RF 회로 기판이란 무엇인가? 기능, 설계 및 응용

무선 통신을 가능하게 하는 보이지 않는 엔진인 무선 주파수(RF) 회로 기판은 종종 RF PCB라고 불립니다. 스마트폰의 5G 모뎀부터 자율 주행차의 레이더까지, RF PCB는 최소한의 손실, 간섭 또는 왜곡으로 고주파 신호(300kHz ~ 300GHz)를 송수신합니다. 표준 PCB(저속 디지털/아날로그 신호를 처리)와 달리 RF 기판은 미세한 결함조차 성능을 저하시킬 수 있는 주파수에서 신호 무결성을 유지하기 위해 특수 재료, 설계 기술 및 제조 공정을 필요로 합니다.

이 가이드는 RF 회로 기판에 대한 이해를 돕습니다. RF 회로 기판이 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 이를 특별하게 만드는 재료, 그리고 현대 기술에서 중요한 역할에 대해 설명합니다. WiFi 7 라우터 또는 위성 통신 시스템을 설계하든, RF PCB 기능과 모범 사례를 이해하면 안정적이고 고성능의 무선 장치를 구축하는 데 도움이 됩니다.

주요 내용
1. RF 회로 기판은 고주파 신호(300kHz~300GHz)용으로 설계된 특수 PCB로, 핵심 기능은 낮은 신호 손실, 제어된 임피던스 및 EMI(전자기 간섭) 억제에 중점을 둡니다.
2. 표준 FR4 PCB와 달리 RF 기판은 5G/mmWave 주파수(28GHz 이상)에서 신호 감쇠를 최소화하는 데 중요한 유전율(Dk)이 2.1~3.8인 저손실 기판(예: Rogers RO4350, PTFE)을 사용합니다.
3. RF PCB 설계에는 엄격한 임피던스 제어(일반적으로 단일 종단 신호의 경우 50Ω, 차동 쌍의 경우 100Ω), 최적화된 접지(예: 접지면, 비아) 및 간섭 감소를 위한 차폐가 필요합니다.
4. 주요 응용 분야에는 5G/6G 네트워크, 자동차 레이더(77GHz), 위성 통신 및 의료 영상이 있으며, 신호 무결성이 성능과 안전에 직접적인 영향을 미치는 산업입니다.
5. RF PCB는 표준 PCB보다 3~10배 더 비싸지만, 특수 설계로 고주파수에서 신호 손실을 40~60% 줄여 무선 관련 장치에 대한 투자를 정당화합니다.

RF 회로 기판이란 무엇인가? 정의 및 핵심 차별점
RF 회로 기판은 품질 저하 없이 무선 주파수 신호를 송수신하거나 처리하도록 설계된 인쇄 회로 기판입니다. 표준 PCB는 저속 신호(예: 랩톱의 1GHz 디지털 데이터)에 탁월하지만, RF 기판은 고주파 통신의 고유한 과제를 처리하도록 제작되었습니다.

RF PCB가 표준 PCB와 다른 점
가장 큰 차이점은 신호 동작을 처리하는 방식에 있습니다. 1GHz 이상의 주파수에서 신호는 파동처럼 작용하여 트레이스 가장자리에서 반사되고, 절연 불량으로 누출되며, 간섭을 받습니다. RF PCB는 이러한 문제를 해결하도록 설계되었지만, 표준 PCB는 종종 이러한 문제를 악화시킵니다.

예: 표준 FR4 PCB는 28GHz(5G mmWave)에서 인치당 3dB의 신호 강도를 손실합니다. 즉, 단 1인치만 지나도 신호의 절반이 사라집니다. Rogers RO4350을 사용하는 RF PCB는 동일한 주파수에서 인치당 0.8dB만 손실하여 동일한 거리에서 신호의 83%를 유지합니다.

RF 회로 기판의 핵심 구성 요소
RF PCB는 고주파 신호를 관리하기 위해 특수 구성 요소를 통합하며, 이 중 다수는 표준 PCB에서 찾을 수 없습니다.
  1. RF 트랜시버: 디지털 데이터와 RF 신호 간에 변환하는 칩(예: Qualcomm Snapdragon X75 5G 모뎀).
  2. 안테나: 신호를 송수신하는 인쇄 또는 개별 안테나(예: 5G용 패치 안테나).
  3. 필터: 원치 않는 주파수를 차단하는 대역 통과/대역 저지 필터(예: 28GHz 5G에서 24GHz WiFi 필터링).
  4. 증폭기(PA/LNA): 전력 증폭기(PA)는 발신 신호를 증폭하고, 저잡음 증폭기(LNA)는 잡음을 추가하지 않고 약한 수신 신호를 증폭합니다.
  5. 커넥터: 임피던스를 유지하고 신호 반사를 최소화하는 RF 특정 커넥터(예: SMA, U.FL).

RF 회로 기판의 핵심 기능
RF PCB는 안정적인 무선 통신을 가능하게 하는 4가지 중요한 기능을 제공합니다. 각 기능은 고주파 신호 전송의 고유한 과제를 해결합니다.
1. 낮은 신호 손실(감쇠 최소화)
신호 손실(감쇠)은 RF 설계의 적입니다. 고주파수에서 신호는 두 가지 주요 요인으로 인해 강도를 잃습니다.
  a. 유전 손실: PCB 기판에 흡수된 에너지(FR4와 같은 높은 Df 재료에서 더 심함).
  b. 도체 손실: 구리 트레이스에서 열로 손실되는 에너지(거친 트레이스 표면 또는 얇은 구리에서 더 심함).
RF PCB는 다음을 통해 손실을 최소화합니다.
  a. 최소 신호 에너지를 흡수하는 낮은 Df 기판(예: Df = 0.001인 PTFE) 사용.
  b. 거친 전해 구리(Ra 1~2μm) 대신 매끄러운 압연 구리 호일(Ra <0.5μm) 사용—28GHz에서 도체 손실을 30% 줄임.  c. 트레이스 형상 최적화(예: 저항이 낮은 더 넓은 트레이스) 및 날카로운 굽힘 방지(반사 유발).
데이터 포인트: Rogers RO4350 및 압연 구리를 사용하는 5G mmWave RF PCB는 28GHz에서 인치당 0.8dB를 손실합니다. 이는 전해 구리를 사용하는 표준 FR4 PCB의 인치당 3dB에 비해 5G 기지국에서 4인치 트레이스가 신호의 50%(RF PCB)를 유지하는 반면, 6%(표준 PCB)만 유지함을 의미합니다.

2. 제어된 임피던스

임피던스(AC 신호에 대한 저항)는 신호 반사를 방지하기 위해 RF PCB 전체에서 일관되어야 합니다. 임피던스가 변경되면(예: 좁은 트레이스 다음에 넓은 트레이스) 신호의 일부가 반사되어 왜곡을 일으키고 범위를 줄입니다.
RF PCB는 다음을 통해 제어된 임피던스를 유지합니다.
  a. 대상 임피던스(대부분의 RF 신호의 경우 50Ω, 이더넷과 같은 차동 쌍의 경우 100Ω)에 맞게 트레이스 설계.
  b. 임피던스 조정을 위한 기판 두께 사용: 더 두꺼운 유전체(예: 0.2mm)는 임피던스를 증가시키고, 더 얇은 유전체(예: 0.1mm)는 임피던스를 감소시킵니다.
  c. 임피던스를 방해하는 트레이스 불연속성(예: 갑작스러운 너비 변경, 스터브) 방지.
트레이스 너비(1oz 구리)

3. EMI 억제 및 차폐

고주파 RF 신호는 EMI(전자기 간섭)에 취약합니다. 주변 구성 요소(예: 스마트폰의 GPS를 방해하는 5G 모뎀)를 방해하는 잡음을 방출하고 다른 장치(예: 자동차 엔진이 레이더를 방해)에서 잡음을 수신합니다.
RF PCB는 다음을 통해 EMI를 억제합니다.
  a. 접지면: RF 트레이스 바로 아래의 견고한 구리 접지면은 잡음을 흡수하는 '실드' 역할을 합니다. 5G PCB의 경우 접지면은 기판 영역의 90%를 덮어야 합니다.
  b. 접지 비아: RF 트레이스를 따라 2~3mm마다 비아를 배치하면 상단 접지면을 내부/외부 접지면에 연결하여 잡음을 가두는 '패러데이 케이지'를 생성합니다.
  c. 금속 차폐: 민감한 RF 구성 요소(예: LNA) 주변의 전도성 인클로저(예: 알루미늄 캔)는 외부 간섭을 차단합니다.
  d. 필터 구성 요소: 페라이트 비드 또는 커패시터는 RF 트레이스에 도달하기 전에 원치 않는 잡음을 접지로 션트합니다.
사례 연구: 접지 비아가 없는 자동차 레이더 PCB(77GHz)는 엔진의 EMI로 인해 20% 더 많은 오탐지를 경험했습니다. 2mm마다 접지 비아를 추가하면 EMI가 45% 감소하여 오탐지가 <1%로 줄어들어 자동차 안전 표준(ISO 26262)을 충족했습니다.

4. 열 관리전력 증폭기(PA)와 같은 RF 구성 요소는 상당한 열을 발생시킵니다. 특히 5G 기지국 또는 레이더 시스템에서 그렇습니다. 고온에서 기판 Dk가 변경되고, 임피던스가 이동하며, 구성 요소가 저하되어 신호 무결성에 해를 끼칩니다.

RF PCB는 다음을 통해 열을 관리합니다.
  a. 열 전도성 기판 사용(예: 세라믹 충전 Rogers RO4835, 열 전도율 = 0.6W/m·K vs. 표준 FR4의 0.3W/m·K).
  b. 뜨거운 구성 요소(예: PA) 아래에 구리 충전 열 비아를 추가하여 열을 내부 접지면으로 전달.
  c. 고전력 RF 시스템(예: 5G 매크로 기지국)용 금속 코어(알루미늄, 구리) 통합, 열 전도율을 1~5W/m·K로 높임.
예: 표준 FR4 PCB의 5G PA 모듈은 작동 중 120°C에 도달하여 신호 강도가 15% 감소합니다. 열 비아가 있는 세라믹 충전 RF PCB의 동일한 모듈은 85°C를 유지하여 전체 신호 강도를 유지하고 PA 수명을 2배 연장합니다.
RF 회로 기판의 핵심 재료

RF PCB의 성공은 전적으로 재료에 달려 있습니다. 표준 FR4는 고주파수에 적합하지 않으므로 RF 설계는 특수 기판, 구리 호일 및 표면 마감에 의존합니다.

1. RF 기판 재료
기판은 가장 중요한 재료 선택이며, 신호 손실, 임피던스 안정성 및 온도 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
기판 재료
유전율(Dk @ 1GHz)

구리 호일은 도체 손실 및 신호 반사에 영향을 미칩니다. RF PCB는 두 가지 유형을 사용합니다.

구리 호일 유형
표면 거칠기(Ra)

표면 마감은 구리의 산화를 방지하고 RF 구성 요소의 안정적인 납땜을 보장합니다. HASL과 같은 표준 마감은 부적합합니다. 신호 손실을 증가시키는 거친 표면을 생성합니다.

표면 마감
표면 거칠기(Ra)

RF PCB 설계는 표준 PCB보다 훨씬 더 복잡합니다. 다음은 신호 무결성을 보장하기 위한 가장 일반적인 과제와 실행 가능한 솔루션입니다.

1. 과제: 임피던스 불일치
a. 문제: 트레이스 너비, 기판 두께 또는 구성 요소 배치의 작은 변화조차도 임피던스를 방해하여 신호 반사를 유발할 수 있습니다.
b. 솔루션:
      임피던스 계산기(예: Altium의 임피던스 계산기)를 사용하여 기판에 대한 트레이스 치수를 설계합니다(예: Rogers RO4350에서 50Ω의 경우 0.15mm 너비).
    제조 요구 사항으로 '제어된 임피던스'를 지정합니다. 이렇게 하면 공장에서 임피던스를 테스트하고 필요한 경우 프로세스를 조정합니다.
      제조 후 시간 영역 반사기(TDR)로 임피던스를 테스트합니다. ±5% 이상의 편차가 있는 기판을 거부합니다.
2. 과제: 불량한 접지
a. 문제: 적절한 접지 없이는 RF 신호가 누출되고, 잡음을 수신하고, 반사되어 신호 무결성을 파괴합니다.

b. 솔루션:
      RF 구성 요소에 단일 지점 접지를 사용합니다(모든 접지 연결이 한 지점에서 만남)하여 접지 루프(잡음 생성)를 방지합니다.
    제조 요구 사항으로 '제어된 임피던스'를 지정합니다. 이렇게 하면 공장에서 임피던스를 테스트하고 필요한 경우 프로세스를 조정합니다.
      접지면 분할(예: 아날로그/디지털 접지 분리)을 피하십시오. 이렇게 하면 잡음을 가두는 '섬'이 생성됩니다.
3. 과제: 구성 요소 배치
a. 문제: 잡음이 많은 구성 요소(예: PA)를 민감한 구성 요소(예: LNA) 근처에 배치하면 EMI 크로스토크가 발생합니다.

b. 솔루션:
    'RF 흐름' 규칙을 따르십시오. 신호가 이동하는 순서대로 구성 요소를 배치합니다(안테나 → 필터 → LNA → 트랜시버 → PA → 안테나)하여 트레이스 길이를 최소화합니다.
    제조 요구 사항으로 '제어된 임피던스'를 지정합니다. 이렇게 하면 공장에서 임피던스를 테스트하고 필요한 경우 프로세스를 조정합니다.
    RF 트레이스를 가능한 짧게 유지합니다. 28GHz에서 1인치 트레이스는 0.8dB를 손실합니다. 길이를 2인치로 두 배로 늘리면 1.6dB를 손실합니다.
4. 과제: 제조 공차
a. 문제: 기판 두께 변화, 에칭 오류 및 솔더 마스크 적용 범위는 임피던스를 이동시키고 손실을 증가시킬 수 있습니다.

b. 솔루션:
    RF PCB 전문 제조업체(예: LT CIRCUIT)와 협력하여 엄격한 공차(기판 두께 ±0.01mm, 트레이스 너비 ±0.02mm)를 제공합니다.
    제조 요구 사항으로 '제어된 임피던스'를 지정합니다. 이렇게 하면 공장에서 임피던스를 테스트하고 필요한 경우 프로세스를 조정합니다.
    RF 트레이스에 최소한의 적용 범위를 가진 솔더 마스크를 사용합니다(0.1mm 간격 유지). 솔더 마스크는 임피던스를 변경하는 유전체를 추가합니다.
RF PCB 대 표준 PCB 설계: 빠른 참조
설계 측면

RF PCB 모범 사례

1. 5G 및 6G 무선 네트워크
a. 사용 사례: 5G 기지국(매크로, 소형 셀) 및 사용자 장비(스마트폰, 태블릿)는 28GHz/39GHz mmWave 신호를 전송하기 위해 RF PCB에 의존합니다.
b. RF PCB 요구 사항: 다중 기가비트 데이터 속도(4Gbps 이상)를 처리하기 위한 저손실 Rogers RO4350 기판, 50Ω 임피던스, 0.15mm 트레이스 및 ENEPIG 마감.
c. 영향: 잘 설계된 5G RF PCB는 소형 셀 범위를 20% 확장합니다. 이는 5G를 농촌 지역에 제공하는 데 중요합니다.
2. 자동차 레이더 및 ADAS
a. 사용 사례: 자율 주행차는 77GHz 레이더 RF PCB를 사용하여 장애물, 보행자 및 기타 차량을 감지합니다.

b. RF PCB 요구 사항: 언더후드 조건(-40°C ~ 125°C)을 견딜 수 있는 온도 안정 기판(예: Rogers RO4835), EMI 차폐 및 열 비아.
c. 영향: 77GHz에서 <0.1dB/인치 손실을 가진 RF PCB는 200m 이상의 레이더 감지 범위를 가능하게 하여 자율 제동에 대한 반응 시간을 두 배로 늘립니다.
3. 위성 통신
a. 사용 사례: 위성 및 지상국은 인터넷, TV 및 군사 통신을 위해 10~60GHz(Ka 대역, Ku 대역)에서 신호를 송수신하기 위해 RF PCB를 사용합니다.b. RF PCB 요구 사항: 우주에서 방사선 및 진공을 견딜 수 있는 PTFE 기판(낮은 Df = 0.001), 압연 구리 및 ENIG 마감.

c. 영향: PTFE 기반 RF PCB는 30GHz에서 인치당 0.3dB만 손실하여 위성과 지구 간의 안정적인 통신을 가능하게 합니다(36,000km 떨어진 곳).
4. 의료 기기
a. 사용 사례: RF PCB는 의료 영상(예: MRI, 초음파) 및 무선 환자 모니터(예: 심박수 센서)에 전원을 공급합니다.
b. RF PCB 요구 사항: 생체 적합성 재료(예: ENEPIG 마감), 낮은 EMI(다른 의료 장비 간섭 방지) 및 소형 폼 팩터.

c. 영향: 50Ω 임피던스를 가진 초음파 RF PCB는 10~20MHz에서 선명한 이미지를 제공하여 의사가 종양 또는 장기 손상을 95% 정확도로 감지하는 데 도움이 됩니다.
5. 군사 및 항공 우주
a. 사용 사례: 전투기, 드론 및 미사일 시스템은 레이더(10~100GHz), 통신 및 탐색을 위해 RF PCB를 사용합니다.
b. RF PCB 요구 사항: 방사선 저항 기판(예: 알루미나 세라믹), 견고한 차폐 및 고온 허용 오차(-55°C ~ 150°C).

c. 영향: 알루미나 기반 RF PCB는 100kRad의 방사선을 견뎌 레이더 시스템이 핵 또는 우주 환경에서 작동하도록 보장합니다.
RF 회로 기판에 대한 FAQ
Q: RF PCB와 마이크로파 PCB의 차이점은 무엇입니까?
A: 'RF'는 일반적으로 300kHz~30GHz 주파수를 나타내고, '마이크로파'는 30GHz~300GHz를 나타냅니다. 설계 원리는 유사하지만, 마이크로파 PCB는 더 높은 주파수를 처리하기 위해 훨씬 더 낮은 손실 재료(예: Rogers 대 PTFE)와 더 엄격한 공차를 필요로 합니다.

Q: 저주파 RF 응용 분야(예: 1~2GHz)에 FR4를 사용할 수 있습니까?
A: 예. FR4는 신호 손실을 관리할 수 있는 저주파 RF(1~2GHz)에 적합합니다. 예를 들어, WiFi 5 라우터(5GHz)는 비용과 성능의 균형을 맞추기 위해 세라믹 충전 FR4(Dk = 3.8)를 사용할 수 있습니다. 신호 손실이 과도해지므로 5GHz 이상의 주파수에는 표준 FR4를 사용하지 마십시오.
Q: RF PCB는 표준 PCB에 비해 비용이 얼마나 듭니까?

A: RF PCB는 기판에 따라 3~10배 더 비쌉니다. Rogers RO4350을 사용하는 4층 RF PCB는 ~(보드당 50달러)이고, 표준 FR4 PCB는 보드당 5달러입니다. 프리미엄은 무선 관련 장치의 낮은 신호 손실과 더 높은 신뢰성으로 정당화됩니다.
Q: RF PCB에 가장 일반적인 임피던스는 무엇입니까?

A: 50Ω은 단일 종단 RF 신호(예: 5G, WiFi)에 대한 업계 표준입니다. 차동 쌍(WiFi 7과 같은 고속 무선에서 사용)은 일반적으로 100Ω 임피던스를 사용합니다. 이러한 값은 RF 커넥터(예: SMA) 및 안테나의 임피던스와 일치하여 반사를 최소화합니다.
Q: RF PCB의 성능을 어떻게 테스트합니까?

A: 주요 테스트에는 다음이 포함됩니다.
  a. TDR(시간 영역 반사기): 임피던스를 측정하고 불연속성을 감지합니다.

  b. 벡터 네트워크 분석기(VNA): 신호 손실(S21), 반사(S11) 및 EMI를 측정합니다.
  c. 열 화상: 성능을 저하시키는 핫스팟을 확인합니다.
  d. 환경 테스트: 온도(-40°C ~ 85°C) 및 습도(95% RH)에 걸쳐 성능을 검증합니다.
결론
RF 회로 기판은 무선 통신의 숨겨진 영웅으로, 5G, 자율 주행차, 위성 인터넷 및 생명을 구하는 의료 기기를 가능하게 합니다. 특수 설계, 재료 및 제조 공정은 고주파 신호의 고유한 과제(낮은 손실, 제어된 임피던스 및 EMI 억제)를 해결합니다.
RF PCB는 표준 PCB보다 더 비싸고 복잡하지만, 무선 관련 응용 분야에서 성능상의 이점은 대체할 수 없습니다. Rogers 기판, 압연 구리 및 ENIG 마감을 사용하는 잘 설계된 RF PCB는 28GHz에서 신호 손실을 60% 줄일 수 있습니다. 이는 도시 블록을 커버하는 5G 소형 셀과 인접 지역을 커버하는 5G 소형 셀의 차이를 만듭니다.

무선 기술이 발전함에 따라(6G, 100GHz 레이더, 위성 별자리), 고성능 RF PCB에 대한 수요는 계속 증가할 것입니다. 기능, 재료 및 설계 모범 사례를 이해하면, 더 빠른 속도, 더 긴 범위 및 더 안정적인 무선 연결을 제공하여 앞서 나가는 장치를 구축할 수 있습니다.
제조업체와 엔지니어의 경우, LT CIRCUIT과 같은 RF PCB 전문가와 협력하면 설계가 최신 무선 기술의 엄격한 공차 및 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 올바른 전문 지식과 재료를 통해 RF PCB는 신호를 전송하는 것뿐만 아니라 세상을 연결합니다.