PCB 재료 선택 가이드

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• 열적 특성
• 전기적 속성
• PCB 재료 선택에 대한 전력 및 열 영향
• Flex 및 Rigid-Flex 보드
• Millennium Circuits Limited에서 PCB 구매

모든 PCB 재료 유형의 목적은 전기를 전도하고 구리 전도층 사이에 절연을 제공하는 것입니다. FR-4는 이 범주에서 가장 널리 사용되는 재료입니다. 그러나 보드의 요구 사항은 항상 다양한 PCB 재료 속성에 따라 달라집니다. 다음 PCB 재료 선택 가이드를 읽고 다양한 PCB 재료 유형의 열, 전기, 화학적 및 기계적 특성과 관련하여 무엇을 찾아야 하는지 알아보세요.

PCB 재료 옵션, 분류 및 기질 속성 고려사항

열 속성

• 유리 전이 온도(Tg): 특정 임계값 이상의 온도에 노출되면 PCB 기판이 부드러워집니다. 기질은 열에서 제거되면 자연 상태로 다시 단단해집니다. 이 변형이 기판에 적용될 수 있는 범위를 유리 전이 온도(Tg)라고 하며, 단위는 섭씨로 표시됩니다.
• 분해 온도(Td): 특정 임계값을 초과하는 온도에 노출되면 PCB 기판이 분해됩니다. 이 과정에서 PCB는 전체 질량의 5% 이상을 잃습니다. 이 과정이 발생하는 온도 범위는 섭씨 온도로 표시되는 분해 온도(Td)로 알려져 있습니다. 재료가 유리 전이 온도에서 제거되면 Tg 변환의 효과가 자체적으로 역전되지만 기판에 대한 분해 온도의 영향은 영구적입니다. 따라서 작업 환경의 온도 범위를 견딜 수 있는 PCB 재질을 사용하는 것이 가장 좋습니다. PCB 기판을 납땜하는 데 필요한 온도는 일반적으로 200°C ~ 250°C입니다. 이상적으로는 Tg는 이 범위보다 낮고 Td는 더 높아야 합니다.
• 열팽창 계수(CTE): PCB의 확장 속도는 CTE로 알려져 있습니다. 기판이 Tg를 초과하는 온도에 노출되면 재료는 백만분율(ppm) 단위로 측정되는 CTE도 상승합니다. 기판은 일반적으로 구리 층보다 높은 CTE를 갖습니다. 이 차이는 때때로 열이 가해질 때 상호 연결 문제의 원인이 됩니다. PCB 재료 주변의 직조 유리의 제약으로 인해 CTE는 일반적으로 X 및 Y 축에 걸쳐 10~20ppm 범위에 있습니다. 온도가 T 임계값을 초과하더라도 CTE는 동일하게 유지됩니다. CTE는 축을 가로질러 최소한으로 유지되어야 합니다. 이것이 재료가 확장되는 방향이기 때문입니다. 안전을 위해 70ppm 이하의 CTE를 권장합니다.

• 열전도율(k): PCB의 열전도 특성을 열전도율(k)이라고 합니다. 재료의 열전도율은 PCB가 열을 전달하는 능력과 직접적인 관련이 있습니다. k-수준이 낮으면 열 전달 수준도 낮아지고 그 반대도 마찬가지입니다. 열전도율은 켈빈(K)에서 미터당 와트(W/M)로 측정됩니다. 많은 유전체 재료의 열전도율 범위는 0.3 ~ 6W/mk입니다. 이에 비해 구리의 k-레벨은 386W/M입니다. -ºC. 따라서 구리 층은 PCB의 유전체보다 더 빨리 열을 전달합니다.

전기적 속성

• 유전율 또는 상대 유전율(Er 또는 Dk): 유전 상수의 전기적 성능을 결정하는 가장 중요한 두 가지 요소는 임피던스와 신호 무결성입니다. PCB 재료의 유전 상수(Er) 또는 상대 유전율(Dk)은 일반적으로 3.5에서 5.5 사이입니다. 재료의 Er 레벨은 주파수에 따라 달라지며 일반적으로 주파수가 증가하면 낮아집니다. Dk 레벨은 다른 재료보다 특정 PCB 재료에서 덜 변경됩니다. 고주파와 관련된 응용 분야에서 재료가 안전하려면 광범위한 주파수에서 안정적인 유전 상수를 유지해야 합니다.

• 유전 손실 탄젠트 또는 손실 계수(Tan δ 또는 Df): 손실 탄젠트가 낮으면 재료의 전력 손실이 줄어듭니다. 인쇄회로기판에 사용되는 재료의 유전정접(Tan δ)은 일반적으로 0.02~0.001의 범위에 있다. 전자는 더 널리 사용되는 재료에 적용됩니다. 그러나 후자의 수치는 일반적으로 고급 재료에 적용됩니다. Tan δ도 주파수와 함께 증가합니다. 디지털 회로와 관련하여 손실 탄젠트는 일반적으로 중요하지 않은 요소입니다. 이 규칙에 대한 예상에는 주파수 수준이 1Ghz를 초과하는 모든 애플리케이션이 포함됩니다. 손실 탄젠트는 아날로그 신호에 더 중요합니다.
• 체적 저항(ρ): 절연 또는 전기에 대한 유전체 재료의 저항은 체적 저항(ρ)으로 알려져 있습니다. 저항이 높은 PCB 재료는 전하를 촉진할 가능성이 적습니다. 옴 미터(Ω-m)와 옴 센티미터(Ω-cm)는 주어진 유전체의 저항을 측정하는 데 사용됩니다. 모든 유전체 절연체와 마찬가지로 인쇄 회로 기판의 재료는 저항이 높아야 하며 10 ³ 범위가 바람직합니다. ~ 10 ¹⁰ 메가옴-센티미터. 열, 추위, 습기와 같은 외부 요인은 재료의 저항에 영향을 줄 수 있습니다.
• 표면 저항(ρS): 절연 및 전기에 대한 유전체 재료의 표면 저항을 표면 저항(ρS)이라고 합니다. 재료의 ρ 수준과 마찬가지로 ρS는 높아야 하며 가급적이면 10 ³ 범위에 있어야 합니다. ~ 10 ⁹ cMegaohms per square. ρ와 마찬가지로 재료의 ρS 수준은 극한 온도와 습기의 영향을 받을 수 있습니다.
• 전기 강도: 인쇄 회로 기판의 Z 방향을 가로질러 전기 파괴에 저항하는 유전체 재료의 능력은 볼트/밀 단위로 측정되는 전기 강도라고 합니다. 대부분의 PCB 재료는 800V/mil에서 1500V/mil 사이의 전기적 강도를 가집니다.

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PCB 재료 선택에 대한 전력 및 열 영향

화학적 특성

• 가연성 사양(UL94): 플라스틱 난연성(플라스틱 가연성이라고도 함)은 장치 및 가전제품 부품용 플라스틱 재료의 가연성 안전 표준(UL94)에서 최고에서 최저로 순위가 매겨집니다. UL94의 PCB 재료에 대한 요구 사항은 표본이 화염 연소로 10초 이상 연소할 수 없다고 명시하고 있습니다. 5개의 표본 세트의 경우 결합된 표본은 화염 연소로 50초 이상 연소할 수 없습니다.
• 수분 흡수: 액체에 잠길 때 이러한 종류의 노출을 견디는 유전 물질의 능력을 수분 흡수라고 합니다. 대부분의 PCB 재료는 0.01%에서 0.20% 사이의 수분 흡수 값을 가지고 있습니다. 유전체의 전기적 및 열적 특성은 모두 재료의 수분 흡수에 의해 영향을 받습니다.
• 메틸렌 클로라이드 내성: PCB 재료의 내화학성은 염화메틸렌 흡수에 대한 유전체의 저항을 가장 직접적으로 측정하는 염화메틸렌 저항(MCR)이라고 합니다. 유전체의 MCR은 0.01%에서 0.20% 사이인 경우가 많습니다.

Flex 및 Rigid-Flex 보드

기계적 특성

• 박리 강도: 인쇄 회로 기판에서 유전체 층과 구리 층 사이의 결합 능력은 박리 강도로 알려져 있습니다. PCB 제조 단계에서 열 응력 후, 고온 및 화학 물질 노출 후의 세 가지 조건에서 1온스 두께의 구리 트레이스에서 박리 강도를 테스트합니다.
• 굴곡 강도: 파손 없이 물리적 응력을 견디는 유전체 재료의 능력을 굴곡 강도라고 하며, 이는 평방 미터당 킬로그램 또는 평방 인치당 파운드로 측정됩니다. 인쇄회로기판의 휨강도를 테스트하기 위해 중앙에 힘을 가하고 끝부분만 지지합니다. 유전체 강도는 또한 PCB 재료의 응력/변형률 비율과 각 방향에서 얼마나 잘 유지되는지를 결정하는 인장 계수에 의해 측정됩니다. 인장 계수는 종종 영 계수라고도 하며 일부 제조업체에서는 응력을 견디는 PCB의 능력을 측정하기 위해 굴곡 강도 대신 사용합니다.
• 밀도: 유전 물질의 밀도는 입방 센티미터당 그램(g/cc)으로 측정됩니다. 또는 PCB 밀도를 입방 인치당 파운드(lb/in^3)로 측정할 수도 있습니다.
• 박리까지의 시간: 박리 유발 효과에 대한 유전체 재료의 저항 기간을 "박리 시간"이라고 하며, 이는 특정 임계값을 초과하는 온도에 노출되었을 때 PCB 층이 서로 풀리는 데 걸리는 시간을 결정합니다. PCB 재료(라미네이트 또는 유리 섬유)도 열 충격이나 습기에 노출되면 박리될 수 있습니다.

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HDI 고려 사항을 위한 자료

저품질 구리 호일 및 유전체와 같은 요소는 PCB의 메커니즘에 영향을 줄 수 있습니다. 유전체 재료를 적절하게 선택하면 회로 기판이 잘못된 신호를 보내는 것을 방지할 수 있습니다.

유전체의 분자적 특성은 시스템을 손실에 취약하게 만들 수 있습니다. 신호가 생성될 때마다 분자 내의 자기장이 진동합니다. 이것의 효과는 신호 주파수의 높이에 의해 결정됩니다. 진동이 발생하면 에너지가 열이 되어 시스템에서 손실됩니다.

구리 도체는 시스템 내에서 손실의 원인이 될 수도 있습니다. 전자가 도체의 중심에서 벗어나면 주파수가 높아집니다. 예를 들어, 니켈 마감 구리 도체는 구리 대신 니켈을 통해 상당한 양의 전류가 흐르기 때문에 손실이 발생합니다. 전체가 구리로 구성된 도체는 미세 융기가 있는 경우에도 손실을 볼 수 있습니다. 이러한 융기선이 전류를 위아래로 보내고 저항을 유발할 수 있기 때문입니다.

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어떤 기능을 선택할 수 있습니까?

시스템 손실을 방지하려면 다음 두 범주 모두에서 옵션을 확인하여 고주파수에 가장 적합한 재료를 선택해야 합니다.

• 기재: 인쇄 회로 기판의 기판에는 에폭시 및 유리 섬유와 같은 다양한 재료가 포함되어 있습니다. 고주파 회로를 생성하려면 기판의 유전 상수가 낮아야 합니다.
• 호일: 구리에 적용할 수 있는 여러 유형의 호일이 있습니다. 가장 확실하게 저항을 최소화할 수 있는 구리를 선택하십시오.

품질이 낮고 일치하지 않는 기판과 호일은 많은 비용이 드는 손실로 이어질 수 있지만 올바른 선택은 오래 지속되는 PCB 성능을 얻는 데 도움이 될 수 있습니다.

모범 사례 및 추가 고려 사항

고주파 응용 분야에 가장 적합한 기판과 호일을 선택하려면 다음과 같은 특정 관행을 염두에 두어야 합니다.

• 유전 상수 일치: 인쇄 회로 기판에서 서로 다른 유전 상수의 Dk는 서로 일치해야 합니다. Dk가 모순되면 문제가 발생할 수 있습니다. 일치하지 않는 DK의 예로는 직조 레이어와 짝을 이루는 수지가 있습니다.
• 일치 열팽창 계수(CTE): 온도와 관련된 기질 품질 중에서 CTE가 가장 중요합니다. Dk와 마찬가지로 두 기판 간의 CTE가 일치해야 합니다. 그렇지 않으면 두 인쇄물이 다른 속도와 일관성으로 확장될 수 있습니다. 제조 과정에서 서로 다른 CTE로 인해 결함이 발생할 수 있습니다. PCB가 사용 중일 때 충돌하는 CTE가 Dk에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 밀접한 기질 직조: 재료와 메쉬가 적절하게 상호 작용하려면 기질을 단단히 짜야 합니다. 그렇지 않으면 DK가 부정적인 영향을 받습니다.
• FR-4 사용 금지: 저렴한 비용 때문에 FR-4는 일반적인 선택입니다. 그러나 고주파를 발생시키는 회로의 경우 FR-4는 적합하지 않은 재료입니다.
• 매끄러운 포일만 사용: 가장 높은 주파수에서 손실을 완화하려면 매끄러운 동박을 사용하십시오.
• 전도성 호일 사용: 불량 도체는 회로에 감쇠 효과를 줄 수 있습니다. 이러한 일이 발생하지 않도록 하려면 올바른 전도성 호일만 사용하십시오.

PCB의 경우 성능은 품질에 관한 것이므로 고품질의 잘 일치하는 부품으로만 보장할 수 있습니다. 카탈로그를 살펴보고 요구 사항에 가장 적합한 PCB를 고려할 때 다음 고려 사항도 염두에 두십시오.

• 비용: 좋은 품질의 기판은 상당한 투자가 될 수 있습니다. 사실, 인쇄 회로 기판과 관련하여 지불한 만큼 얻을 수 있습니다. 적절하게 투자할 의사가 없다면 부품이 고장나면서 훨씬 더 많은 손실을 보게 될 것입니다.

• 제조 결함: 고주파에서 작동하도록 설계된 모든 재료의 경우 PTFE 및 기타 특정 재료에서 흔히 볼 수 있는 가능한 결함을 다시 확인하는 것이 좋습니다.

적절한 재료를 선택하고 적절한 금액의 현금을 투자하여 제조상의 결함을 확인하면 인쇄 회로 기판에서 손실 없이 수년간 성능을 얻을 가능성이 훨씬 더 큽니다.

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