마이크로스트립 PCB 접지 클리어런스 파트 2: 클리어런스가 손실에 미치는 영향

이전 기사에서 저는 임피던스 제어 트레이스와 인접한 접지된 구리 푸어 사이의 필요한 클리어런스에 대한 토론과 일부 시뮬레이션 결과를 제공했습니다. 우리가 발견한 것은 푸어와 트레이스 사이의 간격이 너무 작아지면, 트레이스가 임피던스 제어 공평파 도파관(접지 유무와 관계없이)이 된다는 것입니다. 또한, 트레이스와 접지된 구리 푸어 사이의 간격에 대한 3W 규칙이 다소 과도하게 보수적이라는 것을 보았습니다.

본질적으로, 목표 임피던스를 달성하려고 하고 인접한 푸어가 임피던스에 미칠 수 있는 영향에 대해 걱정한다면, 3W 규칙이 정한 한계보다 더 가까이 갈 수 있습니다. 그러나 적용할 수 있는 클리어런스의 정확한 한계는 유전체의 두께에 따라 달라지며; 두꺼운 기판은 더 작은 클리어런스-폭 비율을 허용하며, 이는 일부 시뮬레이션에서 조사된 실제 라미네이트 두께에 대해 3W 규칙을 편안하게 위반하는 것으로 나타났습니다.

비록 우리가 이전 기사에서 임피던스에 초점을 맞췄지만, 손실에 미치는 영향은 무엇일까라고 정당하게 물을 수 있습니다. 이 질문의 이유가 명확하지 않거나, 전송선 설계의 미세한 점들에 대해 최신 정보가 아니라면, 인접한 접지 푸어가 임피던스 제어 상호연결에서 손실에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 보기 위해 계속 읽어보세요.

트레이스 근처의 접지가 손실에 어떻게 영향을 미칠까요?

이는 합리적인 질문이며, 근처에 있는 도체가 정전기 또는 전류 밀도를 가진 트레이스 주변의 전자기장 분포를 어떻게 변경할 수 있는지와 관련이 있습니다. 접지된 구리 푸어가 마이크로스트립이나 스트리플라인 근처에 배치될 때 손실이 어떻게 발생할 수 있는지 보려면 전기장을 살펴보겠습니다.

아래 이미지에서, 마이크로스트립 주변의 전기장에 대한 대략적인 스케치를 그렸습니다. 트레이스와 같은 레이어에 근접한 접지된 구리 푸어가 있을 때, 일부 전기장 선은 도체의 가장자리에서 끝납니다.

접지 푸어가 전기장 선을 접지 영역으로 당겨들이기 때문에, 전자기장은 트레이스와 근접한 구리 푸어 사이의 영역에 강하게 집중됩니다. 이것이 어떻게 더 큰 손실로 이어지는지 궁금할 것입니다.

스킨 효과와 이미지 전류

이제 약간의 전자기학 수업 시간입니다... 신호가 트레이스를 따라 이동할 때, 관련 전류 밀도는 신호를 안내하는 트레이스의 가장자리 주변에 집중됩니다. 그러나 우리 모두가 전자기학 수업에서 배우는 전형적인 그림은 다른 모든 매체, 특히 다른 인접한 도체로부터 격리된 무한히 긴 전선을 고려할 때만 적용됩니다. 현실은 도체가 트레이스 근처로 가져와질 때, 전류는 직교하는 전기장이 가장 강렬한 트레이스의 영역, 즉 트레이스의 측면 가장자리 주변에 몰립니다.

최근 몇몇 컨퍼런스에서 제가 한 발표와 많은 다른 연구자들의 발표에서 본 것처럼, 스킨 효과와 관련된 분석적 계산이 인근 접지면과 구리 푸어에 있는 이미지 전류를 무시한 채 제시됩니다. 이것은 대부분 계산을 위한 단순화이며, 발표 중에 간결함을 위한 것입니다. 모든 트레이스 배열에 대해 이 특정 분포를 계산하는 것은 IEEE나 JPIER와 같은 저널 기사 자체로 가치가 있습니다. 그러나 이것은 결합 커패시턴스의 역할과 손실에 미치는 영향을 이해하는 데 있어 주요 고려 사항입니다.

도체에서 이미지 전류의 생성과 스킨 효과의 왜곡에 대해 더 알아보려면 IEEE에서 발행한 이 기사를 확인하세요:

• 문길란, D. E. C. E. E. N. A. "PCB 트레이스에서 방사되는 전자파에 대한 이미지 평면 기법의 스킨 효과 모델링." IEEE 1997, EMC, 오스틴 스타일에서. IEEE 1997 국제 전자파 호환성 심포지엄. 심포지엄 기록 (카탈로그 번호. 97CH36113), pp. 308-313. IEEE, 1997.

전류가 트레이스의 가장자리에 몰리면서, 전류와 구리 트레이스의 거친 벽 사이의 상호작용 강도가 증가합니다. 기억하세요, 구리의 거칠기는 스킨 효과의 크기를 증가시키고 추가적인 손실 임피던스를 생성합니다. 이 상호작용에서 무슨 일이 일어나는지 보려면, 구리 도금 재료가 손실에 어떤 영향을 미치는지 이해해야 합니다.

디지털 대 RF 시스템

이 시점에서, 솔더 마스크와 도금이 처리되는 방식 때문에 디지털 시스템과 RF 보드를 구분하는 것이 중요합니다. 디지털 보드에서는 일반적으로 솔더 마스크를 모든 곳에 적용하고 최소 요구 디지털 대역폭을 넘어서는 채널 준수에 집중합니다. RF 시스템의 경우, 솔더 마스크를 제거하는 것이 매우 일반적이므로 RF 신호를 지원하는 전송선에는 외부에 어떤 도금이 적용됩니다.

• 디지털 - 인접한 구리 푸어가 솔더 마스크에 의해 생성된 손실에 어떤 영향을 미치는지 보여주는 종합적인 연구를 본 적이 없습니다. 제 생각에는 솔더 마스크가 있다면 전자기장은 어쨌든 그것과 상호작용할 것이고, 어느 경우에든 손실에서의 편차는 최소일 수 있습니다. 이에 대한 통찰이 있는 사람은 LinkedIn에서 저를 찾아 메시지를 보내주세요.
• RF - 이 경우, 도금 영역에서의 전류 재분배는 확실히 연결부에서 손실의 변화를 일으킵니다. 따라서, 아래에서 논의된 것처럼 거칠기에 대한 영향으로 인해 도금은 손실을 결정하는 새로운 요소가 될 수 있습니다.

디지털 시스템의 트레이스에서 솔더 마스크를 제거한다고 가정하더라도, 인접한 구리 푸어가 손실에 미치는 영향을 이해하기 위해서는 도금 필름 구조와 그 거칠기를 고려해야 합니다.

RF PCB에 대하여: 니켈 기반 도금을 피하고, 은을 선호하세요

John Coonrod가 제공한 우수한 데이터는 접지된 공평판 도파관(접지가 있는 공평판 마이크로스트립과 매우 유사)과 구리 푸어가 없는 단독 마이크로스트립에서 ENIG 도금이 점진적으로 높은 주파수에서 미치는 영향을 보여줍니다. 독자 여러분께 이 링크에서 그의 YouTube 동영상 중 하나를 살펴보실 것을 권장합니다. 더 포괄적인 평가는 이 비디오에서 찾을 수 있습니다. 간단히 말해서, John의 데이터는 두 가지 결론을 보여줍니다:

• 공평판 배열로 가면 공평판 접지가 가까울 때 더 많은 손실을 제공할 수 있으며, 이는 더 얇은 마이크로스트립을 강제하게 되어 스킨 효과로 인한 손실이 더 많아집니다.
• ENIG 도금은 항상 단순 마이크로스트립에 비해 공평판 배열에서 더 큰 총 손실을 제공합니다.

스트립라인에 대해서도 비슷한 결과를 합리적으로 예상할 수 있습니다.

아래 이미지는 위에 링크한 비디오에서 중요한 그래프를 보여줍니다. 본질적으로, 구리와 니켈 사이의 도금 결합으로 인해, 전파 전류가 마주치는 거칠기는 공평판 도파관에서 마이크로스트립보다 훨씬 큽니다. 한편, 맨 구리의 경우, 두 전송선에서 매우 유사한 손실을 보입니다. 몇 GHz 이하에서는 각 전송선 유형의 손실 사이에 차이가 없는 것으로 보입니다.

그렇다면 연결부 근처에 접지된 구리 플레이트를 사용해야 할까요, 아니면 생략해야 할까요? 분명히, 차폐, 임피던스, 손실만을 고려할 것이 아닙니다. 열 전송도 PCB 주변에 구리 플레이트를 배치하는 이유 중 하나로 언급됩니다. 고속 임피던스 제어 트레이스 주변에 구리 플레이트를 사용하고 싶다면, 기본 측정(TDR 또는 S-파라미터)으로 연결부를 테스트해야 합니다. 위의 결과는 고주파/고속 임피던스 제어 연결부에 대해 ENIG보다 몰입 실버가 종종 선택되는 도금 방법인 이유를 설명해야 합니다.

요약

공정하게 말하자면, 모든 신호 레이어에 구리 플러를 무차별적으로 채우는 것에는 몇 가지 단점이 있으며, 여기서 몇 가지를 지적했습니다. 켈라 넥도 다른 기사에서 구리 플러의 몇 가지 단점을 지적합니다; 구리 플러 사용이 나쁜 설계 관행이며 절대 사용해서는 안 된다는 함축에 동의하지 않지만, 특정 설계에 대한 단점을 고려하고 이러한 가정된 단점을 기반으로 한 프로토타입을 테스트해야 합니다. 구리 플러의 적용은 적절하게 또는 부적절하게 사용될 수 있으며, 그 사용은 때때로 "항상" 또는 "절대로"와 같은 선택으로 표현되기도 합니다; 양측은 아마도 서로의 설계 선택을 문맥에서 벗어나게 보고 있을 것입니다. 어쨌든, 현대 RF 설계에서 차폐, 기판 통합 도파관, 임피던스 제어 공통면 도파관과 같은 PCB 요소를 정의하기 위해 구리 플러가 필요합니다. 손실이 문제가 될 경우 적절한 도금을 사용하여 현명하게 사용하십시오.

마이크로스트립 그라운드 클리어런스에 적합한 간격을 결정하는 것은 최고의 PCB 스택업 디자인 도구로 시작합니다. Altium Designer®를 사용하면, PCB 레이아웃에서 접지된 구리 푸어를 사용하는 보드에서 제어된 임피던스 라우팅을 보장하기 위해 필요한 트레이스 폭과 간격을 쉽게 결정할 수 있습니다. 디자인을 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때, Altium 365™ 플랫폼은 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 만듭니다.

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