PCB 임피던스 제어란 무엇인가요?
PCB 임피던스 제어는 트레이스의 임피던스를 제어하는 것을 의미합니다. 이 임피던스를 제어 임피던스라고도 합니다. 제어 임피던스는 PCB 트레이스와 그 기준면으로 형성된 전송 라인의 특성 임피던스입니다. 고주파 신호가 PCB 전송 라인에서 이동할 때 이는 중요합니다. 제어 임피던스는 신호 무결성 문제를 해결하는 데 중요합니다. 신호 무결성이란 신호가 왜곡 없이 이동하는 것을 의미합니다.
회로 임피던스는 PCB의 물리적 크기와 유전체 재질에 따라 설정됩니다. 임피던스는 옴(Ω) 단위로 측정됩니다. 임피던스 제어가 필요한 PCB 전송 라인 유형에는 싱글 엔드 마이크로스트립, 싱글 엔드 스트립라인, 차동 마이크로스트립 쌍, 차동 스트립라인 쌍, 임베디드 마이크로스트립, 동일 평면(싱글 엔드 및 차동) 등이 있습니다.
임피던스 제어를 달성하는 일반적인 방법
1. PCB 레이어 구조 사용
PCB 설계자는 보드 레이어 스택을 사용하여 임피던스를 제어할 수 있습니다. 서로 다른 신호 레이어를 서로 다른 위치에 배치하여 레이어 간의 커패시턴스와 인덕턴스를 제어할 수 있습니다. 일반적으로 내부 레이어는 더 높은 임피던스를 선택하고 외부 레이어는 더 낮은 임피던스를 선택하여 반사와 누화를 줄입니다.
2. 차동 신호 라인 사용
디퍼렌셜 쌍은 노이즈 제거 성능을 향상시키고 누화 위험을 낮춥니다. 디퍼렌셜 쌍은 두 개의 병렬 도체입니다. 전압은 크기가 같고 극성이 반대입니다. 디퍼렌셜 쌍은 신호 무결성과 노이즈 저항을 향상시킵니다. 디퍼렌셜 쌍의 임피던스는 간격, 트레이스 폭, 접지면 레이아웃에 의해 제어됩니다.
3. 트레이스 지오메트리 제어
트레이스 너비, 간격 및 레이아웃 지오메트리도 임피던스를 제어할 수 있습니다. 일반적인 마이크로스트립의 경우 트레이스 폭이 넓고 간격이 클수록 임피던스가 낮아집니다. 동축형 구조의 경우 내부 도체가 작고 외부 도체 반경이 클수록 임피던스가 높아집니다. 목표 임피던스와 신호 주파수에 따라 트레이스 지오메트리를 선택합니다.
4. PCB 재료 선택
PCB 재료의 유전 상수는 임피던스에 영향을 미칩니다. 안정적인 유전체 특성을 가진 재료를 선택하는 것이 임피던스 제어의 일부입니다. 고주파 및 고속 사용의 경우 일반적인 재료는 fr4(유리-에폭시), PTFE(테프론) 및 RF 라미네이트입니다.
5. 시뮬레이션 및 설계 도구 사용
최종 PCB 레이아웃 전에 시뮬레이션 및 설계 도구를 사용하여 임피던스를 확인하고 최적화하세요. 이러한 도구는 회로 동작, 신호 손실 및 전자기 상호 작용을 시뮬레이션합니다. 이러한 도구는 최적의 보드 파라미터를 찾는 데 도움이 됩니다. 일반적인 도구로는 CST Studio Suite, HyperLynx, ADS 등이 있습니다.
PCB 제조가 임피던스에 미치는 영향
트레이스 너비
트레이스 폭은 전송 라인 임피던스와 손실에 직접적인 영향을 미칩니다. 대부분의 유능한 엔지니어는 PCB 제조업체에 거버 파일로 트레이스 폭 허용 오차를 제공합니다. 예를 들어 트레이스 폭이 6.2밀리미터로 설계되고 임피던스가 50옴인 경우, 트레이스 폭을 변경하는 제조 불안정성은 임피던스를 변경합니다. 많은 공장의 경험에 따르면 트레이스 폭은 약 10%까지 달라질 수 있습니다. 트레이스 폭 변화를 표준 편차가 10%인 가우스 분포로 모델링할 수 있습니다.
구리 호일/도금 구리 두께
PCB 제품에서 구리 두께는 기본 구리 두께와 도금 구리 두께의 두 부분으로 나뉩니다. 베이스 구리는 비교적 균일하지만 도금 구리의 균일성은 공장 공정에 따라 달라집니다. 도금 구리는 공장마다 크게 다를 수 있습니다. 도금된 구리 두께가 다르면 트레이스 임피던스와 손실이 달라집니다. 임피던스는 49.5옴에서 51옴 사이와 같이 작은 범위에서 달라질 수 있습니다. 트레이스 폭에 비해 구리 두께는 임피던스에 미치는 영향이 더 작습니다.
유전체 두께
PCB 제조에서 유전체 두께 변화는 원자재 변화, 적층 압력 및 접착제 충전으로 인해 발생합니다. 유전체 두께가 변하면 임피던스와 손실이 달라집니다. 심한 경우 전송 라인의 손실이 커집니다. 임피던스는 약 44옴에서 54옴까지 다양할 수 있습니다. 범위는 10옴까지 넓을 수 있습니다.
에칭 팩터
도체의 두께는 유한합니다. 에칭 후 흔적은 완벽한 직사각형이 아닙니다. 사다리꼴에 더 가깝게 보입니다. 사다리꼴 각도는 구리 두께(도금 포함)에 따라 달라집니다. 구리가 얇으면 측벽 각도가 90°에 가까워집니다. 각도 크기는 임피던스에 영향을 줍니다. 예를 들어 측벽 각도가 70°인 경우 임피던스는 약 50옴입니다. 각도가 90°인 경우 임피던스는 약 48.37옴입니다.
위의 테스트는 한 번에 한 가지 요소씩 변경합니다. 실제 프로덕션에서는 여러 변수가 한 번에 변경됩니다. 임피던스는 약 40옴에서 56옴까지 다양할 수 있습니다. 이는 50Ω ±10%와 같은 일반적인 요구 사항을 훨씬 초과합니다. 생산 과정에서 많은 변수가 임피던스 변화를 일으킵니다. 고속 또는 고급 제품의 경우 PCB 설계 및 제조 공정에서 모든 재료와 단계를 엄격하게 제어해야 합니다. 그렇지 않으면 제품에 예기치 않은 문제가 발생할 수 있습니다.
임피던스 및 특성 임피던스
1. 저항
도체에 교류 전류가 흐를 때 도체가 만나는 반대쪽을 임피던스(임피던스)라고 합니다. 기호는 Z입니다. 단위는 여전히 옴(Ω)입니다. 이 반대는 직류 저항과 다릅니다. 교류에서는 저항(R) 외에도 유도 리액턴스(XL)와 용량성 리액턴스(XC)가 있습니다.
DC 저항과 구별하려면 AC 반대 임피던스(Z)를 호출합니다.
공식입니다:
2. 임피던스(Z)
IC 집적도가 높아지고 신호 주파수와 속도가 높아지면 PCB 트레이스의 신호가 PCB 트레이스 자체의 영향을 받을 수 있습니다. 신호 주파수가 한계에 도달하면 트레이스는 심각한 신호 왜곡 또는 손실을 유발합니다. 이는 PCB 트레이스가 전류뿐만 아니라 펄스 또는 구형파 신호의 형태로 에너지를 전달한다는 것을 보여줍니다.
3. 특성 임피던스 제어(Z0)
신호가 이동할 때 만나는 반대쪽을 특성 임피던스라고 합니다. 기호는 Z0입니다.
따라서 “개방”, “단락” 및 연결성만 수정하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 고속 및 고주파 전송 라인의 경우 품질이 더 엄격해야 합니다. 개방/단락 테스트를 통과하거나 작은 결함이 있는 것만으로는 충분하지 않습니다. Z0를 측정하고 허용 오차 범위 내에 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 보드를 폐기해야 합니다. 재작업하지 마세요.
신호 전파 및 전송 라인
1. 신호 전송 라인의 정의
전자기 이론에서 파장(λ)이 짧을수록 주파수(f)가 높다는 뜻입니다. 그 곱은 광속과 같습니다. 즉:
모든 장치는 높은 신호 주파수를 가질 수 있습니다. 신호가 PCB 트레이스를 통과한 후에는 신호가 느려지거나 지연될 수 있습니다.
따라서 추적 길이가 짧을수록 좋습니다.
배선 밀도를 높이거나 배선 크기를 줄이면 도움이 됩니다. 그러나 컴포넌트 주파수가 높아지거나 펄스 주기가 짧아지면 트레이스 길이가 신호 파장의 일부에 가까워질 수 있습니다. 그러면 트레이스에 명백한 왜곡이 나타납니다.
IPC-2141 3.4.4항에 따르면 트레이스 길이가 신호 파장의 1/7에 가까워지면 트레이스는 신호 전송 라인으로 취급됩니다.
예시:
장치의 신호 주파수 f = 10MHz입니다. PCB 트레이스 길이는 50cm입니다. 특성 임피던스 제어가 필요합니까?
계산:
1/60은 1/7보다 훨씬 작기 때문에 이 트레이스는 일반 와이어이며 특성 임피던스 제어가 필요하지 않습니다.
맥스웰의 방정식에 따르면 매질에서 사인파의 전파 속도 VS는 광속 C 및 유전 상수 εr과 관련이 있습니다:
εr = 1일 때 신호 속도는 광속 = 3 × 10^10 cm/s와 같습니다.
2. 전송 속도 및 유전 상수
다양한 소재의 30MHz 신호 속도:
| 소재 / 기판 | Tg(°C) | 유전 상수 εr | 신호 속도(m/μs) |
|---|---|---|---|
| 진공 | / | 1.0 | 300.00 |
| PTFE(테프론) | / | 2.2 | 202.26 |
| 열경화성 폴리페닐렌 에테르 | 210 | 2.5 | 189.74 |
| 시아네이트 에스테르 | 225 | 3.0 | 173.21 |
| PTFE + E-글라스 | / | 2.6 | 186.25 |
| 시아네이트 에스테르 + 유리 | 225 | 3.7 | 155.96 |
| 폴리이미드 + 유리 | 230 | 4.5 | 141.42 |
| 쿼츠 | / | 3.9 | 151.98 |
| 에폭시 유리(fr4) | 130±5 | 4.7 | 138.38 |
| 알루미늄 | / | 9.0 | 100.00 |
표에 따르면 εr이 증가하면 재료의 신호 속도가 감소합니다. 신호 속도를 높이려면 더 높은 특성 임피던스를 선택합니다. Z0를 높이려면 εr이 낮은 소재를 선택하세요. PTFE는 εr이 가장 작기 때문에 가장 빠른 속도를 제공합니다.
FR4 보드는 에폭시 수지와 E-글래스를 사용합니다. εr은 약 4.7입니다. 신호 속도는 138m/μs입니다. 레진 시스템을 변경하면 εr이 변경될 수 있습니다.
특성 임피던스를 제어해야 하는 이유
이유 1
전자 장비(컴퓨터, 통신)가 작동하면 드라이버는 PCB 트레이스를 통해 수신기로 신호를 보냅니다. 트레이스의 특성 임피던스 Z0은 드라이버와 수신기 전자 임피던스와 일치해야 합니다. 일치하면 신호 에너지가 완전히 전송됩니다.
이유 2
PCB 품질이 나쁘고 Z0가 허용 오차를 벗어나면 신호가 반사, 소멸, 감쇠 또는 지연됩니다. 심한 경우 신호가 잘못되어 디바이스가 충돌할 수 있습니다.
이유 3
다층 보드 Z0가 고객 사양을 충족하려면 엄격한 재료 선택과 공정 제어가 필요합니다. 전자 임피던스가 높은 부품일수록 일반적으로 더 높은 PCB Z0가 필요합니다. Z0가 올바른 다층 기판은 고속 또는 고주파 제품에 적합한 제품입니다.
Z0와 재료 및 프로세스의 관계
마이크로 스트립 특성 임피던스 Z0 공식:
Where:
εr - 유전 상수
H - 유전체 두께
W - 트레이스 너비
T - 트레이스 두께
εr을 낮추면 고속 구성 요소에 맞게 Z0을 더 쉽게 올릴 수 있습니다.
1. Z0 및 εr
Z0은 εr과 반비례합니다. Z0는 H가 증가함에 따라 증가합니다. 엄격한 Z0 고주파 라인의 경우 유전체 두께 허용 오차가 엄격해야 합니다. 일반적으로 유전체 두께 변화는 10%를 초과하지 않아야 합니다.
2. 유전체 두께 효과
라우팅 밀도가 높을수록 H가 커지면 전자기 간섭이 더 많이 발생합니다. 고주파 및 고속 디지털 회선의 경우 도체 밀도가 높아지면 유전체 두께를 줄여 EMI 및 누화를 낮추거나 εr이 낮은 재료를 사용하세요.
공식에서 구리 두께 T는 중요한 요소입니다. T가 클수록 Z0은 낮아지지만 변화는 작습니다.
3. 구리 두께 효과
구리가 얇을수록 Z0가 높아지지만 Z0에 미치는 영향은 작습니다. 얇은 구리를 사용하면 미세한 흔적을 만드는 데 도움이 되며, 이는 구리 두께 값만 사용하는 것보다 Z0를 더 잘 제어할 수 있습니다.
공식에서:
W(트레이스 폭)가 감소하면 Z0가 증가합니다. 폭을 변경하는 것이 두께를 변경하는 것보다 Z0에 더 큰 영향을 미칩니다.
4. 트레이스 너비 효과
폭 W가 좁아지면 Z0가 급격히 증가합니다. Z0을 제어하려면 트레이스 폭을 엄격하게 제어합니다. 오늘날 대부분의 고주파 및 고속 디지털 트레이스의 폭은 0.10mm 또는 0.13mm입니다. 전통적으로 폭 허용 오차는 ±20%였습니다. 비전송 라인 트레이스(트레이스 길이 << 신호 파장/7)의 경우 ±20%도 괜찮을 수 있습니다. 그러나 Z0 제어 트레이스의 경우 ±20% 폭 오차는 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 이 시점에서 Z0 오차는 종종 ±10%를 초과합니다.
예시:
PCB 마이크로 스트립의 폭은 100μm, 두께는 20μm, 유전체 두께는 100μm입니다. 구리 두께가 균일하다고 가정합니다. 폭이 ±20%로 변하면 Z0는 ±10%를 충족할 수 있을까요?
공식으로:
W0 = 100㎛, W1 = 80㎛, W2 = 120㎛, T = 20㎛, H = 100㎛라고 가정합니다. 그러면 Z01 / Z02 = 1.20입니다. 따라서 Z0은 ±10% 이내가 아니라 ±10%에 도달합니다. 10% 내에서 Z0를 얻으려면 폭 변동이 ±20%보다 훨씬 작아야 합니다. Z0 ≤ ±5%를 얻으려면 폭 허용 오차가 ≤ ±10%여야 합니다.
이는 일부 PTFE PCB와 일부 fr4 PCB에 ±0.02mm의 폭 공차가 필요한 이유를 설명합니다. 그 이유는 Z0를 제어하기 위해서입니다.
특성 임피던스를 위한 프로세스 제어
영화 제작 제어 및 검사
일정한 온도와 습도(21±2°C, 55±5%)를 유지하고, 클린룸을 유지하며, 폭 공정 보정을 수행합니다.패널 디자인
패널 가장자리가 너무 좁아서는 안 됩니다. 도금을 균일하게 합니다. 전류를 분배하기 위해 전기 도금에 의사 음극을 사용합니다. 패널 가장자리에 쿠폰을 추가하여 Z0을 테스트합니다.에칭
공정 매개변수를 제어하여 언더컷을 줄입니다. 1차 통과 검사를 수행합니다. 잔류 구리, 구리 버 및 구리 스크랩을 줄입니다. 트레이스 폭을 점검하고 필요한 범위(±10% 또는 ±0.02mm) 이내로 유지합니다.AOI 검사
내부 레이어의 경우 미세한 간격과 돌출부를 찾습니다. 2GHz 고속 신호의 경우, 0.05mm의 간격만 있어도 기판 스크랩이 발생해야 합니다. 내부 레이어 폭과 결함을 제어하는 것이 핵심입니다.라미네이션
진공 라미네이션을 사용하여 압력을 낮추고 레진 흐름을 줄입니다. 레진은 εr에 영향을 미치므로 레진을 더 많이 보관합니다. 레진이 많을수록 εr이 낮아지는 경우가 많습니다. 라미네이션 두께 공차를 제어합니다. 완성된 기판 두께가 고르지 않으면 유전체 두께가 달라져 Z0에 영향을 미칩니다.좋은 기본 재료 선택
고객 소재 모델을 엄격하게 따르세요. 잘못된 모델은 잘못된 εr, 잘못된 두께를 의미합니다. Z0는 εr에 크게 의존하기 때문에 잘못된 재료로 전체 공정을 수행해도 여전히 스크랩이 발생합니다.솔더 마스크(커버레이)
기판 표면의 솔더 마스크는 Z0을 1-3Ω 낮출 수 있습니다. 이론적으로 솔더 마스크 두께는 너무 두껍지 않아야 합니다. 실제로 그 효과는 크지 않습니다. 솔더 마스크 전에는 도체 표면이 공기와 인터페이스하므로(εr = 1) 측정된 Z0이 더 높습니다. 솔더 마스크 후에는 솔더 마스크 εr이 약 4.0이므로 Z0가 1-3Ω 떨어집니다.수분 흡수
완성된 다층 보드의 습기 흡수를 피하십시오. 물은 εr ≈ 75입니다. 습기는 큰 Z0 강하와 불안정성을 유발합니다.
요약
다층 보드 전송 라인의 경우 일반적인 Z0 제어 범위는 다음과 같습니다:
50 Ω ±10%
75 Ω ±10%
28 Ω ±10%
변동을 제어하려면 다음 네 가지 주요 요소를 고려하세요:
트레이스 너비 W
트레이스 두께 T
유전체 두께 H
유전 상수 εr
가장 큰 영향은 유전체 두께 H입니다. 다음은 유전 상수 εr입니다. 그 다음 트레이스 폭 W. 가장 작은 것은 트레이스 두께 T. 기본 재료를 선택한 후 εr 변화는 작습니다. H는 제어할 수 있지만 여전히 변합니다. T는 제어하기가 더 쉽습니다. 트레이스 폭 W를 ±10% 이내로 제어하는 것은 어렵습니다. 핀홀, 틈새, 함몰과 같은 트레이스 문제도 중요합니다. 여러 면에서 Z0을 제어하는 가장 효과적이고 중요한 방법은 트레이스 폭을 정밀하게 제어하고 조정하는 것입니다.