"1GHz 넘어가면 FR-4는 잊어라." RF 엔지니어들 사이에서 자주 들리는 말입니다. 하지만 정말 그럴까요? Rogers 기판이 항상 정답일까요? 오늘은 고주파 PCB 소재 선택의 핵심, Rogers PCB와 FR-4의 실질적인 차이를 파헤쳐 보겠습니다.
FR-4란 무엇인가?
FR-4(Flame Retardant 4)는 가장 널리 사용되는 PCB 기판 소재입니다. 유리섬유 강화 에폭시 수지로 만들어지며, 가격 대비 성능이 우수해 일반 전자기기의 90% 이상이 FR-4 기판을 사용합니다.
FR-4의 주요 특성:
- 유전율(Dk): 약 4.2~4.8 (주파수에 따라 변동)
- 손실률(Df): 0.02~0.025
- 유리전이온도(Tg): 130~180°C
- 가격: 매우 경제적
Rogers PCB란 무엇인가?
Rogers Corporation에서 개발한 고주파 전용 기판 소재입니다. PTFE(테프론) 또는 세라믹 충전 하이드로카본 복합재로 만들어지며, 마이크로웨이브, RF, 밀리미터파 응용에서 탁월한 성능을 발휘합니다.
💬 Hommer Zhao의 현장 경험
"5G 안테나 프로젝트에서 처음에 FR-4로 시작했다가 28GHz에서 신호 손실이 심해 Rogers RO4350B로 교체한 적이 있어요. 손실률이 1/10로 줄었죠. 하지만 모든 프로젝트에 Rogers가 필요한 건 아닙니다. 500MHz 이하 대역이라면 고품질 FR-4로도 충분한 경우가 많습니다."
Rogers 소재 시리즈 비교
Rogers에는 다양한 제품군이 있으며, 각각 특정 응용에 최적화되어 있습니다.
| 소재 | 유전율 (Dk) | 손실률 (Df) | 주요 용도 | 상대 비용 |
|---|---|---|---|---|
| RO4003C | 3.38 | 0.0027 | LNA, 필터, 안테나 | ★★★☆☆ |
| RO4350B | 3.48 | 0.0037 | RF 증폭기, 레이더 | ★★★☆☆ |
| RO5880 | 2.20 | 0.0009 | 밀리미터파, 위성 | ★★★★★ |
| RO3003 | 3.00 | 0.0010 | 77GHz 자동차 레이더 | ★★★★★ |
| FR-4 (비교용) | 4.2~4.8 | 0.020 | 일반 전자기기 | ★☆☆☆☆ |
핵심 성능 비교: 유전율과 손실률
유전율(Dk) - 신호 속도의 결정자
유전율은 신호가 기판을 통과하는 속도를 결정합니다. 낮은 유전율 = 빠른 신호 전파. 더 중요한 것은 유전율의 안정성입니다.
- FR-4: 주파수에 따라 유전율이 크게 변동 (4.2~4.8)
- Rogers: 주파수 변화에도 유전율 일정 유지 (±0.05)
이 차이가 왜 중요할까요? 임피던스 매칭이 필요한 RF 회로에서 유전율 변동은 반사 손실과 신호 왜곡을 일으킵니다.
손실률(Df) - 신호 품질의 핵심
손실률(손실 탄젠트, Dissipation Factor)은 신호가 기판을 통과할 때 열로 변환되어 손실되는 에너지의 비율입니다.
🧮 신호 손실 계산 예시 (10GHz에서)
- FR-4 (Df=0.02): 50Ω 마이크로스트립 100mm당 약 -3.5dB 손실
- RO4350B (Df=0.004): 동일 조건에서 약 -0.7dB 손실
→ Rogers 사용 시 신호 강도가 5배 이상 유지됩니다!
주파수별 소재 선택 가이드
"몇 GHz부터 Rogers를 써야 하나요?" 가장 많이 받는 질문입니다. 정답은 "요구 성능에 따라 다르다"이지만, 일반적인 가이드라인을 제시합니다.
| 주파수 대역 | 권장 소재 | 이유 |
|---|---|---|
| ~500MHz | FR-4 | 손실 영향 미미, 비용 효율적 |
| 500MHz ~ 2GHz | High-Tg FR-4 또는 RO4003C | 성능 요구에 따라 선택 |
| 2GHz ~ 10GHz | RO4003C, RO4350B | 낮은 손실 필수 |
| 10GHz ~ 40GHz | RO5880, RO3003 | 초저손실 PTFE 필수 |
| 40GHz+ | RO3003, RT/duroid 5880 | 밀리미터파 전용 설계 |
Rogers PCB의 주요 응용 분야
1. 5G 및 밀리미터파 안테나
5G NR의 FR2 대역(24~52GHz)에서는 Rogers 소재가 거의 필수입니다. FR-4로는 안테나 효율이 크게 떨어져 통신 품질을 보장할 수 없습니다.
2. 자동차 레이더 (77GHz)
자율주행 차량의 ADAS 레이더는 77GHz 대역을 사용합니다. 이 주파수에서 FR-4는 선택지조차 되지 않습니다. RO3003이나 RO5880이 업계 표준입니다.
3. 위성 통신
Ku/Ka 대역(12~40GHz) 위성 안테나에서 손실률은 링크 버짓에 직결됩니다. 0.1dB의 차이가 수십만 달러의 위성 성능을 좌우합니다.
4. RF 증폭기 및 필터
통신 기지국의 PA(Power Amplifier)와 필터는 정밀한 임피던스 매칭이 필요합니다. Rogers의 안정적인 Dk 값이 설계 신뢰성을 보장합니다.
비용 분석: Rogers vs FR-4
솔직히 말씀드리면, Rogers는 비쌉니다. 하지만 얼마나 비쌀까요?
| 항목 | FR-4 | RO4350B | RO5880 |
|---|---|---|---|
| 원판 가격 (18"x24") | $15~25 | $80~120 | $250~400 |
| 가격 배수 | 1x | 5~6x | 15~20x |
| 가공 난이도 | 낮음 | FR-4와 유사 | 높음 (PTFE 전용 공정) |
| 리드타임 | 3~5일 | 7~14일 | 14~21일 |
💬 비용 절감 팁 - Hommer Zhao
"전체 기판을 Rogers로 만들 필요는 없습니다. RF 섹션만 Rogers, 디지털/전원 섹션은 FR-4로 하이브리드 스택업을 하면 비용을 40~60% 절감할 수 있어요. 물론 경계면의 임피던스 불연속에 주의해야 하지만, 적절히 설계하면 문제없습니다."
하이브리드 스택업 전략
하이브리드 스택업은 비용과 성능의 균형을 맞추는 현명한 방법입니다.
일반적인 하이브리드 구성
- 상층 (RF 레이어): Rogers RO4350B - 안테나, 전송선로
- 중간층 (디지털): FR-4 - 컨트롤 로직, 전원
- 하층 (접지/전원): FR-4 - 접지면, 전원면
하이브리드 설계 시 주의사항
- CTE 매칭: Rogers와 FR-4의 열팽창계수 차이로 인한 층간 박리 방지
- 비아 설계: 소재 경계면을 가로지르는 비아의 신뢰성 확보
- 접착층: 적절한 프리프레그 선택으로 층간 접착력 보장
Rogers PCB 설계 시 고려사항
1. 구리박 선택
고주파에서는 표피 효과(skin effect)로 인해 구리박 표면 거칠기가 중요합니다. Rogers는 다양한 표면 거칠기의 구리박 옵션을 제공합니다:
- ED 구리: 표준, 가장 경제적
- Rolled 구리: 낮은 거칠기, 10GHz+ 권장
- VLP (Very Low Profile): 초저거칠기, 밀리미터파용
2. 제조업체 선정
모든 PCB 제조업체가 Rogers를 다룰 수 있는 것은 아닙니다. 특히 PTFE 계열(RO5880)은 전용 장비와 노하우가 필요합니다.
3. 설계 규칙
- 최소 트레이스 폭/간격은 FR-4보다 넓게 설정
- 솔더 마스크 적용 시 유전율 영향 고려
- 임피던스 계산 시 제조사 제공 Dk 값 사용
결론: 어떤 소재를 선택해야 하는가?
✅ FR-4를 선택하세요:
- 동작 주파수가 1GHz 미만
- 비용이 최우선 고려사항
- 일반 디지털 회로 또는 저주파 아날로그
- 프로토타입 테스트 단계
✅ Rogers를 선택하세요:
- 동작 주파수가 2GHz 이상
- 신호 손실이 성능에 직접 영향
- 정밀한 임피던스 제어 필요
- 안정적인 유전율 특성 필수
- 5G, 레이더, 위성 통신 응용
소재 선택은 프로젝트의 성공을 좌우합니다. 비용만 보면 FR-4가 매력적이지만, 고주파 응용에서 잘못된 선택은 재설계와 양산 지연으로 이어질 수 있습니다.
PCB 조립 서비스에서 Rogers와 FR-4 모두 지원하며,다층 PCB 제작에서 하이브리드 스택업 설계도 가능합니다.
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q: RO4003C와 RO4350B 중 어떤 것을 선택해야 하나요?
대부분의 응용에서 RO4350B가 더 일반적입니다. UL 인증이 필요하거나 약간 더 나은 기계적 특성이 필요하면 RO4350B를, 최저 손실이 우선이면 RO4003C를 선택하세요.
Q: FR-4로 5GHz WiFi 설계가 가능한가요?
가능은 합니다만, 권장하지 않습니다. 안테나 효율이 20~30% 감소하고, 임피던스 제어가 어려워 yield 문제가 발생할 수 있습니다.
Q: Rogers 기판의 최소 주문 수량이 있나요?
원판 단위로 구매해야 하므로 소량 프로토타입의 경우 비용이 높아질 수 있습니다. 당사는 소량 주문도 지원하니 문의해 주세요.
Q: High-Tg FR-4로 Rogers를 대체할 수 있나요?
High-Tg FR-4는 열적 특성만 개선된 것입니다. 유전율과 손실률은 일반 FR-4와 거의 동일하므로 고주파 성능 향상에는 도움이 되지 않습니다.