다층 보드용 PCB 기판 재료의 FR4 대체재 선택

때로는 기존의 흐름에 반하는 것이 좋을 수 있습니다. FR4 기판은 제조업체들이 가장 선호하는 옵션 중 하나이며, 각 제조업체마다 선호하는 공급업체가 있습니다. 그러나, 다층 보드를 위해 대체 PCB 기판 재료를 찾고 싶을 수도 있습니다. 여러 PCB 라미네이트 재료 제조업체가 있음에도 불구하고, 사용 가능한 기판의 광범위한 분류는 다소 제한적입니다.

극한 환경, 반복적인 열 사이클링, 또는 고속/RF 장치에 특화된 장치를 구축해야 하는 경우, 다층 PCB 기판을 위한 대체 재료가 더 나은 선택일 수 있습니다. 이 글에서 몇 가지 예를 보여드리겠지만, 가능한 한 특정 공급업체에 치우치지 않도록 최선을 다하겠습니다. 더 중요한 것은 FR4 기판에 대한 대안을 선택하는 기준을 이해하는 것이며, 다양한 응용 프로그램에 중요한 기준을 제공하검습니다.

FR4 기판에 만족할 필요는 없습니다

"FR4"라고 부르는 것은 사실 국가전기제조업체협회(NEMA)가 지정한 재료의 한 분류일 뿐, 특정 재료나 특정 재료 구성을 의미하는 것은 아닙니다. 이 PCB 라미네이트는 플라스틱 재료의 가연성에 대한 UL94V-0 표준을 준수합니다.

FR4의 단점

FR4는 단층 및 다층 PCB에 가장 널리 사용되는 기판 재료이지만, 몇 가지 단점이 있습니다:

• 낮은 열전도성: 다른 전기 절연체와 마찬가지로, FR4도 인쇄 회로를 지지하기에 적합한 다른 재료들에 비해 열전도율이 낮습니다.
• 적당히 손실이 큼: FR4 기판 라미네이트는 약 1GHz에서의 손실 탄젠트가 ~0.02인 손실 특성으로 알려져 있습니다. 스트립라인이나 기판 통합 도파관을 라우팅하면 다른 신호로부터 높은 격리를 보장하지만, 신호가 전체 손실 탄젠트를 경험하기 때문에 더 큰 감쇠를 초래합니다.
• 섬유 직조 효과: 수십 GHz에서, FR4 라미네이트에 사용된 유리 섬유 직조는 신호 전파 경로를 따라 축적된 스큐와 공진 손실과 같은 흥미로운 효과를 만듭니다.
• 구리 CTE와의 불일치: 대부분의 FR4 라미네이트의 z축 열팽창 계수(CTE) 값은 구리와 큰 불일치를 보입니다(일반적으로 FR4:Cu = ~3:1). 이것은 반복된 열 사이클링이나 유리 전이 온도 이상의 극단적인 온도 변화 상황에서만 주요한 문제입니다.

단순한 설계로 저속/저주파에서 작동하며, 너무 뜨겁게 돌아가거나 극한 환경에서 사용되지 않는다면, 이러한 단점들은 크게 문제가 되지 않을 것입니다. 보다 현대적인 설계의 경우, FR4 대안을 최소한 고려하는 것이 중요합니다. 대체 PCB 기판 재료를 사용하여 설계를 시작하기 전에, 몇몇 제조업체에 문의하여 그들의 공정에서 작업할 수 있는 재료가 무엇인지, 그리고 그들의 스택업에서 추천하는 층 두께가 어떻게 되는지 확인하세요. 그들은 아래 이미지에서 보여지는 것과 같은 PCB 스택업 표를 보내줄 것입니다.

열 요구 사항 및 신뢰성

고속 및/또는 고주파에서 작동하는 현대 PCB의 열 요구 사항과 이러한 시스템이 배치되는 가혹한 환경을 고려할 때, 다음 PCB에 다른 재료를 사용하는 것이 합리적일 수 있습니다. 기판 재료에 대한 몇 가지 옵션이 있거나, 일부 애플리케이션에서 고온을 처리하기 위한 대안적인 설계 선택지를 시도해 볼 수 있습니다.

보드의 열 전도성이 높을수록 열이 보드 전체에 쉽게 퍼져 나가게 되어 보드가 더 균일한 온도에서 작동할 수 있습니다. 고속/고주파 장치가 장착된 FR4 보드는 큰 고속 프로세서(예: FPGA 또는 MPU) 주변에 핫스팟이 발생할 수 있습니다. 보드의 전체 열 전도성은 대체 재료를 사용하거나 추가 평면 레이어를 사용함으로써 증가시킬 수 있습니다. 이러한 보드에서는 중요한 구성 요소에 방열판을 사용해야 하며, 경우에 따라서는 일부 공기 흐름을 위해 팬을 사용할 수도 있습니다. 또 다른 옵션은 보드를 인클로저에 결합하기 위해 열 인터페이스 재료를 사용하는 것으로, 이를 통해 열이 직접 인클로저로 돌아갈 수 있는 경로를 제공합니다.

대체 다층 PCB 기판 재료 예시

이 섹션에서는 일부 설계자들이 고려하지 않았을 수 있는 몇 가지 대체 옵션을 제시하고자 합니다. 이러한 대체 재료는 FR4 기판에서 볼 수 있는 특정 단점을 대상으로 합니다. FR4 라미네이트의 모든 단점을 극복하는 단일 대체 PCB 기판 재료가 없다는 점을 알아두는 것이 중요합니다. 대신, 시스템에 중요한 특정 단점을 선택해야 합니다. 다음 표에서 몇 가지 예시를 찾을 수 있습니다:

메탈 코어 또는 메탈 백 보드

FR4 보드의 열 관리는 메탈 코어 또는 메탈 백 보드를 사용함으로써 보완될 수 있습니다. 이러한 보드에 사용된 큰 알루미늄 슬래브는 열이 보드 전체에 걸쳐 퍼지고, 케이스나 하우징으로 전달되어 보다 균일한 온도 분포를 보장합니다. 이는 LED 조명용 보드나 특수 환경에서의 고전력 조절기와 같은 여러 응용 분야에서 유용합니다.

세라믹

다층 PCB 기판을 위한 대체 재료는 열 관리 외에도 다른 장점을 제공합니다. 예를 들어, 세라믹 PCB의 제조 과정은 수동 구성 요소를 다층 세라믹 PCB의 내부 층에 내장할 수 있게 합니다. 세라믹 보드를 만드는 데 필요한 재료 혼합은 열전도율 대 전기전도율 비율이 높으면서도 기계적 특성을 조정할 수 있게 합니다. PCB용 세라믹의 열팽창 계수는 대부분의 도체와 더 가까워, 순환 중 기계적 스트레스를 줄입니다.

복합 에폭시 재료 (CEM)

특히 아시아에서 인기 있는 대체 재료 그룹 중 하나는 복합 에폭시 재료(CEM), 특히 CEM-3입니다. 이 복합 재료 클래스는 직물 유리 섬유 표면과 비직물 유리 코어를 에폭시 합성 수지와 결합하여 만들어집니다. 일부 제조업체는 CEM-3이 생산 비용이 저렴하고, 동일한 수준의 난연성을 제공하며, FR4와 동일한 제조 공정으로 사용할 수 있기 때문에 FR4를 완전히 대체해야 한다고 주장합니다.

CEM-3의 유리 전이 온도(약 125°C)는 FR4(약 135°C)의 그것과 유사합니다. 예를 들어 CEM-1과 CEM-2와 같은 다른 CEM 기반 재료는 훨씬 낮은 유리 전이 온도를 가지며, 다층 보드와 함께 사용해서는 안 됩니다. 대부분의 제조업체는 낮은 층수에 대해서만 CEM-3 사용을 권장하지만, 비슷한 층수의 FR4 보드를 대체하는 데 사용되고 있습니다.

고주파 라미네이트

고주파로 분류되는 PCB 라미네이트 재료는 두 가지 중요한 영역에서의 유용성을 나타낼 수 있습니다:

• 고주파에서 낮은 손실 탄젠트, 일반적으로 ~10GHz 이상에서 0.003 이하
• 섬유 직조 효과, 이러한 기판이 일반 FR4 재료와 동일한 손실 탄젠트를 가질 수 있음에도 불구하고

두 기준을 모두 만족하는 재료는 24 GHz(단거리), 76-77 GHz(장거리), 또는 77-81 GHz(단거리)에서 작동하는 레이더 모듈과 같은 응용 프로그램에 종종 사용됩니다. 다른 특수 응용 분야로는 이미징 레이더, 드론 레이더, 무선 MAN, 원격 감지, SATCOM, 원격 감지 등이 있습니다. 디지털 영역에서, 고주파수를 위한 대체 PCB 기판 재료는 백플레인이나 서버 마더보드와 같이 매우 긴 채널 길이를 허용해야 합니다. 예를 들어, 큰 3U/6U 백플레인은 20인치에 달하는 고속 채널 길이를 가질 수 있으며 대역폭은 레이더 주파수를 넘어설 수 있습니다. FR4로 이 보드를 설계했다면, 그렇게 긴 채널에서 신호를 회복할 수 없을 것입니다.

가장 인기 있는 고주파 PCB 기판 재료로는 마이크로글라스 충전제가 포함된 PTFE 기반 라미네이트(예: Rogers)와 Megtron이 있습니다. 고주파에서 작동할 장치에서는 라우팅 채널이 매우 길 경우 이러한 고주파 PCB 라미네이트 재료 중 하나를 사용하는 것이 최선의 선택일 수 있습니다. 짧은 채널에서는 반환 손실이 지배적인 손실 메커니즘이 될 것입니다

PTFE와 하이브리드 구조

고속/고주파 라미네이트는 신호 감쇠를 줄이기 위해 고속/고주파 PCB의 외층에 자주 사용됩니다. PTFE 기반 라미네이트는 일반적으로 고속 장치의 내부 코어 위에 배치되어, 자연스럽게 다층 PCB와 함께 사용될 수 있습니다. FR4에 비해, Teflon은 훨씬 낮은 분산과 낮은 유전 상수로 인해 GHz 및 그 이상의 주파수와 데이터 전송 속도에 권장되며, 이러한 고속에서 더 빠른 신호 전파 속도를 가능하게 합니다.

PTFE는 또한 다른 장점을 제공합니다. PTFE는 물을 잘 흡수하지 않아 습한 환경이나 젖은 환경에서 유용합니다. 이는 다양한 재료의 표면층이나 내부 라미네이트 층으로 사용될 수 있으므로, 고속/고주파 신호를 위한 저손실 층을 형성하는 데 사용될 수 있습니다. 그러나 PTFE는 FR4보다 비용이 더 많이 들고, 약 370°C에서 압축해야 하므로 스택업 구성 작업이 더 어렵습니다. 또한 FR4보다 열전도율이 낮아 PTFE 보드의 열 관리가 중요합니다.

고밀도 PCB 설계를 위한 PCB 라미네이트 재료

고속, 고온 및 HDI 다층 보드에 사용할 수 있는 다양한 다른 재료들이 있습니다. FR4 또는 PTFE 기반 재료로 분류되는 표준 재료 세트는 일정 두께 이상으로 만들 수 없으며 기계적으로 드릴링해야 합니다. 이러한 재료들은 기계적으로 드릴링된 맹목적/매립된 비아가 있는 HDI PCB에 사용될 수 있지만, 마이크로비아와 함께 사용할 수는 없을 수 있습니다. HDI PCB와 더 진보된 UHDI PCB/IC 기판에는 에칭이나 첨가물 증착, 레이저 드릴링과 호환되는 대체 재료가 필요합니다.

레이저 드릴링 가능 라미네이트

마이크로비아를 포함한 HDI 설계에 사용될 프리프레그와 코어는 레이저 드릴링과 호환되어야 합니다. 이러한 재료의 수지 혼합물, 유리 섬유 직조 스타일, 그리고 층 두께는 모두 레이저 드릴링 공정을 위해 고안되었습니다. 이를 통해 소경 직경 비아(<6 mil 직경)의 제작이 가능하며, 이러한 구조물에 대한 허용 종횡비 한계를 고려할 때, 얇은 유전체 층이 요구됩니다. 재료 제조업체는 재료가 호환되는 경우 레이저 드릴링 공정에 특별히 사용하기 위해 그 재료를 시장에 내놓을 것입니다.

레이저 드릴 가능한 라미네이트는 상용으로 이용 가능한 브랜드와 재료 공식의 범위를 포함하며, 일부는 슬래시 시트에 명시되어 있고 IPC 표준과 호환됩니다. 이들은 FR4의 정의에 속하는 유리 강화 수지 재료를 포함하며, 많은 인기 있는 제조업체(예: Isola 및 ITEQ)에서 이용 가능합니다. FR4의 정의에 속하지 않지만 레이저 드릴 가능한 다른 재료들도 있습니다:

• 구리 코팅 수지 기반 필름(RCC)
• 폴리이미드
• 섬유 강화 폴리아미드(일명, 아라미드)
• 비스말레이미드-트리아진 수지, 일명 BT 에폭시

이러한 재료 중 일부는 PCB와 반도체 칩이나 칩렛을 위한 고밀도 기판 모두에 유용합니다. 예를 들어, RCC는 여러 하위 층을 포함하는 고밀도 구축을 위한 재료 시스템으로 두 영역 모두에서 흔히 사용되는 옵션입니다.

빌드업 필름

"빌드업 필름"이라는 용어는 때때로 HDI PCB에서 발견되는 레이저 드릴 가능한 라미네이트를 대신하여 사용됩니다. 이 필름들은 필름 롤로 포장되어 기본 PCB 재료에 라미네이트됩니다. 가장 일반적인 빌드업 필름은 Ajinomoto Buildup Film (ABF)이지만, 그것의 가장 흔한 용도는 PCB 재료보다는 반도체 기판 생산에 있습니다. 현재 ABF는 반도체 IC 기판의 공급망을 지배하지만, HDI/UHDI PCB에서도 사용될 수 있습니다. ABF는 또한 합리적으로 낮은 유전 상수(Dk = 3.3까지)와 FR4보다 낮은 손실을 가지고 있어, 고대역폭 채널이 필요한 ASIC이나 프로세서에 유용합니다. 낮은 밀도(감산식 에칭) 설계를 위한 매우 가까운 대체재는 구리 호일로 코팅된 유기 수지를 사용하는 RCC입니다.

이 필름은 FR4 코어, BT 에폭시 코어, 열경화성 수지 코어 또는 기타 강성 유기 코어에 구축될 수 있습니다. 이것은 쌓인 맹목/매장 비아(유형 II)를 포함하는 표준 HDI 스택업 구조를 따르지만, 더 높은 밀도로 확장되고 종종 첨가 공정으로 제작됩니다.

미래를 바라보며

보다 진보된 칩이 UHDI PCB와 반도체 패키징을 위한 초박형, 저-Dk 빌드업 필름 옵션을 요구함에 따라, ABF는 반도체 산업 내외부에서 더 많은 사용을 보게 될 것으로 예상됩니다. 그러나 ABF가 빌드업 필름 시장에서 지배적인 위치를 차지함에 따라, 혁신적인 기업들은 미래의 빌드업 필름을 찾고 있습니다. 이러한 FR4 대체재는 HDI, UHDI 및 패키징에서 고대역폭 채널을 지원하기 위해 Dk

다음 멀티레이어 보드에서 PCB 기판 재료로 어떤 대체 재료를 사용하든, PCB 스택업과 물리적 레이아웃을 생성하기 위한 올바른 설계 소프트웨어가 필요합니다. Altium Designer^®는 어떤 애플리케이션에도 적합한 고급 PCB를 구축할 수 있는 도구로 제작되었습니다. 스택업 재료는 다양한 재료에 대한 관련 전기 및 기계 사양을 컴파일하며, 이 도구는 통합 설계 환경에서 설계, 시뮬레이션 및 문서화 기능과 직접 연동됩니다.

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