1. 소개
1.1 5G 혁명과 PCB 과제
5G 무선 기술의 전 세계적인 도입은 4G LTE 등장 이후 통신 인프라에 있어 가장 중요한 변화를 의미합니다. 5G 기술은 광범위한 커버리지를 위한 6GHz 이하 대역과 초고속 통신을 위한 24~77GHz 범위의 밀리미터파(mmWave) 대역, 이렇게 두 가지 주파수 대역에서 작동합니다.
고속 데이터 전송이 가능한 5G 네트워크는 인쇄 회로 기판(PCB) 설계에 있어 전례 없는 정밀도를 요구합니다. 기존 PCB 애플리케이션과 달리 5G 시스템은 미세한 설계 결함조차도 치명적인 성능 저하를 초래할 수 있는 신호 주파수를 처리해야 합니다.
업계 분석에 따르면, 전 세계 5G 인프라 시장은 2027년까지 47.7억 달러를 넘어설 것으로 예상되며, 이는 고성능 PCB 솔루션에 대한 막대한 수요를 창출할 것입니다. 이러한 성장은 PCB 설계자들에게 기회와 과제를 동시에 제공하는데, 설계자들은 재료 특성, 레이어 구성, 그리고 무선 주파수 대역에서의 신호 동작 간의 복잡한 관계를 완벽하게 이해해야 합니다. 4G에서 5G로의 전환은 단순한 점진적 업그레이드가 아니라, PCB 스택업 아키텍처에 대한 근본적인 재고를 요구합니다.
그림 1 – 6GHz 이하 및 밀리미터파 대역이 강조 표시된 주파수 스펙트럼
1.2 5G 성능에서 스택업 설계의 핵심적인 역할
PCB 적층 구조, 즉 구리 층, 유전체 재료 및 코어 기판의 정교하게 배열된 구조는 모든 5G 신호 무결성의 기반이 됩니다. 밀리미터파 주파수에서 전자기 에너지는 저주파 응용 분야에 익숙한 설계자에게는 거의 직관적이지 않은 원리에 따라 동작합니다. 신호 파장이 밀리미터 규모로 줄어들기 때문에
1GHz에서는 중요하지 않았던 비아 스터브나 트레이스 불연속성과 같은 특징들이 28GHz에서는 신호 반사 및 손실의 주요 원인이 됩니다.
제대로 설계된 5G PCB 스택업은 여러 가지 상충되는 요구 사항을 동시에 충족해야 합니다. 신호 반사를 방지하기 위한 임피던스 제어, 신호 강도 유지를 위한 낮은 삽입 손실, 회로 간 혼선 방지를 위한 효과적인 전자기 간섭(EMI) 차폐, 그리고 전력 소모가 많은 RF 증폭기에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위한 강력한 열 관리 등이 그것입니다. 스택업 구성은 이러한 각 요소에 직접적인 영향을 미치므로, 전체 5G PCB 설계 과정에서 가장 중요한 결정 사항입니다.
2. 5G PCB 요구사항 이해
2.1 5G 주파수 스펙트럼 및 신호 특성
6GHz 이하 대역: 광범위한 커버리지를 위한 기반
600MHz에서 6GHz까지의 주파수 대역을 포함하는 6GHz 이하 대역은 5G의 핵심 커버리지 영역입니다. 이러한 저주파수는 광역 네트워크 구축에 필요한 전파 특성을 제공하며, 밀리미터파(mmWave)에 비해 건물 투과율이 우수하고 도달 거리가 더 깁니다. PCB 설계 관점에서 볼 때, 6GHz 이하 신호는 4G LTE보다 까다롭지만 밀리미터파보다는 덜 까다로운 중간 정도의 설계 요구 사항을 제시합니다.
밀리미터파 대역(24-77GHz): 극도의 정밀도 요구 사항 주로 24GHz, 28GHz, 39GHz, 77GHz 대역에서 작동하는 밀리미터파 5G는 PCB 기술의 한계를 시험합니다. 28GHz에서 일반적인 Rogers RO4350B 라미네이트(유전율 Dk = 3.48)의 파장은 불과 5.7mm입니다. 이는 임계 공진 길이의 1/4 파장 스터브가 1.4mm에 불과하다는 것을 의미합니다. 일반적으로 2~3mm의 스터브를 남기는 기존의 도금된 스루홀 비아는 신호 무결성을 완전히 손상시킬 수 있는 심각한 기생 공진기가 됩니다.
그림 2 – 물리적 크기를 보여주는 상세한 파장 비교
2.2 5G 스택업을 위한 주요 전기적 매개변수
5G PCB 성능은 여러 전기적 매개변수에 의해 좌우되며, 각 매개변수는 스택업 설계 시 신중하게 고려해야 합니다. 유전 상수(Dk 또는 εr)는 신호 전파 속도와 제어 임피던스 값을 결정합니다. 5G 애플리케이션에서는 주파수와 온도 모두에서 Dk의 안정성이 매우 중요합니다. 온도에 따라 Dk가 5% 이상 변하는 재료는 임피던스 변화를 일으켜 반사를 발생시키고 정밀 RF 회로의 신호 무결성을 저하시킬 수 있습니다.
손실탄젠트(tan δ)라고도 하는 소산 계수(Df)는 유전 손실을 정량화합니다. 표준 FR-4는 10GHz에서 0.015~0.020의 Df 값을 나타내는 반면, Rogers RO3003과 같은 고성능 소재는 동일 주파수에서 0.0010을 달성하여 15~20배 향상된 성능을 보입니다.
5G 애플리케이션에서는 임피던스 제어 허용 오차가 크게 엄격해집니다. 많은 애플리케이션에서 ±10%의 임피던스 허용 오차로도 충분할 수 있지만, 5G RF 회로는 일반적으로 ±5% 또는 그보다 더 엄격한 제어가 필요합니다.
| 자재 | 유전체 상수(Dk) | 발산 계수 (디에프) | 최고의 응용 |
| FR-4 표준 | 4.2-4.5 @ 1GHz | 0.015-0.020 | 디지털, 6GHz 미만 비중요 |
| 로저스 RO4350B | 3.48 @ 10GHz | 0.0037 | 6GHz 이하 RF, 비용 효율적인 밀리미터파 |
| 로저스 RO3003 | 3.00 @ 10GHz | 0.0010 | 고성능 mmWave 기지국 |
| RT/듀로이드 5880 | 2.20 @ 10GHz | 0.0009 | 초저손실 >20GHz 위상 배열 |
표 1: 5G PCB 애플리케이션용 고주파 적층 재료 비교
2.3 물리적 및 열적 요구 사항
5G PCB는 최신 RF 트랜시버, 베이스밴드 프로세서, 전력 관리 회로 및 관련 디지털 인터페이스의 고밀도 배선 요구 사항을 충족하기 위해 일반적으로 10~16개의 구리 레이어를 필요로 합니다. 5G 시스템 통합에 필요한 부품 밀도를 달성하고 제어된 임피던스 신호 경로를 유지하려면 직경 0.1mm의 마이크로비아, 블라인드 비아 및 매립형 비아, 그리고 모든 레이어에서의 배선을 특징으로 하는 고밀도 인터커넥트(HDI) 기술이 필수적입니다.
5G 설계에서 열 관리는 중요한 과제입니다. 기지국에 사용되는 전력 증폭기는 50~100와트의 전력을 소모하며, 작동 중 특정 부위에서 85~100°C에 달하는 고온 지점을 발생시킵니다. PCB 기판은 이러한 열을 기판 전체에 고르게 분산시키고 방열판이나 열 관리 시스템으로 전달하기 위해 충분한 열전도율(≥1.5 W/m·K)을 가져야 합니다. 또한, 150°C 이상의 상대 열지수(RTI)로 측정되는 고온 저항성은 지속적인 작동 조건에서 재료의 안정성을 보장합니다.
5G PCB의 제조 공차는 상당히 엄격해졌습니다. 밀리미터파 애플리케이션의 경우, 구리층 간의 정렬 정밀도인 등록 정확도는 기존 설계의 ±150μm에 비해 ±75μm(±3mil) 이하로 떨어져야 합니다.
3. 5G 스택업을 위한 소재 선정
3.1 고주파 적층 재료
로저스 머티리얼즈: RF 성능의 업계 표준
로저스 코퍼레이션의 고주파 적층판은 5G PCB 애플리케이션의 사실상 표준으로 자리 잡았으며, 넓은 주파수 및 온도 범위에서 안정적인 유전 특성을 제공하도록 정밀하게 설계되었습니다. 특히 RO4000 시리즈, 그중에서도 RO4350B는 RF 성능과 제조 용이성 사이에서 탁월한 균형을 자랑합니다. 10GHz에서 유전 상수 3.48 ±0.05, 손실 계수 0.0037을 갖는 RO4350B는 표준 FR-4 가공 기술을 사용하면서도 예측 가능한 임피던스 제어를 제공하며, 특별한 비아 처리나 드릴링 매개변수 수정이 필요하지 않습니다.
더욱 낮은 손실이 요구되는 응용 분야에서 RO3000 시리즈는 탁월한 성능을 제공합니다. 세라믹이 함유된 PTFE 구조의 RO3003은 10MHz에서 40GHz에 이르는 넓은 주파수 대역에서 0.0010의 Df와 3.00의 매우 안정적인 특성을 유지합니다. 이 소재는 기지국 전력 증폭기 설계 및 삽입 손실이 0.1dB라도 시스템 성능에 영향을 미치는 응용 분야에 매우 적합합니다. 다만, 소재 비용이 더 높고(일반적으로 RO4350B의 3~5배) 제조 공정이 더 까다롭다는 단점이 있습니다.
그림 3 – 구리 호일, 수지 시스템 및 유리 섬유 보강재를 보여주는 Rogers RO4350B 적층 구조의 단면도
3.2 5G 애플리케이션에서의 FR-4: 한계점 이해
표준 FR-4는 5G 설계의 특정 부분, 특히 디지털 신호 처리 영역, 전력 분배 네트워크 및 RF 성능 요구 사항이 덜 엄격한 6GHz 미만 대역 애플리케이션에 여전히 적합합니다. Shengyi, Panasonic, ITEQ와 같은 제조업체의 최신 고품질 FR-4는 적절한 수지 시스템과 유리 섬유 보강재를 사용할 경우 5GHz에서 0.012~0.015의 Df 값을 달성할 수 있습니다.
6GHz 미만의 많은 신호 경로에 적합합니다.
하지만 FR-4의 한계는 고주파수에서 두드러지게 나타납니다. 이 소재의 유전율(Dk)은 일반적으로 작동 온도 범위(-40°C ~ +85°C)에서 ±10% 정도 변동하는데, 이는 고주파수 적층재의 변동폭인 ±2%보다 훨씬 큽니다. 이러한 변동은 임피던스 변동으로 이어져 고속 디지털 인터페이스에서 반사로 인한 비트 오류를 발생시키고 RF 시스템 성능을 저하시킬 수 있습니다. 또한, FR-4의 유리 섬유 보강재는 유효 유전율(Dk)에 국부적인 변화를 일으키는데, 이를 '섬유 직조 효과'라고 하며, 유리 섬유 패턴에 비스듬한 각도로 지나가는 트레이스에서 문제가 될 수 있습니다.
3.3 하이브리드 스택업 전략: 성능 및 비용 최적화
고주파 라미네이트와 FR-4를 결합한 하이브리드 스택업은 복잡한 5G 설계에서 성능과 비용의 균형을 맞추는 데 탁월한 접근 방식입니다. 핵심 전략은 고가의 저손실 소재를 RF 신호가 지나가는 부분에만 배치하고, 경제적인 FR-4를 디지털 신호, 전력 분배 및 기계적 지지 기능을 담당하는 내부 레이어에 사용하는 것입니다. 일반적인 하이브리드 스택업에서는 RF 마이크로스트립 전송선이 있는 외부 두 레이어(12층 구조에서 L1 및 L12)에 Rogers RO4350B를 사용하고, 내부 레이어는 FR-4 코어로 구성할 수 있습니다.
그림 4 – 12층 하이브리드 적층 구조의 단면도. RF 신호용 외부층은 Rogers RO4350B로 표시됨
4. 5G를 위한 계층 구성 전략
4.1 기본 스택업 원칙
구체적인 레이어 구성에 들어가기 전에, 모든 전문적인 5G PCB 스택업 설계에는 몇 가지 기본 원칙이 적용됩니다. 그중 가장 중요한 제조 고려 사항은 대칭성입니다. 적층 및 열 순환 과정에서 발생하는 변형을 방지하기 위해 스택업은 보드의 중심선을 기준으로 균형을 이루어야 합니다. 즉, 중심면의 양쪽 면에 사용된 구리량, 코어 두께, 프리프레그의 양이 일치해야 합니다. 한쪽 면에 구리가 과도하게 사용된 보드는 리플로우 솔더링 후 마치 감자칩처럼 휘어지게 되는데, 이는 정밀한 RF 조립에는 용납할 수 없는 결과입니다.
기준면 인접성 또한 매우 중요합니다. 모든 신호 계층은 바로 인접한 접지면 또는 전원면을 가져야 합니다. 이는 고주파 신호에 필요한 낮은 인덕턴스의 귀환 경로를 제공하는 동시에 신호 계층을 간섭으로부터 보호합니다.
레이어 페어링은 기능 및 전기적 요구 사항에 따라 신호 레이어를 그룹화하는 것을 의미합니다. 고속 차동 쌍은 동일한 레이어에 배선되어야 하며, 레이어를 나누어 쌍을 구성하는 대신 구불구불한 형태로 배선하여 길이를 일치시켜야 합니다. RF 신호 레이어는 일반적으로 외부 레이어에 배치되어 마이크로스트립 전송선으로 구현할 수 있으므로 튜닝 및 디버깅이 용이합니다.
4.2 8층 적층 구조: 5G 설계의 진입점
8층 구조는 IoT 기기, 소형 셀 무선 장치 또는 간단한 6GHz 이하 RF 모듈과 같은 기본적인 5G 애플리케이션에 필요한 최소한의 실용적인 층 수를 나타냅니다. 층 수가 더 많은 구조에 비해 제한적이지만, 잘 설계된 8층 구조는 신중한 배선 및 부품 배치로 중간 정도의 복잡성을 가진 설계를 효과적으로 지원할 수 있습니다.
권장 8레이어 구성:
∙ 1번 레이어: RF 신호 및 중요 고속 신호(마이크로스트립, 50Ω)
• 2층: 접지면 (주요 RF 귀환 경로)
∙ 3층: 고속 디지털 신호(스트립라인, 50Ω 또는 100Ω 차동) ∙ 4층: 전원 평면(+3.3V, +1.8V 분할)
• 5번 레이어: 전원 평면 (미러링: +3.3V, +1.8V 분할)
• 6계층: 고속 디지털 신호(스트립라인, 3계층에 직교)
• 7번 층: 접지면 (2차 귀환 경로)
∙ 8번 레이어: RF 신호 및 중요 고속 신호(마이크로스트립, 50Ω)
이 구성은 대칭성(L1-L2-L3-L4는 L8-L7-L6-L5와 대칭)을 제공하고, 모든 신호 레이어에 인접한 기준면을 확보하며, 전력면을 중앙에 배치하여 최적의 정전 용량으로 디커플링을 가능하게 합니다. 일반적인 유전체 두께는 다음과 같습니다: L1-L2 = 6 mils (RF용 RO4350B), L2-L3 = 8 mils (코어), L3-L4 = 14 mils (프리프레그), L4-L5 = 20 mils (코어), L8과 대칭적으로 배치.
4.3 12계층 구조: 고급 5G 애플리케이션
정교한 5G 시스템, 기지국 모듈, 대규모 MIMO 안테나 어레이 또는 고급 스마트폰의 경우, 12계층 구조는 최적의 결과를 위해 필요한 라우팅 밀도와 신호 무결성 성능을 제공합니다. 추가 계층은 다음과 같은 기능을 가능하게 합니다.
RF, 디지털 및 전력 부분을 완벽하게 분리하는 동시에 우수한 차폐를 위해 여러 개의 접지면을 제공합니다.
mmWave에 최적화된 12층 구성:
∙ 1층: RF 신호층 A (밀리미터파 안테나 급전, 마이크로스트립 50Ω) ∙ 2층: 접지면 A (주 RF 귀환, 1온스 구리)
∙ 3계층: RF 신호 계층 B (2차 RF 경로, 스트립라인 50Ω)
∙ 4층: 접지면 B (RF 절연 및 리턴, 1온스 구리)
∙ 5층: 전원 평면 A (RF 전원: +5V PA 공급, 2온스 구리)
• 6계층: 고속 디지털(SerDes, DDR, PCIe 스트립라인)
• 7계층: 고속 디지털(L6에 대한 직교 라우팅)
∙ 8층: 전원 평면 B (디지털 전원: +3.3V, +1.8V, +1.2V 분할, 2온스 구리) ∙ 9층: 접지 평면 C (디지털 귀환 및 차폐, 1온스 구리)
∙ 10계층: 저속 신호 및 라우팅(제어, I2C, SPI)
∙ 11번째 층: 접지면 D (최종 차폐층, 1온스 구리)
• 12번 레이어: RF 신호 레이어 C (2차 RF, 부품 배치, 마이크로스트립 50Ω) 이 SGSGPSSPGSGS 구성은 탁월한 성능을 제공합니다. 4개의 독립적인 접지면이 다중 차폐 장벽을 형성하고, RF 레이어는 디지털 스위칭 노이즈로부터 완벽하게 격리되며, L3의 스트립라인 RF 라우팅은 민감한 경로에 탁월한 차폐 기능을 제공합니다. 이 적층 구조는 L6-L7 중심면을 기준으로 대칭을 유지합니다.
그림 5 – 12층 5G PCB 적층 구조의 상세 단면도. 층 두께, 구리 중량 및 신호/평면 비율을 보여준다.
5. 5G PCB 접지 기술
5.1 고주파 설계를 위한 접지 기본 사항
고주파 영역에서 접지는 단순히 0V 기준점이 아니라 신호 무결성 성능에 큰 영향을 미치는 복잡한 전자기 구조를 가지고 있습니다. 기본 원리는 다음과 같습니다. 고주파 귀환 전류는 관련 신호 트레이스 바로 아래를 흐르며 최소 임피던스 경로를 따릅니다. 이 경로는 직류 저항이 아니라 인덕턴스에 따라 달라지므로, 귀환 전류는 신호 도체와의 자기장 결합이 최대인 영역에 자연스럽게 집중됩니다.
밀리미터파 주파수 대역에서 표피 효과로 인해 귀환 전류는 접지면 표면의 최상층 수백 나노미터 깊이에서만 흐릅니다. 따라서 표면 마감과 산화 가능성이 매우 중요해지는데, 변색된 구리는 광택이 있는 구리보다 RF 저항이 높습니다. 이러한 이유로 많은 설계자는 니켈 층이 약간의 인덕턴스를 추가함에도 불구하고 중요한 RF 영역의 접지면에 ENIG(무전해 니켈 침적 금) 표면 마감을 적용하도록 지정합니다.
5.2 견고한 접지면 구현
연속적이고 끊김 없는 접지면은 모든 고주파 PCB 스택업에서 가장 중요한 특징입니다. 접지면은 전류가 원활하게 흐를 수 있도록 완벽하게 매끄러운 호수 표면과 같은 역할을 합니다. 접지면에 장애물(빈 공간, 슬롯, 절단부)이 있으면 난류가 발생하여 에너지를 방출하고 신호를 반사합니다. 5G 애플리케이션에서는 접지면의 무결성이 필수적입니다. 모든 접지면은 최소한의 끊김만 있도록 보드의 가장자리에서 가장자리까지 이어져야 합니다.
아날로그와 디지털 섹션을 분리하거나 장착 구멍 주변의 열 방출을 위해 접지면 분할이 불가피한 경우, 스티칭 커패시터를 사용하여 분할된 부분을 연결하십시오. 0.1μF 이하의 커패시터를 분할된 부분을 따라 1~2cm 간격으로 배치하여 RF 주파수에서 AC 단락을 제공하고 DC 절연을 유지하십시오. 고속 신호 또는 RF 신호는 접지면 분할 부분을 통과하여 배선해서는 안 됩니다. 트레이스가 분할 부분을 가로질러야 하는 경우, 루프 면적을 최소화하기 위해 수직으로 배선하고 교차점 바로 옆에 접지 비아를 추가하십시오.
5.3 바느질 및 지상 울타리 설치 기술을 통한 방법
레이어 간 접지면을 연결하는 접지 비아의 전략적 배치는 5G PCB 설계에서 가장 중요하면서도 종종 간과되는 부분 중 하나입니다. 밀리미터파 주파수에서는 짧은 접지 연결조차도 상당한 인덕턴스를 발생시킵니다. 62mil 두께의 기판을 관통하는 직경 10mil의 비아 하나는 약 0.7nH의 인덕턴스를 나타내는데, 이는 무시할 수 있을 정도로 작아 보이지만 28GHz에서는 약 123옴의 임피던스에 해당하여 고주파 접지 연결의 성능을 심각하게 저하시킬 수 있습니다.
해결책은 병렬 비아 어레이에 있습니다. 4개의 비아를 병렬로 사용하면 상호 인덕턴스 효과를 고려했을 때 유효 인덕턴스가 약 4배 감소하여 연결 임피던스가 더욱 허용 가능한 수준으로 낮아집니다. 중요한 RF 부품의 경우, 각 접지 핀 바로 옆에 3~4개의 접지 비아를 배치하고 가장 가까운 접지 핀에 연결하십시오.
견고한 접지면을 확보하십시오. 비아는 부품에 최대한 가깝게 배치해야 합니다. 비아 길이가 길어질수록 인덕턴스가 증가하므로 짧은 경로가 필수적입니다.
그림 6 - PCB 레이아웃의 상단에서 본 모습으로, 비아 스티칭 패턴이 주변에 나타나 있습니다.
6. 5G 스택업에서의 임피던스 제어
6.1 제어 임피던스의 기본 원리
제어된 임피던스는 고속 및 RF 신호 무결성의 기반입니다. 신호의 소스, 전송 경로 및 종단이 모두 동일한 특성 임피던스를 가질 때, 에너지는 반사 없이 소스에서 부하로 완전히 전달됩니다. 임피던스 불일치는 신호의 일부가 소스 방향으로 반사되어 정재파, 링잉, 심볼 간 간섭을 발생시켜 디지털 신호를 손상시키고 RF 시스템 성능을 저하시킵니다.
5G 애플리케이션에서 50옴 단일 종단 임피던스는 RF 및 마이크로파 회로의 보편적인 표준이 되었습니다. 이 값은 동축 케이블의 전력 처리 능력과 손실 간의 최적화를 통해 도출되었으며, 커넥터, 테스트 장비, 부품 등 전체 RF 생태계는 50옴 시스템을 전제로 합니다.
고속 디지털 인터페이스는 일반적으로 50옴 단일 종단 임피던스(클록과 같은 단일 종단 신호용) 또는 100옴 차동 임피던스(MIPI, PCIe 및 USB와 같은 차동 쌍용)를 사용합니다.
6.2 RF 신호용 마이크로스트립 구성
마이크로스트립은 기판의 바깥쪽 레이어에 신호 트레이스를 배치하고 인접한 안쪽 레이어에 접지면을 배치하는 방식으로, RF 회로에서 가장 일반적인 전송선 구성입니다.
마이크로스트립의 특성 임피던스는 트레이스 폭(W), 접지면으로부터의 높이(H), 구리 두께(T), 그리고 기판 재료의 유전 상수(εr)에 따라 달라집니다. 1차 근사에서, 트레이스 폭이 넓고 유전체가 두꺼울수록 임피던스가 증가하고, 유전 상수가 높을수록 임피던스가 감소합니다.
마이크로스트립 계산 예시: 5밀 두께의 Rogers RO4350B(εr = 3.48) 유전체에서 1온스 구리를 사용하여 50Ω의 임피던스를 얻으려면 약 11밀의 트레이스 폭이 필요합니다. 4밀 두께의 유전체에서 동일한 임피던스를 얻으려면 8.5밀의 폭이 필요하며, 이는 유전체 두께에 대한 민감도를 보여줍니다.
그림 7 – 마이크로스트립 전송선로 구조의 단면도
6.4 고속 인터페이스용 차동 쌍 임피던스
두 개의 상보적인 신호 간의 전압 차이를 이용하여 데이터를 전송하는 차동 신호 방식은 우수한 잡음 내성과 EMI 감소 덕분에 현대 고속 디지털 인터페이스에서 널리 사용됩니다. 차동 임피던스(Zdiff)는 각 트레이스의 단일 종단 임피던스(Z0)와 트레이스 간의 커플링에 모두 의존합니다. 트레이스가 느슨하게 커플링된 경우, Zdiff ≈ 2 × Z0입니다. 트레이스들이 서로 가까워질수록 커플링이 증가하여 차동 임피던스가 2:1 비율보다 낮아집니다.
대부분의 고속 디지털 인터페이스에서 표준으로 사용되는 100옴 차동 임피던스를 구현하기 위해, 일반적인 설계에서는 50옴 단일 종단 트레이스를 사용하고 커플링을 통해 차동 임피던스를 100옴으로 낮춥니다. 에지 커플링 트레이스를 사용하는 마이크로스트립 회로에서 100옴 차동 임피던스를 얻으려면 일반적으로 트레이스 폭의 1.5~2배 간격이 필요합니다. 간격이 좁아지면 커플링이 증가하여 차동 임피던스가 더욱 감소하고, 간격이 넓어지면 커플링이 감소하여 차동 임피던스가 증가합니다.
| 층 | 함수 | 타입 | 구리 무게 | 두께 | 자재 |
| L1 | RF 신호 | 마이크로스트립 50Ω | 0.5 온스 | - | RO4350B |
| L2 | 육로 | 평면 | 1 온스 | 5 천 | 핵심 |
| L3 | RF 신호 | 스트립라인 50Ω | 0.5 온스 | 6 천 | 프리프 레그 |
| L4 | 육로 | 평면 | 1 온스 | 8 천 | 핵심 |
| ... | 대칭 | 거울 | ... | ... | ... |
표 2: 12층 5G 스택업 구성 예시(일부) (상위 레이어 표시)
7. 신호 무결성 고려 사항
5G PCB의 신호 무결성은 제대로 관리하지 않으면 시스템 성능을 저하시킬 수 있는 여러 상호 연관된 현상을 포함합니다. 신호 저하 메커니즘과 이를 완화하는 스택업 설계 기법을 이해하는 것이 기능적인 설계와 최적의 설계를 구분하는 기준이 됩니다.
7.1 고주파 손실 메커니즘
신호 손실은 여러 물리적 효과로 인해 주파수가 증가함에 따라 급격히 증가합니다. 유전 손실은 RF 주파수에서 전기장이 진동할 때 기판 재료의 분자 분극으로 인해 발생하며, 재료 내의 쌍극자는 전기장에 정렬되려는 경향을 보이며 에너지를 열로 방출합니다. 이 손실은 소산 계수(Df)와 직접적인 상관관계가 있으며, Df가 두 배가 되면 손실도 거의 두 배가 됩니다. 표준 FR-4(Df ≈ 0.020)에서 28GHz 주파수일 때 유전 손실은 인치당 1.5dB를 초과할 수 있는 반면, Rogers RO3003(Df ≈ 0.001)은 동일한 조건에서 인치당 0.3dB 미만의 손실을 달성합니다. 도체 손실은 표피 효과로 인해 주파수의 제곱근에 비례하여 증가하는데, 고주파 전류가 도체 표면 근처에 집중되어 유효 저항이 증가하기 때문입니다.
7.2 mmWave 애플리케이션을 위한 비아 설계
스루홀 비아의 사용되지 않고 신호가 나오는 레이어를 지나 돌출된 부분인 비아 스터브는 특정 주파수에서 신호를 반사하는 공진 구조를 생성합니다. 스터브는 단락된 전송선로처럼 작용하며, 1/4 파장 공진으로 인해 최대 반사가 발생합니다. 28GHz 주파수에서 50mil 두께의 보드를 사용할 경우, 15mil 크기의 스터브조차도 문제가 되는 공진을 유발할 수 있습니다. 해결책으로는 스터브를 제거하기 위한 백 드릴링이나 신호 레이어에 정확히 연결되는 블라인드/매립형 비아를 사용하는 방법이 있습니다.
그림 9 – 후면 드릴 PCB 비아
맺음말
성공적인 5G PCB 스택업 설계에는 재료 과학, 전자기 이론, 제조 공정 및 열 관리 등 여러 분야의 전문 지식이 필요합니다. 이 글에서 제시하는 지침은 재료 선택부터 접지 전략, 임피던스 제어에 이르기까지 고성능 PCB 설계를 위한 포괄적인 프레임워크를 제공합니다.
고성능 5G 설계.
주요 결과는 다음과 같습니다.
1. 재료 선택은 성능과 비용에 영향을 미칩니다. 필요한 곳에는 고주파 적층재를 사용하고, 그렇지 않은 곳에는 FR-4를 사용하십시오.
2. 적절한 기준면을 갖춘 대칭형 적층 구조는 필수적입니다. 3. 접지면의 무결성과 비아 접합은 mmWave 신호의 무결성을 결정합니다.
4. 임피던스 제어에는 정밀한 유전체 두께 제어 및 필드 솔버 검증이 필요합니다.
5. PCB 제조업체와 조기에 협력하면 비용이 많이 드는 재설계를 방지할 수 있습니다.
5G 기술이 더 높은 주파수와 더 복잡한 방향으로 계속 발전함에 따라, 여기에 설명된 단계와 방법은 여전히 기본이 될 것입니다. 첫 5G 제품을 설계하든 기존 플랫폼을 최적화하든, 스택업 최적화에 시간을 투자하면 시스템 성능, 생산 수율 및 출시 기간 단축에 큰 도움이 됩니다.
