FR4 유전율: PCB 설계에 왜 중요한가?

FR4는 안정적인 유전율(Dk) 덕분에 신호 무결성을 일관되게 유지할 수 있어 PCB에 이상적인 소재입니다 . 하지만 FR4의 물성 변화에 따라 유전율도 달라집니다. 예를 들어, FR4에 수지 함량이 높으면 유전율이 낮아집니다. 반대로, 재료의 수분 흡수율은 유전율 값을 높일 수 있습니다. 이러한 요인들이 유전율에 미치는 영향은 향후 논의에서 자세히 살펴보겠습니다.

일반적인 FR4 유전율

FR4의 경우 Dk 값은 일정하지 않습니다. 재료의 구성 및 환경 요인에 따라 달라지기 때문입니다. 최대 1GHz의 주파수에서 FR4 Dk는 일반적으로 4.2-4.7 범위입니다. 그러나 다양한 FR4 라미네이트 재료 및 구성에 따라 다릅니다.

다양한 FR4 적층 소재의 일반적인 유전율은 다음과 같습니다.

FR4 라미네이트 소재	유전 상수(Dk)
이솔라 FR408 HR	3.9MHz ~ 4.4GHz에서 1 ~ 10
아를롱 클렛	4.7 1MHz ~ 10GHz
타코닉 TLY	4.6 100MHz ~ 1GHz
넬코 N4000-13	4.4MHz에서 1, 4.1GHz에서 1로 떨어짐

FR4의 유전율에 영향을 미치는 요인

진동수

주파수와 유전율 간의 관계는 반비례합니다. 즉, 주파수가 증가하면 Dk 값이 감소합니다. 주파수가 1MHz에서 10GHz로 증가하면 유전율은 10%에서 20%로 감소할 수 있습니다. 이러한 감소는 정밀한 신호 무결성이 중요한 애플리케이션에 큰 영향을 미칩니다.

주파수 ⇑ 유전율 ⇓

온도

FR4의 온도가 증가함에 따라 FR4의 물리적 특성에 변화가 발생합니다. 이는 결국 유전율을 변화시킵니다. 이것이 Dk 일관성을 유지하려면 열 안정성을 유지하는 것이 중요한 이유입니다.

수지 구성

FR4의 유전율은 수지와 유리섬유 의 비율에 크게 영향을 받습니다 . 수지 함량이 높을수록 FR4의 유전율은 낮아집니다.

수지 함량 ⇑ 유전율 ⇓

필러 구성

필러 혼합은 Dk 값을 바꿀 수 있습니다. 수지 내에 높은 필러 함량이 있으면 유전율이 증가합니다. 그러나 Dk 변화 범위는 필러 재료의 유형에 따라 달라집니다. 따라서 제조 중에 적합한 필러를 추가하여 Dk를 조정할 수 있습니다.

유리 섬유 직조

유리직물의 Dk는 에폭시 수지보다 훨씬 높습니다. 따라서 촘촘한 유리직물의 경우 FR4 Dk가 증가합니다. 반면 느슨한 유리직물은 유전율을 줄여 신호 전파 속도를 높입니다.

레이어 두께

일반적으로 층 두께가 증가함에 따라 FR4의 유전율은 더 많은 변화를 보입니다. 반면에 얇은 층은 더 일관된 Dk를 제공합니다. 예를 들어, FR4 1080의 얇은 라미나는 일반적으로 FR4 2116의 두꺼운 층보다 더 안정적인 Dk 값을 제공합니다. 그러나 이는 수지-유리 섬유 비율, 필러 재료 등에 따라 크게 달라집니다.

수분량

수분 함량이 증가함에 따라 FR4의 유전율이 증가합니다. 이는 FR4와 대조적으로 물의 Dk가 더 높기 때문에 발생합니다.

제조 변형

FR4 재료의 재료 구성 및 제조 공정은 유전율에 영향을 미칩니다. 이는 PCB의 다른 축에서 Dk의 변화를 가져옵니다.

PCB 설계에서 FR4 유전율의 중요성

신호 전파 속도

높은 Dk FR4에서 전기장은 재료와 더 강한 결합을 갖습니다. 결과적으로 Dk의 증가는 신호 전송 속도를 감소시킵니다. 따라서 컴퓨팅과 같은 고주파 애플리케이션의 경우 Dk를 낮게 유지하면서 PCB를 설계합니다. 이렇게 하면 신호 전파 속도를 높이는 데 도움이 됩니다.

하지만 유전 상수(Dk) 자체는 저주파 회로의 "실용성"에 영향을 미치지 않지만, 신호 전송 속도 와 임피던스 특성 설계에는 영향을 미칩니다.

Power Integrity

PCB를 설계할 때는 유전율이 PCB 커패시터의 배치에 영향을 미친다는 점을 기억해야 합니다. 결과적으로 전력 분배 네트워크에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 안정적인 FR4 Dk를 보장함으로써 PCB 구성 요소에 적절한 전력 공급을 유지할 수 있습니다.

고주파 성능

FR4는 일반적으로 높은 유전율(Dk)을 가지며, 고주파 응용 분야에서는 균일하지 않은 값을 나타냅니다. 따라서 고주파 응용 분야용 PCB를 설계할 때 FR4를 PCB 재료로 선택하는 것은 대부분의 경우 적합하지 않을 수 있습니다. 하지만 일부 응용 분야에서는 Isola 370HR , Isola FR408HR, Nelco N4000-13과 같은 저손실 FR4를 사용할 수 있습니다.

임피던스 제어

Dk의 변화는 임피던스 불일치를 일으켜 신호 문제로 이어집니다. 따라서 이 문제를 피하려면 일정한 Dk를 유지하는 것이 필수적입니다. 이를 통해 제어된 임피던스 트레이스를 제공하여 일관된 신호 무결성을 보장합니다.

트레이스 간격 및 두께

유전율은 PCB 트레이스의 간격과 폭에서 더 큰 역할을 합니다. 예를 들어, Dk가 낮을수록 트레이스가 더 넓어야 하고, Dk가 높을수록 트레이스가 더 좁아야 합니다. 이런 식으로 PCB를 설계할 때 FR4의 Dk를 고려하는 것은 임피던스 일관성을 유지하고 신호 흐름을 안정화하기 때문에 매우 중요합니다.

크로스토크 및 전자파 간섭(EMI)

인접한 PCB 트레이스 간의 결합은 유전율에 의해 크게 영향을 받습니다. 이는 결국 크로스토크와 전자기 간섭(EMI)에 영향을 미칩니다.

더 높은 유전율은 트레이스 간의 전기장 상호 작용을 증가시켜 크로스토크가 더 많아집니다. 반면에 더 낮은 유전율은 원치 않는 신호 결합을 줄입니다. 따라서 신호 무결성을 유지하고 간섭을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

FR4 유전율 제어: 원하는 Dk를 달성하는 방법은?

FR4의 유전 상수를 제어하려면 이에 영향을 미치는 요인들을 고려해야 합니다. 예를 들어, 수지 함량 조절, 압력 및 온도 조정, 세라믹, 브롬화 난연제 등의 충전재 첨가 등이 있습니다.

FR4의 일반적인 Dk는 약 4.2-4.6입니다. 그러나 이 범위보다 높거나 낮은 Dk가 필요한 애플리케이션의 경우 원하는 값으로 엔지니어링할 수 있습니다.

낮은 Dk FR4를 달성하는 방법은?

더 많은 신호 속도가 필요한 애플리케이션의 경우 Dk를 낮추면 도움이 됩니다. FR4의 유전율을 낮추는 방법은 다음과 같습니다.

필러 요소의 농도 및 모양을 수정합니다.
적층재 구성에서 유리 직물 함량을 최소화합니다.
적층판에 공기 공극을 도입하여 전체 투과성을 낮추십시오.
분극성이 낮은 에폭시 수지 시스템을 사용하십시오.

높은 Dk FR4를 달성하는 방법?

FR4에서 높은 Dk를 달성할 수 있는 방법은 다음과 같습니다.

수지 점도와 경화의 균형을 맞추세요
고 Dk 세라믹 입자 포함
유리 직물 함량을 최대화하세요
비브롬계 난연제를 첨가합니다.

DK 값에 대한 테스트 표준

일부 국제 표준은 FR4의 Dk가 사양을 충족하도록 설정되었습니다. 이는 다음과 같습니다.

Standard	목적
IPC-4103	기본 재료 사양
IPC-TM-650	인쇄회로기판 시험방법
ASTM D150	유전율(Dk)을 측정합니다.
ASTM D2520	Dk 및 손실 탄젠트(Df) 측정
ASTM D3380	고주파 Dk를 측정합니다.

유전율 측정 기술

네트워크 분석

이 방법은 재료에 광범위한 주파수를 적용하여 유전 특성을 측정합니다. 이를 통해 다양한 주파수에서 유전 상수 값이 어떻게 변하는지 추적할 수 있습니다. 특히 고주파에서 신뢰할 수 있는 Dk 테스트 방법입니다.

시간 영역 반사 측정법-TDR

TDR은 PCB 전송선의 반사를 관찰하는 기술입니다. 이 유전율(Dk) 측정 기술을 사용하면 정확한 임피던스 값을 얻을 수 있습니다.

공진 회로 기술

이 방법은 Dk를 빠르게 측정해야 할 때 사용됩니다. 재료가 공진 주파수에 어떤 영향을 미치는지 분석하여 유전율을 결정합니다.

모델링 및 시뮬레이션

엔지니어는 PCB를 설계하는 동안 FR4 Dk가 회로 기판에 미치는 영향을 테스트하기 위해 다양한 기술을 사용합니다.

전자기 시뮬레이션 기술

목적

일반적인 방법

사용

정전기 솔버

정전용량, 전기장 및 ESD 효과 분석

유한 요소법
경계 요소 방법
순간의 방법

정전용량 추정
정전기 방전 (ESD)
전계 분포

전파 전자기 솔버

임피던스, 전송선, 고속신호 연구

등가 회로 모델
유한 요소 방법
전송선 매트릭스 방법
유한 차분 시간 영역(FDTD)

임피던스 제어
전송선로 분석
고속 신호 무결성
전파 모델링

이러한 도구를 사용하여 엔지니어는 신호 무결성, 전력 분배 및 EMI 동작의 성능을 식별할 수 있습니다. 따라서 제작 전에 회로 성능을 분석하고 최적화합니다.

FR4 유전율: RF 및 고속 설계의 한계

FR4는 1GHz 이상의 고주파수에서 유전율이 감소합니다. 이로 인해 신호 무결성 문제가 발생합니다. 따라서 FR4는 고속 신호 전송이 필요한 응용 분야에는 최적의 선택이 아닙니다 .

다시 말해서, RF 회로에서 정확한 임피던스를 맞추는 것은 신호 반사를 피하기 위해 필수적입니다. 하지만 FR4는 유전율이 주파수에 따라 크게 달라지기 때문에 여기서 한계가 있습니다.

Dk 이외의 FR4의 기타 특성

유전율 외에도 FR4를 PCB 소재로 사용할 때 고려해야 할 다른 많은 속성이 있습니다. 다음과 같습니다.

FR4의 기계적 특성

FR4는 뛰어난 치수 안정성을 가지고 있습니다. 그 결과 다양한 온도에서 모양과 크기를 유지합니다. 게다가 충격 저항성이 뛰어나 FR4 PCB를 견고하게 만듭니다. 70,000 PSI의 높은 인장 강도도 이러한 견고성에 기여합니다. 게다가 균열을 견딜 수 있을 만큼 유연합니다.

부동산	가치관
유전율(εr)	4.7
표면 저항률(MΩ)	4×10^7
굴곡 강도 (MPa)	415
항복 강도 (MPa)	310
발산 계수	0.020
체적 저항률(MΩ·cm)	10 ^ 8
손실 탄젠트(tan δ)	0.019
인장 강도(PSI)	70,000
열전도율(W/m·K)	0.3
두께 (mm)	1.6
유전 강도(kV/mm)	20
수분 흡수 (%)	0.10
가연성 등급	UL94V-0
밀도 (g / cm³)	1.85

FR4의 열적 특성

열 전도성

FR4의 열전도도는 낮고, 열 분산도 좋지 않습니다. 그 결과, FR4 소재로 만든 PCB에서는 과열이 문제가 됩니다. 이 효과를 최소화하기 위해 FR4 PCB에는 방열판을 사용합니다.

유리 전이 온도 (Tg)

Tg는 FR4의 최대 작동 온도를 결정합니다. 범위는 130°C에서 180°C입니다. 값이 이 범위에서 감소하면 FR4의 기계적 특성에 영향을 미칩니다.

열팽창 계수 (CTE)

이는 온도 변화에 대한 FR4의 팽창을 결정합니다. 그러나 열팽창 계수(CTE)는 유리 전이 온도(Tg)와 관련이 있습니다. CTE는 Tg 이하의 온도에서는 낮고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

부동산	가치관
열전도율(W/m·K)	0.3
분해 온도 (°C)	300
작동 온도 범위 (° C)	50까지 140
유리 전이 온도 (Tg)	130 ° C ~ 180 ° C
열팽창 계수(ppm/°C)	14–17(xy 방향), 70(z 방향)

PCB의 FR4 재료에 대한 올바른 DK 값을 선택하는 방법은 무엇입니까?

PCB에 적합한 FR4 유전율(DK) 값을 선택하려면 항상 용도를 고려해야 합니다. 일반적인 용도에는 약 4.5의 FR4 DK 값이 적합합니다. 그러나 RF/마이크로파 회로의 경우 빠른 신호 전송과 안정적인 신호 무결성을 보장하기 위해 낮은 DK 값을 가진 재료가 필요합니다.

FR4는 일반적으로 Dk 범위가 4.2-4.7이므로 고주파 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. RF/마이크로파 회로의 경우 Dk가 낮은 재료(일반적으로 2GHz에서 4~10 범위)가 선호되는데, 이는 고주파에서 더 나은 성능을 제공하기 때문입니다. 따라서 RF 또는 마이크로파용 PCB를 설계하는 경우 일반 FR4 대신 PTFE 기반 또는 특수 라미네이트와 같이 고주파용으로 제작된 재료를 사용하는 것이 좋습니다.

게다가 올바른 FR4 Dk 값을 선택할 때 회로 크기도 고려해야 합니다. Dk 값이 증가함에 따라 전송 라인이 줄어듭니다. 결과적으로 높은 Dk를 위해 작은 회로 크기를 선택해야 합니다.

히프 라인

FR4의 유전 상수(Dk)는 제조사마다 다릅니다. 하지만 신뢰할 수 있는 공급업체라면 귀사의 용도에 맞는 안정적인 Dk 값을 가진 최적의 FR4 PCB를 제공할 수 있습니다. 바로 이 점에서 PCBTok이 가장 믿을 수 있는 솔루션입니다!

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자주 묻는 질문

PCB에는 유전율이 높은 것이 더 좋은가?

그렇지 않습니다. 유전율이 높으면 신호 손실이 발생하여 성능이 크게 저하됩니다. 이것이 낮은 Dk가 주로 선호되는 이유이며, 특히 고주파 애플리케이션의 경우 그렇습니다. 그러나 저주파 애플리케이션의 경우 높은 Dk가 적합합니다.

단일 PCB 스택업 내에서 서로 다른 DK 값을 사용할 수 있나요?

단일 PCB 스택업 내에서 다양한 Dk 값을 사용하는 것은 고속 신호에 대한 더 나은 임피던스 제어를 제공하므로 훌륭한 접근 방식입니다. 이렇게 하면 원하는 임피던스를 얻을 수 있습니다.

공급업체와 배치 간의 fr4 Dk는 얼마나 다릅니까?

FR4는 일반적으로 구성, 주파수, 온도 등 다양한 요인에 따라 4.2와 4.7 사이에 있습니다. 그러나 FR4를 제조할 때 Dk 허용 오차는 +/- 10%이며 제조를 보다 잘 제어하면 +/-5%까지 낮출 수 있습니다.

개요

FR4란 무엇입니까?

FR4의 유전율 및 Dk 특성