PCB 및 솔루션의 특성 임피던스에 영향을 미치는 요소

소형화, 디지털화, 고주파수 및 다중 기능과 같은 개발 요구 사항과 호환되기 위해 전자 장비의 상호 연결 장치인 PCB(인쇄 회로 기판)의 금속 와이어는 전류 흐름의 개방을 결정할 뿐만 아니라 다음과 같은 역할을 합니다. 신호 전송 라인. 즉, 고주파 신호 및 고속 디지털 신호 전송을 담당하는 PCB에 구현되는 전기적 테스트는 한편으로 회로의 온, 오프 및 쇼트컷을 확인해야 합니다. 또한 특성 임피던스가 조정된 범위를 넘어서는 안 된다는 점을 확인해야 합니다. 한 마디로, 두 요구 사항이 모두 충족되지 않는 한 회로 기판은 요구 사항을 결코 준수하지 않을 것입니다.

PCB에서 제공하는 회로 성능은 신호 전송 프로세스 중에 반사가 발생하지 않도록 해야 합니다. 신호가 통합된 상태로 유지됩니다. 임피던스 매칭을 통해 전송 손실을 줄였습니다. 결과적으로, 전송 신호는 간섭이나 노이즈 없이 통합적이고 안정적이며 정확하게 달성될 수 있습니다. 이 기사는 마이크로스트립 구조의 다층 기판의 특성 임피던스 제어에 중점을 둡니다.

표면 마이크로스트립 및 특성 임피던스

높은 특성 임피던스로 표면 마이크로 스트립은 PCB 제조에 ​​널리 적용되었습니다. 신호 평면은 임피던스를 제어하는 ​​외부 레이어로 설정되고 신호 평면과 인접한 데이텀 평면을 분리하는 데 사용되는 절연 재료가 사용되며 이는 아래 이미지에서 명확하게 볼 수 있습니다.

특성 임피던스는 다음 공식을 통해 계산할 수 있습니다. .

여기서 Z₀ 특성 임피던스를 나타냅니다. ε_r 절연 재료의 유전 상수; h 트레이스와 데이텀 평면 사이의 절연 재료 두께; w 트레이스의 너비; t는 트레이스의 두께를 나타냅니다. 아래 그림은 각 매개변수의 의미를 명확하게 보여줍니다.

위에 표시된 공식에 따라 특성 임피던스에 영향을 미치는 요소는 다음과 같다는 결론을 내릴 수 있습니다.
a. 절연 물질의 유전 상수(ε_r );
나. 단열재의 두께(h);
c. 트레이스의 너비(w);
d. 흔적의 두께(t).

또한 특성 임피던스는 기판 재료(CCL 재료)와 밀접한 관련이 있다고 결론지을 수 있습니다. 따라서 기판 재료 선택에 많은 고려가 필요합니다.

유전율과 그 효과

재료의 유전율은 주파수가 1MHz 미만일 때 재료 제조업체에서 측정합니다. 같은 종류의 재료라도 다른 제조사에서 생산하는 경우 수지 함량이 다르기 때문에 서로 다를 수 있습니다. 에폭시 유리 천을 예로 들어 보겠습니다. Epoxy Glass Cloth의 유전율과 주파수의 관계는 다음 그림으로 요약할 수 있습니다.

분명히 유전율은 주파수가 향상됨에 따라 낮아집니다. 따라서 절연체의 유전율은 재료의 동작 주파수에 따라 결정되어야 하며 평균값은 통상적인 요구사항을 만족할 수 있어야 합니다. 유전율이 증가함에 따라 신호의 전송 속도는 감소하므로 높은 신호 전송 속도가 요구되는 경우 유전율을 감소시켜야 합니다. 또한, 높은 전송 속도를 위해서는 높은 특성 임피던스가 보장되어야 하며, 이는 유전율이 낮은 재료에 의존합니다.

트레이스의 너비 및 두께

트레이스 폭은 특성 임피던스에 영향을 미치는 가장 영향력 있는 요소 중 하나이며, 아래 그림 4는 특성 임피던스와 트레이스 폭의 관계를 보여줍니다.

그림 4를 기반으로 트레이스 폭이 0.025mm만큼 변경되면 임피던스는 이후 5~6ohm만큼 변경된다는 결론을 내릴 수 있습니다. 그러나 실제 PCB 제조에서 18μm의 너비 허용 오차를 갖는 동박을 임피던스를 제어하기 위해 신호 평면으로 선택하면 허용 가능한 트레이스 너비 허용 오차는 ±0.015mm입니다. 너비 공차가 35μm인 동박을 선택한 경우 허용되는 트레이스 너비 공차는 ±0.003mm입니다. 결론적으로 트레이스 폭의 변화는 임피던스의 극적인 변화로 이어질 것입니다. 트레이스 폭은 여러 설계 요구 사항을 기반으로 설계자가 설계했으며 전류 용량 및 온도 상승 요구를 충족할 뿐만 아니라 임피던스를 예상 값으로 유도해야 합니다. 따라서 트레이스 폭은 설계 요구 사항과 허용 오차 범위 내에서 호환되도록 보장되어야 합니다.

트레이스 두께도 필요한 전류 용량과 허용 온도 상승에 따라 결정해야 합니다. 제조시 코팅 두께는 일반적으로 평균 25μm입니다. 트레이스 두께는 동박 두께에 코팅 두께를 더한 값과 같습니다. 오염 물질을 제거할 수 있도록 전기 도금 전에 트레이스 표면을 청소해야 합니다. 그렇지 않으면 트레이스 두께가 불균일하게 되어 특성 임피던스에 영향을 미칠 수 있습니다.

단열재의 두께

특성 임피던스를 계산하기 위해 위에서 소개한 공식에 기초하여 특성 임피던스는 절연 재료 두께의 자연 로그(h)에 정비례한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 이후 "h"가 클수록 "Z₀이 커집니다. 따라서 절연재의 두께도 특성 임피던스를 결정하는 중요한 요소입니다. 재료의 트레이스 폭과 유전율은 제조 전에 결정되고 트레이스 두께는 확실한 값으로 간주될 수 있으므로 이를 제어하는 ​​기본 방법입니다. 적층 두께 조절을 통한 특성 임피던스 Trace 두께와 특성 임피던스의 관계는 다음 그림으로 요약할 수 있습니다.

이 그림에서 두께가 0.025mm 증가함에 따라 특성 임피던스가 5옴에서 8옴까지 변화함을 알 수 있습니다. 그러나 PCB 제조 공정에서 각 라미네이트 두께의 변화에 ​​따라 큰 변화가 발생할 수 있습니다. 사실 제조시 절연재로 종류가 다른 프리프레그를 선택하고, 프리프레그의 개수에 따라 두께를 결정할 수 있다. 마이크로스트립을 예로 들어 보겠습니다. 그림 3은 해당 작동 주파수를 기반으로 절연 재료의 유전 상수를 결정하는 데 사용할 수 있으며 그 후에 특성 임피던스를 파악할 수 있습니다. 그 후 트레이스 폭과 계산된 특성 임피던스 값에 따라 그림 4를 사용하여 절연 재료의 두께를 파악할 수 있으며, CCL과 동박의 두께를 기반으로 추론할 수 있는 프리프레그의 종류와 개수를 기준으로 합니다.

위의 그림 5에 따르면 마이크로 스트립 구조는 동일한 두께의 절연 물질이 적용된 스트립 라인 구조보다 특성 임피던스가 더 높음을 알 수 있습니다. 결과적으로 마이크로 스트립 구조는 고주파 및 고속 디지털 신호 전송의 선호도입니다. 또한, 절연재의 두께가 증가함에 따라 특성이 상승합니다. 따라서 특성 임피던스가 엄격한 고주파 회로의 경우 CCL 절연 재료 두께는 일반적으로 최대 10%인 엄격한 허용 오차를 유지해야 합니다. 그러나 다층 기판의 경우 단열재 두께도 제조 매개변수이므로 엄격하게 제어해야 합니다.

결론적으로 트레이스 폭, 트레이스 두께, 유전 상수 및 절연 재료의 두께 측면에서 약간의 변화라도 특성 임피던스에 변화를 일으킬 수 있습니다. 이러한 요소 외에도 더 많은 요소와 밀접하게 관련되어 있습니다. 따라서 제조업체는 특성 임피던스의 변화를 일으키는 요소를 완전히 인식하고 특성 임피던스가 허용 가능한 범위 내에서 유지될 수 있도록 제조 매개변수를 조정해야 합니다.

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