적층 재료

스택업(stackup)의 전기적 특성은 재료가 정한다. 이 문서는 유전체, 동박, 유리섬유 직물 세 계통을 다룬다. 수치는 공개 자료의 대표값이며 측정 조건과 함께 확인해야 한다 — 같은 등급이라도 제조사와 직물 구성에 따라 달라진다.

유전체 — 유리섬유 직물과 수지의 복합재

유전체는 단일 물질이 아니다. 유리섬유 직물(glass cloth)에 수지를 함침한 복합재이고, 유리와 수지의 유전율이 서로 다르다. 그래서 같은 재료라도 수지 함량과 직물 구성에 따라 실효 유전율이 달라진다.

FR-4 계열의 유전율은 대략 3.84.8 범위이며, 직물 종류·두께·수지 함량·동박 거칠기에 따라 이 안에서 움직인다. 1 MHz 에서 4.24.8, 1 GHz 부근에서 4.4 정도가 흔히 인용되는 값이다. 단일 값으로 고정해 계산하면 임피던스(impedance)가 어긋난다.

유리섬유 직물과 차동 쌍 스큐

직물은 다발과 틈이 번갈아 나타나는 구조다. 차동 쌍(differential pair)의 한쪽 배선(routing)이 다발 위를, 다른 쪽이 틈 위를 지나면 두 배선의 실효 유전율이 달라져 도착 시각이 어긋난다. 이것이 유리섬유 직물 효과(fiber weave effect) 다.

표준 직물(1080·2116 계열)에서 차동 쌍 내 스큐가 인치당 5~15 ps 수준으로 보고된다. 10 인치 배선이면 50~150 ps 다. 고속 링크의 UI 를 잠식하기에 충분한 크기다.

완화 방법은 다음과 같다.

방법	내용
사행 배선	배선을 직물에 대해 7~15° 기울여 다발과 틈을 번갈아 지나게 한다
스프레드 글래스	다발을 기계적으로 펴서 분포를 고르게 만든 직물(1067·1078·1086, 일부 3313)
수지 함량이 높은 프리프레그	틈을 수지가 채워 편차를 줄인다
저 Dk 유리	유리와 수지의 유전율 차이 자체를 줄인다
다층 프리프레그	직물을 겹쳐 편차를 평균화한다

0°/90° 로 곧게 뻗는 배선이 가장 불리하다. 같은 3313 직물이라도 제조사마다 짜는 방식이 다르므로 데이터시트만으로 판단하지 않는다.

손실 등급

유전체는 손실 탄젠트(tanδ, Df)로 등급이 갈린다. 아래는 10 GHz 부근 기준의 대표 구분이다.

등급	tanδ (10 GHz 부근)	적용 대역
일반 FR-4	0.018~0.02	수 GHz 이하
중손실	0.007~0.012	10 GHz 부근까지
저손실	0.005 이하	그 이상
초저손실	0.002 부근	밀리미터파 대역

낮은 주파수에서는 등급 차이가 작다. 주파수가 오를수록 유전손이 주파수에 비례해 커지므로 차이가 벌어진다. 재료 선정은 데이터 레이트가 아니라 신호의 유효 대역으로 판단한다.

같은 길이·같은 패턴에서 재료 등급만 바꾸면 수신 파형이 위와 같이 달라진다. 손실이 큰 재료는 좁은 비트가 목표 준위에 이르지 못하고, 직전 비트에 따라 출발점이 달라진다. 이것이 ISI 로 이어지고 아이 개구를 줄인다.

유전체의 열·기계 특성

전기 특성만으로 재료를 정하지 않는다.

항목	내용
Tg (유리전이온도)	이 온도를 넘으면 수지가 물러진다. 무연 솔더 공정은 높은 Tg 를 요구한다
Td (분해온도)	재료가 화학적으로 분해되기 시작하는 온도
z축 CTE	두께 방향 열팽창. 크면 열 사이클에서 비아(via) 도금이 끊긴다
CAF 저항	유리섬유를 따라 도전성 이물이 성장하는 현상에 대한 내성
흡습률	수분이 유전율과 손실을 올린다

동박

고주파에서 전류는 도체 표면에 몰린다. 침투 깊이는 다음과 같다.

δ = 66 / √f[MHz]   µm   (상온 구리)

  1 GHz  → 2.1 µm
 10 GHz  → 0.66 µm

표면이 거칠면 전류가 그 윤곽을 따라 더 먼 거리를 지나므로 도체손이 는다. 거칠기가 표피 깊이와 비슷해지는 지점부터 이 효과가 두드러진다. 1 GHz 부근에서 이미 표준 동박의 거칠기가 표피 깊이와 같은 자릿수가 된다.

등급	Rz 대표값	비고
표준 ED · HTE	7~8 µm	접착력이 좋고 저렴하다
RTF (역처리 동박)	4~8 µm	거친 면을 반대로 두어 신호 면을 매끄럽게 한다
VLP	3~4 µm	저손실 재료와 함께 쓴다
HVLP	1.5~2 µm	밀리미터파 대역

거칠기를 낮추면 손실이 준다. 20 GHz 를 넘는 대역에서 VLP 계열이 표준 동박 대비 삽입 손실을 20~40% 줄인다는 보고가 있다. 다만 거칠기는 접착력과 맞바꾸는 값이며, 낮출수록 동박 박리 위험과 비용이 오른다.

재료 선정에서 확인할 것

1. tanδ 와 Dk 의 측정 주파수 — 1 MHz 값과 10 GHz 값은 다르다
2. 동박 등급과 Rz — 저손실 유전체에 표준 동박을 쓰면 이득이 상쇄된다
3. 유리섬유 직물 종류 — 차동 쌍이 있으면 스프레드 글래스 여부를 확인한다
4. 수지 함량 — 같은 재료명이라도 프리프레그 종류마다 실효 Dk 가 다르다
5. Tg · Td · z축 CTE — 조립 공정과 사용 환경이 요구하는 값
6. 제조사의 재고와 리드타임 — 스택업이 확정돼도 재료를 구하지 못하면 바뀐다

각 항목이 신호 특성에 어떻게 나타나는지는 스택업이 보드 특성에 미치는 영향 에서 다룬다.