열 저항 및 성능을 위한 PCB 기판 재료 비교

인쇄 회로 기판(PCB)은 스마트폰에서 의료 장비에 이르기까지 많은 기기의 중추 역할을 하는 현대 전자 제품의 핵심 부품입니다. 기판 재료의 선택은 특히 PCB 임피던스, 열 저항 및 전체 성능과 관련하여 PCB 설계의 핵심 요소입니다. 이 글에서는 세 가지 일반적인 PCB 기판 재료인 FR-4, 알루미늄, 세라믹의 열 저항과 성능을 비교하고, PCB의 열 성능을 최적화하려는 설계자들을 위한 권장 사항을 제공하겠습니다. 또한 다른 기판 재료들도 살펴보고, 이러한 재료들이 일반적으로 사용되는 응용 분야의 추가 예를 제공하겠습니다.

세 가지 일반적인 PCB 기판 재료

FR-4 기판 재료

（이미지 제공: Jichangsheng Technology）

FR-4는 PCB 제조에 널리 사용되는 기판 재료입니다. 직조 유리 직물과 난연 수지로 구성된 에폭시 기반 라미네이트 재료입니다. FR-4는 우수한 기계적 강도와 전기 절연 특성을 가지고 있어 많은 응용 분야에서 인기 있는 선택지입니다. 그러나 상대적으로 낮은 열 전도율로 인해 열을 발산하는 능력이 제한될 수 있습니다.
FR-4의 열 성능을 개선하는 한 가지 방법은 두꺼운 구리 층과 더 넓은 트레이스를 사용하여 방열 표면적을 늘리는 것입니다. 또 다른 옵션은 열 비아를 사용하여 부품에서 기판 반대편으로 열이 빠져나가는 경로를 제공하는 것입니다. 또한 설계자는 히트싱크를 사용하여 열 관리를 개선할 수 있지만, 이는 기판 비용을 증가시킬 수 있습니다.

알루미늄 기판 재료

알루미늄은 우수한 열 전도율과 높은 열 팽창 계수를 가진 금속 기반 기판 재료입니다. 열 발산이 중요한 고출력 응용 분야에서 자주 사용됩니다. 알루미늄 기판은 또한 히트싱크 또는 기타 냉각 솔루션의 기반으로도 사용될 수 있습니다.
알루미늄 기판의 한 가지 구체적인 예는 절연 금속 기판(IMS)으로, 알루미늄 층과 구리 층 사이에 얇은 절연 재료 층이 끼워진 구조입니다. 알루미늄 층은 우수한 방열을 제공하고, 구리 층은 좋은 전기 전도성을 제공합니다.
알루미늄 기판의 또 다른 응용 분야는 LED 조명입니다. LED는 상당한 양의 열을 발생시키며, 알루미늄 기판을 사용하면 그 열을 발산시켜 LED의 수명과 신뢰성을 증가시킬 수 있습니다.

세라믹 기판 재료

세라믹은 고출력 및 고주파 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 또 다른 기판 재료입니다. 세라믹 기판은 우수한 열 전도율과 기계적 강도를 가지고 있으며, 고온에서 작동할 수 있습니다. 또한 부식에 강하고 좋은 전기적 특성을 가지고 있습니다.
세라믹 기판의 한 가지 구체적인 예는 저온 공동 소성 세라믹(LTCC)으로, 여러 층의 세라믹 재료로 구성됩니다. 이 층들은 스크린 인쇄 공정을 사용하여 도전성 트레이스로 패터닝할 수 있어, 통합 수동 부품을 가진 복잡한 회로를 생성할 수 있습니다.
세라믹 기판은 마이크로파 및 무선 주파수(RF) 응용 분야와 같이 고주파 작동이 필요한 응용 분야에서 자주 사용됩니다. 또한 DC-DC 컨버터 및 모터 드라이브와 같은 전력 전자제품에도 사용됩니다.

기타 기판 재료

FR-4, 알루미늄, 세라믹 외에도 PCB 제조에 사용할 수 있는 다른 기판 재료들이 있습니다. 예를 들어, Rogers Corporation은 PCB에 사용할 수 있는 다양한 고성능 재료를 제공하며, 여기에는 높은 열 전도율, 낮은 유전 손실, 낮은 열 팽창 계수를 가진 재료들이 포함됩니다. 또 다른 예는 PTFE 기반 재료로, 우수한 전기적 특성을 가지고 고온에서 작동할 수 있어 RF 응용 분야에서 인기 있는 선택지입니다.
폴리이미드는 유연한 PCB에 일반적으로 사용되는 또 다른 기판 재료입니다. 고온 내성을 가지고 있으며 PCB가 구부러지거나 휘어야 하는 응용 분야에 사용될 수 있습니다. 폴리이미드는 항공우주 및 고신뢰성 응용 분야에서 자주 사용되며, 여기서 PCB는 극한의 온도와 가혹한 환경을 견뎌야 합니다.

PCB 설계자를 위한 권장 사항

PCB용 기판 재료를 선택할 때 설계자는 응용 분야의 특정 요구사항과 비용, 가용성, 제조 용이성 같은 요소를 고려해야 합니다. 고출력 또는 고온 응용 분야의 경우, 알루미늄이나 세라믹과 같은 재료가 더 높은 열 전도율로 인해 선호될 수 있습니다. 그러나 저출력 응용 분야의 경우, FR-4가 더 비용 효율적이고 실용적인 선택일 수 있습니다.
기판 재료 선택 외에도 설계자는 부품 배치, 구리 중량 및 두께, 열 비아 사용과 같이 PCB의 열 성능에 영향을 줄 수 있는 다른 요소들도 고려해야 합니다. 히트싱크 및 기타 냉각 솔루션을 사용하여 열 관리를 개선할 수도 있지만, 이는 기판 비용을 증가시킬 수 있습니다.

재료 및 응용 분야의 예

기타 기판 재료와 그 응용 분야는 다음과 같습니다:
테프론: 이 재료는 우수한 유전 특성을 가지고 고온에서 작동할 수 있습니다. 마이크로파 및 RF 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.
켑튼: 이 재료는 의료 장비 및 항공우주 응용 분야에서 볼 수 있는 유연한 회로에 자주 사용되는 폴리이미드 필름입니다.
금속 코어 PCB: 이 PCB는 기판 재료로 일반적으로 알루미늄을 사용하는 금속 코어를 사용합니다. 고출력 LED 조명 및 자동차 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.
유연한 PCB: 이 PCB는 폴리이미드와 같은 유연한 기판 재료를 사용하여 구부리고 휘어질 수 있습니다. 웨어러블 기술, 의료 장치, 항공우주 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

고온 FR-4: 이 재료는 더 높은 온도에서 작동하도록 설계된 FR-4의 변형입니다. 자동차 및 항공우주 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.
세라믹 충전 PTFE: 이 재료는 PTFE의 우수한 전기적 특성과 세라믹의 높은 열 전도율을 결합합니다. 고주파 및 고출력 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

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결론

결론적으로, 기판 재료 선택은 특히 열 저항과 성능과 관련하여 PCB 설계의 중요한 요소입니다. 설계자들은 고유한 특성과 이점을 가진 다양한 기판 재료들 중에서 선택할 수 있습니다. FR-4, 알루미늄, 세라믹은 일반적으로 사용되는 기판 재료로, 각각 강점과 약점이 있습니다.
기판 재료를 선택할 때, 설계자들은 응용 분야의 특정 요구사항과 비용, 가용성, 제조 용이성 같은 요소를 고려해야 합니다. 또한 부품 배치, 구리 중량 및 두께, 열 비아 사용과 같이 PCB의 열 성능에 영향을 줄 수 있는 다른 요소들도 고려해야 합니다.

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