PCB 접지층을 정리하여 도체 손실 복구하기

고주파에서 제어된 임피던스 라우팅은 충분히 어렵고, 긴 루트나 손실이 큰 매체에서 손실 예산 내에 있도록 하는 것이 중요합니다. 커넥터나 다른 구성 요소로 긴 트레이스나 긴 차동 쌍을 라우팅해야 할 때, 손실 예산의 한계에 도달하고 있다면 어떻게 해야 할까요?

대부분의 디자이너들은 고속/고주파 인터커넥트에서 손실이 과도할 때 손실이 적은 대체 저손실/RF 소재를 사용하라고 말할 것입니다. 이러한 긴 인터커넥트에서 손실이 문제가 될 경우, 손실 탄젠트가 무엇을 의미하고 언제 중요한지에 대해 알아보세요. 다른 방법은 무엇이 있을까요?

5G 장비/핸드셋 설계자들이 사용하는 마이크로스트립 라인과 관련된 한 가지 트릭이 있습니다. 이는 참조 레이어 건너뛰기 라우팅 또는 단순히 건너뛰기 라우팅으로 설명된 기술입니다. 이 이름은 인터커넥트의 부하 끝에서 참조 레이어를 건너뛰어 마이크로스트립 트레이스 주변의 필드 분포를 수정하고 전체 손실을 줄이는 것을 의미합니다. 이 글에서는 이 라우팅 방법을 살펴보고 손실이 큰 인터커넥트에서 일부 손실 예산을 회복하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 설명하겠습니다.

Skip Routing이란 무엇인가요?

Skip routing은 마이크로스트립 전송선로의 부하단 루트에서 PCB 접지층의 일부를 참조층에서 제거하는 것을 포함합니다. 신호가 접지 제거 영역으로 들어가면 신호는 더 낮은 손실을 경험하게 됩니다. 이는 PCB 접지층 평면을 트레이스에서 멀어지게 함으로써 마이크로스트립 전송선로 주변의 필드 분포를 변경하기 때문입니다. 이 방식으로, 전송선로 임피던스는 두 접지 영역이 동일한 전위로 설정되는 한 스택업에서 다음으로 가까운 층을 참조하게 됩니다. 아래 이미지는 이 작업이 어떻게 이루어지는지 보여줍니다.

목적지 구성요소 아래 영역에서 일부 접지를 제거하면 이제 표면층의 마이크로스트립 트레이스 폭을 조정하여 일관된 임피던스를 유지할 수 있어야 합니다. 트레이스가 접지층이 제거된 영역으로 들어가면, 두 영역의 임피던스를 동일하게 설정하기 위해 제거된 영역 내에서 트레이스 폭을 넓혀야 합니다. 이를 통해 이러한 영역 간 인터페이스에서 새로운 반환 손실을 생성하지 않고 제거된 영역에서의 총 삽입 손실을 줄일 수 있습니다. 전환 영역에는 이상적으로 전기적으로 짧아야 하는 (RF 신호의 작동 파장의 약 10%) 작은 테이퍼를 포함시켰습니다.

그라운드 컷아웃을 사용하여 도체 손실 줄이기

신호가 경험하는 손실은 마이크로스트립 라인 주변의 필드 라인 밀도에 따라 달라지지만, 반드시 손실 탄젠트가 변하기 때문은 아닙니다. 마이크로스트립 아래 가장 가까운 그라운드 레이어가 제거되고 트레이스가 다음 그라운드 레이어를 참조하게 되면, 트레이스의 폭을 편안하게 늘릴 수 있습니다. 이는 트레이스가 임피던스 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다.

손실 탄젠트를 어떻게 변경하지 않고 이 트레이스에서 일부 손실 감소를 얻을 수 있을까요? 답은 도체의 스킨 효과에 있습니다. 제거된 그라운드 레이어 영역에서 임피던스 제어를 보장하기 위해 도체를 넓히면 스킨 효과 손실이 줄어듭니다. 직사각형 단면을 가진 도체의 스킨 효과 저항에 대한 대략적인 공식을 볼 때 이를 확인할 수 있습니다:

이것이 단지 저항 값이기 때문에, 트레이스 폭(W)을 증가시키면 단면적이 증가하고 따라서 저항이 감소할 것임을 알 수 있습니다. 이는 트레이스 폭이 더 큰 영역에서 저항적 및 반응적 손실을 소량 회복하는 데 도움이 됩니다.

그라운드 컷아웃을 사용하는 대신 공평면을 사용하기

지금까지 저는 일반적인 마이크로스트립 라인이 있는 경우에 대해서만 논의했습니다. 접지된 동축 평면 도파관으로 설계한 경우에는 어떻게 될까요? 차이점은 트레이스와 접지 푸어 사이의 간격이 작을 때 동축 평면 도파관의 폭 대 유전체 두께 비율이 더 작아진다는 것입니다. 그러나, 또 다른 조정 가능한 요소가 있습니다: 트레이스와 인접한 접지 라우팅 사이의 간격입니다.

여기서 우리는 스킵 라우팅의 또 다른 버전을 가지고 있습니다: 동축 평면 도파관과 마이크로스트립에서 나오는 간격을 변경하는 경우입니다. 이전 기사인 마이크로스트립의 접지 클리어런스를 기억한다면, 마이크로스트립 근처에 접지 라우팅을 가져오면 그 임피던스가 감소한다는 것을 알게 될 것입니다. 이것이 동일한 기판 두께에 대해 동축 평면 도파관에서 마이크로스트립보다 더 얇은 트레이스를 사용할 수 있는 이유입니다.

아래 예시는 좁은 공평파 도파관에서 넓은 마이크로스트립으로 전환함으로써 일부 손실을 회복할 수 있는 또 다른 방법을 보여줍니다. 제가 이전에 작성한 마이크로스트립 대비 공평파 도파관 손실에 관한 기사를 기억한다면, 일반적인 거친 도금인 ENIG처럼 공평파 도선은 PCB 도체 손실이 더 클 것임을 알 수 있습니다. 이는 (부분적으로) 거친 도금에 의한 마이크로스트립 선의 손실 변화로 인해, 스킨 효과의 크기가 증가하기 때문입니다. 공평파 선에서 테이퍼를 가진 마이크로스트립으로 전환함으로써, 마이크로스트립은 공평파 부분보다 손실이 낮아질 것입니다.

이 예시에서, 우리는 다음 층의 접지를 제거하지 않았습니다. 대신, 같은 층의 접지만 제거하고 임피던스를 유지하기 위해 도선을 넓혔습니다. ENIG 대신 몰입 은 도금을 사용하거나, 이 선들에서 LPI 솔더 마스크를 제거함으로써 추가적인 손실이 감소될 것입니다. LPI 솔더 마스크 재료는 높은 손실 탄젠트를 가지고 있습니다.

효과적인 Dk는 어떨까요?

트레이스와 접지층 사이의 거리가 증가하면, 전계 분포가 변화하고 따라서 트레이스를 따라 이동하는 신호에 의해 관측되는 효과적인 Dk 값도 변화할 것입니다. 정당하게 물을 수 있습니다: 효과적인 Dk 값에는 어떤 일이 발생하며, 이것이 연결선을 따라 전체 손실을 변경하나요?

트레이스 폭을 변경하는 것이 트레이스 주변의 전계 분포를 수정한다는 것은 사실이지만, 효과적인 유전 상수를 약간만 변경합니다. 이는 제어된 임피던스를 위해 필요한 폭 대 유전체 두께 비율이 마이크로스트립의 경우 약간 비선형적이기 때문이므로, 유전체 두께를 두 배로 증가시키려면 트레이스 폭을 거의 두 배로 증가시켜야 같은 임피던스에 도달합니다. 이것은 마이크로스트립의 동일한 효과적인 Dk 값을 다시 얻게 해줍니다. 이것은 손실 탄젠트가 연결선에서 일부 손실을 회복하기 위해 변경될 필요가 없는 이유를 설명해야 합니다.

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