마이크로웨이브 기술 - PCB 회로 Dk 및 위상 일관성에 대한 재료 및 공정의 영향 분석

PCB 회로 Dk 및 위상 일관성에 대한 재료 및 공정의 영향 분석

주파수가 계속 증가함에 따라 인쇄회로기판(PCB) 재료의 위상 일치성을 제어하는 것이 점점 어려워지고 있다.보드 재료의 변화를 정확하게 예측하는 것은 간단하거나 일반적인 작업이 아닙니다.고주파 고속 PCB의 신호 위상은 처리되는 전송선의 구조와 회로기판 재료의 개전 상수(Dk)에 크게 좌우된다.매체의 Dk가 낮을수록(예를 들어 공기의 Dk는 약 1.0) 전자파가 더 빨리 전파된다.Dk가 증가함에 따라 파의 전파가 느려지고 이런 현상은 전파 신호의 위상 응답에도 영향을 미칠 것이다.전파 매체의 Dk가 바뀌면 파형 위상이 바뀝니다. 더 낮거나 더 높은 Dk는 전파 매체에서 신호의 속도를 더 빠르거나 더 느리게 하기 때문입니다.

보드 재료의 Dk는 일반적으로 길이, 너비 및 두께 (x, y 및 z축에 해당) 의 3D (3D) 에서 서로 다른 Dk 값을 가지는 각 방향 이성입니다.일부 특수 유형의 회로 설계의 경우 Dk의 차이뿐만 아니라 회로 처리 및 제조가 위상에 미치는 영향도 고려해야 합니다.PCB의 작동 주파수가 증가함에 따라, 특히 마이크로파와 밀리미터파 주파수에서, 예를 들면 5세대 (5G) 셀룰러 무선 통신 네트워크 인프라 설비, 전자 보조 차량 중의 고급 운전자 보조 시스템 (ADAS) 은 단계 안정성과 예측 가능성이 점점 더 중요해질 것이다.

그렇다면 무엇이 회로기판 재료의 Dk를 변화시켰을까?경우에 따라 PCB에서 Dk의 차이는 재료 자체에 의해 발생합니다 (예: 구리 표면의 거친 정도의 변화).다른 경우에도 PCB 제조 과정은 Dk의 변화를 초래할 수 있습니다. 또한 높은 작동 온도와 같은 열악한 작업 환경도 PCB의 Dk를 변경합니다.재료의 특성, 제조 공정, 작업 환경, 심지어 Dk 테스트 방법까지 이해하여 PCB Dk의 변화를 연구하는 방법. 이는 PCB의 변화를 더 잘 이해하고 예측하며 그 영향을 최소화할 수 있다.

각방향 이성은 회로기판 재료의 중요한 특성으로 Dk의 특성은 3차원 수학에서의"장량"과 매우 비슷하다.세 축의 서로 다른 Dk 값은 3D 공간에서 전파량과 전장 강도의 차이를 초래합니다.회로에 사용되는 전송선의 유형에 따라 결합 구조를 가진 회로의 위상은 재료의 각 방향 이성을 통해 변경될 수 있으며 회로의 성능은 보드 재료의 위상 방향에 따라 달라집니다.일반적으로 보드 재료의 각방향 이성은 보드의 두께와 작동 빈도에 따라 달라지며 Dk 값이 낮은 재료의 각방향 이성은 작습니다.충전된 강화 재료도 이러한 변화를 일으킬 수 있습니다. 유리 섬유 강화가 없는 회로 기판 재료보다 유리 섬유 강화 재료가 있는 회로 기판은 일반적으로 더 큰 각방향 이성을 가지고 있습니다.위상이 핵심 지표이고 PCB의 Dk가 회로 설계 모델링의 일부일 때 두 재료 사이의 Dk 값에 대한 설명과 비교는 같은 축의 Dk를 대상으로 해야 한다.보드 재료 Dk를 변경하는 다양한 요소(측정 방법 포함)에 대한 자세한 내용은 Rogers의 웹 세미나 "전로 재료 및 제조가 PCB Dk 변화 및 위상 일관성에 미치는 영향 이해" "제조 프로세스가 PCB의 Dk 변화 및 위상 일치성에 미치는 영향"을 참조하십시오.

설계 Dk 심층 검토

회로의 유효한 Dk는 특정 유형의 전송선에서 전자파가 전파되는 방식에 따라 달라집니다.전송선에 따라 전자파의 일부는 PCB의 개전 재료를 통해 전파되고 다른 일부는 PCB 주변의 공기를 통해 전파된다.공기의 Dk 값 (약 1.00) 은 회로 재료보다 낮습니다.그러므로 유효한 Dk값은 본질적으로 하나의 조합된 Dk값으로서 전송선도체에서 전파되는 전자파, 전매질재료에서 전파되는 전자파 및 밑바닥 주위의 공기에서 전파되는 전자파의 조합작용에 의해 결정되는 전자파로 구성되였다.'디자인 Dk'는 서로 다른 전송선 기술, 제조 방법, 도선, 심지어 Dk를 측정하는 테스트 방법의 종합적인 영향까지 고려하기 때문에'유효 Dk'보다 더 실용적인 Dk를 제공하려고 한다.디자인 Dk는 회로 형태에서 재료를 테스트할 때 추출한 Dk로,또한 회로 설계 및 시뮬레이션에 가장 적합한 Dk 값입니다.설계 Dk는 회로의 유효 Dk가 아니라 유효 Dk를 측정하여 결정되는 재료 Dk입니다. 설계 Dk는 회로의 실제 성능을 반영합니다.

PCB 전매질 재료의 서로 다른 두께의 도체 동박의 표면 거칠음은 회로의 설계 Dk와 위상 응답에 서로 다른 영향을 미친다.안감이 비교적 두꺼운 재료는 왕왕 동박 도체 표면의 거칠음의 영향을 비교적 적게 받는다.거친 표면을 가진 동박 도체의 경우에도 이때 설계 Dk 값은 라이닝 재료의 전매질 Dk에 더 가깝습니다.예를 들어, Rogers의 6.6 밀이 RO4350B–¢ 보드 재료의 평균 설계 Dk 값은 8~40GHz 범위에서 3.96입니다.두께가 30밀귀인 같은 소재의 경우 같은 주파수 범위 내에서 설계 Dk는 평균 3.68로 낮아졌다.재료 기저의 두께가 다시 두 배 (60 밀귀) 가되면 설계 Dk는 3.66이며 이는 기본적으로 유리 섬유 강화 층 압판의 매체의 고유 Dk입니다.

위의 예에서 볼 수 있듯이, 두꺼운 전매질 기판은 동박의 거친 정도에 영향을 덜 받고 Dk 값을 상대적으로 낮게 설계합니다.그러나 회로를 생산하고 처리하기 위해 두꺼운 회로 기판을 사용하는 경우, 특히 신호 파장이 작은 밀리미터파 주파수에서는 신호 폭과 위상의 일관성을 유지하기가 더 어려워집니다.주파수가 높은 회로는 일반적으로 얇은 회로 기판에 더 적합하며 이 경우 재료의 개전 부분이 Dk 및 회로 성능 설계에 미치는 영향은 적습니다.신호 손실과 위상 성능 면에서 얇은 PCB 기판은 도체의 영향을 더 쉽게 받을 수 있다.밀리미터파 주파수에서 회로 재료의 설계 Dk의 경우, 그들은 두꺼운 기판보다 동박 표면의 거칠음과 같은 도체 특성에 더 민감합니다.

어떻게 송전선로 회로를 선택합니까

무선 주파수/마이크로파 및 밀리미터파 주파수에서 회로 설계 엔지니어는 주로 마이크로밴드, 밴드, 접지공면파도 (GCPW) 와 같은 전통적인 전송선 기술을 사용합니다.각 기술은 서로 다른 설계 방법론, 설계 과제 및 관련 이점을 제공합니다.예를 들어 GCPW 회로 결합 행위의 차이는 회로 설계 Dk에 영향을 줄 수 있다. 긴밀하게 결합된 GCPW 회선과 긴밀하게 간격을 둔 전송선의 경우 공면 결합 영역 사이의 공기를 사용하면 더욱 효과적인 전자기 전파를 실현하고 손실을 줄일 수 있다.최저로 떨어지다.더 두꺼운 구리 도체를 사용함으로써 결합 도체의 측면 벽이 더 높고 결합 영역에서 더 많은 공기 경로를 사용하면 회로 손실을 최소화할 수 있지만 더 중요한 것은 구리 도체의 두께를 줄이는 데 따른 상응하는 변화 Impact를 이해하는 것입니다.

많은 요소들이 주어진 회로 및 보드 재료의 설계 Dk에 영향을 줄 수 있습니다.예를 들어, 보드 재료의 온도 계수 Dk(TCDk)는 설계 Dk와 성능에 미치는 작동 온도의 영향을 측정하는 데 사용됩니다.TCDk 값이 낮을수록 보드 재료의 온도 의존도가 줄어듭니다.이와 마찬가지로 높은 상대 습도 (RH) 는 회로 기판 재료의 설계 Dk를 증가시킵니다. 특히 높은 흡습성을 가진 재료의 경우.보드 재료의 특성, 회로 제조 공정 및 작업 환경의 불확실한 요소는 보드 재료 설계 Dk에 영향을 미칩니다.이러한 특성을 이해하고 설계 과정에서 이러한 요소를 충분히 고려해야만 그 영향을 최소화할 수 있다.