5G/IoT 프로젝트를 시작할 준비가 되셨나요? 이 글을 통해 5G 및 IoT용 HDI PCB 설계에 대한 개요를 살펴보세요.
PCB 설계 및 생산은 수년에 걸쳐 발전해 왔습니다. 단순한 단면 또는 다층 기판에서부터 고도로 정교한 고밀도(HDI) PCB에 이르기까지, 인쇄 회로 기판의 각 기술 발전은 다양한 기술 분야에 활용될 수 있습니다. 5G 또는 IoT도 그러한 기술 중 하나입니다. UET PCB(https://uetpcb.com/hdi-pcbs/이 회사는 최적화된 RF 및 디지털 성능을 갖춘 5G 및 IoT에 특화된 HDI 보드를 전문적으로 생산합니다.
5G/IoT에 HDI가 필요한 이유는 무엇인가요?
5G 기기는 초고주파 대역(6GHz 미만 ~ 28~39GHz 밀리미터파)에서 작동합니다. 이러한 주파수 대역을 사용할 때는 다음과 같은 여러 가지 설계 고려 사항이 있습니다.
- 동작 주파수가 높을수록 특정 PCB 재료에서 손실 또는 감쇠가 커집니다.
- 신호 파장이 짧아질수록 레이아웃 허용 오차가 줄어듭니다.
- 일반적인 관통 구멍은 안테나처럼 작용하는 "돌출부"를 생성할 수 있습니다.
- 누화 및 EMI는 동작 주파수가 증가함에 따라 증가합니다.
- 5G 안테나는 회로 패턴, 비아, 구리 주입 설계에 매우 민감합니다.
5G PCB 설계 시작하기
HDI PCB 설계를 시작하기 전에 PCB 스택업을 정의해야 합니다. 또한, 사용할 PCB 재질도 결정해야 합니다.
서브 GHz PCB 재료
6GHz 미만 대역(3~6GHz)에서 작업하는 경우 다음을 사용할 수 있습니다. 고성능 PCB 라미네이트 예를 들면 :
- 메그트론 6 (파나소닉 제품)
- I-Speed(Isola 제품)
- 로저스 4350B
- 로저스 403C
하지만 예산이 빠듯하다면 다음 옵션을 선택할 수 있습니다.
- FR4 또는 High-Tg FR-4
이러한 재료들은 앞서 언급한 재료들보다 훨씬 저렴합니다. 고온 유리전이 온도(Tg)를 갖는 FR-4 재료는 단순히 유리전이 온도(Tg)가 높은 FR-4 재료입니다. 성능 여유가 있다면 이러한 재료를 사용할 수 있습니다.
mmWave PCB 재료
밀리미터파(24~40GHz 이상) 대역에서 작업하는 경우, 다음과 같은 더 높은 주파수 대역의 PCB 라미네이트가 반드시 필요합니다.
- 로저스 5880
- 로저스 4350B
- PTFE(테플론계 라미네이트)
- LCP(액정폴리머)
- 하이브리드 스택업
PCB 재질을 정의했으면 HDI PCB 스택업을 정의할 수 있습니다.
올바른 HDI PCB 스택업을 결정하는 방법
보드에서 최대한 높은 라우팅 밀도를 목표로 하기 전에 최적의 HDI PCB 스택업을 결정하는 것이 가장 좋습니다.
동작 주파수와 PCB 재질을 결정하십시오.
먼저 프로젝트의 작동 주파수를 결정해야 하며, 이는 사용할 PCB 재료에도 영향을 미칩니다. 앞서 언급했듯이 서브 GHz 대역과 밀리미터파 대역에는 각각 다른 재료가 사용됩니다. 또한, 해당 PCB를 제작하는 데 사용할 제조 공정도 알아야 합니다.
저밀도 또는 고밀도 라우팅
배선 밀도는 사용할 PCB 스택업을 결정하는 중요한 요소입니다. 특히 BGA를 비롯한 부품들을 살펴보세요. 0.8mm~1mm 피치의 BGA는 HDI가 필요하지 않지만, 0.65mm 미만의 피치는 HDI가 필요합니다. 0.5mm, 0.4mm, 0.3mm 등이 낮은 피치의 예입니다. 이보다 더 미세한 피치의 경우 마이크로비아 또는 비아인패드 기술이 필요할 수 있습니다.
전력 분배를 결정합니다
안정적인 전력 공급을 위해서는 충분한 전력, 접지 및 평면 레이어를 확보하는 것이 매우 중요합니다. 이 과정은 레이어 수와 분포에 영향을 미칩니다. 또한, 접지 레이어는 임피던스 제어 라인과 신호 라인 차폐의 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 따라서 이러한 레이어들은 궁극적으로 배선 밀도에 영향을 미칩니다.
설계 요구 사항에 맞춰 스택업을 결정하세요.
프로젝트 종류에 따라 필요한 HDI 스택업이 달라집니다. 예를 들어, 보급형 RF 모듈이나 IoT 센서 제품을 개발하는 경우에는 비교적 간단한 스택업을 사용할 수 있습니다. 하지만 5G 모듈이나 WiFi 6 또는 7 칩셋을 사용하게 되면 더 미세한 PCB 신호 피치와 고급 비아 구조가 필요합니다. 5G 모뎀이나 고급 IoT 게이트웨이의 경우에는 더욱 정교한 비아 구조, 높은 라우팅 밀도, 그리고 초단거리 상호 연결 경로가 요구됩니다. 아래 표는 참고 자료로 활용할 수 있습니다.
| HDI PCB 스택업 | 프로젝트 종류 | 스택업 이점/불이점 |
| 1-N-1 | 보급형 RF, IoT 센서, 소비자 가전제품 | 저렴한 비용, 간단한 제작 방식 |
| 2-N-2 | 중급 RF, 5G 모듈, Wi-Fi 6/7 칩셋 | 균형 잡힌 비용, 복잡한 제조 공정 |
| 3-N-3 또는 4-N-4 | 고급 RF, 5G 모뎀, IoT 게이트웨이 | 높은 비용, 긴 납기, 복잡한 제작 과정 |
| 어떤 레이어든 | 고급형, 서버, 항공우주, 의료, 군사 분야 애플리케이션 | 높은 비용, 낮은 수율, 긴 리드 타임, 복잡한 제조 공정 |
고밀도 라우팅을 구현하는 방법
마이크로비아 기술을 사용하세요
마이크로비아는 HDI PCB의 좁은 공간을 통과할 수 있게 해줄 뿐만 아니라 노이즈를 발생시키는 스터브를 제거하는 데에도 도움이 됩니다. 사용할 수 있는 마이크로비아의 종류는 제조 공정에 따라 달라집니다. 이상적으로는 레이저 드릴링된 마이크로비아를 사용하여 고밀도 배선을 구현할 수 있습니다.
핵심 기술 중 하나는 마이크로 비아를 쌓아 올리는 것입니다. 이렇게 하면 수직 공간을 많이 차지하지 않고도 한 레이어에서 다른 레이어로 전환할 수 있습니다. 마이크로 비아를 엇갈리게 배치하는 방법도 있는데, 이 경우 더 많은 공간을 차지하지만 더 높은 신뢰성을 확보할 수 있습니다. 엇갈리게 배치된 마이크로 비아는 균열, 열 사이클링 고장 및 박리 현상이 발생할 가능성이 적습니다.
Pad에서 Via 사용하기
비아인패드(Via-in-pad) 방식은 BGA 패드에 이미 비아가 형성되어 있는 구조입니다. 이 방식은 구리 충진 및 평탄화 공정이 필요할 수 있습니다. 비아를 패드에 미리 형성하면 비아를 쌓거나 엇갈리게 배치할 필요 없이 쉽게 확장할 수 있습니다. 초미세 피치 BGA를 깔끔하게 배선할 때 비아인패드 방식을 사용하는 것이 좋습니다. 하지만 비아인패드 방식에는 솔더 위킹, 기포 및 균열 발생, 신뢰성 문제 등의 단점도 있습니다.
미세한 선/간격 피치 트레이스를 사용하세요
레이저 직접 이미징(LDI) 기술을 사용하면 75μm까지 미세한 트레이스 폭을 구현할 수 있습니다. 더욱 미세한 라인이 필요한 경우, 반가산 구리 도금(SAP/mSAP) 방식을 사용하면 25μm까지 트레이스 폭을 줄일 수 있습니다. 이러한 고급 제조 기술을 사용할 때는 제어된 에칭 공정이 필요할 수 있습니다.
전략적 디자인 프로세스
PCB 엔지니어는 PCB 설계를 위한 전략적인 설계 프로세스 개발을 주도해야 합니다. BGA 및 RF 부품/모듈과 같은 중요 부품의 적절한 배치는 최우선 순위에 두어야 합니다. BGA의 팬아웃 또는 이스케이프 라우팅을 신중하게 계획하면 보드의 모든 네트 라우팅을 완벽하게 수행할 수 있습니다. 그렇지 않으면 트랩 네트 또는 트레이스가 발생할 수 있습니다. 또한 모든 임피던스 제어 라인은 신호 무결성 도구와 전략을 사용하여 신중하게 관리해야 합니다.
맺음말
5G 및 IoT PCB 프로젝트에서 고밀도 배선을 구현하려면 신중한 PCB 재료 선택, 첨단 제조 공정, 그리고 잘 설계된 PCB 스택업이 필요합니다. 또한, 불필요한 문제와 지연을 방지하고 100% 배선 완료를 달성하기 위해서는 세심한 부품 배치 및 배선 기술이 필수적입니다. 15년 이상의 PCB 제조 및 조립 경험을 보유한 UET PCB는 고객의 모든 5G 및 IoT 제조 요구 사항을 충족해 드립니다.