 유연 및 유연-강성 층 스택에서 기판으로 사용되는 표준 재료 세트입니다. 이 재료들의 주요 물성 중 일부는 다음과 같습니다:

• Dk 값: 2.8에서 3.5
• 손실 탄젠트: 0.003-0.01
• Tg 값: 매우 높음 (>300 °C)
• 두께 값: 다양한 범위
• 구리 옵션: RA

기본 폴리이미드 재료는 대부분의 FR4 라미네이트보다 약간 낮은 Dk 값을 제공하며, 폴리이미드의 전형적인 Dk 값은 약 3.4입니다. 폴리이미드는 다양한 종류와 제품명으로 제공되며, 그 재료 특성은 필름 구성에 따라 다릅니다. GHz 범위에서 작동하는 저Dk/저손실 폴리이미드에 대한 몇몇 보고가 있다는 점에 유의하세요. 아래 논문은 그러한 재료의 한 예입니다.

• Tomikawa, M., 등. "고주파 응용을 위한 저분산 손실 폴리이미드." 2018 IEEE CPMT 심포지엄 일본 (ICSJ)에서, pp. 167-170. IEEE, 2018.

본딩 필름은 구리 신호 층 위에 저-Dk 영역을 제공하기 위해 유연/강유연 PCB 스택업에서 사용할 수 있는 재료 중 하나입니다. 이 필름들은 매우 얇은 커버레이 접착층으로, 유연/강유연 PCB 스택업에서 커버레이에 접착하기 위해 사용됩니다. 이 필름들은 매우 낮은 Dk 값(3 미만)과 매우 낮은 손실 탄젠트를 가질 수 있지만, 저손실 커버레이 접착제로서 유연 스택업에서만 유용합니다. 이 재료를 스택업에 통합할 수 있다면 다른 응용 프로그램에서도 이 재료를 사용할 수 있습니다. 전형적인 재료 두께는 ~1 mil이므로, 더 높은 층 수의 보드에서만 유용해집니다.

• Dk 값: ~2.5
• 손실 탄젠트: ~0.002
• Tg 값: 매우 높음 (~300 °C) 하지만 재료 구성에 따라 다름
• 두께 값: ~1 mil
• 구리 옵션: 해당 없음

저-Dk PCB 재료를 사용해야 하는 이유와 사용하지 말아야 하는 이유에 대해 자세히 알아보려면 다음 비디오를 시청하세요.

초저 Dk 재료 (Dk = 2까지 낮음)

RF 세계를 둘러보면, Dk = 3보다 낮은, 심지어 그보다 훨씬 낮은 강성 회로 기판 재료를 찾을 수 있습니다. 이러한 재료는 현재 매우 얇은 층(예: 2mil 이하)으로 제공되지 않기 때문에 고급 HDI 디자인에서 자주 사용되지 않습니다. 저는 위에서 폴리이미드 섹션에서 이러한 재료에 대해 언급했지만, 폴리이미드는 이러한 응용 분야에서 빌드업 필름으로 사용되는 얇고 유연한 재료이며, Dk = 3 이하로 매우 낮아지지는 않습니다.

대신, Dk = 2까지 낮아지는 재료를 찾기 위해서는 세라믹 강화 PTFE를 살펴봐야 합니다. 이 재료들을 제공하는 두 곳의 솔루션 제공업체는 AGC Multimaterial(넬코와 타코닉 포함)과 로저스 코퍼레이션입니다.

예를 들어, 아래에 표시된 로저스 RT/Duroid 5880LZ 데이터를 살펴보세요. 이 라미네이트는 매우 낮은 Dk 및 Df 값을 가지고 있으며, 이는 매우 높은 주파수/대역폭에서 작동하는 RF 및 디지털 시스템에서 매우 바람직합니다. 아래에서 논의된 바와 같이 사용 가능한 라미네이트 두께로 인해, 이 재료의 이상적인 응용 분야는 여전히 필요한 트레이스 폭 때문에 RF 분야에 있습니다.

디지털 시스템 설계자들에게 불행하게도, 이 로저스 재료는 10밀(mils) 이하의 두께의 라미네이트에서는 사용할 수 없습니다. Dk = 2인 10밀 라미네이트에서 50옴 마이크로스트립 라인은 너비가 31밀이 됩니다! 10밀의 트레이스와 푸어 간격을 가진 단일 종단 50옴 코플래너 마이크로스트립도 여전히 27밀 너비입니다. 분명히, 이는 더 낮은 Dk 값을 요구하는 고급 디지털 PCB와 기판에서는 시작조차 할 수 없는 일이며, 미세 피치 볼아웃으로 라우팅하는 것은 결코 가능하지 않을 것입니다.

초고속 인터페이스(예: 224G PAM-4)를 사용하는 디지털 시스템 설계자들은 Dk 값이 2만큼 낮은 강성 디지털 재료를 찾고 싶어 하지만, 라미네이트 분야는 아직 따라잡을 부분이 있습니다. 디지털 PCB 및 패키징 설계자들은 Dk가 2만큼 낮은 매우 얇은 강성 재료를 갖고 싶어 합니다. 왜냐하면 이는 HDI 시스템에서 신호 무결성을 크게 돕기 때문입니다. 저는 이러한 종류의 재료를 향해 나아가고 있는 한 스타트업을 알고 있으며, 저는 결국 더 큰 재료 플레이어들이 이를 따를 것으로 기대합니다.

왜 낮은 Dk PCB 재료에 초점을 맞추나요?

많은 고속 PCB 설계 지침에서 "저 Dk 기판" 사용을 권장할 때, 일반적으로 PTFE 기판을 추천합니다. 이러한 추천에는 두 가지 이유가 있는데, 둘 다 말이 안 됩니다:

1. 저 Dk가 저손실을 의미한다는 잘못된 가정이 있습니다
2. 저-Dk는 신호 전파 속도를 빠르게 하며, 이는 임피던스 매칭이나 접지면 사용을 하지 않는 핑계로 사용됩니다

1번 포인트의 가정은 완전히 틀렸습니다. 전자기파가 경험하는 손실은 유전 상수의 허수 부분에 의해 전적으로 결정되며, 손실 탄젠트가 아닙니다. 손실 탄젠트는 파동 속도와 파동 손실을 비교하는 단순한 지표일 뿐이며, 전송선의 분산 회로 요소 값에 관련된 일부 수학적 계산을 단순화하기도 합니다. 이는 주어진 유전 손실량에 대해, 저 Dk 재료는 높은 Dk 재료보다 높은 손실 탄젠트를 가질 것임을 의미합니다.

이는 물리학자들이 광학 수업 첫날에 배우는 것입니다. 어떤 이유에서인지, 마이크로파 엔지니어들은 이 사실을 모르고 있습니다.

2번 항목에서의 가정 역시 고속 PCB 설계에서는 말이 안 되는 지침입니다. 고속 PCB를 설계한다면, 전송선의 중요 길이 아래로 유지하려고 할 때 훨씬 더 많은 시간을 트레이스 길이 계산에 할애하게 될 것입니다. 또한 "중요 길이"는 제가 여러 번 논의한 바와 같이 잘 정의되어 있지 않습니다. 따라서, 저-Dk 또는 고-Dk 재료를 사용하고 있는지 여부와 관계없이 인터페이스에 필요한 임피던스에 맞춰 설계해야 합니다.

목표 임피던스에 도달하는 폭을 정확하게 추정하는 것도 매우 쉽습니다. Altium Designer의 Layer Stack Manager 외에도, 이 블로그에 50 옴 목표 임피던스 근처에서 매우 정확한 추정치를 제공할 수 있는 여러 계산기 애플리케이션을 게시했습니다.

• 온라인 임피던스 계산기 목록 보기

저-Dk 재료가 필요한 애플리케이션은?

고속 설계에 대한 위의 지침에 대해 쓴 것과는 달리, 저-Dk 재료가 필요한 애플리케이션이 있습니다. 예를 들어, 다음 애플리케이션들은 일반적으로 저-Dk 재료를 사용합니다.

이러한 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 저-Dk 재료는 낮은 손실 탄젠트와 일치하기 때문에 선택될 수 있습니다. 다른 보드, 예를 들어 고신뢰성 전력 전자 제품은 PTFE나 폴리이미드로 제작될 수 있지만, 이러한 재료들이 표준 FR4 라미네이트보다 낮은 Dk 값을 가지고 있기 때문은 아닙니다.

위 표에서 마지막으로 언급된 점은 아마도 고속 시스템과 매우 높은 주파수 시스템에서 가장 중요할 것입니다. 이러한 시스템 모두에서, 목표 임피던스를 달성하고 필요한 파장(무선 주파수 시스템에서)에서 작동하기 위해 작은 특징 크기가 요구될 것입니다. 이는 더 높은 층 수로 작업하고 더 높은 주파수에서 운영할 수 있지만, 덜 정밀한 제조 공정을 사용할 수 있음을 의미합니다. 이는 더 진보된 제품이 초고밀도(HDI) 범위로 더욱 진출함에 따라 이러한 재료의 더 큰 장점 중 하나로 여겨질 수 있습니다.

PCB 스택업을 위한 재료를 선택할 준비가 되었을 때, 낮은 Dk를 가진 표준 구조를 포함하여 Altium Designer®에서 제공하는 완벽한 제품 설계 도구 세트를 사용하세요. 설계를 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때, Altium 365™ 플랫폼은 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 만들어 줍니다. Altium Designer에서 매월 제공되는 기능 업데이트를 확인해 보세요.

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