웨어러블 PCB 설계 기초: 소재, RF, 임피던스 제어

웨어러블 IoT 기기가 크기 면에서 축소됨에 따라 인쇄 회로 기판에 대한 업계 표준은 여전히 희박합니다. 그동안 설계자들은 검증된 PCB 개발 및 제조 관행에 의존하면서 웨어러블의 독특한 요구사항에 맞게 조정해야 합니다. 주요 초점 영역은 기판 소재, RF/마이크로웨이브 성능, 전송선 설계입니다.

PCB 기판 소재

PCB 스택업은 라미네이트 층으로 구성되며, 일반적으로 FR-4, 폴리이미드, 고주파 Rogers 소재가 사용됩니다. 층 사이의 절연 소재를 프리프레그(pre-preg)라고 합니다.

웨어러블은 뛰어난 신뢰성을 요구합니다. 설계자들은 저렴한 FR-4(업계 표준)와 우수한 성능을 제공하는 프리미엄 고주파 소재 사이의 트레이드오프에 직면하는 경우가 많습니다.

고속 또는 고주파 회로에서 FR-4의 유전율(Dk = 4.5)은 원치 않는 손실을 유발할 수 있습니다. 반면 Rogers 4003(Dk = 3.55)과 Rogers 4350(Dk = 3.66)은 더 낮은 Dk 값으로 신호 왜곡을 줄입니다.

FR4 소재와 Rogers 4350, 코어 두께를 모두 보여주는 다층 보드 스택업.

유전율은 진공 대비 소재가 저장할 수 있는 정전 용량을 측정합니다. 낮은 Dk 값은 특히 마이크로웨이브 주파수에서 유전체 손실을 줄입니다. 결과적으로 Rogers 4350(Dk = 3.66)은 고주파 애플리케이션에서 FR-4(Dk = 4.5)보다 우수합니다.

웨어러블 PCB는 일반적으로 4~8층을 특징으로 합니다. 8층 스택은 전용 그라운드와 전원 플레인으로 신호 층을 감싸 크로스토크를 최소화하고 EMI를 줄입니다.

레이아웃 중 그라운드 플레인은 전원 플레인에 직접 인접하게 배치됩니다. 이 배열은 리플을 억제하고 시스템 노이즈를 근제로 낮추는데, 이는 RF 서브시스템에 필수적입니다.

고주파 손실은 손실 탄젠트(Df)에 의해 좌우됩니다. 프리미엄 FR-4 변종은 Df ≈ 0.002를 보이는 반면 Rogers 라미네이트는 ≤ 0.001을 달성합니다. 이에 따른 낮은 삽입 손실(전송 경로 전반의 신호 전력 손실)은 Rogers를 마이크로웨이브 회로의 선호 선택으로 만듭니다.

제조 과제

웨어러블 PCB는 신호 무결성을 보존하기 위해 일반적으로 ±5%~±7%의 엄격한 임피던스 제어를 요구합니다. 이전 ±10% 공차는 현대 고속, 고주파 설계에 부적합해 능력 있는 제조업체 풀을 좁힙니다.

Rogers 고주파 라미네이트는 Dk 공차 ±2%(때로는 ±1%)를 유지하는 반면 FR-4는 일반적으로 ±10%를 허용합니다. 이 정밀도는 FR-4의 절반 미만으로 삽입 손실을 줄입니다.

Rogers 소재는 프리미엄이지만, 낮은 손실과 고주파 능력은 표준 FR-4와의 하이브리드 스택으로 균형을 맞출 수 있어 상용 웨어러블에 경제적 솔루션을 제공합니다.

500MHz 이상의 주파수에서는 Rogers 라미네이트가 RF 및 마이크로웨이브 설계의 기본 선택입니다. 트레이스가 엄격하게 제어될 때 안정적인 임피던스를 유지하기 때문입니다.

Rogers 기판은 낮은 유전체 손실, 주파수 전반에 걸친 안정적인 Dk, 최소 삽입 손실을 결합해 고주파 동작에 이상적입니다.

Rogers 4000 시리즈는 뛰어난 CTE 안정성을 자랑해 리플로 공정 중 마주치는 온도 극한에서도 치수 무결성을 보장합니다. 이는 고주파, 고온 웨어러블에 필수적입니다.

Rogers와 고성능 FR-4를 결합한 하이브리드 스택은 표준 공정으로 쉽게 제조 가능합니다. Rogers 라미네이트는 특수 비아 준비가 필요하지 않아 높은 수율을 지원합니다.

기존 FR-4는 신뢰성 면에서 부족할 수 있지만, 고성능 FR-4 변종은 더 높은 유리 전이 온도(Tg)와 비용 효율적인 다용성을 제공합니다. 오디오 회로부터 정교한 마이크로웨이브 모듈까지 폭넓게 적용 가능합니다.

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