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유리 전이 온도(Tg): PCB에 필요한 Tg 수준은 어느 정도인가요?
| PCB 기판 소재 선정 시 유리 전이 온도(Tg)는 매우 중요한 지표입니다. 많은 사용자가 Tg 숫자만 보고 재료를 고르지만 실제로는 조립 조건, 보드 구조, 사용 환경까지 함께 고려해야 합니다. 아래 표는 각 제품 조건에 맞는 권장 Tg 수준을 요약하였으며, 이후 본문에서 자세한 설명을 다룹니다. |
먼저 보는 선택 결론
| 제품 및 공정 조건 | 시작할 Tg 수준 | 결정 전에 확인할 항목 |
|---|---|---|
| 일반 소비자 전자제품 PCB | Tg 130-150급부터 검토 | 단면 또는 저층수, 보통 전력, 제한된 리플로우와 온화한 사용 환경 |
| 무연 조립과 양면 실장 | Tg 150-170급 검토 | 실제 리플로우 횟수, 최고 온도, T260/T288와 Z축 팽창 확인 |
| 다층, 두꺼운 보드, 고종횡비 홀 | Tg 170 이상 우선 검토 | 도금 홀과 비아 배럴의 열피로 위험이 커짐 |
| 자동차, 산업, 서버와 고온 환경 | Tg 170 이상을 기본 후보로 설정 | Tg만으로 승인하지 말고 Td, CTE, CAF와 열사이클 검증 |
| 고속 또는 RF 설계 | Tg와 전기 특성을 함께 비교 | Dk/Df 및 주파수별 데이터가 우선이며 고Tg만으로 저손실을 보장하지 않음 |
이 표는 견적을 시작하기 위한 분류이며 절대 규칙이 아닙니다. 같은 Tg 170급이라도 수지 조성, 경화 방식, Z축 열팽창, 열분해 온도와 박리 시간이 다를 수 있습니다. 최종 재료는 조립 프로파일, 보드 구조, 사용 환경과 공급업체의 실제 데이터시트를 함께 검토해 정해야 합니다.
용어 정의
| 약어 | 영문 전체 명칭 | 한글 용어 |
|---|---|---|
| Tg | Glass Transition Temperature | 유리 전이 온도 |
| DSC | Differential Scanning Calorimetry | 시차 주사 열량 분석 |
| TMA | Thermomechanical Analysis | 열기계 분석 |
| DMA | Dynamic Mechanical Analysis | 동적 기계 분석 |
| Td | Decomposition Temperature | 열분해 온도 |
| CTE | Coefficient of Thermal Expansion | 열팽창 계수 |
| CAF | Conductive Anodic Filament | 도전성 양극 필라멘트 |
Tg는 PCB의 최고 사용 온도가 아닙니다
유리 전이 온도(Tg)는 경화된 수지계가 비교적 단단한 유리 상태에서 더 부드러운 고무 상태로 전환되는 온도 영역을 뜻합니다. Tg를 넘는다고 바로 타거나 분해되는 것은 아니지만, 탄성률이 낮아지고 특히 Z축 열팽창이 커질 수 있어 도금 관통홀과 층간 구조에 더 큰 응력이 가해집니다.
Tg는 연속 사용 온도, 부품 접합 온도, 열분해 온도(Td)와 서로 다른 값입니다. 예를 들어 Tg 170°C 재료가 170°C에서 장기간 문제없이 작동한다는 의미는 아닙니다. 장기 사용 온도는 수지 열화, 동박 접착력, 부품 정격, 솔더 조인트, 냉각 구조와 안전 규격까지 포함해 평가해야 합니다.
또한 Tg 값은 측정법에 따라 달라질 수 있습니다. DSC, TMA와 DMA는 서로 다른 물성 변화를 관찰하므로 같은 재료도 다른 Tg 값이 표시될 수 있습니다. 견적서에서 숫자만 비교하지 말고 측정법과 데이터시트 버전을 함께 확인해야 합니다.
Tg 등급과 적용 기준으로 분류하기
| 분류 | 대표 범위 | 일반적인 적용 | 주의점 |
|---|---|---|---|
| 표준 Tg | 약 130-140°C | 간단한 소비자 전자제품 PCB, 저층수와 온화한 환경 | 무연 다회 리플로우나 두꺼운 다층판은 열여유 부족 가능 |
| 중간 Tg | 약 150-160°C | 일반 산업, 일부 무연 조립과 중간 복잡도 보드 | 리플로우 횟수와 T288 데이터 확인 |
| 고Tg | 약 170-180°C 이상 | 다층, 두꺼운 보드, 자동차, 서버, 반복 열사이클 | 비용과 재고, 가공 조건 및 전기 특성 확인 |
업계의 표준, 중간 및 고Tg 경계는 공급업체와 문서에 따라 조금씩 다릅니다. 따라서 ‘고Tg’라는 이름보다 도면에 최소 Tg, 측정법, 허용 대체 재료와 필요한 열 신뢰성 지표를 명시하는 편이 정확합니다.
소비자 전자제품 PCB에는 어느 정도가 필요한가요?
소비자 전자제품 PCB라고 해서 항상 가장 낮은 Tg를 선택하는 것은 아닙니다. 저전력 리모컨, 단순 센서와 소형 완구처럼 층수가 낮고 리플로우 횟수가 적으며 실내에서 사용하는 제품은 표준 Tg FR-4로 충분할 수 있습니다. 반면 노트북 전원부, 게임 장치, 충전기, 스마트 가전과 고밀도 웨어러블은 전력 밀도, 양면 실장, 반복 충방전 열사이클과 얇은 구조 때문에 더 높은 열여유가 필요할 수 있습니다.
| 평가 항목 | 표준 Tg 쪽으로 기우는 조건 | 더 높은 Tg를 검토할 조건 |
|---|---|---|
| 제품 발열 | 낮고 넓게 분산 | 전원 소자, LED 또는 배터리 주변 국부 발열 |
| 조립 열이력 | 단면 1회 리플로우 | 양면 리플로우, 선택 납땜 또는 재작업 포함 |
| 보드 구조 | 2-4층, 보통 두께와 낮은 홀 종횡비 | 고층수, 두꺼운 보드, 비아 인 패드 또는 고종횡비 홀 |
| 사용 환경 | 실내, 완만한 온도 변화 | 밀폐 하우징, 차량 내부, 실외 또는 반복 열충격 |
| 수명과 수리 | 짧은 수명과 낮은 수리 온도 노출 | 장기 보증, 여러 번 수리 또는 높은 신뢰성 요구 |
고Tg 재료가 필요한 핵심 상황
· 무연 솔더의 높은 피크 온도를 여러 번 거치는 양면 조립이나 재작업 공정
· 층수가 많거나 보드가 두꺼워 Z축 절대 팽창량이 커지는 설계
· 고종횡비 도금 관통홀, 스택 비아 또는 열피로에 민감한 인터커넥트 구조
· 고전력 부품, LED, 전원 변환기와 프로세서로 국부 온도가 높아지는 제품
· 자동차 전장, 산업 제어, 서버와 네트워크 장비처럼 긴 수명과 반복 열사이클이 필요한 제품
· 수분과 전압 바이어스가 함께 작용하며 CAF 위험 관리가 중요한 미세 간격 다층판
다만 위 조건이 하나 있다고 무조건 최고 Tg를 선택해야 하는 것은 아닙니다. 금속 코어, 열전도 재료, 히트싱크와 구리 확산 구조처럼 열을 제거하는 설계가 더 중요한 경우도 있습니다. Tg는 열을 잘 방출한다는 뜻이 아니며, 열전도율과도 동일한 지표가 아닙니다.
고Tg 재료의 신뢰성 향상 효과
| 향상 영역 | 재료 측면 효과 | PCB 신뢰성에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| Z축 팽창 억제 | Tg 이상에서 급격한 팽창 구간을 늦추고 총팽창을 줄일 가능성 | 도금 홀 배럴 균열과 패드 들뜸 위험 감소 |
| 리플로우 내열성 | 고온에서 수지 강성과 층간 구조 유지에 유리 | 박리, 블리스터와 층간 분리 위험 감소 |
| 열사이클 수명 | 온도 변화 시 기계적 변형을 줄이는 데 도움 | 자동차와 산업 환경의 반복 피로 개선 |
| 치수 안정성 | 압착과 조립 열이력에서 변형 제어에 유리 | 고층수 정합과 미세 구조 안정성 지원 |
| 수분 및 CAF 대응 | 고성능 수지계는 낮은 흡습과 CAF 저항을 함께 제공할 수 있음 | 미세 간격 회로의 장기 절연 신뢰성 향상 |
이 효과는 Tg 숫자 하나로 보장되지 않습니다. 낮은 Z축 CTE, 충분한 T260/T288, 높은 Td, 낮은 흡수율과 적절한 CAF 성능이 함께 확인되어야 합니다. IPC 자료도 무연 조립용 적층판을 평가할 때 Tg 외에 Z축 CTE, Td, T260/T288, 탄성률과 CAF 저항을 함께 고려하도록 제시합니다.
Tg보다 함께 확인해야 할 열 신뢰성 지표
| 지표 | 무엇을 뜻하나요? | 선정 시 확인할 내용 |
|---|---|---|
| Tg | 수지 상태 전환 온도 | DSC/TMA/DMA 측정법과 최소값 |
| Td | 수지가 실제로 열분해되기 시작하는 안정성 | 5% 중량 감소 기준과 시험법 |
| T260/T288 | 260°C 또는 288°C에서 박리까지 견디는 시간 | 리플로우 및 재작업 열여유 |
| Z축 CTE | 두께 방향 열팽창 속도와 총팽창 | 비아 배럴과 층간 응력 |
| 수분 흡수 | 흡습 후 고온에서 증기 압력 위험 | 블리스터와 박리 가능성 |
| CAF 저항 | 습도와 전압에서 섬유를 따라 도전 경로가 형성되는 저항성 | 미세 간격의 장기 절연 |
PCB에 필요한 Tg 수준을 평가하는 방법
| 순서 | 평가 단계 | 실무 질문 |
|---|---|---|
| 1 | 조립 열이력 정의 | 리플로우 피크, 지속시간, 횟수, 선택 납땜과 예상 재작업을 기록 |
| 2 | 보드 구조 평가 | 층수, 두께, 구리 중량, 홀 종횡비, 비아 구조와 수지 충진 요구 확인 |
| 3 | 사용 환경 평가 | 주변 및 국부 온도, 온도 변화율, 습도, 진동과 기대 수명 정의 |
| 4 | 고장 모드 연결 | 박리, 배럴 균열, 휨, CAF 또는 신호 손실 중 우선 위험 결정 |
| 5 | 재료 데이터 비교 | 같은 시험법의 Tg, Td, T260/T288, CTE, 흡습과 전기 특성 비교 |
| 6 | 실물 검증 | 조립 프로파일, 열사이클, 단면과 전기시험으로 승인 |
실무에서는 목표 Tg를 먼저 고정하기보다 실패 가능성이 높은 조건을 찾은 뒤 재료 등급을 좁히는 편이 효율적입니다. 예를 들어 4층 소비자 전자제품 PCB라도 밀폐 충전기 안에서 반복적으로 고온이 발생하고 양면 무연 리플로우와 재작업을 거친다면 Tg 170급 검토가 합리적일 수 있습니다. 반대로 저온 실내용 2층 보드는 Tg를 높이는 것보다 비용, 재고와 가공 안정성이 더 중요할 수 있습니다.
PCBgogo에서 운영하는 고Tg FR-4 재료
| 재료 | 제품 성격 | 공개 데이터시트 대표값 | 검토 용도 |
|---|---|---|---|
| Shengyi S1000-2 | 고Tg, 저 Z축 CTE 계열 | DSC Tg 대표값 180°C, T288 대표값 20분 | 무연 다층판과 열 신뢰성 요구 |
| Shengyi S1000-2M | 고Tg, 고성능 저 CTE 계열 | DSC Tg 대표값 180°C, T288 대표값 30분 | 고층수, 자동차 및 향상된 도금 홀 신뢰성 |
| ITEQ IT-180A | 무연 대응 고Tg FR-4 | DSC Tg 대표값 175°C, Td 대표값 345°C | 일반 고Tg 다층판과 무연 조립 |
PCBgogo는 고Tg 주문에 대해 Shengyi S1000-2, Shengyi S1000-2M과 ITEQ IT-180A 중 재고 및 생산 일정에 맞는 재료를 정기적으로 교대 운영합니다. 따라서 ‘Tg 170’만 선택하면 항상 같은 제조사와 같은 모델이 투입된다고 가정하면 안 됩니다. 특정 모델이 반드시 필요한 경우에는 주문 메모와 제작 도면에 제조사, 모델, 최소 Tg와 대체 허용 여부를 명시하고 엔지니어 검토 단계에서 재고 및 납기를 확인해야 합니다.
표의 수치는 공개 데이터시트의 대표값이며 납품 보증값이 아닙니다. S1000-2와 S1000-2M은 같은 Tg 대표값을 가질 수 있지만 T288, Z축 팽창과 용도 최적화가 다릅니다. IT-180A 역시 별도의 수지계와 데이터 범위를 가지므로 세 재료를 Tg 숫자만으로 동일 재료로 취급하면 안 됩니다.
고Tg PCB의 기본 특성과 적용 분야는 PCBgogo 고Tg PCB 가이드에서 확인할 수 있습니다.
고급 적층과 특수 기판 제작 범위는 PCBgogo 고급 PCB 제조 역량을 함께 참고하세요.
발주서에 어떻게 적어야 하나요?
· 최소 Tg 값과 측정법: 예) Tg 170°C 이상, DSC 기준
· 허용 제조사와 재료 모델 또는 동등 대체 허용 여부
· 필요한 IPC-4101 슬래시 시트와 무연 공정 호환성
· T260/T288, Td, Z축 CTE 및 총팽창의 최소 또는 최대 기준
· 조립 리플로우 프로파일과 예상 횟수, 재작업 조건
· 데이터시트, 재료 적합성 증명서와 로트 추적 요구
특정 모델을 승인한 프로젝트라면 ‘동등 고Tg 재료 사용 가능’이라는 문구를 무심코 넣지 않는 것이 좋습니다. 대체가 필요하면 Tg뿐 아니라 열팽창, 박리 시간, 전기 특성, 동박 유형과 인증 범위를 비교한 뒤 서면으로 승인해야 합니다.
자주 묻는 질문
Tg가 높으면 PCB가 열을 더 잘 방출하나요?
아닙니다. Tg는 수지의 상태 전환 특성이고 열전도율은 열을 전달하는 능력입니다. 방열 문제는 구리 면적, 열비아, 히트싱크와 열전도 재료를 별도로 검토해야 합니다.
무연 리플로우에는 무조건 Tg 170이 필요한가요?
항상 그런 것은 아니지만 열여유가 커집니다. 보드 두께, 층수, 리플로우 횟수와 재작업 조건을 기준으로 T260/T288와 Z축 팽창까지 함께 확인해야 합니다.
Tg 150과 Tg 170의 차이는 20°C뿐인가요?
숫자 차이만이 아닙니다. 수지계에 따라 Td, T288, CTE, 흡습과 CAF 성능이 함께 달라질 수 있습니다.
소비자 전자제품 PCB도 고Tg가 필요할 수 있나요?
네. 밀폐 하우징, 고전력 충전, 양면 조립, 고층수와 긴 보증 수명이 있으면 고Tg를 검토할 수 있습니다.
PCBgogo에서 특정 재료 모델을 지정할 수 있나요?
가능 여부는 재고와 생산 조건에 따라 달라집니다. 주문 전 제조사와 모델, 대체 허용 여부를 명시하고 엔지니어에게 확인해야 합니다.
결론
필요한 PCB Tg 수준은 제품 카테고리 하나로 결정되지 않습니다. 소비자 전자제품 PCB라도 조립 열이력, 층수, 두께, 비아 구조, 국부 발열과 기대 수명이 높으면 고Tg 재료가 필요할 수 있습니다. Tg 등급을 정한 뒤에는 Td, T260/T288, Z축 CTE, 흡습과 CAF를 함께 비교하고 실제 리플로우 및 열사이클로 검증해야 합니다. PCBgogo의 S1000-2, S1000-2M과 IT-180A 교대 운영 재료 중 특정 모델이 필요하다면 발주서에서 고정하고 대체 여부를 사전 승인하는 것이 안전합니다.
