Prepreg 재료와 PCB 코어의 차이점: 디자이너가 알아야 할 것

디자이너들로부터 PCB 재료 선택과 제조 과정에 대해 자세히 알고 싶어하는 질문을 가끔 받습니다. 비록 저는 제조업자는 아니지만, 새로운 프로젝트를 진행할 때 사용 가능한 재료에 대해 이해하는 것이 디자이너에게 유익합니다. PCB 코어와 프리프레그 재료 사이의 정확한 차이점에 대한 질문을 받곤 합니다. 이 용어들은 가끔 초보 디자이너들에 의해 혼용되기도 하는데, 저 역시 이런 실수를 한 적이 있습니다.

프리프레그와 코어 사이의 차이가 명확해지면, 어떤 재료를 사용해야 할까요? 중요한 전기적 파라미터는 도금, 에칭, 경화하는 동안 어떻게 변하나요? 디자이너들이 GHz 주파수에서 작업하는 데 익숙해져야 하는 상황에서, 이러한 점들은 이 재료들에서 트레이스를 적절히 크기 조절하고 복잡한 신호 무결성 문제를 피하는 데 매우 중요해집니다.

PCB 디자인에서 코어 대비 프리프레그의 차이점은 무엇인가요?

PCB 코어와 라미네이트는 비슷한 점이 있으면서도, 어떤 면에서는 상당히 다릅니다. 코어는 하나 이상의 프리프레그 라미네이트가 압축되고, 경화되며, 열로 인해 경화된 것으로, 각 면에 구리 호일로 도금됩니다. 프리프레그 재료는 수지로 함침되어 있으며, 이 수지는 경화되지만 미경화 상태로 남아 있습니다. 대부분의 제조업체들은 프리프레그를 코어 재료를 함께 붙잡는 접착제로 설명합니다; 프리프레그 라미네이트 양쪽에 두 개의 코어가 쌓이고, 이 쌓인 것을 열에 노출시키면 수지가 인접한 층에 결합하기 시작합니다. 경화된 수지는 서서히 교차 연결을 통해 경화되며, 그 결과물의 재질 특성은 코어 층의 특성에 접근하기 시작합니다.

수지 재료는 유리 섬유를 감싸며, 이 유리 섬유의 제조 공정은 실을 제조하는 데 사용되는 공정과 매우 유사합니다. 유리 섬유는 매우 조밀할 수도 있고(예: 7628 프리프레그) 또는 느슨할 수도 있습니다(예: 1080 프리프레그), 이는 제조 중에 베틀로 조절됩니다. 모든 간격과 실의 전체적인 균일성은 전자기 특성을 결정하며, 이는 신호가 보드에서 경험하는 분산, 손실 및 섬유 직조 효과에 대한 책임이 있습니다.

FR4 PCB 코어/프리프레그 직조와 그 중요한 재질 특성. 출처: Isola Group.

PCB 코어와 프레프레그 재료는 수지 함량, 수지 종류, 그리고 유리 섬유의 직조에 따라 다소 다른 유전 상수를 가질 수 있습니다. 이는 신호가 트랙에서 경험하는 유효 유전 상수가 주변 재료의 유전 상수에 따라 달라지기 때문에, 매우 정밀한 임피던스 매칭이 필요한 보드를 설계할 때 문제가 될 수 있습니다. 모든 프레프레그와 코어 재료가 서로 호환되는 것은 아니며, 유전 상수가 매우 다른 코어/프레프레그 스택은 연결부에서 정확한 유전 상수와 손실을 예측하기 어렵게 만듭니다(아래 참조).

어떤 PCB 코어나 프레프레그 재료에서든, 고전압에서는 크리피지와 누설 전류가 우려됩니다. 구리의 전기 마이그레이션과 그로 인한 전도성 필라멘트의 성장은 FR4 재료에 대한 크리피지 사양의 한 이유입니다. 이 문제와 유리 전이 온도 및 분해 온도를 높이려는 욕구는 FR4 코어와 라미네이트에서 비-다이시아나디아미드(비-DICY) 수지로의 전환을 동기 부여했습니다. 페놀 수지는 DICY 수지에 비해 더 높은 분해 및 유리 전이 온도를 제공하는 동시에 완전 경화 후 더 높은 절연 저항을 제공합니다.

다양한 코어 및 프레프레그 재료에 대한 유효 유전 상수

핵심 및 프리프레그 재료의 명백한 구조적 변화로 인해, 유전 상수와 손실 탄젠트의 정확한 값을 얻는 것은 신호 무결성 측면에서 중요합니다. 신호의 상승 시간이 짧은 경우, 마케팅 데이터시트에서 값을 가져가는 것이 가능할 수 있습니다. 하지만 당신의 무릎 주파수나 아날로그 신호가 GHz 범위에 도달하면, 데이터시트에서 인용된 값들, 특히 임피던스 제어 라우팅을 사용하고 인터커넥트 동작을 모델링할 때, 주의해야 합니다.

데이터시트 값의 문제는 실제 측정된 유전 상수가 테스트 방법, 라우팅 기하학, 특정 주파수(특히 GHz 범위에서), 레진 함량, 심지어 재료 두께에 따라 달라진다는 것입니다. John Coonrod는 최근 팟캐스트에서 이 문제에 대해 광범위하게 논의했습니다. 다른 PCB 코어/프리프레그 재료의 직조 패턴은 그것들을 매우 비균질적이고 이방성이 있게 만들어, 중요한 재료 특성이 공간적으로 그리고 다른 방향으로 변화한다는 것을 의미합니다. 이것이 우리가 섬유 직조 효과를 가지는 이유입니다, 예를 들어 스큐와 섬유 공동 공진과 같은.

당신은 아마도, 라미네이트의 두께가 재료 특성을 특정하는 데 왜 중요한지 궁금해할 것입니다. 그 이유는 신호 동작을 특정하는 중요한 매개변수가 유효 유전 상수(복잡한 수량임을 기억하세요!)이며, 이는 사용하는 트레이스 치수와 레이어 두께에 따라 달라지기 때문입니다. 마이크로스트립과 대칭 스트리플라인 전송선에 대한 이 기사들을 살펴보세요.

마지막으로 고려해야 할 중요한 매개변수는 주어진 라미네이트의 구리 거칠기입니다. 위에 링크된 두 기사는 구리 거칠기를 가정하지 않고 마이크로스트립과 스트리플라인 전송선 기하학에 대한 유효 유전 상수 값을 제공합니다. 그러나, 구리 거칠기를 고려하기 위해 사용할 수 있는 간단한 선형 근사가 있습니다:

구리 거칠기를 포함한 유효 유전 상수. 출처: B. Simonovich, PCB 전송선 인터커넥트 모델링의 신비를 벗기다, 신호 무결성 저널.

이 방정식에서 Hsmooth는 유전체의 두께이며, Rz는 10점 평균 거칠기입니다. 이 값은 라미네이트 제조업체에 의해 명시되어야 합니다. 고속 설계를 하고 있고 임피던스 제어 라우팅이 필요한 경우, 제조업체는 이러한 값을 제공할 수 있어야 합니다. 모델링을 위해서는 거칠기를 설명하는 올바른 모델을 사용해야 합니다; Signal Integrity Journal에서 Bert Simonovich의 기사를 참조하십시오. 극단적으로 높은 속도/높은 주파수에서 낮은 신호 수준을 다루며, 매우 정확한 인터커넥트 특성화가 필요한 경우, 테스트 쿠폰을 생성하고 표준 측정을 사용하여 유효 유전 상수를 결정하는 것이 가장 좋습니다. 테스트 방법은 의도한 인터커넥트 기하학과 밀접하게 일치하는 기하학을 사용해야 합니다. 이는 초기에 일부 작업을 필요로 하지만, 정확한 테스트와 측정은 불필요한 프로토타이핑 실행을 줄일 수 있습니다.

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