소형화, 디지털화, 고주파, 다기능 같은 발전 요구 사항에 부합하기 위해 전자 장비의 상호 연결 장치로서 PCB상의 금속 와이어는 전류 흐름의 통로를 결정할 뿐만 아니라 신호 전송 라인 역할도 합니다. 즉, 고주파 신호와 고속 디지털 신호 전송을 담당하는 PCB에 구현되는 전기 테스트는 한편으로 회로의 온, 오프, 쇼트컷을 확인해야 합니다. 다른 한편으로는 특성 임피던스가 규제 범위를 결코 벗어나지 않아야 함을 결정해야 합니다. 한마디로, 두 요구 사항이 모두 충족되지 않으면 회로 보드는 결코 요구 사항 적합성을 달성할 수 없습니다.
PCB가 제공하는 회로 성능은 신호 전송 과정에서 반사가 발생하지 않도록 보장해야 하며, 신호는 온전하게 유지되어야 하고, 전송 손실은 임피던스 매칭 달성을 통해 감소되어야 합니다. 결과적으로 전송 신호는 간섭이나 노이즈 없이 온전하고, 신뢰성 있게, 정확하게 달성될 수 있습니다. 이 기사는 마이크로스트립 구조를 가진 다층 보드의 특성 임피던스 제어에 초점을 맞춥니다.
높은 특성 임피던스를 가진 표면 마이크로스트립은 PCB 제조에 널리 적용되어 왔습니다. 신호 평면은 임피던스를 제어하는 외부 레이어로 설정되고, 절연 재료는 신호 평면과 인접한 기준 평면을 분리하는 데 사용됩니다. 이는 아래 이미지에서 명확히 볼 수 있습니다.
특성 임피던스는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다: 
.
여기서 Z₀는 특성 임피던스를, εᵣ은 절연 재료의 유전 상수를, h는 트레이스와 기준 평면 사이의 절연 재료 두께를, w는 트레이스 폭을, t는 트레이스 두께를 나타냅니다. 아래 그림은 각 파라미터의 의미를 명확히 보여줍니다.
위에 표시된 공식에 기반하여 특성 임피던스에 영향을 미치는 요소에는 다음이 포함됨을 결론지을 수 있습니다:
특성 임피던스가 기판 재료(CCL 재료)와 밀접하게 관련되어 있음을 추가로 결론지을 수 있습니다. 따라서 기판 재료 선택에 많은 고려 사항을 반영해야 합니다.
재료의 유전 상수는 주파수가 1MHz 이하로 떨어질 때 재료 제조사에 의해 측정됩니다. 다른 제조사가 생산할 때 수지 함량이 다르기 때문에 동일한 유형의 재료라도 서로 다를 수 있습니다. 에폭시 유리 천을 예로 들면, 에폭시 유리 천의 유전 상수와 주파수 간의 관계는 다음 그림으로 요약할 수 있습니다.
명백하게, 주파수 향상에 따라 유전 상수는 감소합니다. 따라서 절연 재료의 유전 상수는 재료의 작동 주파수에 따라 결정되어야 하며 평균값은 일반적인 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 신호 전송 속도는 유전 상수가 상승함에 따라 감소하므로, 높은 신호 전송 속도가 요구되면 유전 상수를 감소시켜야 합니다. 또한 높은 특성 임피던스는 높은 전송 속도를 위해 보장되어야 하며, 이는 낮은 유전 상수를 가진 재료에 의존합니다.
트레이스 폭은 특성 임피던스에 영향을 미치는 가장 영향력 있는 요소 중 하나이며, 아래 그림 4는 특성 임피던스와 트레이스 폭 간의 관계를 보여줍니다.
그림 4에 기반하여 트레이스 폭이 0.025mm 변할 때 임피던스는 이후 5~6옴 변화함을 결론지을 수 있습니다. 실제 PCB 제조에서, 그러나 18μm 폭 공차의 동박이 신호 평면으로 선택되어 임피던스를 제어하는 경우, 허용 가능한 트레이스 폭 공차는 ±0.015mm입니다. 35μm 폭 공차의 동박이 선택되면 허용 가능한 트레이스 폭 공차는 ±0.003mm입니다. 결론적으로, 트레이스 폭 변화는 임피던스의 극적인 변화를 초래합니다. 트레이스 폭은 설계자가 여러 설계 요구 사항에 기반하여 설계하며, 전류 용량과 온도 상승 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 임피던스를 예상 값으로 이끌어야 합니다. 따라서 트레이스 폭이 설계 요구 사항과 호환되고 허용 공차 내에 있도록 보장해야 합니다.
트레이스 두께도 필요한 전류 용량과 허용 가능한 온도 상승에 따라 결정되어야 합니다. 제조에서 코팅 두께는 일반적으로 평균 25μm입니다. 트레이스 두께는 동박 두께와 코팅 두께의 합과 같습니다. 전기 도금 전에 트레이스 표면이 깨끗해져 오염 물질이 제거되도록 해야 합니다. 그렇지 않으면 트레이스 두께가 고르지 않게 되어 특성 임피던스에 영향을 줄 수 있습니다.
위에서 소개한 특성 임피던스 계산 공식에 기반하여, 특성 임피던스가 절연 재료 두께(h)의 자연 로그에 정비례함을 결론지을 수 있습니다. 그 후, "h"가 커질수록 "Z₀"도 커집니다. 따라서 절연 재료 두께도 특성 임피던스를 결정하는 중요한 요소입니다. 트레이스 폭과 재료의 유전 상수가 제조 전에 결정되었고 트레이스 두께를 고정된 값으로 간주할 수 있으므로, 라미네이션 두께 제어를 통해 특성 임피던스를 제어하는 것이 주요 방법입니다. 트레이스 두께와 특성 임피던스 간의 관계는 다음 그림으로 요약할 수 있습니다.
이 그림에서 두께가 0.025mm 상승할 때 특성 임피던스가 5~8옴 변화함을 나타낼 수 있습니다. 그러나 PCB 제조 공정에서 각 라미네이트 두께의 변화로 인해 큰 변화가 발생할 수 있습니다. 사실, 프리프레그가 제조에서 절연 재료로 선택되며 두께는 프리프레그 수로 결정될 수 있습니다. 마이크로스트립을 예로 들면, 그림 3을 사용하여 해당 작동 주파수에 기반한 절연 재료의 유전 상수를 결정한 후 특성 임피던스를 계산할 수 있습니다. 이후 트레이스 폭과 계산된 특성 임피던스 값에 따라 그림 4를 사용하여 절연 재료 두께를 파악하고, CCL과 동박 두께에 기반하여 프리프레그 유형과 수를 추론할 수 있습니다.
위 그림 5에 따르면, 동일한 두께의 절연 재료가 적용될 때 마이크로스트립 구조가 스트라이프라인 구조보다 더 높은 특성 임피던스를 가짐을 알 수 있습니다. 결과적으로 마이크로스트립 구조는 고주파 및 고속 디지털 신호 전송에 선호됩니다. 또한 특성 임피던스는 절연 재료 두께 향상에 따라 상승합니다. 결과적으로 엄격한 특성 임피던스를 가진 고주파 회로의 경우 CCL 절연 재료 두께는 보통 최대 10%의 엄격한 공차를 유지해야 합니다. 그러나 다층 보드의 경우 절연 재료 두께도 제조 파라미터이므로 엄격하게 제어되어야 합니다.
결론적으로, 트레이스 폭, 트레이스 두께, 유전 상수, 절연 재료 두께의 미세한 변화라도 특성 임피던스 변화를 초래할 수 있습니다. 이러한 요소들 외에도 더 많은 요소와 밀접하게 관련되어 있습니다. 따라서 제조업체가 특성 임피던스 변화를 야기하는 요소들을 완전히 인식하고 제조 파라미터를 조정하여 특성 임피던스를 허용 범위 내에 유지하는 것은 매우 중요한 필수 사항입니다.
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