저유전율 (Low Dk) CCL or PCB 재료 가이드

저유전율 (Low Dk), 저유전손실(Low Df) CCL or PCB 재료 가이드

 PCB 재료 옵션 및 레이어 구성에 대해 알아보는 데 시간을 투자했다면 아마도 시장에서 사용할 수 있는 다양한 재료를 보았을 것입니다. 재료 회사는 전자 산업의 다양한 응용 분야를 대상으로 다양한 Dk 값, Tg 값, 직조 스타일, CTI 값 및 기계적 특성을 갖춘 적층판을 생산합니다.

저손실 동작으로 많은 주목을 받는 재료 세트 중 하나가 바로 low-Dk PCB 재료입니다. 이러한 재료는 저손실 재료 옵션으로 고속 PCB 설계에 권장되는 경우가 많습니다. 그러나 모든 시스템에 이러한 재료가 필요한 것은 아니며 PTFE 기반 저밀도 재료의 신뢰성이 훨씬 더 바람직한 다른 시스템도 있습니다. 

 

일반적인 PCB 소재

 일반적으로 PCB 스택업에 사용할 수 있는 저유전 특성 재료에는 크게 4가지 종류가 있습니다. 이러한 재료는 Dk가 더 높은(~4.2 ~ ~4.8 범위) 표준 FR4 등급 재료보다 유전손실이 더 낮은 경향이 있습니다 . 이것이 고속 PCB에 사용하도록 권장되는 이유 중 하나이지만 이 권장 사항은 올바른 맥락 없이 제공되는 경우가 많습니다. 아래에서는 low-Dk 재료를 사용하는 일반적인 경우에 대해 설명하겠습니다. 지금은 다음 각 재질 옵션을 살펴보겠습니다.

료 유형

 

재료 유형	Dk 범위	손실탄젠트
저손실 FR4 등급 소재	~3.7	0.005-0.01
PTFE 기반 소재(강화 또는 비강화)	3~10	0.0013-0.004
폴리이미드 소재	2.8~3.5	0.003-0.01
저유전 또는 PTFE 기반 접착 시트 재료	~2.5	~0.002
액정 폴리머(LCP)	~3.1	~0.002

 

저손실 FR4

 이러한 재료는 주요 재료 특성 및 구성(유리 직조/수지 함량, Tg 값, 기계적 특성) 측면에서 대부분의 면에서 다른 FR4 라미네이트와 비교할 수 있는 엔지니어링 에폭시-수지 복합 재료입니다. 이러한 재료의 가장 인기 있는 공급업체 중 두 곳은 Isola와 ITEQ이지만 비슷한 라미네이트를 생산하는 다른 공급업체도 있습니다. 이 재료는 다른 FR4 등급 라미네이트가 사용되는 것처럼 PCB 스택업에 사용됩니다. 재료는 프리프레그 및 코어 옵션으로 제공되며 고려해야 할 주요 하이브리드 구성 문제는 없습니다. 

• Dk 값: ~3.7
• 손실 탄젠트: 0.005-0.01
• Tg 값: 낮음(~130°C) 및 높음(~180°C) 옵션 사용 가능
• 두께 값: 최저 2mil
• 구리 옵션:  일반적으로 ED 또는 RA 구리

 이러한 라미네이트의 유리 직조 스타일은 개방형(106) 직조부터 고도로 폐쇄된(2116) 직조 및 기계식 스프레드 유리까지 매우 다양할 수 있습니다. 고속 애플리케이션의 경우 이러한 라미네이트는 대부분의 고속 프로토콜(DDR3+, PCIe, 기가비트 이더넷, MIPI 표준 등)과 함께 사용할 수 있으므로 바람직합니다.

 

PTFE 라미네이트

 모든 설계자에게 친숙한 일반적인 저유전특성 소재는 PTFE입니다. 이러한 재료는 세라믹 필러와 혼합된 경화제와 PTFE를 사용하여 유전 상수, 손실 탄젠트 및 Tg를 특정 값으로 설계합니다. PTFE는 소재 중 유전특성이 가장 우수하지만 내열 및 CTE등의 특성을 요구되는 수치까지 충족할 수 없어 세라믹 소재와 혼합되어 사용되고 상당히 많은 세라믹이 포함되기 때문에 세라믹의 유전율 특성을 어느정도 포함하고 있습니다. 충진 소재에 따라 낮은 Dk의 소재부터 매우 높은 Dk의 소재까지 제조됩니다. 유전율은 다양하지만 손실값은 우수하며  FR4보다 총 손실이 낮습니다.

• Dk 값:  3~10
• 손실 탄젠트:  0.0013-0.004
• Tg 값: 매우 높지만(~280°C) 재료 구성에 따라 다릅니다.
• 두께 값: 5mil 미만의 일부 옵션
• 구리 옵션: ED, RA, 처리 또는 로우 프로파일 구리

 이러한 재료에 대해 가장 자주 인용되는 응용 분야는 GHz 범위에서 잘 작동하는 RF 시스템입니다. 모든 RF 보드에 Rogers를(PTFE라미네이트 제조 회사중 선도 적인 업체로 가격은 상대적으로 비싼편이다.) 사용할 필요는 없습니다. 약 5GHz(WiFi 주파수 범위) 미만인 경우 FR4 보드의 유전체 및 구리 손실은 보드가 매우 커지지 않는 한 의미가 없을 정도로 너무 작습니다. 이러한 유형의 결과는 Rogers사의 유전 손실 데이터에서 명확하게 볼 수 있습니다.

 

낮은 Dk를 제공하는 일부 PTFE 기반 PCB 재료는 강화되지 않은 라미네이트로 제공될 수 있습니다. 즉, 유리 섬유 직조 강화재가 없음을 의미합니다. 예를 들어 Rogers 3003은 매우 매끄러운 구리를 사용한 매우 낮은 손실 탄젠트 적층의 한 예이며 유리 강화 없이 사용할 수 있습니다. 이렇게 하면 섬유 직조 효과가 제거되지만 라미네이트가 얇을수록 재료 작업이 더 어려워집니다.

 

 

LCP, 액정 폴리머

 이 저Dk, 저손실 재료는 Ultra-HDI 선폭/간격 범위에서 작동하는 고급 플렉스 PCB에 사용되는 것으로 가장 잘 알려져 있습니다. 이러한 재료는 변형된 폴리이미드와 함께 사용되어 다층 회로를 형성할 수 있으며 스마트폰에 자주 사용됩니다. 다른 응용 분야에는 항공우주 시스템과 같이 장치 오류를 방지하기 위해 커넥터를 제거해야 하는 고신뢰성 시스템이 포함됩니다. LCP는 낮은 수분흡수 특성과 높은 내열 특성으로 인해 저유전 소재로 주목을 받았지만 필름형태인 LCP소재를 PCB형태로 제조할 때 매우 높은 공정 난이도로 인해 양산 적용이 어려웠던 소재였습니다. 무라타는 이 어려운 공정을 자체적으로 해결하여 제조 하였고 퀄컴은 이소재를 활용하여 5G용 안테나를 제작하여 애플 아이폰에 적용하였습니다.

기본적으로 CCL 공정은 필름을 제조하는 업체와 동박을 라미네이팅하여 CCL을 제작하는 업체, 그리고 적층하여 PCB를 제조하는 업체로 분업화가 되어있습니다. 때문에 새로운 소재를 새로운 방식으로 적용하는데는 큰 어려움이 있습니다.무라타 제작소는 분업화된 공정들을 통합하여 진행하였기 때문에 개발을 성공할수 있었을것으로 개인적으로는 사료됩니다. 

• Dk 값: ~3.1
• 손실 탄젠트:  ~0.002
• Tg 값:  높음(~250°C)
• 두께 값: 넓은 범위
• 구리 옵션: 로우 프로파일/ED, 일반적으로 낮은 구리 중량

 

 

 

폴리이미드 및 접착 필름

 이 두 가지 재료 세트는 플렉스 또는 리지드 플렉스 어셈블리에 사용됩니다. 폴리이미드는 보드 기판으로 플렉스 및 리지드 플렉스 레이어 스택에 사용되는 표준 재료 세트입니다. 이러한 재료의 주요 재료 특성 중 일부는 다음과 같습니다.

• Dk 값: 2.8~3.5
• 손실 탄젠트: 0.003-0.01
• Tg 값: 매우 높음(>300°C)
• 두께 값: 넓은 범위
• 구리 옵션: RA

 기본 폴리이미드 소재는 이미 대부분의 FR4 라미네이트보다 약간 낮은 Dk 값을 제공하며, 폴리이미드의 일반적인 Dk 값은 약 3.4입니다. 폴리이미드는 다양한 종류와 제품명이 있으며, 재료 특성은 필름 구성에 따라 다릅니다. GHz 범위에서 작동하는 저Dk/저손실 폴리이미드에 대한 일부 보고가 있습니다. 

 폴리이미드 필름 자체의 유전특성은 PTFE만큼 아주우수하며 내열특성은 가장 뛰어납니다. 하지만 폴리이미드의 흡습특성으로 인해 유전특성이 열화되는 성질이 있습니다. (수분은 아주 소량함유되어도 유전특성을 크게 저하시킵니다.) 실제로 건조된 폴리이미드나 건조하면서 측정되는 폴리이미드의 유전특성은 매우 뛰어납니다. 

 저유전 폴리이미드 제품은 대부분 수분흡수율을 개선한 폴리이미드이며 듀폰, PI첨단소재, 넥스플렉스, 카네카등의 선도적인 폴리이미드 제조사들은 저흡습 폴리이미드 제품군을 확보한 상태입니다. 

 

 본딩 필름은 플렉스/리지드-플렉스 PCB 스택업에 사용하여 구리 신호 레이어 위에 낮은 Dk 영역을 제공할 수 있는 재료 중 하나입니다. 이 필름은 플렉스/리지드-플렉스 PCB 스택업에서 커버레이에 접착하는 데 사용되는 매우 얇은 커버레이 접착층입니다. 이러한 필름은 매우 낮은 Dk 값(3 미만)과 매우 낮은 손실 탄젠트를 가질 수 있지만 저손실 커버레이 접착제로서 플렉스 스택업에만 유용합니다. 스택업에 통합될 수 있는 한 다른 응용 분야에서도 이 재료를 사용할 수 있습니다. 일반적인 재료 두께는 ~1mil이므로 더 높은 레이어 수의 보드에만 유용합니다.

 

• Dk 값: ~2.5
• 손실 탄젠트: ~0.002
• Tg 값: 매우 높지만(~300°C) 재료 구성에 따라 다릅니다.
• 두께 값: ~1mil
• 구리 옵션: 해당 없음

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Low-Dk PCB 재료에 중점을 두는 이유

 많은 고속 PCB 설계 지침에서 "낮은 Dk 라미네이트"를 사용하도록 명시할 때 일반적으로 PTFE 라미네이트를 권장합니다. 나는 이 권장 사항에 대한 두 가지 이유를 발견했는데 둘 다 말도 안 됩니다.

1. 낮은 Dk가 낮은 손실과 동일하다는 잘못된 가정이 있습니다.
2. 낮은 Dk는 더 빠른 신호 전파와 동일하며, 이는 임피던스를 일치시키지 않거나 접지면을 사용하는 핑계로 사용됩니다.

포인트 #1의 가정은 명백히 잘못된 것입니다. 전자기파에 의해 발생하는 손실은 손실 탄젠트가 아닌 유전 상수의 허수부에 의해 전적으로 결정됩니다. 손실 탄젠트는 파동 속도와 파동 손실을 비교하는 총괄적 측정법일 뿐이며 전송선의 분산 회로 요소 값과 관련된 일부 수학적 계산을 단순화합니다. 이는 모두 주어진 양의 유전 손실에 대해 Dk가 낮은 재료가 Dk가 높은 재료보다 손실 탄젠트가 더 높다는 것을 의미합니다.

 

 

손실은 손실 탄젠트에 의해 결정되지 않고 유전 상수의 허수부에 의해 결정

 

 

 이것은 물리학자들이 광학 수업 첫날 배우는 내용입니다. 어떤 이유로 마이크로파 엔지니어들은 메모를 받지 못했습니다.

포인트 #2의 가정은 고속 PCB 설계에 있어서도 무의미한 지침입니다. 고속 PCB를 설계하는 경우 전송선의 임계 길이 미만을 유지하려고 하면 트레이스 길이를 계산하는 데 훨씬 더 많은 시간을 소비하게 됩니다 . 또한 내가 여러 번 논의한 것처럼 "임계 길이"는 잘 정의되어 있지 않습니다. 따라서 Low-Dk 재료로 설계하든 High-Dk 재료로 설계하든 관계없이 인터페이스에 필요한 임피던스로 설계해야 합니다.

 좀 더 쉽게 요약하자면 유전율 Dk는 PCB의 치수등의 설계에 필요한 요소이고, 유전손실(손실 탄젠트) Df는 소재의 성능인 것입니다. 

 

Low-Dk 재료가 필요한 적용처는?

 고속 설계에 대한 지침에 대해 위에서 작성한 내용에도 불구하고 고속 PCB 설계를 포함하여 더 낮은 Dk 재료가 필요한 애플리케이션이 있습니다. 예를 들어, 다음 응용 분야에서는 일반적으로 low-Dk 재료를 사용합니다. 

Application Area	Example Materials
RF systems operating above 5 GHz	·         Rogers laminates ·         Taconic laminates ·         Arlon
Digital boards with channels operating above 5-10 GHz bandwidths (fast SerDes)	·         RO4835/RO4830 ·         Megtron ·         Isola 370HR/I-Tera ·         ITEQ laminates
Physically large boards with high-speed/RF, like backplanes	·         RO4835/RO4830 ·         Megtron ·         Isola 370HR/I-Tera ·         ITEQ laminates
High layer count flex boards	·         Ultra-thin polyimide ·         LCP ·         Thin bonding sheets
High layer count rigid boards	·         Glass-reinforced PTFE laminates

 

 이러한 응용 분야에 일반적으로 사용되는 저밀도 재료는 더 낮은 손실 탄젠트와 일치하기 때문에 선택될 수 있습니다. 고신뢰성 전력 전자 장치와 같은 다른 보드는 PTFE 또는 폴리이미드로 제작될 수 있지만 이러한 재료가 표준 FR4 라미네이트보다 Dk 값이 낮기 때문에 그렇지 않습니다.

 

 위 표의 마지막 사항은 아마도 고속 시스템과 초고주파 시스템에서 가장 중요할 것입니다. 두 시스템 모두 목표 임피던스에 도달하고 필요한 파장(RF 시스템)에서 작동하려면 작은 피처 크기가 필요합니다. 이는 더 많은 레이어 수를 확보하고 더 높은 주파수에서 작동할 수 있지만 덜 정밀한 제조 프로세스를 사용할 수 있음을 의미합니다. 이는 고급 제품이 Ultra-HDI 범위로 더욱 발전함에 따라 이러한 소재의 가장 큰 장점 중 하나일 것입니다.

 

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