FR-4는 인쇄회로기판에 사용되는 가장 일반적인 재료로 유리섬유와 에폭시 수지로 구성됩니다. 강하고 가벼우며 절연성이 우수하여 많은 전자 제품에 가장 적합합니다. 이 기사에서는 FR-4의 구조, 특성, 등급, 한계 및 설계 요소에 대해 설명하고 언제 어떻게 사용해야 하는지에 대한 자세한 정보를 제공합니다.
씨1. FR-4 개요
씨2. FR-4 라미네이트 구조
씨3. FR-4의 전기적 특성
FR-4 개요
FR-4는 인쇄 회로 기판(PCB)을 만드는 데 사용되는 가장 일반적인 재료입니다. 유리 섬유와 에폭시 수지로 만들어져 강하고 전기 절연에 좋습니다. FR은 난연제를 의미하며 연소에 저항할 수 있지만 이것이 항상 엄격한 UL 94 V-0 화재 안전 표준을 충족한다는 의미는 아닙니다.
이 소재는 가볍고 내구성이 뛰어나며 가격이 저렴하기 때문에 인기가 있습니다. 또한 습기와 열에 잘 견디어 전자 회로를 안정적으로 유지하는 데 도움이 됩니다. FR-4가 사용되는 또 다른 이유는 많은 비용을 추가하지 않고도 단층 또는 다층 보드로 쉽게 성형할 수 있기 때문입니다.
FR-4 라미네이트 구조
이 이미지는 FR-4 라미네이트의 적층 구조를 보여줍니다. 인쇄 회로 기판(PCB)에 사용되는 가장 일반적인 재료입니다. 상단과 하단에서 동박 시트는 나중에 회로 패턴으로 에칭될 전도성 층을 형성합니다. 이 구리 시트 사이에는 에폭시 수지가 함침된 직조 유리 직물이라는 핵심이 있습니다. 유리 직조는 기계적 강도와 치수 안정성을 제공하는 반면, 에폭시는 섬유를 결합하고 강성을 추가합니다. 그들은 함께 단열하면서도 내구성이 뛰어난 베이스를 만듭니다. 동박, 유리 섬유 및 에폭시의 조합으로 FR-4는 강하고 난연성이 있으며 PCB 트레이스를 지지하고 보호하는 데 이상적입니다.
FR-4의 전기적 특성
| 매개변수 | FR-4 범위 |
|---|---|
| 유전 상수(Dk) | 3.8 – 4.8 |
| 손실 계수(Df) | \~0.018 – 0.022 |
| 절연 내력 | >50kV/mm |
| 안정성 | 주파수와 유리 직조에 따라 달라짐 |
FR-4의 열적 특성
| 재산 | 표준 FR-4 | 고급 FR-4 |
|---|---|---|
| 유리 전이 온도(Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| 분해 온도(Td) | >300 °C | >300 °C |
| 박리 시간(T260 / T288) | 낮은 저항 | 더 높은 저항 |
FR-4 두께 및 스택업 옵션
| 두께 / 유형 | 장점 | 제한사항 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 얇음(<0.5mm) | 가볍고 콤팩트하며 유연하게 만들 수 있음 | 깨지기 쉽고 조립 중 취급이 더 어렵습니다 | 표준(1.6mm) | 업계 기본값, 널리 사용 가능하며 비용 효율적입니다 | 초소형 또는 고밀도 설계를 제한할 수 있음 | 두께(>2mm) | 강성과 진동에 대한 저항력 향상 제공 | 전체 중량 및 비용 증가 |
| 맞춤형 다층 스택업 | 임피던스 제어를 가능하게 하고, 고속 신호를 지원하며, EMI 차폐를 개선합니다. 정밀한 제조 공정이 필요하며 더 비쌉니다 |
PCB 설계에 FR-4 사용
• 가전제품 - 일상적인 사용과 기본적인 전력 요구 사항을 처리할 수 있는 안정적인 기본 재료를 제공합니다.
• 산업 제어 및 자동화 - FR-4는 시간이 지남에 따라 내구성과 일관된 기능이 필요한 시스템에서 꾸준한 성능을 제공합니다.
• 전원 공급 장치 및 변환기 - 매우 높은 주파수 이하에서 작동하는 회로의 경우 FR-4는 요구 사항을 충족하는 절연 및 성능을 제공합니다.
• 비용에 민감한 설계 - 예산이 중요한 경우 FR-4를 사용하면 신뢰성을 포기하지 않고 생산 비용을 낮출 수 있습니다.
FR-4의 한계 및 더 나은 대안
FR-4가 적합하지 않은 경우
• 고주파 회로 - 약 6-10GHz 이상에서 FR-4는 더 높은 신호 손실을 유발하므로 고급 RF 또는 마이크로파 설계에 적합하지 않습니다.
• 초고속 데이터 속도 - PCIe Gen 5 이상(25+ Gbps)과 같은 속도의 경우 FR-4는 너무 많은 지연과 삽입 손실을 추가하여 신호 무결성을 감소시킵니다.
• 고온 조건 - 표준 FR-4는 약 150°C 이상의 온도에 노출되면 더 빨리 분해되기 시작하므로 이러한 환경에서 장기간 사용하기에는 신뢰할 수 없습니다.
FR-4의 대안
| 재료 | 사용 사례 |
|---|---|
| Rogers 라미네이트 | 낮은 신호 손실이 필요한 RF 및 마이크로파 설계 |
| PTFE 복합재 | 정밀 고주파 회로를 위한 초저 유전 손실 |
| 폴리이미드 | 열악한 환경에서의 고온 내구성 |
| 도자기 | 스트레스 하에서의 극한의 성능 및 내구성 |
FR-4 등급 및 용도
표준 FR-4
표준 FR-4의 유리 전이 온도(Tg)는 약 130–150°C입니다. 전자 제품, 사무 기기 및 표준 산업 제어 시스템에 사용되는 가장 일반적인 등급입니다.
고Tg FR-4
High-Tg FR-4는 170–180°C 이상의 Tg를 제공합니다. 이 등급은 무연 납땜 공정에 필요하며 자동차 전자 제품, 항공우주 보드 및 더 높은 열 안정성이 필요한 기타 설계에 사용됩니다.
높은 CTI FR-4
High-CTI FR-4는 600 이상의 비교 추적 지수(CTI)를 제공합니다. 안전한 연면 거리와 공간거리가 필요한 전원 공급 장치, 컨버터 및 고전압 회로에 선택됩니다.
할로겐 프리 FR-4
할로겐 프리 FR-4는 표준 또는 고Tg 유형과 유사한 특성을 가지고 있지만 할로겐 기반 난연제를 피합니다. RoHS 및 REACH 환경 표준을 준수해야 하는 친환경 설계에 사용됩니다.
FR-4의 신호 무결성 문제
문제
FR-4는 강도를 위해 직조된 유리 직물을 사용하지만 이 직조는 완벽하게 균일하지 않습니다. 차동 쌍을 라우팅할 때 한 트레이스는 주로 유전 상수가 더 높은 유리 다발을 통과할 수 있고 다른 트레이스는 유전 상수가 낮은 수지를 통과할 수 있습니다. 이러한 고르지 않은 노출로 인해 신호가 약간 다른 속도로 이동하여 섬유 직조 스큐라고 하는 것이 생성됩니다.
영향
두 신호 간의 속도 차이로 인해 타이밍 불일치가 발생합니다. 높은 데이터 속도에서 이러한 불일치는 차동 스큐, 추가 지터 및 아이 다이어그램 폐쇄로 나타납니다. 이러한 효과는 신호 무결성을 감소시키고 고속 통신 채널의 성능을 제한할 수 있습니다.
솔루션
직조에 대해 10-15° 각도로 차동 쌍을 라우팅하면 트레이스가 유리 번들과 직접 정렬되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다. 3313 스타일과 같은 스프레드 유리 직물을 선택하면 유전 특성이 전반적으로 더욱 균일해집니다. 엇갈린 차동 쌍은 두 트레이스가 유사한 재료 혼합을 만나도록 합니다. 타이밍 시뮬레이션의 예산 스큐를 사용하면 제작 전에 이러한 효과를 예측하고 설명할 수 있습니다.
FR-4의 습기 및 신뢰성 위험
수분의 영향
• 리플로우 중 Tg 감소 - 흡수된 수분은 유리 전이 온도를 낮추어 납땜 중에 재료의 안정성을 떨어뜨리고 박리를 유발할 수 있습니다.
• 유전 성능 저하 - 고주파에서 수분은 유전 손실을 증가시켜 GHz 속도 설계의 신호 품질을 저하시킵니다.
• 전도성 양극 필라멘테이션(CAF) - 가장 심각한 위험 중 하나인 CAF는 구리 이온 이 전기 바이어스 하에서 에폭시를 통해 이동하여 트레이스 또는 비아 사이에 단락을 일으킬 수 있는 숨겨진 전도성 경로를 형성할 때 발생합니다.
습기 문제 감소
• 보드를 건조하고 밀봉하여 습기를 차단하십시오.
• 보드가 습기에 노출된 경우 사용하기 전에 구워주세요.
• 고밀도 또는 고전압 설계를 위해 CAF 내성 FR-4를 선택하십시오.
• IPC의 간격 규칙을 따라 반바지의 위험을 줄입니다.
FR-4 구매 전 확인해야 할 요소
• 혼동을 피하기 위해 라미네이트 등급과 IPC-4101 슬래시 시트를 지정하십시오.
• 의도한 작동 대역에 대한 주파수별 유전 상수(Dk) 및 손실 계수(Df) 값을 포함합니다.
• 무연 납땜 및 장기적인 열 안정성을 위해 Tg ≥ 170°C, Td > 300°C로 열 요구 사항을 확인합니다.
• 삽입 손실을 최소화하기 위해 고속 레이어에 대한 동박 거칠기를 호출합니다.
• 고전압 경로를 설계할 때 비교 추적 지수(CTI) 등급에 유의하십시오.
• 고밀도 비아 필드 또는 고전압 응용 분야를 위해 CAF 내성 라미네이트를 선택하십시오.
• 수분을 조절하고 박리를 방지하기 위해 취급 또는 보관 지침을 추가합니다.
• 섬유 직조 스큐를 줄이기 위해 차동 쌍에 대한 확산 유리 직물을 요청하십시오.
결론
FR-4는 강도, 절연 및 비용 효율성을 제공하므로 표준 PCB 재료로 남아 있습니다. 그럼에도 불구하고 고주파, 고속 또는 고온 조건에서는 한계가 있습니다. 전기적, 열적, 신뢰성 요소를 파악하고 올바른 등급을 선택하면 안정적인 성능을 보장하거나 설계에서 요구할 때 더 나은 대안으로 전환할 수 있습니다.
자주 묻는 질문 [FAQ]
FR-4의 IPC-4란 무엇입니까?
Tg, Dk 및 수분 흡수와 같은 FR-4 라미네이트 특성을 정의하는 표준입니다.
FR-4는 금속 코어 PCB와 어떻게 다릅니까?
FR-4는 일반 PCB용이고 금속 코어 PCB는 더 나은 방열을 위해 알루미늄 또는 구리를 사용합니다.
FR-4를 유연한 PCB에 사용할 수 있습니까?
아니요, FR-4는 단단합니다. 폴리이미드 층이 있는 리지드 플렉스 설계의 일부일 수 있습니다.
FR-4의 수분 흡수율은 무엇입니까?
약 0.10–0.20%로 제대로 굽거나 보관하지 않으면 안정성이 떨어질 수 있습니다.
FR-4는 고전압 회로에 적합합니까?
예, 높은 CTI 등급(CTI ≥ 600)이 전원 공급 장치 및 컨버터에 사용됩니다.
FR-4에서 동박 거칠기가 중요한 이유는 무엇입니까?
거친 호일은 신호 손실을 증가시킵니다. 매끄러운 호일은 고속 성능을 향상시킵니다.