가장 중요한 FR-4 재료 특성은 PCB가 견뎌야 하는 조건에 따라 달라집니다. 전기 신호, 조립 열, 작동 온도, 전압 스트레스, 습기, 기계적 하중 등을 고려해야 합니다. 유전율과 손실, 열팽창과 안정성, 절연 성능, 기계적 요구사항부터 확인하세요.
FR-4는 난연성 유리섬유 강화 에폭시 재료의 한 종류입니다. 특정한 하나의 배합이나 고정된 수치 특성을 가리키는 것은 아닙니다. 제품명이 명시된 라미네이트를 선택하고, 설계와 관련된 조건에서 해당 제품의 데이터를 평가하세요.
이 가이드에서는 이러한 특성을 해석하고, 후보 구조를 비교하며, 엔지니어링과 구매 부서 모두가 활용할 수 있는 요구사항을 PCB 공급업체에 전달하는 방법을 설명합니다.
핵심 요점
- 중요한 값의 근거가 되는 라미네이트 제품, 구조, 주파수, 온도, 시험 방법을 기록하세요.
- Tg는 분해, 팽창, 박리 및 장기 열 데이터와 함께 평가하세요.
- 스택업을 개발할 때는 구조별 전기 데이터를 사용하세요. 일반적인 FR-4 Dk 값만으로는 제품 출시 기준을 정하기에 충분하지 않습니다.
- 주문 전에 합격 기준과 대체품 승인 절차를 정하세요.
한눈에 보는 FR-4 재료 특성
값, 단위 및 시험 조건 참고 표
아래 예시는 공개된 Isola 370HR의 일반적인 값이며, 모든 FR-4에 적용되는 한계값이나 구매 사양으로 보장되는 값이 아닙니다. 시험 방법은 해당 제품의 370HR 데이터시트.
| 특성 | 일반적인 예시 값 | 시험 방법 또는 조건 | 선정 시 고려사항 |
|---|---|---|---|
| Tg | 180°C | DSC; IPC-TM-650 2.4.25C | 유리 전이 |
| Td | 340°C | TGA, 질량 손실 5%; 2.4.24.6 | 분해 |
| T260 / T288 | 60 / 30분 | 구리 제거 후 측정; TMA, 2.4.24.1 | 박리 |
| Z축 CTE | 45 / 230 ppm/°C | Tg 미만 / 초과; 2.4.24C | 두께 방향 팽창 |
| Dk / Df | 4.17 / 0.0161 | 1 GHz; 2.5.5.9 | 전기적 모델링 |
| 열전도율 | 0.4 W/(m·K) | ASTM E1952; 축 미지정 | 열 흐름 |
| 전기 강도 | 54 kV/mm | 2.5.6.2A | 절연 성능 선별 평가 |
| 흡습률 | 0.15% | 2.6.2.1A | 수분 반응 |
| 굴곡 강도 | 620 / 531 MPa | 길이 방향 / 횡방향; 2.4.4B | 기계적 강도 |
Dk와 Df는 무차원 값입니다. 방향이 명시되지 않은 값은 시뮬레이션의 모든 축에 적용해서는 안 됩니다.
일반적인 데이터시트 값과 구매 요구사항 비교
일반값은 보고된 재료 성능을 나타냅니다. 구매 요구사항은 무엇을 합격 또는 불합격으로 판정할지 정합니다.
중요한 특성은 한계값, 시험 방법, 전처리 조건 및 필요한 증빙에 합의하세요. 적합성을 재료 인증, 인증서 또는 지정된 시험 중 어떤 방식으로 입증하는지 확인하세요. 데이터시트의 모든 항목이 납품되는 모든 PCB에 대해 측정된다고 가정하지 마세요.
마찬가지로, 일반값을 도면에 그대로 옮긴다는 이유만으로 최솟값으로 바꾸지 마세요. 제안한 합격 요구사항을 공급업체가 충족할 수 있는지 확인하세요.
FR-4에 고정된 단일 물성값 세트가 없는 이유
수지 시스템, 유리 보강재, 코어 및 프리프레그
FR-4는 직조 유리 보강재와 에폭시 기반 수지 시스템을 결합한 재료입니다. 수지 배합, 유리 직물 종류, 수지와 유리의 비율은 최종 재료에 영향을 줍니다. 동박은 동박 적층 구조의 별도 구성 요소입니다.
다층 기판 제조에서 코어 은 경화된 적층판이며, 일반적으로 동박이 입혀진 상태로 공급됩니다. 프리프레그 에는 부분적으로 경화된 수지와 보강재가 포함되어 있으며, 적층 과정에서 층들을 접착합니다. 경화되지 않은 프리프레그 시트를 완성된 층으로 간주하지 말고, 설계에 필요한 완성된 유전체 구조를 지정하세요.
Isola의 재료 선택 지침에 따르면 수지, 보강재 및 동박의 특성이 전기적 성능에 영향을 줍니다. 따라서 적층판을 선택할 때는 스택업도 함께 고려해야 합니다. Isola 재료 선택 지침.
재료 지정, IPC 규격 및 UL 등급
각 표기는 서로 다른 내용을 나타냅니다:
- FR-4: 재료 등급을 나타냅니다.
- 제조업체 및 제품 지정: 특정 적층판 시스템을 식별합니다.
- IPC-4101 사양 시트: 지정된 경우 적용되는 기본 재료 요구사항을 식별합니다.
- UL 94 등급: 가연성 시험에서의 성능을 나타냅니다.
IPC-4101은 경성 및 다층 인쇄 회로 기판용 기본 재료를 다루며, 구조와 물성 요구사항을 포함합니다. 프로젝트에서 요구하는 경우 적용할 개정판과 사양 시트를 지정하세요. IPC-4101의 적용 범위 및 구성.
선택한 재료와 구조에 필요한 가연성 등급을 확인하세요. 가연성 등급은 연속 사용 온도를 규정하지 않습니다. UL은 가연성과 장기 열 평가를 별도로 다룹니다. UL 재료 시험.
전기적 특성: Dk, Df 및 절연 성능
주파수와 스택업에 맞는 Dk 및 Df 데이터 선택
유전율또는 상대 유전율은 정전용량, 전파 지연 및 전송선 임피던스에 영향을 줍니다. 유전 손실 계수손실 탄젠트라고도 하며, 유전체 손실을 나타냅니다.
재료를 비교할 때는 주파수, 시험 방법 및 구조를 일치시키세요. 설계 시에는 관련 주파수 범위에 대해 공급업체가 권장하는 Dk/Df 데이터 또는 모델이 무엇인지 확인하세요.
전송선의 유효 유전율 은 전자기장이 지나가는 위치에 따라 달라집니다. 예를 들어 표면 마이크로스트립의 전자기장은 기판 내부와 그 위쪽 공간 모두에 분포합니다. 따라서 해당 모델은 적층판의 벌크 Dk뿐 아니라 기하 구조도 고려해야 합니다.
Df만으로 전체 채널 손실을 예측할 수는 없습니다. 도체 손실, 동박 거칠기 및 임피던스 불연속도 영향을 줍니다. 따라서 모든 FR-4 구조가 부적합해지는 보편적인 주파수는 없습니다. 채널 길이와 손실 예산을 평가하세요. Isola 전송선 및 손실 분석.
중요한 신호선을 배선하기 전에 구조, 완성된 유전체 두께, 동박, 전기 모델 및 임피던스 목표를 합의하세요. 전체 스택업 설계 절차는 임피던스 제어 PCB 설계 가이드 를 참조하세요.
절연 내력, 저항률 및 CTI
이러한 특성은 서로 다른 절연 성능을 나타냅니다:
- 절연 내력: 지정된 시험 조건에서 단위 두께당 절연 파괴 전압입니다.
- 체적 저항률 및 표면 저항률: 재료 내부 또는 표면을 따라 전류가 흐르는 것에 대한 저항.
- 비교 트래킹 지수(CTI): 시험 조건에서 절연 표면을 가로질러 전도성 트랙이 형성되는 것에 대한 상대적 저항.
IPC는 다음 항목에 대해 별도의 시험 방법을 제공합니다 전기적 강도 과 체적/표면 저항률. UL은 CTI를 다음 항목에 대한 별도의 평가로 설명합니다 트래킹 저항.
데이터시트의 절연 파괴값에 기판 두께를 곱한 결과를 승인된 사용 전압으로 간주하지 마십시오. 적용되는 간격, 환경 및 검증 요건을 포함하여 제품 수준에서 절연 요건을 설정하십시오.
열적 특성: Tg, Td, 팽창 및 열 흐름
Tg, 분해, 박리 시간 및 장기 온도 등급
Tg는 유리 전이 영역을 나타냅니다, 이 영역에서는 수지의 강성 및 팽창 거동이 변합니다. 이는 녹는점도 아니고 완전한 사용 온도 등급도 아닙니다. DSC는 열용량 거동을 통해 전이를 측정하고, TMA는 치수 변화를 살펴봅니다. 결과를 비교할 때는 측정 방법을 동일하게 유지하십시오. IPC DSC 시험 방법, IPC TMA 시험 방법.
Td는 열분해와 관련이 있습니다. 질량 손실 기준이 중요합니다. IPC의 TGA 방법은 2% 및 5% 손실 시의 온도를 모두 보고합니다. 한 재료의 2% 손실 값을 다른 재료의 5% 손실 값과 비교하면 오해를 불러일으킬 수 있습니다. IPC 분해 온도 시험 방법.
T260 및 T288은 지정된 시험 온도에서 박리까지 걸리는 시간을 나타냅니다. 시편 준비와 동박 상태가 중요합니다. 이 측정값은 완성된 조립체가 몇 차례의 리플로 공정을 견딜 수 있는지는 나타내지 않습니다. IPC 박리 시간 시험 방법.
상대 열지수(RTI)는 장기 열 노화를 다룹니다. RTI는 해당 인정 조건과 전체 제품 평가의 맥락에서 고려해야 합니다. UL의 열 노화 시험은 단기 열 특성 평가와는 별개입니다. UL 열 평가.
실무적으로는 예상 사용 온도, 납땜 프로파일, 재작업 시 열 노출 및 신뢰성 요건을 함께 검토해야 합니다. 높은 Tg 값만으로는 이 검토를 대신할 수 없습니다.
Tg 미만 및 초과에서의 X/Y축 및 Z축 CTE
열팽창계수는 온도에 따른 치수 변화를 나타냅니다. X와 Y는 기판 평면 방향이고, Z는 두께 방향입니다.
각 CTE 값의 방향과 온도 구간을 확인하십시오. Tg 미만의 계수는 전이점을 통과하는 전체 온도 변화 구간을 나타낼 수 없습니다. 또한 ppm/°C로 표시된 계수와 명시된 구간에서의 총 팽창률을 백분율로 나타낸 값을 구분하십시오. IPC 열팽창 시험 방법.
비아 신뢰성을 검토할 때는 기판 두께, 홀 형상, 도금 및 예상 열 사이클과 함께 라미네이트의 두께 방향 팽창을 고려하십시오. CTE는 해당 평가의 입력값 중 하나일 뿐, 단독으로 신뢰성을 보장하지는 않습니다.
열전도율과 전체 기판의 열 경로
열전도율은 열 전달 특성을 나타냅니다. 이는 수지가 열 노출을 견디는지와는 다른 질문에 답합니다.
부품이 지나치게 뜨거워지면 기판과의 접합부, 동박의 열 확산, 열 비아, 접합면, 공기 흐름 및 방열판을 포함한 전체 냉각 경로를 검토하십시오. Tg를 높이는 것만으로 방열 성능이 개선된다고 볼 수는 없습니다.
시뮬레이션에는 방향에 맞는 재료 데이터를 사용하고 동박은 별도로 모델링하십시오. 패턴 동박과 비아가 포함된 완성된 다층 기판에 라미네이트의 열전도율 값 하나를 그대로 적용하지 마십시오.
기계적 특성 및 수분: 추가로 확인할 사항
기계적 하중을 받는 기판에서는 다음을 구분하십시오 강도 와 강성. 강도는 하중에 따른 파손과 관련이 있고, 탄성률은 변형에 대한 저항을 나타냅니다. 기판 두께, 지지 위치 및 장착 하중도 기계적 평가에 포함해야 합니다.
강화 라미네이트를 비교할 때는 시험 방향을 동일하게 유지하십시오. IPC의 굴곡 강도 시험 방법은 길이 방향 및 폭 방향 시편을 명시적으로 요구합니다. 공정 또는 재작업 응력이 중요한 경우에는 동박 접착력을 별도로 검토해야 합니다. IPC 굴곡 강도 시험 방법.
수분 흡수도 시험 방법에 따라 달라집니다. 예시 표에서 참조한 흡수율 시험 방법은 시편을 조절한 뒤 지정된 24시간 침지 후의 질량 증가를 측정합니다. 이 결과가 모든 습도 노출을 나타내는 것은 아니며, 완성된 기판의 전기적 신뢰성을 입증하지도 않습니다. IPC 수분 흡수 시험 방법.
습도가 높고 전기적 바이어스가 가해지는 응용 분야에서는 흡수율 데이터 외에도 관련 절연 신뢰성 근거를 요청하십시오. 제조업체와 보관 및 조립 전 취급 요건을 확인하십시오.
예제: FR-4 데이터시트 읽기
제품, 개정판, 구조 및 시험 조건 확인
가상 시나리오: 한 팀이 임피던스 제어 신호가 있는 6층 컨트롤러를 개발하고 있습니다. 제안된 코어 구조 두 가지는 라미네이트 제품명과 공칭 두께가 같습니다. 구매 담당자는 두 구조를 서로 대체해도 되는지 문의합니다.
엔지니어는 문서 개정판을 기록합니다. 370HR 제품 데이터시트는 개정판 E를 명시하고, 별도의 구조 표는 2020년 3월 16일자 개정판 C를 명시합니다. 각 수치는 해당 출처와 함께 기록됩니다.
공통 1 GHz 비교 기준에서 구조 표에는 다음과 같이 기재되어 있습니다:
| 370HR 코어 구조 | 수지 함량 | 공칭 두께 | Dk | Df |
|---|---|---|---|---|
| 2116 글라스 1장 | 47% | 0.102 mm | 4.26 | 0.018 |
| 106 글라스 1장 + 1080 글라스 1장 | 60% | 0.102 mm | 4.00 | 0.021 |
이는 공개된 참고 데이터이며 합격 기준이 아닙니다. 별도 표에는 이러한 항목의 시험 방법이 명시되어 있지 않습니다. Isola 370HR 구조 표.
설계에서 비교하거나 사용할 수 있는 값을 판단하기
비교 결과, 제품명과 공칭 두께가 같다고 해서 전기적 특성까지 동일한 것은 아닙니다.
엔지니어링 측면에서 다음과 같이 대응해야 합니다:
- 실제로 제안된 구조를 확인하고 해당되는 최신 데이터를 확보합니다.
- 제조업체와 모델 및 완성 치수를 합의합니다.
- 변경을 승인하기 전에 임피던스와 채널 성능을 다시 계산합니다.
- 승인된 구조와 대체 적용 조건을 기록합니다.
제품 수준의 표와 이 비교만으로는 완성품의 임피던스를 예측하기에 정보가 충분하지 않습니다. 또한 이 사례는 특정 구조가 항상 더 우수하다는 점을 입증하지 않습니다. 선택은 회로와 적층 구성에 따라 달라집니다.
라미네이트 선택 및 대체품 검토 방법
설계의 핵심 제한 요건부터 살펴보세요. 다음 표는 보편적인 재료 권장 사항이 아니라 실무적인 검토 틀입니다.
| 주요 고려 사항 | 요청할 증빙 | 결정할 사항 |
|---|---|---|
| 임피던스 또는 전파 지연 | 구조별 Dk 모델 및 완성 적층 구성 | 트레이스 형상과 공차 확인 |
| 채널 손실 | 관련 주파수 대역의 Df, 동박 프로파일, 채널 분석 | 제안된 라미네이트를 유지하거나 손실이 더 낮은 대안을 검토 |
| 조립 및 열 사이클링 | Tg 시험 방법, Td 기준, 팽창, 박리 데이터, 관련 인증 | 예정된 열 노출 조건에 적합한지 확인 |
| 열 제거 | 방향별 열전도도 및 전체 열 모델 | 열 경로를 개선하거나 다른 구조를 검토 |
| 절연 및 습도 | 요구되는 전기적 특성 및 관련 환경 시험 근거 | 제품 수준의 절연 요건 확인 |
| 비용 및 공급 연속성 | 제안 재료, 구조의 공급 가능성, 납기, 대체품 문서 | 문서화된 조달 전략 승인 |
더 폭넓은 대안을 알아보려면 다음을 참조하세요: PCB 소재 선택 가이드 .
대체품을 검토할 때는 다음 두 가지를 구분하세요: 규격 충족 와 검증된 설계 유지. 동일한 최소 요건을 충족한다고 해서 전기적 특성이나 제조 반응까지 동일한 것은 아닙니다.
기판에 중요한 특성을 기준으로 비교 자료를 요청하세요. 필요한 경우 구조, 동박, 시험 방법 및 인증 상태의 변경 사항을 문서화한 뒤, 분석이나 인증을 다시 수행해야 하는지 결정하세요. 구매 부서에는 승인, 조건부 승인 또는 거부 중 하나로 명확히 전달해야 합니다.
FR-4 PCB 문의에 포함할 내용
효과적인 문의에는 제조 파일과 함께 파일만으로는 전달할 수 없는 작동 요건이 포함됩니다.
- 용도 및 환경: 기능, 예상 기판 온도, 습도, 전압 스트레스 및 기대 사용 수명.
- 조립 공정 노출: 예정된 납땜 공정, 사용 가능한 프로파일 및 예상 재작업.
- 기판 구조: 층수, 완성 두께 및 공차, 동박 요구사항, 제안된 적층 구조.
- 전기적 목표: 임피던스 값 및 공차, 해당 주파수 범위, 중요 채널 길이, 손실 또는 지연 한계.
- 재료 요구사항: 필수 제조업체/제품, 적용 사양 및 개정판, 또는 재료 선택이 자유로운 경우 측정 가능한 성능 기준.
- 수락 기준 및 문서화: 필요한 물성 한계, 시험 방법, 시험 전처리 조건, 인증서, 추적성 및 합의된 시험 보고서.
- 대체 재료 정책: 대체 재료 허용 여부 및 승인 담당자.
- 상업적 요구사항: 시제품 및 양산 수량, 납기 목표, 공급 지속성 요구사항.
정확한 재료가 아직 결정되지 않았다면, 공급업체에 제안하는 적층판과 구성을 밝히고 명시된 요구사항을 어떻게 충족하는지 설명해 달라고 요청하세요.
성능에 민감한 작업의 경우, 다음과 같이 문의하면 유용합니다:
제안하는 적층판의 제조업체와 제품, 코어 및 프리프레그 구성, 관련 데이터시트의 개정판을 알려 주세요. 제공된 요구사항과 다른 점이 있으면 명시해 주세요. 승인된 재료나 구성을 변경하기 전에 서면으로 엔지니어링 승인을 받으세요.
목표는 실제 PCB 설계와 연계된 재료 사양에 합의하는 것입니다. 스택업, 제작 파일 및 작동 요구사항을 보내실 때는 다음 문의 양식을 이용하세요: LEADHUI PCB에 FR-4 PCB 문의하기.
