FR-4는 대부분의 인쇄 회로 기판에 사용되는 표준 기판 소재입니다. 직조 유리섬유 천과 에폭시 수지로 만든 단단한 복합재이며, 일반적으로 한쪽 또는 양쪽에 구리 회로를 형성할 수 있도록 동박 적층판 형태로 공급됩니다.

따라서 FR-4 PCB는 FR-4 기판 위에 제작된 회로 기판입니다. 전기 절연성, 기계적 강도, 내열성, 제조 용이성, 비용 측면에서 균형이 뛰어납니다. 이러한 장점 덕분에 FR-4는 소비자 가전부터 산업용 컨트롤러까지 다양한 제품에 기본 소재로 쓰입니다. 하지만 모든 주파수, 온도 또는 열 성능 요구 사항에 가장 적합한 소재는 아닙니다.

FR-4는 무엇을 의미하나요?

FR-4는 난연성 유리섬유 강화 에폭시 적층판의 등급을 나타냅니다. 이 용어는 흔히 다음과 같이 표기됩니다 FR4, FR-4, 또는 FR4 PCB; 모두 일반적으로 동일한 소재 계열을 가리킵니다.

이 명칭은 일반적으로 다음과 같이 이해됩니다:

  • FR: 난연성
  • 4: 재료 등급 지정

FR-4를 “불에 타지 않는” 소재와 혼동해서는 안 됩니다. 정해진 시험 조건에서 발화를 억제하고 불꽃의 확산을 제한하도록 설계되었지만, 과도한 열이나 전기적 결함, 지속적인 화염에 노출되면 손상될 수 있습니다.

FR-4 PCB는 어떤 재료로 만들어지나요?

일반적인 FR-4 PCB는 여러 층으로 구성됩니다.

층 또는 재료용도
동박패턴, 패드, 전원면 및 전기적 연결을 형성합니다
FR-4 코어견고한 구조적 지지와 전기 절연을 제공합니다
프리프레그다층 기판을 적층하는 데 사용되는 수지 및 유리 접착층
솔더 마스크구리를 보호하고 솔더 브리지의 형성을 방지합니다
실크스크린부품, 라벨 및 조립 정보를 표시합니다
표면 마감노출된 구리 패드를 보호하고 납땜성을 높입니다

2층 기판에서는 FR-4 코어의 양쪽 면에 동박을 접착합니다. 다층 기판은 여러 구리층과 코어, 프리프레그 시트를 열과 압력으로 함께 눌러 하나의 견고한 구조로 만듭니다.

직조 유리섬유는 강도와 치수 안정성을 제공합니다. 에폭시 수지는 유리섬유를 결합하고 구리층을 절연하며, 적층판의 화학적·열적 특성을 결정합니다.

FR-4가 널리 사용되는 이유

FR-4는 실용적인 엔지니어링상의 절충점을 제공해 PCB 기판의 주류 소재가 되었습니다.

뛰어난 기계적 성능

유리섬유 보강재 덕분에 FR-4는 단단하고 내구성이 뛰어납니다. 일반적인 취급, 조립 및 장착 과정에서 발생하는 응력을 저가의 종이 기반 적층판보다 잘 견딥니다.

우수한 전기 절연성

FR-4는 구리층과 패턴을 전기적으로 절연합니다. 따라서 다양한 저전압 및 일반 전자 제품에 적합합니다.

적절한 내열성

표준 FR-4는 기판을 올바르게 설계하고 가공하면 일반적인 납땜 및 조립 온도를 견딜 수 있습니다. 고Tg FR-4 등급은 무연 리플로 납땜, 반복 납땜 또는 고온 환경에서 사용 시 열로 인한 변형을 더 잘 견딥니다.

비용 효율적인 제조

FR-4는 널리 공급되며 거의 모든 PCB 제조업체에서 취급합니다. 또한 표준 드릴링, 도금, 패턴 형성, 식각, 솔더 마스크 및 조립 공정과 호환됩니다.

다양한 스택업 구성

FR-4는 단면, 양면 및 다층 PCB에 적합합니다. 다양한 기판 두께, 구리 중량, 비아 구조 및 임피던스 제어 스택업을 지원합니다.

FR-4의 주요 소재 특성

FR-4가 단일한 특정 소재를 뜻하는 것은 아닙니다. 적층판 공급업체와 제품 등급에 따라 특성이 크게 달라질 수 있습니다. 성능이 중요한 설계에는 선택한 적층판의 정확한 데이터시트를 항상 확인하세요.

유리 전이 온도(Tg)

Tg 는 에폭시 수지가 단단하고 유리 같은 상태에서 더 부드럽고 유연한 상태로 변하는 온도 범위입니다.

Tg를 넘으면 소재가 더 빠르게 팽창하고 기계적 안정성이 떨어질 수 있습니다. 고온에 반복적으로 노출되면 박리, 휨, 도금 관통홀 균열 또는 신뢰성 저하의 위험이 커질 수 있습니다.

일반적인 등급은 다음과 같습니다:

  • 표준 Tg FR-4: 일반적으로 약 130°C~150°C
  • 고Tg FR-4: 일반적으로 약 170°C 이상

무연 조립, 다층 기판, 고온 환경의 애플리케이션, 여러 차례 리플로우 공정이 필요한 제품에는 고Tg FR-4를 선호하는 경우가 많습니다.

분해 온도(Td)

Td 는 라미네이트가 화학적으로 분해되기 시작하는 온도입니다. 일반적으로 Td가 높을수록 심한 열 노출에 대한 저항성이 우수합니다.

Tg와 Td는 서로 관련이 있지만 같은 의미는 아닙니다. Tg는 수지의 물리적 전이를 나타내고, Td는 재료의 분해를 나타냅니다.

유전율(Dk)

Dk또는 비유전율은 신호 전파 속도와 임피던스에 영향을 줍니다.

FR-4의 Dk는 다음 요인에 따라 달라집니다:

  • 주파수
  • 수지 시스템
  • 유리 직물의 직조 방식
  • 유리와 수지의 비율
  • 온도
  • 흡습률
  • 라미네이트 제조업체

이러한 편차 때문에 FR-4는 많은 디지털 및 RF 설계에 적합하지만, 까다로운 마이크로파, 밀리미터파 또는 정밀 고주파 애플리케이션에는 적합성이 떨어집니다.

손실 계수(Df)

Df 는 유전 손실을 측정합니다. 주파수가 높을수록 Df가 크면 더 많은 신호 에너지가 열로 손실됩니다.

중간 정도의 주파수를 사용하는 디지털 회로에서는 FR-4의 손실이 대체로 허용 가능한 수준입니다. 고주파 RF, 고속 직렬 링크, 레이더 또는 저손실 마이크로파 시스템에는 특수 소재가 더 적합할 수 있습니다.

열팽창 계수(CTE)

CTE는 재료가 가열될 때 얼마나 팽창하는지를 나타냅니다. FR-4는 X-Y 평면과 Z축 두께 방향에서 서로 다르게 팽창합니다.

Z축 방향의 팽창은 비아와 도금 관통 홀이 반복적인 열 사이클을 견뎌야 하므로 다층 기판에서 특히 중요합니다. 고Tg 및 저CTE 소재는 까다로운 애플리케이션에서 신뢰성을 높일 수 있습니다.

흡습률

FR-4는 주변 환경의 수분을 흡수할 수 있습니다. 수분은 전기적 특성, 유전 특성, 납땜 성능 및 조립 중 열 응력에 영향을 줄 수 있습니다.

수분에 민감하거나 높은 신뢰성이 요구되는 애플리케이션에서는 보관, 베이킹, 취급 및 조립 관리가 중요합니다.

표준 FR-4와 고Tg FR-4 비교

특징표준 FR-4고Tg FR-4
일반적인 용도일반 전자제품더 높은 온도 또는 더 높은 신뢰성이 요구되는 기판
내열성일반적인 조립에 적합반복적인 리플로우 또는 무연 리플로우에 더 적합
Z축 신뢰성많은 설계에 충분함대체로 향상됨
비용일반적으로 낮음일반적으로 높음
적합한 용도소비자 제품, 기본 산업용 제품, 표준 다층 기판고밀도 다층 기판, 자동차용, 산업용, 열 응력 환경

고Tg 소재가 항상 필요한 것은 아닙니다. 기판의 적층 구조가 단순하고 열 노출이 심하지 않으며 일반적인 조립 요구사항을 충족하면 표준 FR-4가 가장 경제적인 선택일 수 있습니다.

열 응력, 다층 구조의 복잡성, 무연 공정 또는 현장 신뢰성 때문에 추가적인 여유가 필요하다면 고Tg FR-4를 사용하세요.

FR-4 PCB 두께와 동박 중량

일반적인 FR-4 PCB 두께는 다음과 같습니다:

  • 0.4 mm
  • 0.6 mm
  • 0.8 mm
  • 1.0 mm
  • 1.2 mm
  • 1.6 mm
  • 2.0 mm

일반적으로 많이 쓰이는 1.6 mm 기판은 흔히 사용되지만, 반드시 그래야 하는 것은 아닙니다. 기판 두께는 기계적 장착 조건, 커넥터 형상, 강성, 임피던스 요구사항, 열 요구사항 및 인클로저 설계를 고려하여 선택해야 합니다.

동박 중량도 중요합니다. 표준 PCB에는 1 oz 동박을 사용할 수 있으며, 전류가 많이 흐르는 애플리케이션에는 2 oz, 3 oz 또는 그보다 두꺼운 동박이 필요할 수 있습니다.

동박이 두꺼우면 전류 용량과 열 확산 성능이 향상되지만, 다음 항목에도 영향을 줍니다:

  • 패턴 폭과 간격
  • 에칭 가능성
  • 드릴 가공 및 도금
  • 층 적층 두께
  • 비용
  • 미세 피치 배선 옵션

FR-4 PCB 애플리케이션

FR-4 PCB는 매우 다양한 제품에 사용됩니다:

  • 가전
  • 컴퓨터 및 주변기기
  • 가전제품
  • 산업용 제어 장치
  • 전원 공급 장치
  • LED 조명
  • 자동차 전자제품
  • IoT 기기
  • 통신 장비
  • 테스트 계측기
  • 의료 기기
  • 교육 및 취미 프로젝트

대부분의 저주파 및 중주파 디지털 전자 회로에서는 FR-4를 합리적인 출발점으로 삼을 수 있습니다.

FR-4가 적합한 경우

다음과 같은 요구 사항이 있다면 FR-4 PCB를 선택하세요:

  • 견고하고 신뢰할 수 있으며 경제적인 기판
  • 표준 PCB 제조 및 조립
  • 일반적인 디지털, 아날로그 또는 저주파·중주파 RF 성능
  • 일반적인 재료를 사용한 다층 배선
  • 우수한 절연성과 기계적 강도
  • 폭넓은 공급업체 선택지
  • 주류 전자 제품에 적합한 검증된 소재

재료 특성만으로 요구 사항을 충족하고 특수 기판에 추가 비용을 지불해야 할 뚜렷한 기술적 이유가 없다면 FR-4가 특히 매력적인 선택입니다.

FR-4가 최선의 선택이 아닐 수 있는 경우

FR-4에는 한계가 있습니다. 설계에 다음 요구 사항 중 하나 이상이 있다면 대체 재료를 고려하세요.

초고주파 또는 저손실 RF 성능

마이크로파 및 밀리미터파 주파수에서는 FR-4의 유전 특성 변화와 손실 때문에 임피던스와 신호 동작을 제어하기 어려워질 수 있습니다. 특수 RF 라미네이트는 더 안정적인 Dk와 더 낮은 손실을 제공할 수 있습니다.

탁월한 열전도율

FR-4는 금속 코어 PCB, 알루미늄 기판, 세라믹 기판 또는 구리 코어 설계에 비해 열 절연성이 높습니다. 고출력 LED, 전력 모듈 또는 발열이 큰 회로에는 이러한 대안이 열 관리를 개선할 수 있습니다.

극한의 온도 또는 혹독한 환경

일부 자동차, 항공우주, 방위, 시추공 또는 산업 환경에서는 더 높은 열 안정성, 더 낮은 팽창률, 더 강한 내화학성 또는 특수 인증을 갖춘 재료가 필요합니다.

고전압 절연 요구 사항

표준 FR-4는 여러 고전압 설계에 적합할 수 있지만, 고전압 설계에서는 연면거리와 공간거리, 비교 트래킹 지수, 라미네이트 두께, 습도, 오염 및 안전 표준을 모두 평가해야 합니다. 일반 FR-4만으로 절연 설계가 해결된다고 가정하지 마세요.

유연성

FR-4는 경성 소재입니다. 플렉시블 회로나 리지드 플렉스 회로에는 폴리이미드 기반 플렉스 소재나 그 밖의 적합한 유연 기판이 필요합니다.

FR-4와 고속 PCB 설계

스택업과 재료 데이터가 적절히 관리된다면 FR-4는 임피던스 제어 배선, DDR 인터페이스, USB, 이더넷, PCIe 및 기타 직렬 링크를 포함한 다양한 고속 디지털 설계를 지원할 수 있습니다.

그러나 민감한 고속 설계에 사용하기에는 “FR-4”라는 사양이 지나치게 포괄적입니다. 제작 도면에는 다음과 같은 필수 라미네이트 시스템 또는 성능 목표를 명시해야 합니다:

  • 관련 주파수에서의 Dk 및 Df
  • 목표 임피던스
  • 층 스택업
  • 구리 두께
  • 코어 및 프리프레그 구성
  • 고 Tg 요구 사항
  • 저손실 소재 요구 사항
  • 임피던스 제어 허용 오차

특히 빠른 인터페이스의 경우 저손실 FR-4 변형 소재만으로 충분할 수 있습니다. 요구 사항이 더 까다로운 설계에는 특수 고속 또는 RF 라미네이트가 적합할 수 있습니다.

유리 직조 효과

FR-4에는 직조 유리 섬유가 포함되어 있습니다. 데이터 전송 속도가 높을 때, 수지와 유리 섬유가 고르지 않게 분포한 영역 위로 배선된 트레이스는 길이에 따라 유전 특성에 약간의 차이가 생길 수 있습니다.

이를 유리 직조 효과라고 합니다. 이는 매우 높은 속도의 차동 쌍에서 타이밍 스큐나 임피던스 변동을 유발할 수 있습니다.

가능한 완화 방법은 다음과 같습니다.

  • 중요한 차동 쌍을 유리 직조 방향에 비스듬히 배선하기
  • 유리 직조가 분산된 라미네이트 유형 사용하기
  • 유전율이 더 균일한 재료 구조 선택하기
  • 재료 선택과 적층 구조에 관해 제조업체와 협의하기

일반적인 회로에서는 이 문제가 거의 중요하지 않습니다. 하지만 고속 설계에서는 눈에 잘 띄지 않는 세부 사항이 예상외로 중요해질 수 있습니다.

실용적인 FR-4 PCB 설계 팁

  1. 재료 등급을 신중하게 지정하세요.
    기본적인 보드에는 “FR-4”라는 표기만으로 충분하지만, 고신뢰성 또는 고속 제품에는 명확한 Tg, Dk, Df 또는 라미네이트 계열 지정이 필요할 수 있습니다.
  2. 습관이 아니라 용도에 맞춰 두께를 선택하세요.
    기계적·전기적 설계에 적합한 경우에만 1.6 mm를 사용하세요.
  3. 전류와 발열에 맞춰 동박 두께를 정하세요.
    두꺼운 동박은 전력 공급에 유리하지만 간격, 제조 용이성 및 비용에 영향을 줍니다.
  4. 임피던스에 민감한 신호에는 제어된 적층 구조를 사용하세요.
    제조업체에 명확한 임피던스 목표와 재료 데이터가 필요합니다.
  5. 열 응력을 고려해 계획하세요.
    필요한 경우 고Tg 재료, 열 비아, 동박 평면 및 적절한 부품 간격을 사용하세요.
  6. 습기와 보관 조건을 고려하세요.
    적절한 취급은 조립 및 신뢰성 위험을 줄여 줍니다.
  7. 설계를 확정하기 전에 제조업체에 문의하세요.
    재료 공급 상황, 적층 구조 옵션, 드릴 가공 한계, 동박 두께 및 임피던스 구현 능력은 공급업체마다 다릅니다.

최종 테이크아웃

FR-4는 대부분의 경질 PCB 제작에 사용되는 표준 유리섬유 강화 에폭시 재료입니다. FR-4 PCB는 이 절연 기판에 패턴이 형성된 구리층을 결합해 내구성이 뛰어나고 제조하기 쉬운 회로 기판을 만듭니다.

비용, 강도, 절연성 및 내열성의 균형이 뛰어나 FR-4는 대부분의 전자 제품에 적합합니다. 핵심은 FR-4를 하나의 고정된 사양이 아닌 재료 계열로 보고, 설계에 맞는 등급, 두께, 동박 두께 및 적층 구조를 선택하는 것입니다.