PCB 제조에서 여러 임피던스 그룹: 주요 과제 및 입증 된 해결책

최신 PCB 설계에서 전자 제품이 더욱 복잡해짐에 따라(5G 장치, 의료 장비, 산업용 센서 등), 엔지니어는 신호 무결성을 관리하기 위해 여러 임피던스 그룹에 점점 더 의존하고 있습니다. 전기 신호가 트레이스를 통해 이동하는 방식을 정의하는 이러한 그룹은 신호가 강력하고 간섭이 없도록 보장합니다. 그러나 여러 임피던스 그룹을 단일 PCB에 통합하면 제조 능력, 효율성 및 품질에 고유한 문제가 발생합니다. 이러한 문제, 그 중요성, 그리고 이를 극복하는 방법을 자세히 살펴보겠습니다.

임피던스 그룹이란 무엇입니까?
임피던스 그룹은 PCB에서 신호가 동작하는 방식을 분류하며, 각 그룹은 신호 무결성을 유지하기 위한 특정 설계 규칙을 가지고 있습니다. 가장 일반적인 유형은 다음과 같습니다.

최신 PCB는 종종 혼합 신호(예: 센서의 아날로그 데이터와 마이크로컨트롤러의 디지털 명령)를 처리하므로 여러 그룹이 필요합니다. 그러나 이러한 혼합은 상당한 제조 장애물을 초래합니다.

생산에서 여러 임피던스 그룹의 문제점
여러 임피던스 그룹을 통합하면 설계 복잡성부터 품질 관리까지 여러 면에서 PCB 제조 능력이 저하됩니다.

1. 스택업 복잡성
PCB 스택업(레이어 배열)은 각 임피던스 그룹을 수용하도록 세심하게 설계되어야 합니다. 각 그룹은 고유한 트레이스 폭, 유전체 두께 및 기준 평면 배치를 요구합니다. 이러한 복잡성은 다음과 같은 결과를 초래합니다.

   a. 레이어 수 증가: 더 많은 그룹은 종종 신호를 분리하고 누화를 방지하기 위해 추가 레이어가 필요하므로 생산 시간과 비용이 증가합니다.
   b. 대칭 문제: 비대칭 스택업은 특히 홀수 레이어 수의 경우 라미네이션 중에 뒤틀림을 유발합니다. 짝수 레이어 설계는 이러한 위험을 줄이지만 복잡성을 더합니다.
   c. 열 관리 문제: 고속 신호는 열을 발생시키므로 열 비아 및 내열성 재료가 필요하며, 이는 레이어 레이아웃을 더욱 복잡하게 만듭니다.

예: 3개의 임피던스 그룹(단일 종단, 차동, 코플래너)이 있는 12 레이어 PCB는 전용 접지 평면에 2~3개의 추가 레이어가 필요하며, 이는 더 간단한 설계에 비해 라미네이션 시간을 30% 증가시킵니다.

2. 재료 및 공차 한계
임피던스는 재료 특성 및 제조 공차에 매우 민감합니다. 작은 변화도 신호 무결성을 저해할 수 있습니다.

   a. 유전율(Dk): FR-4(Dk ~4.2) 대 Rogers 4350B(Dk ~3.48)와 같은 재료는 신호 속도에 영향을 미칩니다. Dk가 낮을수록 손실이 줄어들지만 비용이 더 많이 듭니다.
   b. 두께 변화: 프리프레그(접착 재료) 두께가 5μm만 변경되어도 임피던스가 3~5% 이동하여 엄격한 사양을 충족하지 못합니다.
   c. 구리 균일성: 불균일한 도금 또는 에칭은 트레이스 저항을 변경하며, 대칭이 중요한 차동 쌍에 중요합니다.

3. 라우팅 및 밀도 제약
각 임피던스 그룹에는 엄격한 트레이스 폭 및 간격 규칙이 있어 구성 요소의 밀도 배치에 제한이 있습니다.

   a. 트레이스 폭 요구 사항: 50Ω 차동 쌍은 ~8mil 폭에 6mil 간격이 필요하고, 75Ω 단일 종단 트레이스는 12mil 폭이 필요할 수 있으며, 이는 좁은 공간에서 충돌합니다.
   b. 누화 위험: 서로 다른 그룹(예: 아날로그 및 디지털)의 신호는 간섭을 피하기 위해 3~5배 트레이스 폭으로 분리되어야 합니다.
   c. 비아 배치: 비아(레이어를 연결하는 구멍)는 반환 경로를 방해하므로 임피던스 불일치를 피하기 위해 신중하게 배치해야 하며, 이는 라우팅 시간을 추가합니다.

4. 테스트 및 검증 장애물
여러 그룹에서 임피던스를 검증하는 것은 오류가 발생하기 쉽습니다.

   a. TDR 가변성: 시간 영역 반사계(TDR) 도구는 임피던스를 측정하지만, 서로 다른 상승 시간(100ps 대 50ps)은 4% 측정 변동을 유발하여 양호한 보드를 잘못 실패시킬 수 있습니다.
   b. 샘플링 제한: 모든 트레이스를 테스트하는 것은 비실용적이므로 제조업체는 "테스트 쿠폰"(소형 복제품)을 사용합니다. 쿠폰 설계가 불량하면 부정확한 결과가 발생합니다.
   c. 레이어 간 변화: 에칭 차이로 인해 임피던스가 내부 및 외부 레이어 간에 이동할 수 있어 합격/불합격 결정을 내리기 더 어렵게 만듭니다.

생산 능력을 향상시키는 솔루션
이러한 문제를 극복하려면 설계 규율, 재료 과학 및 제조 엄격함이 혼합되어야 합니다.

1. 초기 시뮬레이션 및 계획
Ansys SIwave 또는 HyperLynx와 같은 도구를 사용하여 설계 중에 임피던스 그룹을 모델링합니다.

  스택업을 시뮬레이션하여 레이어 수 및 재료 선택을 최적화합니다.
  누화 분석을 실행하여 생산 전에 라우팅 충돌을 플래그합니다.
  임피던스 점프를 최소화하기 위해 비아 설계를 테스트합니다.

2. 엄격한 재료 및 공정 관리
  재료 사양 고정: <3% 두께 공차의 프리프레그/유전체에 대해 공급업체와 협력합니다.  고급 제조: 마이크로 비아(±1μm 정확도)에 레이저 드릴링을 사용하고 에칭 오류를 포착하기 위해 자동 광학 검사(AOI)를 사용합니다.
  질소 라미네이션: 산화를 줄여 일관된 유전 특성을 보장합니다.
3. 제조업체와의 협업 설계

PCB 제조업체와 조기에 협력하십시오.
   제작 노트에 자세한 임피던스 테이블(트레이스 폭, 간격, 목표 값)을 공유합니다.

   오해를 피하기 위해 표준 파일(IPC-2581, Gerber)을 사용합니다.
   정확한 측정을 보장하기 위해 테스트 쿠폰 설계를 함께 검증합니다.
4. 간소화된 테스트 프로토콜

   일관된 결과를 위해 50ps 상승 시간의 TDR 도구를 표준화합니다.
   고주파수 그룹의 경우 TDR과 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 결합합니다.
   결함을 조기에 포착하기 위해 외부 레이어에 100% AOI를 구현하고 내부 레이어에 X-ray를 구현합니다.
성공을 위한 모범 사례

   엄격하게 문서화: 레이어 할당, 공차(일반적으로 ±10%) 및 재료 사양을 포함하는 마스터 임피던스 테이블을 만듭니다.
   대칭 우선: 뒤틀림을 줄이기 위해 짝수 레이어 스택업을 사용합니다.
   먼저 프로토타입 제작: 대량 생산으로 확장하기 전에 작은 배치를 테스트하여 임피던스 제어를 검증합니다.
결론

여러 임피던스 그룹은 최신 PCB 성능에 필수적이지만 신중한 계획 없이는 제조 능력을 저하시킵니다. 설계자와 제조업체 간의 초기 협업을 통해 스택업 복잡성, 재료 공차, 라우팅 제약 및 테스트 격차를 해결함으로써 효율성, 품질 및 정시 납품을 유지할 수 있습니다.