하이브리드 PCB 스택업을 설계하는 방법

위의 Texas Instruments의 레이더 평가 모듈은 RF 라우팅 및 고전력 전송을 갖춘 밀리미터파 섹션과 여러 IC가 있는 적정 속도의 디지털 섹션을 포함하는 PCB를 설계하는 좋은 방법의 한 예입니다. TI와 관련이 없는 제가 이 기판을 교육 도구로 좋아하는 주된 이유는 이 기판이 Rogers 또는 Taconic과 같은 PTFE 기반 적층판을 사용하여 상업용 RF 제품을 구축하는 한 가지 방법을 보여 주기 때문입니다. PTFE 적층판 또는 대안(Dk가 낮은 유리 섬유 적층판 등)을 사용하는 것에 관해 이야기한다고 해서 꼭 본드플라이가 포함된 고가의 PTFE 재료로 전체 스택업을 구축하는 것에 관해 이야기하는 것은 아닙니다.

때로는 PTFE 적층판 또는 Dk가 낮은 적층판으로 기판 전체를 구축하는 것이 합리적입니다. 저는 대역폭 컷오프가 최대 80GHz인 다중 레이어에서 긴 상호 연결 여러 개를 지원하는 고속 백플레인에 대해 이 방법을 사용했습니다. 약 38cm(15in)의 기판 공간에서 두 커넥터 간에 멀티 기가비트 직렬 채널을 라우팅해야 하는 경우에는 수신기의 신호를 복구할 수 있도록 손실을 최대한 줄여야 합니다. 하지만 정말 하나의 레이어에 저손실 적층판만 필요한 경우도 있습니다. 이렇게 하는 것이 바로 하이브리드 PCB 스택업의 핵심이며, 기판에 대해 더 나은 선택일 수 있습니다.

하이브리드 PCB 스택업을 사용해야 하는 경우

재료를 선택하고 스택업을 계획할 때 가장 먼저 떠오르는 질문은 어떤 재료가 필요하며 얼마나 많은 레이어를 사용해야 하느냐입니다. 저손실 적층판이 필요하다고 판단했으며 필요한 레이어 수를 확인했다면 이제 하이브리드 스택업을 사용해야 할지를 고려해야 합니다. PCB에서 저손실 적층판을 갖춘 하이브리드 스택업을 사용하는 것을 고려할 수 있는 몇 가지 광범위한 상황은 다음과 같습니다.

• 비용 절감: 전체적으로 PTFE를 사용하거나 낮은 Dk를 사용하는 데는 비용이 많이 들 수 있습니다. 프로토타입의 경우에는 원가 차이가 크지 않지만, 이 원가 차이는 기하급수적으로 커지게 됩니다. 
• 적은 RF 상호 연결 수: 모든 고속/RF 신호를 하나의 레이어에 할당할 수 있는 경우 특수 저손실 적층판으로 전체 스택업을 구축하는 것은 불필요합니다. 기판 크기를 늘려 비아 수를 줄이고 저손실 레이어에 모든 요소들을 할당하는 것이 좋습니다. 
• 밀리미터파 설계: ISM 대역 또는 6~7GHz WiFi에서 작동하는 일부 RF 시스템은 상호 연결이 짧으면 FR4 등급 적층판에서 잘 작동합니다. 일단 자동차 레이더 주파수 또는 그보다 높은 주파수에 도달하면 상호 연결이 터무니없을 정도로 짧지 않은 한 보통 저손실 적층판이 필요하게 됩니다. 

아래의 이미지는 제가 이전 게시물에서 다뤘던 6-레이어 하이브리드 스택업을 보여 줍니다. 이 스택업은 레이더 모듈 또는 이미징과 같은 밀리미터파 신호의 기타 특수 응용 분야에 대한 스택업의 좋은 예시입니다.

위의 스택업은 대역폭이 밀리미터파 영역까지 잘 확장되는 디지털 시스템에도 적합합니다. 단, 저손실 적층판 레이어에서 발생하는 분산에 주의하세요. RF 재료 제조업체는 높은 GHz 주파수까지 고르게 분산되는 적층판 시스템을 구축하려고 합니다. 하지만 고주파수 제한을 초과하면 분산이 다시 발생하여 디지털 신호에서 더 큰 손실과 위상 왜곡을 생성합니다. 무분산 제한을 초과하는 매우 높은 주파수에서 작동 중인 경우에는 정확한 임피던스 및 S-매개변수 계산을 실행할 수 있도록 적층판 공급업체에 유전율 데이터를 문의하세요.

또한 일부 제작자는 PWR 및 SIG를 두 내부 레이어에서 인접하게 배치했기 때문에 이 스택업을 제조할 수 없다고 말할 수도 있습니다. 기판은 작아도 괜찮습니다. 이 기판은 스팬이 다중 U 백플레인 크기에 도달할 때까지 휘어지지 않을 것입니다. 필요한 경우 구리 주입 영역과 내부 레이어의 균형을 맞출 수도 있습니다.

조기에 제작자와 상의하기

손실 요구 사항, 회로 기판 두께 및 레이어 수를 기반으로 하이브리드 스택업을 구성한 경우 설계를 시작하기 전에 스택업을 제작자에게 보내야 합니다. 몇몇 재료는 다른 재료보다 더 높은 온도와 압력을 필요로 하므로 이렇게 해야 제작자가 기판이 분해되거나 갈라지지 않고 적층 주기를 통과할지를 확인할 수 있습니다. 망설이지 말고 조기에 제작자에게 연락하여 하이브리드 스택업에서 원하는 저손실 적층판을 사용하는 것에 대해 조언을 구하세요. 제공해야 하는 정보는 다음과 같습니다.

• 필요한 레이어 수
• 원하는 레이어 두께
• Cap 저손실 적층판 재료
• 필러 적층판 재료

일부 요구 사항은 절충해야 할 수도 있으므로 어떤 요구 사항이 필수 항목이고 어떤 요구 사항이 있으면 좋은 항목인지 결정하세요.

본드플라이를 위한 공간 마련하기

제작자는 본드플라이가 추가된 후 완성된 기판에서 볼 수 있는 두께 변화에 대해 통찰력을 제공할 수 있습니다. 스택업을 계획할 때는 이 점을 고려해야 합니다. 라우팅하는 데 활용해야 하는 경우가 아닌 한 보통 본드플라이 레이어의 유전율에 대해서는 걱정할 필요가 없습니다. 상단 레이어에 저손실 적층판을 사용하여 설계한 경우에는 저손실 재료가 FR4 등급 적층판에 부착되도록 본드플라이가 L2와 L3 사이에 있어야 합니다. 제작자는 이 점에 대해 더 많은 정보를 제공할 수 있습니다.

예비 스택업 제출하기

예비 스택업을 생성한 후에도 이를 제작자에게 보내 제작 전에 검사할 수 있도록 해야 합니다. 때로는 하이브리드 스택업에 사용하려는 재료 시스템과 저손실 적층판을 자유롭게 선택할 수 없습니다. 제작자는 재료가 사용 가능한지, 리드 타임이 짧은지 또는 제작을 아웃소싱해야 할지에 대해 관여할 권한이 있습니다. 나머지 설계를 생성하기 전에 스택업을 검토받을 수 있는 경우 제작자는 필요한 PCB 적층 프로세스와 호환되는 대체 재료 시스템을 추천할 수 있습니다. 또한 전체 회로 기판 두께 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되는 몇 가지 대체 적층판 두께도 추천할 수 있습니다.

재료 데이터시트 읽기

하이브리드 스택업을 위한 재료를 선택하고 있으며 하이브리드 스택업을 구축하는 데 더욱 적극적으로 관여하고 싶은 경우, 제안된 스택업을 생성하기 전에 재료에 대한 데이터시트를 살펴보세요. 완전한 호환성을 보장하려면 CTE 값, Tg 값, 수지 흐름 온도 및 경화 온도를 일치하시기 바랍니다. 제조 가능성을 보장하려면 마찬가지로 검토를 위해 스택업을 제출해야 합니다.

하이브리드 PCB 스택업을 생성해야 하는 경우 Altium Designer®의 PCB 설계 도구를 사용하세요. 스택업 구성을 지정하고, 임피던스를 계산하고, 스택업 정보를 제작 도면으로 가져오는 데 필요한 모든 것을 누릴 수 있습니다. Draftsman 유틸리티를 사용하면 하이브리드 PCB 스택업으로 제작 및 조립 도면을 빠르게 생성하고 PDF 형식으로 내보낼 수 있습니다. 설계를 완료했으며 제조업체에 파일을 릴리스하려는 경우 Altium 365™ 플랫폼을 사용하면 쉽게 협업하고 프로젝트를 공유할 수 있습니다.

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