재료 열팽창 계수(CTE)는 재료의 물리적 특성 중 하나입니다. 온도가 변하면 부품의 모양이 변하고 응력이 발생합니다. 이를 막을 수는 없습니다. 모든 전자 제품 제작의 핵심은 요구 사항을 충족하는 부품을 인쇄 회로 기판(PCB)에 배치하는 것입니다. 납땜을 통해 부품을 기판에 결합합니다. 납땜 대상 스루홀 기술(THT), 부품에는 리드가 있습니다. 보드가 구부러지거나 팽창하면 리드가 구부러져 응력을 흡수합니다. 그러면 부품 본체는 응력을 덜 받습니다. 따라서 리드가 길수록 부품 본체에 가해지는 응력이 줄어듭니다. 온도 변화로 인한 솔더 응력은 주로 솔더 조인트와 패드에 영향을 미칩니다. 이는 솔더 신뢰성에 영향을 미칩니다.
사용 시 표면 실장 기술(SMT), 를 사용하면 보드에 더 많은 부품을 넣을 수 있습니다. 하지만 부품에는 스트레스를 흡수할 리드가 오래 걸리지 않습니다. 응력이 부품 본체로 바로 전달됩니다. 기판과 부품이 서로 다른 속도로 팽창하면 부품이나 납땜 접합부가 파손될 수 있습니다.
FR4 기본 소재의 CTE 특성
일반적인 유리 섬유 강화 기본 재료(FR4) 는 z축(보드 두께를 관통하는)과 x-y 평면(보드를 따라)에서 서로 다른 CTE를 가집니다. 온도가 상승하면 기판은 z축에서 더 많이 팽창합니다. 재료가 유리 전이 온도 Tg보다 낮으면 재료는 유리 상태이며 CTE가 작습니다. 이 CTE 값을 a1이라고 합니다. 재료가 Tg보다 높으면 재료는 고무와 같은 상태이며 CTE가 더 큽니다. 이 CTE 값을 a2라고 합니다. 일반적으로 a2는 a1의 약 3배입니다.
예를 들어, 온도가 Tg 이하일 때 유리 섬유 에폭시 CTE의 x 방향과 y 방향도 동일하지 않습니다. 약 1~5ppm/°C 정도 차이가 납니다. z 방향에서는 약 20ppm/°C입니다. 대형 표면 실장 장치에 기판과 일치하는 CTE가 있는 경우 이 차이는 매우 중요합니다. 솔더 조인트 수명을 늘리는 데 도움이 됩니다.
CTE가 PTH 및 마이크로비아에 미치는 영향
CTE는 PWA 실장 스루홀 및 마이크로 비아에 중요한 요소입니다. 이러한 비아의 종횡비(기판 두께를 홀 지름으로 나눈 값)는 일반적으로 베어 기판에서 방금 마감한 드릴 구멍의 종횡비보다 큽니다. SMT 리플로, 부품 제거, 수리용 리플로, 기판 제조, 볼 부착, 열풍 레벨링, 웨이브 솔더와 같은 공정에서 큰 z 방향 CTE는 너무 많은 PTH 인장 응력을 유발합니다. 이는 고장을 일으킬 수 있습니다.
따라서 보드 베이스 소재를 선택할 때는 먼저 해당 소재의 CTE가 장착할 부품의 CTE와 일치하는지 고려해야 합니다. 일치하지 않는 경우 보완 조치를 취해야 합니다.
PCB용 CTE의 기본 정의 및 중요성
많은 사람들이 PCB에 대해 이야기할 때 CTE라는 단어를 사용합니다. 하지만 실제로 CTE가 무엇을 의미하는지, CTE가 보드에 어떤 영향을 미치는지 아는 사람은 얼마나 될까요?
CTE는 열팽창 계수를 나타냅니다. PCB가 가열되거나 냉각될 때 크기가 변화하는 비율을 나타냅니다. 세상의 모든 물질은 온도에 따라 조금씩 팽창하거나 수축합니다. 예를 들어 집은 겨울보다 여름에 약간 더 커집니다.
일부 재료는 가열하면 수축하지만 대부분의 재료는 가열하면 약간 팽창합니다. 팽창은 섭씨 온도당 백만분의 1(ppm/°C)로 표시됩니다. PCB가 14ppm/°C 옆으로 팽창한다면, PCB의 길이가 100만 인치라면 1°C 상승할 때마다 14인치씩 늘어난다는 뜻입니다.
PCB와 실리콘 칩 간의 CTE 불일치
일반적인 fr4 라미네이트의 CTE는 14~17ppm/°C입니다. 대형 실리콘 칩과 비교하기 전까지는 괜찮아 보입니다. 많은 실리콘 칩의 CTE는 6ppm/°C에 가깝습니다. 특히 대형 BGA 패키지의 경우 팽창 차이가 충분히 커서 PCB와 칩이 가열되면 PCB가 칩보다 더 많이 팽창합니다. 이러한 추가적인 움직임은 칩에서 납땜 접합부를 끌어낼 수 있습니다.
따라서 PCB의 관점에서 제조업체는 종종 저CTE 소재를 사용합니다. 하지만 CTE는 보드에 어떤 영향을 미치며 어떻게 설계하고 제작할까요?
PCB 재료 및 부품의 일반적인 CTE 값
| 소재 / 구성 요소 | CTE(X-Y 방향) ppm/°C | CTE(Z 방향) ppm/°C | 참고 |
|---|---|---|---|
| 표준 FR-4 라미네이트 | 14 - 17 | 60 - 70(Tg 이상 200 초과 가능) | 가장 일반적인 PCB 재료 |
| 높은 Tg FR-4 | 12 - 16 | 50 - 60 | 열 안정성 향상 |
| 폴리이미드 PCB 소재 | 12 - 14 | 40 - 50 | 고온 애플리케이션에 사용 |
| 구리 | 16.5 - 17 | 16.5 - 17 | 참조 도체 자료 |
| 실리콘 칩 | 2.6 - 3(벌크 실리콘) | - | 패키지 효과 ~6ppm/°C |
| BGA 패키지(일반) | 6 - 10 | - | 용지 유형에 따라 다름 |
| 세라믹 패키지 | 6 - 8 | - | 실리콘과 우수한 CTE 매칭 |
| 알루미늄 | 22 - 24 | 22 - 24 | 금속 코어 PCB에 사용 |
| 구리-인바-구리(CIC) 코어 | 8 - 10 | 8 - 10 | 낮은 CTE 금속 코어 |
| 구리-몰리브덴-구리(CMC) 코어 | 6 - 8 | 6 - 8 | 매우 낮은 CTE 금속 코어 |
| 아라미드 / 케블라 코어 | 7 - 8 | 7 - 8 | 낮은 CTE 복합 소재 |
Low-CTE PCB 코어 솔루션
라미네이트를 선택할 때 Tg, 유전율 Dk, 손실 계수 Df와 같은 사양을 살펴봅니다. 이 모든 것이 중요하며 서로 영향을 미칩니다. CTE를 낮추기 위해 라미네이트를 선택하면 모든 fr4 유형이 비슷한 CTE 값을 갖는다는 것을 알 수 있습니다. 대부분은 여전히 높습니다(약 14ppm/°C). 이는 매우 큰 실리콘 패키지의 경우 CTE를 제어하기 위해 다른 접근 방식이 필요하다는 것을 의미합니다. 한 가지 방법은 금속, 케블라 또는 아라미드로 만든 코어를 추가하는 것입니다.
이러한 저CTE 코어는 종종 저CTE 보드를 만들기 위해 fr4 외부 레이어 아래에 사용됩니다. 금속 코어는 구리-인바-구리(CIC) 또는 구리-몰리브덴-구리(CMC)일 수 있습니다. 일반적으로 두께는 약 6밀리미터입니다. 금속 코어 외부 표면의 구리를 통해 일반 FR4 프리프레그와 코어를 금속 위에 적층할 수 있습니다.
널리 사용되는 두 가지 금속 코어는 CIC와 CMC입니다. 이들의 코어 CTE 값은 각각 약 8ppm/°C와 6ppm/°C입니다. fr4 외부 레이어를 금속 코어에 고정하면 전체 보드 CTE는 CIC의 경우 약 12ppm/°C, CMC의 경우 약 9ppm/°C가 됩니다.
케블라 써마운트 또는 아라미드 라미네이트를 코어로 사용할 수도 있습니다. 이들의 낮은 코어 CTE는 약 7~8ppm/°C입니다. 표준 fr4 외부 레이어를 사용하면 전체 보드 CTE는 약 12ppm/°C가 됩니다. 다층 생산에서는 낮은 CTE 코어가 일반적인 fr4 코어를 대체합니다. 흥미로운 점은 케블라 섬유 자체가 실제로 마이너스 열팽창을 한다는 것입니다. 섬유를 에폭시로 결합하면 그 결과 작은 양의 CTE가 발생합니다.
저-CTE 코어의 비용, 프로세스 및 추가 이점
저CTE 라미네이트를 사용하는 경우 가장 비싼 옵션은 일반적으로 금속 코어입니다. 케블라 및 아라미드 라미네이트는 비용이 더 저렴합니다. 과거에는 알론 케블라 써마운트를 구하기 어려웠지만 지금은 신규 생산으로 공급이 늘어났습니다. 모든 저CTE 코어는 드릴링과 가공이 더 어렵습니다. 하지만 초대형 실리콘 패키지의 6~9ppm/°C 요구 사항을 충족할 수 있는 유일한 방법입니다.
금속 코어 PCB는 CTE 제어 외에도 고출력 열 전달을 개선할 수 있습니다. 금속은 가열되면 fr4보다 더 많이 팽창한다는 점을 기억하세요. 금속 코어는 케블라보다 보드 확장을 더 잘 제어할 수 있습니다. 금속 코어는 케블라보다 전체 보드의 팽창을 더 많이 변화시킬 수 있습니다.
CTE 불일치 위험을 줄이기 위한 실질적인 조치
실제로 CTE 불일치 위험을 줄이기 위해 다음과 같은 기본적인 작업을 수행할 수 있습니다:
가능하면 보드 CTE를 대형 패키지 CTE와 일치시키도록 하세요.
대형 패키지에는 CIC, CMC, 케블라 또는 아라미드와 같은 저CTE 코어를 사용하세요.
Tg를 주의하여 최고 공정 온도보다 높은 Tg를 가진 재료를 사용하세요.
SMT 부품의 경우 납땜 접합부의 스트레스를 줄이기 위해 패드와 랜드 패턴을 설계합니다.
제조 시 최대 리플로우 온도와 냉각 속도를 제어합니다.
관통 구멍 부품의 경우 응력을 흡수할 수 있도록 구부러지는 리드를 사용합니다.
저CTE 코어는 비용이 더 많이 들고 다른 드릴링 도구와 프로세스가 필요하다는 것을 알고 있습니다.
CTE 중요성 요약
CTE는 단순한 숫자이지만 PCB 프로젝트의 많은 부분에 영향을 미칩니다. 일찍 생각하지 않으면 솔더 조인트 실패, 부품 균열 및 낮은 신뢰성을 볼 수 있습니다. 처음부터 CTE를 계획하면 보드와 부품의 수명을 늘릴 수 있습니다.
