세라믹 PCB - 완벽한 가이드

대부분의 기존 회로 기판은 일반 가전제품에 적합한 FR4 또는 에폭시 수지를 기본 소재로 사용합니다. 하지만 이러한 기판은 고전력 및 고주파수 환경을 견디지 못하는 경우가 많습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 엔지니어들은 세라믹 PCB를 선택하기 시작했습니다.

세라믹 회로 기판은 일반 PCB의 단순한 대안이 아니라 더욱 진보된 기술입니다. 뛰어난 열전도도, 전기 절연성, 그리고 치수 안정성을 갖추고 있습니다. 즉, 세라믹 기판 PCB는 고온, 강한 진동 또는 부식성 환경에서도 안정적이고 신뢰성 있게 작동할 수 있어 항공우주, 국방, 자동차 전자, 의료 장비, 5G 통신 등의 분야에 매우 적합합니다.

이 포괄적인 가이드에서는 세라믹 PCB에 대한 심도 있는 이해를 제공합니다. 세라믹 PCB의 정의, 특징, 일반적으로 사용되는 소재와 유형, 특정 응용 분야 시나리오, 제조 공정, 그리고 세라믹 PCB와 FR4 및 MCPCB의 차이점에 대해 설명합니다.

세라믹 PCB란 무엇인가요?

세라믹 PCB는 특수 인쇄 회로 기판입니다. 기판은 기존의 유리섬유 에폭시 수지(FR4)가 아닌 알루미나(Al₂O₃), 질화알루미늄(AlN), 산화베릴륨(BeO), 탄화규소(SiC), 질화붕소(BN)와 같은 첨단 세라믹 소재로 만들어집니다. 세라믹 PCB는 유기 재료 대신 세라믹을 사용하며, 열전도도, 전기 절연성, 내화학성 등 일반 회로 기판에는 없는 특성을 가지고 있습니다.

바로 이러한 특성 때문에 세라믹 기판 PCB는 고전력 전자, RF 및 마이크로파 시스템, 항공우주, 방위 장비, 자동차 전력 모듈, LED 조명 및 높은 신뢰성이 요구되는 기타 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

열 방출을 위해 금속 층을 사용하는 MCPCB(금속 코어 회로 기판)와 달리, 세라믹 PCB는 기판 자체에 높은 열전도율을 직접 통합합니다. 즉, 일반적으로 추가 방열판이 필요하지 않고 시스템 설계가 간단하며, 더 작고 고밀도의 회로를 지원할 수 있습니다.

간단히 말해서, 세라믹 PCB는 단순히 FR4를 대체하는 것이 아니라, 더욱 발전된 차세대 회로 솔루션입니다. 고온, 고주파 및 부식성 환경에서도 안정적인 작동을 유지하는 동시에 중요한 애플리케이션에서 장기적인 신뢰성을 제공합니다.

세라믹 PCB의 주요 특징

세라믹 PCB의 성능은 주로 다음과 같은 주요 특징에서 비롯됩니다.

열 전도성

세라믹 PCB의 가장 큰 특징은 빠른 방열입니다. 일반적인 FR4 회로 기판의 열전도도는 약 0.3 W/m·K에 불과하지만, 산화알루미나(Al₂O₃)의 열전도도는 20~30 W/m·K에 달하고, 질화알루미늄(AlN)의 열전도도는 200 W/m·K를 넘습니다. 즉, 세라믹 회로 기판의 열은 기존 기판보다 20~100배 빠르게 방열되어 부품의 과열을 효과적으로 방지하고 신뢰성을 향상시킵니다.

전기 절연

세라믹 PCB 기판은 전기 절연성이 우수합니다. 알루미나나 질화알루미늄과 같은 소재는 유전 손실이 낮고 유전율이 안정적이어서 신호 누설을 줄일 수 있습니다. 따라서 세라믹 PCB는 무선 주파수(RF), 마이크로파 및 고속 디지털 회로에 이상적이며, 안정적이고 신뢰할 수 있는 신호를 보장합니다.

치수 안정성

세라믹 PCB는 온도 변화에도 거의 팽창하지 않으며, 열팽창계수(CTE)는 실리콘 칩과 유사합니다. 이는 회로 기판과 칩의 열 사이클링 스트레스를 줄여 반도체 패키징에서 세라믹 기판 PCB의 신뢰성을 높여줍니다.

기계적 강도

세라믹 PCB는 견고한 구조를 가지고 있어 진동, 충격, 기계적 응력을 견딜 수 있습니다. 이러한 내구성은 항공우주, 자동차 전자, 방위 전자 등의 분야에서 매우 중요합니다.

내 화학성

FR4 또는 일부 MCPCB와 달리 세라믹 기판 PCB는 화학 물질, 용매 및 습기에 대한 부식을 방지할 수 있습니다. 따라서 의료 장비, 산업 자동화 및 에너지와 같은 혹독한 환경에서도 안전하게 사용할 수 있습니다.

세라믹 PCB 소재

산업용 PCB 설계에서 기판 소재의 선택은 회로 기판의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 다양한 세라믹 소재는 고유한 열전도도, 기계적 특성 및 전기적 성능을 가지고 있어 다양한 유형의 전자 응용 분야에 적합합니다.

다음 표는 몇 가지 일반적인 세라믹 PCB 소재와 그 열전도도, 주요 특징 및 일반적인 응용 분야를 나열하여 설계 및 소재 선택을 위한 참고 자료로 활용할 수 있습니다.

세라믹 PCB의 종류

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세라믹 PCB의 응용 분야

세라믹 PCB는 다재다능하기 때문에 다음과 같은 여러 산업에 필수적입니다.

• LED 조명: 고출력 LED는 방열판이 필요 없는 세라믹 기판을 사용합니다.

• 자동차 전자 장치: 진동과 열이 문제가 되는 ECU, 전원 관리, EV 모듈에 사용됩니다.

• 항공우주 및 방위: 레이더 모듈, 미사일 유도, 항공 전자 장비 - 극한의 조건에서도 안정적인 세라믹 회로 기판.

• 통신: RF 증폭기, 마이크로파 회로, 5G 인프라는 신호 무결성을 위해 세라믹 PCB 기판을 사용합니다.

• 의료기기: 이식형 장비와 진단 장비에는 생체적합성과 내화학성이 뛰어난 세라믹 PCB가 필요합니다.

• 산업용 전력 전자: 인버터, 컨버터 및 재생 에너지 시스템은 고전력 세라믹 기판 PCB의 이점을 누리고 있습니다.

• 반도체 패키징: 칩 캐리어와 하이브리드 마이크로 전자공학은 높은 밀도와 열 제어를 위해 다층 세라믹 회로 기판을 사용합니다.

제조 공정 개요

세라믹 PCB 제조는 간단한 공정이 아닙니다. 여러 단계의 전문적인 공정이 필요하며, 각 단계는 최종 회로 기판의 성능과 신뢰성에 영향을 미칩니다.

1. 디자인 및 레이아웃

먼저, 회로 설계에 CAD 소프트웨어를 사용합니다. 엔지니어는 특히 세라믹 PCB의 방열 요건과 고주파 신호 전송 성능을 고려하여 회로 레이아웃이 합리적이고 신뢰할 수 있는지 확인합니다.

2. 기판 준비

세라믹 기판 재료(일반적으로 Al₂O₃, AlN 등)를 필요한 크기로 절단한 후 연마 및 세척합니다. 이 단계는 기판 표면을 평탄하고 먼지와 불순물이 없도록 하여 후속 공정을 원활하게 하기 위한 것입니다.

3. 스크린 인쇄 또는 박막 증착

은(Ag), 금(Au), 구리(Cu)와 같은 전도성 페이스트를 세라믹 기판 표면에 인쇄하여 회로 패턴을 형성합니다. 박막 공정은 더 미세한 전도성 층을 증착할 수 있어 고정밀 회로에 적합합니다.

4. 드릴링 및 금속화를 통해

레이저 또는 기계식 드릴링을 사용하여 기판에 비아를 형성합니다. 그런 다음, 홀 내부에 금속화 처리를 수행하여 회로 층 간의 안정적인 상호 연결을 구축합니다.

5. 스태킹 및 라미네이션

다층 세라믹 PCB의 경우, 다층 기판을 정밀하게 정렬하고 적층하여 다층 구조를 형성합니다. 이를 통해 고밀도 상호 연결과 더욱 복잡한 회로 설계를 지원할 수 있습니다.

6. 소결/소성

적층 세라믹 기판을 고온로에 넣고 850~1700°C에서 소결하여 세라믹과 금속 층을 단단히 결합시켜 회로 기판의 안정성과 강도를 보장합니다.

7. 표면 마무리

ENIG, ENEPIG, 은도금, 주석도금 등의 처리가 회로 기판 표면에 적용됩니다. 이러한 처리는 납땜성을 향상시키고 구리층의 산화를 방지할 수 있습니다.

8. 조립 및 테스트

회로 기판에 표면 실장 소자(SMD)를 설치하여 기본 회로 기능을 완성합니다. 그 후, 세라믹 PCB의 정상 작동 여부를 확인하기 위해 전기적 시험 및 열적 신뢰성 시험을 실시합니다.

9. 최종 프로파일링 및 패키징

마지막 단계는 회로 기판을 절단하거나 V-스코어링하여 형상 가공을 완료하는 것입니다. 합격한 완제품은 세라믹 PCB 제조업체에서 포장 및 배송 준비를 거칩니다.

세라믹 PCB 대 FR4 및 금속 코어 PCB

• FR4: 비용이 저렴하지만 방열성이 약합니다.

• MCPCB: 비용과 성능의 균형.

• 세라믹 PCB: 열전도성이 뛰어나지만 가격이 매우 비쌉니다.

결론

세라믹 PCB는 고성능 전자 조립에 필수적인 소재입니다. 높은 열전도도, 탁월한 전기적 성능, 내구성, 내화학성 등의 장점을 모두 갖추고 있어 항공우주, 자동차, 통신, 국방, LED, 의료 장비 등의 분야에서 그 중요성이 점차 커지고 있습니다.

세라믹 PCB는 FR4나 금속 코어 PCB보다 가격이 비싸고 취약하기는 하지만, 장기적인 신뢰성을 높이고, 방열 요구 사항을 줄여 전자 제품의 수명을 연장하고, 전반적인 비용을 절감할 수 있습니다.