PCB뉴스 - PCB 기판: CTE 계수

CTE는 온도가 변할 때 단위 온도 변화당 재료의 치수 팽창률을 나타내며, 단위는 ppm/℃(섭씨 1도당 백만 분의 1)입니다.

(1) 방향성 차이

X/Y 방향(평면 방향): 일반적으로 CTE가 낮은 강화재(예: 유리 섬유 천)가 지배적입니다(예: FR-4의 X/Y CTE는 약 12~14 ppm/℃임). Z 방향(두께 방향): 수지 시스템이 지배적이며 CTE가 더 높습니다(예: FR-4의 Z 방향 CTE는 50~70 ppm/°C에 도달할 수 있음).

(2) 재료의존성

수지 유형: 에폭시 수지는 CTE가 높은 반면, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이나 세라믹으로 채워진 재료는 CTE가 낮습니다. 강화재: 유리 섬유 천(예: 1080, 2116 유형)의 밀도와 방향은 X/Y CTE에 직접적인 영향을 미칩니다.

(3) 온도범위

CTE는 다양한 온도 범위(예: 유리 전이 온도 Tg 주변)에서 비선형적인 변화를 보일 수 있습니다.

낮은 CTE(열팽창 계수)를 지닌 PCB 소재는 온도 변화로 인해 발생하는 치수 편차 및 층간 정렬 문제를 효과적으로 줄일 수 있기 때문에 고정밀 전자 장치, 고주파 회로 또는 고온 환경에서 특히 중요합니다. CTE가 낮은 PCB 기판은 다음과 같습니다.

1. 세라믹 기판 소재

(1) 질화알루미늄 세라믹스(AlN)

알루미늄 질화물의 CTE는 약 4.5ppm/℃로 실리콘 칩(CTE는 약 3ppm/℃)과 비슷하여 고전력 장치와 정밀 패키징 시나리오에 적합합니다. 적용 시나리오: LED, 전원 모듈, RF 구성 요소 등

(2) 알루미나 세라믹스(Al₂O₃)

알루미나의 CTE는 약 6~8 ppm/℃로, 우수한 열전도도와 기계적 강도를 결합하여 기존 세라믹 기판 중에서 주로 선택되는 수준입니다.

2. 고성능 구리도금적층판

(1) Rogers 계열 고주파 재료

RT/duroid 6000 시리즈(예: RT/duroid 6002, 6006): PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)와 세라믹 필러를 조합하여 사용하였으며, CTE가 6~10ppm/℃ 정도로 낮아 고주파 회로 및 항공우주 분야에 적합합니다. RO3000 시리즈: PTFE와 세라믹 유리 섬유를 기반으로 하며 CTE는 3~10 ppm/℃ 범위로 밀리미터파 응용 분야에 적합합니다.

(2) 금속기판(구리계, 알루미늄계 등)

금속 기판의 CTE는 일반적으로 낮습니다(예: 구리의 CTE는 17 ppm/℃). 하지만 복합 절연층(예: 알루미늄 기판)을 설계하면 전체 열 팽창 성능을 최적화하여 낮은 CTE 요구 사항에 접근할 수 있습니다.

(3) 변형 에폭시 수지 소재

높은 Tg FR-4 변형: 일부 개량된 FR-4 재료는 수지 공식을 조정(예: 높은 유리 섬유 충전 비율 또는 무기 필러 추가)하여 X/Y 방향의 CTE를 10-12 ppm/℃로 줄일 수 있습니다. 6 ppm/℃에 도달하지는 않지만 일반적인 산업용 응용 분야에서는 이미 비교적 높은 성능입니다. 예를 들어: 높은 CTI FR-4 또는 할로겐 없는 FR-4의 경우 맞춤형 매개변수를 얻으려면 제조업체에 문의해야 합니다.

(4) 특수 고주파 소재

타코닉 TLY 시리즈(예: TLY-3, TLY-5): PTFE와 세라믹 필러를 기반으로 CTE가 8~12 ppm/℃까지 낮아져 5G 통신 및 레이더 시스템에 적합합니다. Arlon CLTE 시리즈: 낮은 열팽창을 위해 설계되었으며 CTE를 8 ppm/℃ 이하로 제어할 수 있어 신뢰성이 높은 군용 장비에 적합합니다.

(5) 기타 저 CTE 재료

폴리이미드(PI) 기반 연성 회로 소재: 연성 PCB에 사용되는 PI 소재의 CTE는 약 12~20ppm/°C로 목표값보다 약간 높지만, 다층 구조 설계를 통해 전반적인 성능을 최적화할 수 있습니다. 탄화수소 + 세라믹 복합 재료: Rogers RO4000 시리즈는 CTE가 약 10 ppm/℃로 고속 디지털 회로에 적합합니다.

낮은 CTE PCB 소재의 장점

1. 신뢰성 향상

열 응력을 줄이세요. 칩의 CTE(예: 실리콘 CTE ≈ 3 ppm/°C)나 패키징 재료의 CTE를 맞춰서 납땜 접합부의 균열이나 박리를 방지하세요. 연장된 수명: 온도 변화가 잦은 환경(예: 자동차 전자 제품, 항공우주)에 적합합니다.

2. 신호 무결성 개선

고주파 회로에서 낮은 CTE는 온도 변화로 인한 유전율(Dk) 변화를 줄이고 임피던스를 안정화시킵니다.

3. 구조적 안정성 강화

다층 보드(예: HDI PCB)의 경우 각 층의 CTE가 일관되면 층간 오프셋을 방지하고 정렬 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

4. 고밀도 조립에 적응

팽창으로 인한 솔더 접합부 불량을 줄이기 위해 작은 패드(BGA, CSP 패키지 등)를 지원합니다.

낮은 CTE PCB 소재의 일반적인 적용 시나리오

1. 고주파/고속 회로

재료 예: Rogers RO4000 시리즈(CTE≈10 ppm/℃), Taconic RF-35(CTE≈8 ppm/℃). 적용 분야: 5G 기지국, 밀리미터파 레이더, 위성 통신.

2. 고전력 전자 장비

재료 예: 질화 알루미늄 세라믹(CTE≈4.5 ppm/℃), 금속 기판(알루미늄 기반 CTE≈22 ppm/℃). 적용 분야: IGBT 모듈, LED 방열 기판, 전기 자동차 인버터.

3. 정밀 포장 및 소형화 장비

재료 예: 폴리이미드 유연 기판(CTE≈12-20 ppm/℃), 개질 FR-4(CTE≈10 ppm/℃). 적용 분야: 의료 센서, 웨어러블 기기, 칩 스케일 패키징(CSP)

4. 극한 환경 전자 제품

재료 예: 알루미나 세라믹(CTE≈6-8 ppm/℃), 아라미드 섬유 강화 기판. 적용 분야: 심공 탐사 장비, 우주선 전자 시스템.

앞으로 낮은 CTE 소재에 대한 수요는 나노복합소재와 3D 프린팅 기판에 사용되는 경향이 있습니다. 나노복합재는 나노세라믹 입자(SiO₂, Al₂O₃ 등)를 추가하여 CTE를 더욱 줄입니다. 3D 인쇄 기판은 특수 모양의 포장재의 요구를 충족하기 위해 CTE 분포가 맞춤화되었습니다.