고주파 PCB 에서 신호 손실 을 막기: 효과적 인 재료 및 설계 전략

고주파 전자 제품(신호가 10GHz 이상으로 빠르게 이동하는 경우)에서는 1dB 손실만으로도 성능이 저하될 수 있습니다. 5G 기지국은 연결이 끊어질 수 있고, 레이더 시스템은 표적을 놓칠 수 있으며, 위성 트랜시버는 데이터를 전송하지 못할 수 있습니다. 여기서 신호 손실은 단순한 불편함이 아니라 치명적인 실패 지점입니다. 좋은 소식은 올바른 재료와 설계 선택을 통해 신호 손실을 최대 60%까지 줄여 고주파 PCB가 의도한 대로 작동하도록 할 수 있다는 것입니다. 방법을 알아보겠습니다.

고주파 PCB에서 신호 손실이 발생하는 이유

고주파 PCB에서 신호 손실(삽입 손실이라고도 함)은 세 가지 주요 원인에서 비롯됩니다. 문제를 해결하려면 이를 이해하는 것이 첫 번째 단계입니다.

  a.유전 손실: PCB 기판에서 재료의 유전 상수(Dk)와 손실 탄젠트(Df)로 인해 열로 낭비되는 에너지입니다. Df가 높을수록 손실이 더 커지며, 특히 28GHz 이상에서 그렇습니다.
  b.도체 손실: 구리 트레이스의 저항으로, 표피 효과(트레이스 표면을 따라 이동하는 고주파 신호)와 표면 거칠기로 인해 악화됩니다.
  c.방사 손실: 부적절한 라우팅, 부적절한 접지 또는 과도한 트레이스 길이로 인해 트레이스에서 신호가 '누출'됩니다.

재료 선택: 저손실 성능의 기반
PCB 기판은 신호 손실에 대한 첫 번째 방어선입니다. 60GHz(5G 및 레이더에 일반적인 mmWave 주파수)에서 최고의 재료를 비교해 보겠습니다.

핵심 내용: PTFE 및 Rogers 재료는 60GHz에서 FR-4에 비해 총 손실을 65~73% 줄입니다. 대부분의 고주파 설계의 경우 Rogers RO4830은 성능과 비용의 균형을 맞춥니다.

신호 손실을 최소화하기 위한 설계 전략
최고의 재료라도 부실한 설계를 극복할 수는 없습니다. 기판 선택을 보완하기 위해 다음 기술을 사용하십시오.

1. 트레이스 길이 단축
고주파 신호는 거리에 따라 빠르게 저하됩니다. 60GHz에서 트레이스 1인치마다:

  a.FR-4는 ~11dB 손실(신호 강도의 거의 90%).
  b.PTFE는 ~3dB 손실(강도의 50%).

수정: 불필요한 굴곡을 피하면서 트레이스를 직접 라우팅합니다. 솔더링성을 저해하지 않으면서 길이를 최소화하기 위해 구성 요소 연결에 '도그본' 패턴을 사용합니다.

2. 임피던스 엄격하게 제어
임피던스 불일치(트레이스 임피던스가 목표, 예를 들어 50옴에서 벗어나는 경우)는 반사 손실을 유발합니다. 즉, 신호가 목적지에 도달하는 대신 다시 반사됩니다.

수정 방법:
  시뮬레이션 도구(예: Ansys SIwave)를 사용하여 재료에 대한 트레이스 너비/간격(예: Rogers RO4830의 50옴 트레이스는 ~7mil 너비에 6mil 간격 필요)을 계산합니다.
  생산 후 일관성을 확인하기 위해 PCB 패널에 임피던스 테스트 쿠폰을 추가합니다.

3. 접지면 최적화
견고한 접지면은 신호에 대한 '거울' 역할을 하여 방사 손실을 줄이고 임피던스를 안정화합니다.

모범 사례:
  a.신호 트레이스 바로 아래에 연속적인 접지면을 사용합니다(분할 또는 간격 없음).
  b.다층 PCB의 경우 신호 레이어에 인접하게 접지면을 배치합니다(고주파의 경우 ≤0.02인치 간격).

4. 비아 및 스터브 줄이기
비아(레이어를 연결하는 구멍)는 임피던스 불연속성을 생성하며, 특히 다음과 같은 경우에 그렇습니다.

  a.너무 큼(직경 >50옴 설계의 경우 10mil).
  b.도금되지 않거나 제대로 도금되지 않음.
  c.'스터브'(연결 지점을 넘어선 사용하지 않는 비아 길이)가 동반됨.

수정: 스터브를 제거하기 위해 마이크로비아(6~8mil)를 '백 드릴링'과 함께 사용하여 비아 관련 손실을 40% 줄입니다.

5. 구리 트레이스 매끄럽게 하기
거친 구리 표면은 60GHz에서 도체 손실을 최대 30%까지 증가시킵니다(표피 효과가 저항을 증폭하기 때문).

 a.솔루션: 표준 구리(1.5~2.0μm) 대신 '로우 프로파일' 구리(표면 거칠기 <0.5μm)를 지정합니다. Rogers와 Isola는 이 목적을 위해 사전 적층된 로우 프로파일 구리가 있는 기판을 제공합니다.

실제 결과: 5G 사례 연구
통신 제조업체는 28GHz 5G 모듈에 FR-4에서 Rogers RO4830으로 전환하고 위의 설계 전략을 구현했습니다. 그 결과는?

  a.신호 손실이 트레이스 4인치에서 8dB에서 3.2dB로 감소했습니다.
  b.현장 테스트에서 연결 신뢰도가 45% 향상되었습니다.
  c.열 발생(유전 손실에서)이 28% 감소하여 구성 요소 수명이 연장되었습니다.

결론
고주파 PCB에서 신호 손실을 막으려면 두 가지 접근 방식이 필요합니다. 즉, 저 Df 재료(Rogers 또는 PTFE)를 선택하고 이를 엄격한 설계 제어(짧은 트레이스, 임피던스 매칭, 견고한 접지)와 결합하는 것입니다. 5G, 레이더 또는 위성 시스템의 경우 이 조합은 선택 사항이 아니라 작동하는 제품과 실패하는 제품의 차이입니다.

재료 성능과 설계 규율을 모두 우선시함으로써 애플리케이션에서 요구하는 속도, 범위 및 신뢰성을 보장할 수 있습니다.