PCB 기판 재료의 중요한 열적 특성

많은 설계자들이 PCB 기판 재료를 선택할 때 잠재적인 신호 무결성 문제에 초점을 맞추는 경향이 있습니다. 이는 분명히 이해할 수 있는 일입니다; 고속/고주파 장치는 신호 왜곡을 방지하기 위해 관련 대역폭 내에서 낮은 손실과 평탄한 분산을 요구하며, 이는 종종 PCB 기판 재료를 선택하는 출발점이 됩니다. 그러나 유전체 특성은 라미네이트 재료의 전체 이야기가 아닙니다.

PCB 기판 재료는 설계 중 고려해야 할 중요한 열적 특성도 가지고 있습니다. 모든 보드가 가혹한 환경에서 배치되는 것은 아니지만, 그렇게 되는 보드는 수명 동안 신뢰성을 유지해야 합니다. 고온, 반복적인 열 사이클링, 수분 흡수, 낮은 유리 전이 온도는 제조 및 운영 중 문제를 일으킬 수 있습니다. 기판 재료의 올바른 열적 특성에 주의를 기울이면 신호 무결성과 신뢰성을 보장할 수 있습니다.

PCB 기판 재료 특성에 주의를 기울이십시오

신호 무결성은 PCB 기판 재료의 유전 상수에 의존합니다. 데이터시트에서 이러한 값들을 읽는 주요 문제는 인용된 값이 측정에 사용된 방법에 따라 달라진다는 것입니다. Jon Coonrod가 최근 팟캐스트에서 이 점을 논의합니다. 이는 열적 특성과는 문제가 덜합니다. PCB 기판 재료를 선택할 때 고려해야 할 여러 중요한 열적 특성이 있습니다.

열 전도성 대 열 저항

열 전도성은 아마도 PCB 기판 재료의 가능한 모든 특성 중에서 가장 많은 주목을 받는 특성일 것입니다(물론, 손실 탄젠트 다음으로). 이는 때때로 열 저항과 혼용되어 사용됩니다. 두 가지는 관련이 있지만 동일하지 않습니다.

열 전도성은 전기 전도성의 열역학적 유사체입니다. 이는 단위 면적당 온도 구배를 따라 열이 전송되는 속도를 정의합니다. PCB 기판의 열 저항은 관련된 양, 즉 유효 열 전도성에 따라 달라집니다. 유효 열 전도성은 보드에 있는 각 재료(구리, 코어/프레프레그, 수지 등)의 개별 열 전도성 값에 비례합니다. 데이터시트는 베어 라미네이트 재료에 대한 열 전도성 값을 인용합니다.

구성 요소에서 열을 빠르게 분산시켜야 한다면, 더 큰 열 전도성이 필요합니다. FR4 대안 중 일부는 훨씬 더 높은 열 전도성을 제공할 수 있습니다. 세라믹스는 한 가지 주목할 만한 예로, 유리 섬유 라미네이트에 비해 매우 높은 열 전도성 값을 가지고 있습니다. 메탈 코어 기판도 훌륭한 선택입니다; 이러한 재료는 일반적으로 고출력 LED 보드와 함께 사용됩니다.

열 팽창 계수 (CTE)

모든 재료는 온도 변화에 따라 팽창하거나 수축합니다. CTE 값은 온도가 상승할 때 재료의 부피가 얼마나 증가하는지를 정의합니다. 4°C 이하의 물을 다루지 않는 한, CTE 값은 항상 양수입니다. 구리의 경우 열팽창 계수는 약 17 ppm/°C이며, 이 값은 다양한 기판 재료에 따라 다릅니다. FR4의 전형적인 값은 보드 표면을 따라 11이고 보드 표면에 수직으로는 15입니다. 세라믹과 같은 다른 재료들은 넓은 범위의 CTE 값을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 알루미늄 나이트라이드는 높은 열전도성으로 매우 유용하지만, CTE 값은 상당히 낮습니다(4.3에서 5.8 ppm/°C까지).

CTE는 고온에서뿐만 아니라 보드 온도가 반복적으로 고온과 저온 사이를 오갈 때도 중요합니다. 순환하는 동안 보드는 팽창하고 수축하며, 이는 구리 요소에 스트레스를 가하고, 기판과 구리의 CTE 값 사이의 불일치가 클수록 이 스트레스는 더 커집니다. 도체와 기판 재료의 CTE 값은 가능한 한 가깝게 일치해야 합니다.

낮은 종횡비 비아와 상당히 두꺼운 트레이스의 경우, CTE 불일치는 큰 문제가 되지 않습니다. 그러나 높은 종횡비 비아는 배럴 중앙과 목 부분에서 응력 집중을 경험하며, 비아가 깨질 경우 전도 경로를 보장하기 위해 더 두꺼운 도금이나 충전이 필요합니다. HDI 보드에서는 순환으로 인한 반복적인 응력 축적이 비아 목에서의 균열로 이어지는 것으로 알려져 있습니다.

유리 전이 온도(Tg)

이 수량은 CTE와 관련이 있습니다. 어떤 재료의 CTE 값은 일반적으로 온도가 상승함에 따라 증가합니다. 유리 전이는 비정질 재료에서 발생하는 경향이 있으며, 재료의 온도가 그 유리 전이 온도를 초과하면 재료의 CTE 대 온도 곡선의 기울기가 급격히 증가합니다. 이는 온도가 Tg를 초과할 때 재료가 온도 변화에 따라 더 크게 팽창한다는 것을 의미합니다.

유리직물 기판 재료에서 유용한 온도 범위를 증가시키고 유리 전이를 피하는 한 가지 방법은 고-Tg 수지를 사용한 기판을 사용하는 것입니다. 표준 FR4의 Tg 값은 약 130°C이지만, 고-Tg 수지를 사용한 기판은 Tg 값을 약 170°C까지 올릴 수 있습니다. 기판과 도체의 CTE 값이 저온에서 밀접하게 일치했고, 귀하의 보드가 고온에서 작동할 경우, 더 높은 Tg 값을 가진 기판을 선택해야 합니다.

대부분의 보드는 표준 약 130°C Tg 값 이상으로 작동하지 않을 것입니다. 더 중요한 것은 온도의 함수로서 CTE의 안정성이며, 고온에서 과도한 CTE 값은 얇은 도체에 더 많은 스트레스를 생성합니다. 귀하의 보드가 고온으로 자주 순환될 경우, 도체 CTE 값에 가까운 더 안정적인 CTE 값을 선택하는 것이 좋습니다.

귀하의 설계는 균형 잡힌 행위입니다

우리가 원하든 원하지 않든, 어떤 설계도 모든 신호 무결성 및 열 관리 요구 사항을 충족시킬 수는 없으며, 타협이 필요합니다. 열적 특성에 관해서는, 일부 보드에서는 손실 탄젠트와 유전 상수보다 반복적인 고온까지의 사이클링이 우선시될 수 있습니다. 고속, 고주파수, 고전압에서 작업하지 않는 경우, 유전 특성에 덜 집중하고 신뢰성을 보장하기 위해 열적 특성에 더 집중할 수도 있습니다.

Altium Designer®의 고품질 설계 도구에는 여기에 제시된 열적 특성뿐만 아니라 유전 특성에 대한 표준 값이 포함된 광범위한 스택업 재료 라이브러리가 포함되어 있습니다. 이러한 데이터는 Altium Designer의 사전 레이아웃 및 사후 레이아웃 시뮬레이션 도구로 쉽게 가져와서 열 관리 전략을 빠르게 분석할 수 있는 힘을 제공합니다. 또한, 구성 요소 데이터 관리 및 생산 준비를 위한 다양한 도구에도 접근할 수 있습니다.

디자인을 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때, Altium 365™ 플랫폼은 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 만들어 줍니다. Altium Designer를 사용하여 Altium 365에서 할 수 있는 일의 표면만 긁어본 것입니다. 보다 심층적인 기능 설명이나 On-Demand Webinars 중 하나를 제품 페이지에서 확인할 수 있습니다.