PCB 기술 - 밀리미터파 주파수에서 PCB 회로기판 재료의 유리섬유 효과 분석​

밀리미터파 주파수에서 PCB 회로기판 재료의 유리섬유 효과 분석

일반적으로 보드 재료의 강도를 높이기 위해 가장 일반적인 방법은 인쇄회로기판(PCB) 전매질층에 유리섬유/천을 추가하는 것입니다.가장 얇은 PCB라도 일단 유리섬유를 넣으면 강도를 높일 수 있다.하지만 이 때문에 어떤 대가를 치러야 할까?성능 튜닝은 무엇입니까?유리는 그 자체의 재료 특성을 가지고 있다.고주파 회로기판 재료를 구성하는 매체와 표면 동박 재료와 결합할 때 회로의 전기 성능에 어떤 영향을 미칩니까?이 블로그는 유리 섬유가 고주파 회로 기판, 특히 밀리미터파 회로에 미치는 영향을"통찰"하려고합니다.밀리미터파 회로기판이 신흥 자동차 레이더 시스템(77GHz)과 5세대(5G) 셀룰러 무선통신 시스템에서 점점 중요해지고 있기 때문이다.

유리섬유와 회로기판 소재를 형성하는 각종 수지를 혼합함으로써 이런 방식으로 형성된 인쇄회로기판의 강도와 내구성이 크게 향상된다.회로 기판에 높은 기계적 강도가 필요한 경우 전기 매체 기판에 유리 천을 한 층 또는 여러 층 혼합하고 세라믹 재료를 혼합하여 높은 기계적 강도를 달성 할 수 있습니다.Rogers'RO4830'¢층 압판은 이런 방법을 사용한다.그러나 유리섬유는 일반적으로 편직구조로서 그 개전상수 (Dk) 가 개전재료 (및 도자기충전재) 보다 높다.전체 혼합 과정에서 서로 다른 Dk 값을 가진 재료는 일반적으로 완벽한 균일 분포를 이루지 못하며, 이로 인해 서로 다른 크기와 간격의 Dk를 가진 보드 재료가 작은 면적에서 변화합니다.무선 및 마이크로파 주파수에서 Dk의 이러한 변화는 그다지 중요하지 않을 수 있지만 파장이 작은 밀리미터파 주파수에서는 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

유리섬유가 회로기판 소재의 회로 성능에 미치는 이런 영향을 유리효과(GWE) 또는 섬유효과(FWE)라고 한다.유리섬유는 PCB 재료의 강화된 부분으로 초슬림하고 내구성이 강한 회로기판 재료를 만드는 데 확실히 도움이 된다.더 얇은 재료는 컴팩트한 패키징 요구 사항이 있는 응용에 뚜렷한 장점을 가지고 있으며, 28GHz 또는 더 높은 주파수의 밀리미터파 회로와 같은 더 높은 주파수, 작은 파장의 회로 응용에 매우 적합하다.

이상적으로 인쇄 회로 기판 재료에는 일관된 성능을 위해 유리 섬유와 구리 포일이 포함됩니다.유리섬유는 밀리미터파 응용의 초점일 뿐만 아니라 고속 디지털 회로에도 영향을 미치고, 인접 신호 간의 전송 지연과 왜곡, 정시 차이 (오타율 증가) 에도 영향을 미친다.이 블로그는 유리 섬유 효과 GWE가 77 GHz 및 기타 밀리미터파 회로에 어떻게 영향을 미치는지 주목합니다.

변경 사항 확인

밀리미터파 주파수에서는 보드 재료 Dk의 작은 변화에도 신호 지연 및 전송선 위상 차와 같은 전기 특성의 변화가 발생합니다.얇은 회로의 경우 유리 섬유가 강도를 증가시키지만 주변 개전 재료보다 훨씬 높은 Dk를 증가시킵니다.유리 섬유의 Dk는 약 6.0, 개전 재료의 Dk는 약 2.1-2.6으로 혼합하면 약 3.0의 총 Dk를 얻을 수 있다.고주파 PCB를 형성하는 데 사용되는 유리 섬유/천은 일반적으로 완벽한 메쉬가 아니며 회로 기판 재료를 제조하기 전에 운송 및 처리로 인해 변형 될 수 있습니다.

또한 고주파 PCB 재료의 회로 배선도 유리섬유 효과가 전체 회로의 성능에 다소 영향을 미칠 수 있다.유리천은 유리섬유로 짜여져 있는데 그 도안은 다음과 같은 특징을 갖고있다. 회로판재료의 작은 면적에서 일부 지방에는 유리섬유가 교차되고 중첩되지만 일부 지방에는 빈틈이 있고 유리섬유가 없다.전송선의 성능 차이는 이러한 유리 섬유가 교차하는 영역에서 발생합니다.유리섬유가 많은 구역을'지절빔 구역'이라고 하고, 유리가 적은 구역을'빔 개방 구역'이라고 한다.조향 피치 교차점의 Dk 값은 유리 섬유가 적은 번들 개구부보다 높습니다.회로 기판 재료의 혼합 특성으로 인해 전송 선이 너무 높은 유리 섬유 영역, 유리 없는 영역 또는 "Z"자 모양으로 두 영역을 동시에 통과할 수 있으며, 이로 인해 동일한 전송 선이 Dk의 다른 부분을 통과할 수 있습니다.성능 차이가 큽니다.

주파수가 증가하거나 더 높은 디지털 속도에서 유리섬유 효과가 점점 중요해짐에 따라 회로기판 재료의 개발자들은 서로 다른 유형의 유리섬유와 도안을 통해 이러한 효과를 최대한 줄이려고 한다.밀리미터파 회로의 회로판 재료는 일반적으로 106형 개구부 균형 유리천, 1080형 개구부 불균형 유리천, 1078형 평섬유 개구부 균형 유리직물 등 다음과 같은 서로 다른 유리섬유 유형을 사용한다.이 세 종류의 유리섬유는 모두 비교적 얇다.여기서"균형"짜임은 유리섬유 X축의 유리경사와 Y축의 위사의 두께와 밀도의 비를 말한다.유리 섬유 거즈 하네스 사이의 개구 영역은 서로 다른 기하학적 구조를 가질 수 있지만 유리 섬유 거즈의 두께와 밀도는 균형 여부를 결정합니다.1078 유리 천은 납작한 섬유 개구부 짜임 구조를 가지고 있으며 섬유 개구부 영역이 없는 재료에 고르게 분포되어 있다;106과 1080 유리 천의 재료는 다르지만 짜여진 유리 섬유 사이에 구멍이 있습니다.

77GHz 차이

서로 다른 유리천 유형의 회로판 재료를 연구한 결과, 전송선 회로는 서로 다른 유리섬유의"관절 교차 구역"과"빔 개구 구역"에 위치하며, 그 성능은 현저한 차이가 있을 수 있다.상기 세 가지 전형적인 유리천 유형의 회로판 재료에서 출발하여 측정에 사용되는 회로를 설계하였다.이 재료는 압연동을 사용하여 동박의 거칠음의 영향을 최소화하고'조향절 교차 영역'과'빔 개구 영역'을 지나는 회로를 선택하여 네트워크 분석기로 측정한다.측정 매개변수에는 각 회로의 그룹 지연, 전파 지연 및 위상 각도 응답 및 이로 인한 성능 차이가 포함되어 있어 서로 다른 유리 섬유와 서로 다른 유리 짜임 구조가 어떻게 회로에서 서로 다른 Dk 값을 생성하는지 깊이 이해할 수 있습니다.

이 실험은 4밀귀 두께의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 재료, 충전재 없음, 압연동 및 상기 세 가지 다른 유리 천의 조합을 사용한다.1078형 유리섬유 회로기판 소재는 평탄하고 균형 잡힌 구성으로'회전절 교차 영역'에서 회로로의 방향과'빔 개구 영역'의 방향 사이의 차이를 최소화했다.테스트 결과 이런 유형의 1078 유리섬유 회로기판 소재로 만든 회로는 77GHz의 주파수에서 위상차가 20도에 불과했다.

다른 두 종류의 유리섬유의 성능은 비교적 어떻습니까?동일한 4mil 두께의 PTFE 무충전 압연 동층 압판 재료.사용된 106형 유리섬유는 개방형 짜임과 균형 구조를 가지고 있다.77GHz에서 조향 피치 교차 영역 및 빔 열린 영역 방향의 위상 각도입니다. 평균 차이는 100도입니다.동일한 회로 재료에 사용되는 1080 유리 천은 개방형 짜임과 불균형 구조를 가지고 있으며 77GHz 주파수에서 회로의 평균 위상 각차는 149도입니다.

유리 섬유 효과로 인한 이러한 차이로 인한 회로 기판 재료의 Dk의 차이는 무엇입니까?위의 동일한 회로의 결과는 1078 유리 천 소재를 사용하는 회로의 경우"조향절 빔 영역"의 회로와"빔 개구 영역"의 회로 간의 차이가 약 0.02의 Dk 변화에 대응한다는 것을 보여줍니다.106형 유리천 소재를 사용하면 Dk의 차이가 0.09로 상대적으로 크다.1080형 유리천 재료를 사용하는 회로에 대응하는 최대 Dk 차는 0.14에 달한다.

단층유리섬유를 사용하는 회로층압판의 경우 유리섬유효과가 다층유리층압판보다 더욱 뚜렷하다. 왜냐하면 여러 유리섬유의 평균적층은 유리분포를 더욱 균일하게 하기때문이다.밀리미터파 회로의 경우, 파장이 매우 작고, 일반적인 회로는 매우 얇으며, 재료는 일반적으로 유리 섬유 한 층으로만 보강된다.이 경우 회로 성능은 유리 섬유 효과에 더 많은 영향을 받습니다.세라믹과 같은 충전재가 있는 레이어 프레스에는 유리의 Dk와 수지 시스템의 Dk 사이에 있는 이 추가 재료가 있습니다. 유리 섬유 효과를 완전히 해결할 수는 없지만 회로를 어느 정도 만들 수 있습니다. 보드 재료의 Dk는 고주파 유리 섬유 효과의 영향을 줄이기 위해 더 균일하게 고주파 유리 섬유 효과의 영향을 줄입니다.예를 들어, 로저스사가 생산한 RO4830–층 압판은 1078평개 유리 섬유 천과 세라믹 충전재를 사용하는 이런 종류의 회로 재료이다.

또한 Rogers – RO3003 – 층 압판은 유리 천을 포함하지 않으며 밀리미터파 회로에서 자주 사용되는 회로 기판 재료 중 하나입니다.이것은 Dk가 3.00이고 Dk 공차가 ± 0.04 이내로 제어되는 세라믹 충전 PCB 재료입니다.이러한 Dk 일관성은 밀리미터파 회로와 고속 디지털 회로의 차이점에 매우 중요합니다.

유리섬유 제거

유리섬유의 효과를 완전히 피하는 한 가지 방법은 유리섬유/천이 함유되지 않은 회로기판 재료를 사용하는 것이다.특히 77GHz 밀리미터파를 사용하는 등 자동차 레이더 회로의 경우 유리섬유가 함유되지 않은 고주파 회로기판 재료를 사용하는 것이 유리섬유 강화 회로기판 재료를 사용하는 것보다 훨씬 좋다.로저스의 최신 RO3003G2 ¢회로층 압판도 유리천이 함유되지 않은 재료이다.테스트에 따르면 밀리미터파 주파수에서 서로 다른 회로 기판 사이에 매우 일치하는 성능을 가지고 있습니다. 예를 들어 일치하는 마이크로밴드 전송선 임피던스입니다.

도체 너비, 구리 두께 및 라이닝 두께와 같은 임피던스 변화와 관련된 다른 재료 또는 회로 매개변수도 전송선 임피던스의 변화를 초래할 수 있습니다.그러나 최근 발표 된 RO3003G2 고주파 보드 재료는 77GHz 이상의 주파수에 필수적인 회로 임피던스 또는 성능 변화에 영향을 미치는 유리 섬유 효과 요소를 완전히 제거합니다.

참고: 이 블로그는 원래 저자의 웹 세미나 보고서"유리 짜임이 밀리미터파 PCB 성능에 미치는 영향 개요"(유리 짜임이 밀리미터파 PCB 성능에 미치는 영향 개요)를 기반으로 합니다.

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