고속 전송 및 저유전율 본딩 시트용 회로 기판을 구성하는 절연 재료에 요구되는 특성 "저유전율" 및 "저유전율 손실 계수"

회로 기판의 절연 재료에 요구되는 저 유전 특성

고속 전송용 회로기판에 사용되는 절연재료를 선정할 때 가장 중요한 사양은 '유전율(Dk)'과 '유전손실탄젠트(Df)'입니다.

유전율이란 간단하게 말하면, 「전기의 통과 어려움」을 나타내는 수치입니다. 유리나 플라스틱 등은 금속에 비해 전기를 계속 통과하기 어려운 물질이므로 유전율은 높아집니다. 보다 정확하게 말하면, 유전율이란 물질에 전계를 주었을 때, 그 물질이 전기적으로 분극(유전 분극)하는 정도를 나타내는 물성값을 가리킵니다.

재료의 유전율을 나타내는 수치로서는, 「비유전율」이라고 하는 값이 일반적으로 이용됩니다. 비유전율이란, 진공의 유전율을 1로 했을 때의 물질의 유전율의 상대값을 나타낸 것으로, 예를 들어 공기의 비유전율은 약 1, 고무는 2, 물은 80, 콘덴서의 재료의 티탄산바륨은 5000이 됩니다. 비유전율의 값이 낮을수록 신호의 전파 속도가 빨라지고, 도체 내를 흐르는 전기 신호의 전파 속도는 다음 식으로 표시됩니다.

또 다른 중요한 항목, "유전 탄젠트"는 유전체 내에서 전기 에너지의 손실 정도를 나타내는 값입니다. 값이 작을수록 손실이 적다, 즉 전기를 통과하기 쉬운 것을 의미합니다. FPC 등에 사용되는 부품소재에서는 유전정접이 커질수록 전기에너지가 흡수되어 신호를 효율적으로 전송할 수 없게 되고 주파수가 높아질수록 그 현상이 현저해진다.

회로 기판에서의 신호 전파시의 유전 손실 및 전송 손실은 다음 식으로 표시됩니다. 유전율, 유전 탄젠트가 크게 영향을 주는 것으로 이 식으로 표시됩니다. 즉, 고주파를 이용하는 디바이스에서는, 저유전 특성을 가지는 소재의 선택이 중요하게 되는 것을 의미하고 있습니다.

​고속 전송을 위한 액정 폴리머 FPC의 약점

회로 기판으로 사용되는 FPC는 고속 신호의 손실 및 감쇠를 방지하기 위해 해당 재료도 사용해야 합니다. 다음은 스마트폰 및 기타 장치에 사용되는 다층 FPC(3개 이상의 전도성 층)의 단면도입니다. 넓은 면적의 구리층이 가장 바깥쪽 층에 배치되며, 전기 신호가 중앙을 통과하는 구리(Cu) 회로가 있고 절연 재료(폴리이미드 수지(PI) 및 접합 시트)가 회로 내부에 있습니다. 실제로, 양면에 동박이 있는 양면 CCL(동박 적층판)과 단면 CCL이 출발 물질로 사용되며, 각각에 대해 회로가 형성됩니다. 이 두 가지는 본딩 시트로 결합되어 그림과 같은 구조를 형성합니다.

폴리이미드는 높은 유전율과 유전 손실 탄젠트를 물리적 특성으로 가지고 있으며, 기존 FPC는 고주파 부품 사용 시 신호 지연 및 손실이 크다는 문제점을 가지고 있습니다. 또한, 폴리이미드는 공기 중 수분을 쉽게 흡수하는(높은 수분 흡수율) 문제점도 가지고 있습니다. 물은 유전율과 유전 손실 탄젠트가 매우 높은 물질이기 때문에 기판의 수분 흡수율이 증가함에 따라 신호 지연 및 손실도 필연적으로 증가합니다. 따라서 고속 전송용 FPC의 구성 재료는 낮은 수분 흡수 특성을 가져야 합니다.

아래 그림에 나타난 고속 전송용 FPC는 이러한 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다. 고속 전송용 FPC에는 기존 폴리이미드 대신 저유전율 및 저유전 손실 탄젠트 특성을 갖는 액정 폴리머(LCP) 또는 변성 폴리이미드(Modified PI)가 사용됩니다. 층간 접합재(본딩 시트)에도 저유전율 및 저유전 손실 탄젠트 특성을 갖는 재료가 사용됩니다.

고속 전송을 지원하기 위해 기본 소재는 기존 소재(폴리이미드)보다 유전율과 유전 정접이 10배 이상 높아야 합니다. 특히 중요한 사양은 유전 손실 탄젠트(Df)입니다. 강성 기판 소재로 자주 사용되는 FR-4의 Df는 0.02인 반면, FPC에 자주 사용되는 폴리이미드의 Df는 약 0.01입니다.

반대로 LCP의 Df 값은 0.002로 한 자리 작은 값입니다. FPC용 기재의 선정에 있어서 또 하나의 중요한 지표가 되는 흡수율(%)에 있어서도, 폴리이미드의 1~2%에 대해, LCP는 0.04% 전후와 큰 차이가 있습니다.

그러나 LCP에도 약점이 있습니다. 아래 표는 ABC의 3개의 FPC의 특성을 나타낸 것이다.

(A) 기존 저유전 본딩시트 (기본 재료 = 폴리이미드, 본딩 시트 = 에폭시 열경화성 접착제)
(B) 고속 전송용 저유전 본딩시트 (베이스 소재 = 액정 폴리머, 본딩 시트 = 액정 폴리머)
(C) 저유전 본딩시트 (기본 재료 = 액정 폴리머 또는 변성 폴리이미드, 본딩 시트 = 당사의 저-Dk/Df 본딩 시트) 고속 전송의 경우 Dexerials에서 제안한 고속 전송(기본 재료 = 액정 폴리머 또는 변성 폴리이미드, 본딩 시트 = 당사의 저-Dk/Df 본딩 시트)

(A)는 절연 재료의 유전율과 유전 탄젠트가 원래 높아 고속전송 필요한 회로 기판에는 적합하지 않습니다. (B)는 절연 재료가 전부 액정 고분자로 구성되어 전기적 특성은 우수하지만 회로를 구성하는 구리와의 접착 낮다는 문제(기계적 특성 문제), 접착 위해 300℃ 이상의 열이 필요하다는 문제(FPC 제조 공정 문제), 제한된 수의 제조업체에서만 생산할 수 있다는 문제(재료 조달 문제)가 있습니다.

저유전 본딩시트의 다양한 장점

이에 반해, 덱세리얼즈가 제안하는 (C)는 아래와 같은 이점을 가져옵니다.

1. 유전율이 LCP보다 작고 전송 지연을 LCP보다 작게 할 수 있습니다.
2. 200°C 이하의 온도에서 접합이 가능하므로 기존의 FPC 제조 공정/장비를 사용할 수 있습니다.
3. 저유전율 기반 소재인 LCP 및 변성 폴리이미드와의 충분한 접착력으로 FPC에 필요한 기계적 특성을 만족시키면서 고속 전송이 가능합니다.

저희 저-Dk 본딩 시트의 또 다른 특징은 낮은 수분 흡수율입니다. 아래 표는 각 소재를 사용하여 수분 흡수 시험 전후의 유전율 값과 유전정접을 보여줍니다. 저희 본딩 시트는 LCP와 마찬가지로 우수한 낮은 수분 흡수율을 보이며, 수분 흡수 전후 유전손실 탄젠트 값의 변화가 없어 실제 사용 조건에서 고속 전송을 유지함을 보여줍니다.

구리박과 기판 사이의 강력한 접착력

"표피 효과"는 고속 전송과 같이 고주파 성분을 갖는 전기 신호를 처리하는 장치 설계에서 반드시 고려해야 할 중요한 사항 중 하나입니다. 표피 효과는 도체를 흐르는 전기 신호의 주파수가 높아질수록 도체 표면에만 더 많은 전류가 흐르는 현상입니다. 전류가 흐르는 유효 표면으로부터의 두께를 "표피 깊이"라고 하며, 주파수가 높아질수록 이 값은 작아집니다. 전류가 흐르는 단면적이 작아질수록 회로의 교류 저항이 증가하여 도체 손실이 발생합니다.

FPC에 사용되는 동박적층판(CCL)의 구리 표면은 언뜻 보기에는 평평해 보이지만, 마이크로미터 단위로 보면 평평하지 않습니다. 앞서 언급했듯이, 표피 효과로 인해 매우 얕은 표면에만 전류가 흐르면, 전류는 이 거친 표면을 따라 흐르게 되어 전도 경로가 길어지고 신호 도착이 지연됩니다. 고속 전송을 가정할 경우, 표피 효과로 인한 도체 손실은 불가피합니다. 반면, 도체 표면을 평탄화하면 지연 시간을 개선할 수 있습니다. 따라서 고속 전송용 FPC에서는 오른쪽 그림과 같이 화학 처리를 통해 구리 표면을 매끄럽게 다듬습니다.

구리 표면이 평탄할수록 수지와의 접착력이 약해져 회로에서 수지가 벗겨지는 결함이 발생할 가능성이 높아집니다. 원래 액정 폴리머는 다른 재료와 "접착하기 어려운" 특성을 가지고 있어 서로 접합하기 어려운 재료입니다. 고속 전송용 FPC를 구성하는 본딩 시트는 접합하기 어려운 액정 폴리머와 표면이 매끄러운 구리 사이에 강력한 접착력이 요구됩니다.

아래 왼쪽 사진은 매끄러운 표면 처리된 CCL이 적층된 시트 위에 저희 저유전율 본딩 시트(부품 번호: D5320P-25) 샘플을 배치하고 솔더 플로팅 테스트를 수행한 모습입니다. 고온(288°C) 솔더 욕조에 30초간 노출된 후에도 "보이드"가 발생하지 않았으며, 오른쪽 사진에서 볼 수 있듯이 초기 본딩 상태가 유지되었음을 알 수 있습니다.

위에서 설명한 바와 같이, 저희 저유전율 본딩 시트는 5G 기기용 FPC 제조에 필요한 낮은 전송 손실을 달성하고, 고속 전송을 위한 매끄러운 표면을 통해 구리와 LCP의 접착력을 향상시키며, 기존 설비를 활용한 생산을 가능하게 합니다. 저유전 본딩시트 제조업체에게 또 다른 주요 이점은 제품을 실온에서 보관할 수 있다는 것입니다. 일반 열경화성 접착제는 실온에서 경화되므로 취급 시 주의가 필요하며, 사용 중 결로 현상을 방지하기 위한 조치가 필요합니다. 하지만 저희 제품은 실온에서 보관이 가능하므로 문제가 없습니다. 자세한 제품 사양은 아래에 나와 있으니, 저희 제품을 고려해 보시고 저희에게 문의해 주시기 바랍니다.

https://www.dexerials.jp/products/double-coated-tape/a1_comp_ldbs.html