금속 코어 PCB(MCPCB) 이해

기술이 발전함에 따라 전자 기기는 점점 더 강력해지고 있으며, 과열을 포함한 다양한 문제가 발생하고 있습니다. 금속 코어 인쇄 회로 기판(PCB)은 금속 코어 PCB 또는 MCPCB라고도 하며, 오늘날 전자 기기, 특히 효과적인 열 관리가 필요한 기기에서 점점 더 선호되는 부품으로 자리 잡고 있습니다. 이러한 금속 코어 회로 기판은 소형 고전력 시스템의 열 제어에 이상적입니다.

전자 기기에서 금속 코어 PCB의 이점에 대해 알아보고, 모든 전자 프로젝트의 잠재력을 극대화하는 데 도움이 되는 고전력 전자 부품을 살펴봅니다. 알루미늄 PCB, 구리 코어 PCB 또는 하이브리드 금속 코어 보드 등 어떤 PCB를 사용하든 적합한 금속 코어 PCB 제조업체 또는 MCPCB 제조업체를 선택하는 것이 매우 중요합니다.

금속 코어 PCB(MCPCB)란 무엇입니까?

이러한 종류의 회로 기판에는 절연 금속 기판 PCB, 알루미늄 클래드 PCB, 알루미늄 베이스 PCB, 금속 PCB 등 여러 가지 명칭이 있습니다. 이러한 모든 용어는 다양한 유형의 금속 코어 인쇄 회로 기판, 즉 금속 코어 PCB를 지칭하며, 대부분 동일한 장점과 특성을 가지고 있습니다.

금속 코어 PCB 회로 기판은 이름에서 알 수 있듯이 기판의 방열판 근처에 금속 베이스 코어가 있습니다. PCB 금속 코어는 기판 아래 표면 중앙이나 바깥쪽 후면에 배치할 수 있습니다. 이 디자인은 알루미늄 PCB와 구리 코어 PCB를 포함한 다양한 금속 회로 기판 종류에 동일하게 적용됩니다.

금속은 높은 열전도도를 가지고 있어 회로 기판에 매우 중요합니다. 금속 코어는 PCB의 주요 전자 부품에서 발생하는 열을 금속 히트싱크 뒷면이나 코어와 같은 필수 부품으로 전달하여 냉각 시스템에서 중요한 역할을 합니다.

대상 전자 제품의 용도에 따라 금속 코어 PCB 회로 기판은 단면 또는 양면으로 제작될 수 있습니다. 그러나 다층 금속 코어 PCB는 제조 공정의 복잡성으로 인해 널리 사용되지 않습니다.

일반적인 회로 기판은 FR4 또는 CEM3을 사용하지만, 금속 코어 PCB 기판은 금속 코어를 사용합니다. 금속 코어 PCB 기판은 방열 외에도 기계적 안정성을 제공하고 회로 층과 부품 간의 전기적 절연을 유지합니다.

금속 코어 PCB의 재료

금속 코어 PCB는 알루미늄, 구리 또는 금속 코어로 구성될 수 있습니다. 경우에 따라 금속 코어는 여러 특수 합금의 혼합물일 수 있습니다. 예를 들어 황동이나 강철을 사용할 수 있지만, 경도가 높아 회로 기판을 여러 조각으로 분해하기 어렵기 때문에 권장되지 않습니다.

알루미늄 코어

알루미늄 코어 PCB는 가장 일반적인 유형의 금속 코어 PCB 회로 기판으로, 열 집약적인 부품에서 발생하는 열을 기판에서 더욱 효율적으로 방출합니다. 이를 통해 PCB 전체에 걸쳐 열 방출이 더욱 고르게 분산됩니다.

구리 코어

일부 PCB에는 열전도도를 개선하고 구성 요소 내의 작동 온도를 낮추는 데 도움이 되는 구리 코어가 장착되어 있습니다.

구리는 과열되기 쉬운 전자 기기에 탁월한 선택이지만, 알루미늄에 비해 가격이 비쌉니다. 금속 코어 PCB 제조업체는 주로 다음과 같은 경우에 구리 코어를 사용합니다.

● 단면 단일 레이어: 냉각 목적으로 구리로 만든 단일 층의 받침대가 장착된 PCB입니다.

● 구리 충전 레이저 열 매트릭스: 금속 기반 회로 기판에서는 구리로 채워진 비아가 레이저로 뚫려 일반 비아에 비해 열 전도가 향상된 네트워크가 형성됩니다.

● 양면 받침대: 양면 PCB의 경우, 열을 더 빨리 방출할 수 있도록 양쪽에 구리 기반 받침대가 있습니다.

  

 

금속 코어 PCB 구조 및 두께

일반적인 금속 코어 PCB의 구조는 솔더 마스크 층, 유전체 층, 하단의 금속 코어로 구성됩니다.

상위 레이어

첫 번째 층은 솔더 마스크 층이고, 그 다음에는 회로 층과 구리 층이 있습니다. 이 층들은 중간의 유전체, 즉 금속 코어 층 위에 위치합니다. 위쪽 구리 필름 층은 회로 트레이스가 있는 얇은 구리 필름으로 구성됩니다. 이 층의 두께는 1온스(약 4g)에서 XNUMX온스(약 XNUMXg/제곱피트)입니다.

유전체층

가장 안쪽 층은 유전체층으로 작용합니다. 금속 코어를 구리 필름으로부터 분리하는 동시에 층 간의 열 전달을 원활하게 합니다.

금속 코어 층

금속 코어는 가장 낮은 층입니다. 일반적으로 사용되는 금속은 알루미늄이며, 두께는 1mm에서 3.2mm입니다. 금속 코어는 열 분산기 역할을 하며, 발열 부품에서 발생하는 열을 흡수하여 방출합니다. PCB에서 가장 두꺼운 층으로, 기판의 견고성을 높이고 PCB의 평탄성을 유지합니다.

두께 및 열전도도 세부 정보

코어는 모든 표준 보드 장착 하드웨어와 호환될 만큼 회로 기판을 두껍게 만들고, 보드의 노출된 금속 부분은 표면 마감이나 솔더 마스크로 덮여 있지 않습니다.

금속 코어 PCB의 금속 코어는 일반적으로 1W/mK에서 9W/mK 사이의 높은 열전도도를 가지고 있습니다. 높은 열전도도와 약 100µm의 얇은 절연층이 결합되어 보드의 열 전달 속도가 빨라집니다.

금속 코어 PCB의 이점

금속 코어 PCB는 뛰어난 열 성능, 더 나은 정전용량 결합, 그리고 높은 전자기 차폐 특성으로 인해 전자 기기에 널리 사용됩니다. 금속 코어 PCB의 장점을 더 자세히 살펴보겠습니다.

1. 열 방출:

금속은 높은 열전도도로 잘 알려져 있어 MCPCB는 가열 문제가 있는 장치에 이상적입니다. 이 부품들은 기기 전체에 걸쳐 열 전달을 원활하게 하여 국부적인 가열 문제를 줄여줍니다. 이러한 열전도 특성 덕분에 금속 코어 PCB는 고전력 회로에 이상적입니다.  

금속 코어 PCB 또는 FR-1 PCB를 장착한 4W LED 조명기구에서 열 발생 실험을 수행했습니다. 과열은 금속 코어 PCB에는 거의 영향을 미치지 않았지만, FR-4 PCB는 37°C까지 과열되었습니다.

2. 안정성과 강도:

LED 기술 제조업체, 특히 고출력 LED 조명 제조업체는 최근 몇 년 동안 과열 문제를 강조해 왔습니다.

고전력 전자 장치는 효율적인 방열 장치가 없으면 오작동하기 쉽습니다. 금속 코어 PCB는 금속 코어를 통해 열을 장치 전체에 고르게 분산시켜 과열로 인한 손상을 최소화함으로써 이 문제를 해결합니다.

알루미늄은 전체 전자 장치의 무게를 늘리지 않고도 인쇄 회로 기판에 강도를 제공하는 가벼운 소재로, 이로 인해 PCB는 고출력 LED 조명에 이상적입니다.

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3. 치수 안정성:

금속 코어 PCB는 특히 변동이 심한 환경 조건에서 FR-4와 같은 기존 소재로 만든 PCB에 비해 상대적으로 더 높은 치수 안정성을 자랑합니다.

예를 들어, 30°C에서 150°C까지의 가열 공정에 노출된 금속 PCB 소재는 기존 소재의 치수 변화가 약 2.5%에 불과한 반면, 3.5~4%의 치수 변화를 보였습니다.

그러나 알루미늄이나 구리와 같은 금속 코어 PCB는 뛰어난 열 안정성 덕분에 이러한 열 응력을 효과적으로 견뎌내고 다양한 온도에서 일관성을 유지할 수 있습니다. 이러한 안정성은 고온에서 회로 기판이 휘어지는 위험을 줄여줍니다.

4. 수명:

기존 PCB는 주로 세라믹이나 유리 섬유와 같은 섬세한 소재로 제작되어 약하고 파손되기 쉽습니다. 반면, 금속 코어 PCB 회로 기판은 금속 코어 덕분에 더 강합니다.

금속 회로 기판은 회로 기판 제조 및 조립 과정에서 파손이나 손상 위험을 줄여줍니다. 또한, 기기의 수명을 연장시켜 줍니다.

이러한 품질은 인쇄 회로 기판이 제조 과정에서 발생하는 기계적 압력을 견딜 수 있음을 보장합니다. 전자 부품의 내구성과 강도는 기계적 응력을 받아도 파손되지 않음을 보장합니다.

5. 가볍고 저렴한 가격:

금속 코어 PCB 회로 기판 종류는 더 가볍고 따라서 비용 효율적입니다.

알루미늄은 정제하기가 쉽기 때문에 회로 기판 기판에 사용하기에 비용 효율적인 선택이며, 알루미늄 기반 보드의 제조 비용을 줄여줍니다.

따라서 알루미늄 회로 기판은 크고 비싼 옵션에 비해 경제적인 대안을 제공합니다.

6. 높은 재활용성:

알루미늄은 재활용 가능한 소재로, 금속 코어 PCB를 더욱 환경 친화적이고 비용 효율적으로 만들어 줍니다. 지구상에서 가장 많이 재활용되는 소재 중 하나이며, 품질 저하 없이 반복적으로 재활용할 수 있습니다.

다양한 유형의 금속 코어 PCB

금속 코어 PCB는 MCPCB 내 금속 코어의 위치에 따라 여러 유형으로 분류됩니다. 금속 코어 PCB의 몇 가지 유형은 다음과 같습니다.

단일 층:

이름에서 알 수 있듯이, 단층 MCPCB는 단일 구리 도체층으로 제작됩니다. 그 위에 금속 베이스 플레이트가 덧대어져 회로 기판을 견고하게 고정합니다.

열전도성 회로 층은 회로 기판을 절연시켜 과열이 문제가 되지 않는 보다 간단한 용도에 적합합니다.

코어는 일반적으로 알루미늄으로 만들어집니다. 단층 회로 기판의 기본 구조는 금속 코어(일반적으로 알루미늄)와 유전체 또는 절연층으로 구성됩니다. 이 구조는 오디오 장치, 센서, 패키징 장비 및 자동차 릴레이에 가장 적합합니다.

양면의:

양면 PCB는 두 개의 층으로 구성되며, 이 두 개의 구리 층 사이에 금속 코어가 끼워져 있고, 구리 층을 연결하는 PTH(Plated Through Hole)를 사용하여 상호 연결됩니다.

금속 코어 PCB 제조업체는 SMT 및 THT 부품 실장을 위해 회로 기판의 양면을 사용할 수 있습니다. 양면 MCPCB는 금속 코어 양면에 트레이스 층을 갖는 복잡한 회로 설계에 사용됩니다.

두 개의 구리 층을 구리 코어에 적층하는 데는 재료와 기술이 모두 필요합니다. 일부 금속 코어 PCB 공급업체는 금속 피복용 사전 적층 시트를 제공하여 공정을 간소화합니다.

다층 :

이름에서 알 수 있듯이 다층 금속 회로 기판은 두 개 이상의 전도성 층을 포함합니다. 금속 베이스가 바닥에 위치하여 제조업체가 기판의 한쪽 면에만 부품을 장착할 수 있습니다.

다층 PCB에서는 금속 코어가 다른 층 사이에 배치되며, 코어 위와 아래에 같은 수의 층이 있습니다. 예를 들어, 12층 금속 PCB는 금속 코어 위아래로 정확히 6개의 층이 있습니다.

COB(칩온보드) MCPCB: 

열전 분리가 필요할 때는 칩온보드 MCPCB가 사용됩니다. 이 제품은 뛰어난 성능을 자랑하면서도 공간을 절약합니다.

표준 금속 PCB에는 구리 배선과 금속 코어 사이에 유전체층이 있는데, 이는 유전체층의 절연 특성으로 인해 열전도도를 제한합니다.

반면, COB MCPCB는 금속 코어에 칩을 내장하여 방열을 용이하게 합니다. 이러한 구조는 칩과 회로 기판 트레이스 사이에 전기적 상호 연결을 생성합니다.

금속 코어 PCB 제조 공정

금속 코어 PCB는 금속 코어를 추가하기 때문에 몇 가지 단계가 다르다는 점을 제외하면 기존 PCB와 동일한 방식으로 제조됩니다.

재료 선택

이 과정은 MCPCB의 사용 용도에 따라 적절한 재료를 선택하는 것으로 시작됩니다. 특정 PCB의 적용 분야에 따라 코어, 절연층, 구리 호일에 가장 적합한 재료가 결정됩니다.

재료 선택은 일반적으로 필요한 열전도도, 유전율, 기계적 특성 수준에 따라 결정됩니다.

교련

금속 배치 및 라우팅 전에, 금속 코어 제조업체는 컴퓨터 제어 드릴링 머신을 사용하여 금속 코어에 구멍을 뚫습니다. 이를 통해 일관성과 정확도가 극대화됩니다. 드릴링 머신은 자동으로 적합한 드릴을 선택하고 드릴 헤드를 머신에 장착합니다.

드릴 머신은 고속 드릴링을 자랑하지만, 각 구멍을 하나하나 뚫어야 하기 때문에 시간이 많이 걸리는 작업입니다.

구리 증착

금속 코어는 얇은 구리 층으로 코팅됩니다. 이는 금속을 전기 분해하여 도금하는 공정인 전기 도금을 통해 이루어집니다.

포토레지스트 응용

구리층은 포토레지스트라고 하는 광학 활성 유기 필름 층으로 덮여 있습니다. 자외선에 노출된 후, 외부 필름 패턴을 기판 표면에 도포합니다. 포토마스크를 통해 구조물을 자외선에 노출시키면 구리 트레이스 패턴이 형성됩니다.  

에칭

포토레지스트를 적용하지 않은 부분은 에칭을 통해 과도한 구리를 제거하고, 구리 추적 패턴을 그대로 남겨 보드의 과도한 구리를 제거합니다.

절연층 적층

절연층이라고도 하는 고온 폴리머 층이 금속 코어의 양면에 적층됩니다. 이 단계를 통해 구리 배선이 절연층으로 덮이게 됩니다.

솔더 마스크 적용  

솔더 마스크 층은 금속 PCB의 양면에 도포됩니다. 이는 산화 및 환경 노출로 인한 손상으로부터 기판을 보호하는 보호용 사진 이미지화 래커층입니다. 따라서 기판은 먼지 및 기타 부품으로부터 안전하게 보호됩니다.

금속 코어 PCB 제조업체는 부품 배치와 납땜을 용이하게 하기 위해 솔더 마스크 층에 개구부를 남겨 둡니다.

라우팅

라우팅은 생산 공정 마지막 단계에서 회로 기판의 윤곽을 만드는 과정입니다. 일반적으로 컴퓨터로 제어되는 CNC 기계 또는 밀링 공구를 사용하여 내부에 컷아웃이나 슬롯을 뚫습니다. 이 기계는 원본 공구 파일에 미리 정의된 경로를 따라가도록 프로그래밍됩니다.

밀링 중 발생하는 먼지는 밀링 헤드 근처에 있는 브러시로 수집됩니다. 브러시는 진공 흡입 시스템을 사용하여 먼지를 흡입합니다.

표면 마감 적용

구리 층은 노출된 구리 층을 산화 및 환경적 손상으로부터 보호하기 위한 금속 또는 유기 물질의 또 다른 층으로 코팅됩니다.

V- 컷

마지막 제조 단계에서는 회로 기판 양면에 V자 모양을 깎아 V-스코어링 또는 V-그루빙을 합니다. 이 과정에서 최소한의 재료만 남게 되므로 금속 코어 PCB 제조업체는 PCB를 생산 패널에서 분리할 수 있습니다.

테스트 및 검사

모든 전기 부품과 마찬가지로 회로 기판도 품질과 적절한 기능을 보장하기 위해 테스트를 거쳐야 합니다.

금속 코어 PCB 제조업체는 복잡한 회로 기판에 대해 플라잉 프로브 테스터를 사용하여 회로 기판의 전기적 테스트를 수행합니다. 또한, 대량의 회로 기판을 테스트하기 위해 범용 그리드 테스터를 사용할 수도 있습니다.

하이포트 테스트

이 시험은 금속 코어 PCB의 전기적 안전성이 규정된 특성 및 절연 성능 기준을 충족하는지 여부를 점검합니다. 회로 기판의 절연 저항과 절연 파괴 전압을 측정하는 것이 포함됩니다.

신뢰성 테스트는 절연체의 핀홀, 파손 또는 손상된 절연체, 구성 요소 간의 낮은 전기적 간극 등 회로 기판의 결함을 감지할 수도 있습니다.

금속 코어 PCB 설계에 영향을 미치는 요인

금속 회로 기판 제조에는 최적의 성능과 신뢰성을 보장하기 위해 여러 요소를 평가하는 과정이 포함됩니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

1. 열전도도

핵심 소재의 열전도도가 높을수록 전자제품의 발열 부품에서 열을 더 빨리 방출합니다.

결과적으로, 핵심 소재와 두께는 기기의 전력 요구 사항과 기기에서 열을 제거하는 속도에 따라 달라집니다.

2. 유전율

금속 코어 PCB의 성능은 절연 재료의 종류, 즉 MCPCB 제조 시 유전율에도 영향을 받습니다. 코어와 구리층 사이에 배치되는 절연 재료는 유전율을 갖습니다.

유전율은 금속 기판의 전도도에 영향을 미칩니다. 유전율이 높을수록 정전용량과 신호 전달이 증가합니다. 유전율이 낮으면 금속 회로 기판의 정전용량과 신호 전달이 감소합니다.

특정 응용 분야에 필요한 신호 전송에 따라, 금속 코어 PCB 제조업체는 유전율에 따라 절연 재료를 선택합니다.

3. 트레이스 폭 및 간격

특정 애플리케이션의 전류 전달 용량과 전압 요구 사항 또한 보드 크기를 결정하며, 두 트레이스 사이의 간격은 중요합니다. 따라서 보드의 간격과 너비는 효율에 영향을 미칠 가능성이 높습니다.

4. 솔더 마스크 및 실크스크린

솔더 마스크와 실크스크린은 기판의 구리층을 보호합니다. 또한 색상과 라벨을 통해 기판과 부품을 식별하는 데에도 도움이 됩니다. 마스크와 실크스크린의 색상은 애플리케이션의 필요에 따라 달라집니다.

5. 기계적 안정성  

MCPCB는 충격, 진동 및 상당한 온도 변화에 노출됩니다. 따라서 기판은 기계적 응력을 견딜 수 있을 만큼 충분히 안정적이어야 합니다. 기판의 안정성은 사용된 재료의 종류, 코어의 두께, 그리고 연결 방식에 따라 달라집니다.

이러한 요소를 고려할 때, 회로 기판이 최적의 성능을 제공하고 애플리케이션의 특정 요구 사항을 충족하는지 보장하는 경험이 풍부한 MCPCB 제조업체와 협력하는 것이 중요합니다.

금속 코어 PCB 응용 분야

금속 회로 기판의 응용 분야를 이해하려면 FR-4 회로 기판과 금속 PCB의 차이점을 고려하는 것이 중요합니다.

다양한 전자 제품은 작동에 많은 에너지를 필요로 합니다. 또한 상당한 양의 열을 발생시키는데, 이 열은 때때로 과열을 유발할 정도로 집중될 수 있습니다. 이러한 상황에서 금속 코어 PCB 회로 기판은 FR-4 회로 기판보다 우수한 대안이 될 수 있습니다.

금속 코어 PCB의 장점은 고출력 가전제품의 빠른 냉각과 효과적인 열 분산입니다. 구리 또는 알루미늄으로 제작된 회로 기판은 열전도도와 인장 강도가 우수할 뿐만 아니라, 파괴 전압도 더 높아 빠르게 가열되는 가전제품에 이상적입니다.  

금속 PCB의 주요 응용 분야와 용도는 다음과 같습니다.

● LED 조명

● 솔리드 스테이트 릴레이

● 전력공급업체

● 전압 조정기

● 태양광 패널

● 태양광 전지

● 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어.  

  

   

맺음말

금속 코어 PCB는 LED 조명, 자동차 전자 장치, 전력 전자 장치 등 효율적인 방열이 필요한 분야에서 광범위하게 사용되며, 이러한 분야에서는 과열로 인해 기기가 손상될 가능성이 있습니다.

금속 코어는 방열판 역할을 하여 FR4와 같은 비전도성 기판을 사용한 기존 회로 기판과 달리 주변으로 열을 분산합니다.

전반적으로 금속 코어 PCB는 뛰어난 열 관리 기능과 기계적 성능을 통해 다양한 전자 애플리케이션에 안정적이고 효율적인 솔루션을 제공합니다.

자주 묻는 질문

1. 금속 PCB에는 어떤 금속 코어가 사용됩니까?

PCB에 가장 일반적으로 사용되는 금속 코어는 알루미늄 코어입니다. 다른 금속보다 상대적으로 저렴하기 때문입니다. 또한, 알루미늄 코어는 다른 금속보다 열을 더 효과적으로 방출합니다. 그러나 장치의 복잡성에 따라 구리나 강철과 같은 다른 금속도 사용될 수 있습니다.

2. 금속 코어 PCB가 FR4 PCB보다 더 나은가요?

네, 금속 코어 PCB는 열전도도, 내구성, 주파수 향상 측면에서 일반 FR4 PCB보다 우수합니다. 하지만 대부분의 제조업체는 금속 PCB보다 FR4를 선호하는데, 이는 가격이 저렴하여 비용 절감에 도움이 되기 때문입니다.

3. 금속 코어 PCB가 널리 사용되는 이유는 무엇입니까?

금속 코어 PCB가 널리 사용되는 주된 이유 중 하나는 기기가 과열되는 것을 방지해 주기 때문입니다. 금속 코어는 열을 흡수하고 효율적으로 방출하여 기기가 과열되지 않도록 보호합니다. 또한, 이러한 회로 기판은 열전도도를 향상시켜 기기의 수명을 연장합니다.

4. 표준 SMT 공정을 사용하여 금속 코어 PCB를 조립할 수 있습니까?

네, SMT 공정은 금속 코어 PCB에 사용할 수 있습니다. 하지만 SMT 공정은 금속과 코어 소재의 열팽창 계수가 다르다는 단점이 있습니다.

5. 금속 코어 PCB는 표준 PCB보다 더 비싼가요?

금속 PCB는 재료와 제조 공정이 다릅니다. 이로 인해 금속 코어 PCB는 일반 PCB보다 가격이 비쌉니다. 그러나 금속 코어 PCB는 향상된 성능과 신뢰성으로 인해 투자 가치가 있습니다.