저손실 소재: 고속 PCB 성능을 위한 소산 계수 저감

여러분의 PCB를 통과하는 모든 신호는 눈에 보이지 않게 에너지를 소모하고 있으며, 그 원인은 바로 라미네이트 소재 자체에 있습니다. 기판 소재의 소산 계수(Df)가 높을수록, 신호의 전자기 에너지가 유전체를 통과하면서 더 많은 열로 변환됩니다. 저주파 대역에서는 이 영향이 거의 느껴지지 않을 수 있습니다. 그러나 데이터 전송 속도가 멀티기가비트 영역에 진입하면, 소재 데이터시트에 표기된 작은 Df 수치 하나가 깨끗한 아이 다이어그램과 규격 통과 실패를 가르는 결정적 변수가 됩니다.

높은 소산 계수는 링크 버짓(link budget)을 크게 잠식하며, 이는 트레이스 길이 단축, 이퀄라이제이션 추가, 심지어 기판 재설계로 이어질 수 있습니다. 본 글에서는 소산 계수의 의미와 측정 방법, 그리고 저손실 소재가 현대 고속· 고주파 PCB 설계에 왜 필수적인지 살펴보겠습니다. 실용적인 소재 옵션을 비교하고, JLCPCB가 이러한 고급 라미네이트를 다루는 엔지니어를 어떻게 지원하는지도 소개합니다.

PCB 소재의 소산 계수(Df) 이해

고속 설계에 적합한 라미네이트를 선택하려면, 소산 계수가 무엇인지, 유전율 상수(Dk)와 어떤 관계인지, 고주파 대역에서 왜 중요한지를 먼저 이해해야 합니다.

정의 및 유전율 상수(Dk)와의 관계

소산 계수는 손실 탄젠트(tan δ)라고도 하며, 교류 전기장이 유전체를 통과할 때 얼마나 많은 전자기 에너지가 흡수되어 열로 변환되는지를 나타내는 지표입니다. 수학적으로는 복소 유전율의 허수부와 실수부의 비율로 정의됩니다.

수식: Df = tan(δ) = ε″ / ε′

여기서 ε′은 유전율의 실수부(유전율 상수 Dk 계산에 사용)이며, ε″은 유전체 손실입니다. Df가 높을수록 더 많은 에너지가 열로 소산되고, 신호로 전달되는 에너지는 줄어듭니다. 유전율 상수(Dk)와 소산 계수(Df)는 밀접하게 연관되어 있지만 역할이 다릅니다. 신호 전파 속도와 전송 선로의 임피던스를 결정하는 것은 Dk이고, 그 신호가 전달 과정에서 얼마나 손실되는지를 결정하는 것은 Df입니다. Dk를 고속도로의 속도 제한이라고 한다면, Df는 그 과정에서 소모되는 연료에 해당합니다.

주파수가 높아질수록, 수지 시스템 내 분자 분극 메커니즘이 교류 전기장의 변화를 따라가지 못하게 되어 유전체 손실이 증가하는 경향이 있습니다. 따라서 1 GHz에서는 문제없이 사용되던 소재가 10 GHz 이상에서는 부적합해질 수 있습니다.

고주파 설계에서 소산 계수가 신호 손실에 미치는 영향

PCB 트레이스의 신호 손실은 두 가지 주요 요인에 의해 발생합니다. 도체 손실(구리의 저항 손실)과 유전체 손실(라미네이트에 흡수되는 에너지)입니다. 약 1 GHz 미만의 주파수에서는 도체 손실이 지배적입니다. 그러나 1~2 GHz 이상에서는 유전체 손실이 지배적이 되어 총 삽입 손실(insertion loss)에 가장 큰 영향을 미치게 됩니다.

삽입 손실에 대한 유전체 기여분은 다음과 같이 근사할 수 있습니다.

α_d (dB/inch) = 2.3 × f × √Dk × Df / c

여기서 f는 동작 주파수(Hz), Dk는 유전율 상수, Df는 소산 계수, c는 광속입니다. 이 관계식은 유전체 손실이 주파수와 소산 계수에 정비례함을 나타냅니다. 실용적으로 말하면, 동작 주파수가 두 배로 증가하면 단위 길이당 유전체 손실도 두 배로 증가합니다.

소산 계수(Df) 측정 방법

데이터시트의 Df 수치를 아는 것만으로는 충분하지 않습니다. 이 수치가 어떻게 산출되었는지, 그리고 실제 설계 주파수에서 어떤 의미를 갖는지도 이해해야 합니다.

주요 측정 방법 및 표준

소산 계수를 측정하는 표준 방식에는 여러 가지가 있으며, 각각 적용 가능한 주파수 범위와 정밀도가 다릅니다.

평행판 커패시터법: 라미네이트 샘플을 두 개의 전도성 전극 사이에 커패시터 형태로 배치하는 방식입니다. 정전용량과 유전체 손실을 측정하여 Dk와 Df를 산출합니다. 비교적 낮은 주파수(1 MHz~1 GHz)에서 널리 사용되며, PCB 소재 데이터시트에 자주 인용됩니다.

스트립라인 공진기법: 테스트 라미네이트로 스트립라인 공진기를 제작합니다. 구조물의 공진 주파수와 품질 계수(Q)를 측정하여 Dk와 Df를 추출합니다. 실제 PCB 전송 선로와 매우 유사한 테스트 구조를 사용하므로, 실제 PCB 성능을 가장 잘 반영하는 결과를 얻을 수 있습니다.

균형 디스크 공진기법: 스트립라인 공진기법과 동일한 원리를 기반으로 하되, 원형 디스크 공진기 형태를 사용합니다. 마이크로파 주파수 대역에서 높은 정밀도를 제공하며, 고급 RF 소재 특성 분석 및 고속 용도에 널리 활용됩니다.

애플리케이션별 Df 수치 해석

데이터시트의 Df 수치를 읽을 때는 항상 측정 주파수를 확인하십시오. 1 MHz에서 Df = 0.015로 표기된 소재가 10 GHz에서는 Df = 0.022를 나타낼 수 있습니다. Df의 주파수 의존성은 매우 중요하며 간과되기 쉬운 부분입니다. 다음은 Df 범위에 따른 실용적인 분류와 일반적인 적용 용도입니다.

소산 계수(Df)가 PCB 성능에 미치는 영향

신호 감쇠 및 데이터 전송 속도 제한

모든 고속 직렬 링크에는 손실 버짓이 있습니다. 송신기가 신호를 출력하는 진폭과 수신기가 (이퀄라이제이션 후) 논리 레벨을 감지할 수 있는 최저 진폭 사이에 차이가 있습니다. 고주파 대역에서 유전체 손실로 인해 주로 발생하는 채널 삽입 손실이, 신호를 잃지 않고 연결할 수 있는 최대 트레이스 길이를 결정합니다.

실제 적용 사례를 살펴보면 다음과 같습니다.

PCIe Gen5 (32 GT/s, NRZ): 규격은 나이퀴스트 주파수(16 GHz)에서 채널 삽입 손실을 약 36 dB까지 허용합니다. 표준 FR4를 사용하더라도, 6인치(약 15 cm) 트레이스만으로 그 버짓의 상당 부분이 소모되어 커넥터, 비아, 패키지 배선에 할당할 여유가 거의 남지 않습니다.

5G 밀리미터파 (28 GHz, 39 GHz): 이 주파수 대역에서 FR4는 사실상 사용이 불가능합니다. PTFE 기반 소재 또는 특수 저손실 세라믹 충전 라미네이트만이 허용 가능한 성능을 제공합니다.

Df가 증가할수록 아이 다이어그램 품질이 저하됩니다. 유전체 손실의 주파수 의존성이 저역 통과 필터처럼 작용하여 디지털 신호의 파형을 둥글게 만듭니다. 이는 지터를 증가시키고, 아이 높이와 폭을 감소시켜 달성 가능한 최소 비트 오류율(BER)을 제한합니다.

열 및 신뢰성 고려 사항

유전체에 흡수된 에너지는 사라지는 것이 아니라 열로 변환됩니다. 고출력 RF나 활성 채널이 많은 고밀도 고속 디지털 설계 등의 애플리케이션에서는, 유전체 발열이 기판의 열 부하에 상당한 기여를 할 수 있습니다.

과도한 유전체 발열은 다음과 같은 신뢰성 우려를 야기합니다.

• 온도에 따른 Dk 변화: 라미네이트가 가열되면 Dk가 변화하여, 임피던스와 신호 전파 지연에 영향을 미칩니다. 이는 차동 쌍 및 버스에서 타이밍 불확실성을 유발합니다.
• 수지 시스템의 가속 노화: 온도 상승은 에폭시 또는 수지 매트릭스의 화학적 노화를 촉진하여 기판의 수명을 단축시킬 수 있습니다.
• 열 사이클 응력: 도금 관통홀과 비아 배럴이 열 구배에 노출되면 응력이 발생하며, 특히 두꺼운 다층 기판에서 두드러집니다.

일반적인 디지털 설계에서는 유전체 발열보다 부품에서 발생하는 열 부하가 지배적입니다. 그러나 능동 안테나 어레이나 전력 증폭기 같은 고출력 RF 기판에서는, 저손실 소재 선택이 신호 무결성 측면만이 아니라 열 관리 측면에서도 중요한 결정 사항입니다.

최적의 성능을 위한 저손실 소재 선정

주요 저손실 라미네이트 및 특성 비교

시장에는 개선형 FR4 변형 소재부터 특수 PTFE 기반 시스템까지 다양한 저손실 소재가 제공됩니다. 일반적으로 사용되는 옵션을 비교하면 다음과 같습니다.

경향은 명확합니다. Df가 낮을수록 비용이 높아지고, 제조도 어려워지는 경향이 있습니다. 엔지니어링의 과제는 신호 무결성 요건과 예산 사이의 균형을 찾는 것입니다.

Df, 비용, 제조 가능성의 균형

실제로 많은 고속 설계는 전체를 저손실 소재로 구성하지 않고, 하이브리드 스택업 방식을 채택합니다. 그 방법은 다음과 같습니다.

• 핵심 신호 레이어 파악: 최고속 신호(SerDes 레인, RF 트레이스, 클록 분배)가 위치한 레이어를 식별합니다.
• 저손실 소재(Megtron 6 또는 동급) 사용은 필요한 경우에만, 보통 핵심 신호 쌍에 인접한 코어 및 프리프레그 레이어에 한정하여 적용합니다.
• 표준 또는 중간 손실 소재는 전원 플레인, 저속 제어 신호, 기계적 지지 레이어에 사용할 수 있습니다.
• 호환성 검토: 모든 소재가 잘 접합되는 것은 아닙니다. 열팽창계수(CTE) 정합성, 리플로우 호환성, 하이브리드 스택업 조합에 대한 제조사 권장 사항을 반드시 확인하십시오.

저손실 PCB 제조에 대한 JLCPCB의 전문성

고급 저손실 소재 및 첨단 공정 접근성

JLCPCB는 FR4를 넘어서는 폭넓은 소재 라이브러리를 갖추고 있습니다. 고속·고주파 프로젝트를 설계하는 엔지니어는 Shengyi, Panasonic Megtron 시리즈, Rogers, Isola 등 다양한 저손실 라미네이트 중에서 선택할 수 있습니다.

이러한 소재 구성은 첨단 제조 기술과 결합됩니다. 제어 임피던스 공정, 레이저 드릴링 마이크로비아, 복잡한 HDI 순차 라미네이션, 엄격한 공차의 에칭이 생산 툴킷의 일부입니다. JLCPCB의 공정 관리는 유전체 두께와 구리 레지스트레이션의 일관성을 보장하며, 이는 PTFE 기반 기판을 사용하는 RF 및 밀리미터파 설계에서 목표 Dk·Df 성능을 구현하는 데 필수적입니다.

일관된 신호 성능을 보장하는 신뢰할 수 있는 생산

고속 채널에서는 소재 특성 자체만큼이나 기판 간, 생산 로트 간의 일관성이 중요합니다. 일반 디지털 기판에서는 Df의 10% 변화가 미미하게 느껴질 수 있지만, 여유가 없는 56G PAM4 채널에서는 그 차이가 결정적일 수 있습니다.

JLCPCB의 품질 관리에는 입고 소재 검사, 공정 중 임피던스 측정(TDR 및 네트워크 어낼라이저), 출고 전 전기적 검증이 포함됩니다. 기판은 IPC-6012 Class 2 및 Class 3 기준에 따라 제조되어, 제작된 제품이 설계 요구 성능을 충족함을 보증합니다. 일반 빌드 기준 최단 1~2일의 빠른 납기로 프로토타입을 신속하게 확보하여, 채널 시뮬레이션 결과와 실측 S-파라미터 데이터를 직접 비교해 보실 수 있습니다.

소산 계수(Df)에 관한 자주 묻는 질문(FAQ) 

결론

소산 계수는 여러분의 PCB 소재에서 가장 중요하게 고려해야 할 파라미터 중 하나입니다. 수 기가헤르츠 이상의 주파수에서는 유전체 손실이 가장 큰 손실 메커니즘이 되어, 표준 FR4만으로는 현대 직렬 프로토콜과 RF 시스템이 요구하는 수준을 충족할 수 없습니다. 저손실 소재 사용은 엔지니어링적 선택입니다. 이는 요구 주파수를 파악하고, 그에 맞는 스택업을 구성하며, 성능과 비용 사이의 균형을 맞추기 위해 하이브리드 방식을 활용하는 것을 의미합니다. 데이터시트에 공개된 Df 수치 자체만큼이나, 그 수치의 배경이 되는 측정 방법과 측정 주파수도 중요합니다.