FR4 대 로저스: 어떤 PCB 재료를 선택해야 할까요?

전통적으로 제조업체들은 열에 대한 저항성이 있어 생산 비용이 낮은 소재로 PCB(인쇄 회로 기판)를 만들어 왔습니다. 전자 산업이 고주파 응용 분야로 확장됨에 따라 FR4만으로는 부족합니다. 일부 장비는 극한 온도에 노출되지 않더라도 RF 또는 라디오 주파수에서 작동해야 할 수 있습니다. RF가 요구하는 극한 성능 조건에 따라 PCB에서 최상의 기능을 발휘하려면 Rogers와 같은 특수 소재가 필요합니다. PCB 설계의 다양한 비아 유형에 관한 최신 글을 확인해 보세요. Rogers의 방대한 PCB 소재 포트폴리오는 다음을 포함한 다양한 응용 분야에서 활용됩니다:

• 5G NR mmWave 안테나
• 위성 통신
• 레이더 시스템
• 자동차 센서
• 항공우주 항전 장비
• 고속 데이터 통신
• 시험 계측 장비

Rogers PCB 소재가 이 최첨단 전자공학 분야에서 왜 탁월한 솔루션인지 살펴보겠습니다.

FR4란:

FR4는 열경화성 유리 직물 강화 에폭시 수지 복합재입니다. 대부분의 PCB의 기반이 되는 전통적인 소재로, 난연 레벨 4(Flame Retardant Level 4)의 약어입니다. 에폭시와 유리섬유로 만든 복합 소재로, 제조업체들이 시트 형태로 성형하여 한쪽 또는 양쪽에 구리 박으로 라미네이팅합니다.

FR4의 주요 속성 및 특성:

저비용 - FR4는 가장 경제적인 PCB 기판 소재 중 하나입니다.

중간 수준의 유전율 - 1 MHz에서 약 4.5

중간 수준의 손실 탄젠트 - 1 MHz에서 약 0.02

하지만 FR4는 유전체 손실로 인해 높은 주파수에서 성능 한계가 있어 많은 RF 응용 분야에 부적합합니다. 상대적으로 높고 불일치한 유전율과 손실 탄젠트도 FR4를 정밀 아날로그 및 고속 디지털 회로에 부적합한 선택으로 만듭니다.

Rogers란:

FR-4와 달리 Rogers 기판 소재는 다양한 조성을 제공합니다. 일부는 유리 대신 세라믹 베이스를 사용합니다. 탄화수소로 강화된 직조 유리 등 다양한 조성이 있으며, PTFE에 매우 근접한 전기적 성능을 제공합니다.

Rogers 소재의 주요 속성:

안정적인 유전율 - 엄격하게 제어되며 소재에 따라 2.9~10.2 범위에서 변동

낮은 손실 탄젠트 - 10 GHz에서 약 0.0009~0.002

우수한 고주파 성능 - mmWave 주파수까지 낮은 신호 손실

낮은 열팽창 - 신뢰성을 위해 구리의 열팽창 계수와 일치

정밀한 유전체 특성, 구리와의 긴밀한 일치, 낮은 손실로 Rogers는 고성능 마이크로파, 통신, 항공우주 및 고신뢰성 응용 분야에 이상적인 선택입니다. 하지만 특수 소재 조성으로 인해 Rogers는 면적당 FR4에 비해 5~10배 더 비쌉니다.

Rogers PCB 소재의 유형:

Rogers는 다양한 응용 분야를 위한 여러 종류의 PCB 소재를 제조합니다. 다음과 같은 유형이 있습니다:

FR-4와 Rogers 소재의 7가지 주요 차이점:

1. 동작 주파수

FR-4와 Rogers 소재로 만든 보드의 주요 차이점은 응용 분야에 있습니다. FR-4로 만든 PCB는 동작 주파수가 특정 범위 내에 있을 때만 제대로 작동합니다. 반면 Rogers 소재로 만든 PCB는 훨씬 넓은 주파수 범위에서 성능을 발휘할 수 있습니다. 예를 들어, FR-4 PCB가 10 MHz에 겨우 도달하는 반면, Rogers PCB는 500 MHz를 훨씬 넘어서는 응용 분야에서도 잘 작동합니다.

2. 소재 경도

FR-4와 Rogers 소재 사이에는 소재 경도에서 상당한 차이가 있습니다. FR-4는 주로 에폭시 수지로 꽤 단단합니다. 반면 탄화수소 기반인 Rogers 소재는 상대적으로 더 부드럽습니다.

3. 처리 기술

Rogers 소재는 고주파 동작을 위한 것이지만 PTFE 마이크로파 PCB 소재와는 다릅니다. Rogers 시리즈 소재는 관통 홀 처리를 위한 특수 처리 등 별도의 특수 처리가 필요하지 않으며, 추가적인 기술 공정도 필요하지 않습니다.

FR-4 소재는 에폭시 유리 직물 라미네이트로, 안정적인 전기 절연, 부드러운 표면, 우수한 평탄도, 기공 없음을 제공합니다. 우수한 전기 절연이 필요한 제품에 적합합니다. 또한 PCB 드릴링용 보조 기판, FPC 강화재, 유성 기어, 테스트 플레이트, 모터 절연재 등 다양한 용도에도 적합합니다.

4. 비용

비용은 전자 장비에서 중요한 요소입니다. 고객들은 최고의 경제적 성능을 가진 PCB를 제공하는 제조업체를 찾습니다. FR-4로 보드를 만들면 비용을 절감할 수 있지만, 이 소재는 저주파 및 중간 온도 환경에서 작동하는 제품에 적합합니다. 반면 고속 동작이나 고온이 필요한 응용 분야에는 Rogers 소재가 더 비싸더라도 더 적합합니다.

5. 임피던스 안정성

FR-4 소재의 최대 유전율은 4.5입니다. 이에 비해 Rogers 소재의 유전율은 약 2.2~12.85입니다. Rogers 소재의 높은 유전율은 높은 임피던스 안정성에 기여합니다.

6. 열적 성능

고속으로 작동하는 응용 분야에서는 PCB가 과열되어 작동 문제를 일으키지 않도록 더 나은 열용량을 갖춰야 합니다. 더 높은 열 성능을 갖춘 Rogers PCB는 고온 및 고속 응용 분야에서 FR-4보다 더 나은 성능을 발휘합니다.

7. 신호 무결성

Rogers PCB 소재의 소산 인수는 0.004%입니다. 이에 비해 FR-4 소재의 소산 인수는 0.02%입니다. Rogers PCB 소재의 현저히 낮은 소산 인수는 신호 손실을 크게 줄여 신호 무결성을 향상시킵니다.

결론:

이 글에서는 일반 FR-4와 Rogers PCB 소재의 종합적인 비교와 응용 분야에 가장 적합한 소재를 선택하는 방법을 제시했습니다. Rogers PCB 소재는 PCB 제조를 위한 특수 공정이 필요하지 않다는 장점이 있습니다. 적합한 경우, 설계자는 고주파를 처리하는 레이어에만 Rogers 소재를 사용하고 다른 레이어에는 FR-4를 사용함으로써 Rogers 소재의 높은 비용을 상쇄할 수 있습니다.

라디오 및 마이크로파 주파수, 모바일 네트워킹, 우주 기술을 포함한 인쇄 회로 기판 제조에서 Rogers PCB 소재는 FR4를 포함한 다른 어떤 PCB 소재와도 비교할 수 없는 성능을 제공합니다. 다른 소재에 비해 더 비싸지만, 인쇄 회로 기판이 불리한 환경 조건에서 높은 주파수와 매우 높은 신뢰성으로 작동해야 할 때는 Rogers PCB 소재의 추가 비용이 충분히 가치 있습니다.