PCB 재료와 물성

참고

이 문서의 층위 — 기본 이론. 재료의 물성이 전기적 결과로 이어지는 경로를 다룬다. 스택업 구성 절차는 Board Stackup이 소유한다.

1. 유전체

물성	기호	정하는 것
비유전율	εr	커패시턴스 · 전파 속도 · 특성 임피던스(characteristic impedance)
유효 비유전율	εeff	실제 구조에서의 값 — 장이 지나는 매질의 평균
손실 탄젠트	tanδ	유전체가 열로 바꾸는 몫

1.1 유효 비유전율

전기력선이 여러 매질을 지나면 실제 값은 그 사이가 된다.

구조	εeff
스트립라인	재료값에 가깝다 — 전부 유전체 안이다
마이크로스트립(microstrip)	재료값보다 작다 — 일부가 공기를 지난다
접지 코플래너(CPWG)	사이 값 — 옆 접지와의 관계가 정한다

같은 재료라도 구조에 따라 속도가 다르다. 층을 바꾸면 지연이 달라지는 근거다.

1.2 유리 직물 짜임

일반적인 적층판은 유리 섬유를 짠 천에 수지를 먹인 것이다. 유리와 수지의 유전율이 달라 국부적인 값이 자리마다 다르다.

결과	내용
배선(routing) 위치에 따라 속도가 달라진다	차동 쌍(differential pair) 안에서 스큐가 생긴다
짜임이 촘촘할수록 편차가 작다	고속·고주파에서 촘촘한 직물을 고른다
배선을 비스듬히 두면 평균화된다	실무에서 쓰는 대책

2. 동박

물성	정하는 것
두께	직류 저항 · 측면 형상 · 임피던스에 조금 영향
표면 조도	고주파 도체 손실
결정 구조	굽힘 내성 · 접착력

2.1 조도가 손실이 되는 과정

주파수가 오르면 전류가 표면 두께 안으로 몰린다(표피 효과 · skin effect). 표면이 거칠면 전류가 그 굴곡을 따라 흐르며 경로가 길어지고, 그만큼 저항이 늘어난다.

조건	결과
표피 깊이 ≫ 거칠기	조도의 영향이 작다
표피 깊이 ≈ 거칠기	영향이 급격히 커진다
표피 깊이 ≪ 거칠기	손실이 크게 늘어난다

조도는 접착력과 맞바꾼다. 매끈한 동박은 손실이 적지만 유전체와의 접착이 약해, 그 사이를 메우는 처리 기술이 함께 필요하다.

3. 주파수 의존

εr 과 tanδ 는 상수가 아니다. 주파수에 따라 변한다.

현상	내용
분산(dispersion)	주파수마다 속도가 다르다 — 파형이 퍼진다
유전 완화	분자의 반응이 주파수를 따라가지 못한다
인과성	εr 과 tanδ 는 서로 묶여 있다 — 하나만 상수로 두면 물리적으로 성립하지 않는다

주의

한 주파수의 값으로 넓은 대역을 해석하면 손실이 실제보다 작게 나온다. 데이터시트 값은 특정 측정 주파수의 값이며, 그 조건이 함께 적혀 있지 않으면 비교가 성립하지 않는다.

4. 재료 계통

계통	성질	쓰는 곳
일반 적층판	손실이 크다 · 값이 싸다 · 편차가 크다	저속 · 일반 회로
저손실 적층판	손실이 작다 · 값의 안정성이 높다	고속 디지털
불소 수지 계열	손실이 매우 작다 · 유전율이 낮다 · 가공이 까다롭다	고주파 · 마이크로파
세라믹 충전	유전율이 높고 안정하다	소형화가 필요한 고주파
혼합 스택업(stackup)	층마다 다른 재료	비용과 성능의 절충

혼합 스택업은 열팽창 차이 때문에 제작사와의 사전 합의가 필수다. 층 배치가 대칭이 아니면 휨이 생긴다.

5. 그 밖의 물성

물성	왜 보는가
유리 전이 온도	무연 납땜 온도에서 재료가 변형되지 않아야 한다
열팽창 계수	구리와 차이가 크면 비아(via)에 응력이 쌓인다
흡습률	수분이 들어오면 εr 과 tanδ 가 함께 올라간다
열전도율	전력 소자의 열 경로
난연 등급	안전 규격

6. 선정 절차

순서	하는 일
1	동작 대역의 상단을 정한다
2	그 주파수에서의 총 손실 예산을 계산한다
3	손실 예산을 만족하는 계통을 고른다
4	유전율 안정성과 짜임을 확인한다
5	동박 조도 등급을 정한다
6	제작사가 실제로 보유한 조합인지 확인한다
7	열·기계 물성이 공정과 사용 조건을 만족하는지 확인한다

마지막 두 단계에서 자주 막힌다. 데이터시트에 있는 조합이 제작사 재고에 없거나 리드 타임이 길면 설계를 되돌려야 한다.