PCB 기판에 두꺼운 FR4를 사용해야 할까요, 얇은 FR4를 사용해야 할까요?

아이들과 함께 파이를 만들어 본 적이 있다면, 파이 껍질의 두께가 중요하다는 것을 알고 있을 겁니다. 너무 얇으면, 파이는 속재료의 뒤섞인 잔해로 무너져 내립니다. 너무 두껍다면, 마치 빵 한 덩어리를 씹고 있는 것 같을 겁니다. 두께를 딱 맞게 조절하는 것이 파이를 맛있게 만드는 비결입니다.

PCB 기판 재료가 비전도성이며 전류를 운반하지 않음에도 불구하고, FR4 PCB 기판의 두께는 보드의 구조적 강도를 결정할 뿐만 아니라 전력 및 신호 무결성에도 영향을 미칩니다. 디자이너로서의 여러분의 임무는 스택업을 위해 적절한 세트의 라미네이트를 결합하여 보드가 원하는 두께를 갖도록 하는 것이며, PCB에서 원하는 어떤 두께에도 도달할 수는 없습니다. 보드에 사용해야 할 두께가 무엇인지, 얼마나 두껍거나 얇게 만들 수 있는지 확신이 서지 않는다면, FR4 두께에 대한 이 지침을 읽어보세요.

FR4 두께 설계 고려 사항

PCB의 표준 두께는 1.57mm입니다. 일부 제조업체는 0.78mm 또는 2.36mm와 같은 특정 두께를 수용할 수 있습니다. "두꺼운" 또는 "얇은" FR4에 대해 이야기할 때, 일반적으로 1.57mm의 표준 두께와 비교하는 것입니다. 제조업체의 공정이 처리할 수 있다면, 사용 가능한 코어 및 프리프레그 라미네이트 두께를 조합하여 PCB의 두께를 원하는 대로 선택할 수 있습니다.

라미네이트를 선택하고 레이어 스택업을 설계하기 전에, 보드 두께와 관련된 다음과 같은 디자인의 측면을 고려하세요:

폼 팩터

PCB에 엄격한 폼 팩터 요구사항이 있거나 매우 얇은 인클로저에 맞아야 하나요? 일부 디자인은 무거운 구성 요소를 지원하거나 기계적으로 거친 환경을 견디거나 기계적 지지대에 맞추기 위해 더 두꺼운 보드가 필요합니다(군사 및 항공우주 임베디드 시스템의 고속 백플레인이 한 예입니다). 이러한 제약은 보드 두께를 특정 값으로 제한할 수 있습니다.

구성 요소 및 엣지 연결

장치에 인쇄 회로 기판이 특정 PCB 두께를 가져야 하는 구성 요소가 있습니까? 엣지 커넥터와 고전류 변압기와 같은 더 큰 스루홀 구성 요소는 PCB 스택업이 올바른 두께를 가져야 합니다. 일부 구성 요소 데이터시트와 응용 노트는 다양한 이유로 특정 구성 요소에 대한 최소 PCB 두께를 명시할 수 있으며, 이러한 사항은 PCB 스택업을 설계할 때 고려해야 합니다.

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이것이 중요한 예제 구성 요소는 아래에 표시된 SMA 엣지 커넥터입니다. 이 커넥터에서 커넥터 본체의 상단 및 하단 스포크는 약 60-70 mil 두께의 PCB를 수용하도록 설계되었습니다. 이 특정 유형의 커넥터를 사용하려면 이 값을 초과할 수 없으며, 이 경우 홀 장착 스타일의 SMA를 사용해야 합니다. 이 값을 아래로 조정할 수는 있지만, 그러면 이 스타일의 엣지 커넥터와 관련된 일부 기계적 강도를 잃게 되며, 이는 주요 이점 중 하나입니다.

SMAs는 가장 잘 알려진 엣지 커넥터 스타일 중 하나이지만, 표면 실장 장치로 엣지에 장착되거나 프레스 핏 장착을 허용하는 라우팅된 컷아웃을 사용하는 다른 스타일도 있습니다. 아마도 세계에서 가장 흔한 커넥터 중 하나인 USB 커넥터는 특정 PCB 두께에 의존하는 후자 유형의 커넥터의 대표적인 예입니다.

아래 이미지는 PCB에 장착된 USB 커넥터의 PCB 풋프린트를 보여주며, 장착을 위해 표시된 라우팅된 홀들을 보여줍니다. 이 홀들은 표준화되어 있으며 PCB 엣지에 장착된 USB 커넥터의 기계 도면에 표시될 것입니다. 이 홀들을 통해 맞는 탭들은 PCB 엣지를 따라 구성 요소를 고정하는 데 도움이 될 것입니다.

PCB에서 사용할 수 있는 최종 유형의 엣지 마운트 연결은 PCB 엣지에 금손가락을 사용하는 것입니다. 이 보드들은 보드 엣지를 따라 금손가락과 접촉하는 슬롯 커넥터에 장착될 것이며, 이 커넥터들은 전체 보드 두께가 특정 범위 내에 있어야 합니다. 대부분의 디자이너들은 RAM 모듈, PCIe 카드, 딸깍방울, 솔리드 스테이트 드라이브 및 키 슬롯 커넥터를 따라 금손가락을 잘 알고 있을 것입니다.

트레이스 임피던스

트레이스와 가장 가까운 기준면(인접한 층에) 사이의 거리는 트레이스 임피던스와 다층 보드의 유전 손실 수준을 결정합니다. 더 얇은 층 두께를 사용하려면 더 얇은 트레이스가 필요합니다. 특정 커넥터나 IC 패키지를 수용하기 위해 특정 트레이스 폭을 디자인하려는 경우, 원하는 폭을 지원하기 위해 필요한 층 두께를 고려해야 합니다.

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필요한 층 두께가 보드 두께를 변경하지 않을 수도 있지만, 이는 사용 가능한 코어 및 프리프레그 라미네이트 두께에 따라 다릅니다. 제조업체에 사용 가능한 라미네이트가 무엇인지 확인하고 그 라미네이트 두께를 중심으로 디자인하는 것이 좋습니다. 디자인에서 특정 두께를 설정하고 그 두께가 제조 가능할 것으로 기대하는 것보다 낫습니다.

이에 대한 주의사항은 라미네이트 제조업체에서 제품 목록에 접근할 수 있다면 해당됩니다. 일부 라미네이트 생산자들은 두께 값이 포함된 다양한 코어와 프리프레그의 긴 목록을 제공할 것입니다. 제작소와 협의를 거쳤다면, 이러한 목록에서 선택하여 자신만의 스택업을 제안할 수 있습니다. 단, 제작자가 재료를 보유하고 있으며 이러한 접근 방식을 지원하기 위한 처리 능력을 갖추고 있는지 확인해야 합니다. 라미네이트 공급업체에서 찾을 수 있는 예시 목록은 아래와 같으며; 이 목록은 Isola의 FR408 재료에 대한 코어와 프리프레그 데이터의 단면을 보여줍니다.

고속/고주파 PCB

고속 장치를 다루고 있다면, FR4는 항상 최선의 선택이 아닐 수 있으며, 다른 저손실 재료가 바람직할 수 있습니다. 링크 길이가 짧다면, 손실은 부하 구성요소에서의 반사 손실에 의해 지배될 것이므로, 특수 저손실 라미네이트는 그다지 중요하지 않습니다. 더 긴 링크의 경우, 총 손실은 삽입 손실에 의해 지배될 것이므로, 가장 낮은 손실을 가진 라미네이트를 사용하면 링크 길이를 최대화하는 데 도움이 될 것입니다.

이러한 점들을 고려할 때는 트레이스 임피던스에서와 같은 점들을 고려해야 합니다. 층 두께가 전체 보드 두께보다 더 중요하지만, 전체 보드 두께는 여러분이 선택한 층의 조합에 의해 결정될 것입니다. 두꺼운 또는 얇은 라미네이트를 사용할 계획이라면, 층 두께가 손실에 미치는 영향에 대해 생각해 보세요. 고속 마이크로스트립의 경우, 더 두꺼운 유전체 층은 기판 내에 더 많은 전계선을 구속하므로 손실이 더 클 것입니다.

열 팽창, 비아 종횡비, 그리고 제조 가능성

보드 두께를 고려해야 할 다음 부분은 제조 가능성과 신뢰성 측면에서, 특히 열 팽창과 비아와 관련하여 중요합니다. 모든 재료는 온도가 높아짐에 따라 팽창할 것이며, PCB 내의 비아도 마찬가지입니다. 특히, 층 스택을 완전히 관통해야 하는 스루홀 비아의 경우 중요합니다. 보드 두께와 홀 크기에 따라, 비아 크기를 결정할 때 고려해야 할 두 가지 상충되는 점이 있습니다:

Layer Stackup Design

Reduce noise and improve signal timing, even on the most complex boards.

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• 큰 종횡비는 도금하기 어려울 수 있으며, 두꺼운 보드는 주어진 구멍 크기에 대해 더 큰 종횡비를 가질 것입니다
• 구멍 크기가 크면 보드가 두꺼워도 드릴링하고 도금하기가 더 쉽습니다
• 보드가 너무 두꺼우면 고용량으로 인해 도구 마모로 인한 비용이 증가할 수 있습니다
• 제조업체는 높은 종횡비를 수용하기 위해 펄스 도금 공정에서 투척 강도를 변경할 수 있습니다

높은 종횡비(10:1 이상)를 가진 관통 홀 비아는 열팽창으로 인해 제대로 도금되지 않으면 비아 배럴의 중앙 부근에서 열 순환하에 실패하기 쉽습니다. 사용하는 제조업체는 열 순환하에서 실패하지 않는 신뢰할 수 있는 PCB를 보장하기 위해 제작 공정에서 높은 종횡비 비아를 다루는 경험이 있어야 합니다. 두꺼운 보드를 보내기 전에, 실패를 방지하기 위해 충분한 벽 도금으로 비아를 생산할 수 있는 능력이 있는지 확인하세요.

물론, FR4 보드의 PCB 두께, 레이어의 표준 PCB 두께, 그리고 라미네이트 재료를 선택할 때 고려해야 할 설계 상의 여러 가지 절충점이 있습니다. CAD 도구와 Altium Designer^®의 규칙 검사 기능은 표준 FR4 두께를 기준으로 장치를 설계하는 것을 쉽게 만들어 줍니다. 자세한 내용을 알고 싶으시면, 오늘 Altium Designer의 전문가와 상담하세요.