플렉스 PCB와 리지드-플렉스 PCB 비교: 언제 무엇을 사용해야 할까?

플렉시블 및 리지드-플렉스 PCB는 공간 절약, 내구성, 그리고 동적 성능이 요구되는 응용 분야에서 고유한 장점을 제공하며, 현대 전자 설계에서 필수적인 구성 요소가 되었습니다. 하지만 이러한 기술이 익숙하지 않은 PCB 디자이너에게는 flex, rigid-flex, 그리고 기존 rigid PCB 중 무엇을 선택해야 할지 막막할 수 있습니다. 이 블로그는 이러한 PCB 유형의 핵심 차이점, 장점, 그리고 적합한 사용 사례를 이해하는 데 도움이 되는 정보를 제공하여, 다음 프로젝트에서 더 나은 의사결정을 내릴 수 있도록 돕습니다.

Flex 및 rigid-flex 구조는 대부분의 팀이 인정하는 것보다 훨씬 더 자주 잘못된 이유로 지정됩니다. 의사결정은 대개 기구적인 요구, 예를 들어 얇은 웨어러블, 접히는 힌지, 좁은 인클로저에서 시작되고, 그 이후에 전기적·제조적 영향을 맞춰보는 방식으로 진행됩니다. 하지만 그 순서는 거꾸로입니다. 어떤 구조를 선택하느냐에 따라 단일 부품을 배치하기도 전에 굽힘 반경 한계, 레이어 전이 특성, 제어 임피던스 옵션, 제조 수율이 이미 결정됩니다.

핵심 요약

• 레이아웃을 시작하기 전에 구조 유형을 먼저 결정해야 합니다. Flex 및 rigid-flex는 종종 잘못된 이유로 지정됩니다. 선택한 구조는 부품 하나를 배치하기도 전에 굽힘 반경 한계, 레이어 전이 특성, 제어 임피던스 옵션, 제조 수율을 결정합니다.
• Flex와 rigid-flex는 서로 다른 문제를 해결합니다. Flex는 반복적인 움직임이 요구되는 경량, 동적 또는 형상 순응형 애플리케이션에 적합합니다. Rigid-flex는 보드 간 커넥터 제거의 이점이 rigid-to-flex 전이를 신중하게 엔지니어링할 가치를 가질 때, 컴팩트한 다중 영역 어셈블리에 적합합니다.
• Rigid-to-flex 전이부는 rigid-flex 설계에서 가장 위험도가 높은 영역입니다. 이러한 설계는 rigid 또는 flex 영역 자체보다도 레이어 전이, 경계부의 구리 고정, rigid 가장자리에서의 응력 집중 때문에 실제 현장에서 더 자주 고장납니다.
• 배선 전에 제조업체와 먼저 협의하십시오. Flex fabrication은 rigid fabrication과 근본적으로 다릅니다. 굽힘 반경 한계, 스티프너 배치, 전이부를 가로지르는 임피던스 구현 가능성, 그리고 Class 2와 Class 3의 허용 기준은 레이아웃 전에 제조업체와 해결되어야 하며, 초도품 검사 단계에서 뒤늦게 발견되어서는 안 됩니다.

Flex 및 Rigid-Flex 구조

Flexible PCB, 흔히 flex circuits라고 불리는 것은, 비전통적인 형상으로 구부리거나 비틀 수 있도록 설계된 얇고 가벼운 회로 기판입니다. Flex 회로는 polyimide 베이스 위에 얇은 도체 스택을 형성한 구조로, 구리는 rigid 코어 위의 soldermask 대신 coverlay로 적층 및 보호됩니다. Flex PCB에는 기존 보드에 있는 rigid 기판이 없기 때문에 불규칙한 형상을 가진 설계에도 적용할 수 있습니다. 이 rigid 기판의 부재 덕분에 곡면에 밀착되거나 반복적인 움직임을 견딜 수 있습니다.

Flex PCB의 주요 특징

• 높은 유연성과 경량 구조
• 파손 없이 구부리거나, 접거나, 비틀 수 있음
• 움직임이나 진동이 수반되는 동적 애플리케이션에 탁월함

Flex 설계는 곡면 형상에 맞출 수 있으면서도 표준 커넥터를 통해 다른 장치와 연결할 수 있습니다.

Rigid-flex는 기존 적층판 기반의 rigid 섹션과, 그 사이에서 신호를 전달하는 flexible 섹션을 결합한 구조입니다. Rigid-flex PCB는 rigid층과 flexible층을 하나의 보드로 통합하여, rigid PCB의 구조적 안정성과 flex 회로의 적응성을 동시에 제공합니다. 이 통합 구조는 보드 간 커넥터와 그에 수반되는 케이블을 없애므로, 알려진 고장 지점 집합을 제거할 수 있습니다. 그 대가로 rigid-to-flex 전이부가 보드에서 가장 위험도가 높은 영역이 됩니다. 실제 현장에서 이러한 설계는 레이어 전이, 경계부의 구리 고정, rigid 가장자리의 응력 집중 때문에 고장나는 경우가 많습니다.

Rigid-Flex PCB의 주요 특징

• 안정성을 위한 rigid 섹션과 적응성을 위한 flexible 영역을 통합한 하이브리드 설계
• 특히 가혹한 환경에서 향상된 내구성
• 공간 효율성과 신뢰성이 높아 interconnect로 인한 잠재적 고장 지점을 줄임

Flex vs. Rigid-Flex vs. Rigid PCB: 구조적 트레이드오프 한눈에 보기

Flex와 Rigid-Flex PCB 중 선택할 때 고려할 요소

어떤 기술을 사용할지 결정하려면 다음 사항을 고려하십시오.

• 기계적 요구사항
  • 유연성, 굽힘 또는 움직임이 필요한가요? 그렇다면 flex PCB를 선택하십시오.
  • 특정 영역에서 유연성과 안정성이 모두 필요한가요? 그렇다면 rigid-flex를 선택하십시오.
• 공간 제약
  • Flex PCB는 매우 협소한 공간에 이상적입니다.
  • Rigid-flex 설계는 작지만 복잡한 어셈블리에 적합합니다.
• 비용 고려사항
  • Flex PCB는 더 단순한 애플리케이션에서 비용 효율적입니다.
  • Rigid-flex PCB는 비용이 높지만 다층 설계에서 조립 비용을 줄여줍니다.
• 환경 조건
  • Flex PCB는 진동은 견딜 수 있지만 극한 환경에서는 내구성이 떨어질 수 있습니다.
  • Rigid-flex PCB는 가혹한 환경에서 더 우수한 성능을 제공합니다.
• 조립 복잡성
  • Rigid-flex PCB는 조립을 단순화하고 interconnect를 줄여줍니다.
  • Flex PCB는 통합을 위해 추가 커넥터가 필요할 수 있습니다.

기계적 요구, 비용, 환경 조건과 같은 요소를 종합적으로 검토하면, PCB designers는 각자의 요구에 가장 적합한 솔루션을 선택할 수 있습니다. 기술이 계속 발전함에 따라 flex 및 rigid-flex PCB의 적용 분야는 더욱 확대될 것이며, 현대 전자기기에서 없어서는 안 될 도구가 될 것입니다.

규정 준수, 문서화, 그리고 제조업체 협업

Flex 및 rigid-flex는 rigid 보드에는 없는 문서화 및 규정 준수 의무를 수반합니다. 이러한 구조는 성능 및 인증 측면에서 IPC-6013의 적용을 받으며, IPC-6011은 일반적인 신뢰성 프레임워크를 규정합니다. 또한 Class 2와 Class 3의 선택은 허용 기준, coupon 요구사항, 검사 방식에 영향을 줍니다.

규제 대상 작업에는 aerospace quality systems를 위한 AS9100D와 같은 추가 요구사항이 포함됩니다. 3차원 rigid-flex 어셈블리의 검사 및 테스트는 평면 rigid 보드보다 더 어렵기 때문에, 시험 및 검사 방법은 초도품 검사 단계에서 정하는 것이 아니라 설계 단계에서 미리 계획되어야 합니다.가장 효과적인 단일 조치는 레이아웃 전에 제조업체와 협의하는 것입니다. Flex fabrication은 rigid fabrication과 근본적으로 다른 공정이며, 각 업체마다 공정 방식, 재료 세트, 구현 가능한 형상이 다릅니다. 사전 레이아웃 논의를 통해 실제 배선이 시작되기 전에 설계를 제약하는 항목들을 먼저 해결해야 합니다.

• 구리 중량과 레이어 수에 연동되는 굽힘 반경 한계
• 스티프너 배치, 표면 마감, 종횡비 한계
• Rigid-to-flex 전이부를 가로지르는 제어 임피던스 구현 가능성
• flex 영역의 최소 선폭/간격, 비아 크기, 이격 거리
• Class 2와 Class 3의 허용 기준 및 그에 따른 coupon과 검사 계획

Flex와 rigid-flex 중 어떤 것을 선택할지는 애플리케이션 이름이 아니라 지배적인 제약 조건에 구조를 맞추는 문제입니다. 설계에 진정한 유연성, 동적 움직임, 또는 형상 순응형 외형에서의 경량화가 필요하다면 flex를 지정하고, 그에 따라 스트레인 릴리프와 취급이 주요 과제가 된다는 점을 받아들여야 합니다. 컴팩트한 다중 영역 어셈블리에서 커넥터 제거가 충분한 가치를 가지며, 전이 영역을 신중하게 엔지니어링할 준비가 되어 있다면 rigid-flex를 지정하십시오. 레이아웃 전에 굽힘 반경, stackup, 임피던스, 재료 CTE, 그리고 클래스 요구사항을 제조업체와 함께 확정하면, 그 구조는 제조 과정과 실제 현장 모두에서 안정적으로 유지될 것입니다.

구조 결정에서 신뢰 있는 릴리스까지

레이아웃을 시작하기 전에 flex와 rigid-flex 중 무엇을 선택할지 결정하는 일은 하드웨어 개발에서 가장 영향력이 큰 결정 중 하나입니다. 올바르게 결정하면 단 하나의 트레이스도 배선하기 전에 제조 제약 조건이 확정됩니다. 반대로 잘못 결정하면 재작업이 연쇄적으로 늘어납니다.

그러한 재작업 루프야말로 Altium Develop가 줄이도록 설계된 마찰입니다. 구조 선택이 초기에 이루어지고 명확하게 문서화되면, 이후의 설계 프로세스는 훨씬 적은 모호성으로 진행됩니다.

Altium Develop는 하드웨어 디자이너와 소규모 팀에게 설계에서 검토, 릴리스까지 더 명확한 경로를 제공합니다. rigid-flex 및 flex 설계 기능은 엔지니어들이 이미 신뢰하는 동일한 Altium Designer 환경에 내장되어 있어, 워크플로가 작업을 둘러싸는 것이 아니라 실제 작업을 지원합니다. 다음 프로젝트에서 flex 또는 rigid-flex를 지정할 예정이라면, Altium Develop를 사용해 설계, 검토, 릴리스 산출물이 처음부터 서로 연결되도록 유지해 보십시오.

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Flex 및 Rigid-Flex PCB에 대한 자주 묻는 질문

Flex PCB의 최소 굽힘 반경은 얼마인가요?

최소 굽힘 반경은 레이어 수, 구리 중량, 그리고 보드가 반복적으로 굽혀지는 동적 조건인지, 설치 중 한 번만 접히는 구조인지에 따라 달라집니다. 서비스 중 반복적으로 휘어지는 동적 굽힘 설계의 경우, 재료 두께의 최소 100배 이상의 굽힘 반경을 사용하고 레이어 수는 2개를 넘기지 않아야 합니다. 1~2층 설계에서는 flex 두께의 최소 6배 굽힘 반경이 기준이며, 3층 이상 설계에서는 최소 12배가 필요합니다. 다만 재료 세트는 업체마다 다르고 구현 가능한 한계에도 영향을 주므로, 이러한 한계는 반드시 레이아웃 전에 제조업체와 확인해야 합니다. 

Rigid-flex PCB는 실제 현장에서 어디에서 고장나나요?

강성-플렉스 전이 구간은 경계에서 응력이 집중되기 때문에 가장 흔한 고장 지점입니다. 피로와 박리는 강성 영역이나 플렉스 영역 자체에서 시작되는 것이 아니라, 강성 가장자리에서의 구리 앵커링, 층 전이, 그리고 플렉스 인터페이스 근처의 비아 배치에서 발생합니다. 비아는 특히 까다로운 문제를 만드는데, 전기적 연결을 형성하는 도금된 배럴이 동시에 강성 구조도 형성하기 때문입니다. 이로 인해 응력이 비아 가장자리에 집중되다가 결국 배럴에 균열이 생기므로, 굽힘이 발생하는 영역에는 비아를 절대 배치해서는 안 됩니다.

강성-플렉스는 커넥터를 사용하는 분리된 강성 보드보다 더 비쌉니까?

강성-플렉스의 bare-board 비용은 일반적인 강성 PCB보다 높지만, 총 시스템 비용 관점에서는 이야기가 달라집니다. 강성-플렉스는 커넥터와 조립 공정을 줄여 주므로 초기 제작 비용은 더 높을 수 있지만 전체 시스템 비용은 더 낮아질 수 있습니다. 이러한 절감 효과는 커넥터 고장이 현장 반품, 보증 비용, 재작업 사이클로 이어지는 고신뢰성 애플리케이션에서 더욱 커집니다. 설계에서 보드 간 인터커넥트 수가 많아질수록 강성-플렉스의 사업성은 더 커집니다.

강성-플렉스 PCB는 제어 임피던스를 지원할 수 있습니까?

예. 다만 접근 방식은 보드의 영역에 따라 달라집니다. 강성-플렉스는 스택업, 재료, 배선이 강성 영역과 플렉스 영역 모두에서 제어 임피던스, 연속적인 리턴 패스, 안정적인 유전 특성이 유지되도록 설계된다면 고속 및 고신뢰성 애플리케이션을 지원할 수 있습니다. 임피던스는 강성 구간에서는 잘 제어되며 정적 플렉스 영역에서도 관리 가능하지만, 강성-플렉스 전이 구간에서는 유전체 두께와 재료 특성이 변하기 때문에 유지가 더 어려워집니다. 배선 작업에 들어가기 전에, 설계 검토 중이 아니라 그 이전에 제조업체와 함께 임피던스 목표를 확정해야 합니다.