고속 PCB 설계에 가장 좋은 재료: 신호 무결성 및 성능을 최적화

1GHz 이상의 신호 주파수 또는 10Gbps 이상의 데이터 속도로 정의되는 고속 PCB 설계는 신호 무결성을 유지하고 손실을 최소화하고 신뢰할 수있는 작동을 보장하기 위해 전문 재료가 필요합니다.표준 PCB와 달리, 비용과 기본 기능을 우선시하는, 고속 설계 (5G 네트워크, AI 가속기 및 항공 통신 시스템에서 사용되는) 는 임피던스를 제어하도록 설계된 재료에 의존합니다.약화 감소적절한 기판, 구리 및 다이 일렉트릭 물질을 선택하는 것은 PCB의 고주파 신호를 손상없이 처리하는 능력에 직접 영향을 미칩니다.이 가이드는 고속 PCB 설계에 가장 좋은 재료를 탐구합니다., 그들의 주요 특성과 최적의 성능을 위해 특정 애플리케이션 요구 사항에 맞추는 방법.

고속 PCB에 대한 중요한 재료 특성
고속 신호는 저주파 신호와 다르게 행동합니다. 그들은 에너지를 방출하고, 피부 효과에 시달리고,PCB 물질은 네 가지 핵심 영역에서 우수해야 합니다.:

1다이 일렉트릭 상수 (Dk)
다이 일렉트릭 상수 (Dk) 는 물질의 전기 에너지를 저장하는 능력을 측정합니다. 고속 설계의 경우:
a. 안정성: Dk는 임피던스 조절을 유지하기 위해 주파수 (1GHz ~ 100GHz) 와 온도 (-40°C ~ 125°C) 에서 일관성 유지되어야 합니다. ±0.2 이상의 변동은 신호 반사를 유발할 수 있습니다.
b. 낮은 값: 낮은 Dk (3.0 ∼4.5) 는 전파 속도가 Dk의 제곱근에 역비례하기 때문에 신호 지연을 줄입니다.
예를 들어: Dk = 3.0의 물질은 Dk = 4의 물질보다 신호가 1.2x 더 빨리 이동하도록 허용합니다.5.

2분산 요인 (Df)
분산 요인 (Df) 은 다이 일렉트릭 물질의 열으로 에너지 손실을 정량화합니다. 고속 신호의 경우:
a.Low Df: 약화 (신호 손실) 를 최소화하기 위해 중요합니다. 28GHz에서 0.002의 Df는 10 인치의 흔적에서 0.004의 Df보다 50% 적은 손실을 초래합니다.
b. 주파수 안정성: Df는 주파수 (예를 들어 1GHz에서 60GHz로) 에 따라 크게 증가해서는 안 된다.

3열전도
고속 PCB는 활성 구성 요소 (예를 들어, 5G 트랜시버, FPGA) 및 높은 전류 밀도로 인해 더 많은 열을 생성합니다. 더 높은 열 전도성 (≥0.3W/m·K) 는 더 효과적으로 열을 분산합니다., 신호 성능을 저하시키는 핫스팟을 방지합니다.

4유리 전환 온도 (Tg)
유리 전환 온도 (Tg) 는 재료가 딱딱한 상태에서 부드러운 상태로 변화하는 온도이다. 고속 설계의 경우:
a. 높은 Tg: 용접 (260°C+) 및 고온 환경에서 작동하는 동안 차원 안정성을 유지하는 데 중요합니다 (예를 들어 자동차 하위 시스템). Tg ≥170°C가 권장됩니다.

고속 PCB를 위한 최고의 기판 재료
기판 재료는 PCB의 핵을 형성하며, 강화 섬유와 다이 일렉트릭 기반을 결합합니다. 다음 재료는 고속 애플리케이션에 대한 산업 표준입니다.

1탄화수소 세라믹 (HCC) 라미네이트
HCC 라미네이트 (예를 들어, 로저스 RO4000 시리즈) 는 탄화수소 합료를 세라믹 필러와 혼합하여 낮은 Dk, 낮은 Df 및 비용 효율성의 이상적인 균형을 제공합니다.
a.중요한 특성:
Dk: 3.38~3.8 (10GHz)
Df: 0.0027~0.0037 (10GHz)
Tg: 280°C
열전도: 0.6W/m·K

이점:
주파수와 온도 (±0.05) 에서 안정적인 Dk
표준 PCB 제조 프로세스 (어치, 굴착) 와 호환됩니다.
c. 애플리케이션: 5G 베이스 스테이션 (6GHz 하위), IoT 게이트웨이 및 자동차 레이더 (24GHz).

2PTFE (테플론) 라미네이트
PTFE (polytetrafluoroethylene) 라미네이트 (예를 들어, Rogers RT/duroid 5880) 는 플루오폴리머 기반이며, 극도로 높은 주파수 응용 프로그램에서 가장 낮은 Dk와 Df를 제공합니다.
a.중요한 특성:
Dk: 2.2~2.35 (10GHz)
Df: 0.0009~0.0012 (10GHz)
Tg: 없음 (무형, > 260°C)
열전도: 0.25~0.4W/m·K
이점:
최소 손실로 mmWave (28 ∼ 100GHz) 신호에 거의 이상적입니다.
화학물질에 대한 뛰어난 저항성
c. 제한 사항:
더 높은 비용 (HCC보다 3~5배 더 많은).
특수 제조가 필요합니다 (저한 접착력 때문에).
d. 애플리케이션: 위성 통신, 6G 프로토타입 및 군사 레이더 (77~100GHz).

3고Tg FR-4 라미네이트
첨단 FR-4 라미네이트 (예를 들어, 파나소닉 메그트론 6) 는 FR-4의 비용 이점을 유지하면서 고주파 성능을 향상시키기 위해 변형 된 에포시 樹脂을 사용합니다.
a.중요한 특성:
Dk: 3.6~4.5 (10GHz)
Df: 0.0025~0.004 (10GHz)
Tg: 170~200°C
열전도: 0.3~0.4W/m·K
이점:
HCC나 PTFE보다 50~70% 저렴한 비용입니다.
널리 사용 가능하고 모든 표준 PCB 프로세스와 호환됩니다.
c. 제한 사항:
HCC/PTFE보다 높은 Df, 28GHz 이상 사용을 제한합니다.
d. 애플리케이션: 10Gbps 이더넷, 소비자 전자제품 (5G 스마트폰) 및 산업 라우터.

4액체 결정 폴리머 (LCP) 라미네이트
LCP 라미네이트 (예를 들어, 로저스 LCP) 는 특이한 차원 안정성과 고주파 성능을 가진 열탄소 물질입니다.
a.중요한 특성:
Dk: 3.0~3.2 (10GHz)
Df: 0.002~0.003 (10GHz)
Tg: 300°C+
열전도: 0.3 W/m·K
이점:
플렉서블 고속 PCB를 위한 초느다란 프로필 (50~100μm)
낮은 수분 흡수 (<0.02%), 신뢰성에서 중요합니다.
c. 애플리케이션: 유연한 5G 안테나, 웨어러블 디바이스 및 고밀도 상호 연결 (HDI) PCB.

구리 포일: 고속 신호 를 위한 중요 요소
구리 포일은 종종 간과되지만 표면 거칠성과 두께는 고속 신호 성능에 크게 영향을 미칩니다.
1역처리 (RT) 구리
RT 구리 는 매끄러운 다이 일렉트릭 표면과 거친 구성 요소 표면으로 접착력과 신호 성능을 균형을 이루고 있습니다.
a.중요한 특성:
표면 거칠성 (Rz): 1.5~3.0μm
두께: 12μ70μm (0.5μ3온스)
이점:
높은 주파수에서 신호 손실을 줄여줍니다. 부드러운 표면에 피부 효과가 최소화됩니다.
기질에 강한 접착력
c. 5G 및 자동차 레이더에서 1~28GHz 신호에 가장 적합하다.

2아주 낮은 프로필 (VLP) 구리
VLP 구리는 극도로 높은 주파수 애플리케이션을 위해 초연끈한 표면 (Rz <1.0μm) 을 갖추고 있습니다.
a.중요한 특성:
표면 거칠성 (Rz): 0.3~0.8μm
두께: 12~35μm (0.5~1.5온스)
이점:
피부 효과 손실을 줄임으로써 > 28GHz에서 삽입 손실을 최소화합니다.
c. 제한 사항:
낮은 접착력 (특별한 접착 물질이 필요합니다.)
d.위성 및 6G 시스템에서 mmWave (28~100GHz) 를 최선으로 사용한다.

3용광 구리
반열 된 구리는 융통성을 향상시키기 위해 열 처리를 받으며 유연한 고속 PCB에 이상적입니다.
a.중요한 특성:
팽창 강도: 200~250 MPa (표준 구리의 경우 300~350 MPa).
플렉스 라이프: >100,000 사이클 (180° 곡선)
b.최고용: 착용용품 및 곡선 안테나에 있는 유연한 LCP PCB.

비교 분석: 응용분야별로 고속 재료

재료 선택 에 대한 디자인 고려 사항
올바른 재료 를 선택 하는 것 은 성능, 비용, 제조 가능성 을 균형 잡는 것 이다. 다음 지침 을 따르라.
1빈도 및 데이터 속도
a.<10GHz (예를 들어, 5G 하위-6GHz): 높은 Tg FR-4 또는 HCC 라미네이트는 저렴한 비용으로 충분한 성능을 제공합니다.
b.10~28GHz (예를 들어, 5G 중간 대역): HCC 라미네이트 (RO4000) 는 손실과 비용의 가장 좋은 균형을 제공합니다.
c.>28GHz (예를 들어, mmWave): 약화를 최소화하기 위해 PTFE 또는 LCP 라미네이트가 필요합니다.

2열 요구 사항
a. 고전력 부품 (예를 들어, 5G 전력 증폭기) 는 열전도 >0.5 W/m·K (예를 들어, 세라믹 필러로 HCC) 를 필요로 한다.
b.자동차 또는 산업용 환경 (환경 온도 >85°C) 에는 Tg ≥180°C가 필요합니다 (예를 들어, Megtron 8, RO4830).

3비용 제한
a. 소비자 전자제품 (예: 스마트폰) 은 비용을 우선시합니다. 5G 하위 6GHz에 높은 Tg FR-4를 사용하십시오.
b.항공 우주/군용 애플리케이션은 성능을 최우선으로 합니다. 높은 비용에도 불구하고 PTFE는 정당합니다.

4제조업 호환성
a.PTFE와 LCP는 전문적인 프로세스를 필요로 합니다 (예: 접착을 위한 플라스마 처리), 생산의 복잡성을 증가시킵니다.
b.High-Tg FR-4와 HCC는 표준 PCB 제조와 함께 작동하여 납품 시간과 비용을 줄입니다.

사례 연구: 실제 디자인에서 재료 성능

사례 1: 5G 기지국 (3.5GHz)
통신 제조업체는 3.5GHz 5G 기지 스테이션을 위해 비용 효율적인 PCB를 필요로했습니다.
재료 선택: 로저스 RO4350B (HCC 라미네이트) RT 구리 (1 온스).
결과:
삽입 손실: 3.5GHz에서 0.4dB/인치
PTFE 대안보다 30% 저렴한 비용입니다.
표준 제조로 95% 이상의 양을 내는 것

케이스 2: 자동차 레이더 (77GHz)
자동차 공급 업체는 <1.0dB/인치 손실과 Tg ≥170°C의 77GHz 레이더에 PCB를 요구했습니다.
재료 선택: 로저스 RO4830 (HCC 라미네이트) 와 VLP 구리 (0.5 온스).
결과:
삽입 손실: 77GHz에서 0.8dB/인치
1000개의 열주기 (-40°C~125°C) 를 탈층화 없이 견딜 수 있다.

케이스 3: 위성 통신 (Ka 대역, 28GHz)
한 국방사업자는 최소한의 손실과 방사능 저항을 가진 28GHz 위성 연결을 위한 PCB를 필요로 했습니다.
재료 선택: RT/duroid 5880 (PTFE 라미네이트) 와 VLP 구리 (0.5 oz).
결과:
삽입 손실: 28GHz에서 0.3dB/인치
방사선 검사에서 살아남았어요 MIL-STD-883H를 충족시켰습니다

차세대 고속 PCB를 위한 신생 재료
연구들은 고속 재료의 한계를 확장하고 있습니다.
a. 그래핀 강화 라미네이트: 그래핀 투여 디엘렉트릭 (Dk = 2.5, Df = 0.001) 100GHz 이상 용도로 열전도 > 1.0W/m·K
b.생물 기반의 고Tg FR-4: Dk = 3의 식물성 에포시 樹脂.8, Df = 0003, 지속가능성 규정 (EU 녹색 협정) 을 준수합니다.
c. 메타물질 기판: 6G 시스템에서 적응적 임피던스 매칭을 위해 조정 가능한 Dk (2.0~4.0) 를 가진 엔지니어링 재료.

FAQ
Q: 28GHz 애플리케이션에 높은 Tg FR-4를 사용할 수 있습니까?
A: 예, 그러나 제한이 있습니다. 고급 높은 Tg FR-4 (예를 들어, Megtron 7) 는 28GHz에서 ~ 1.2dB / 인치 손실로 작동하며 짧은 흔적 (<6 인치) 에 적합합니다. 더 긴 흔적에는 HCC 또는 PTFE가 더 좋습니다.

질문: 구리 두께가 고속 성능에 어떤 영향을 미치나요?
A: 더 두꺼운 구리 (1?? 3 온스) 는 전류 처리 기능을 개선하지만 피부 효과로 인해> 10GHz에서 손실을 증가시킵니다. 0.5?? 1 온스 VLP 구리를 고주파 설계에 사용합니다.

Q: 유연한 재료는 고속 신호에 적합합니까?
A: 예, VLP 구리 LCP 라미네이트는 유연한 형식 요소 (예: 웨어러블 기기의 곡선 안테나) 에서 60GHz 신호를 지원합니다.

Q: 고속 재료의 대표적인 납품 시간은 얼마입니까?
A: 높은 Tg FR-4 및 HCC 라미네이트: 2 ~ 4 주. PTFE 및 LCP: 전문 제조로 인해 4 ~ 8 주.

결론
고속 PCB 설계에 가장 좋은 재료를 선택하는 것은 신호 주파수, 열 요구 사항, 비용 및 제조 제약에 대한 깊은 이해가 필요합니다.높은 Tg FR-4는 여전히 비용에 민감한, 28GHz 이하의 애플리케이션, 반면 HCC 라미네이트는 1~60GHz의 성능과 비용을 균형 잡습니다. PTFE와 LCP는 각각 극도로 높은 주파수 (28~100GHz) 및 유연한 디자인을 지배합니다.
5G 기지 스테이션에서 손실을 최소화하거나 자동차 레이더에서 내구성을 보장하는 것이든 간에신뢰성6G와 mmWave 기술이 발전함에 따라 재료 혁신은 차세대 고속 전자제품을 계속 추진할 것입니다.
중요한 교훈: 올바른 재료는 고속 PCB 성능을 변화시킵니다. 주파수 Dk/Df 안정성, 전력 열 전도성,고속 설계의 성공을 보장하기 위해 확장성에 대한 비용.