PCB 스택업 및 제어 임피던스 가이드

스택업 디자인이 중요한 이유

모든 고속 또는 RF PCB 설계자가 겪는 문제는 다음과 같습니다. 단일 트레이스를 라우팅하려면 먼저 레이어 스택을 알아야 합니다.이 단계를 놓치면 첫 날에 설정한 잘못된 임피던스 목표까지 추적되는 신호 무결성 문제를 디버깅하는 데 몇 주가 걸릴 것입니다.초반에 문제를 해결하면 제어된 임피던스가 거의 자동으로 작동하므로 지오메트리가 알아서 작동합니다.

실제로 중요한 물리학, 예산을 낭비하지 않고 재료를 선택하는 방법, 당사의 PCB Stack-up Builder 를 사용하여 스택을 대화형 방식으로 설계하는 방법을 살펴보겠습니다.손으로 흔들 필요 없이 작동하는 모델만 있으면 됩니다.

물리학: 트레이스 지오메트리가 임피던스를 설정하는 방법

모든 PCB 트레이스를 전송선이라고 생각하시면 됩니다.10MHz SPI 클록을 전달하든 28GHz mmWave 신호를 전달하든 관계없이 특성 임피던스$Z_0$은 다음과 같은 네 가지 물리적 매개변수로 귀결됩니다.

1.트레이스 너비 ($w$) — 트레이스 너비를 넓히고 임피던스를 낮춥니다. 2.유전 높이 ($h$) — 트레이스와 가장 가까운 접지면 사이의 수직 간격 3.유전 상수 ($\varepsilon_r$) — 값이 높을수록 임피던스가 낮아집니다. 4.구리 두께 ($t$) — 효과는 작지만 정밀한 작업에 중요합니다

이 둘은 선형적으로 결합되지 않기 때문에 눈으로 볼 수는 없습니다.1980년에 만들어진 해머스타드-젠슨 모델은 여전히 폐쇄형 마이크로스트립 계산의 표준으로 자리잡고 있습니다.

여기서$u = w_{\text{eff}} / h$은 정규화된 트레이스 폭이고$\varepsilon_{\text{eff}}$은 유효 유전 상수입니다. 기본적으로 PCB 기판과 트레이스 위의 공기 사이의 가중 평균입니다.$0.1 \leq w/h \leq 10$의 경우 이 공식의 정확도는 1% 이내이며, 구축하려는 거의 모든 것을 포괄합니다.

마이크로스트립은 두 세계에 존재하기 때문에 유효 유전율이 중요합니다. 자기장의 일부는 FR4 (또는 Rogers 등) 를 통과하고 일부는 공기를 통해 이동하기 때문입니다.스트립라인은 두 접지면 사이에 매립되어 있어 기판만 볼 수 있으므로$\varepsilon_{\text{eff}} = \varepsilon_r$은 정확히 알 수 있습니다.이러한 차이는 트레이스 폭과 손실 예산에서 확인할 수 있습니다.

트레이스 모드: 마이크로스트립 vs 스트립라인 vs CPWG

마이크로스트립

겉면에 구리가 있고 아래에는 접지면이, 위쪽에는 공기 (또는 솔더마스크) 가 있어 입맛에 꼭 맞는 외층 트레이스입니다.필드는 유전체와 공기 사이에서 갈라지므로$\varepsilon_{\text{eff}}$는 1과 기판의$\varepsilon_r$사이의 어딘가에서 끝납니다.

사용 시기: 대부분의 단방향 신호는 외부 레이어에 있습니다.프로빙이나 튜닝을 위해 쉽게 액세스해야 하는 디지털 I/O, 중간 속도의 클록, RF 트레이스SMA 발사를 하거나 프로브로 무언가를 측정해야 하는 경우에는 아마도 마이크로스트립을 사용하고 있을 것입니다.

내장형 마이크로스트립

지오메트리는 같지만 이제 솔더마스크가 맨 위에 있습니다.이 오버레이는 단지 외관용으로만 사용되는 것이 아닙니다.$\varepsilon_{\text{eff}}$높이를 올리고$Z_0$를 몇 옴 떨어뜨립니다.대부분의 엔지니어는 이 수정을 건너뛰고 왜 베어보드 임피던스 측정값이 조립된 제품과 일치하지 않는지 궁금해합니다.그런 엔지니어가 되지 마세요.

스트립라인

두 개의 단단한 지면 사이에 흔적을 묻으면 스트립라인이 생깁니다.전체 전자기장이 유전체 내부에 머물기 때문에$\varepsilon_{\text{eff}} = \varepsilon_r$신호를 모호함 없이 얻을 수 있습니다.차폐력이 더 우수하고 방사선이 적지만 마이크로스트립과 동일한 임피던스에 도달하려면 더 좁은 트레이스가 필요합니다.

사용 시기: 민감한 물체를 위한 내부 레이어.DDR4 또는 DDR5 데이터 그룹, PCIe 레인, USB 3.x 또는 주변 신호로부터 격리가 필요한 모든 트레이스크로스토크가 적이라면 스트립라인은 당신의 친구입니다.

비대칭 스트립라인

실제 PCB는 두 기준면 사이의 트레이스를 완벽하게 중심에 두는 경우는 거의 없습니다. 위와 아래에 동일한 프리프레그 두께가 필요하므로 비용이 증가합니다.트레이스가 한 평면에 가까워지면 임피던스가 이동합니다.IPC-2141A 보정 계수는 다음과 같습니다.

여기서$h_1$은 가까운 평면까지의 거리이고$b = h_1 + h_2 + t$은 전체 유전체 스택 높이입니다.비대칭 효과는 작지만 (보통 몇 퍼센트 정도) 존재합니다.

디퍼런셜 페어

보조 신호를 실행하는 두 개의 트레이스.차동 임피던스$Z_{\text{diff}}$은 각 트레이스의 단일 종단 임피던스와 이들의 결합 밀도에 따라 달라집니다.서로 가까이 다가가면 리턴 전류를 공유하기 시작하여 차동 임피던스가$2 Z_0$미만으로 낮아집니다.

여기서$s$은 모서리 간 간격이고$w$은 트레이스 너비입니다.100Ω 디퍼런셜의 경우 일반적으로 트레이스 너비와 간격이 거의 같은 50—55Ω 싱글 엔드 트레이스가 필요합니다.커플링이 촘촘하면 90Ω 쪽으로 당겨지고 간격이 넓으면 110Ω 쪽으로 밀려납니다.

CPWG (접지가 있는 동일 평면 도파관)

양쪽같은 레이어에 지반 타설이 있고 아래쪽에 지면 평면이 있는 트레이스.수학에는 타원 적분이 포함되므로 손으로 풀 필요는 없습니다. 하지만 CPWG는 리턴 전류가 신호 바로 옆에 머물기 때문에 뛰어난 고주파 성능을 제공합니다.비아 트랜지션 최소화, 엄격한 필드 제한, 예측 가능한 임피던스.

사용 시기: mmWave 설계, RF 커넥터 런치 패드 (특히 SMA), 내부 레이어로 떨어지지 않는 초정밀 임피던스 제어가 필요한 모든 곳.보드 공간을 많이 차지하지만 전기적 성능은 그만한 가치가 있습니다.

소재 선택

유전체 선택에 따라 기준 임피던스와 손실 탄젠트가 설정됩니다.생산에 실제로 사용되는 요소는 다음과 같습니다.

혼합 신호 보드 (예: 2.4GHz 라디오와 다양한 디지털 로직이 있는 경우) 하이브리드 스택을 고려해 보십시오.RF가 있는 외부 레이어에 Rogers를 배치하고 내부 디지털 라우팅에 FR4 코어를 사용하면 성능 저하 없이 많은 비용을 절약할 수 있습니다.현재 대부분의 팹 하우스는 하이브리드 스택을 일상적으로 취급합니다.

손실 탄젠트는 사람들이 생각하는 것보다 더 중요합니다.표준 FR4의 0.020 tan δ는 100MHz에서는 괜찮지만 1GHz에서는 문제가 됩니다.이는 VNA에서의 삽입 손실로 나타나거나 고속 직렬 링크에서 아이 다이어그램을 닫는 것처럼 보일 수 있습니다.가장자리 근처에 있다면 보드당 추가 비용을 더 좋은 소재에 쓰세요.

레이어 개수 선택

• 2-레이어: 취미 활동이나 간단한 회로에 적합합니다.바닥에 땅이 가득 차면 적절한 임피던스 제어가 가능한 신호 레이어 하나를 얻을 수 있습니다.기본 디지털 이외의 모든 것은 후회할 것입니다.

• 4-레이어: 대부분의 디자인에 가장 적합합니다.신호-접지-전력-신호는 제어된 임피던스 표면 2개, 견고한 접지 레퍼런스 및 배전 플레인을 제공합니다.DDR3, 이더넷, USB 2.0 또는 중속 클록을 사용하는 경우 여기에서 시작하세요.

• 6-layer: 고밀도 라우팅을 위해 내부 신호 레이어 2개를 추가합니다.길이 일치 규칙을 위반하지 않고 64비트 버스를 브레이크아웃해야 하는 DDR4 메모리 인터페이스가 탑재된 보드에서 이러한 현상이 나타납니다.추가 레이어를 사용하면 접지면을 자르지 않고도 라우팅할 수 있습니다.

• 8-레이어: 서버급 네트워킹 장비, 복합 RF.Rogers 소재를 사용한 전용 RF 레이어, 절연을 위한 다중 그라운드 플레인, 고속 디퍼런셜 페어를 서로 떨어뜨릴 수 있는 충분한 라우팅 채널을 위한 공간을 제공합니다.비용은 더 많이 들지만 다른 방법이 없는 경우도 있습니다.

DFM 팁

힘들게 알게 된 몇 가지 사항:

구리 레이어를 대칭으로 유지하십시오. 보드 한쪽이 다른 쪽과 다르게 냉각되기 때문에 레이어 수가 이상하면 라미네이션 중에 뒤틀림이 발생합니다.팹 하우스에서도 가능하지만 추가 요금이 부과되어 수익률이 떨어집니다. 표준 공정의 최소 프리프레그 두께는 75μm입니다.특수 팹을 사용하면 더 얇게 만들 수 있지만 신뢰할 수 없기 때문에 비용을 지불해야 합니다.임피던스 계산에 50μm의 프리프레그가 필요한 경우 스택을 다시 생각해 봐야 합니다. 팹 도면에 임피던스를 지정하십시오. 대부분의 상점에서는 자사의 식각 공정을 귀사보다 잘 알고 있기 때문에 목표치에 맞도록 트레이스 폭을 ± 10% 조정합니다.임피던스와 공칭 너비를 알려주세요. 직접 조정해 보세요. 식각 계수를 고려하십시오. 외부 레이어는 내부 레이어와 다르게 식각됩니다. 즉, 측면에서 산이 공격하기 때문에 직사각형 대신 사다리꼴 단면을 얻을 수 있습니다.팹 하우스는 공정을 잘 알고 있습니다. 정밀 RF 작업을 할 경우 식각 보정 값을 물어보세요. 사용하지 않는 특별한 이유가 없는 한 모든 레이어에 동일한 유전체 재료를 사용하세요.혼합 재료 스택은 팹에서 별도의 라미네이션 사이클을 거쳐야 하기 때문에 비용과 리드 타임이 늘어납니다.하이브리드 스택 (Rogers + FR4) 은 대부분의 장소에서 처리할 수 있을 정도로 흔하지만 세 가지 다른 재료가 있을까요?문제가 생긴 거잖아

사용해 보기: 인터랙티브 스택업 빌더

당사의 PCB 스택업 빌더 는 완전한 인터랙티브 설계 환경을 제공합니다.

• 드래그 앤 드롭 레이어로 원하는 스택을 만들 수 있습니다. 2L~8L, 대칭 또는 비대칭
• 2L 하비 보드부터 8L 하이브리드 Rogers 구성까지 다양한 8개의 프리셋 스택 중에서 선택하세요
• 실제 소재 선택—FR4 버전, 로저스 RO4003C/RO4350B/RO3003, 메가트론 6, PTFE
• 8가지 트레이스 모드 (마이크로스트립, 임베디드 마이크로스트립, 스트립라인, 비대칭 스트립라인, 모든 모드의 차동 쌍, CPWG) 에 대한 컴퓨팅 임피던스
• 목표 임피던스가 주어졌을 때 트레이스 폭 구하기 - 50Ω을 입력하기만 하면 지오메트리가 역계산됩니다.
• 팹 드로잉 패키지용 CSV 내보내기
• 비례 레이어 두께와 트레이스 오버레이로 실시간 횡단면 확인을 통해 제작 중인 내용을 시각화할 수 있습니다.

모든 수학은 함머스타드-젠슨 (1980), 콘 (1954), IPC-2141A 공식을 사용하여 브라우저에서 실행됩니다.서버를 왕복할 필요가 없으며 파라미터를 조정할 때 즉각적인 피드백이 제공됩니다.유전체 높이를 변경하고 임피던스 업데이트를 실시간으로 확인하세요.

레퍼런스

• 해머스타드, E. & Jensen, O. “마이크로스트립 컴퓨터 지원 설계를 위한 정확한 모델.”IEEE MTT-S 다이제스트, 1980년.
• Con, S.B. “쉴드 스트립 전송 라인의 특성 임피던스.”Proc.파이어, 1954년
• IPC-2141A.“고속 제어 임피던스 회로 기판 설계 가이드.”
• BC 주 와델송전선로 설계 핸드북. 아르텍 하우스, 1991년.
• 보가틴, E.신호 및 전력 무결성 — 단순화. 제3판, 피어슨, 2018.