섬유 직조 효과가 고주파 신호 무결성에 미치는 영향

많은 장치들이 고속 데이터 전송을 지원하고 RF 기능을 통합함에 따라, 일부 강성 기판의 설계는 불편한 현상인 섬유 직조 효과를 수용해야 할 필요가 있습니다. PCB 기판 내의 섬유 직조로 인해 발생할 수 있는 여러 신호 무결성 문제가 실제로 존재합니다.

충분히 낮은 에지 속도(> 1 ns)와 신호 대역폭 또는 주파수(< 1 GHz)에서는 섬유 직조 스타일로 인한 영향을 거의 알아차리지 못할 것입니다. 섬유 직조 효과는 신호 주파수와 대역폭이 100G/400G 또는 그 이상의 고속 연결, mmWave 장치, 초고속 SerDes와 같은 응용 프로그램을 수용할 수 있을 정도로 높아지면 못생긴 머리를 드러냅니다. 일부 RF 시스템에서는 위상 매칭이 필요한 경우(예: 기준 발진기가 있는 위상 배열)에도 섬유 직조 효과가 시스템 타이밍을 보장하는 데 매우 중요합니다.

섬유 직조 효과에 대해 생각하는 방법

PCB 기판에서 라우팅된 트레이스 사이에 발생하는 스큐(skew)는 섬유 직조 효과를 언급할 때 가장 흔한 예입니다. 이 타이밍 스큐는 차동 쌍의 양쪽 사이, 또는 병렬 버스(예: DDR)의 여러 단일 종단 트레이스 사이에서 발생할 수 있으며, 두 신호가 정렬되지 않게 할 수 있습니다. 이는 PCB 라미네이트 재료의 유리-레진 교차 구조 때문에 발생합니다; 유리와 레진이 다른 Dk 값을 가지기 때문에, 해당 지역의 신호는 다른 전파 속도를 가질 것입니다.

가장 고급 레진 기반 라미네이트조차도 균질하지 않고 이방성 재료로, 그들의 유전 특성이 공간과 다른 방향에 따라 달라집니다. 모든 레진/유리 기반 PCB 라미네이트 재료는 유리 직조를 PCB 기판 내에서 보강재로 생성하기 위해 사용되는 베틀로 생산됩니다. Rogers Corp. 및 Isola에서 최근 출시된 라미네이트와 같이 고속/고주파 설계를 위해 특화된 새로운 재료들은 낮은 손실과 바람직한 CTE, Tg, 열전도도 값을 가지도록 최적화되고 있습니다. Isola 라미네이트의 경우, 일반적으로 다양한 유리 직조 스타일, 포함하여 스프레드 유리에서 사용할 수 있습니다.

섬유 직조 스타일. 느슨한 직조(왼쪽)는 타이트한 직조(오른쪽)에 비해 보드에서 더 큰 스큐와 임피던스 변동을 일으킵니다. 이미지 출처: Chen et al. (MDPI).

디자이너로서, 섬유 직조 효과를 줄일 수 있는 몇 가지 옵션이 있지만, 라우팅이 오픈 글래스 직조 스타일에서 이루어지는 경우 문제를 완전히 없앨 수는 없습니다. 섬유 직조 배열에 대한 트레이스의 원하는 방향을 명시할 수는 있지만, 트레이스의 크기와 PCB 기판에서의 전형적인 라우팅 방법으로 인해 보드를 따라 트레이스가 정확히 어디로 흐를지 예측하기 어렵습니다. 보드의 이러한 공간에 대해, 섬유 직조에 의해 생성된 스큐를 검토할 두 가지 관점이 있습니다:

• 비용상의 이유로 느슨한 직조가 바람직할 수 있는 대량 생산 제품에서
• 어차피 더 비싼 재료가 필요할 수 있는 고급 보드나 RF 보드에서

섬유 직조 스타일이 스큐에 미치는 영향

섬유 직조의 공간은 유리 번들 사이의 간격으로 형성되므로, 이러한 공간 위로 라우팅된 트레이스는 유리 번들에 비해 다른 유전 상수를 보게 됩니다. 유전 상수의 차이는 기판에 사용된 재료에 따라 2배까지 달할 수 있습니다.

유리와 수지 구성 요소의 유전 상수가 알려져 있다면, 두 개의 동일한 길이의 트레이스 사이에 축적되는 스큐를 추정할 수 있습니다. 이 정보는 항상 데이터시트에 제공되지는 않지만, 이 데이터를 사용하여 두 트레이스 사이의 최악의 경우 스큐 값을 결정할 수 있습니다. 각 재료를 통한 전파 지연의 차이를 사용하여, 우리는 최악의 경우 타이밍 스큐가 다음과 같다는 것을 알게 됩니다:

최악의 경우 스큐 근사치

또한 이 최근 발표된 문서를 살펴보면 다양한 섬유 위브 스타일로 수집된 실험 데이터가 있습니다. 개방형 위브의 전형적인 타이밍 스큐 값은 기존 유리 위브에서 인치당 4 ps 이상일 수 있습니다(위의 인용문에서 일부 데이터 참조). 대형 보드에서는 이러한 기여가 두 개의 빠른 신호를 동기화하지 못하게 할 정도로 전체 지터에 충분할 수 있습니다.

실제로, 섬유 위브로 인한 스큐는 예측할 수 없습니다. 단순히 보드가 제조되면 귀하의 트레이스가 어디에 끝날지 모르기 때문입니다. 이를 줄이기 위한 몇 가지 간단한 옵션이 있습니다(아래 참조), 하지만 첫 번째 단계는 귀하의 특정 설계에서 스큐가 정말 중요한지 결정하는 것입니다. 스큐는 타이밍 불일치의 문제이기 때문입니다

귀하의 시스템에서 스큐가 중요할까요?

첫 번째로 해야 할 일은 귀하의 특정 시스템에서 섬유 직조 스큐가 눈에 띄는 문제를 일으키는지 여부를 결정하는 것입니다. 차동 쌍에서 두 트레이스를 예로 들어 보겠습니다. 각 트레이스의 신호는 일정한 시간 창 내에 수신기에 도착해야 합니다. 신호 간 허용되는 불일치(시간 창)가 주어진 경로에서 예상되는 스큐보다 훨씬 크다면, 스큐는 사실상 무시될 수 있습니다.

이와 같은 분석은 길이가 일치하는 병렬 버스에도 적용될 수 있습니다. 이것이 차동 쌍의 지연을 매우 엄격하게 일치시키고 싶을 수 있는 한 가지 이유입니다. 이는 섬유 직조, 무작위 지터 또는 스큐를 생성할 수 있는 기타 지터 소스로 인해 생성된 스큐에 대한 충분한 여유를 남깁니다. 섬유 직조 스큐가 허용된 타이밍 불일치와 비교할 수 있을 경우에는 개방형 직조를 사용해서는 안 됩니다.

데이터 스트림이 빨라지고 상승 시간이 줄어들면서 위의 타이밍 창이 닫히게 되고, 이는 타이밍 창 내에 존재할 수 있는 전체 지터를 줄이는 데 더 많은 강조를 둡니다. 이것이 우리가 전원 공급 잡음, 그라운드 바운스 및 빠른 인터페이스에서의 크로스토크에 의해 생성된 지터에 초점을 맞추는 이유 중 하나입니다. 이들 또한 전체 지터에 기여하기 때문입니다.

각진 라우팅 또는 패널 회전

Signal Integrity Journal에서 최근 발표된 바와 같이, 직물 패턴에 대해 약간의 각도로 라우팅하는 것은 타이밍 스큐(표준 편차)를 약 7 ps/in에서 1 ps/in 미만으로 줄일 수 있음을 보여주었습니다. 이는 섬유 직물 효과로 인한 스큐에만 해당되며, 랜덤 지터 및 병렬 버스나 차동 쌍에서의 지연 불일치와 같은 다른 스큐 원인은 여전히 고려해야 합니다. 그러나, 관련된 각도는 단지 약 0.04 라디안, 즉 약 2.3도에 불과했습니다. 다시 말해, 스큐 표준 편차는 대략 3 ps/도로 줄일 수 있으며, 최대 ~7 ps까지 감소시킬 수 있습니다.

스큐 감소 이미지 출처: Bogatin et al. (Signal Integrity Journal).

이것이 보여주는 것은 경로를 각도로 라우팅함으로써 스큐가 제거된다는 것이 아니라, 타이밍의 표준 편차가 더 작아진다는 것입니다. 이것은 보드 제작소가 섬유 직조로 인한 타이밍 스큐를 방지하기 위해 패널에 아트워크를 회전시키는 이유 중 하나입니다(아마도 10도). PCB에서 수동으로 라우팅하거나 지그재그로 트레이스를 그리는 대신, 패널에 아트워크를 회전시키면 디자이너가 PCB 설계 소프트웨어에서 평소와 같이 작업할 수 있습니다. 단점은 패널에 아트워크가 추가 공간을 차지하기 때문에 보드당 제작 비용이 증가한다는 것입니다.

유리 펼치기

유리를 PCB 스택업에 넣으면 평평해지며, 이는 섬유 묶음이 수지로 채워진 PCB 라미네이트 공간을 채우게 됩니다. 수지 영역을 유리로 채움으로써, 재료는 오늘날의 전자 제품에서 사용되는 실용적인 주파수에서 더 균질하게 보입니다. 이것은 차동 쌍의 각 트레이스 사이나 병렬 버스의 단일 종단 트레이스 사이의 스큐를 최소화합니다.

차동 쌍 간격 설정 = 유리 피치

유리 섬유 위브 피치가 알려져 있다면, 이것을 차동 쌍 사이의 간격으로 사용할 수 있습니다. 이렇게 하면 한 쌍의 트레이스가 직선 경로를 따라 거의 동일한 위브 영역을 항상 차지하게 되므로, 이는 쌍 내부의 지연 차이를 줄일 수 있습니다. 유사한 설계 규칙은 병렬 단일 종단 버스와 병렬 차동 버스에도 사용될 수 있습니다.

RF 보드용 강화되지 않은 라미네이트

고급 RF 보드에 사용할 수 있는 또 다른 옵션은 유리 섬유 위브가 없는 강화되지 않은 PTFE 기반 라미네이트를 사용하는 것입니다. 이 라미네이트의 단점은 비용 외에도 제작 시 다루기 어렵다는 점입니다. 구조적 강화가 없기 때문에 때때로 "젖은 국수"라고 불리며 쉽게 구부러집니다. 결과적으로 층간 정렬 불일치의 가능성이 더 높을 수 있습니다. 위상 배열을 사용하는 RF 보드의 경우, 긴 연결에서의 지연 차이 제거는 특히 시스템 호스트 컨트롤러가 전원 켜기 보정 절차를 통한 지연 차이 보상 메커니즘이 없는 경우 매우 유용합니다.

GHz 주파수에서의 주기적 로딩

루즈 파이버 직물의 공동은 본질적으로 부분적으로 열린 공진기이며, PCB 재료의 파이버 직물 구조에서 흥분된 공진은 시뮬레이션 또는 분석에서 정의되거나 관찰되지 않습니다. 전자기장은 트레이스 내부에 한정되지 않고, 트레이스 주변에 존재하며 주변 매체에 한정된다는 것을 기억하세요. 이는 고주파 신호 또는 대역폭이 큰 디지털 신호가 이러한 공동에서 하나 이상의 공진을 흥분시킬 수 있음을 의미합니다. 이러한 공진은 직사각형 상자에서의 공진으로 근사할 수 있으며, 다음과 같은 일련의 주파수를 예상할 수 있습니다:

가장 낮은 순서의 파이버 직물 공진 주파수는 일반적으로 루즈 직물의 경우 약 50 GHz입니다. 이러한 공진은 그 후 공진 결합을 통해 아하모닉 공동 공진을 흥분시킬 수 있습니다. 즉, 파이버 직물 포켓, 인근 전도 구조물 및 각각이 생성하는 기생성분은 방사된 EMI의 원천으로 작용합니다. 이 특정 문제는 최근 Signal Integrity Journal에서 논의되었습니다.

이러한 공동에서 강한 공진은 인접한 회로로 유도적 또는 용량적으로 결합될 수도 있습니다. 이러한 결합은 전력 증폭기, 고전력 FET 드라이버 및 강력한 RF 필드를 생성하는 유사한 회로를 포함하는 RF 신호 체인에서 더 큰 문제입니다. 이 효과는 연속적인 섬유 직조 공진에서 삽입 손실 프로필의 감소로 나타납니다. 벡터 네트워크 분석기로 테스트 쿠폰에서 S-파라미터를 추출하여 이 효과를 측정할 수 있습니다.

스펙트럼 분석기

요약하자면, 공진 및 삽입 손실 감소 문제를 방지하고자 한다면, 손실, CTE, Tg, 열전도율 요구 사항을 충족하는 가장 타이트한 유리 직조 스타일을 목표로 해야 합니다. 더 타이트한 직조 스타일은 일반적으로 더 높은 주파수의 공진을 가지지만, 균형을 맞춰야 할 명확한 절충안이 있을 것입니다. 왜곡을 정확하게 고려하고 제어된 임피던스를 보장하려면 임피던스 계산에서 사용할 올바른 평균 유전 상수를 결정해야 합니다. 공동 방출이 문제가 되는 경우, 차폐 재료로 컨포멀 코팅 사용을 고려할 수 있습니다.

Altium Designer^®의 레이어 스택 관리자를 사용하면 신호가 신호 트레이스를 따라 이동할 때 볼 평균 유전 상수를 정의할 수 있습니다. 이는 보드의 섬유 직조 효과로 인한 스큐를 보상하는 데 이상적인 도구입니다. 포스트 레이아웃 시뮬레이션 도구는 고주파 신호를 전달하는 트레이스 간의 크로스토크를 검사하고 제어된 임피던스 라우팅에도 유용합니다. 스택업에 사용할 수 있는 표준화된 재료와 직조 스타일의 광범위한 라이브러리에 액세스할 수 있습니다.

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