고주파 PCB란?
A 고주파 PCB 는 높은 전자기 주파수 신호에 사용되는 특수 인쇄 회로 기판(PCB)입니다. 이 보드는 약 300MHz(파장 1m 미만) 이상의 무선 주파수 및 약 3GHz(파장 0.1m 미만) 이상의 마이크로파 주파수를 위한 것입니다. 마이크로파 베이스 구리 클래드 라미네이트로 제작됩니다. 생산 시에는 일부 표준 리지드 PCB 단계를 사용하거나 이러한 재료에 특수한 방법을 사용할 수 있습니다.
기술이 빠르게 발전함에 따라 마이크로파 대역(>1GHz)과 밀리미터파 범위(>30GHz)에서도 작동하는 디바이스가 늘어나고 있습니다. 이는 주파수가 높아지고 소재의 필요성이 증가한다는 것을 의미합니다. 기본 소재는 전기적 특성이 매우 우수하고 화학적 안정성이 우수해야 합니다. 신호 주파수가 높아질수록 재료 손실은 매우 낮게 유지되어야 합니다. 5G가 등장하면서 고주파 소재는 더욱 중요해졌습니다.
고주파 PCB의 장점
1. 높은 효율성
유전율이 낮은 재료는 손실이 적습니다. 최신 유도 가열 및 기타 방법으로 목표에 도달하고 높은 효율을 유지할 수 있습니다. 이러한 보드는 또한 폐기물을 줄이고 친환경 목표에 부합합니다.
2. 빠른 속도
신호 속도는 유전 상수의 제곱근에 반비례합니다. 유전율이 낮을수록 전송 속도가 빨라집니다. 특수 소재는 유전 상수를 낮고 안정적으로 유지합니다. 이는 신호 전송에 도움이 됩니다.
3. 가열 또는 처리의 우수한 제어
고주파 보드는 금속 부품을 정밀하게 가열해야 하는 많은 분야에서 사용됩니다. 가열할 깊이 또는 위치를 제어할 수 있습니다. 표면 또는 심부 가열에 집중할 수 있습니다. 집중 또는 확산 방식으로 가열할 수 있습니다. 보드는 미세한 제어가 가능합니다.
4. 강력한 내구성
유전율과 유전체 재료는 환경에 따라 달라집니다. 습한 지역에서는 습기가 보드를 손상시킵니다. 수분 흡수율이 낮은 재료로 만든 고주파 보드는 이에 저항합니다. 화학적 부식, 습기, 고열에 강하고 박리 강도가 높습니다. 이러한 특성 덕분에 열악한 환경에서도 강합니다.
일반적인 고주파 및 고속 PCB 재료
| 브랜드 / 제조사 | 일반적인 시리즈 / 유형 |
|---|---|
| Rogers | RO4003, RO3003, RO4350, RO5880 |
| TUC(타이야오/타야 또는 TUC 브랜드) | TUC862, 872SLK, 883, 933 |
| Panasonic | 메가트론 4, 메가트론 6 |
| Isola | FR408HR, IS620, IS680 |
| Nelco | N4000-13, N4000-13EPSI |
| 국내 제조사(중국) | 동관 셩이, 타이저우 왕링, 타이싱 마이크로웨이브 |
(이 예시 자료를 출발점으로 삼으세요. 각 디자인마다 빈도와 레이아웃에 적합한 소재를 선택해야 합니다.)
고주파 보드와 HDI 보드의 차이점
고주파 PCB는 레이더, 테스트 기기, 자동차 충돌 방지 시스템, 통신 위성, 무선 시스템 및 기타 분야에 사용됩니다. HDI(고밀도 인터커넥트) 보드는 많은 구성 요소가 있는 소형 장치용입니다. HDI는 부피가 작은 제품에 양면 보드를 사용하는 경우가 많습니다.
고주파 보드는 매우 높은 공정 제어와 정밀도가 필요합니다. 많은 경우 설계자는 FR-4 유리 에폭시로 시작하지만 진정한 고주파 보드는 특수 라미네이트를 사용합니다. 기판은 작고 안정적인 유전 상수, 낮은 유전 손실, 낮은 수분 흡수, 높은 온도 내성 및 우수한 내식성을 가져야 합니다.
HDI 보드는 마이크로 블라인드 비아를 사용하여 높은 라우팅 밀도를 달성합니다. 드릴링과 도금으로 연결되는 내부 및 외부 라우팅이 있습니다. HDI는 소형 제품용입니다. 일부 HDI 설계는 모듈식 병렬 모듈과 전력 및 부하 기능을 위한 강력한 DSP 제어를 사용합니다.
고주파 보드의 유형/분류
다음은 일반적인 유형과 처리 관련 참고 사항입니다:
1. 분말 충전 열경화성(세라믹 충전)
재료 및 공급업체: Rogers 4350B / 4003C; Arlon 25N / 25FR; Taconic TLG 시리즈.
처리: 스텝은 FR-4 에폭시 유리 라미네이트와 유사합니다. 그러나 보드는 부서지기 쉽고 깨지기 쉽습니다. 드릴 및 라우터 비트의 공구 수명은 20% 정도 떨어집니다. 조심해서 다루세요.
2. PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌, 테플론) 2.
자료 및 공급업체:
Rogers: RO3000 시리즈, RT 시리즈, TMM 시리즈
Arlon: AD/AR 시리즈, IsoClad, CuClad 시리즈
Taconic: RF 시리즈, TLX 시리즈, TLY 시리즈
타이싱 마이크로웨이브: F4B/F4BM/F4BK/TP-2B
PTFE에 대한 처리 노트:
원시 시트를 절단할 때는 긁힘과 프레스 자국을 방지하기 위해 보호 필름을 보관하세요.
새 드릴을 사용합니다(표준 #130 드릴 권장). 최상의 결과를 얻으려면 한 번에 한 장씩 드릴링하세요. 클램프 압력을 ~40psi로 유지합니다.
알루미늄 백스톱과 1mm 멜라민 패드를 사용하여 드릴링 중에 PTFE를 고정합니다.
구멍을 뚫은 후 뜨거운 바람으로 먼지를 날려 보냅니다.
안정적인 드릴 머신을 사용합니다. 작은 구멍의 경우 속도를 높이고 칩 부하와 스핀들 복귀 속도를 줄입니다.
홀 표면 처리: 저온 플라즈마 또는 나트륨 나프탈렌 활성화가 홀 금속화에 도움이 됩니다.
PTH(도금 관통 홀) 구리 증착 및 접착에는 주의가 필요합니다.
3. PTH 구리 증착
마이크로 에칭(~20마이크로인치 제어) 후 PTH를 수행합니다. 필요한 경우 보드 라우팅에서 요구하는 대로 두 번째 PTH 패스를 실행합니다.
4. 솔더 마스크(녹색 마스크) 프로세스
사전 처리: 산성/알칼리성 세척을 사용하고 기계적인 샌딩은 피하세요.
전처리 후 보드를 90°C에서 30분간 구운 후 드라이 필름을 붙입니다.
3단계로 굽습니다: 80°C, 100°C, 150°C에서 각각 30분간 굽습니다. 마스크에 오일 스팟이 보이면 마스크를 제거하고 활성화 처리를 반복합니다.
5. 라우팅 / 밀링 PTFE 보드
라우팅하는 동안 PTFE 트레이스 면에 얇은 종이를 사용하고 FR-4 또는 페놀 백킹으로 고정합니다.
라우팅 후 가장자리 버를 손으로 마무리하고 주의 깊게 검사합니다. 구리 및 보드 표면이 손상되지 않도록 주의합니다. 무황 분리지를 사용합니다. 버를 잘 줄이십시오. 라우팅 단계에서는 가장자리 마감이 양호해야 합니다.
고주파 PTFE 기판의 생산 흐름
다음은 세 가지 일반적인 프로세스 흐름입니다. 명확성을 위해 표로 정리했습니다.
| 프로세스 유형 | 주요 단계(요약) |
|---|---|
| PTFE용 NPTH(비도금 관통 홀) | 절단 → 드릴링 → 드라이 필름 → 검사 → 에칭 → 에칭 검사 → 솔더 마스크 → 드라이 필름 노출 → 핫 에어 솔더 레벨링(HASL) 또는 주석 스프레이 → 라우팅/성형 → 검사 → 최종 검사 → 포장 → 배송 |
| PTFE용 PTH(도금 관통 홀) | 절단 → 드릴링 → 홀 처리(저온 플라즈마 또는 나트륨 나프탈렌 활성화) → 구리 도금 → 패널 전기 테스트 → 드라이 필름 → 검사 → 이미징 → 식각 → 식각 검사 → 솔더 마스크 → 드라이 필름 노출 → HASL → 라우팅/성형 → 검사 → 최종 검사 → 포장 → 배송 |
| 솔더 마스크 공정 제어 | 그린 마스크의 접착력과 기포 형성을 신중하게 제어하세요. |
참고: 각 공정 단계에서는 표면 스크래치 및 기타 결함을 엄격하게 관리해야 합니다.
고주파 PCB의 응용 분야
고주파 PCB는 일반적으로 다음과 같이 나타납니다:
전력 증폭기 및 저잡음 증폭기(LNA)
모바일 통신 제품 및 스마트 조명 시스템
전원 분배기, 커플러, 듀플렉서, 필터 및 기타 패시브 장치
자동차 충돌 방지 시스템, 통신 위성, 무선 전화 시스템
요컨대, 전자제품은 더 높은 주파수로 이동하고 있으며 고주파 보드도 이러한 추세를 따르고 있습니다.
고주파 PCB 설계 방법
고주파 PCB 설계에서 전원 플레인 레이아웃은 매우 중요합니다. 일반적으로 전원을 자체 레이어에 배치합니다. 이렇게 하면 회로가 임피던스가 가장 낮은 경로를 따라갈 수 있습니다. 전원 플레인은 PCB의 모든 신호에 대한 리턴 경로를 제공해야 합니다. 이렇게 하면 루프 면적이 줄어들고 노이즈가 감소합니다. 저주파 설계자는 종종 이러한 노이즈 문제를 무시합니다.
고주파 PCB 설계 시 다음 규칙을 따르세요:
전원과 접지를 안정적이고 통합적으로 유지하세요.
신중한 라우팅과 올바른 종료를 통해 반사를 제거합니다.
신중한 라우팅과 올바른 종단을 통해 커패시턴스와 측정된 누화를 줄일 수 있습니다.
아래에서 몇 가지 주요 주제를 설명합니다.
(1) 전송 라인 폭
고주파 PCB 설계에서 전송선 폭은 임피던스 정합 이론을 따라야 합니다.
임피던스 매칭
입력/출력 임피던스와 전송선 임피던스가 일치하면 시스템은 최대 출력 전력과 최소 반사를 제공합니다. 마이크로파 회로의 경우 디바이스 바이어스 포인트도 고려해야 합니다. 신호 라인의 비아는 전송 특성을 변경합니다. TTL 및 CMOS의 경우 특성 임피던스가 높기 때문에 그 영향이 작습니다. 그러나 50Ω 저임피던스 RF 라인의 경우 비아를 고려해야 합니다. 일반적으로 이러한 회선에는 비아를 사용하지 마세요.
(2) 병렬 전송선 사이의 누화
두 개의 마이크로 스트립 라인이 가깝고 평행하게 연결되면 커플링이 발생합니다. 누화가 발생하고 라인 특성 임피던스가 변경됩니다. 50Ω 및 75Ω 회로의 경우 주의하세요. 설계자는 방향성 커플러 또는 전력 측정과 같은 일부 기능에 커플링을 사용할 수 있습니다. 한 설계의 예시 값(1.97GHz PCS 엔드 기지국 증폭기, 유전체 εr = 3.48):
10dB 지향성 커플러의 경우: S = 5밀리, l = 920밀리, W = 53밀리
20dB 지향성 커플러의 경우: S = 35밀리, l = 920밀리, W = 62밀리
누화를 줄이려면 다음 규칙을 따르세요:
A. 고주파 또는 고속 평행선 사이의 간격 S를 한 줄 너비 이상으로 유지합니다.
B. 가능한 경우 평행 길이를 줄입니다.
C. 강한 간섭을 일으킬 수 있는 작은 고주파 신호는 전원 및 로직 라인에서 멀리 떨어뜨려 놓으세요.
(3) 전자기 분석을 통한 접지
IC 접지 핀 또는 기타 접지 핀의 경우 고주파 회로의 핀에 접지 비아를 가깝게 배치하세요. 짧은 접지 경로는 유도 임피던스처럼 작동합니다. 접지 비아도 유도성처럼 보입니다. 이는 필터 기능에 영향을 미칩니다. 그렇기 때문에 접지 비아를 핀 가까이에 배치하세요. 유도성 부하를 줄이려면 저주파 보드보다 더 많은 접지 비아를 사용하세요. 이렇게 하면 접지 전류 용량이 증가하고 모든 지점을 0V에 가깝게 유지하는 데 도움이 됩니다.
(4) 전원 필터링
TTL 및 CMOS의 경우 설계자는 로직 노이즈를 줄이기 위해 전원 핀 근처에 바이패스 커패시터를 추가합니다. 고주파 및 마이크로파 회로의 경우 이것만으로는 충분하지 않습니다. 고주파 신호는 전원에 고주파 간섭을 일으킵니다. 직렬 인덕터와 커패시터를 사용하세요. 작동 주파수별로 인덕터를 선택합니다. 예: C = 0.1μF로 1MHz 이상의 노이즈를 필터링하려면 L = 1μH를 선택합니다. 컬렉터 개방 회로 신호 핀에 인덕턴스를 추가할 때는 주의하세요. 그러면 인덕터가 매칭 인덕턴스처럼 작동합니다.
(5) 차폐
차폐를 사용하여 소형 또는 고주파 신호를 보호하세요. 이렇게 하면 강한 신호 간섭을 줄이고 EMI를 줄일 수 있습니다. 몇 가지 가이드라인
A. 저주파 디지털/아날로그(<30MHz) 소신호 설계에서는 디지털과 아날로그 접지를 분리하고 소신호 영역에 접지면을 타설합니다. 접지 타설과 트레이스 사이의 거리를 트레이스 폭보다 크게 유지합니다.
B. 고주파 디지털/아날로그 소신호 설계에서는 차폐 캔 또는 스티치 접지 비아를 추가하여 영역을 분리합니다.
C. 고출력 고주파 회로의 경우 고주파 부분을 별도의 기능 모듈로 만들고 금속 차폐 상자를 추가하여 방사선을 낮추세요. 예를 들어 155M, 622M 또는 2Gb/s의 광섬유 트랜시버 모듈이 이에 해당합니다.
휴대폰용 다층 PCB(예: 노키아 6110)는 원래 그림과 같이 양쪽에 부품을 배치하고 내부 접지 타설을 사용할 수 있습니다. (여기서는 그림 참조 생략).
하이 보드용 소재 선택의 예
아래는 저희가 설계하고 디버깅한 보드의 예시입니다:
| 애플리케이션(주파수/장치) | 재료 / 스택 | 참고 |
|---|---|---|
| 2.4GHz 스프레드 스펙트럼 릴레이 | FR-4, 대형 접지 타설이 가능한 4레이어 PCB | 고주파 아날로그 부품 분리. 전력선은 인덕터를 사용하여 디지털 부품과 분리합니다. |
| 2.4GHz RF 트랜시버 | PTFE 소재, 양면 보드 | 별도의 금속 차폐 캔에 RF 송신 및 수신, 전원 입력 필터링. |
| 1.9GHz RF 트랜시버 | PTFE 소재, 4레이어 PCB | 대형 그라운드 타설 및 차폐를 사용합니다. |
| 140MHz IF 트랜시버 | 최상층 S1139 0.3mm | 대형 지상 부어; 격리를 통해. |
| 70MHz IF 트랜시버 | FR-4, 4 레이어 PCB | 대형 지상 타설, 비아 펜스를 통한 모듈 격리. |
| 30W 전력 증폭기 | RO4350 소재, 양면 PCB | 대형 접지 주입, >= 50Ω 라인 폭으로 제어되는 간격, 쉴드 박스 및 전원 입력 필터링. |
| 2000MHz 마이크로파 소스 | S1139 0.8mm 상단 | 양면 PCB; 트레이스 치수의 정밀한 제어. |
이를 예로 들어보세요. 각 프로젝트마다 고유한 재질과 두께를 선택해야 합니다.
고주파 PCB 재료 요구 사항
디자이너는 다음과 같은 주요 머티리얼 속성을 확인해야 합니다:
유전체 손실(Df, 탄젠트 손실) 는 매우 작아야 합니다. 손실이 적다는 것은 신호 감쇠가 적다는 것을 의미합니다.
낮은 수분 흡수율 가 중요합니다. 높은 수분 흡수율은 유전 상수와 손실을 변화시킵니다.
유전 상수(DK) 는 낮고 안정적이어야 합니다. DK가 낮을수록 신호 속도가 빨라집니다. DK 안정성은 임피던스 제어에도 도움이 됩니다.
CTE 및 써멀 매치 구리 호일과 베이스 사이의 간격은 비슷해야 합니다. 온도 변화에 따른 불일치가 크면 구리 박리가 발생할 수 있습니다.
고주파는 종종 PTFE(테플론으로 알려진)와 같은 불소 고분자 기판을 사용한다는 것을 의미합니다.
고주파 PCB의 제조 참고 사항 및 주의 사항
임피던스 제어는 엄격합니다. 선폭 허용 오차가 엄격합니다. 일반적인 제어 허용 오차 ±2%.
특수 소재에서는 PTH 접착력이 낮습니다. 구멍과 표면에 플라즈마 표면 거칠기를 사용하여 도금 및 솔더 레지스트의 접착력을 높입니다.
납땜하기 전에 보드를 샌딩하지 마세요. 이렇게 하면 접착력이 감소합니다. 마이크로 에칭 용액 또는 기타 거친 방법만 사용하십시오.
PTFE 보드는 표준 밀링 공구로 가장자리가 거칠어지는 경우가 많습니다. 특수 밀링 비트를 사용하고 PTFE 라우팅 관행을 따르세요.
짧은 결론
고주파 PCB는 특수 소재와 세심한 공정 관리가 필요합니다. 주파수 및 열 요구 사항에 맞는 재료를 선택하세요. 임피던스를 제어하고 접지 비아를 밀접하게 배치합니다. 차폐와 올바른 전력 필터링을 사용합니다. PTFE 및 기타 마이크로파 라미네이트에 대한 특수 취급 단계를 따르세요. 이러한 단계는 고주파 회로의 성능과 수율을 향상시킵니다.
자주 묻는 질문
일반적인 재료로는 낮은 손실 탄젠트 및 안정적인 유전 상수를 위해 선택된 Rogers(RO3000/RO4000/RT/듀로이드) 및 Isola와 같은 공급업체의 PTFE(테프론) 기반 라미네이트 및 엔지니어링 복합재가 있습니다.
FR-4는 GHz 주파수에서 유전체 손실이 높고 유전체 상수가 안정적이지 않아 신호 손실과 임피던스 변동성이 증가하며, 많은 RF 또는 마이크로파 애플리케이션의 경우 PTFE/로저스급 라미네이트가 훨씬 더 우수한 성능을 발휘합니다.
유전 상수(Dk)는 임피던스와 신호 속도를 제어하고 손실 탄젠트(Df)는 신호 감쇠를 제어합니다. 일관된 고주파 성능을 위해서는 낮고 안정적인 Dk와 낮은 손실 탄젠트가 필수적입니다.
안테나, RF 증폭기, 필터, 5G 기지국, 마이크로파 무선 링크, 위성 통신, 레이더 및 고속 RF 모듈.
필요한 주파수 범위, 목표 임피던스 안정성, 열/CTE 요구 사항 및 손실 탄젠트를 일치시킵니다. 공급업체 데이터시트(Rogers, Isola 등)를 검토하고 재료 테스트 데이터(Dk/Df 대 주파수)를 요청합니다.