고주파 PCB: 제조, 설계 및 RF 성능 최적화

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고주파 PCB는 1GHz 이상의 신호를 처리하는 보드로 정의됩니다.5G 네트워크와 위성 통신, 레이더 시스템 및 IoT 장치에 이르기까지 모든 것을 가능하게 합니다.비용과 기본 기능을 우선시하는 표준 PCB와 달리, 고주파 설계는 신호 무결성, 임피던스 매칭 및 손실 최소화에 대한 정확한 통제를 요구합니다.작은 설계 결함 이나 제조 오류 도 신호 약화 를 일으킬 수 있다이 가이드에서는 중요한 설계 원칙, 제조 기술,고주파 PCB가 신뢰할 수있는 RF (라디오 주파수) 성능을 제공하는 재료 선택, 실제 세계 응용 프로그램 및 비교 분석과 함께 엔지니어와 제조업체를 안내합니다.

고주파 PCB 를 독특 하게 만드는 것 은 무엇 입니까?
고주파 신호 (1GHz+) 는 저주파 신호와 다르게 동작하여 PCB 설계와 제조를 형성하는 독특한 과제를 제시합니다.
1피부 효과: 높은 주파수에서 전자는 주로 구리 흔적의 표면을 따라 (표면의 1μ5μm 이내에) 흐르며 효과적인 저항을 증가시킵니다.이것은 손실을 최소화 하기 위해 부드러운 구리 표면을 필요로 합니다.
2신호 약화: 높은 주파수 신호는 이동하면서 힘을 잃으며, 손실은 주파수와 함께 기하급수적으로 증가합니다. 예를 들어,60GHz 신호는 표준 FR-4에서 10인치 이상에서 ~50%의 전력을 잃습니다.1GHz에서 10%에 비해
3임피던스 민감성: 신호 반사를 방지하기 위해 일관성 있는 특성 임피던스 (일반적으로 RF의 50Ω) 를 유지하는 것이 중요합니다.10%의 임피던스 불일치로 1% 반사 문제가 발생할 수 있습니다..
4크로스트랙과 EMI: 고주파 신호는 전자기 에너지를 방출하여 인접한 흔적 (크로스트랙) 과 다른 구성 요소 (EMI) 에 간섭합니다.
이러한 도전은 저주파 PCB에 필요하지 않은 특수 재료, 더 긴 tolerances 및 고급 설계 기술을 요구합니다.

고주파 PCB의 주요 설계 원칙
고주파 PCB를 설계하는 것은 손실을 최소화하고 임피던스를 제어하고 간섭을 줄이는 데 중점을 두어야합니다. 다음 원칙은 기본입니다:
1임페던스 제어
임페던스 (Z0) 는 흔적 너비, 기판 두께 및 다이 일렉트릭 상수 (Dk) 로 결정됩니다. RF 응용 프로그램:
a. 특성적 임피던스: 대부분의 RF 회로에 대한 목표 50Ω (비디오에 75Ω, 미분 쌍에 100Ω).
b. 관용: 반사량을 최소화하기 위해 목표의 ± 5% 내의 임피던스를 유지합니다. 이것은 흔적 차원 (± 0.05mm) 및 Dk (± 0.1) 에 대한 정확한 통제가 필요합니다.
c. 도구: 3차원 필드 풀러 (예를 들어 Ansys HFSS) 를 사용하여 트래스 기하학과 기판 특성을 계산하여 임피던스를 시뮬레이션합니다.

2추적 라우팅
a.단기, 직선 경로: 저하를 줄이기 위해 추적 길이를 최소화한다. 28GHz에서 1인치의 추적은 저손실 기판에서 ~0.5dB를 잃어 복잡한 설계에서 빠르게 증가한다.
b. 일관된 기하학: 임피던스 불연속성을 유발하는 갑작스러운 곡선, 비아스 또는 너비 변화를 피하십시오. 반사를 줄이기 위해 90 ° 대신 45 ° 각을 사용하십시오.
c. 지상 평면: RF 흔적 바로 아래에 연속적인 지상 평면을 배치하여 저저저항역 회귀 경로를 제공하고 간섭으로부터 보호합니다.
최선 실습: 상층에 고주파 흔적을 지정하여 바로 아래의 전지 평면으로 분리하여 단단한 결합을 위해 얇은 다이 일렉트릭 (0.2~0.5mm) 으로 분리합니다.

3디자인
비아 (특히 구멍 비아) 는 임피던스를 방해하고 높은 주파수에서 신호 반사를 유발합니다. 완화 전략에는 다음이 포함됩니다.
a.미크로비아: 블라인드 / 장사 미크로비아 (~0.15mm 지름) 를 사용하여 스터브 길이를 최소화하십시오. <0.5mm 스터브는 2mm 스터브에 비해 60GHz에서 손실을 30% 감소시킵니다.
b.Via Shielding: 방사선을 억제하고 교란을 줄이기 위해 토양 비아 (stitched vias) 로 비아를 둘러싸고 있습니다.
c. 반 패드 최적화: 반 패드의 크기 (지상 평면에서의 비아 주위의 클리어런스) 는 임피던스 연속성을 유지합니다.

4. 컴포넌트 배치
a. RF 컴포넌트 그룹: 클러스터 증폭기, 믹서 및 안테나, 그 사이의 추적 길이를 최소화하기 위해.
b. 아날로그 및 디지털 섹션을 격리하십시오. EMI를 방지하기 위해 디지털 논리에서 고주파 RF 회로를 분리하십시오. 단일 지점에서 연결 다리로 분리 된 지상 평면을 사용하십시오.
소음 근원을 피하십시오: 간섭을 줄이기 위해 전원 공급 장치, 오시레이터 및 고전류 흔적을 RF 경로에서 멀리하십시오.

고주파 PCB를 위한 중요한 물질
물질 선택은 고주파 PCB 성능에서 가장 중요한 요소입니다. 다이 일렉트릭 특성이 손실과 신호 무결성에 직접 영향을 미치기 때문입니다.
1기판 재료

주요 지표:
Dk 안정성: 낮은 Dk (3.0~3.5) 는 신호 지연을 최소화하며, 온도 (±0.05) 에서 안정적인 Dk는 일관된 임피던스를 보장합니다.
Df (분산 요인): 낮은 Df는 변전기를 감소시킵니다. 28GHz에서 0.002의 Df (RO4350B) 는 Df 0.004 (Megtron 6) 보다 50% 적은 손실을 초래합니다.

2구리 포일
a. 표면 거칠성: 부드러운 구리 (Rz <1μm) 는 피부 효과 손실을 감소시킵니다. 매우 낮은 프로파일 (VLP) 구리 (Rz 0.3 ∼ 0.8μm) 는 > 28GHz에 이상적입니다.
b. 두께: 0.5 ∼ 1 온스 (17 ∼ 35μm) 는 전도성과 피부 효과를 균형 잡습니다. 두꺼운 구리는 피부 효과로 인해 높은 주파수에서 혜택을 제공하지 않습니다.
c. 앙일링: 롤링 앙일링 구리는 손실을 증가시키지 않고 구부러진 디자인 (예를 들어 안테나) 에 대한 유연성을 향상시킵니다.

3- 솔더마스크와 커버레이
a. 솔더마스크: 효과적 인 Dk를 증가시키지 않도록 얇은 (1020μm) Dk가 낮은 솔더마스크 (예를 들어, 액체 사진이 가능한) 를 사용하십시오.
b. 커버레이 (플렉스 PCB): Dk <3.0의 폴리아미드 커버레이는 유연한 고주파 설계에서 신호 무결성을 유지합니다.

고주파 PCB 제조 기술
고주파 PCB는 성능을 유지하기 위해 더 엄격한 허용량과 전문 프로세스를 필요로합니다.
1- 정밀 고문
a. 에치 관용: 임피던스를 유지하기 위해 ±0.01mm의 흔적 너비 조절을 달성합니다. 이것은 스프레이 압력 조절을 갖춘 고급 에치 머신이 필요합니다.
b.Undercut 최소화: 낮은 etch 요인 화학을 사용하여 상위와 하위 추적 너비 사이의 차이 (undercut) 를 줄여 일관된 임피던스를 보장합니다.

2뚫기
a. 미생물 구멍: 레이저 구멍 (UV 또는 CO2 레이저) 은 고밀도 RF 설계에 중요한 ± 2μm 위치 정확도로 0.05 ∼ 0.15mm 미생물을 만듭니다.
b. 구멍을 뚫어 파기: 제거하지 않으면 손실을 증가시킬 수 있는 樹脂 smear를 최소화하기 위해 118° 점각의 탄화물 파기를 사용하십시오.

3라미네이션
a.온도 및 압력 조절: 라미네이트는 균일한 다이 일렉트릭 두께 (± 5μm) 를 보장하기 위해 정확한 압력 (20~30 kgf/cm2) 및 온도 (180~220°C) 로 결합해야합니다.
(b) 빈자 방지: 진공 라미네이션은 Dk 변동과 신호 손실을 유발하는 공기 거품을 제거합니다.

4시험 및 검사
a. 타임 도메인 반사 측정 (TDR): PCB 전체의 임피던스 불연속성을 측정하여 추적 너비 변동 또는 스터브와 같은 문제를 식별합니다.
b.네트워크 분석기 테스트: 성능을 확인하기 위해 100GHz까지 삽입 손실 (S21) 및 반환 손실 (S11) 을 특성화합니다.
c.X선 검사: BGA/RFIC 부품의 정렬 및 용접 결합 품질을 확인합니다.

응용 분야: 작동 중인 고주파 PCB
고주파 PCB는 다양한 최첨단 기술을 가능하게 하며, 각각의 요구 사항은 독특합니다.
15G 인프라
a. 베이스 스테이션: 28GHz 및 39GHz mmWave 배열은 손실을 최소화하기 위해 0.5mm의 변압 두께의 RO4350B 기판을 사용합니다.
b.소형 세포: 컴팩트 5G 소형 세포는 6GHz 이하의 대역에서 비용 효율성을 위해 높은 Tg FR-4 (Megtron 6) 에 의존합니다.
c. 요구 사항: 28GHz에서 인치당 0.3dB의 삽입 손실; ±3%의 임피던스 허용.

2항공우주 및 국방
a. 레이더 시스템: 77GHz 자동차 레이더와 100GHz 군사 레이더는 최소 손실을 위해 PTFE 기판 (RT/duroid 5880) 을 사용합니다.
b.위성 통신: Ka 대역 (26.5~40GHz) 송신기는 -55°C에서 125°C 이상 안정적인 Dk를 가진 방사능 경화 물질이 필요합니다.

3소비자 전자제품
a.스마트폰: 5G 스마트폰은 FR-4와 LCP (액성 결정 폴리머) PCB를 6GHz 이하와 mmWave 안테나에 통합하여 비용과 성능을 균형있게합니다.
b.Wi-Fi 6E: 6GHz Wi-Fi 라우터는 다 안테나 MIMO 디자인을 지원하기 위해 마이크로 비아와 함께 높은 Tg FR-4를 사용합니다.

4의료기기
a.MRI 코일: 고 주파수 (64MHz ∼ 3T) MRI 코일은 신호 간섭을 최소화하고 이미지 품질을 향상시키기 위해 낮은 Dk 기판을 사용합니다.
b. 무선 센서: 착용 가능한 건강 모니터에는 2.4GHz 블루투스 연결을 위해 유연한 LCP PCB가 사용되며, 낮은 손실과 호환성을 결합합니다.

비교 분석: 고주파 대 표준 PCB

고주파 PCB 기술 의 미래 경향
재료와 설계의 발전은 고주파 PCB의 성능을 더욱 향상시키고 있습니다.
1그래핀 강화 기판: Dk <2.0 및 Df <0.001의 그래핀 투여 변전기가 개발 중이며 100+ GHz 응용 프로그램을 목표로합니다.
2첨가 제조: PCB와 통합된 3D 프린팅 RF 구조 (예를 들어 안테나, 파도 유도) 는 손실을 줄이고 통합을 향상시킵니다.
3인공지능 기반 설계: 기계 학습 도구는 추적 라우팅과 재료 선택을 최적화하여 설계 시간을 40% 줄이고 성능을 향상시킵니다.

FAQ
Q: PCB가 처리할 수 있는 최대 주파수는 무엇일까요?
A: 현재 고주파 PCB는 PTFE 기판을 사용하여 100GHz까지 신뢰할 수 있습니다. 새로운 재료로 테라헤르츠 주파수까지 확장하기 위해 연구가 진행되고 있습니다.

Q: 표준 FR-4는 고주파 설계에 사용될 수 있습니까?
A: 표준 FR-4는 높은 Df 및 Dk 변동으로 인해 <1GHz로 제한됩니다. 고급 높은 Tg FR-4 (예를 들어, Megtron 6) 는 비용 민감한 응용 프로그램에서 10GHz까지 작동합니다.

Q: 온도가 고주파 PCB 성능에 어떤 영향을 미치나요?
A: 온도 변화는 기판 Dk (일반적으로 +0.02 10 ° C에), 임피던스에 영향을 미칩니다. 넓은 작동 범위에서 온도 안정적인 기판 (예: RO4350B) 을 사용하십시오.

Q: 고주파 PCB와 표준 PCB의 비용 차이는 무엇입니까?
A: 고주파 PCB는 특화된 재료 (예를 들어, PTFE), 더 엄격한 관용 및 고급 테스트로 인해 2~5배 더 비싸습니다.

Q: 유연 PCB는 높은 주파수에 적합합니까?
A: 예, LCP (액성 결정 폴리머) 유연 PCB는 낮은 손실로 최대 60GHz를 지원하여 곡선 안테나와 착용 가능한 장치에 이상적입니다.

결론
고주파 PCB는 차세대 무선 기술의 중요한 요소이며, 설계 정확성, 재료 과학 및 제조 전문의의 꼼꼼한 혼합이 필요합니다.임피던스 제어의 우선 순위를 부여함으로써Dk/Df가 낮은 재료로 손실을 최소화하고 첨단 제조 기술을 사용하여 엔지니어들은 1GHz 이상에서 신뢰할 수 있는 성능을 제공하는 PCB를 만들 수 있습니다.
5G 베이스 스테이션, 레이더 시스템 또는 의료 기기에서 중요한 것은 재료와 디자인 선택이 애플리케이션의 주파수, 비용 및 환경 요구 사항에 부합하는 것입니다.무선 기술들이 더 높은 주파수 (6G) 를 향해 계속 추진됨에 따라, 테라헤르츠) 와 같은 높은 주파수 PCB 혁신은 진전의 초석이 될 것입니다.

중요한 점: 고주파 PCB는 표준 PCB의 더 빠른 버전이 아닙니다. 그들은 모든 물질, 흔적,그리고 이 트래픽은 특유의 고주파의 도전에 직면했을 때 신호의 무결성을 유지하도록 설계되었습니다..