플렉스 PCB 재료 소개

플렉스 PCB 재료는 정적 또는 동적 굽힘, 표준 조립 공정 통과 능력, 단순한 고수율 제조 절차 지원 등 다양한 설계 및 운영 목표를 뒷받침해야 합니다. 플렉스 PCB 재료는 처음에는 생소할 수 있지만, 플렉스(Flex) 및 리지드-플렉스(Rigid-Flex) PCB를 다량으로 생산하는 데 사용되는 재료의 종류는 비교적 적습니다. 이 가이드에서는 플렉스 PCB 재료의 기본적인 특성과 이러한 재료가 플렉스/리지드-플렉스 PCB를 만드는 데 어떻게 사용되는지 알아봅니다. 

기판 및 커버레이 필름

가장 일반적인 리지드 인쇄 회로 기판에 사용되는 기본 재료는 에폭시 수지에 함침된 직조 유리 섬유입니다. 이 유리 섬유는 실제로 직물이며, 명칭에 '리지드(rigid, 경질)'가 들어가지만 단일 적층판 레이어를 보면 합리적인 수준의 탄성이 있습니다. 기판을 더 단단하게 만드는 것은 경화 에폭시입니다. 이러한 기판은 에폭시 수지가 사용되므로 많은 경우 유기 리지드 인쇄 회로 기판이라고 합니다. 이러한 기판은 많은 응용 분야에 사용하기에는 충분히 유연하지 않지만, 지속적인 움직임이 없는 간단한 어셈블리에는 적합할 수 있습니다.

플렉스 PCB 기판으로 가장 많이 사용되는 재료는 폴리이미드(PI)입니다. 폴리이미드는 매우 유연하고 견고하며, 내열성이 뛰어납니다.

유연한 폴리이미드 필름(출처: Shinmax Technology Ltd.)

대부분의 플렉스 회로 응용 분야에는 일반적인 네트워크 에폭시 수지보다 더 유연한 플라스틱이 필요합니다. 폴리이미드는 매우 유연하고 매우 견고하며(손으로 찢거나 눈에 띄게 늘릴 수 없어서 제품 조립 공정을 견딜 수 있음) 내열성이 뛰어나므로 가장 일반적으로 선택되는 재료입니다. 따라서 여러 솔더 리플로 주기에 대한 내성이 뛰어나고 온도 변동으로 인한 팽창 및 수축에 있어 충분히 안정적입니다.

플렉스 회로에 많이 사용되는 또 다른 재료인 폴리에스테르(PET)는 납땜을 견딜 수 있을 정도의 고온을 수용하지 못합니다. 저는 폴리에스테르가 초저가 전자제품에 사용되는 것을 보았는데, 이러한 전자제품의 유연성 부품에는 인쇄된 도체가 있으며 폴리에스테르는 이 적층판의 열을 처리할 수 없습니다. 유연성 부품은 납땜 처리가 없으며, 대신 등방성의 전도성 엘라스토머가 가하는 허술한 압력에 의해 접촉이 이루어집니다.

해당 제품(시계가 내장된 라디오)의 디스플레이는 플렉스 회로 연결의 품질이 낮아서 제대로 작동하지 않았습니다. 따라서 리지드-플렉스에는 PI 필름을 사용한다고 가정하겠습니다. (다른 재료도 사용할 수 있지만 자주 사용되지는 않습니다).

PI 및 PET 필름과 얇고 유연한 에폭시 및 유리 섬유 코어는 일반적인 플렉스 회로 기판 재료로 사용됩니다. 그런 다음 회로에 커버레이를 위한 추가 필름(일반적으로 PI 또는 PET, 때로는 유연한 솔더 마스크 잉크)을 사용해야 합니다. 커버레이는 외부 표면의 도체를 절연하고 마치 단단한 기판의 솔더 마스크처럼 부식과 손상으로부터 보호합니다. PI 및 PET 필름의 두께는 ⅓mil~3mil로 다양하며, 일반적으로 1mil 또는 2mil이 사용됩니다. 유리 섬유 및 에폭시 기판은 2mil~4mil로 훨씬 더 두껍습니다.

도체

위에서 언급한 저가형 전자제품은 인쇄된 도체(일반적으로 탄소 필름 또는 은 기반 잉크)를 사용할 수 있지만, 가장 일반적으로 사용되는 도체는 구리입니다. 응용 분야에 따라 다양한 형태의 구리를 고려해야 합니다. 배선과 커넥터를 제거하는 방식으로 제조 시간과 비용을 줄이기 위해 회로의 유연성 부품을 사용하는 경우에는 리지드 기판에 일반적인 적층 동박(전자 증착, ED)을 사용해도 됩니다. 평면 인덕터에서처럼 고전류가 흐르는 도체를 가능한 한 가장 좁은 폭으로 유지하기 위해 보다 무거운 구리 무게가 필요한 경우에도 구리를 사용해도 됩니다.

하지만 구리는 작업을 어렵게 만들고 피로를 유발하는 것으로도 악명이 높습니다. 최종 응용 분야가 플렉스 회로의 반복적인 주름잡기 또는 움직임을 수반하는 경우, 고급 RA(Rolled Annealed) 포일을 고려해야 합니다. 포일을 어닐링하는 단계가 추가되면 비용이 상당히 증가한다는 것은 분명합니다. 그러나 어닐링된 구리는 피로 균열이 발생하기 전에 더 많이 늘어날 수 있으며, Z 편향 방향에서 더 탄력적입니다. 이는 상시 구부러지거나 구르는 플렉스 회로에 정확히 필요한 특성입니다. 이러한 특성이 생기는 이유는 RA 공정이 결정 구조를 평면 방향으로 길게 늘이기 때문입니다.

배선과 커넥터를 제거하는 방식으로 제조 시간과 비용을 줄이기 위해 회로의 유연한 부분을 사용하는 경우에는 리지드 기판에 일반적인 적층 동박을 사용해도 됩니다.

플렉스 PCB 재료에 적용되는 어닐링 공정을 과장되게 나타낸 그림(정확한 비율이 아님). 구리 포일은 결정 구조를 평면 방향으로 늘리는 고압 롤러 사이를 통과하여 구리를 일반적으로 훨씬 더 유연하고 탄력 있게 만듭니다.

접착제

일반적인 FR-4 리지드 기판과 달리 어닐링된 구리는 '톱니'가 더 적고 열과 압력만으로는 안정적인 결합을 형성하기에 충분하지 않습니다. 따라서 전통적으로 PI(또는 기타) 필름에 동박을 접착하려면 접착제가 필요합니다. 따라서 제조업체는 일반적으로 ½mil 및 1mil 두께의 아크릴 또는 에폭시 기반 접착제를 사용하여 유연한 회로 에칭을 위한 사전 적층 처리된 단면 및 양면 구리 피복 필름을 제공합니다. 이러한 접착제는 유연성에 특화되어 개발되었습니다.

'접착제 없는' 적층판은 PI 필름에 직접 구리 도금이나 증착을 하는 새로운 공정 덕분에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이 필름은 HDI 회로처럼 더 미세한 피치와 더 작은 비아가 필요한 경우 사용됩니다.

플렉스-리지드 연결 부위 또는 인터페이스(즉, 레이어 스택의 유연한 부분이 경성 부품에서 나오는 곳)에 보호용 비드를 추가하는 경우 실리콘, 핫멜트 접착제 및 에폭시 수지도 사용됩니다. 이러한 재료는 다른 재료를 사용하는 경우 급속도로 피로가 누적되어 균열이나 찢어짐이 발생하는 플렉스-리지드 연결 부위의 지주에 기계적 보강을 제공합니다.

단일 레이어 플렉스 회로

아래의 예는 일반적인 단일 레이어 플렉스 회로의 단면 보기입니다. 이는 가장 일반적인 기성 FFC(플렉시블 플랫 커넥터) 케이블의 구조와 동일합니다. 기성 FFC 케이블은 FFC 커넥터를 수용할 수 있으며 주요 설계 결정 요인이 비용인 경우에 리지드-플렉스 PCB의 대안으로 사용됩니다. 단일 레이어 플렉스 회로에서 재료 공급업체는 구리를 PI 필름에 미리 적층합니다. 그런 다음 구리를 에칭하고 경성 받침판으로 구멍을 뚫습니다. 마지막으로 구리 패드를 노출하기 위해 미리 구멍을 뚫은 접착제 기반 폴리이미드 커버레이로 적층합니다. 이 배열에서 커버레이에 사용된 접착제가 이 과정에서 눌려 빠져나올 수 있지만, 이는 노출 영역의 패드 크기를 늘려서 수용할 수 있습니다.

일반적인 단일 레이어 플렉스 회로 스택업

플렉시블 및 리지드-플렉스 회로에 사용되는 재료를 반드시 숙지해야 합니다. 일반적으로는 수율을 보장하기 위해 제조업체에게 재료를 선택할 자유를 줄 수 있지만, 필드에서 플렉스 PCB가 고장을 일으킬 수 있는 요인을 알고 있어야 합니다. 재료의 속성을 알면 제품의 기계적 설계, 평가 및 테스트에도 도움이 됩니다. 예를 들어 자동차 제품을 작업하는 경우 제품의 신뢰성과 최소 허용 굽힘 반경을 파악할 수 있도록 열, 습기, 화학 물질, 충격과 진동을 정확한 재료 속성과 함께 모델링해야 합니다. 아이러니하게도 플렉시블이나 리지드-플렉스를 선택하게 만드는 요구 사항은 대부분 혹독한 환경과 관련성이 있습니다. 예를 들어, 저가의 개인용 전자제품은 많은 경우 진동, 낙하, 땀 및 기타 악조건에 노출됩니다.

Coombs의 2008년판 교재에는 이 문서의 소개보다 훨씬 더 자세한 정보를 제공하는 훌륭한 자료가 있습니다.

• Coombs, C. F. (Editor, 2008) The Printed Circuits Handbook, 7th Ed. 2008 McGraw Hill.

스택업 예시

리지드 PCB와 마찬가지로 플렉스 PCB와 리지드-플렉스 PCB는 전도성 레이어가 추가될수록 스택업이 복잡해질 수 있습니다. 이러한 스택업에서는 아래 예처럼 하나의 PCB에 여러 개의 플렉스 섹션이 있을 수 있습니다. 순수한 플렉스 회로의 경우 리지드-플렉스와 달리 각 PCB 섹션을 포함하여 레이어 스택 계획이 더욱 단순합니다. 그러나 컴포넌트가 장착되는 영역이나 회로가 종단되는 영역에는 여전히 보강재 배치가 필요한 지점이 있을 수 있습니다.

설계 소프트웨어에서는 각 섹션이 별도의 스택으로 정의되며, PCB 레이아웃의 여러 영역에 적용됩니다. 기판 제조 단계에서는 각 기판 섹션을 제조 도면에 명확하게 표시하여 기판의 레이어 배열과 재료를 나타내야 합니다. 플렉스 설계와 생산에서 중요한 이 부분은 나중에 더 자세히 다루도록 하겠습니다.

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