PCB FR-4 재료는 모두 같은 것이 아닙니다

PCB 업계에서 “FR-4”는 적층판 재료를 지칭하는 일반적인 명칭입니다. 어느 정도는, 특정 적층판 종류로서의 FR-4는 업계 전반에 퍼져 있는 여러 오해 중 하나라고 할 수 있습니다. 이 블로그에서는 FR-4라는 용어의 역사, 실제 의미, 이와 관련된 다양한 정량 지표, 그리고 설계 목적에 맞는 적층판을 선택할 때 고려해야 하는 주요 특성 이슈를 다룹니다.

FR-4의 기원

FR-4라는 용어를 조사해 보면, 거의 모든 자료에서 이를 유리 섬유로 보강된 에폭시 적층판이라고 정의합니다. 본질적으로 Wikipedia의 정의는 다음과 같습니다.

FR-4는 유리 섬유 보강 에폭시 적층판 재료에 대한 NEMA(National Electrical Manufacturers Association) 등급 지정입니다. FR-4는 난연성(자기소화성)을 지닌 에폭시 기반 수지 바인더와 직조된 유리 섬유 천으로 구성된 복합 재료입니다.

이러한 FR-4의 정의는 업계 전반에 너무 널리 퍼져 있어서, PCB 제품 개발에 관여하는 많은 사람들이 실제로 FR-4를 이런 방식의 적층판 명칭으로 사용하게 되었습니다.

하지만 현실은 FR-4가 적층판 재료가 아니며, 역사적으로도 한 번도 특정 적층판 재료였던 적이 없다는 것입니다. FR-4는 오히려 “난연 등급 4(flame retardant class 4)”를 의미하는 UL 등급입니다. PCB의 역사를 충분히 거슬러 올라가 보면, 당시 적층판 선택지는 단 두 가지뿐이었습니다. 바로 폴리이미드와 에폭시 기반 재료입니다. 항공우주 제품을 설계할 때는 더 높은 온도를 견딜 수 있는 수지 시스템을 가진 폴리이미드를 사용했습니다. 하지만 여기에는 많은 단점이 따릅니다. 비싸고, 제조가 어렵고, 무엇보다도 수분을 잘 흡수합니다. 즉, 폴리이미드로 만든 보드는 건조를 위해 베이킹한 뒤 심각한 누설 문제를 방지하기 위해 컨포멀 코팅을 적용해야 합니다.

다른 “원래의” 재료는 에폭시였습니다. 에폭시는 가격이 더 저렴하고 제조가 더 쉬웠으며 가장 널리 사용된 수지였습니다. 하지만 이 재료는 고온을 견디지 못합니다. 따라서 납땜 공정 중에 부드러워져 뒤틀림이 발생하기 쉽습니다. 또한 “에폭시”라는 용어는 특정 하나의 수지를 뜻하는 것이 아니라, 적층판의 한 계열을 의미합니다.

따라서 이러한 두 가지 초기 적층판 선택지를 기준으로 보면, FR-4는 “폴리이미드가 아닌 것”을 뜻하게 되었지만, 그렇다고 해서 모든 FR-4 보드가 동일한 것은 절대 아닙니다. 실제로는 모두 “FR-4” 지정 조건을 만족하면서도 외관, 성능, 비용 측면에서 서로 다른 50가지 보드를 만들 수도 있습니다.

업계가 순수한 에폭시 기반 재료를 넘어선 이후에도 FR-4라는 명칭은 계속 남았습니다. 새로운 수지 시스템들 역시 폴리이미드가 아니었기 때문입니다. 예를 들어, 에폭시 기반 시스템의 단점을 해결하기 위해 오늘날에는 다양한 온도 특성을 가진 여러 에폭시 블렌드가 존재합니다. 그중 하나인 “High-Tg FR-4”는 에폭시 기반 보드와 관련된 낮은 Tg(유리전이온도) 문제를 해결하기 위한 것입니다.

정말 중요한 것

수지 시스템은 동박 및 직조 유리 보강재와 함께 보드 재료 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나입니다. 그리고 수지 시스템 내에서 가장 중요한 특성 중 하나가 유전 특성(절연 특성)입니다. 임피던스와 파형 전파 속도에 영향을 주는 유전 특성은 상대 유전율(er)입니다. 표 1에서 보듯이, 이 특성은 수지 함량과 측정 주파수에 따라 달라집니다.

표 1. 일반적인 Hi Tg FR-4 적층판 시스템의 특성

사람들이 “FR-4”라는 표현을 사용할 때, 모든 FR-4 재료에 공통으로 적용되는 하나의 유전율이 있다고 가정하는 경우가 많습니다. 구체적으로는 FR-4가 er 4.7의 재료를 의미한다고 생각합니다. 하지만 이런 er 값은 이미 30년 전의 것이며, 이 가정은 수많은 임피던스 오류의 원인이었습니다. 표 2는 일반적으로 사용되는 적층판들의 er 값을 보여주는데, 이들 중 4.0을 크게 넘는 것은 거의 없습니다. 이 외에도 중요한 정보로는 Tan(f) 손실 탄젠트, DBV(절연 파괴 전압), WA(흡수율)가 있습니다.

표 2. 여러 일반적인 PCB 재료 시스템의 특성

• Tg = 유리전이온도
• WA = 흡수율
• DBV = 절연 파괴 전압
• Tan (f) = 손실 탄젠트
• er = 상대 유전율

Teflon을 제외한 모든 재료에는 직조 유리 보강재가 포함됩니다.

설계에 가장 적합한 적층판 지정하기

수년간 업계를 괴롭혀 온 문제 중 하나는, 과거 재료 데이터시트에 제품 개발자가 설계 성능 파라미터를 기준으로 적층판을 선택할 수 있을 만큼 충분한 정보가 포함되지 않았다는 점입니다. “FR-4”라는 광범위한 범주 안에서 많은 재료가 단지 “일반적인” 수준으로만 제시되었고, 특정 제품 설계에 적합한 적층판이 올바르게 선택되었는지를 보장할 만큼 구체적이지 않았습니다.

설계가 점점 더 복잡해지면서, 적층판 정보의 세분화 필요성은 기하급수적으로 증가했습니다. 예를 들어 최근 몇 년 동안 흔한 과제 중 하나는 유리 직조 스타일 정보의 부재였습니다. 이 정보가 없으면 지터와 스큐와 관련한 심각한 문제가 발생했습니다. 다행히도 이제 적층판 제조업체들은 표 3과 같이 유리 직조 스타일 정보를 제공합니다.

표 3. PCB 적층판에서 사용 가능한 유리 직조 스타일 목록

일부 예시 재료에서 이러한 직조 스타일 차이는 아래와 같이 나타납니다. 이러한 FR4 등급 재료는 넓은 범위의 유전율 값을 가지며, 이는 적층판 재료에 사용된 유리 종류와 수지 함량의 함수입니다. 유리 직조의 빈 공간이 선명하게 보이며, 기계식 확장 유리(spread glass)가 널리 보급되기 전에는 이러한 직조의 빈 공간이 심각한 fiber weave effect의 원인이었습니다. 아래에 제시된 재료 예시는 시판되는 FR4-grade prepregs에 대한 것이지만, 동일한 이미지는 코어 재료에서도 확인할 수 있습니다.

신형 재료와 기존 재료의 고급 버전은 점점 더 spread glass를 적용하는 방향으로 발전해 왔습니다. 표준 유리 직조는 위 이미지에 보이는 빈 공간을 그대로 유지하므로, 고속 병렬 버스와 차동 페어에서 이를 피하기 위해 창의적인 지그재그 라우팅 패턴을 사용해야 했습니다.

spread glass 덕분에 오늘날에는 설계의 fabrication notes에 spread glass를 명시하기만 하면 이런 조치가 훨씬 덜 필요합니다. 설계자는 spread glass로 제작된 시판 재료를 지정할 수도 있으며, 이 재료는 마스터 도면의 fabrication notes와 스택업 표에 명확히 기재되어야 합니다.

모든 PCB 재료 공급업체가 특정 유리 직조나 해당 재료에 spread glass가 포함되는지에 대해 동일한 수준의 정보를 제공하는 것은 아닙니다. 예를 들어, 어떤 재료 브랜드명은 spread glass 또는 표준 유리를 포함하는 적층판 옵션을 가질 수 있고, 또는 두 종류의 유리 모두로 공급될 수도 있습니다. 표 4는 스택업 설계에 필요한 유리 스타일 및 수지 함량이 포함된 적층판 정보의 예를 보여줍니다.

아래 표는 Isola Group의 FR408HR 적층판 시스템에 대한 수지 함량, 유리 종류, 유전율 데이터를 보여줍니다. 이 표는 코어 재료에 대한 것이지만, 이에 대응하는 프리프레그용 표도 존재합니다. Isola는 역사적으로 이러한 정보를 공개적으로 제공하거나 요청 시 제공하는 데 매우 뛰어난 편이었다는 점도 주목할 만합니다.

표 4. PCB 스택업 설계에 필요한 일반적인 적층판 정보

프로토타이핑에서 양산까지

설계의 다른 중요한 요소들과 마찬가지로, 엔지니어링 팀은 제품에 사용할 특정 적층판을 식별할 때 매우 구체적이어야 하며, 프로토타이핑부터 본격 양산에 이르는 전체 제조 사이클 전반에 걸쳐 동일한 적층판이 사용되도록 똑같이 철저하게 관리해야 합니다. 때로는 비용에 민감한 생산 제조업체가 고객 비용을 절감하기 위해 한 재료를 다른 재료로 대체하기도 합니다. 이런 유형의 상황은 약 5년 전 실제로 발생했는데, 한 생산 제조업체가 설계에 맞는 더 비싼 2-ply 유리 재료 대신 더 저렴한 1-ply 유리 재료를 사용했습니다. 그 결과 보드가 불량 판정을 받았고, 제조업체는 각 보드당 5,000~6,000달러 상당의 부품이 실장된 모든 조립 보드를 매입해야 했습니다.

사실 우리 업계는 제조업체가 관행적으로 또는 고객 비용을 “절감”한다는 명목으로 아트워크, 스택업 또는 재료를 변경하도록 내버려 두는 좋지 않은 습관을 들여 왔습니다. 설계 속도가 느리던 시절에는 이것이 큰 영향을 주지 않았을지 모르지만, 오늘날의 고속 설계에서는 그런 재량을 허용할 수 없습니다. 그렇기 때문에 보드에 테스트 구조를 포함시키고, 각 보드마다 “traveler” 문서가 제조 시설 전체 공정을 따라가도록 하는 것이 중요합니다. 제품 개발자는 이 문서를 반드시 요구해야 하며, 이를 통해 제품 개발 전 주기에 걸쳐 어떤 재료가 보드에 사용되었는지 확인할 수 있어야 합니다.

요약

FR-4를 적층판 명칭으로 사용하는 데에는 역사적 배경이 있지만, 그렇다고 해서 이것이 성능 지표를 제공한다는 의미는 아닙니다. 실제로 특정 설계에 “FR-4” 재료를 사용한다고만 지정하면 제품 실패를 포함한 심각한 결과로 이어질 수 있습니다. 제품이 처음부터 설계 의도대로 동작하도록 하려면, 최종 재료 선택 시 성능과 관련된 중요한 특성들을 반드시 반영해야 합니다. 또한 프로토타입부터 본격 양산까지 전체 생산 주기 동안 동일한 적층판이 사용되도록 명확히 지정하는 것도 필수적입니다.

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참고문헌

1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2.”

자주 묻는 질문

"FR-4"는 실제로 무엇을 의미하며, 왜 이를 적층판 사양으로 사용하는 것이 오해를 불러일으킬 수 있나요?

FR-4는 특정 라미네이트 소재를 가리키는 말이 아닙니다. 이는 UL 난연성 등급으로, “난연 등급 4(flame retardant class 4)”를 의미합니다. 과거에는 선택지가 주로 폴리이미드 또는 에폭시 계열이었기 때문에, “FR-4”는 사실상 “폴리이미드가 아님”을 뜻하는 약식 표현으로 쓰이게 되었습니다. 시간이 지나면서 높은 Tg와 다양한 전기적/열적 특성을 가진 여러 에폭시 기반 및 혼합 수지 시스템들이 모두 “FR-4”로 분류되었습니다. 그 결과, 단순히 “FR-4”라고만 지정해서는 성능, 비용, 구조에 대해 거의 아무 정보도 전달하지 못하며, 둘 다 “FR-4”라고 불리는 두 기판이 실제로는 매우 다르게 동작할 수 있습니다.

왜 FR-4에 대해 단일 유전율 값을 가정할 수 없으며, 이것이 어떤 문제를 일으키나요?

FR-4 계열 소재의 상대 유전율(er)은 수지 함량, 유리 함량, 그리고 측정 주파수에 따라 달라지며, 이미 수십 년 전부터 단일한 “4.7” 값으로 볼 수 없었습니다. 실제로는 널리 사용되는 많은 라미네이트가 약 4.0 이하이며, 정확한 값은 특정 소재와 스택업 세부 조건에 따라 달라집니다. er 값을 고정값으로 가정하면, 특히 고속 설계에서 임피던스 및 타이밍 오류가 발생합니다. 설계자는 스택업과 시뮬레이션을 구성할 때 소재별 데이터(er 대 주파수, 손실 탄젠트, 수지/유리 비율)를 사용해야 하며, 각 벤더 데이터에 제공된 fr4의 유전율도 반드시 확인해야 합니다.

유리 직조 스타일은 어떤 역할을 하며, spread glass는 고속 설계에 어떻게 도움이 되나요?

직조된 유리섬유 보강재는 유전체의 일부를 이루며, 그 직조 패턴은 유리 대 수지 비율의 국부적 변화를 만들어냅니다. 표준 직조는 눈에 보이는 빈 공간을 가지며, 이로 인해 고속 트레이스가 수지 함량이 높은 영역 또는 유리 함량이 높은 영역을 무작위로 가로지를 때 차동 스큐나 지터 같은 fiber-weave effect를 유발할 수 있습니다. Spread glass는 이러한 빈 공간을 줄이거나 없애서 유전체를 더 균일하게 만들고, 이런 영향을 완화합니다. 이점을 얻으려면 제조 노트에 spread glass를 명시적으로 지정하고, 스택업 및 마스터 도면에서 spread glass가 포함된 소재 옵션을 분명히 지정해야 합니다.

“FR-4” 계열 내에서 라미네이트를 선택할 때 어떤 정보를 반드시 요구해야 하나요?

FR-4라는 라벨만 보지 말고, 다음과 같은 라미네이트별 데이터를 확보해야 합니다: 주파수별 유전율, 손실 탄젠트, 수지 함량, 유리 직조 스타일, Tg(유리전이온도), 흡수율, 유전 파괴 전압. 그리고 코어와 프리프레그 모두에 대해 이 정보를 확보해야 합니다. כיום 많은 공급업체가 각 두께 옵션별 유리 유형과 수지 함량 같은 상세 표를 제공하므로, 이를 활용해 예측 가능한 스택업을 구성하고 신호 무결성을 제어해야 합니다. 확신이 서지 않을 경우, 이러한 파라미터를 검증하기 위해 fr4 material datasheet를 요청하십시오.

프로토타입과 양산 기판의 일관성을 어떻게 유지해야 하며, 이것이 왜 중요한가요?

소재를 정확히 지정하고(유리 직조 스타일, 수지 함량, spread glass 필요 여부 포함), 프로토타입부터 대량 생산까지 이를 일관되게 적용해야 합니다. 엔지니어링 승인 없이 “비용 절감”을 이유로 대체 소재를 허용해서는 안 됩니다. 겉보기에 작은 변경(예: 단일 ply 유리와 이중 ply 유리의 차이)도 실패와 막대한 재작업 비용을 초래할 수 있습니다. 또한 기판에 테스트 구조를 포함하고, 각 제작 빌드에 사용된 정확한 소재와 공정을 추적할 수 있도록 traveler 문서를 요구해야 합니다. 오늘날의 고속 설계는 관리되지 않은 소재 변경을 허용할 여유가 없기 때문에, 일관성은 필수적입니다.