DFM 101: PCB 재료

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소개 PCB 설계자가 직면한 가장 큰 과제 중 하나는 PCB 제조 공정의 비용 동인을 이해하는 것입니다. 이 기사는 이러한 비용 요인(PCB 제조업체의 관점에서)과 제품 신뢰성에 영향을 미치는 설계 결정에 대해 논의하는 시리즈의 첫 번째 기사입니다.

DFM 제조를 위한 설계(DFM)는 고객의 조립 제조 공정 능력뿐만 아니라 기판 제조 공정 능력도 충족하는 인쇄 회로 기판을 최저 비용으로 설계하는 관행으로 정의됩니다. PCB 제작업체와의 초기 설계 참여를 대체할 수는 없지만 이 기사는 "성공을 위한 설계"에 도움이 되는 지침을 제공합니다.

표준 다층 재료 대부분의 PCB는 에폭시 유리(FR-4) 유전체와 구리 포일을 사용하여 제조됩니다. PCB는 구리 호일, 프리프레그, 코어의 세 가지 기본 재료 유형으로 구성됩니다.

그림 1: 양면에 구리가 적층된 완전히 경화된 유리-에폭시 재료의 예.

고주파(RF/마이크로파) 재료 고주파수 설계(1GHz 이상)에는 유전 상수와 소산 인자가 엄격하게 제어되는 재료가 필요합니다. 일반적으로 PCB에 사용되는 FR-4 재료는 원하는 제어 특성을 갖지 않습니다. 고주파 응용 분야에 사용되는 기판 재료는 원래 원하는 특성, 즉 유전 상수가 ±0.04로 제어되고 소산 계수가 0.0004로 제어되는 PTFE 수지 제제를 기반으로 했습니다. 이 값은 재료 유형 및 공급업체에 따라 다소 다를 수 있습니다. 오늘날 시장에는 PTFE를 포함하지 않지만 고주파 응용 분야에 사용할 수 있는 제어된 값을 갖는 다양한 재료가 있습니다.

재료 유형 부직포 유리, 직조 유리, 충전재의 세 가지 기본 재료 유형이 있습니다. 군용 사양 명칭은 GR(부직포) 및 GT, GX, GY(직포)입니다. 충전재에는 지정이 없습니다.

부직포 소재는 기판에 유리 마이크로섬유가 분산되어 있습니다. 이는 일반적으로 유전 상수(2.20-2.35)가 낮은 재료입니다. 소산 인자가 낮기 때문에 더 높은 주파수에서 매우 잘 작동합니다.

구리 포일 유형 두 가지 유형의 접착 동박을 사용할 수 있습니다. 전착(ED) 및 압연 어닐링(RA). 이들 포일의 차이점은 제조 공정과 접착력을 강화하기 위한 뒷면 처리입니다.

1. 전착동(ED)은 회전 드럼에 구리를 전기도금하여 수직 방향의 입자 구조를 만들어냅니다(그림 2). 드럼 표면 반대편의 구리 도금은 거의 "이빨"처럼 거칠고 추가 처리를 통해 강화됩니다. 톱니는 더 높은 박리 강도를 제공하지만 톱니의 깊이로 인해 고주파수에서 도체 손실이 증가할 수 있습니다.

그림 2: 회전 드럼에 전기 도금하여 만든 전착 구리.

2. 압연동(RA)은 주괴를 매우 얇은 포일로 압연하여 만듭니다. 입자 구조는 수평 방향입니다. 압연은 포일에 응력을 유발하므로 응력을 제거하려면 열 어닐링을 수행해야 합니다. 압연소둔동은 각 면의 마감이 동일하므로 뒷면에 인위적으로 생성된 톱니가 필요합니다. 이 톱니는 전착된 구리 깊이의 약 절반입니다. 이로 인해 압연소둔동은 전착동에 비해 박리강도가 약 절반 정도 된다. 이는 압연 어닐링된 구리가 13GHz 이상의 주파수에서 더 나은 성능을 발휘한다는 것을 의미합니다.

그림 3: 압연 어닐링(RA) 구리는 잉곳을 매우 얇은 포일로 굴려 만들어집니다.

박리 강도는 1인치 너비의 구리 호일 스트립을 기판에서 벗겨내기 위해 적용되어야 하는 힘의 양(인치당 파운드)입니다. 전착(ED) 1온스 구리의 일반적인 값은 인치당 9~11파운드이고, 압연 어닐링(RA) 1온스 구리는 인치당 4~6파운드입니다. 회로 트레이스가 좁아질수록 박리 강도가 감소합니다. 따라서 좁은 트레이스에 납땜하고 접착하려면 더 많은 주의가 필요합니다.