통신 제품용 PCB 재료 선택: 포괄적 인 가이드

올바른 PCB 재료를 선택하는 것은 신호 무결성, 열 관리 및 비용 효율성이 성능에 직접적인 영향을 미치는 통신 제품에 대한 결정 결정입니다. 5G 기지국에서 라우터 및 위성 트랜시버에 이르기까지, 기판, 구리 호일 및 유전체 재료의 선택에 따르면 장치가 고주파수를 잘 처리하고 열 및 스케일을 진화하는 표준으로 얼마나 잘 관리하는지 결정합니다.

이 안내서는 통신 제품에 대한 PCB 재료 선택의 중요한 요소를 분류하고 FR-4, Rogers Laminates 및 고급 5G 재료와 같은 일반적인 옵션을 비교하고 성능과 비용의 균형을 맞추기위한 전략을 제공합니다. 저주파 IoT 센서 또는 고속 5G MMWAVE 시스템에 대한 설계에 관계 없이이 리소스는 정보에 근거한 재료 선택을하는 데 도움이됩니다.

주요 테이크 아웃
1.PCB 재료 선택은 신호 손실에 직접 영향을 미칩니다. 유전 상수 (DK)의 0.1 차이는 28GHz 5G 시스템에서 신호 감쇠를 5-10% 증가시킬 수 있습니다.
2.FR-4는 저주파 (≤6GHz) 통신 장치에 대한 비용 효율적인 상태로 유지되는 반면, Rogers 및 LCP 재료는 고주파 (28GHz+) 응용 분야에서 탁월합니다.
3. 영토 전도도는 중요합니다. 금속 코어 PCB와 같은 미지급은 고출력 통신 하드웨어에서 작동 온도를 20-30 ° C 감소시킵니다.
4. 밸런싱 비용 및 성능에는 종종 하이브리드 디자인이 포함됩니다. 중요한 RF 경로에는 Rogers를 사용하고 다른 섹션에는 FR-4를 사용하면 비용이 30% 감소합니다.

통신 제품을위한 PCB 재료 선택의 중요한 요소
통신 장치 용 PCB 재료를 선택하려면 제품의 성능 요구 사항과 얽힌 세 가지 핵심 요소를 평가해야합니다.
1. 전기 성능 및 신호 무결성
통신 시스템에서 신호 무결성은 데이터 속도와 신뢰성에 직접 영향을 미칩니다. 우선 순위를 정하는 주요 전기 특성은 다음과 같습니다.

A.Dielectric Constant (DK) : 전기 에너지를 저장하는 재료의 능력을 측정합니다. 낮은 DK (예 : Rogers의 경우 2.2–3.0)는 신호 지연 및 손실을 감소시켜 고주파 (28GHz+) 5G 시스템에 중요합니다.
B. 분해 계수 (DF) : 신호 손실을 열로 나타냅니다. 더 낮은 DF (고급 재료의 경우 ≤0.004)는 긴 신호 경로 (예 : 백홀 링크)에서 감쇠를 최소화합니다.
C.DK 안정성 : Rogers와 같은 재료는 FR-4와 달리 온도 (–40 ° C ~ 85 ° C) 및 주파수에 걸쳐 일관된 DK를 유지하며, 이는 극한 조건에서 5-10% 씩 변합니다.

2. 열 관리
통신 장치, 특히 5G베이스 스테이션 및 고출력 트랜시버는 상당한 열을 중단하여 성능을 저하시키고 수명을 단축시킵니다. 재료 열전도율 (열 확산 양)이 중요합니다.

A.FR-4 : 열전도율이 좋지 않음 (0.2–0.3 w/m · k)에는 고출력 설계에서 추가 방열판이 필요합니다.
B. METAL-CORE PCBS (MCPCBS) : 알루미늄 또는 구리 코어는 열 전도도를 1-5 w/m · K로 향상시켜 성분 온도를 20-30 ° C로 줄입니다.
C. 세라마로 채워진 라미네이트 : 로저스 RO4835 (0.6 w/m · K)와 같은 재료는 전력 RF 앰프에 이상적 인 전기 성능 및 열 소산의 균형을 유지합니다.

예 : 3W/m · K 전도도를 갖는 MCPCB를 사용하는 5G 소규모 셀은 FR-4 설계보다 25 ° C 쿨러를 실행하여 앰프 수명을 2 배로 확장합니다.

3. 비용 및 제조 가능성
고급 재료는 성능을 향상 시키지만 비용을 증가시킵니다. 두 사람의 균형은 다음과 같습니다.

A.Volume 고려 사항 : Rogers는 FR-4보다 3-5 배 더 비싸지 만 더 나은 신호 무결성으로 인한 재 작업이 줄어들기 때문에 대량 (10,000+ 이상)에서 비용 효율성이 높아집니다.
B. 제조 복잡성 : LCP 및 세라믹 재료에는 특수 제조 (예 : 레이저 드릴링)가 필요하며, FR-4 대 2-3 주까지 납 시간이 증가합니다.
C. 하이브리드 설계 : 중요한 경로 (예 : RF Frontends)에 대해서만 고성능 재료를 사용하고 전력/제어 섹션의 경우 FR-4는 비용을 30-40%줄입니다.

통신 제품을위한 일반적인 PCB 재료
모든 재료가 동일하게 생성되는 것은 아닙니다. 각 주파수 범위와 응용 분야에서 각각 탁월합니다.
1. FR-4 : 저주파 디자인을위한 주변
FR-4 (유리 강화 에폭시)는 가장 널리 사용되는 PCB 재료로 비용과 다양성의 균형으로 평가됩니다.

강점 : 저렴한 비용 (평방 피트 당 $ 10- $ 20), 제조하기 쉽고 주파수 ≤6GHz에 충분합니다.
제한 사항 : 고주파 (10GHz 이상)에서 높은 DK/DF는 상당한 신호 손실을 유발합니다. 열전도가 불량합니다.
응용 프로그램 : 소비자 라우터, IoT 센서 및 저속 통신 모듈 (예 : Zigbee, Bluetooth).

2. Rogers Laminates : 중간에서 높은 주파수를위한 고성능
Rogers Corporation의 라미네이트는 RF 및 마이크로파 커뮤니케이션 시스템의 업계 표준입니다.

RO4000 시리즈 (예 : RO4350) : DK = 3.48, DF = 0.0037, 5G 6GHz 기지국 및 레이더 시스템에 이상적입니다. 성능과 비용의 균형.
RT/Duroid 시리즈 (예 : RT/Duroid 5880) : DK = 2.2, DF = 0.0009, 28-60GHz MMWAVE 응용 프로그램을 위해 설계되었지만 RO4350보다 5 배 더 비쌉니다.
강점 : 우수한 DK 안정성, 낮은 손실 및 우수한 열전도율 (RO4835의 경우 0.6 w/m · K).
응용 : 5G 매크로 세포, 위성 통신 및 군용 라디오.

3. LCP (액정 폴리머) : 5g mmwave에 대한 신흥
LCP는 탁월한 고주파 성능으로 인해 28-60GHz 5G 시스템에서 견인력을 얻고 있습니다.

전기 특성 : DK = 3.0–3.2, DF = 0.002–0.003, 빈도/온도에 대한 최소 변화.
기계적 이점 : 유연성, 3D 디자인 (예 : 5G 핸드셋의 곡선 안테나).
과제 : 높은 비용 (8-10x FR-4)과 라미네이트가 어렵고 부피 생산을 제한합니다.
응용 프로그램 : 5G MMWAVE 스마트 폰, 작은 셀 및 항공 우주 통신 링크.

4. 세라믹으로 채워진 라미네이트 : 전력 및 열 처리
Panasonic Megtron 6 및 Isola FR408HR과 같은 재료는 FR-4의 비용을 고주파 성능 향상과 결합합니다.

DK = 3.6–3.8, DF = 0.008–0.01, 6-18GHz 시스템에 적합합니다.
열전도율 = 0.4–0.5 w/m · k, 중간 전원 장치의 표준 FR-4보다 우수합니다.
응용 프로그램 : 5G 실내 CPE (고객 건물 장비) 및 산업 통신 라우터.

커뮤니케이션 응용 프로그램에 의한 재료 선택
다른 커뮤니케이션 제품에는 고유 한 요구 사항이 있으며 자재 선택을 지시합니다.
1. 저주파 (≤6GHz) 장치
예 : IoT 센서, Wi-Fi 6 라우터, Zigbee 모듈.
우선 순위 : 비용, 제조 가능성 및 기본 신호 무결성.
최고의 재료 :
대부분의 경우 FR-4 (잔액 비용 및 성능).
더 나은 DK 안정성이 필요한 Wi-Fi 6/6E 라우터의 경우 세라믹으로 채워진 라미네이트 (예 : Megtron 4).

2. 중간 주파수 (6-24GHz) 시스템
예 : 5G 6GHz 기지국, 전자 레인지 백홀 링크.
우선 순위 : 낮은 DF, DK 안정성 및 중간 정도의 열전도율.
최고의 재료 :
Rogers RO4350 (대량 기본 스테이션의 비용 효율적).
Isola 370hr (성능의 균형과 백홀 비용).

3. 고주파 (24–60GHz) 5g mmwave
예 : 5G mmwave 소형 셀, 스마트 폰 mmwave 안테나, 위성 트랜시버.
우선 순위 : 초 낮은 DF, DK 안정성 및 경량 설계.
최고의 재료 :
유연한 공간 제한 디자인 (예 : 스마트 폰 안테나) 용 LCP.
고출성 시스템을위한 Rogers RT/Duroid 5880 (예 : 위성 링크).

4. 고출력 통신 하드웨어
예 : 5G 전력 증폭기, 레이더 송신기.
우선 순위 : 열전도율 및 전류 운반 용량.
최고의 재료 :
Rogers RO4835 라미네이트가있는 금속 코어 PCB (알루미늄 또는 구리 코어) (낮은 손실 및 열 소산 조합).
과열없이 고전류를 처리하기 위해 두꺼운 구리 (2–3oz).

균형 비용 및 성능 : 실제 전략
고급 재료는 성능을 향상 시키지만 비용을 증가시킵니다. 이 전략을 사용하여 최적화하십시오.
1. 하이브리드 디자인
중요한 경로의 고성능 재료를 덜 민감한 섹션의 경우 FR-4와 결합하십시오.

A. 예 : 5G 기지국은 RF 프론트 엔드 (Critical Signal Path)에 Rogers RO4350을 사용하고 전력 관리 및 제어 회로에는 FR-4를 사용합니다. 로저스 디자인 전체 비용을 30% 줄입니다.

2. 주파수 별 재료 등급
재료 성능을 주파수 대역과 일치시킵니다.

A. ≤6GHz의 FR-4를 사용하십시오.
B. 6-24GHz의 Rogers RO4350으로 업그레이드.
C.Reserve LCP/RT/DUROID ≥24GHz MMWAVE.

3. 볼륨 최적화
A. low 볼륨 (≤1,000 단위) : 성능 우선 순위 - 툴링이 비용을 지배함에 따라 Rogers 또는 LCP를 더 높은 비용으로 사용하십시오.
B. 높은 볼륨 (≥10,000 단위) : 단위당 비용과 성능의 균형을 맞추기 위해 하이브리드 설계를 평가합니다.

4. 공급 업체 협업
제조업체와 함께 다음 :

A. 소스 비용 효율적인 재료 조합 ​​(예 : Rogers + FR-4 하이브리드).
B. 폐기물을 줄이기 위해 패널 크기를 최적화합니다 (예 : 대량 FR-4 생산을위한 18 "× 24"패널).

통신 제품을위한 PCB 재료의 향후 트렌드
통신 시스템이 더 높은 주파수 (60GHz+)로 밀면서 재료는 새로운 요구를 충족시키기 위해 발전하고 있습니다.
1. 차세대 LCP 및 PTFE 블렌드
제조업체는 MMWAVE 성능을 유지하면서 비용을 줄이기 위해 LCP/PTFE 블렌드를 개발하고 있습니다. 초기 테스트는 DK = 2.8, DF = 0.0025, 순수한 LCP보다 30% 저렴한 비용을 보여줍니다.

2. 친환경 재료
생분해 성 기판 (예 : 리그 노 셀룰로오스 나노 섬유)은 저전력 IoT 장치에서 등장하여 전자 폐기물을 줄입니다. 이 재료는 DK = 3.5–4.0이며 ≤2.4GHz 시스템에 적합합니다.

3. 통합 열 관리
내장 된 방열판이있는 재료 (예 : 세라믹 유전체가있는 구리 입은 알루미늄)는 5G 전력 증폭기에 대해 테스트되고 있으며 5-10 w/m · K 열전도율을 대상으로합니다.

FAQ
Q : 5G 6GHz 기지국 스테이션에서 가장 비용 효율적인 자료는 무엇입니까?
A : Rogers RO4350은 저 손실 (DF = 0.0037)과 비용의 최상의 균형을 제공하므로 대량 6GHz 배포에 이상적입니다.

Q : 5G 장치에서 FR-4를 사용할 수 있습니까?
A : 그렇습니다.하지만 비 임계 섹션 (예 : 전력 관리)에만 해당됩니다. FR-4의 높은 DF (0.02–0.03)는 6GHz 이상의 RF 경로에서 너무 많은 손실을 초래합니다.

Q : MMWave 용 LCP와 Rogers 중에서 어떻게 선택합니까?
A : 유연한 공간 제한 디자인 (예 : 스마트 폰 안테나)에 LCP를 사용하십시오. 강성 고출성 시스템 (예 : 위성 트랜시버)을 위해 Rogers RT/Duroid를 선택하십시오.

Q : 통신 PCB에서 열 관리에 가장 중요한 재료 특성은 무엇입니까?
A : 열전도도 (더 높음) 및 구성 요소와 일치하는 열 전도도 (CTE) 계수 (예 : 솔더 관절 파괴를 방지하기위한 6-8 ppm/° C).

Q : 하이브리드 PCB는 거친 환경에서 신뢰할 수 있습니까?
A : 그렇습니다. 적절한 라미네이션. 제조업체는 특수한 접착제를 사용하여 비 유사한 재료 (예 : Rogers + FR-4)를 결합하여 –40 ° C ~ 85 ° C 조건의 신뢰성을 보장합니다.

결론
통신 제품을위한 PCB 재료 선택은 전기 성능, 열 관리 및 비용 사이의 미묘한 트레이드 오프입니다. FR-4는 저주파 장치에 필수 불가능한 상태로 유지되는 반면 Rogers 및 LCP 재료는 5G 이상의 고주파, 높은 신뢰성 요구를 가능하게합니다.

재료 특성을 제품의 주파수, 전력 및 볼륨 요구 사항과 정렬하고 하이브리드 설계를 활용함으로써 엔지니어는 고성능 및 비용 효율적인 통신 장치를 만들 수 있습니다. 5G MMWAVE 및 6G 시스템이 발전함에 따라 재료 혁신은 계속 진행의 주요 동인이되어보다 빠르고 안정적인 연결성을 가능하게합니다.