고주파 PCB

고주파 PCB은(는) PTFE 및 로저스(Rogers) 시리즈와 같은 낮은 유전율(Dk)과 낮은 유전 손실(Df)을 가진 전용 기판을 사용하는 PCB의 일종입니다. 기생 파라미터를 줄이기 위해 엄격한 임피던스 제어와 최적화된 배선이 필요합니다. 고주파 신호 전송 상황을 위해 특별히 설계되었습니다. 300MHz에서 3GHz까지의 주파수 대역을 지원하며, 통신, 군사 산업, 의료 및 소비자 전자기기 분야의 장비와 광범위하게 호환되는 고정밀 인쇄 회로 기판 의료 및 소비자 전자기기.

고주파 PCB의 특성

고주파 통신 회로의 특성은 300MHz에서 3GHz 범위의 고주파 신호 전송 시 낮은 손실, 높은 안정성 및 간섭 저항이라는 세 가지 핵심 요구 사항을 중심으로 설계된다. 각각의 특성은 특정한 재료 선택, 공정 기준 및 적용 가치에 해당한다. 아래에 자세한 설명을 제시한다.

기판의 저손실 특성

고주파 신호가 전송될 때, 기판의 유전 특성으로 인해 에너지 손실이 발생한다. 이것이 고주파 회로와 일반적인 PCB 사이의 핵심 차이점이다.
키 파라미터

· 낮은 유전율(Dk): 유전율은 신호 전송 속도를 결정합니다. Dk 값이 낮을수록 신호 전송 속도가 빨라지고 신호 지연이 작아집니다. 고주파 PCB의

기판에서의 Dk 값은 일반적으로 2.2에서 4.5 사이에서 안정적이며(일반적인 FR-4 기판의 Dk는 약 4.6~4.8), 온도와 주파수가 달라져도 Dk의 안정성을 유지하여 신호 왜곡을 방지해야 합니다.

· 낮은 유전 손실 각도(Df): Df 값은 신호가 기판 내에서 에너지를 얼마나 잃는지를 직접적으로 나타냅니다. Df 값이 낮을수록 손실이 적습니다. 고주파 PCB 기판의 Df 값은 일반적으로 0.002 미만이며(일반적인 FR-4의 Df는 약 0.02)

신호 감쇠를 효과적으로 줄일 수 있어 장거리 및 고주파 신호 전송에 특히 적합합니다.

대표적인 기판

·PTFE(Polytetrafluoroethylene): Dk≈2.1, Df≈0.0009, 고온 내성(260℃ 이상), 뛰어난 화학적 안정성으로 군사 산업 및 위성 통신과 같은 고성능 요구 환경에서 최우선 선택입니다.

·로저스 시리즈(예: RO4350B): Dk≈3.48, Df≈0.0037, 뛰어난 임피던스 안정성을 제공하며 5G 기지국 및 RF 모듈에 적합합니다.

·고주파 에폭시 수지 기판: 낮은 비용, Dk≈3.5-4.0으로 소비자 전자기기의 RF 부품 기본 요구사항을 충족합니다.

고정밀 임피던스 제어 특성

고주파 신호는 임피던스 변화에 매우 민감합니다. 임피던스 불일치는 신호 반사, 정재파 및 왜곡을 유발할 수 있으며, 장비 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

·임피던스 제어 기준: 고주파 PCB에서 일반적으로 사용되는 임피던스 값은 50Ω(RF/마이크로파 전송용)과 75Ω(비디오/동축 케이블 전송용)이며, 임피던스 허용 오차는 엄격하게 관리되어야 합니다.

±3%에서 ±5% 이내(일반적인 PCB의 임피던스 허용오차는 보통 ±10%입니다).

· 구현 방법: 선 폭, 선 간격, 기판 두께 및 동박 두께의 네 가지 핵심 매개변수를 정밀하게 설계하고 전자기 시뮬레이션 소프트웨어(예: ADS, HFSS)로 검증함으로써

임피던스 일관성을 확보합니다. 예를 들어, 마이크로스트립 라인 구조의 임피던스 값은 선 폭에 비례하고 기판 두께에 반비례합니다. 목표값에 도달하기 위해 반복적으로 조정해야 합니다.

목표값에 도달합니다.

낮은 기생 파라미터 및 방해 저항 특성

고주파 회로에서 배선의 기생 커패시턴스와 인덕턴스는 추가적인 간섭원을 발생시켜 신호 쌍신호 간섭 또는 전자기 방사(EMI)를 유발할 수 있습니다. 따라서 고주파 PCB는 기생 효과를 줄이기 위해 설계 및 최적화되어야 합니다.

기생 효과를 줄이기 위해 설계 및 최적화되어야 합니다.

낮은 기생 파라미터 설계

와이어 길이를 단축하고, 회로 배선을 간소화하여 부도전 인덕턴스를 낮춥니다.

신호선 사이의 간격을 넓히거나 접지 격리 벨트를 사용하여 부도전 용량을 줄입니다.

마이크로스트립 선로 및 리본 케이블과 같은 특수 전송선 구조를 채택하여 신호 간 및 외부 세계와의 전자기 결합을 줄입니다.

전자기 간섭(EMI) 방지 기능

접지층 수를 늘려 '차폐 캐비티'를 형성하고 외부 전자기 간섭을 차단합니다.

민감한 부품(RF 칩 등)에 대해 부분 차폐를 수행하여 내부 신호 방사를 줄입니다.

전원 및 접지 배치를 최적화하여 전원 노이즈가 고주파 신호에 미치는 영향을 줄입니다.

탁월한 물리적 특성 및 환경 적응성

고주파 PCB의 응용 시나리오는 산업 제어, 의료, 군사 산업과 같이 엄격한 환경 요건이 있는 분야가 대부분입니다. 따라서 기판 소재와 공정은

추가적인 물리적 성능 요구사항

· 내열성: 일부 기판 소재(예: PTFE, Rogers)는 260℃ 이상의 온도를 견딜 수 있어 리플로우 납땜 및 파동 납땜 공정 조건을 충족시키며 동시에 고온 환경에서 장기간 장비 운용에 적합합니다.

고온 환경에서 장비의 장기간 운용에 적합합니다.

· 내화학성: 기판 소재는 산·알칼리 및 습기에 견디는 특성을 가져야 하며, 혹독한 환경에서 기판의 박리나 동박의 산화를 방지할 수 있습니다.

· 기계적 안정성: 구리 호일은 기판과 강한 접착력을 가지며, 휨이나 변형이 적어 진동 및 충격 조건 하에서 장비의 신뢰성을 보장합니다.

높은 제조 정밀 특성

고주파 PCB의 가공 기술 정확도는 일반적인 PCB보다 훨씬 높습니다. 핵심 공정 요구사항에는 다음이 포함됩니다:

· 미세 배선 폭/배선 간격: 3mil/3mil(0.076mm/0.076mm) 또는 그보다 더 얇은 배선 폭과 간격을 구현할 수 있어 고밀도 및 고주파 회로의 배선 요구를 충족시킵니다.

· 정밀 드릴링: 최소 홀 지름이 0.1mm에 도달하며, 홀 위치 허용오차가 ±0.01mm 이내로 제어되어 홀 위치 편차로 인한 임피던스 변화를 방지합니다.

· 표면 처리: 도체 표면의 신호 손실을 줄이기 위해 주로 금도금 및 은도금 공정을 채택한다. (스킨 효과는 고주파 신호가 도체 표면에 집중되게 하며, 매끄러운 표면 처리를 통해 손실을 줄일 수 있음)

처리하면 손실을 줄일 수 있음)

코어 기판

기판은 고주파 PCB의 기초이며, 신호 전송 손실과 안정성에 직접적인 영향을 미친다. 주류 유형과 주요 사양은 다음과 같다:

동박 소재

고주파 신호는 피부 효과가 있는데, 이는 신호가 도체의 표면에 집중되어 전송된다는 것을 의미합니다. 따라서 동박 선택 시 전도 효율과 표면 평탄성을 모두 고려해야 합니다.

전해동박: 비용이 낮고 표면 거칠기가 중간 수준으로, 대부분의 고주파 PCB 상황에 적합합니다.

압연동박: 표면이 더 매끄럽고 피부 효과로 인한 손실이 적어 고주파 및 고감도 무선 주파수 장비에 적합합니다.

동박 두께: 일반적으로 1온스(35μm) 또는 ½온스(17.5μm)를 사용합니다. 얇은 동박은 부도전 인덕턴스를 줄일 수 있어 고밀도 고주파 배선에 더 적합합니다.

표면 처리 재료

고주파 PCB의 표면 처리는 접촉 저항을 줄이고, 동박의 산화를 방지하며, 고주파 신호 전송에 영향을 미치지 않도록 해야 합니다.

· 금도금(ENIG): 매끄러운 표면, 강한 산화 저항성, 낮은 접촉 저항, 고주파 신호 손실에 미치는 영향이 적음. 고정밀 RF 인터페이스에 적합.

· 은도금: 금도금보다 전기 전도성이 우수하고 손실이 낮지만 산화되기 쉬우므로 항산화 코팅과 함께 사용해야 하며, 고주파 마이크로파 회로에 적합함.

· 유기계 납땜 방지막(OSP): 비용이 낮고 공정이 간단하지만 내열성은 평균 수준이며, 비용에 민감한 소비자 전자기기의 고주파 PCB에 적합함.

고주파 PCB 설계의 핵심은 300MHz에서 3GHz 범위의 신호에 대해 신호 무결성, 낮은 손실 및 간섭 저항 성능을 보장하는 것이다. 기판 선택, 임피던스 제어, 배선 레이아웃 및 접지 차폐 등 여러 차원에서 철저히 관리해야 한다. 구체적인 주의사항은 다음과 같다:

기판 재료의 정밀한 선정

고주파 신호의 과도한 감쇠를 방지하기 위해 낮은 Dk(2.2-4.5)와 낮은 Df(<0.002)를 갖는 PTFE, Rogers RO4350B와 같은 전용 기판을 우선적으로 선택하고, 일반적인 FR-4 기판 사용은 피해야 합니다.

환경 변화로 인한 임피던스 드리프트를 방지하기 위해 작동 온도 및 주파수 범위 내에서 기판의 Dk 값 안정성을 확인해야 합니다.

전체 공정에 걸쳐 임피던스 제어가 엄격합니다.

선폭, 선간격, 기판 두께와 임피던스 사이의 상관관계는 ADS, HFSS와 같은 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 사전에 계산됩니다. 일반적으로 사용되는 목표 임피던스는

50Ω(RF 전송용) 및 75Ω(영상 전송용)입니다.

임피던스 허용오차는 ±3%에서 ±5% 이내로 유지해야 하며, 배선 시 임피던스 불연속으로 인한 신호 반사를 방지하기 위해 선폭의 급격한 변화나 직각 굴곡을 피해야 합니다.

고주파 신호 라인은 불균일한 매체로 인한 임피던스 변동을 줄이기 위해 가능하면 표면 마이크로스트립 선 또는 내부 스트립라인으로 배치해야 합니다.

배선 레이아웃의 기생 파라미터 최적화

고주파 트레이스 길이 단축: 장거리 배선을 피하고, 기생 인덕턴스를 줄이며, 신호 지연과 방사를 최소화합니다.

신호 라인 간격 확대: 고주파 라인 사이의 간격은 라인 폭의 3배 이상이어야 하며, 또는 기생 커패시턴스와 신호 크로스토크를 줄이기 위해 접지 격리 밴드를 사용해야 합니다.

평행 라인 및 교차 라인 회피: 평행 배선은 결합 간섭이 발생하기 쉬우므로, 교차 배선 시에는 접지층을 통해 격리하거나 수직 교차 방식을 채택해야 합니다.

근처 부품 배치: RF 칩, 안테나, 커넥터와 같은 고주파 소자는 고주파 경로의 길이를 줄이기 위해 가깝게 배치해야 합니다.

접지 및 차폐 설계를 통해 간섭 방지 기능을 향상시킵니다

다층 보드의 경우, 완전한 접지층 설계를 우선적으로 고려하는 것이 좋습니다. 접지층은 신호의 귀환 경로로 작용하여 루프 임피던스를 줄이고 동시에 층 간 신호 간섭을 차폐할 수 있습니다.

단일층 보드의 경우, 접지 저항을 줄이기 위해 넓은 면적에 배선을 시공해야 합니다.

민감한 부품의 국부적 차폐: RF 앰프 및 발진기와 같은 핵심 부품의 경우, 외부 전자기 간섭(EMI)과 내부 신호 방사를 차단하기 위해 금속 차폐 커버를 설계할 수 있습니다.

디지털 접지와 고주파 접지의 분리: 고주파 신호 접지와 디지털 회로 접지는 한 점에서 연결되어야 하며, 이를 통해 디지털 노이즈가 고주파 신호 경로로 유입되는 것을 방지할 수 있습니다.

전원 공급 장치 및 필터 설계를 통해 노이즈를 감소시킵니다

고주파 회로는 전원 노이즈에 민감합니다. 따라서 전원 입력 단과

칩의 전원 핀 근처에는 고주파 노이즈를 제거하기 위해 고주파 필터 커패시터(예: 0.1μF 세라믹 커패시터 + 10μF 탄탈 커패시터)를 병렬로 연결해야 합니다.

전원 배선은 짧고 넓게 하여 배선의 임피던스를 줄이고 전원 노이즈와 고주파 신호 간의 결합을 방지해야 합니다.

제조 공정은 표면 처리와 호환됩니다

정밀한 배선 폭/배선 간격(3mil/3mil 이하) 및 정밀 드릴링(홀 직경 허용오차 ±0.01mm)을 지원하는 가공 기술을 선택하여 고주파 PCB의 정밀도 요구사항을 충족시켜야 합니다.

표면 처리의 경우 금도금과 은도금이 바람직합니다. 금도금 표면은 매끄럽고 접촉 저항이 낮습니다. 은도금은 우수한 전기 전도성과 낮은 피부 효과 손실을 가지며 고주파 응용 분야에 적합합니다.

핵심 고주파 영역에서는 항산화 성질이 낮은 OSP 공정의 사용을 피해야 합니다.

열 설계는 고온 조건의 요구사항에 맞추어 조정됩니다.

일부 고주파 기판(예: PTFE)은 열 전도성이 낮습니다. 따라서 과도한 열로 인한 기판의 변형과

고출력 장치에서 발생하는 열로 인한 성능 저하를 방지하기 위해 방열 경로를 합리적으로 설계하거나 열 전도성 패드를 사용해야 합니다.

낮은 신호 감쇠는 신호 전송 품질을 보장합니다.

PTFE 및 로저스(Rogers) 시리즈와 같이 유전율(Dk)과 유전손실(Df)이 낮은 전용 기판을 사용함으로써 300MHz에서 3GHz 범위의 고주파 신호 전송 시 에너지 손실을 효과적으로

줄일 수 있으며, 신호 왜곡을 방지하고 장거리 및 고주파 통신 및 데이터 전송 요구사항을 충족시킬 수 있습니다.

고정밀 임피던스 제어를 통해 신호 무결성 향상

선폭, 선간격 및 기판 두께를 정밀하게 설계하여 임피던스 허용오차를 ±3%에서 ±5% 이내로 제어함으로써 50Ω/75Ω과 같은 표준 임피던스의 안정적인 매칭을 달성하고 신호 반사

및 정재파 현상을 방지하여 RF 및 마이크로웨이브와 같은 고주파 회로의 신뢰성 있는 작동을 보장합니다.

강력한 간섭 저항 능력을 갖추어 복잡한 전자기 환경에 적합

최적화된 배선 구조(마이크로스트립 라인 및 리본 라인 등)와 다층 접지 설계를 통해 부수적 정전용량과 인덕턴스, 신호 간섭 및 전자기 방사(EMI)를 줄일 수 있습니다. 이와 함께

국소 금속 차폐를 적용하면 외부 전자기 간섭에 저항할 수 있어 산업용 제어 장비 및 의료 기기처럼 전자기 호환성(EMC) 요구 조건이 엄격한 환경에 적합합니다.

탁월한 환경 적응성으로 혹독한 작동 조건을 충족

고주파 전용 기판은 고온 저항성(260℃ 이상), 화학 부식 저항성 및 습기 저항성을 갖추고 있습니다. 안정적인 동박 결합 공정과 결합하여 진동 및 고/저온 순환과 같은 열악한 환경에서도 안정적인

성능을 유지하며 자동차급 및 군사급의 장기간 운용 요구사항을 충족시킵니다.

장비.

높은 집적화를 지원하여 소형화 설계를 가능하게 합니다

3밀/3밀 이하의 미세한 라인 폭 및 간격과 소형 홀 지름의 가공을 지원합니다. 고밀도 배선이 가능하여 RF 모듈 및 5G 기지국 부품과 같은 소형화되고 고도로 통합된 제품의 설계 요구사항을 충족시키며 장비 공간을 절약할 수 있습니다.

모듈 및 5G 기지국 부품, 그리고 장비 공간 절약.