FR4 PCB 재질: 속성, 유전 상수, CTE 및 데이터시트 가이드

FR4란 무엇입니까? 정의 및 업계 입지

FR4(FR-4라고도 함)는 전 세계적으로 인쇄 회로 기판에 가장 널리 사용되는 기본 재료입니다. 명칭은 다음을 의미합니다. 난연제4종 , LI 1 표준에 따라 NEMA(National Electrical Manufacturer Association)에서 정의한 등급 분류입니다. 이는 UL 94 V-0 가연성 요구 사항을 충족하기 위해 수지에 통합된 브롬 기반 또는 인 기반 난연제 시스템과 함께 에폭시 수지 매트릭스에 내장된 직조 유리 섬유 천 강화재를 지정합니다.

FR4가 지배적이었습니다. PCB 재료 1970년대 이후 거의 모든 주류 전자 응용 분야에서 이전의 페놀 종이 적층판(FR1, FR2) 및 면유리 복합재(FR3)를 대체했습니다. 경쟁력 있는 비용으로 전기 절연 성능, 기계적 강도, 치수 안정성, 내습성 및 가공성을 결합한 것은 비슷한 가격대의 어떤 단일 대체 재료와도 비교할 수 없습니다. 추정 전체 Rigid PCB 회로 기판의 90% 이상 전 세계적으로 생산되는 제품은 FR4 또는 유도체 제제를 기질로 사용합니다.

"FR4"라는 용어는 기술적으로 완성된 보드가 아닌 라미네이트 재료(유전체 베이스)를 나타냅니다. 안 FR4 PCB 보드 또는 FR4 인쇄 회로 기판 기판은 FR4 라미네이트이고, 한쪽 또는 양쪽 표면에 동박층을 접착하고, 에칭 및 드릴링 공정을 통해 전도성 트레이스, 패드, 비아를 형성한 완성된 기판입니다.

FR4 재료 특성: 완전한 기술 프로필

FR4 재료 특성은 제조업체와 특정 제형에 따라 어느 정도 다르지만 아래 값은 IPC-4101 슬래시 시트 /21 및 /24(가장 일반적인 상용 등급)에 지정된 대로 범용 FR4 라미네이트에 대해 확립된 표준 범위를 나타냅니다. 설계 엔지니어는 다음을 참조합니다. FR4 소재 데이터시트 특정 제품에 대해 제조업체별 값을 신뢰할 수 있는 것으로 간주해야 하지만, 아래 수치는 예비 설계 계산에 신뢰할 수 있습니다.

유전체 특성

는 FR4의 유전 상수 — 상대 유전율(Dk 또는 εr)이라고도 함 —은 PCB 설계에서 가장 많이 참조되는 매개변수 중 하나입니다. 이는 신호 전파 속도와 제어된 임피던스 트레이스의 임피던스를 결정합니다. 표준 FR4에는 대략 4.2-4.6의 유전 상수 1MHz에서 측정되며 일반적으로 설계 참조용으로 4.3 또는 4.4로 인용됩니다. 더 높은 주파수(1GHz)에서는 FR4의 비유전율 일반적으로 에폭시-유리 복합재의 주파수 분산으로 인해 4.0-4.2 범위로 떨어집니다.

이러한 주파수 의존성은 고속 디지털 및 RF 설계에서 표준 FR4의 중요한 제한 사항입니다. 약 1~2GHz 이상에서는 FR4의 비유전율 주파수가 신호 무결성 문제(전파 지연 변동, 차동 쌍 스큐, 공칭 임피던스 편차)를 일으킬 만큼 충분히 커지게 됩니다. 저손실 FR4 변형과 목적에 맞게 설계된 고주파 라미네이트(Rogers, Isola, Taconic)는 더 높은 비용으로 이 문제를 해결합니다.

는 dissipation factor (Df, loss tangent) of standard FR4 is 1MHz에서 0.017~0.025 , 빈도에 따라 상승합니다. 비교를 위해 Rogers RO4003C의 Df는 0.0027로 대략 한 단계 더 낮습니다. FR4 유전체 재료는 마이크로파 또는 밀리미터파 응용 분야에 사용되지 않습니다.

기계적 성질

FR4는 굴곡 강도가 우수한 단단하고 견고한 라미네이트입니다.

• 굽힘 강도(세로): 415~550MPa
• 인장 강도: 310–410MPa(세로)
• 영률(평면 내): 약 18~24GPa
• 압축 강도: 415MPa(라미네이트에 수직)
• 로크웰 경도(M 스케일): 110

는se values make FR4 substantially stronger than thermoplastic PCB substrates and sufficiently rigid for automated PCB assembly processes including pick-and-place, wave soldering, and reflow without requiring fixture support for standard board thicknesses (1.0–3.2 mm).

는rmal Properties

는rmal performance is the most commonly cited limitation of FR4 in power electronics and high-dissipation applications:

• 는rmal conductivity of FR4: 0.25~0.35W/(m·K) 비행기 내; 라미네이트에 수직으로 약 0.3 W/(m·K). 이는 알루미늄(205W/(m·K)) 또는 구리(385W/(m·K))에 비해 매우 낮기 때문에 열적 비아, 구리 주입 및 금속 코어 PCB 기판이 열적으로 까다로운 설계에 사용됩니다.
• 유리전이온도(Tg): 표준 FR4 — 130~140°C; 중간 Tg FR4 — 150~160°C; 높은 Tg FR4 — 170~180°C. Tg 이상에서는 에폭시 매트릭스가 부드러워지고 재료의 치수 안정성이 떨어집니다. 무연 납땜 공정은 260°C에서 최고조에 달하므로 RoHS 준수 어셈블리에 높은 Tg FR4가 지정됩니다.
• 분해 온도(Td): 표준 등급의 경우 300~340°C; 신뢰성이 높은 할로겐 프리 제제의 경우 340°C 이상입니다.
• 비열 용량: 약 1.0~1.1J/(g·K)

열팽창 계수(FR4의 CTE)

는 FR4의 CTE 이방성 - 평면 내(x-y) 방향과 평면 외(z축) 방향 간에 크게 다릅니다.

• CTE x-y(평면 내): 14~17ppm/°C(Tg 미만)
• CTE z축(두께 통과): 50~70ppm/°C(Tg 미만); Tg 초과 시 200~300ppm/°C

는 high z-axis CTE is the principal cause of barrel cracking in plated through-holes (PTH) during thermal cycling. The z-axis expansion stresses the copper barrel of the via, which has a CTE of only 17 ppm/°C, creating fatigue cracks at the knee radius after repeated thermal excursions. This is a design-life concern in high-cycle environments such as automotive and industrial electronics, and it drives the specification of high-Tg or halogen-free FR4 variants with lower z-axis CTE.

물리적 특성

• FR4 재료 밀도: 1.85~1.95g/cm³ (일반적으로 표준 유리 에폭시 FR4의 경우 1.9g/cm3로 인용됨). 는 FR4 소재의 밀도 주로 유리 섬유의 부피 비율과 수지 시스템에 의해 결정됩니다. 유리 함량이 높을수록 밀도가 증가합니다. 충전재 함량이 다른 할로겐 프리 수지는 밀도를 약간 변화시킬 수 있습니다.
• 수분 흡수(24시간 침수): 0.10~0.20중량% — 대부분의 작동 환경에서 전기 절연 성능을 유지할 수 있을 만큼 낮음
• 체적 저항률: 10⁸–101⁰ MΩ·cm
• 표면 저항력: 10⁴~10⁶MΩ
• 유전체 파괴 강도: 20~50kV/mm(라미네이트에 수직)
• 가연성 등급: UL 94 V-0

무엇입니까? PCB 레이아웃 및 FR4 속성이 설계 결정에 미치는 영향

PCB 레이아웃 전자 부품을 배치하고 이를 인쇄 회로 기판에 전기적으로 연결하는 구리 트레이스, 평면 및 비아를 라우팅하는 프로세스입니다. 레이아웃은 회로도 캡처 후 EDA(Electronic Design Automation) 소프트웨어를 사용하여 수행되며 FR4의 유전율, 열전도도 및 CTE를 포함한 기판 재료의 물리적 특성이 설계 선택에 직접적인 영향을 미치는 단계입니다.

는 four FR4 properties most directly relevant to PCB layout decisions are:

• 유전 상수(Dk): 마이크로스트립과 스트립라인 트레이스의 임피던스를 결정합니다. 표준 FR4(Dk ≒ 4.3)의 50옴 마이크로스트립 트레이스는 Rogers RO4003C(Dk = 3.55)의 동일한 트레이스와는 다른 폭 계산이 필요합니다. 임피던스 계산기는 일반적인 수치가 아닌 특정 FR4 라미네이트에 대한 올바른 Dk 값을 사용해야 합니다.
• 는rmal conductivity: 열전도율이 낮다(0.3W/(m·K))는 부품에서 발생하는 열이 보드를 통해 잘 퍼지지 않는다는 것을 의미합니다. 레이아웃은 열 완화 설계, 접지면에 연결된 구리 주입 영역, 전력 MOSFET, 조정기, RF 전력 증폭기와 같은 고방산 구성 요소 아래의 열 비아 어레이로 보상해야 합니다.
• CTE 불일치: FR4의 ~14~17ppm/°C 평면 내 CTE는 많은 IC 패키지의 CTE와 비슷하지만 동일하지는 않습니다(실리콘: ~2.6ppm/°C, 세라믹: ~6~7ppm/°C, FR4 일치 BGA 패키지: ~14~16ppm/°C). 상당한 CTE 불일치가 있는 구성 요소의 경우 언더필 적용, IPC-9701에 따른 열 주기 테스트, 보드 응력 지점(모서리, 장착 구멍)에서 멀리 떨어진 구성 요소 배치가 표준 레이아웃 방식입니다.
• 손실 탄젠트: FR4의 신호 감쇠는 상대적으로 높은 Df로 인해 주파수에 따라 급격히 증가합니다. 2~3Gbps 이상의 신호를 전달하는 차동 쌍의 경우 트레이스 길이 최소화, 레이어 전환 최소화, 저손실 FR4 변형 고려는 완전히 다른 기판 재료로 전환하기 전의 레이아웃 수준 완화 전략입니다.

FR4 변형: 표준, 고Tg, 무할로겐 및 FR1 비교

전부는 아니다 FR4 회로 기판 재료 동일합니다. 기본 명칭은 수지 시스템과 필러 화학에 따라 성능 프로필이 의미 있게 다른 제제 제품군을 포괄합니다.

표준 FR4(Tg 130~140°C)

는 baseline formulation, adequate for consumer electronics, general industrial, and telecom applications processed with tin-lead solder (peak reflow ~220°C). Not recommended for lead-free reflow without confirmation that the specific laminate product is rated for 260°C peak process temperatures.

고Tg FR4(Tg 170~180°C)

Tg를 170~180°C까지 높이는 변형된 에폭시 수지(종종 다기능 에폭시 또는 시아네이트 에스테르 혼합물)로 제조되었습니다. 이는 무연 가공을 위한 더 큰 열 마진을 제공하고, z축 CTE를 감소시키며, 비아 밀도가 높은 다층 기판의 박리 저항을 향상시킵니다. High-Tg FR4는 자동차, 산업, 서버 및 군사 관련 응용 분야의 표준 사양입니다.

할로겐 프리 FR4

기존 FR4는 연소 시 독성 브롬화수소 가스를 생성하는 브롬 기반 난연제(테트라브로모비스페놀 A, TBBPA)를 사용합니다. 무할로겐 변형은 이를 인-질소 또는 삼수산화알루미늄(ATH) 난연 시스템으로 대체합니다. 무할로겐 FR4는 브롬화 등가물에 비해 더 낮은 Dk(일반적으로 3.8~4.2)와 기계적 특성이 약간 다릅니다. RoHS 및 REACH 프레임워크에 따른 유럽 가전제품과 특정 자동차 공급망에서 이는 점점 더 의무화되고 있습니다.

PCB FR1 재질과 FR4 비교

PCB FR1 유리섬유-에폭시 복합재가 아닌 페놀수지를 함침시킨 종이 기판인 페놀수지 라미네이트입니다. FR4보다 훨씬 저렴하고 깔끔하게 드릴링하는 대신 펀치를 사용하며 리모콘, 장난감 전자 장치 및 간단한 전원 공급 장치 보드와 같이 비용에 민감한 애플리케이션을 위한 간단한 단면 PCB에 사용됩니다. FR1은 FR4에 비해 전기절연성, 내습성, 기계적 강도가 현저히 떨어집니다. 회로 기판 재료이며 다층 구조, 미세 피치 부품 배치 또는 열 순환이나 습도 노출 시 신뢰성이 필요한 모든 응용 분야에는 적합하지 않습니다.

FR4가 올바른 PCB 재료가 아닌 경우

그 지배력에도 불구하고, PCB FR4 소재 애플리케이션 경계가 잘 정의되어 있습니다. 부족한 부분을 이해하면 엔지니어는 테스트 중에 한계를 발견하는 대신 처음부터 올바른 기판을 선택하는 데 도움이 됩니다.

• RF 및 마이크로파(1~2GHz 이상): FR4의 주파수 의존형 Dk 및 높은 Df는 마이크로스트립 안테나, 레이더 프런트 엔드 및 낮은 GHz 주파수 이상의 RF 매칭 네트워크에 적합하지 않습니다. 대신 PTFE 기반 라미네이트(Rogers, Taconic), 세라믹 충전 탄화수소 라미네이트(Rogers RO4000 시리즈) 및 수정된 에폭시 저손실 재료가 사용됩니다.
• 고전력 LED 및 전력 전자 장치: FR4의 낮은 열 전도성(0.3W/(m·K))은 고밀도 전력 설계에서 허용할 수 없는 접합 온도를 생성합니다. 알루미늄 또는 구리 코어(유전체층의 열 전도성 1.0~3.0W/(m·K)와 금속 코어)가 있는 금속 코어 PCB(MCPCB)는 상당한 방열 요구 사항이 있는 LED 조명, 모터 드라이브 및 DC-DC 컨버터 보드의 표준입니다.
• 유연한 회로: FR4는 단단합니다. 유연한 및 Rigid-Flex PCB는 폴리이미드(Kapton) 기판을 사용합니다. 이 기판은 유사한 전기 절연성, 훨씬 뛰어난 유연성 및 더 넓은 온도 범위(연속 -200°C ~ 300°C)를 제공합니다.
• 연속 130°C 이상의 높은 작동 온도: 표준 FR4 Tg는 연속 작동 온도를 Tg 값보다 훨씬 낮게 제한합니다. 지속적인 고온 작동을 위해서는 폴리이미드 라미네이트, 세라믹 기판 또는 고Tg 특수 라미네이트가 필요합니다.

FR4 재료 데이터 시트 읽기: 확인 사항

안 FR4 재료 데이터 시트 라미네이트 제조업체(Isola, Shengyi, Kingboard, Nan Ya, Ventec, Panasonic)의 제품은 일반적으로 여러 측정 조건에 걸쳐 속성을 나열합니다. 다음은 엔지니어가 가장 일반적으로 필요로 하는 가치와 제품을 비교할 때 주의해야 할 사항입니다.

• Dk 및 Df 측정 주파수: 항상 유전 상수가 보고되는 주파수를 확인하십시오. 동일한 재료에서 1MHz에서 4.5의 Dk와 1GHz에서 4.1의 Dk는 모두 정확합니다. 이는 서로 다른 조건을 설명합니다. 신호 무결성 작업의 경우 설계 주파수 또는 가장 높은 작동 고조파의 값을 사용하십시오.
• Tg 측정 방법: Tg는 DSC(시차 주사 열량계), DMA(동적 기계 분석) 또는 TMA(열기계 분석)로 측정할 수 있으며, 이는 동일한 재료에 대해 서로 다른 수치 결과를 제공합니다. DSC는 일반적으로 가장 낮은 판독값을 제공합니다. DMA는 가장 높은 수준을 제공합니다. IPC-4101에서는 슬래시 시트별로 테스트 방법을 명시하고 있으므로 동일한 방법 내에서만 비교하십시오.
• 는rmal conductivity measurement direction: FR4의 면내 열전도율은 두께를 통한 열전도율보다 높습니다. 열 확산 계산의 경우 두께 관통 값(Z 방향)을 사용합니다. 모서리 전도 설계의 경우 평면 내 값을 사용합니다.
• IPC-4101 슬래시 시트 준수: 슬래시 시트 번호는 라미네이트가 충족하는 최소 성능 등급을 알려줍니다. /21은 표준 상업용 FR4입니다. /24는 더 높은 Tg이고; /26은 Tg가 높은 할로겐이 없습니다. 단순히 "FR4"가 아닌 슬래시 시트를 지정하면 사용자가 모르는 사이에 낮은 등급의 재료로 대체되는 것을 방지할 수 있습니다.
• CAF 저항: CAF(전도성 양극 필라멘트) 저항(습한 조건에서 전압 바이어스 하에서 유리 섬유-수지 인터페이스를 따라 구리 필라멘트의 전기화학적 성장에 저항하는 능력)은 자동차 및 고신뢰성 설계에서 점점 더 구체화되고 있습니다. 모든 FR4 데이터시트에 CAF 데이터가 포함되어 있는 것은 아닙니다. 습도가 높거나 전압이 높은 환경을 설계할 때는 명시적으로 요청하세요.