임페던스 제어 및 PCB의 신호 무결성: 포괄적 인 가이드

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신호가 빛 속도의 일부로 이동하는 고속 전자 제품의 세계에서는 사소한 불일치조차도 성능을 방해 할 수 있습니다. PCBS 전원 5G 네트워크, AI 프로세서 및 고주파 통신 시스템의 경우 임피던스 제어는 기술적 인 세부 사항이 아니라 신뢰할 수있는 신호 무결성의 기초입니다. 5% 임피던스 불일치는 데이터 속도를 저하시키는 신호 반사를 유발하거나 오류를 도입하거나 전체 시스템을 충돌시킬 수 있습니다.

이 안내서는 임피던스 제어와 신호 무결성을 유지하는 데 중요한 역할을 해제합니다. 전송 라인의 물리학을 이해하는 것부터 실용적인 설계 전략 구현에 이르기까지 오늘날 가장 까다로운 응용 프로그램에서 완벽하게 수행되는 PCB의 임피던스 제어를 마스터하는 방법을 살펴 보겠습니다.

주요 테이크 아웃
1. impedance 제어는 신호 전송 라인이 일관된 저항 (예 : 단일 끝의 경우 50Ω, 차동 쌍의 경우 100Ω)을 유지하여 반사 및 신호 손실을 최소화하도록합니다.
2. 1Gbps 이상의 신호의 경우 10% 임피던스 불일치조차도 데이터 처리량을 30% 줄이고 오류율을 10 배 증가시킬 수 있습니다.
3. PCB 파라미터 (트레이스 폭, 유전체 두께 및 구리 중량)는 25Gbps+ 애플리케이션에 필요한 공차가 ± 5%로 빡빡한 임피던스에 방해에 영향을 미칩니다.
4. Field Solvers 및 TDR (Time Domain Reflectometry)과 같은 도구는 정확한 임피던스 검증을 가능하게하는 반면 설계 규칙 (예 : 90 ° 각도를 피함)은 신호 저하를 방지합니다.

PCB 디자인의 임피던스는 무엇입니까?
임피던스 (Z)는 전송 라인이 교대 전류 (AC) 신호에 나타나는 총 반대를 측정하여 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스를 결합합니다. PCB에서는 다음 사이의 관계에 의해 정의됩니다.
A.Resistance (R) : 도체 (구리) 및 유전체 재료의 손실.
B. 정보 (L) : 추적 지오메트리로 인한 전류 변화에 대한 반대.
c.capacitance (c) : 미량과 접지 평면 사이의 전기장에 저장된 에너지.
고속 신호의 경우, 임피던스는 주파수 의존적이지만 PCB 디자이너는 특성 임피던스 (ZAT)에 중점을 둡니다. 이는 단일 엔드 트레이스의 경우 일반적으로 50Ω, 차동 쌍 (USB, 이더넷 및 PCIE)의 경우 100Ω의 임피던스입니다.

임피던스 제어가 중요한 이유
신호가 소스 (예 : 마이크로 프로세서)에서 하중 (예 : 메모리 칩)으로 이동하면 소스, 전송 라인 및 하중 간의 임피던스 불일치가 신호 반사를 유발합니다. 에너지의 부대는 벽에 부딪히는 파도가 원래 신호를 방해하여 다시 튀어 오른다고 상상해보십시오.
반사는 다음과 같습니다.
A. Signal Distortion : 겹치는 원본 및 반사 신호는 "울림"또는 "오버 슈트"를 생성하여 수신기가 1과 0을 구별하기가 어렵습니다.
B. 최신 오류 : 반사 지연 신호 도착, 고속 디지털 시스템의 설정/홀드 시간 위반.
c.emi (전자기 간섭) : 반사 에너지는 노이즈로 방출되어 다른 구성 요소를 방해합니다.
10GBPS 시스템에서 20% 임피던스 불일치는 완전한 데이터 손실 지점으로 신호 무결성을 줄일 수 있습니다. 28GHz에서 작동하는 5G 기지국의 경우 5% 불일치조차도 3DB의 신호 손실을 유발하여 유효 범위를 절반으로 줄이는 것과 동등합니다.

전송 라인 : 임피던스 제어의 중추
저속 디자인 (<100Mbps)에서 흔적은 간단한 도체 역할을합니다. 그러나 1GBPS 이상의 추적은 전송 라인이됩니다. 구조는 임피던스를 제어하도록 설계되어야합니다.

PCB의 전송 라인 유형

A.MICROSTRIP : 노출이 쉽고 비용 효율적이지만 노출 된 흔적으로 인해 EMI에 더 쉽습니다.
B.Stripline : 더 나은 EMI 차폐 (지상 비행기로 둘러싸여 있음)이지만 노선하기는 어렵고 비싸다.
c.coplanar 도파관 : 동일한 층의 지상 평면이 방사선을 최소화하기 때문에 28GHz+ 신호에 이상적입니다.

PCB의 임피던스에 영향을 미치는 요인
임피던스는 물리적 PCB 매개 변수에 의해 결정되며, 설계 및 제조 중에 밀접하게 제어해야합니다.
1. 추적 너비와 두께
A.Width : 더 넓은 흔적은 임피던스를 줄입니다 (트레이스와지면 사이의 커패시턴스). 0.2mm FR4의 50Ω 마이크로 스트립 (유전 상수 = 4.2)은 1oz 구리의 경우 ~ 0.3mm의 추적 폭이 필요합니다.
B. 두께 : 두꺼운 구리 (2oz vs. 1oz)는 저항을 감소시켜 임피던스를 약간 낮 춥니 다. 고주파 신호의 경우 피부 효과 (표면 근처에서 흐르는 전류)는 미량 두께가 1GHz보다 덜 중요하게 만듭니다.

경험 규칙 : 미량 폭이 10% 증가하면 임피던스가 ~ 5% 감소합니다.

2. 유전체 및 두께
A.dielectric constant (DK) : 더 높은 DK를 갖는 재료 (예 : FR4는 DK = 4.2를 갖는다) 커패시턴스가 증가하여 임피던스를 감소시킨다. Rogers RO4350 (DK = 3.48)과 같은 저 손실 재료는 신호 손실을 최소화하기 위해 5G에 사용됩니다.
B. 두께 (H) : 흔적과지면 평면 사이의 거리. H가 증가하면 커패시턴스가 감소하여 임피던스가 증가합니다. FR4의 50Ω 마이크로 스트립은 0.3mm 트레이스 너비의 경우 H = 0.15mm가 필요합니다.

3.지면 비행기 근접성
흔적 바로 아래의 고체 접지 평면은 일관된 임피던스에 중요합니다.
접지 평면이 없으면 커패시턴스가 다양하여 임피던스 변동을 일으 킵니다.
접지 평면의 슬롯 또는 갭은 안테나와 같은 작용, 신호를 방사하고 임피던스 제어를 저하시키는 역할을합니다.

모범 사례 : 고속 흔적 아래에서 연속 접지 평면을 유지하며, 트레이스 너비의 3 배 이내에 슬롯이 없습니다.

4. 트레이스 간격 (차동 쌍)
차동 쌍 (반대 신호를 전달하는 두 가지 흔적)은 임피던스를 유지하기 위해 커플 링 (전자기 상호 작용)에 의존합니다. 쌍 사이의 간격은 임피던스에 영향을 미칩니다.
면밀한 간격은 커플 링을 증가시켜 차동 임피던스 (ZDIFF)를 감소시킵니다.
FR4의 100Ω 차동 쌍은 일반적으로 추적 너비 = 0.2mm, 간격 = 0.2mm, H = 0.15mm가 필요합니다.

중요 : 고르지 않은 간격 (예 : 라우팅 불량으로 인한)은 두 가지 흔적 사이에 임피던스 불일치를 유발하여 공통 모드 노이즈 거부를 저하시킵니다.

임피던스 제어 설계 : 단계별
정확한 임피던스를 달성하려면 시뮬레이션에서 제조에 이르기까지 구조화 된 접근 방식이 필요합니다.
1. 임피던스 요구 사항을 정의하십시오
다음을 기반으로 대상 임피던스를 식별하여 시작하십시오.
A.Signal 표준 : USB 3.2는 90Ω 차동 쌍을 사용합니다. PCIE 5.0은 85Ω를 사용합니다.
B. 데이터 속도 : 고속 (25Gbps+)은 더 엄격한 공차가 필요합니다 (10Gbps의 경우 ± 5% 대 ± 10%).
C. application : RF 시스템은 종종 50Ω를 사용합니다. 전력 추적은 고전류에 25Ω가 필요할 수 있습니다.

2. 시뮬레이션을 위해 필드 솔버를 사용하십시오
Field Solvers (예 : Polar SI8000, ANSYS HFSS) PCB 매개 변수를 기반으로 임피던스를 계산하여 "What-IF"분석을 가능하게합니다.
a.
B. 대상 임피던스에 맞는 매개 변수 (예 : 트레이스를 0.2mm ~ 0.3mm, 낮은 임피던스에서 60Ω ~ 50Ω)를 넓 힙니다).

예 : 1oz 구리가있는 Rogers RO4350 (DK = 3.48)의 50Ω 마이크로 스트립은 다음과 같습니다.

C. 트레이스 너비 = 0.25mm
d.dielectric 두께 = 0.127mm
E. 지상 평면 바로 아래

3. 임피던스 무결성을위한 라우팅 규칙
완벽한 시뮬레이션을 사용하더라도 열악한 라우팅은 임피던스 제어를 망칠 수 있습니다.
A.Avoid 90 ° 각도 : 날카로운 모서리는 정전 용량을 로컬로 증가시켜 임피던스 딥을 만듭니다. 45 ° 각도 또는 둥근 모서리를 사용하십시오 (반경 ≥3 배 트레이스 너비).
B. 일관성 추적 폭을 유지합니다. 폭이 0.1mm (0.3mm ~ 0.4mm)의 0.1mm 변화는 임피던스를 ~ 10%로 변경하여 25Gbps 시스템에서 반사를 일으키기 위해 중단됩니다.
C. 스튜어티 길이 : 스터브 (미사용 트레이스 세그먼트)는 신호를 반영하여 안테나 역할을합니다. 신호 파장의 10% <10%를 유지하십시오 (예 : 10Gbps 신호의 경우 <3mm).
D. MATCH 트레이스 길이 (차동 쌍) : 10GBPS 쌍의 길이 불일치> 5mm는 타이밍 비뚤어지면 노이즈 면역이 줄어 듭니다. “蛇形”(뱀) 라우팅을 사용하여 길이를 동일하게하십시오.

4. 재료 선택
빈도 및 손실 요구 사항에 따라 유전체를 선택하십시오.
a. <10Gbps : FR4는 비용 효율적이며 DK = 4.2 및 허용 가능한 손실로 비용 효율적입니다.
B.10–25Gbps : High-TG FR4 (TG ≥170 ° C)는 더 높은 주파수에서 손실을 감소시킵니다.
c.> 25GBPS : Rogers 또는 PTFE는 5G 및 데이터 센터 링크에 중요한 손실을 최소화합니다.

참고 : DK는 주파수에 따라 다릅니다. -F4의 DK는 1GHz에서 4.2에서 10GHz에서 3.8로 떨어지므로 작동 주파수에서 시뮬레이션됩니다.

임피던스 제어를위한 제조 과제
제조 프로세스가 변형을 도입하면 최고의 디자인조차 실패 할 수 있습니다.
1. 추적 폭과 두께의 공차
A.PCB 제조업체는 일반적으로 미량 폭을 ± 0.025mm로 제어하지만 이는 ± 5% 임피던스 변화를 유발할 수 있습니다. 밀접한 공차 (± 3%)의 경우 "고급 에칭"프로세스를 지정하십시오.
B.copper 두께는 ± 10%로 다양하여 저항에 영향을 미칩니다. 비용과 제어의 균형을 유지하기 때문에 대부분의 고속 설계에 1oz 구리를 사용하십시오.

2. 유전체 두께 변화
a.dielectric 두께 (h)는 임피던스에 크게 영향을 미칩니다. h의 ± 0.01mm 변화는 ± 3% 임피던스 이동을 유발합니다.
B. 중요한 설계를 위해 유전체 두께 내성 ± 0.005mm의 유전체 두께 내성을 보장하기 위해 제조업체와 협력하십시오.

3. 솔더 마스크 및 표면 마감
A.Solder 마스크는 얇은 유전체 층 (0.01–0.03mm)을 추가하여 임피던스를 2–5%감소시킵니다. 필드 솔버 시뮬레이션에 포함하십시오.
B. 서식 마감재 (Enig, Hasl)는 임피던스에 미치는 영향을 최소화하지만 신호 무결성에 간접적으로 영향을 미치는 솔더 관절 신뢰성에 영향을 미칩니다.

테스트 및 검증 임피던스
임피던스 제어는 검증 없이는 완전하지 않습니다. 이 도구를 사용하여 성능을 확인하십시오.

1. 시간 도메인 반사 계 (TDR)
TDR은 빠르게 상승하는 펄스를 추적으로 보내고 반사를 측정하여 임피던스 프로파일을 만듭니다. 그것은 다음을 식별합니다 :
A.mismatches (예 : 50Ω 트레이스의 60Ω 세그먼트).
B. 연구 길이 및 불연속.
C. 트레이스를 따른 impedance 변화 (공차는 고속의 경우 ± 5%이어야 함).

2. 네트워크 분석기
VNA (Vector Network Analyzers)는 주파수를 통해 S- 파라미터 (전송/반사 계수)를 측정하여 다음을 확인합니다.
A. INSERTION 손실 (트레이스를 통한 신호 손실).
B. 장애 손실 (반사 전력, 이상적으로 10Gbps의 경우 -15dB).
c.crosstalk (인접한 트레이스 사이의 신호 누출, 차동 쌍의 경우 <-30db).

3. 안구 다이어그램
아이 다이어그램은 수천 개의 신호 전환을 오버레이하여 수신기가 1과 0을 얼마나 잘 구별 할 수 있는지를 보여줍니다. "닫힌 눈"은 임피던스 제어가 열악하고 신호 분해를 나타냅니다. 25Gbps 신호의 경우 시선은 최소 20% 타이밍 마진으로 열려 있어야합니다.

일반적인 임피던스 제어 실수 및 솔루션

특정 응용 프로그램의 임피던스 제어
다른 산업에는 신호 속도와 환경에 의해 구동되는 고유 한 임피던스 요구 사항이 있습니다.
1. 5G 및 무선 통신
A. 주파수 : 28–60GHz (MMWAVE).
B. 임시 : RF 경로를위한 단일 끝 50Ω; 베이스 밴드의 100Ω 차동.
C. Challenges : MMWAVE에서의 높은 손실에는 저 -DK 재료 (Rogers)와 단단한 임피던스 제어 (± 3%)가 필요합니다.
D.Solution : 방사선을 최소화하기 위해 동일한 층에 지상 비행기가있는 Coplanar 도파관.

2. 데이터 센터 (100GBPS+ 링크)
A.Signals : PCIE 5.0 (32GBPS), 이더넷 400G (차선 당 50Gbps).
B. 임피던스 : 85Ω 차동 쌍 (PCIE); 100Ω (이더넷).
C. challenges : 밀도가 높은 흔적 사이의 Crosstalk.
D.Solution : 간격이 ≥3 배 이상의 트레이스 너비 및 접지 된 코플란을 사용한 스트립 라인 라우팅.

3. 자동차 ADA
A.Signals : 카메라 링크 (GMSL, 6GBPS), 레이더 (77GHz).
B. 임피던스 : 100Ω 차동 (GMSL); 50Ω (레이더).
C. 체계 : 온도 극한 (-40 ° C ~ 125 ° C)은 DK 및 임피던스에 영향을 미칩니다.
D.Solution : 온도에 대한 안정적인 DK 및 극한 온도에서의 TDR 테스트가있는 High-TG FR4.

4. 의료 영상
A.Signals : 초음파 (10–20MHz), 센서의 고속 데이터.
B. 임피던스 : 아날로그 경로의 경우 50Ω; 디지털의 경우 100Ω.
C. 체계 : 민감한 이미징 장비의 EMI.
D.Solution : 신호를 분리하기 위해 보호 된 스트립 라인 및 접지 인클로저.

FAQ
Q : 단일 끝과 차동 임피던스의 차이점은 무엇입니까?
A : 단일 엔드 임피던스 (예 : 50Ω)는지면에 비해 흔적을 측정합니다. 차동 임피던스 (예 : 100Ω)는 노이즈 면역 신호에 중요한 두 쌍의 흔적 사이의 임피던스를 측정합니다.

Q : 임피던스 공차는 얼마나 타이트해야합니까?
A : <1GBPS : ± 10%. 1–10Gbps : ± 5%. > 10Gbps : ± 3%. 군사/항공 우주는 종종 극심한 신뢰성을 위해 ± 2%를 필요로합니다.

Q : 25Gbps 신호에 FR4를 사용할 수 있습니까?
A : FR4는 작동하지만 Rogers보다 손실이 더 높습니다. 짧은 흔적 (<10cm)의 경우 FR4가 허용됩니다. 더 긴 흔적은 신호 무결성을 유지하기 위해 저 손실 재료가 필요합니다.

Q : 트레이스 길이가 임피던스에 영향을 미칩니 까?
A : 아니요 - 임시는 길이가 아닌 형상의 함수입니다. 그러나, 더 긴 흔적은 손실 (감쇠)을 증가시켜 임피던스와 독립적으로 신호 무결성을 저하시킨다.

Q : VIA는 임피던스에 어떤 영향을 미칩니 까?
A : VIAS는 불연속성을 소개하여 임피던스 스파이크를 유발합니다. 사용을 통해 최소화하십시오. 필요한 경우 "백 드릴링"을 사용하여 스터브를 통해 사용하지 않고 임피던스를 유지하십시오.

결론
임피던스 제어는 고속 PCB에서 신호 무결성의 초석으로, 신호가 왜곡이나 손실없이 대상에 도달하도록합니다. 마이크로 스트립에서 스트립 라인, FR4에서 Rogers에 이르기까지 모든 설계 선택 (트레이스 너비, 유전체 재료, 라우팅)은 임피던스 및 궁극적으로 성능에 영향을 미칩니다.
정확한 시뮬레이션을 신중한 라우팅 및 제조 감독과 결합하여 엔지니어는 5G, AI 및 차세대 전자 제품에 필요한 엄격한 임피던스 공차를 달성 할 수 있습니다. 데이터 속도가 계속 상승함에 따라 (100Gbps 이상), 마스터 링 임피던스 제어는 현대 기술의 요구를 충족시키지 못하는 기능으로부터 기능 설계를 분리하는 것만으로도 더 중요해질 것입니다.