마이크로스트립 임피던스: PCB 레이아웃 이론

50Ω이 중요한 이유

그렇다면 왜 50Ω일까요?하늘에서 떨어진 마법의 숫자가 아니에요.예전에 엔지니어들은 동축 케이블이 서로 상충되는 두 가지 요구 사항, 즉 아크 없이 전력을 처리하는 것 (낮은 임피던스를 원함) 과 손실을 낮게 유지하는 것 (공기 유전체의 경우 약 77Ω) 사이에서 균형을 유지해야 한다는 것을 깨달았습니다.이들은 50Ω을 스위트 스폿으로 설정했지만 그대로 유지되었습니다.이제 테스트 장비, 커넥터, 증폭기, 안테나 등 RF 작업의 모든 곳에서 사용할 수 있습니다.대신 비디오를 촬영하는 경우 75Ω이 표시됩니다.고속 디지털 사용자는 종종 100Ω 디퍼런셜 페어를 사용합니다.

임피던스 불일치에 대한 문제는 다음과 같습니다. DC와 저주파에서는 아무도 신경 쓰지 않습니다.신호가 충분히 느리게 움직여서 문제가 발생하기 전에 반사가 진정됩니다.하지만 주파수가 올라가면 그 반사가 심해지기 시작합니다.걱정부터 시작해야 할 대략적인 한계점이 있습니다.

이 방정식에서v는 전파 속도 (일반적으로 FR4에서는 약 0.6c) 이고 l은 추적 길이입니다.이 수치를 표준 FR4에서 10cm 트레이스로 계산하면 약 900MHz가 나옵니다.이 주파수 이상에서는 임피던스 제어가 더 이상 선택 사항이 아닙니다.

대부분의 엔지니어는 처음 몇 개의 보드에서 적절한 임피던스 설계를 건너뛰고 나중에 데모 전 오전 2시에 불가사의한 신호 무결성 문제를 디버깅할 때 후회합니다.

해머스타드-젠슨 방정식

간단한 IPC-2141 방정식을 사용하는 많은 온라인 계산기를 찾을 수 있습니다.약 ± 5% 의 정확도로 볼 파크 추정치에 적합합니다.하지만 중요한 것을 제조하고 있다면 와델의 수정으로 개선된 1980년의 함머스타드-젠슨 공식이 필요할 것입니다.이를 통해 정확도가 ± 1% 까지 낮아지는데, 이는 어쨌든 제조 허용 오차를 고려할 때 기대할 수 있는 수준과 거의 비슷합니다.

계산은 트레이스 종횡비에 따라 두 가지 경우로 나뉩니다.W/H < 1인 좁은 트레이스의 경우:

그리고 W/H ≥ 1인 넓은 트레이스의 경우:W항은 유효 너비입니다. 이 항은 구리 트레이스가 실제 두께를 갖는다는 사실을 설명하는 것이지, 단순한 모형에서 높이를 0으로 추상화한 것이 아닙니다.그리고 **eff는 유효 유전상수인데, 필드 라인이 기판 안에 완전히 들어가지 않기 때문에 복잡합니다.이들 중 일부는 트레이스 위의 공기 중에 있기 때문에 유효 유전상수는 보드 재료의 ε와 1.0 (공기) 사이의 어딘가에 도달합니다.

소재 선택

기판 소재 선택은 실제로 옵션을 살펴보기 전까지는 간단해 보이는 결정 중 하나입니다.일반적으로 선택할 수 있는 사항은 다음과 같습니다.

표준 FR4는 저렴하고 어디서나 구입할 수 있기 때문에 누구나 디지털 제품 및 저주파 RF에 사용합니다.하지만 유전 상수는 주파수에 따라 달라집니다. 100MHz에서 4.5가 4.1x10GHz로 떨어지는 것을 볼 수도 있습니다.또한 유리 직조 패턴은 유전율에 국소적인 변동을 일으켜 주의하지 않으면 임피던스를 망칠 수 있습니다.실제로 성능에 관심이 있는 1GHz 이상의 환경에는 제어식 DK 라미네이트를 사용하십시오.Rogers 소재는 진지한 RF 작업에 주로 사용됩니다.비용은 더 많이 들지만 유전 상수가 안정적이고 손실 탄젠트가 훨씬 좋습니다.

마이크로파 또는 mmWave 작업을 할 때 손실로 인해 큰 손실을 입을 때 PTFE 기반 소재를 사용합니다.알루미나 기판은 열 성능이 필요한 고전력 RF 및 하이브리드 회로에 사용됩니다.

제조 허용 오차

신중한 임피던스 계산이 실제 세계에서 어떤 의미가 있는지를 결정하기 때문에 PCB 팹 하우스가 실제로 달성할 수 있는 것에 대해 이야기해 보겠습니다.

일반적인 제조업체에서는 이러한 허용 오차를 표준 주문에 따라 적용합니다.

• 트레이스 너비: ±0.05mm (±2mil) 는 정상입니다.임피던스 제어를 위해 추가 비용을 지불하면 ±0.025mm (±1mil) 를 얻을 수 있습니다.
• 유전체 두께: ± 10% 가 표준입니다.임피던스 제어 스택업을 사용하면 ± 5% 까지 낮출 수 있습니다.
• 구리 두께: ± 10% 정도면 거의 모든 곳에서 구할 수 있습니다.

이 모든 변형을 함께 누적하면 상쇄되지 않고 구적법을 더합니다. 그러면 표준 차수에서 대략 ± 10% 의 임피던스 변동이 나타납니다.임피던스 제어 비용을 지불하면 ± 5% 까지 낮출 수 있습니다.이보다 더 나은 것이 필요하신가요?이를 명시적으로 지정하고, 테스트 쿠폰을 제공하고, 가격이 크게 오를 것으로 예상해야 합니다.사람들이 필요 이상으로 걱정하긴 하지만 대부분의 애플리케이션은 실제로 ± 5% 이상을 필요로 하지 않습니다.

실용적인 설계 규칙

여기서는 자정에 CAD 도구에서 수행하는 실제 보드 레이아웃과 이론이 만나는 지점입니다.

RF 작업의 경우 50Ω, 고속 디지털의 경우 100Ω 차동을 목표로 합니다. 이러한 표준에는 그만한 이유가 있습니다. 커넥터, 테스트 장비 및 레퍼런스 설계가 모두 이를 전제로 하기 때문입니다.1oz 구리를 사용하는 일반적인 1.6mm FR4 보드의 경우 50Ω 싱글 엔드의 트레이스 폭은 약 2.8mm입니다.100Ω 디퍼런셜 페어의 경우 1.8mm 트레이스 사이에 0.12mm 정도의 간격이 필요합니다.이는 볼파크 수치입니다. 실제 스택업에는 적절한 계산기를 사용하십시오. 레퍼런스 플레인을 견고하게 유지하세요. 이 레퍼런스 플레인은 많은 사람들에게 영향을 미칩니다.제어된 임피던스 트레이스 아래의 그라운드 플레인에 빈 공간, 슬롯 또는 스플릿이 있으면 로컬 임피던스가 예측하기 어렵고 보드가 다시 돌아온 후 수정하기도 어려운 방식으로 변경됩니다.RF 트레이스를 레퍼런스 플레인이 절단되거나 차단될 수 있는 보드 에지에서 멀리 라우팅하세요.스플릿을 건너야 하는 경우 90°로 회전하여 복귀 경로가 없는 거리를 최소화하세요. RF 트레이스 주변에 비아를 스티치하십시오. 마이크로스트립 라인의 경우 트레이스 양쪽에 약 λ/20 간격으로 그라운드 비아를 배치하는 것이 좋습니다.이렇게 하면 방사되어 트레이스 간의 커플링을 유발할 수 있는 병렬 플레이트 도파관 모드가 억제됩니다.이는 단순한 시뮬레이션에서는 나타나지 않지만 실제 환경, 특히 몇 GHz 이상에서는 문제가 되는 현상 중 하나입니다. 불연속성을 맞추십시오. 트랜지션을 통해 커넥터가 발사될 때마다 임피던스 불연속성이 발생합니다.예를 들어 비아는 접지에 커패시턴스가 있고 배럴에서 나오는 인덕턴스가 있어 전체적으로 유도성이 있는 것처럼 보입니다.패드 크기를 줄이거나 (접지면에 안티패드 생성) 전환을 통해 주변의 보이드 크기를 세심하게 제어하여 이를 보완할 수 있습니다.목표는 지오메트리가 이상해 보이더라도 비아의 임피던스를 트레이스 임피던스와 일치시키는 것입니다.일부 엔지니어는 불연속성을 제거하기 위해 더 넓거나 좁은 트레이스의 작은 부분을 추가합니다.효과가 있긴 하지만 제대로 하려면 시뮬레이션이나 많은 경험이 필요합니다.

검증

계산을 모두 끝내고 보드를 구성했다고 해서 끝난 것이 아닙니다.마이크로스트립 임피던스 계산기 를 사용하여 특정 스택업에 대한 트레이스 치수를 계산하십시오.그런 다음, 이것이 중요합니다. 보드 하우스의 적층 임피던스 계산기로 해당 치수를 확인하는 것이 중요합니다.팹마다 사용하는 코어와 프리프레그가 다르기 때문에 실제 유전체 두께는 가정했던 것과 다를 수 있습니다.

생산 운영을 위해서는 테스트 쿠폰을 요청하세요.이는 중요한 임피던스 제어 트레이스와 동일한 구조를 가진 패널에 있는 별도의 트레이스입니다.제작 후에는 수백 개의 보드를 조립하기 전에 TDR (시간 영역 반사계) 로 이를 측정하여 실제 임피던스를 확인할 수 있습니다.TDR은 임피던스 불연속성의 위치와 불연속성의 정도를 정확히 보여줍니다.추측하는 것과 아는 것의 차이입니다.

제어 임피던스 작업을 수행하는 대부분의 보드 하우스에서는 서비스의 일환으로 쿠폰의 TDR 측정치를 제공합니다.이러한 기능을 제공하지 않는 경우 RF 작업을 위한 다른 팹 하우스를 찾아보세요.