Flex PCB: 메쉬 접지면을 위한 유연한 회로 신호 무결성

유연 회로 기판(flex)과 유연-강성 회로 기판(rigid-flex)에서 초고속이 불가피해지고 있으며, 이러한 기판들이 고급 전자 제품에서 더 많이 사용되고 있습니다. 이러한 시스템은 또한 절연을 위한 접지층이 필요하며, 무선 프로토콜에 대한 RF 및 디지털 참조를 분리하기 위해 필요합니다. 고속 및 고주파수와 함께 신호 무결성 문제가 발생할 가능성이 있는데, 이는 대부분 PCB 내 접지면의 배치와 기하학적 형태와 관련이 있습니다.

유연 회로 기판과 유연-강성 회로 기판에서 일관된 0V 참조를 제공하는 일반적인 방법은 유연 리본에 해치(hatched) 또는 메쉬(meshed) 접지면을 사용하는 것입니다. 이는 넓은 주파수 범위에서 여전히 차폐를 제공할 수 있는 큰 도체를 제공하면서도 유연 리본이 과도한 강성 없이 구부리고 접을 수 있게 합니다. 그러나 신호 무결성 문제는 두 영역에서 발생합니다:

• 일관된 트레이스 임피던스 보장,
• 차폐 및 격리, 그리고
• 해칭 구조에서 섬유 직물 같은 효과 방지.

이 글에서는 해칭 접지면에서 발생하는 신호 무결성 문제와 이에 대해 할 수 있는 조치에 대해 더 깊이 살펴보겠습니다.

메쉬 접지면 디자인

가장 기본적인 의미에서, 해칭은 다른 접지면과 마찬가지로 작동합니다. 이는 트레이스가 원하는 임피던스를 가질 수 있도록 일관된 참조를 제공하기 위한 것입니다. 일반적인 전송선 기하학(마이크로스트립, 스트립라인 또는 도파관)은 메쉬 접지면이 있는 리지드-플렉스 또는 플렉스 PCB에 배치될 수 있습니다. 플렉스 리본의 표면층에 해칭된 구리 영역을 배치하면 저주파에서는 고체 구리와 거의 동일한 효과를 제공합니다.

플렉스 리본에서 메쉬 접지면을 사용한 스트립라인 및 마이크로스트립 라우팅의 일반적인 구성은 아래에 나와 있습니다.

이 메쉬 구조는 리지드 보드에서 사용될 수 있지만, 실제로 본 적이 없으며 클라이언트의 요청을 받은 적도 없습니다. 대신, 메쉬 패턴은 임피던스 제어와 합리적으로 유연한 리본이 필요한 요구 사항을 균형있게 맞추기 위해 플렉스/리지드-플렉스 보드에서 사용됩니다. 트레이스나 해치 패턴을 설계할 때는 정적 및 동적 플렉스 리본에 대한 최선의 관행과 IPC 2223 표준을 따르십시오.

임피던스 제어

단일 종단 또는 차동 쌍을 사용하는 한 가지 옵션은 트레이스 바로 아래 평면 레이어에 고체 구리를 배치하고 회로의 다른 곳에 메쉬 구조를 배치하는 것입니다. 라우팅이 매우 밀집되면 메쉬를 곳곳에 사용해야 합니다. 메쉬를 사용하기로 결정하면 더 큰 유연성을 갖게 되지만, 차폐 분리도가 낮아지고 임피던스 제어 조건이 변경됩니다.

위에서 보여진 바와 같이, 메쉬 평면 구조는 두 가지 기하학적 매개변수인 L과 W를 가집니다. 이 두 매개변수는 구리로 덮인 메쉬 영역의 비율, 즉 채움 비율로 결합될 수 있습니다. 이러한 매개변수를 변경하면 다음과 같은 효과가 있습니다:

• 메쉬 영역을 열어(메쉬 개방을 L 증가시켜) 다른 매개변수가 일정하게 유지되는 경우 임피던스가 증가합니다. 또한 리본을 구부리기 쉽게 만듭니다(힘이 덜 필요함).
• 다른 매개변수를 일정하게 유지하면서 W를 증가시키면 메쉬 영역이 닫히게 되어 임피던스가 증가합니다. 또한 리본 모드를 구부리기 어렵게 만듭니다(더 많은 힘이 필요함).

다른 매개변수들이 표준 기하학에서 임피던스를 지배하는 것과 같은 효과를 메쉬 접지면을 사용할 때도 가집니다. 고주파수로 넘어가면, 전송선 주변에 비TEM 모드를 활성화시키게 되며, 심지어는 섬유 직조와 같은 효과를 볼 수도 있습니다.

내 유연 리본에서 섬유 직조 효과?

이것은 PCB 내의 메쉬 접지면이 매우 흥미로워지는 지점입니다. 메쉬 패턴이 FR4 및 기타 라미네이트에서 사용되는 유리 직조 패턴과 유사하게 보일 수 있기 때문입니다. 결과적으로, 우리는 이제 일반적으로 매끄럽고 상대적으로 균질한 기판 재료에서 섬유 직조 효과에 대해 걱정해야 하는 상황으로 돌아왔습니다. 이러한 효과는 이동하는 신호의 대역폭이 메쉬 구조 내 하나 이상의 공진과 겹칠 때 발생합니다. 폴리이미드에서 L = 60 mil일 때, 최저 차수 공진은 50 GHz가 될 것입니다.

초기 연구(이 Hindawi 기사 참조)는 디지털 신호가 메쉬 접지면을 가로질러 트랙에서 전파될 때, 강성 또는 유연한 PCB 기판에 있는 이러한 해치 구조가 강한 방출을 일으킬 수 있음을 보여주었습니다. 더 많은 유연한 응용 프로그램이 높은 주파수에서 개방됨에 따라, 메쉬 접지면을 가진 유연 리본에서 이러한 효과가 몇 가지 이유로 더 나빠질 것으로 예상합니다.

더 높은 Q값의 공진

일반적인 유리 섬유 기판과 마찬가지로, 메쉬는 특정 주파수에서 흥분될 때 공진을 지원할 수 있는 공동 구조를 형성합니다. 메쉬 접지면의 이러한 공진 공동은 공동의 벽이 매우 전도성이 높은(구리) 경우 매우 높은 Q값을 가질 것입니다. 따라서 손실이 적고 Q값이 높은 공진이 발생합니다. 이는 증가된 공동 방출과 공진 전력 손실로 이어집니다.

열린 메쉬는 저 격리를 가짐

고체 접지면은 일반적으로 섬유 직조 공동에서 방사된 EMI가 보드의 가장자리를 따라 방출되도록 보장합니다. 메쉬 접지면에는 열린 공동이 있기 때문에, 격리가 덜 되며 유연 리본의 표면을 따라 방사할 수도 있습니다. 이것은 상호 작용 효과를 가집니다: 트레이스가 방사선을 더 쉽게 방출할 수 있을 때, 외부 EMI를 더 쉽게 수신할 수도 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 섬유 위브 효과를 방지하기 위해 더 조밀한 유리 섬유를 사용하는 것처럼 더 조밀한 메쉬를 사용하세요. 유연 회로 기판(Flex)과 유연-강성 회로 기판(Rigid-flex PCBs)은 계속해서 PCB 분야의 일부가 될 것이며, 새로운 제조 능력으로 더욱 발전하고 있습니다. Tara Dunn의 1mil 트레이스 폭 제조 능력 발표는 더 작은 메쉬 접지면 패턴의 제작을 허용함으로써 고속, 고밀도 유연 회로 기판에 대한 진정한 게임 체인저가 될 수 있습니다.

메쉬 접지면 예시

오픈 소스 노트북 프로젝트를 주도하고 있는 Lukas Henkel의 잘 구성된 메쉬 접지면 예시를 찾을 수 있습니다. 아래 이미지는 웹캠을 위한 1mil 두께의 유연 리본에 적용된 메쉬 접지면의 예시를 보여줍니다. 이 유연 회로 기판은 에지 FPC 커넥터에서 직접 유연 리본에 납땜된 웹캠으로 MIPI CSI-2 라우팅을 지원하도록 의도되었습니다. 기하학적 매개변수는 다음과 같습니다:

• 구리 트레이스 폭: 0.1 mm
• 개구부 크기(반복 요소): 0.283 mm

이 예에서는 여러 부분의 접지를 정의하기 위해 다중 해칭 영역이 사용됩니다. 해칭 평면에는 또한 큰 단단한 영역이 있으며, 이는 상단 부분의 저속 구성 신호와 GPIO에서 고속 CSI-2 신호를 분리하는 데 사용됩니다. 해칭 영역 위에 신호를 라우팅할 준비가 되면, 라우팅 도구는 단단한 평면이나 단단한 다각형 위를 라우팅하는 것과 정확히 동일하게 작동합니다.

이러한 종류의 해칭은 트레이스를 수동으로 그려서 만들 필요가 없습니다. 대신, Altium Designer에는 다각형에 자동으로 해칭을 적용하는 기능이 포함되어 있으며, 선택된 해칭은 PCB 편집기에서 다각형을 다시 채울 때 나타납니다. 이 기능은 위에 표시된 것처럼 직사각형 다각형, 곡선 다각형 또는 불규칙한 다각형 채우기에 적용할 수 있습니다.

메쉬 접지 위의 라우팅 시뮬레이션

메쉬 접지면은 기술적으로 PCB 내의 다른 구조와 마찬가지로 시뮬레이션될 수 있지만, 메쉬 접지의 더 복잡한 구조로 인해 더 많은 계산력이 요구된다는 점에서 도전이 됩니다. 이 메쉬 층의 개구부는 맥스웰 방정식을 해결하는 데 사용되는 더 복잡한 시뮬레이션 메쉬를 만들어내며, 이는 더 긴 계산 시간을 요구합니다. 예를 들어, 메쉬 평면 위의 단일 차동 쌍에 대한 S-파라미터 시뮬레이션은 PCB 단면의 시뮬레이션을 기반으로 1시간 이상의 시뮬레이션 시간을 요구할 수 있으며, 동일한 차동 쌍과 스택업이 단단한 구리 접지면을 사용할 경우 동일한 수치 방법으로 분석했을 때 1분 미만이 걸립니다.

위 사실은 메쉬 접지 위의 라우팅에 대한 임피던스 결정을 매우 어렵게 만듭니다. 또 다른 문제는 제조업체로부터 명확한 데이터 부족입니다. 모든 제조업체가 메쉬 접지면 위의 임피던스에 대한 데이터를 보유하고 있는 것은 아니며, 주로 임피던스가 구리 메쉬의 채움 비율과 방향에 너무 크게 의존하기 때문입니다. 매개변수 공간이 너무 넓기 때문에, 이러한 데이터를 보유하고 있는 플렉스 PCB 제조업체는 아마도 몇 가지 매개변수화와 특정 폴리이미드 제품에 대해서만 유효한 테스트 데이터를 가지고 있을 것입니다. 따라서, 고급 제품에 대해 플렉스에서 고속 라우팅이 필요한 경우, 3D 필드 솔버 시뮬레이션 도구에 투자하는 것을 고려해보세요.

어떤 방식으로 유연 회로 기판(flex PCB)이나 유연-강성 회로 기판(rigid-flex PCB)을 설계하든, Altium Designer®는 고속 설계를 위한 메쉬 접지면을 제대로 설계할 수 있는 필요한 도구를 제공합니다. Altium 365®에서의 Altium Designer는 지금까지 소프트웨어 개발의 세계에 국한되었던 전례 없는 통합을 전자 산업에 제공하여, 디자이너가 집에서 작업하며 전례 없는 효율성의 수준에 도달할 수 있게 합니다.

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