[논문]인쇄회로기판 배선소재 표면 거칠기에 따른 HDMI 전송선로 설계 기준 연구

사기동; 임영석

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.2.289

인쇄회로기판 배선소재 표면 거칠기에 따른 HDMI 전송선로 설계 기준 연구
Study on Design Criteria of HDMI Transmission Line according to Surface Roughness of Printed Circuit Board Wiring Material 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.2, 2019년, pp.289 - 296

초록
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최근 스마트폰 카메라 기술의 발달로 고화질의 동영상을 촬영할 수 있다. 이러한 기술을 다양한 방법으로 활용하기 위해 디스플레이 등의 외부 장치로 신호 전송이 가능하여야 한다. 영상신호의 전송 성능은 전송선로의 손실과 배선의 길이에 따라 결정된다. 논문에서는 스마트폰 디자인에 따라 변경되는 배선 길이와 인쇄회로기판 도체 배선 소재 표면 거칠기 진폭에 따른 HDMI 전송선로 설계 기준을 제안하였다. 또한 실제 스마트폰 설계에 제안된 설계 기준을 적용하여 검증하였다. 본 논문을 통해 제안된 설계 기준은 모바일 어플리케이션외 고속신호 전송선로가 포함되는 다양한 응용분야에 확대 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the development of smartphone camera technology enables to shoot high quality video. In order to utilize these techniques in various ways, it is necessary to be able to transmit signals to an external device such as a external display. The transmission performance of the video signal is determined by the loss of the transmission line and the length of the wiring. In this paper, we propose the HDMI transmission line design criterion according to the wiring length changed according to the smartphone design and the surface roughness amplitude of the printed circuit board conductor wiring material. Also, we verified the proposed design criteria for the actual smartphone design. The proposed design criterion can be applied to various application fields including high-speed signal transmission line besides mobile application.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 표피효과에 의한 전류분포 Fig. 1 Current distribution by skin effect
그림 그림 2. 동박 종류별 표면 거칠기 Fig. 2 Surface roughness by type of copper foil
표 표 1. 동박 종류별 표면 거칠기 Table 1. Surface roughness by type of copper foil
그림 그림 3. 전송손실 분석용 기판 Fig. 3 Substrate for transmission loss analysis
그림 그림 4. 인쇄회로기판의 특성임피던스 측정결과 Fig. 4 Characteristic impedance of a transmission line
그림 그림 5. 전송손실 측정결과 Fig. 5 Transmission loss measurement result
그림 그림 6. 전송선로 성능 분석을 위한 시뮬레이션 회로 Fig. 6 Simulation circuit for transmission line performance analysis
그림 그림 7. HDMI TP1 Eye mask 측정 규격 Fig. 7 HDMI TP1 Eye mask measurement standard
표 표 2. 10 GHz에서 전송손실 측정결과 Table 2. Transmission loss measurement result at 10 GHz
표 표 3. 도체손실에 따른 HDMI 전송선로 Eye pattern 분석 결과 Table 3. Analysis of eye pattern of HDMI transmission line due to conductor loss
표 표 4. HDMI 1.4 1080p 전송선로 설계 기준 Table 4. HDMI 1.4 1080p transmission line design standard
그림 그림 8. HDMI 전송선로 설계 구조 Fig. 8 HDMI transmission line design structure
그림 그림 9. HDMI 전송선로 Eye pattern 측정결과 Fig. 9 Eye pattern measurement result by HDMI transmission line

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 배선 표면 거칠기 진폭에 의한 도체손실을 고려한 스마트폰 HDMI 전송선로 설계 기준을 제안하였다. 스마트폰 HDMI 배선의 설계 기준 도출을 위해 표면 거칠기 진폭과 배선 길이에 따른 전송손실을 측정하고 이를 반영한 회로 시뮬레이션으로 HDMI 1.
본 논문에서는 배선 표면 거칠기의 진폭이 전송손실에 미치는 영향을 분석하고 이를 스마트폰의 고속영상 신호 전송용 HDMI 전송선로 설계에 반영할 수 있도록 실험적 결과로부터 도출된 설계 기준을 제안한다. 배선 표면 거칠기의 진폭과 배선의 설계 길이에 따른 도체손실을 분석하기 위해 그림 3과 같이 각각 25 mm, 50 mm, 100 mm 길이를 가지는 차동배선을 종단에 SMA 커넥터가 삽입되는 구조로 설계하였다.
본 논문에서는 스마트폰의 디자인과 고속 영상신호 전송용 HDMI 전송선로의 성능을 동시에 만족하도록 설계하기 위해 먼저 전송선로 길이와 배선 금속 소재의 표면 거칠기 진폭에 따른 성능 분석용 기판을 설계하고 이에 대한 전송손실을 측정하였다. 다음으로 측정된 전송손실을 적용하여 Agilent ADS를 통한 시간영역 시뮬레이션으로 HDMI 전송선로 성능을 분석 하였고, 이로부터 설계 기준을 도출하였다.

제안 방법

Ⅲ장에서 도출된 설계 기준을 실제 스마트폰의 설계에 적용하여 검증하였다. 스마트폰의 영상 신호를 외부로 전송하기 위한 HDMI 채널은 디자인을 고려하여 Qualcomm사의 SDM670 AP와 USB-C 커넥터 사이에 MUX와 Common mode filter 및 ESD Protector를 그림 8과 같이 배치하였다.
017인 Panasonic R-1650M Prepreg 및 R-7155M Laminate 소재를 적용하여 10층 구조로 설계하였다. 기판 내부에 설계된 HDMI 배선은 Coplanar waveguide 구조의 차동배선으로 배선 폭은 50 um이며, 배선 간 간격 및 배선과 수평방향 그라운드 사이 간격은 150 um가 되도록 설계하였다. HDMI 배선은 표 4의 2번 설계기준을 만족하도록 표면 거칠기는 4.
본 논문에서는 스마트폰의 디자인과 고속 영상신호 전송용 HDMI 전송선로의 성능을 동시에 만족하도록 설계하기 위해 먼저 전송선로 길이와 배선 금속 소재의 표면 거칠기 진폭에 따른 성능 분석용 기판을 설계하고 이에 대한 전송손실을 측정하였다. 다음으로 측정된 전송손실을 적용하여 Agilent ADS를 통한 시간영역 시뮬레이션으로 HDMI 전송선로 성능을 분석 하였고, 이로부터 설계 기준을 도출하였다. 마지막으로 도출된 설계 기준을 실제 스마트폰 설계에 적용하여 유효성을 검증하였다.
다음으로 측정된 전송손실을 적용하여 Agilent ADS를 통한 시간영역 시뮬레이션으로 HDMI 전송선로 성능을 분석 하였고, 이로부터 설계 기준을 도출하였다. 마지막으로 도출된 설계 기준을 실제 스마트폰 설계에 적용하여 유효성을 검증하였다.
본 논문에서는 배선 표면 거칠기의 진폭이 전송손실에 미치는 영향을 분석하고 이를 스마트폰의 고속영상 신호 전송용 HDMI 전송선로 설계에 반영할 수 있도록 실험적 결과로부터 도출된 설계 기준을 제안한다. 배선 표면 거칠기의 진폭과 배선의 설계 길이에 따른 도체손실을 분석하기 위해 그림 3과 같이 각각 25 mm, 50 mm, 100 mm 길이를 가지는 차동배선을 종단에 SMA 커넥터가 삽입되는 구조로 설계하였다. 설계된 인쇄회로기판은 동일한 유전체손실을 가지도록 유전율 4.
본 논문에서는 배선 표면 거칠기 진폭에 의한 도체손실을 고려한 스마트폰 HDMI 전송선로 설계 기준을 제안하였다. 스마트폰 HDMI 배선의 설계 기준 도출을 위해 표면 거칠기 진폭과 배선 길이에 따른 전송손실을 측정하고 이를 반영한 회로 시뮬레이션으로 HDMI 1.4 1080p 영상신호 입력 조건에서 전송성능을 분석하여 Eyemask 규격을 만족하는 설계 기준을 도출하고 이를 실제 스마트폰의 설계에 적용하여 검증하였다. 본 연구를 통해 제안된 스마트폰 HDMI 전송선로 설계 기준은 모바일 어플리케이션 외 고속신호 전송선로가 포함되는 다양한 응용분야에 확대 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
측정된 전송손실 파라메터가 HDMI 전송선로의 신호 전달 성능에 미치는 영향을 시간영역 시뮬레이션으로 분석하기 위해 Agilent사 ADS를 이용하여 그림6과 같이 회로를 구성하였다. HDMI 전송선로의 시간 영역 시뮬레이션에서 입력되는 영상 신호는 1080p 해상도, 60 Hz의 주파수로 refresh되는 신호로 채널 당 전송속도는 1.
영상신호는 스마트폰의 AP의 HDMI TMDS Data 핀으로부터 배선 기판을 통해 외부로 연결되는 USB C 커넥터로 전송된다. 회로 시뮬레이션에서 AP 칩은 IBIS (I/O buffer information specification) 모델을 적용하고 스마트폰 내부의 전송 선로와 이에 연결된 USB C 커넥터는 측정된 S-Parameter 모델을 적용하여 종단인 USB C 커넥터에서 HDMI 1.4 TP1 측정 규격으로 배선의 표면 거칠기와 배선 길이에 따른 전송성능 시간영역 시뮬레이션을 수행하였다. HDMI 1.

대상 데이터

기판 내부에 설계된 HDMI 배선은 Coplanar waveguide 구조의 차동배선으로 배선 폭은 50 um이며, 배선 간 간격 및 배선과 수평방향 그라운드 사이 간격은 150 um가 되도록 설계하였다. HDMI 배선은 표 4의 2번 설계기준을 만족하도록 표면 거칠기는 4.19 um 이하의 VLP동박을 적용하여 전체 길이가 60 mm로 제작하였다.
배선 표면 거칠기의 진폭과 배선의 설계 길이에 따른 도체손실을 분석하기 위해 그림 3과 같이 각각 25 mm, 50 mm, 100 mm 길이를 가지는 차동배선을 종단에 SMA 커넥터가 삽입되는 구조로 설계하였다. 설계된 인쇄회로기판은 동일한 유전체손실을 가지도록 유전율 4.6, 손실 탄젠트 0.017을 가지는 Panasonic R-1650M Prepreg 및 R-7155M Laminate을 적용하고 동박의 종류를 STD와 VLP 및 HVLP의 3가지 종류 동박 종류로 구분하여 제작하였다.
스마트폰의 영상 신호를 외부로 전송하기 위한 HDMI 채널은 디자인을 고려하여 Qualcomm사의 SDM670 AP와 USB-C 커넥터 사이에 MUX와 Common mode filter 및 ESD Protector를 그림 8과 같이 배치하였다. 인쇄회로기판은 유전율이 4.6이며, 손실 탄젠트가 0.017인 Panasonic R-1650M Prepreg 및 R-7155M Laminate 소재를 적용하여 10층 구조로 설계하였다. 기판 내부에 설계된 HDMI 배선은 Coplanar waveguide 구조의 차동배선으로 배선 폭은 50 um이며, 배선 간 간격 및 배선과 수평방향 그라운드 사이 간격은 150 um가 되도록 설계하였다.

이론/모형

측정된 특성임피던스는 모든 거칠기 조건에서 설계 기준인 100 Ohm 대비± 2 Ohm 이내의 오차를 가진다. 전송손실은 Agilent사의 Vector netework analyzer (E5071C)를 적용하여 측정하였다. 이는 전송선로의 주파수에 따른 신호전송 특성을 나타내며, 제작된 전송선로의 길이와 표면 거칠기에 따라 그림 5와 같은 측정되었다.

성능/효과

배선길이와 전송선로 표면 거칠기에 따른 전송성능을 시간영역 시뮬레이션 수행 결과는 표 3과 같다. 시뮬레이션 결과를 분석해보면 측정된 전송손실로 예측한 결과와 동일하게 25 mm 길이에서 3 종류의 표면 거칠기의 동박을 적용한 경우에는 HDMI 1.4 TP1 Eyemask 규격을 모두 만족하였으나 50 mm 길이에서 STD 표면 거칠기의 동박을 적용한 경우와 100mm 길이에서 3 종류의 표면 거칠기의 동박을 적용한 모든 경우는 HDMI 1.4 TP1 Eyemask 규격을 만족하지 못하였다.
제작된 스마트폰 HDMI 전송선로의 성능을 분석한 결과 좌, 우 지터가 각 각 70.2 ps, 72 ps로 Tbit인 676.7 ps 대비 11% 이내이며, 그림 9와 같이 HDMI 1.4 TP1 Eyemask 규격의 Eye opening 기준을 만족하였다.
측정 결과를 분석해보면 스마트폰 HDMI 전송선로의 설계시 가장 보편적으로 적용되는 50 mm 길이에서 STD 표면 거칠기의 동박을 적용한 경우와 100 mm 길이에서 3 종류의 표면 거칠기의 동박을 적용한 모든 배선에서 측정된 전송손실이 –20 dB 이하로 측정되어 고주파 신호 왜곡 문제가 발생될 것으로 예측된다.

후속연구

4 1080p 영상신호 입력 조건에서 전송성능을 분석하여 Eyemask 규격을 만족하는 설계 기준을 도출하고 이를 실제 스마트폰의 설계에 적용하여 검증하였다. 본 연구를 통해 제안된 스마트폰 HDMI 전송선로 설계 기준은 모바일 어플리케이션 외 고속신호 전송선로가 포함되는 다양한 응용분야에 확대 적용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고해상도의 영상신호 전송을 위한 시스템의 성능은 무엇에 의해 제한되는가?	고해상도의 영상신호 전송을 위한 시스템의 성능은 주로 전송손실, 전파지연시간, 특성임피던스에 의해 제한된다. 전파지연시간과 특성임피던스는 인쇄회로기판 설계에 의해 최적화가 이루어 질 수 있으나, 전송손실은 기판 소재의 전기적 특성에 따라 변화한다.
	인쇄회로기판의 손실을 줄이는 방법 두가지는 무엇이 있는가?	전송선로의 성능 제한 문제를 해결하기 위한 방안은 인쇄회로기판의 손실을 줄이는 것이다. 기판의 손실을 줄이는 방법은 절연소재의 유전체손실을 줄이는 것과 표면 거칠기의 진폭이 작은 동박을 적용하여 도체손실을 줄이는 두 가지 방법이 있으나, 도체손실을 줄이는 방법이 원가 경쟁력 면에서 우수하다.
	HDMI 1.4버전에서 1080p 해상도의 영상신호를 전송할 때 채널 당 전송속도는 무엇인가?	HDMI 1.4 버전에서 1920 × 1080 (1080p) 해상도의 영상신호를 전송할 때 채널 당 전송속도는 1.48 Gbps이다[3].

참고문헌 (11)

P. Moon, "The Comparison and Analysis of Mobile Advertising Platform," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 3, 2012, pp. 515-520.
Y. Jeon, B. Song, J. Kim, J. Park, and Y. Yu, "Implementation of Automotive Multimedia Interface Supporting Multi-Channel Display in Multi-Screen Display," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 8, no. 1, 2013, pp. 199-206.

원문보기 상세보기
Wikimedia Foundation. Inc., "High-Definition Multimedia Interface," 2019.
D. Pozar, Microwave engineering. New york: Wiley, 2011.
S. Sundstroem, "Stripline Models with Conductor Surface Roughness," Master's Thesis, Helsinki University of Technology, 2004.
S. Hinaga, M. Koledintseva, P. Anmula, and J. Drewniak, "Effect of conductor surface roughness upon measured loss and extracted values of PCB laminate material dissipation factor," IPC APEX Expo, Las Vegas, USA, 2009.
M. Koledintseva, A. Razmadze, A. Gafarov, S. De, J. Drewniak, and S. Hinaga, "PCB Conductor Surface Roughness as a Layer with Effective Material Parameters," IEEE Int. Symp. on Electromagnetic Compatibility, Pittsburgh, USA, 2012.
X. Guo, D. Jackson, M. Koledintseva, S. Hinaga, J. Drewniak, and J. Chen, "An Analysis of Conductor Surface Roughness Effects on Signal Propagation for Stripline Interconnects," IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, vol. 56, no. 3, 2014, pp. 707-714.

상세보기
E. Bogatin, Signal and Power Integrity-Simplified. New Jersey: Prentice Hall, 2009.
H. Johnson and M. Graham, High-speed signal propagation: Advanced black magic. New Jersey: Prentice Hall, 2003.
HDMI Std., High-definition multimedia interface specification version 1.4b. HDMI licensing, LLC, San Jose, USA, 2011.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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