인쇄회로기판 (PCB)의 베이스 소재는 동박을 지지하는 절연층(유전체)입니다. 베이스 소재는 기판이 견디는 열의 양, 신호가 기판을 따라 이동하는 속도, 기판이 열을 방출하는 정도, 그리고 기판이 휘는지를 결정합니다. 대부분의 기판은 같은 소재를 사용합니다. 다른 소재가 필요한 경우는 이유가 있을 때뿐입니다.
적층판이란
경질 기판은 적층판에서 시작합니다. 적층판은 한쪽 면 또는 양면에 동박을 접합한 절연 소재 시트입니다. 절연체는 보통 수지를 함침하고 경화한 직조 유리섬유입니다. 다층 기판의 층은 프리프레그로 결합합니다. 프리프레그는 부분적으로 경화한 수지를 함유한 유리천이며, 적층 과정에서 녹아 접합합니다. 대부분의 용도에서는 세 가지 수치가 적층판을 설명합니다.
- 동박: 표면에 접합합니다.
- 수지: 모든 것을 결합하고 절연하는 경화 에폭시입니다.
- 유리천: 타원은 단면으로 절단된 섬유 묶음이며, 물결 모양의 가닥은 길이를 따라 이어집니다. 유리천은 강도와 일정한 두께를 제공합니다.
- 반대쪽 면의 동박: 코어는 양면에 동박이 있으며, 동박 패턴은 이후에 에칭으로 형성합니다.
- Tg(유리전이온도): 수지가 경질에서 연질로 전이하는 온도입니다. Tg를 초과하면 기판이 훨씬 빠르게 팽창하고, 홀과 도금에 응력이 가해집니다.
- Dk(유전율)와 Df(유전 정접): 소재가 전기 신호에 영향을 미치는 정도와 신호 에너지를 흡수하는 양입니다. 고주파와 임피던스 제어에서 중요합니다.
- 열전도율: 유전체를 통해 열이 흐르는 정도입니다.
FR-4
FR-4는 난연제를 첨가한 유리 강화 에폭시 적층판의 일반적인 명칭입니다. FR-4는 가격이 낮고 강도가 높으며 가공이 쉽고, 대부분의 전자 제품에 충분합니다. Dk는 수지 함량과 주파수에 따라 일반적으로 약 4~4.6이며, 배치마다 다르고 제조사마다 다릅니다. 따라서 정확한 수치가 필요한 설계자는 적층 구조에서 해당 수치를 확인합니다.
FR-4는 주로 Tg에 따라 등급이 나뉩니다.
| 등급 | 일반적인 Tg | 용도 |
|---|---|---|
| 표준 | 약 130~140 °C | 단순한 기판, 납땜 1~2회 |
| 중간 Tg | 약 150 °C | 무연 납땜, 층수가 많은 기판 |
| 고 Tg | 170 °C 이상 | 층수가 많은 기판, 두꺼운 기판, 반복 리플로, 높은 동작 온도 |
무연 솔더는 유연 솔더보다 높은 온도에서 녹으며, 기판은 더 높은 온도에서 오븐을 통과하고, 경우에 따라 두 번 통과합니다. 층수가 많은 기판, 두꺼운 기판, 그리고 재작업할 기판은 더 높은 Tg가 유리합니다. 관련 수치인 Td(열분해온도)는 수지가 질량을 잃기 시작하는 온도를 나타내며, 가혹한 사용 조건에서 더 나은 등급을 선택하는 또 다른 이유입니다.
Tg를 초과하면 수지가 연화하고 기판이 훨씬 빠르게 팽창합니다. 도면은 두 등급을 비교합니다.
- 더 낮은 등급의 Tg: 이 온도를 초과하면 기판이 훨씬 빠르게 팽창합니다.
- 더 높은 등급의 Tg: 기판이 더 높은 온도까지 경질을 유지합니다.
다른 FR-4 변형도 판매합니다. 시장이 요구하는 경우를 위한 할로겐 프리 버전과, 전도성 양극 필라멘트(기판 내부의 느린 고장)에 대한 저항이 더 나은 등급이 있습니다. 제품에 필요한 경우 공장에 문의하십시오.
메탈 코어 기판(알루미늄과 구리)
메탈 코어 기판은 얇은 절연층을 통해 얇은 동박 회로층을 금속 베이스에 접합합니다. 금속 베이스는 보통 알루미늄이며, 경우에 따라 구리입니다. 목적은 열입니다. 절연층은 FR-4보다 열을 훨씬 잘 전달하도록 만들며, 금속이 열을 확산시킵니다. 대표적인 용도는 LED 조명과 전력 변환입니다.
알아야 할 사항은 다음과 같습니다.
- 대부분은 단면 기판입니다. 양면 버전과 다층 버전도 있으며 가격이 더 높습니다.
- 유전체층의 열전도율은 등급마다 크게 다릅니다. 따라서 데이터 시트의 수치를 확인할 가치가 있습니다.
- 알루미늄은 위에 실장한 부품과 다르게 팽창합니다. 따라서 온도 사이클에서 큰 세라믹 부품과 솔더 조인트에 응력이 가해질 수 있습니다.
- 금속 기판의 드릴링과 라우팅은 더 느리고 기판이 더 무겁습니다. 제한 사항을 공장에 문의하십시오.
고주파 적층판(Rogers, PTFE 등)
무선 및 마이크로파 주파수에서는 표준 FR-4가 신호를 너무 많이 손실하고 Dk가 너무 많이 변합니다. 특수 적층판은 Dk가 더 낮고 더 안정적이며 Df가 훨씬 낮습니다. 특수 적층판은 PTFE 기반(테플론형)과 세라믹 충전 탄화수소 또는 유사 소재의 두 그룹으로 나뉩니다. Rogers Corporation은 잘 알려진 제조사입니다. 다른 제조사도 동등한 제품을 판매합니다. Dk 값은 제품군에 따라 약 2~10 범위입니다. 따라서 선택은 설계를 따릅니다.
실무상 참고 사항은 다음과 같습니다.
- 면적당 가격이 FR-4보다 더 높습니다.
- PTFE는 연하고 미끄럽기 때문에 특수 가공이 필요할 수 있습니다.
- 많은 설계는 하이브리드 구조를 사용합니다. 무선 부분에는 얇은 고주파층을 사용하고 나머지에는 FR-4를 사용합니다. 하이브리드 구조는 가격을 낮추지만, 공장에서 제조할 수 있는 적층 구조가 필요합니다.
- 하나의 소재를 중심으로 기판을 설계하기 전에, 공장이 공급할 수 있는 브랜드와 두께를 공장에 문의하십시오.
1 GHz 미만에서는 이러한 소재가 필요한 경우가 드뭅니다. 1 GHz에서 수 GHz 사이에서는 신중한 FR-4 설계로 많은 제품이 동작합니다. 그보다 높은 주파수이거나 손실이 중요한 경우에는 더 나은 적층판이 적절한 선택입니다.
플렉스 기판과 리지드 플렉스 기판
플렉스 기판은 유리섬유가 아니라 폴리이미드 필름으로 만듭니다. 플렉스 기판은 휘며, 한 번 접어 맞추거나 움직이는 부품에서 반복해서 구부릴 수 있습니다. 두 용도는 다릅니다. 한 번 구부리는 경우는 정적 굽힘이고, 반복해서 구부리는 경우는 동적 굽힘이며, 설계 규칙(동박 종류, 굽힘 반경, 트랙 배선)은 서로 다릅니다. 리지드 플렉스는 경질 부분과 플렉스 연결부를 하나의 부품으로 결합합니다.
기억할 사항은 다음과 같습니다.
- 플렉스 기판에는 두께에 따라 달라지는 굽힘 반경이 필요합니다. 설계자는 전체 두께의 배수를 사용하며, 층수가 많을수록 그리고 동적 용도일수록 더 큰 배수를 사용합니다.
- 보강재(커넥터 영역 뒤에 접합한 추가 경질 소재)는 부품을 실장하는 위치나 커넥터가 꽂히는 위치에 추가합니다.
- 플렉스 기판과 리지드 플렉스 기판은 면적당 가격이 FR-4보다 훨씬 높습니다.
- 플렉스 기판은 수분을 흡수하므로 조립 전에 건조해야 합니다.
- FR-4: 동박, 수지 속 유리천으로 된 경질 코어(줄무늬), 동박입니다.
- 메탈 코어: 동박 회로, 얇은 절연층, 그다음 두꺼운 금속 베이스입니다.
- 플렉스: 동박이 있는 얇은 필름입니다. 플렉스는 평평하게 유지되지 않고 휘어집니다.
- 열: 메탈 코어 기판 위 부품에서 발생한 열은 얇은 절연체를 통해 아래로 이동하여 베이스로 들어갑니다.
선택 방법
- FR-4에서 시작합니다. 납땜 공정과 층수에 따라 Tg를 선택합니다.
- 소수 부품의 열이 문제인 경우 메탈 코어를 선택하고, 열을 기판을 통해 외부로 이동시킵니다.
- 손실이나 안정적인 Dk가 성능을 결정하는 경우, 보통 무선 용도에서 고주파 적층판을 선택합니다.
- 제품이 움직이거나 경질 기판이 맞출 수 없는 형상에 맞춰야 하는 경우 플렉스를 선택합니다.
- 확실하지 않은 경우, 소재를 중심으로 기판을 설계하기 전에 공장에 문의하십시오.
여기에서 주문할 때 확인하는 방법
제공하는 소재, 두께와 특수 공정은 제조 역량 페이지에 나열하며, 적용 중인 목록이 기준입니다. 공장은 FR-4, 알루미늄, 구리와 플렉스 기판, 그리고 고 Tg, 할로겐 프리와 고주파 소재를 취급합니다. 이 중에서 사이트를 통해 주문할 수 있는 항목은 제조 역량 페이지에서 정하며, 엔지니어가 모든 주문을 확인합니다. 적층 구조와 임피던스는 동박 두께, 적층 구조와 임피던스에서 다룹니다.