LED 조명 설계를 하다 보면 한 번쯤 들어보셨을 겁니다. “열 때문에 FR-4로는 안 되고, 메탈코어 PCB를 써야 해요.” 과연 그럴까요? 언제 메탈코어가 필요하고, 언제 FR-4로 충분할까요?
오늘은 열관리 관점에서 두 PCB 재료를 철저히 비교하겠습니다. 이 글을 읽고 나면 프로젝트에 맞는 최적의 선택을 할 수 있을 것입니다.
알루미늄 베이스 메탈코어 PCB(MCPCB)
메탈코어 PCB(MCPCB)란 무엇인가?
메탈코어 PCB(Metal Core PCB, MCPCB)는 기판의 베이스 레이어가 금속으로 이루어진 인쇄회로기판입니다. 주로 알루미늄을 사용하며, 높은 열 방출이 필요한 경우 구리 베이스를 사용하기도 합니다.
MCPCB의 구조
- 회로층(Copper Layer): 일반 PCB와 동일한 동박 회로
- 유전층(Dielectric Layer): 열전도성 에폭시 또는 세라믹 충전 수지
- 금속 베이스(Metal Base): 알루미늄 또는 구리 (1.0-3.0mm)
핵심은 유전층입니다. 이 층이 회로와 금속 베이스 사이의 전기적 절연을 유지하면서 열은 효율적으로 전달해야 합니다.
FR-4 PCB란 무엇인가?
FR-4는 유리섬유 강화 에폭시 수지로 만든 가장 일반적인 PCB 기판 재료입니다. “FR”은 Flame Retardant(난연)를 의미하며, 대부분의 전자제품에 사용됩니다.
FR-4의 특성
- 유전 상수(Dk): 약 4.5
- 유리 전이 온도(Tg): 130-180°C
- 열전도율: 약 0.3 W/mK
- 비용: 가장 저렴한 PCB 재료
열전도율 비교: MCPCB vs FR-4
두 재료의 가장 큰 차이는 열전도율(Thermal Conductivity)입니다.
| 재료 | 열전도율 (W/mK) | FR-4 대비 |
|---|---|---|
| FR-4 | 0.3 | 기준 |
| MCPCB (표준) | 1.0 - 4.0 | 3-13배 |
| MCPCB (프리미엄) | 5.0 - 9.0 | 17-30배 |
| 알루미늄 (베이스) | 200 | 667배 |
| 구리 (베이스) | 385-400 | 1,300배 |
실제로 MCPCB는 FR-4보다 8-10배 빠르게 열을 방출합니다. LED처럼 국부적으로 높은 열이 발생하는 응용에서 이 차이는 결정적입니다.
열관리 성능 분석
FR-4의 열 문제
FR-4는 열전도율이 매우 낮아 열이 쌓이기 쉽습니다. 고출력 LED를 FR-4 기판에 실장하면 접합부 온도가 급격히 상승하여:
- LED 광출력 감소 (온도 10°C 상승 시 약 3% 감소)
- LED 수명 단축 (온도 10°C 낮추면 수명 2배 증가)
- 색온도 변화
- 최악의 경우 영구 손상
MCPCB의 열 해결책
MCPCB는 열을 금속 베이스로 신속하게 확산시켜 히트싱크나 하우징으로 전달합니다. 이로 인해:
- 접합부 온도 20-30°C 이상 감소 가능
- LED 수명 25,000시간 → 50,000시간으로 연장
- 더 높은 전류로 구동 가능 (더 밝은 출력)
- 히트싱크 크기 축소 가능
“LED 조명 프로젝트에서 FR-4를 사용해서 $300어치 LED를 망친 경험이 있습니다. 몇 주 만에 기판이 노랗게 변색되고 LED가 죽어버렸죠. 메탈코어로 교체한 후 2년 넘게 문제없이 작동하고 있습니다.”
구조적 차이점
| 특성 | MCPCB | FR-4 PCB |
|---|---|---|
| 베이스 재료 | 알루미늄/구리 | 유리섬유+에폭시 |
| 레이어 수 | 주로 1-2층 | 1-30+층 |
| 무게 | 무거움 (~4.5 kg/m²) | 가벼움 (~1.5 kg/m²) |
| 가공성 | V-cut, 펀칭 | 라우팅, V-cut |
| 관통홀 | 제한적 (절연 필요) | 자유로움 |
비용 및 제조 비교
MCPCB는 FR-4보다 비쌉니다. 얼마나 비쌀까요?
- 재료비: FR-4의 3-5배
- 프로토타입 리드타임: 10-15일 (FR-4는 5-7일)
- 가공 복잡도: 금속 베이스 가공 비용 추가
하지만 열 문제로 인한 제품 고장, 리콜, 브랜드 손상을 고려하면 MCPCB의 추가 비용은 보험료와 같습니다.
MCPCB의 장단점
장점
- 탁월한 열 방출: FR-4 대비 8-10배 빠른 열 전달
- 부품 수명 연장: LED, 전력 반도체 수명 2배 이상
- 히트싱크 축소: 전체 시스템 크기 및 비용 절감
- 치수 안정성: 열팽창으로 인한 변형 감소
- EMI 차폐: 금속 베이스가 접지면 역할
단점
- 높은 비용: FR-4의 3-5배
- 무거움: 경량화가 중요한 응용에 불리
- 레이어 제한: 주로 1-2층만 가능
- 긴 리드타임: 10-15일
- 관통홀 제약: 절연 처리 필요
FR-4 PCB의 장단점
장점
- 저비용: 가장 경제적인 PCB 재료
- 다층 가능: 최대 30층 이상
- 가벼움: 경량화 중요 응용에 적합
- 빠른 리드타임: 5-7일
- 풍부한 제조 경험: 대부분의 PCB 업체에서 취급
단점
- 낮은 열전도율: 고발열 부품에 부적합
- 열 누적: 국부 가열로 인한 신뢰성 문제
- 열팽창: Z축 열팽창 계수가 높음
적용 분야별 선택 가이드
MCPCB를 선택해야 할 때
- LED 조명: 가로등, 투광등, 자동차 헤드라이트
- 전력 전자: MOSFET, IGBT 드라이버
- 자동차: 엔진룸 전자기기, 파워 스티어링
- 전원 공급 장치: DC-DC 컨버터, 충전기
- RF 증폭기: 고출력 RF 모듈
FR-4를 선택해야 할 때
- 일반 전자기기: 컴퓨터, 가전제품
- 저전력 회로: 센서, 로직 회로
- 복잡한 다층 설계: 10층 이상 필요 시
- 비용 민감 제품: 대량 생산 소비재
- 프로토타입: 빠른 반복 개발
하이브리드 접근법
모든 회로를 하나의 기판에 넣을 필요는 없습니다. LED 또는 전력 소자가 있는 부분만 MCPCB로 만들고, 제어 회로는 FR-4로 분리하는 하이브리드 설계가 가능합니다.
이 방식을 사용하면:
- 비용 최적화 (필요한 부분만 MCPCB 사용)
- 복잡한 제어 회로도 다층으로 구현 가능
- 각 기판에 최적화된 재료 선택
결론: 어떤 PCB를 선택해야 할까?
결론은 간단합니다:
- 고발열 부품이 있다 → MCPCB
- 일반 신호 처리 회로 → FR-4
- 둘 다 필요하다 → 하이브리드 설계
열 문제는 제품의 신뢰성과 수명에 직결됩니다. 초기 비용을 아끼려다 현장 고장으로 더 큰 비용을 치르지 마세요.
WellPCB Korea는 MCPCB와 FR-4 모두 제조 경험이 풍부합니다. 프로젝트에 맞는 최적의 솔루션을 제안해 드리겠습니다.