인쇄 회로 기판(PCB)은 통신, 자동차, 컴퓨터 하드웨어 등 다양한 산업에서 사용되는 현대 전자제품의 필수 구성 요소입니다.
FR4 는 우수한 전기적 및 기계적 특성으로 인해 회로 기판 제조에 사용되는 가장 일반적인 등급의 유전체 재료입니다.

여기서 FR4는 무엇인지 왜 대부분의 PCB는 FR4로 만들어지는지 어떤 장점이 있는지를 알아 보도록 하겠습니다.

FR4에서 Flame Retardant(난연제)"의 약자로 난연제(화염 저항성)은 물질이 화재에 저항하는 능력을 의미하며, 일반적으로 이것은 물질이 불이 붙어도
빠르게 확산되지 않고, 화재의 전파를 방지하고 불이 꺼지는 데 도움을 주는 성질을 의미하며, 숫자 '4'는 직조 유리 강화 에폭시 수지
(woven glass-reinforced epoxy resin)를 나타냅니다. 

FR4는 강화된 에폭시 수지와 유리 섬유로 이루어져 있으며, 에폭시 수지는 열 경화성이 있어 냉각된 후에도 강도와 경화도를 유지합니다. 
유리 섬유는 강한 기계적 특성을 제공하여 PCB의 내구성을 높이고 열 분산을 돕습니다.
PCB에서 FR4는 인접한 구리 평면을 격리하는 동시에 전반적인 기계적 강도를 제공하여  절연체 역할을 합니다.

※ PCB에서 FR4를 사용 하는 이슈

  1. 화염 저항성 및 열 안정성 
     FR4는 Flame Retardant 4의 약자로, 높은 화염 저항성을 가지고 있으며, PCB는 전자 제품 내부에서 많은 전기적인 활동이 일어나므로
     화재가 발생할 경우 심각한 피해를 초래할 수 있습니다.
     그러한 사항에 FR4는 화재가 발생했을 때 불이 빠르게 확산되는 것을 방지하여 PCB를 안전하게 보호합니다
     또한 FR4는 어느정도 고온에도 안정적으로 작동할 수 있으며, PCB는 전자 제품에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시키는 역할 하여 FR4는 고온에서도 강도와 안정성을
     유지하여 PCB가 장기간에 걸쳐 안정적으로 작동할 수 있도록 합니다.
     * 광범위한 작동 온도(50°C ~ 115°C)
     * 더 높은 Tg 값(약 180°C)

  2. 낮은 수분 흡수율 
    일반적으로 FR4의 수분 흡수율은 24시간 물에 담그면 0.10%의 낮은 수분 흡수율을 제공합니다.
    이 수치는 FR4의 안정성과 내구성을 유지하는 데 중요하며, 고온 및 고습 환경에서 FR4가 수분을 흡수하면 전기적 특성이 변화할 수 있고, PCB의 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다.

  3. 높은 유전체 강도 및 신뢰성
    FR4는 유전체 강도가 높아 정확한 신호 전송을 보장하고 신호 간섭 및 누화를 최소화하는 데 도움이 되며, 온도 변화, 습기, 진동과
    같은 열악한 환경을 견딜 수 있는 내구성과 신뢰성을 갖춘 소재입니다.

  4. 저렴한 비용
    FR4는 일반적으로 사용되는 원재료인 유리 섬유와 에폭시 수지로 구성됩니다.
    이러한 재료는 비교적 저렴하게 입수할 수 있어 다른 소재에 비해 상대적으로 저렴하여 원재료 비용을 저렴하게 유지하는데 도움이 됩니다. 
    이러한 이유로 대량생산에 유리하며 소비자 가전 시장에서 많은 애플리케이션에 사용되기 좋습니다. 

  5. 다용도성
    FR4는 소비자 가전, 산업 제어, 전력 전자, 고주파 응용 분야, 자동차 전자 장치, 항공 우주 및 방위 응용 분야를 포함한 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있는 다용도 소재입니다.

※ FR 4 PCB의 분류
  FR4 PCB(인쇄 회로 기판)는 다음과 같은 몇 가지 요소에 따라 분류할 수 있습니다.

  1. 유리 전이 온도(Tg)
   유리 전이 온도는 재료가 고온에서 유연성을 유지하는 온도를 의미합니다. 이 온도는 재료가 고온에서 열적 변형을 겪는 지점으로 생각할 수 있습니다.
   일반적으로 Standard , Mid, High 3단계로 분류를 합니다. 
      (1) Standard FR4 (Tg 130°C ~ 140°C) : 가장 일반적으로 제작 되는 재료
      (2) Mid-Tg FR4 (Tg 150°C ~ 170°C) : 좀더 높은 환경과 안정성을 위한 재료
      (3) High-Tg FR4 (Tg 170°C 이상) : 고온 환경에서 높은 신뢰성 및 고도의 기술적 요구 사항이 필요할 경우의 재료

  2. 난연성 등급

   간혹 난연 등급에 따라 분류 하기도 하며, 가장 일반적인 난연 등급은 FR-4, FR-5, FR-6 입니다. 

  3. 어플리케이션 : FR4 PCB는 사용되는 특정 애플리케이션에 따라 분류할 수 있습니다.
    (1) 고주파 PCB : 고주파 응용 분야에 사용되는 FR4로, 더 높은 주파수에서 안정적인 신호 전달을 제공합니다
    (2) 보드 스펙 : 일반적으로 IPC Class 2로 제작이 되지만, 보드의 품질에 따라 IPC 6012 Class 3, IATF16949 등의 스펙으로 제작이 필요할 수 있습니다
    (3)어플리케이션 : 일반적인 가전 및 산업용과 다르게 항공우주 및 의료 산업에서는 모든 사용자의 안전과 보안을 보장하기 위해 엄격한 제품 요구 사항이 유지되며, 
                            일반적인 PCB와는 다른 요구조건을 가지고 있습니다. 

※ FR4 재료의 한계 
  일반적으로 오랜 기간 가장 많이 사용되는 재료 이지만, FR4로 사용이 제한되거나 어려운 경우도 있습니다.

  1. 절연 안정성
     FR4는 훌륭한 절연체이지만 고출력, 고전압 또는 고열에 노출되어 버틸 수 있는 특정 한계를 초과하면 재료의 절연 특성이 저하되며 전기를 전도하기 시작합니다.
      이로 인해 회로 기판 문제가 발생합니다.

  2. 제어 임피던스
    FR4는 고속 보드 소재처럼 균일한 유전율을 제공하지 않습니다. 주파수가 올라가면 Dk가 달라지며, 고속 재료의 유전 상수 공차는 2% 미만인 반면 FR4의 경우 최대 10%입니다. 
     FR4의 Dk 변형은 임피던스 값을 유지하면서 문제를 발생시킵니다. 따라서 이 재료는 정밀하게 제어가 필요한 임피던스 보드에 대해서는 선호되지 않습니다.

  3. 신호 손실 
    신호 손실은 특히 고주파 애플리케이션에서 PCB 설계의 중요한 측면입니다. FR4는 고주파 물질보다 Df(dispisation factor)가 크기 때문에 이러한 용도에 적합한 물질이 아닙니다.
     고주파용으로 만들어진 재료의 경우 대부분 세라믹 및 아라미드 섬유를 포함한 재료로 만들어지며, 전기적 특성이 우수하고 낮은 유전율을 가지고 있습니다.

  4. 열 전도성의 한계
    FR4는 전체적으로 보면 절연성이 우수한 재료이지만, 열 전도성은 비교적 낮을 수 있습니다. 이는 FR4가 절연성을 유지하기 위해 전체적으로 저열 전도성을 가지고 있기 때문이며
     FR4 PCB의 내부 구조는 전기적으로 절연되어 있으므로 열이 자유롭게 전달되기 어렵습니다. 따라서 FR4 소재는 고온에서 운영되는 pcb에서는 열을 충분히 효율적으로 분산되지
      않기에 고온에 노출되는 기기에는 권장되지 않습니다.

FR4 PCB로 제작 가능한 사양 및 견적의 경우 아래링크를 통해 확인 가능합니다. 
<PCB 사양 및 견적 확인>