대부분의 안테나 재료 선택은 손실, 비용 및 가공성 간의 균형에 달려 있습니다.

하지만 균형점이 손실이 아닌 PIM인 설계 부류가 있습니다.

수동 상호 변조는 기지국 안테나 및 위성 통신 시스템에서 처리하기 가장 어려운 문제 중 하나입니다. 삽입 손실과 달리 링크 예산에서 계산할 수 없습니다. 반사 손실과 달리 튜닝 중에 볼 수 없습니다. 고출력 신호가 수동 부품을 통과할 때 재료 또는 접점의 비선형성으로 인해 생성되는 새로운 간섭 주파수입니다. 해당 주파수가 수신 대역 내에 있으면 기지국 감도가 떨어지며 설계 단계에서 이를 인지하지 못하는 경우가 많습니다.

최근에 0.3mm의 완성 두께를 가진 2층 F4BTME350 보드 를 제작했습니다. 이 보드는 PIM에 민감하고 높이 제약이 있는 이러한 종류의 애플리케이션에 정확히 적합합니다. 하지만 이 글은 보드가 얼마나 잘 제작되었는지에 대한 것만은 아닙니다. F4BTME350이 언제 필요한지, 그리고 언제 과도한지입니다.

보드 자체

기본 재료는 F4BTME350으로, 2층 강성 PCB입니다. 치수는 89.77mm x 45.16mm이며 ±0.15mm로 유지됩니다. 최소 트레이스와 간격은 6/8밀이며, 최소 홀 크기는 0.25mm입니다. 블라인드 비아는 없습니다.

완성 두께는 0.3mm이며, 외부 레이어에는 1oz(35μm) 구리가, 비아 도금에는 20μm가 사용됩니다. 표면 마감은 침지 금입니다. 상단 실크스크린은 흰색이며, 하단 실크스크린은 없습니다. 상단 솔더 마스크는 검은색이며, 하단 솔더 마스크는 없습니다. 모든 보드는 출하 전에 100% 전기 테스트를 거치며, IPC-Class-2 등급으로 제작되고, 아트워크는 Gerber RS-274-X 형식으로 제공됩니다.

통계: 12개 부품, 총 38개 패드, 9개 비아, 2개 네트. 패드가 많지는 않지만 각 패드는 명확한 역할을 합니다. 이것은 범용 보드가 아닌 작고 집중된 설계입니다.

스택업은 35μm 구리, 0.254mm(10mil) F4BTME350 코어, 35μm 구리입니다. 완성 두께 0.3mm는 표준 1.6mm FR-4 보드 두께의 약 1/5입니다. 코어는 10mil에 불과하므로 보드가 눈에 띄게 유연하며, 가공 중 뒤틀림 및 취급 손상에 대한 주의 깊은 제어가 필요합니다.

F4BTME350의 진정한 가치: PIM

F4BTME350은 10GHz에서 유전 상수 3.5, 손실 계수 0.0025를 가집니다. 이 수치 자체는 극단적이지 않습니다. Dk는 FR-4보다 약간 낮고, Df는 표준 FR-4보다 좋지만 순수 PTFE만큼 낮지는 않습니다.

기지국 안테나 및 위성 통신 애플리케이션에서 대체하기 어려운 점은 PIM 성능: ≤ -160 dBc입니다.

이 수치는 맥락이 필요합니다. 1900MHz에서 잘 설계된 안테나는 일반적으로 -150 ~ -155dBc 사이의 PIM을 목표로 합니다. -160dBc에서는 재료 자체의 PIM 기여도가 사실상 무시할 수 있는 수준으로 낮아집니다.

이를 달성하는 열쇠는 구리 포일입니다. F4BTME350은 표준 전해 구리 대신 역처리 구리 포일(RTF)를 사용합니다. RTF 포일은 표면 거칠기가 낮으며, 거친 구리 표면은 PIM의 상당한 원인입니다. F4BTM 시리즈는 ED 구리를 사용하며 PIM 요구 사항이 없는 애플리케이션에 적합합니다. F4BTME 시리즈는 PIM에 민감한 설계의 비선형성을 최소화하기 위해 RTF 포일로 전환합니다.

즉, F4BTME350에 대해 지불하는 프리미엄은 Dk나 Df가 아닌 PIM을 위한 것입니다.

0.254mm 코어의 가공 현실

10mil 코어는 F4BTME 제품군에 비해 얇은 편입니다. 이 두께에서는 보드의 기계적 강성이 주로 구리 레이어와 후속 솔더 마스크 및 표면 마감에서 나옵니다. 코어 자체는 제한적인 구조적 지지력을 제공합니다.

드릴링 과제는 0.25mm의 최소 홀 크기입니다. 0.3mm의 완성 두께에서 이는 대략 1.2:1의 종횡비로, 극단적이지는 않지만 얇은 보드에서는 드릴링 중 지지 및 칩 배출에 주의가 필요합니다. 모든 9개의 비아는 스루홀이며, 20μm 도금은 얇은 보드 조건에서 홀 벽 전체에 걸쳐 균일해야 합니다.

표면 마감은 침지 금입니다. RF 보드의 경우 이는 안전한 선택입니다. ENIG와 같은 니켈 레이어 손실 문제가 없고, 평탄도가 좋으며, 납땜이 안정적입니다. F4BTME350의 낮은 거칠기의 RTF 구리와 결합된 침지 금은 도체 손실을 낮게 유지하는 데 도움이 됩니다.

보드는 상단에만 검은색 솔더 마스크가 있고 하단에는 없습니다. 이는 안테나 보드에서 흔히 볼 수 있습니다. 솔더 마스크는 RF 트레이스 임피던스에 영향을 미칠 수 있는 유전 특성을 가지며, 하단에서 제거하면 해당 변수를 제거하는 동시에 방열 또는 접지 접점을 위해 구리를 노출시킵니다. 검은색 상단 마스크와 흰색 실크스크린은 조립 및 검사를 위한 충분한 대비를 제공합니다. 하단 실크스크린은 없는데, 하단은 일반적으로 마킹이 목적이 없는 접지면 또는 장착 표면이기 때문입니다.

F4BTME350이 필요한 경우

PIM이 시스템 레벨 제한 요인인 경우. 기지국 수신 감도는 PIM에 직접적인 영향을 받습니다. -150dBc 재료가 노이즈 플로어를 충분히 높여 수신 성능을 저하시킨다면, -160dBc는 "더 나은" 것이 아니라 필수입니다.

높이가 엄격하게 제약된 경우. 0.3mm의 완성 두께는 고도로 통합된 안테나 배열 또는 컴팩트한 RF 프론트 엔드에 적합합니다. 얇은 보드는 전기적 성능을 유지하면서 전체 스택 높이를 줄입니다.

주파수와 전력이 모두 높은 경우. 위성 통신, 위상 배열 안테나, 고출력 증폭기 등 이러한 애플리케이션은 열 안정성과 비선형성 모두에 민감하며, F4BTME350의 CTE(X에서 10ppm/°C, Y에서 12ppm/°C)와 낮은 Dk의 열 계수는 해당 조건에서 실제 가치를 가집니다.

사용하지 말아야 할 경우

대부분의 재료 설명에서 생략되는 부분이며 독자에게 가장 유용한 부분입니다.

설계가 1GHz 미만에서 작동하는 경우. 저주파수에서는 PIM이 일반적으로 시스템 레벨 병목 현상이 아닙니다. F4BTME350의 -160dBc 사양은 과도합니다. ED 구리를 사용하는 F4BTM 시리즈로도 충분할 수 있으며 비용이 더 저렴합니다.

PIM이 시스템 레벨 문제가 아닌 경우. 모든 RF 보드가 고출력을 처리하는 것은 아닙니다. 저잡음 증폭기, 소신호 수신 체인, 실험실 테스트 보드 등에서는 PIM이 제한 요인이 되지 않으므로 프리미엄을 지불하는 것은 의미가 없습니다.

0.3mm가 필요하지 않은 경우. 얇은 보드는 가공하기 더 어렵고 수율 제어가 더 복잡합니다. 모듈 높이가 허용된다면 표준 두께의 F4BTME 보드가 가공하기 더 쉽고 비용 효율적이며 기계적으로 더 안정적입니다. 얇은 것이 그 자체로 장점은 아닙니다. 높이가 제약될 때만 장점이 됩니다.

비용이 첫 번째 제약인 경우. F4BTME350의 RTF 구리와 저PIM 제형은 프리미엄 재료입니다. PIM 요구 사항이 적당한 비용 민감 애플리케이션에서는 표준 FR-4 또는 F4BTM 시리즈가 더 합리적인 엔지니어링 선택입니다.

결론

F4BTME350은 범용 안테나 재료가 아닙니다. 이것은 타겟 솔루션입니다. PIM이 링크 예산의 제한 요인이고 높이를 0.3mm 수준으로 압축해야 할 때 프리미엄을 정당화합니다.

설계가 두 조건을 모두 충족하지 않으면 사용하지 않을 성능에 대해 비용을 지불하고 있을 가능성이 높습니다.