자신의 안전지대를 벗어난 프로젝트를 맡게 되면 누구나 한 번쯤은 그런 경험을 해본 적이 있을 것입니다. 제게도 상사가 고속 보드를 설계해 달라고 부탁한 날이 있었습니다. 저는 제가 경험이 많은 회로 설계자라고 생각했지만, 고속 PCB 설계에는 일반 회로를 설계할 때 직면하지 않는 많은 한계가 있다는 것을 알고 있었습니다. 처음에는 고속 설계에 적합한 회로도를 만드는 데 시간을 보냈습니다. 하지만 그 작업이 끝나고 나서는 제가 설계한 고속 PCB 프로토타입은 FR-4 또는 더 전문적인 자료입니다. 제가 배운 내용을 살펴보기 전에, 이 글에서 “고속'이란 50MHz 이상의 주파수를 의미한다는 점을 알아두는 것이 중요합니다. 이 주파수 범위에서 작업할 때 주의해야 할 중요한 포인트는 다음과 같습니다.
고속 설계는 다른 설계보다 신호 무결성에 대한 규칙이 더 엄격합니다. 이러한 규칙을 충족하기 위해 고속 신호 라우팅에 매우 주의를 기울여야 하지만, 보드 재료 자체가 전체 신호 무결성 방정식의 일부라는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 따라서 고속 설계에 사용되는 보드 재료에는 임피던스 제어에 도움이 되는 엄격하게 제어된 유전율 상수와 같은 특성이 필요합니다. 설계 전반에 걸쳐 임피던스가 변경되도록 허용하면 고속 신호가 트레이스에서 이동하면서 에너지를 반사하기 시작하고 신호가 왜곡됩니다. 마찬가지로 신호 무결성을 유지하려면 낮은 손실 계수가 필요합니다. 마지막으로 열 안정성은 유전체 성능이 고장 나지 않도록 하는 데 도움이 되므로 또 다른 중요한 특성입니다.
FR-4: 장점과 단점
제가 인쇄 회로 기판을 설계해 온 이래로 FR-4는 항상 PCB 생산의 표준 재료였습니다. 제가 아직 주니어 디자이너였을 때는 실제로 FR-4로 만들었는지 여부와 상관없이 모든 기판을 “FR-4”라고 부르기도 했습니다. FR-4는 난연성 타입 4 유리 섬유 강화 에폭시 라미네이트입니다. 매우 비용 효율적인 소재입니다. 또한 매우 우수한 전기 절연체이며 건조하고 습한 조건 모두에서 매우 강합니다. 또한 제작 성능도 우수하여 PCB 제작에 매우 적합한 소재입니다.
FR-4의 단점은 전력, 전압 또는 열이 너무 높아지면 한계가 있다는 것입니다. 작동 한계를 넘어서면 FR-4의 유전체 성능이 떨어집니다. 즉, 재료의 절연 능력이 악화되고 전기가 통하기 시작합니다. FR-4의 또 다른 문제는 고속 설계에서 안정적인 임피던스를 유지하는 것입니다. FR-4의 유전 상수가 기판의 길이와 너비에 따라 변할 수 있기 때문입니다. 또한 설계 속도가 증가함에 따라 비고속 설계에서는 허용될 수 있는 신호 손실이 FR-4 기판에서는 너무 높아질 수 있습니다.
특수 고속 보드 재료와 FR-4 비교
열경화성 탄화수소와 같은 특수 고속 보드 재료 및 PTFE 라미네이트, 는 더 높은 주파수를 사용하는 설계에서 FR-4보다 더 우수하고 안정적인 성능을 제공할 수 있습니다. 장단점은 나중에 살펴보겠지만, 먼저 이러한 고속 보드 재료가 제공할 수 있는 몇 가지 이점을 살펴보겠습니다:
- 신호 손실이 적습니다. 전송선 주파수가 높아질수록 신호 손실은 더 큰 문제가 됩니다. 고속 설계 보드 재료는 FR-4보다 훨씬 낮은 손실 계수를 가지며, 거의 순수에 가까운 PTFE 라미네이트와 같은 일부 재료는 훨씬 더 우수합니다. 이러한 낮은 손실 계수는 신호 손실을 줄이는 데 중요한 부분입니다.
- 더 엄격한 임피던스 제어. FR-4와 같은 기존 PCB 재료는 고속 보드 재료만큼 유전율(Dk)을 제어할 수 없습니다. FR-4 Dk는 +/- 10% 이상 변화할 수 있는 반면, PTFE와 같은 소재는 +/- 2% 이상의 Dk 허용 오차를 유지합니다.
- 열 관리 개선. 열경화성 탄화수소 라미네이트와 같은 일부 고속 설계 보드 재료는 FR-4보다 열전도율이 훨씬 우수합니다. 설계에 열 관리 문제가 있는 경우 이러한 보드 재료를 고려해 볼 가치가 있습니다.
- 수분 흡수율이 낮습니다. 물은 유전체 특성을 가지고 있으며, 고주파 회로가 있는 PCB에 소량의 수분만 흡수되어도 해당 회로의 전기적 성능이 달라질 수 있습니다. FR-4의 수분 흡수율은 50%에 가깝지만, 일부 PTFE 소재는 2%까지 낮기 때문에 이 문제를 고려해야 합니다.
- 치수 안정성이 향상되었습니다. 공차가 엄격한 고밀도 고속 설계의 경우 치수 안정성의 필요성이 더욱 중요해집니다. FR-4는 치수 안정성으로 잘 알려져 있지만, 고속 소재가 제공하는 다른 장점은 제공하지 않습니다. 이 경우 열경화성 탄화수소 라미네이트가 더 나은 선택이 될 수 있습니다.
