PCB 재료 특성 및 고주파 보드 성능에 미치는 영향

라인의 감쇠에 영향을 미치는 가장 중요한 머티리얼 매개변수 중 일부는 다음과 같습니다.

이러한 특성과 전송선의 손실 메커니즘을 잘 이해하면 애플리케이션에 적합한 PCB 재료를 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다. 재료 선택은 PCB 설계 프로세스의 첫 번째 단계입니다. 오늘날 고속 디지털 보드 및 RF 제품 설계자는 수십 개의 제어된 Dk 및 저손실 PCB 재료 중에서 선택할 수 있습니다. 많은 라미네이트 공급업체가 독점 수지 시스템을 개발했습니다.

저손실 전송선의 경우 인치당 dB 단위의 유전 손실은 다음 방정식으로 제공됩니다.

\[\alpha_d \text{(인치당 dB)} = 2.32 f \ tan(\delta) \sqrt{\epsilon_r}\]

여기서 f는 GHz 단위의 주파수입니다. 보시다시피, 유전 손실은 유전 상수와 재료의 손실 탄젠트에 의해 직접적으로 결정됩니다. 따라서 tan(δ)와 εr이 낮은 재료를 사용하여 ⍺d를 최대한 제한할 수 있습니다. 매우 높은 Gbps 트랜시버에 권장되는 세 가지 재료 선택은 Nelco 4000-13EPSI, Rogers 4350B 및 Panasonic Megtron 6입니다. 아래 그림 1은 이러한 재료의 손실 탄젠트를 다른 일반적인 재료와 비교합니다.

Low-Dk 재료를 사용하여 보드 두께를 줄이는 방법을 더 잘 이해하려면 그림 2에 표시된 스트립라인을 고려하십시오.

IPC에서 권장하는 스트립라인의 특성 임피던스에 대한 가장 널리 사용되는 근사치는 다음과 같습니다.

\[Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\epsilon_r}} ln \big ( \frac{2b+t}{0.8w+t} \big )\]

어디:

고정된 Z0 및 트레이스 폭 w의 경우 εr이 더 큰 재료를 사용하면 평면 사이의 간격을 늘려야 합니다. 즉, εr이 클수록 보드의 전체 두께가 증가할 수 있습니다. 신호 레이어가 많은 고밀도 보드에서는 이로 인해 보드 두께가 크게 늘어날 수 있습니다. 보드가 두꺼울수록 디자인에 종횡비가 더 큰 비아가 필요하다는 의미입니다. 비아의 종횡비는 길이를 직경으로 나눈 값입니다.

예를 들어, 두께가 0.2"이고 비아 드릴 직경이 0.02"인 보드가 있는 경우 종횡비는 10:1입니다. 종횡비가 크면 어떤 어려움이 있나요? 전기적 연결을 제공하려면 비아 내부를 도금 용액을 사용하여 구리로 덮어야 한다는 점을 기억하세요. 그림 3은 종횡비가 15:1인 도금 구멍의 단면을 보여줍니다.

대부분의 PCB 제조업체는 6:1에서 8:1 사이의 종횡비로 비아를 생성할 수 있습니다. 종횡비가 높을수록 비아 배럴의 내부 부분이 더 얇은 구리 코팅을 가질 수 있기 때문에 도금이 점점 더 어려워집니다. 이로 인해 비아 중앙이 열 응력으로 인해 균열이 발생하기 더 쉬워질 수도 있습니다. 따라서 종횡비가 더 크면 더 비싼 PCB 제조 기술을 사용해야 하고 최종 보드에 대한 신뢰성 문제가 발생할 수 있습니다. 낮은 Dk 재료를 선택하면 이러한 문제를 어느 정도 완화할 수 있습니다.

PCB 재료의 유전 상수는 주파수의 함수입니다. 아래 그림 4는 일부 일반적인 PCB 라미네이트의 유전 상수의 주파수 의존성을 보여줍니다.

Dk 변형의 결과는 무엇입니까? 유전 상수는 특성 임피던스와 파동 속도라는 두 가지 중요한 매개변수에 영향을 미칩니다. 전송선을 통한 신호의 전파 속도는 다음과 같이 주어진다.

\[v_p = \frac{c}{\sqrt{\epsilon_r}}\]

여기서 c는 진공에서의 빛의 속도입니다.

Dk 변화로 인해 신호의 서로 다른 주파수 구성 요소에서 신호 속도가 약간씩 달라져 신호 분산이 발생할 수 있습니다. 또한 Dk가 주파수에 따라 감소하면 라인의 특성 임피던스가 증가합니다(식 2). 결과적으로 더 높은 주파수에서 신호 반사가 저하됩니다. 따라서 관심 주파수 범위에 걸쳐 주파수 응답에 비해 더 평평한 Dk를 갖는 재료를 사용하는 것이 바람직합니다.

그림 4는 FR4 소재 제품군의 Dk 대 주파수 응답이 상대적으로 더 큰 변화를 나타냄을 보여줍니다. 그렇기 때문에 고속/고주파 애플리케이션에서는 이러한 유형의 재료를 피하는 것이 좋습니다(또 다른 이유는 FR4 PCB 라미네이트 제품군의 높은 유전 손실 때문입니다). 불행하게도 대부분의 제조업체는 몇 가지 특정 주파수에서만 Dk 값을 지정합니다.