더 안전한 고전압 PCB를 위한 올바른 CTI 값 선택

회로도상으로는 절연 간격이 충분해 보였는데, 두 고전압 패드 사이에 까맣게 탄화된 자국이 생기는 것을 본 적이 있으십니까? 이렇게 검게 변한 전도성 영역을 표면 트래킹이라고 하며, 바로 이것을 막아 주는 것이 적층판 의 CTI 등급입니다. CTI는 기판이 고전압 시험에서 불합격하기 전까지는 아무도 신경 쓰지 않는 재료 특성 중 하나입니다. 우리는 모두 구리 두께, 트레이스 폭, 임피던스는 고민하지만, 표면 자체가 전류를 흘리지 않으면서 두 도체를 얼마나 가깝게 배치할 수 있는지를 결정하는 것은 바로 기판 재료의 비교 트래킹 지수입니다.

잘못된 재료 그룹을 선택하면, 모든 연면 거리를 불필요하게 크게 잡아 기판 공간을 낭비하거나, 습하고 먼지가 많은 외함 안에서 아크가 발생하는 설계를 하게 됩니다. 어느 쪽도 좋은 결과가 아닙니다. 이 가이드에서는 PCB 설계에서 CTI가 무엇을 의미하는지, 어떻게 측정하는지, 그리고 연면 거리 및 안전 인증과 어떤 직접적인 관계가 있는지 살펴보겠습니다. 또한 PCB 기판 재료별 일반적인 CTI 값, 그중 FR4의 위치, High-CTI 적층판을 사용해야 하는 경우, 그리고 이를 바탕으로 신뢰성 있게 설계하고 제조하는 방법도 함께 다룹니다.

CTI 값이란 무엇이며 왜 중요한가

비교 트래킹 지수의 정의와 시험 방법

비교 트래킹 지수(CTI)는 오염되고 젖은 조건에서 절연 재료 표면에 전도성 탄화 경로가 형성되기 전까지 견딜 수 있는 최고 전압(V)입니다. 다시 말해, 먼지와 습기가 있을 때 적층판 표면이 트래킹에 얼마나 잘 견디는지를 나타냅니다. 시험은 국제 표준 IEC 60112의 방법을 따릅니다. 재료 표면에 백금 전극 2개를 올리고 전극을 통해 전압을 인가합니다. 그런 다음 전극 사이에 전도성 용액(염화암모늄)을 일정한 간격으로 떨어뜨립니다. 재료가 트래킹 불량 없이 50방울을 견디는 조건에서 전압을 높여 가며, 견뎌 낸 전압이 CTI 등급이 됩니다. 기억해 둘 몇 가지 사항은 다음과 같습니다.

• CTI는 항상 볼트(V) 단위로 측정하며, CTI가 높을수록 트래킹 저항성이 우수합니다.
• 현장에서 실제로 트래킹이 발생하는 조건이 바로 오염과 습기이므로, 시험에서도 의도적으로 이 조건을 사용합니다.
• PTI(내트래킹 지수)는 재료가 특정 고정 전압에서 합격한다는 것을 보여 줄 뿐, 최대 한계가 어디인지는 나타내지 않습니다.

전기적 파괴 방지에서 CTI의 역할

고전압 간격이 파괴되는 방식은 크게 두 가지로 매우 다릅니다. 첫 번째는 공간 거리(Clearance)로 제어하는 깨끗한 공기 중의 아크 방전입니다. 두 번째는 훨씬 더 은밀하게 진행되는 표면 트래킹입니다. 오염이 절연체 표면을 서서히 열화시키다가 결국 영구적인 탄소 전도 경로가 형성됩니다. 트래킹은 넓은 공기 간격을 뛰어넘을 필요가 없습니다. 습기, 먼지, 플럭스 잔류물, 전기장을 먹고 서서히 기어가듯 진행되며, 일단 탄소 경로가 형성되면 영구적으로 전류가 흐르게 됩니다. CTI는 바로 이것을 막기 위해 존재합니다.

CTI가 높은 재료는 탄화되지 않으므로, 트래킹 불량을 걱정하지 않고 표면의 도체를 더 가깝게 배치할 수 있습니다. 그래서 CTI는 상용 전원 기기, 상용 전원 공급 장치, 모터 구동 장치의 안전 요구 사항을 충족하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 먼지가 많고 습한 외함 속에서 절연 재료가 서서히 도체로 변해 버리는 것을 막아 주는 특성이기 때문입니다.

CTI 값이 PCB 안전성과 신뢰성에 미치는 영향

연면 거리 및 절연 설계와의 관계

절연 재료 표면을 따라 측정한 두 도체 사이의 최단 거리를 연면 거리(Creepage)라고 하고, 공기를 통한 최단 거리를 공간 거리(Clearance)라고 합니다. 트래킹은 표면을 따라 발생하므로, CTI가 제어하는 치수는 연면 거리입니다. 핵심 관계는 다음과 같습니다. 같은 동작 전압과 오염도에서 CTI가 높은 재료일수록 필요한 연면 거리가 짧아지고, CTI가 낮은 재료일수록 도체 사이 거리를 더 넓혀야 합니다. 이 관계는 재료 그룹을 통해 안전 규격의 표에 그대로 반영되어 있습니다.

• 재료 그룹 I: CTI ≥ 600 V
• 재료 그룹 II: 400 ≤ CTI < 600 V
• 재료 그룹 IIIa: 175 ≤ CTI < 400 V
• 재료 그룹 IIIb: 100 ≤ CTI < 175 V

오염도 역시 똑같이 중요합니다. 일반적으로 오염도 2(일반 실내, 사무실 수준의 환경)와 비교해 오염도 3(산업 현장, 전도성 먼지, 결로)에서는 훨씬 긴 연면 거리가 필요하다고 봅니다. IEC 62368-1이나 IEC 60664-1 같은 규격에서는 동작 전압, 오염도, 재료 그룹으로 구성된 표에서 필요한 연면 거리를 찾아 읽습니다. 재료 그룹을 한 단계 높이면 실제로 간격을 줄일 수 있습니다.

고전압 애플리케이션과 규제 준수에 미치는 영향

저전압 로직 기판에서는 CTI가 그다지 중요하지 않습니다. 그러나 상용 전원 전압 수준에 이르면, PCB 설계에서 CTI 값은 오프라인 전력 변환, EV 충전, 태양광 인버터, 산업용 모터 드라이브의 관문 역할을 합니다. 이 분야에서는 안전 인증 기관이 추측에 맡기는 부분이 거의 없습니다. 연면 거리는 적층판의 문서화된 재료 그룹을 근거로 정당화해야 하며, UL, CE, IEC 마크 심사 과정에서 심사관의 검토를 받게 됩니다. 제조업체가 기판 재료의 CTI 등급을 증명할 자료를 갖고 있지 않다면, 간격 설계의 근거 자체가 무너집니다. 가장 큰 영향을 받는 분야는 다음과 같습니다.

1. 오프라인 AC-DC 전원 공급 장치(1차 측 도체가 정류된 상용 전원 전압 수준인 경우)
2. 고전압에 더해 오염과 진동이 있는 환경에서 사용하는 EV 및 산업용 충전기
3. DC 버스 전압이 높고 실외에서 오래 사용하는 태양광 인버터
4. 전도성 먼지와 습기(오염도 3)에 노출되는 모터 드라이브 및 HVAC 제어 장치

PCB 재료별 일반적인 CTI 값

표준 FR4와 High-CTI 대안

일반 FR4의 아쉬운 점은 대부분의 보편적인 등급이 CTI 약 175 V로 재료 그룹 IIIa에 속한다는 것입니다. 많은 저전압 애플리케이션에서는 문제없지만, 규격 표에서 가장 넓은 간격을 요구하는 그룹이기 때문에 고전압 간격 설계에는 부족한 편입니다. 더 높은 성능이 필요할 때는 제조업체가 트래킹 저항성을 위해 특별히 개발된 High-CTI 적층판을 공급할 수 있으며, 이 재료는 CTI ≥ 600 V를 달성해 재료 그룹 I로 분류됩니다. High-CTI 적층판은 개질된 수지 시스템과 충전재로 만들어져, 표준 에폭시에 비해 표면 탄화에 대한 저항성이 훨씬 높습니다. 아래 표는 PCB 재료별 일반적인 CTI 값과 재료 그룹을 비교한 것입니다.

몇 가지 짚어 둘 점이 있습니다. 표준 FR4는 어디서나 저렴하게 구할 수 있지만, 고전압에서는 넓은 공간이 필요합니다. 그룹 II나 그룹 I로 등급을 올리면 필요한 연면 거리를 크게 줄일 수 있으므로, 고밀도 설계에서는 기판 공간 측면에서 충분히 그만한 가치가 있습니다.

전압 수준과 환경 조건에 맞는 CTI 선택

"정답"인 CTI 값은 하나로 정해져 있지 않습니다. 동작 전압, 오염도, 사용 가능한 기판 공간에 따라 올바른 선택이 달라집니다. 사양을 과하게 잡으면 비용이 늘고, 부족하게 잡으면 트래킹 불량이나 인증 불합격으로 이어질 수 있습니다. 용도에 맞는 재료를 고르려면 다음 경험칙을 활용하십시오.

• 저전압(< 50 V), 청결한 환경: 표준 FR4(그룹 IIIa)로 충분하며, CTI가 문제 되는 경우는 드뭅니다.
• 상용 전원 전압, 오염도 2, 간격을 넉넉히 확보할 수 있는 경우: 연면 거리 표에서 허용한다면 표준 FR4 또는 중급 FR4를 사용할 수 있습니다.
• 소형 설계, 상용 전원 전압: 규격상 허용되는 범위에서 연면 거리를 줄이려면 그룹 II 또는 그룹 I의 High-CTI 재료로 등급을 올리십시오.
• 오염도 3(산업 현장, 실외, 먼지가 많은 환경): 간격을 감당할 수 있는 수준으로 유지하려면 그룹 I(CTI ≥ 600)을 사용하십시오.
• 높은 DC 버스 전압 또는 안전이 중요한 경우: 현장 신뢰성과 여유 마진을 위해 그룹 I 재료와 보수적인 간격을 적용하십시오.

High-CTI 성능을 위한 설계 및 제조 전략

재료 선택과 레이아웃 최적화

재료 그룹은 항상 연면 거리 요구 사항의 최소치에 딱 맞추기보다 그 이상으로 선택하십시오. 그다음 표면 설계가 재료의 강점을 살릴 수 있도록 계획하십시오. 좋은 고전압 레이아웃이 CTI 등급을 뒷받침합니다. 실제 환경에서 트래킹 저항성을 높이는 유용한 레이아웃 기법은 다음과 같습니다.

• 절연 슬롯: 고전압 네트 사이에 슬롯을 밀링 가공하면 실효 연면 거리가 늘어나고 트래킹 경로를 물리적으로 차단할 수 있습니다.
• 솔더 마스크 댐 및 코팅: 연속된 솔더 마스크나 컨포멀 코팅으로 표면을 오염으로부터 보호합니다. 다만 솔더 마스크만으로 전체 연면 거리 등급을 확보하려 해서는 안 됩니다.
• 가드 트레이스 또는 접지 배리어: 위험한 네트 사이에 접지된 도체를 배치하면 표면 누설 전류를 차단할 수 있습니다.
• 부드러운/둥근 배선: 국부 전기장을 강화해 트래킹을 촉진하는 날카로운 도체 모서리를 없애십시오.

CTI 시험이 바로 이러한 오염을 모사한 것이므로, 고전압 영역에 플럭스 잔류물과 이온성 오염이 남지 않도록 하는 것도 도움이 됩니다. 기판 표면이 깨끗해야 선택한 재료 그룹이 정격 성능을 발휘할 수 있습니다.

CTI 무결성을 유지하기 위한 공정 관리

적층판은 보증된 CTI 값을 갖고 판매되지만, 공정이 부적절하면 표면 품질이 손상될 수 있습니다. 트래킹 저항성은 기판 표면에만 존재하기 때문에, 바로 여기에서 체계적인 제조업체의 역할이 중요해집니다. CTI 성능에 영향을 미치는 주요 공정 관리 항목은 다음과 같습니다.

1. 재료 추적성: 대체품이 아니라 지정된 인증 High-CTI 적층판을 사용해야 하며, 재료 그룹을 기록해 두어야 합니다.
2. 청결한 표면 전처리: 에칭 약품 잔류물, 이온성 오염, 불충분한 세정은 표면 절연 저항을 떨어뜨립니다.
3. 솔더 마스크 도포 관리: 밀착력이 좋고 내부에 오염물이 갇히지 않도록 솔더 마스크를 충분히 경화합니다.
4. 최종 세정 및 이온 오염도 시험: 조립 후 플럭스를 제거하고 이온 오염도 시험으로 염류 제거를 확인하면, CTI 시험이 전제하는 수준으로 표면을 깨끗하게 유지할 수 있습니다.

High-CTI PCB 생산에 대한 JLCPCB의 전문성

폭넓은 인증 High-CTI 재료

오늘날 JLCPCB와 같은 PCB 제조업체는 기본 FR4부터 상용 전원 및 고전압 설계에 필요한 상위 재료 그룹의 High-CTI 재료까지, 검증된 PCB 기판 재료를 폭넓게 갖추고 있습니다. 인증된 옵션이 마련되어 있으므로, 관련 문서를 급히 찾아 헤맬 필요 없이 연면 거리 요구 사항에 맞춰 PCB 설계의 CTI 값을 지정할 수 있습니다. 안전 심사에서 심사관이 요구하는 것이 바로 이 재료 데이터이며, 이미 자료를 갖춘 제조업체에서 받으면 흔히 겪는 인증상의 걸림돌 하나를 없앨 수 있습니다.

이러한 원칙을 적용할 때, JLCPCB의 제조 서비스를 이용하면 일관된 인증 적층판, 연면 거리, 표면 무결성을 유지하면서 시제품(최저 2달러)부터 본격적인 양산까지 매우 간단하게 확장할 수 있습니다. 최단 1-2일의 소요 기간과 SMT 조립 지원으로, 선택한 안전 기반은 초도품부터 대량 생산까지 안정적으로 유지됩니다.

고전압 설계를 위한 고급 DFM 지원

High-CTI 적층판에 비용을 들이는 의미가 있으려면 간격 설계가 올바라야 하며, 바로 여기에서 자동화된 DFM(제조 용이성 설계) 검사가 도움이 됩니다. JLCPCB의 DFM 평가는 공간 거리와 연면 거리를 검출하고, 고전압 간격 문제를 조기에 찾아내며, 슬롯 배선 문제와 솔더 마스크 도포 문제도 확인해 줍니다. 즉시 견적과 EasyEDA 연동 덕분에, 재료 그룹 변경에 큰 비용과 수고가 들기 전인 설계 초기 단계에서 표준 FR4 레이아웃과 High-CTI 버전을 비교해 볼 수 있습니다. 모든 CTI 전략의 핵심 척도는 반복 재현성입니다. 내전압(Hipot) 시험과 트래킹 요구 사항을 통과한 시제품 기판은 수천 개의 양산품에서도 동일한 안전 마진을 유지하게 됩니다.

결론

CTI 값은 고전압 기판의 안전을 묵묵히 지키는 보호막입니다. CTI는 기판 재료가 표면 트래킹에 얼마나 잘 견디는지를 결정하고, 기판 설계에서 지켜야 할 연면 거리를 좌우하며, 결국 기판이 안전 마크를 받을 수 있는지까지 결정합니다. CTI를 뒷전으로 미루는 것은 당연히 통과할 거라 확신했던 인증에서 떨어지는 가장 쉬운 길 중 하나입니다. 더 나은 방법은 거꾸로 계산하는 것입니다. 먼저 동작 전압과 오염도를 정한 다음, 여유를 두고 연면 거리 표를 충족하는 재료 그룹을 선택하십시오. EV, 태양광, 산업 시스템에서 전력 밀도와 고전압 전자기기가 늘어날수록 CTI 값을 올바르게 선택하는 일은 더욱 중요해질 것입니다. 목적에 맞게 재료를 선택하고, 이를 증명하고 일관되게 제조할 수 있는 업체와 협력하면 고전압 기판은 첫 번째 층부터 안전하게 유지됩니다.

CTI 값에 대해 자주 묻는 질문

결론

올바른 CTI 값을 선택하는 것은 고전압 PCB 설계에서 가장 중요하면서도 흔히 간과되는 결정 중 하나입니다. 적절한 CTI 등급은 기판을 표면 트래킹 불량으로부터 보호하고, 소형 레이아웃을 가능하게 하며, IEC 62368-1과 UL 같은 엄격한 안전 규격을 준수할 수 있게 해 줍니다.

오프라인 전원 공급 장치, EV 충전기, 태양광 인버터, 산업용 모터 드라이브 중 무엇을 설계하든, 재료 그룹(특히 CTI ≥ 600V인 그룹 I)을 동작 전압과 오염도에 맞추면 안전성과 공간 효율을 모두 크게 높일 수 있습니다.

JLCPCB는 다양한 인증 High-CTI 적층판, 연면 거리와 공간 거리에 대한 전문 DFM 검사, 그리고 시제품부터 양산까지 일관된 제조 품질을 제공합니다. 고전압 설계의 안전을 운에 맡기지 마십시오.