올바른 PCB 소재 선택: 종합 가이드
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- 열적 특성
- 전기적 특성
- 전력과 열이 PCB 소재 선정에 미치는 영향
- 플렉스 및 리지드-플렉스 보드
- 밀레니엄 서키츠 리미티드에서 PCB 구매
모든 PCB 소재 유형은 전기를 전도하고 구리 전도 층 간 절연을 제공하는 목적을 가집니다. FR-4가 이 카테고리에서 가장 널리 쓰이는 소재입니다. 그러나 귀사 보드의 니즈는 필연적으로 다양한 PCB 소재 특성에 의존합니다. 다음 PCB 소재 선정 가이드를 읽고 열적, 전기적, 화학적, 기계적 특성 측면에서 다른 PCB 소재 유형에서 무엇을 봐야 할지 배우세요.
PCB 소재 옵션, 분류, 기판 특성 고려사항
열적 특성
- 유리 전이 온도 (Tg): PCB 기판은 특정 임계값 이상 온도에서 연화됩니다. 열에서 제거되면 기판은 자연 상태로 경화됩니다. 이 변환이 기판에 적용될 수 있는 범위를 유리 전이 온도(Tg)라고 하며, 섭씨 도 단위로 표기합니다.
- 분해 온도 (Td): 특정 임계값 이상 온도 노출 시 PCB 기판은 분해됩니다. 이 과정에서 PCB는 전체 질량의 5% 이상을 잃습니다. 이 과정이 발생하는 온도 범위를 분해 온도(Td)라고 하며, 섭씨 도 단위입니다. Tg 변환 효과는 소재를 유리 전이 온도에서 제거하면 자가 역전되지만, 분해 온도 효과는 영구적입니다. 따라서 작업 환경 온도 범위를 감당할 수 있는 PCB 소재를 쓰는 것이 최선입니다. PCB 기판 납땜 온도는 일반적으로 200°C~250°C 사이입니다. 이상적으로 Tg는 이 범위 아래, Td는 위여야 합니다.
- 열팽창 계수 (CTE): PCB 팽창률을 CTE라 합니다. 기판이 Tg 초과 온도 노출 시 CTE도 상승하며, ppm(parts per million) 단위입니다. 기판은 일반적으로 구리 층보다 높은 CTE를 가집니다. 이 차이가 열 가열 시 상호 연결 문제의 원인이 되기도 합니다. PCB 소재 주변 직조 유리 제약으로 CTE는 일반적으로 X, Y 축에서 10~20ppm 범위입니다. 온도가 Tg 임계값을 넘어도 CTE는 동일하게 유지됩니다. Z 축 방향 CTE는 최소화해야 하는데, 이 방향으로 소재가 팽창하기 때문입니다. 안전을 위해 70ppm 이하를 권장합니다.
- 열전도율 (k): PCB 열전도 특성을 열전도율(k)이라 합니다. 소재 열전도율은 PCB 열전달 능력과 직접 연관됩니다. k 레벨이 낮으면 열전달 수준도 낮고, 그 반대도 마찬가지입니다. 열전도율은 켈빈(K)에서 와트/미터(W/M) 단위로 측정합니다. 많은 유전체 소재 열전도율 범위는 0.3~6 W/mK입니다. 비교하자면 구리는 386 W/M-°C k-레벨을 가집니다. 따라서 PCB에서 구리 층이 유전체보다 열을 더 빨리 전달합니다.
전기적 특성
- 유전율(상대 투자율) (Er 또는 Dk): 유전체 전기 성능을 결정하는 두 가지 가장 중요한 요소는 임피던스와 신호 무결성입니다. PCB 소재 유전율(Er) 또는 상대 투자율(Dk)은 일반적으로 3.5~5.5 사이입니다. 소재 Er 레벨은 주파수에 의존하며 보통 주파수 상승 시 감소합니다. Dk 레벨 변화는 특정 PCB 소재에서 더 적습니다. 넓은 주파수 범위에서 안정적인 유전율을 유지하는 소재가 고주파 애플리케이션에 안전합니다.
- 유전 손실 탄젠트(소산 인자) (Tan δ 또는 Df): 손실 탄젠트가 낮을수록 소재 전력 손실이 적습니다. PCB용 소재 유전 손실 탄젠트(Tan δ)는 일반적으로 0.02~0.001 범위입니다. 전자는 더 널리 쓰이는 소재, 후자는 고급 소재에 적용됩니다. Tan δ도 주파수와 함께 증가합니다. 디지털 회로에서 손실 탄젠트는 일반적으로 부차적 요소입니다. 예외는 주파수 1GHz 초과 애플리케이션입니다. 손실 탄젠트는 아날로그 신호에서 더 중요합니다.
- 체적 저항률 (ρ): 유전체 소재의 절연 또는 전기에 대한 저항을 체적 저항(ρ)이라 합니다. 높은 저항률의 PCB 소재는 전하 이동을 덜 촉진합니다. 옴-미터(Ω·m) 및 옴-센티미터(Ω·cm)로 주어진 유전체 저항률을 측정합니다. 모든 유전체 절연체처럼 PCB 소재는 높은 저항률을 가져야 하며, 바람직하게는 10³~10¹⁰ 메가옴-센티미터 범위입니다. 열, 냉기, 습기 같은 외부 요인이 소재 저항률에 영향을 줄 수 있습니다.
- 표면 저항률 (ρS): 유전체 소재 표면의 절연 및 전기 저항을 표면 저항률(ρS)이라 합니다. 소재 ρ 레벨과 마찬가지로 ρS도 높아야 하며, 바람직하게는 10³~10⁹ 메가옴/제곱센티미터 범위입니다. ρ와 마찬가지로 소재 ρS 레벨도 온도 극값과 습기 영향을 받을 수 있습니다.
- 전기적 강도: PCB Z 방향에서 유전체 소재가 전기적 파괴를 저항하는 능력을 전기적 강도라 하며, 볼트/밀(Volts/mil)로 측정합니다. 대부분 PCB 소재는 800~1500 V/mil 전기적 강도를 가집니다.
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전력과 열이 PCB 소재 선정에 미치는 영향
화학적 특성
- 난연성 규격 (UL94): 플라스틱 난연 특성(플라스틱 인화성)은 기기 및 기구 부품용 플라스틱 소재 인화성 안전 규격(UL94)에서 최고에서 최저로 순위 매겨집니다. PCB 소재 UL94 요건: 시편이 인화 연소로 10초 이상 타지 않아야 함. 5개 시편 세트의 경우 인화 연소 합계 50초 초과 안 함.
- 흡습률: 액체에 담갔을 때 유전체 소재가 이런 노출을 견디는 능력을 흡습률이라 합니다. 대부분 PCB 소재는 0.01%~0.20% 흡습률을 가집니다. 유전체 전기적, 열적 특성 모두 소재 흡습률 영향을 받습니다.
- 메틸렌 클로라이드 저항성: PCB 소재 화학적 저항성을 메틸렌 클로라이드 저항성(MCR)이라 하며, 이는 유전체의 메틸렌 클로라이드 흡수 저항을 가장 직접적으로 측정합니다. 유전체는 보통 0.01%~0.20% MCR을 가집니다.
플렉스 및 리지드-플렉스 보드
기계적 특성
- 박리 강도: PCB에서 유전체와 구리 층 간 결합 능력을 박리 강도라 합니다. PCB 제조 단계에서 1온스 두께 구리 트레이스로 열 스트레스 후, 고온에서, 화학 노출 후 세 조건 하에 박리 강도를 테스트합니다.
- 굴곡 강도: 유전체 소재가 파손 없이 물리적 스트레스를 견디는 능력을 굴곡 강도라 하며, kg/m² 또는 psi로 측정합니다. PCB 굴곡 강도 테스트는 양끝만 지지한 상태에서 중앙에 힘을 가해 수행합니다. 유전체 강도는 인장 모듈러스로도 측정하는데, 이는 PCB 소재 응력/변형률 비율과 각 방향 유지력을 결정합니다. 인장 모듈러스는 종종 영률(Young's modulus)로 불리며, 일부 제조사는 굴곡 강도 대신 PCB 스트레스 견딤 척도로 씁니다.
- 밀도: 유전체 소재 밀도는 g/cm³로 측정합니다. 대체로 PCB 밀도는 lb/in³로도 측정 가능합니다.
- 박리 시간(Time to Delamination): 유전체 소재가 박리 유발 효과에 저항하는 지속 시간을 '박리 시간'이라 하며, 일정 임계값 초과 온도 노출 시 PCB 층이 서로 분리되는 데 걸리는 시간을 결정합니다. PCB 소재(라미네이트 또는 유리섬유)는 열충격이나 습기 노출로도 박리될 수 있습니다.
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HDI 고려사항 소재
저품질 구리 포일과 유전체 같은 요소는 PCB 메커니즘에 영향을 줄 수 있습니다. 적절한 유전체 소재 선택으로 회로 기판이 잘못된 신호를 보내는 것을 방지할 수 있습니다.
유전체 분자적 특성은 시스템을 손실에 취약하게 만들 수 있습니다. 신호가 생성될 때마다 분자 내 자기장이 진동합니다. 이 효과는 신호 주파수 높이에 의해 결정됩니다. 진동 발생 시 에너지는 열이 되어 시스템에서 손실됩니다.
구리 도체도 시스템 손실 원인이 될 수 있습니다. 전자가 도체 중심에서 벗어나면 주파수가 올라갑니다. 예: 니켈 마감 구리 도체는 상당량 전류가 구리 대신 니켈을 통해 흐르면 손실이 큽니다. 순수 구리 도체도 마이크로 리지(micro ridges) 존재 시 전류가 위아래로 움직여 저항을 유발할 수 있습니다.
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선택 가능한 특징들은?
시스템 손실 방지를 위해 다음 두 카테고리 옵션을 체크하여 고주파에 가장 적합한 소재를 선택하세요:
- 기판(Substrate): 에폭시, 유리섬유 등 다양한 소재가 PCB 기판에 포함됩니다. 기판은 고주파 회로 생성을 위해 낮은 유전율이어야 합니다.
- 포일(Foil): 구리에 적용할 수 있는 여러 포일 유형이 있습니다. 저항을 가장 신뢰성 있게 최소화할 수 있는 구리를 선택하세요.
저품질 및 미스매치된 기판과 포일은 값비싼 손실을 초래할 수 있지만, 올바른 선택은 오래 지속되는 PCB 성능을 도울 수 있습니다.
모범 사례 및 추가 고려사항
고주파 애플리케이션을 위한 최적 기판과 포일 선택을 위해 다음 관행을 염두에 두세요:
- 유전율 매칭: PCB에서 다른 유전율(Dk)들이 서로 매칭되어야 합니다. Dk들이 모순되면 문제가 발생할 가능성이 높습니다. Dk 미스매치 예: 레진과 직조 층 조합.
- 열팽창 계수(CTE) 매칭: 온도 관련 기판 특성 중 CTE가 가장 중요합니다. Dk와 마찬가지로 두 기판 간 CTE가 매칭되어야 합니다. 그렇지 않으면 두 기판이 다른 속도와 일관성으로 팽창합니다. 제작 공정 중 다른 CTE들은 결함을 초래할 수 있습니다. PCB 사용 시 충돌하는 CTE들이 Dk들에 영향을 줄 수 있습니다.
- 촘촘한 기판 직조: 소재와 메쉬가 제대로 상호작용하려면 기판이 촘촘히 직조되어야 합니다. 그렇지 않으면 Dk들이 부정적 영향을 받습니다.
- FR-4 사용하지 않기: 저비용으로 FR-4는 흔한 선택입니다. 하지만 고주파 발생 회로에는 FR-4가 부적합한 소재입니다.
- 매끄러운 포일만 사용: 최고 주파수에서 손실 완화를 위해 매끄러운 구리 포일을 사용하세요.
- 전도성 포일 사용: 불량 도체는 회로에 감쇠 효과를 줄 수 있습니다. 올바른 전도성 포일만 사용하여 이를 방지하세요.
PCB에서 성능은 모두 품질에 관한 것으로, 고품질 잘 매칭된 부품으로만 보장할 수 있습니다. 카탈로그를 살펴보고 어떤 PCB가 귀사 니즈에 최적인지 고려할 때 다음 고려사항도 염두에 두세요:
- 비용: 좋은 품질 기판은 상당한 투자가 될 수 있습니다. 사실, PCB에서는 지불한 만큼 얻습니다. 제대로 투자하지 않으면 나중에 부품 고장으로 훨씬 더 많이 잃을 수 있습니다.
- 제조 결함: 고주파 동작용으로 설계된 어떤 소재든, 가능한 결함을 이중 체크하는 것이 항상 현명한데, PTFE 및 특정 다른 소재에서 흔히 발생합니다.
적절한 소재 선택, 올바른 현금 투자, 제조 결함 체크 시 수년간 손실 없는 PCB 성능을 얻을 가능성이 훨씬 높습니다.
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