PCB 프로젝트를 제작할 때 가장 먼저 해야 할 일 중 하나는 PCB 스택업을 정의하는 것입니다. 이를 위해서는 사용할 PCB 재료를 결정해야 합니다. 임피던스 제어 라인에 필수적인 유전 상수 값을 정의하려면 PCB 재료를 선택해야 합니다.
또한 비용, 기계적/전기적 특성, 내구성, 열적 특성 등 여러 가지 요소를 고려해야 합니다. 이러한 선택 때문에 신뢰할 수 있는 PCB 제작업체의 도움을 받아 결정을 내리는 것이 중요합니다. UET PCB (https://uetpcb.com/components-sourcing/)는 PCB 재료 선정 및 부품 관련 모든 요구 사항을 지원해 드릴 수 있습니다.
2026년 신형 PCB 소재 기술 vs. 기존 PCB 소재 기술
혁신이 이루어짐에 따라 재료 선택의 폭도 넓어졌습니다. 이 부분에서는 다음 시대에 등장한 다양한 재료들을 다룹니다.
FR4
예전에는 FR4가 가장 널리 사용되는 PCB 재료였습니다. 1968년에 도입된 FR4는 현재까지 PCB 제조의 표준으로 자리 잡았습니다. 오늘날 전자제품 PCB의 약 70~80%가 FR4를 사용하고 있습니다.
FR4의 특성:
- 효과적인 비용
- 기계적 강함
- 안정적인 유전 상수
- 우수한 전기 절연
- 우수한 열 저항성
- 좋은 내화학성
- 손쉬운 제작
하지만 FR4는 기계적 및 열적 한계를 가지고 있습니다. 이 소재는 단단한 구조를 지니고 있으며 유리 전이 온도(Tg)는 130°C~180°C, 분해 온도(Td)는 300°C~340°C입니다. 이러한 특성 때문에 FR4는 고온 및 가혹한 환경에 적합하지 않습니다. 또한 FR4는 유전 상수(Dk, 4.2~4.8)와 탄젠트 손실(Df, 0.015~0.025)의 변동성이 커서 주파수가 증가함에 따라 신호 품질이 저하될 수 있습니다. 이러한 이유로 오늘날에는 폴리이미드, 로저스, PTFE 등과 같은 다른 PCB 소재가 사용되고 있습니다.
폴리이 미드
폴리이미드 필름은 1960년대 후반에 유연 전자 제품 및 항공우주 분야에 사용하기 위해 개발되었습니다. 폴리이미드는 굽힘과 굴곡에 강할 뿐만 아니라 고온 및 가혹한 환경에서도 잘 견뎌냅니다. 이 PCB 소재는 FR-4보다 생산 비용이 더 높을 수 있지만, 여러 가지 주목할 만한 특성을 제공합니다. 폴리이미드는 스마트폰, 웨어러블 기기, 태블릿, 노트북 등에 플렉서블 또는 리지드-플렉서블 PCB로 널리 사용됩니다.
폴리이미드의 특성:
- 극한의 내열성
- 매우 유연함
- 높은 인장 강도
- 내진동
- 온도 및 주파수 범위에 걸친 전기적 안정성
- 초박형, 경량
- 높은 절연 저항
로저스
1980년대에 RF 및 마이크로파 시대가 도래했습니다. 고주파수 요구 사항이 증가함에 따라 PCB는 전기적, 열적, 기계적 특성에서 안정성을 갖춰야 했습니다. 그 결과, 저손실 FR4, PTFE 및 Rogers 소재가 개발되었습니다. 이러한 소재들은 각각 특정 RF 주파수 대역에서 장점을 가지며, 우수한 열적, 기계적 특성 및 제조 용이성을 제공합니다. 따라서 4G, 5G 및 IoT 통신 기기에서 Rogers PCB를 많이 찾아볼 수 있습니다.
로저스 재료 특성의 예로는 유전 상수(Dk), 손실 계수(Df), 구리 표면 거칠기(Rz/Ra) 등이 있습니다. 예를 들어, 로저스 기반 재료는 다음과 같은 특성을 가집니다.
로저스 소유 부동산:
- 낮은 유전 상수(Dk/εr)는 재질 등급에 따라 더 빠른 신호를 수용할 수 있음을 의미합니다(예: RO4000 – 500MHz ~ 20GHz, RO3000 – 30GHz, RT/duroid – 40~100GHz).
- 낮은 탄젠트 값((Df/tan δ))은 고주파수에서 신호 손실이 적다는 것을 의미합니다.
- 높은 열전도율과 낮은 열팽창 계수(CTE)는 각각 더 나은 열 확산재 역할을 할 수 있고 열이 증가함에 따라 팽창이 적다는 것을 의미합니다.
- 수분 흡수율이 낮다는 것은 습한 환경에서도 우수한 성능을 발휘할 수 있음을 의미합니다.
- 특정한 스트레스 상황에서도 크기와 모양을 유지할 수 있다.
PCB 재료 비용
이제 여러 PCB 재료 기술의 차이점을 알았으니 정확한 PCB 제작 비용 산정이 가능할 것입니다. 아래에서 특정 PCB 재료 사용 시 비용 대비 장점과 단점을 확인하세요.
FR4의 장점/단점
FR4는 비용 대비 최고의 성능을 제공합니다. FR4는 1GHz 미만의 주파수를 요구하는 거의 모든 범용 전자 장치에 적합합니다. 그러나 FR4는 고주파수에서 유전 상수(Dk)가 가변적이기 때문에 온도 변화에 따른 성능 저하를 제어하기 어렵습니다. 이러한 특성은 임피던스 제어 라인에 매우 중요합니다. 또한 높은 손실 탄젠트(Df)는 고주파수에서 신호 감쇠를 유발합니다. 따라서 마이크로파 또는 밀리미터파와 같은 고주파수 응용 분야에 FR4를 사용하면 안테나 효율이 떨어질 수밖에 없습니다.
폴리이미드의 장점/단점
프로젝트에 굽힘이 필요하고 높은 열적 또는 기계적 요구 사항이 있는 경우 폴리이미드가 적합합니다. 하지만 FR4와 마찬가지로 폴리이미드는 손실 탄젠트(Df)가 높고(0.0004~0.009) 유전 상수(Dk)가 가변적이라는 단점이 있습니다. 이러한 이유로 폴리이미드는 고주파 마이크로파/밀리미터파 응용 분야에는 거의 사용되지 않습니다.
하지만 폴리이미드는 항공우주, 석유 및 가스, 군사 분야와 같은 극한 환경에서 탁월한 성능을 발휘하며, 투자 대비 충분한 가치를 제공합니다. 또한 스마트폰, 웨어러블 기기, 밀폐형 비수리형 전자제품에도 폴리이미드는 매우 적합합니다.
로저스의 장점/단점
로저스 소재의 최적 활용 분야는 고주파 마이크로파/밀리미터파 PCB 설계입니다. 로저스 소재는 유전율(DK)과 투과율(DF) 측면에서 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 또한, 일부 로저스 소재는 FR4 PCB와 유사한 제조 용이성을 제공합니다. 이러한 특징은 테프론 기반 적층재인 PTFE라는 또 다른 고주파 소재에 비해 큰 장점입니다. PTFE는 추가적인 가공 공정이 필요하기 때문에 제조가 어렵습니다. PTFE는 특수 비트, 추가 도금 접착제, 그리고 특수 다층 적층 공정을 필요로 합니다. 이러한 공정상의 어려움 때문에 로저스는 PTFE보다 경제적인 대안이 될 수 있습니다.
로저스 소재는 4G, 5G 및 IoT 설계에 적용됩니다. 5G는 밀리미터파(30GHz~300GHz)까지 확장될 수 있는데, 이러한 PCB 설계에는 FR4나 폴리이미드 소재를 사용할 수 없습니다. 따라서 로저스 소재는 우수한 RF 성능과 제조 용이성 덕분에 현대 통신 시스템에서 선호되는 소재로 자리매김했습니다.
맺음말
FR4, 폴리이미드, 로저스(Rogers)는 현재 가장 널리 사용되는 PCB 소재 중 일부입니다. PCB 설계에 어떤 소재를 사용할지 신중하게 고려해야 합니다. 또한, 소재 선택 시에는 비용, 특정 용도, 제조 용이성 등을 반드시 고려해야 합니다. 이를 위해 UET PCB와 같이 해당 분야에서 풍부한 노하우와 경험을 보유한 PCB 제작 업체를 선택하는 것이 중요합니다. UET PCB는 15년 이상 전자 산업 분야에서 쌓아온 신뢰할 수 있는 파트너입니다.