소개
인쇄 회로 기판(PCB)이 리플로 납땜을 거치면 종종 구부러지거나 휘어지는 경우가 있습니다. 문제가 심각하면 부품이 들리거나 납땜 접합이 실패하거나 부품이 세워질 수 있습니다. 이 문서에서는 먼저 PCB 휨의 위험성에 대해 설명합니다. 그런 다음 뒤틀림의 주요 원인을 살펴봅니다. 마지막으로 휨을 줄이거나 방지할 수 있는 실용적인 방법을 나열합니다. 명확하고 간단한 단계와 이유를 읽어보세요.
PCB 뒤틀림의 위험
자동화된 표면 실장 라인에서 PCB가 평평하지 않으면 기계가 부품을 올바른 위치에 배치하지 못할 수 있습니다. 부품이 구멍에 들어가지 않거나 SMD 패드에 떨어질 수 있습니다. 경우에 따라 자동 삽입 기계가 손상될 수 있습니다. 부품을 실장하고 납땜한 후 기판이 휘어지면 리드를 깔끔하게 다듬기 어렵습니다. 기판이 케이스에 맞지 않거나 소켓에 꽂히지 않을 수도 있습니다. 따라서 조립 공장에서 휨은 큰 문제입니다.
표면 실장 기술(SMT)은 더 높은 정확도, 더 빠른 속도, 더 많은 자동화를 향해 나아가고 있습니다. 이로 인해 PCB의 평탄도에 대한 요구가 높아지고 있습니다. 최신 기계는 기판을 배치하고 납땜하는 동안 기판이 안정적이고 정확해야 하기 때문에 평탄도가 중요합니다.
실제로 IPC 표준에 따르면 표면 실장 장치가 있는 보드의 최대 허용 뒤틀림은 0.75%입니다. 표면 실장 장치가 없는 기판의 경우 제한은 1.5%입니다. 일부 회사는 고속, 고정밀 조립을 충족하기 위해 더 엄격한 제한을 설정합니다. 예를 들어, 일부 고객은 최대 휨을 0.5% 또는 0.3%로 요구하기도 합니다.
PCB 휨의 원인
PCB는 구리 호일, 수지, 유리 섬유 등 다양한 재료로 만들어집니다. 이러한 재료는 열과 응력 하에서 다르게 작용합니다. 함께 압착되고 경화될 때 남은 열 응력으로 인해 뒤틀림이 발생할 수 있습니다. 또한 PCB 제조에는 열과 기계적 부하를 추가하는 많은 단계가 있습니다. 이러한 단계에는 라미네이션, 드릴링, 절단, 베이킹 및 납땜이 포함됩니다. 이 모든 과정이 보드 모양을 바꿀 수 있습니다. 많은 요인이 뒤틀림을 유발할 수 있기 때문에 주요 원인을 찾기가 어려운 경우가 많습니다.
고르지 않은 구리 영역
접지면이나 전원면에는 넓은 구리 영역이 자주 사용됩니다. 이러한 넓은 구리 영역이 기판에 고르게 퍼지지 않으면 열 흡수와 열 방출이 고르지 않게 됩니다. 보드가 가열되고 냉각되면 보드의 일부가 서로 다른 속도로 팽창하고 수축합니다. 이러한 불균등한 팽창으로 인해 응력이 발생하고 보드가 휘어질 수 있습니다. 보드가 유리 전이 온도(Tg)에 도달하면 재료가 연화되어 영구적인 형태 변화를 일으킬 수 있습니다.
비아 및 레이어 타이
대부분의 최신 PCB는 다층 구조입니다. 레이어는 다음과 같이 결합됩니다. vias. 비아는 스루홀, 블라인드 비아, 매립형 비아 등 세 가지 유형이 있습니다. 비아가 레이어를 서로 묶는 경우, 보드가 확장 및 축소되는 방식이 제한됩니다. 이러한 제약으로 인해 국부적인 응력이 발생하여 보드 전체가 구부러지거나 휘어질 수 있습니다.
보드 무게 및 구성 요소 무게
리플로우 오븐은 종종 가장자리에서 기판을 지지하는 체인으로 PCB를 이동합니다. 보드에 매우 무거운 부품이 있거나 매우 큰 경우 자체 무게로 인해 중앙이 처질 수 있습니다. 이러한 처짐은 가열 중에 휘어지거나 구부러지며 냉각 후에도 남아있을 수 있습니다.
패널의 V 컷 깊이 및 탭 디자인
V-Cut은 패널에서 보드를 분리하는 방법입니다. V-Cut은 패널의 구조적 강도를 감소시킵니다. 절단 부위가 약해져 더 쉽게 휘어질 수 있습니다. V컷이 깊거나 한 패널에 V컷이 많으면 가공 중 뒤틀림의 위험이 높아집니다.
머티리얼 및 스택업 차이점
PCB는 코어, 프리프레그, 외부 구리 호일로 만들어집니다. 라미네이션 중에 코어와 포일은 가열되어 변형될 수 있습니다. 변화의 정도는 각 재료의 열팽창 계수(CTE)에 따라 달라집니다.
구리 호일과 FR-4 기본 재료는 CTE 값이 다릅니다. FR-4의 경우, Tg 이하의 Z축 CTE는 Tg 이상의 CTE와 다릅니다. Tg 이상에서는 수지가 연화되고 팽창이 훨씬 더 커질 수 있습니다. 높은 Tg 소재는 고온에서 변화가 적고 모양이 더 잘 유지됩니다.
코어마다 구리 패턴, 두께 또는 재료가 다르면 라미네이션 중에 서로 다른 양만큼 팽창합니다. CTE가 매우 다른 두 개의 코어를 프리프레그로 접착하고 경화하면 기판이 불균등한 응력에 고정될 수 있습니다. 보드가 냉각되면 이러한 차이로 인해 보드가 덜 수축된 쪽을 향해 구부러지게 됩니다.
라미네이션 중 열 순환
라미네이션하는 동안 온도가 상승하고 프리프레그가 흐르면서 구리 패턴을 채운 다음 경화됩니다. 프리프레그가 아직 부드러울 때는 코어가 자유롭게 확장될 수 있습니다. 그러나 경화 후에는 레이어가 서로 붙어 있습니다. 코어가 서로 다른 양으로 팽창했다면 경화된 어셈블리는 그 불일치를 유지합니다. 보드가 냉각되면 불일치한 수축률이 남아 영구적인 뒤틀림을 유발합니다.
스트레스를 가중시키는 제조 단계
PCB 공정 단계는 열적 및 기계적 스트레스를 모두 추가합니다. 열적 스트레스는 주로 라미네이션에서 발생합니다. 기계적 스트레스는 적층, 취급 및 베이킹에서 발생합니다. 중요한 공정 포인트는 다음과 같습니다:
- 들어오는 구리 피복 라미네이트: 구조가 대칭이며 일반적으로 라미네이션 중에 휘어지지 않지만 프레스는 플레이트 전체에 온도 차이가 있습니다. 이러한 국부적인 차이로 인해 나중에 나타나는 작은 국부 응력이 발생할 수 있습니다.
- 라미네이션: 라미네이션은 열 스트레스의 주요 원인입니다. PCB 스택업에서는 레이어 패턴이 다양하고 프리프레그의 양도 달라집니다. 이러한 차이로 인해 열 스트레스가 더 높아지고 제거하기가 더 어려워집니다. 드릴링, 라우팅 및 베이킹 중에 저장된 응력이 방출되어 보드가 휘어질 수 있습니다.
- 솔더 마스크 및 범례 베이킹: 솔더 마스크 잉크는 약 150°C에서 경화됩니다. 이 온도는 Tg가 낮은 재료나 중간 정도의 재료보다 높으며 보드를 더 유연하게 만들 수 있습니다. 기판이 오븐의 랙에 있거나 공기 흐름 아래에 있는 동안에는 자체 무게 또는 오븐의 공기에 의해 구부러질 수 있습니다. 이는 뒤틀림을 증가시킵니다.
- 열풍 납땜 레벨링(HASL): HASL은 급격한 열 이벤트입니다. 일반적인 솔더 포트 온도는 높고 기판은 실온에서 고열로 이동한 다음 세척 및 냉각됩니다. 빠른 가열 및 냉각 주기는 열 스트레스를 추가하고 미세 변형과 더 큰 휨을 유발할 수 있습니다.
- 보관 및 취급: 보드는 랙에 수직으로 보관하는 경우가 많습니다. 랙이 너무 빡빡하거나 보드가 쌓여 있으면 기계적인 힘에 의해 보드가 구부러질 수 있습니다. 2.0mm 미만의 얇은 보드가 더 큰 영향을 받습니다.
PCB 휨을 줄이는 방법
다음은 PCB 생산 및 조립 과정에서 휨을 줄이는 실용적인 방법입니다.
1. 온도 낮추고 난방/냉방 속도 늦추기
온도는 스트레스의 주요 원인이므로 오븐 온도를 낮추거나 리플로우 공정에서 가열 및 냉각 속도를 늦추는 것이 도움이 됩니다. 기판이 더 천천히 가열 및 냉각되면 열팽창으로 인한 스트레스가 낮아지고 뒤틀림이 발생할 가능성이 줄어듭니다. 온도 프로파일을 변경하면 납땜 품질이나 사이클 시간에 영향을 미칠 수 있으므로 부작용이 있는지 확인하세요.
2. 고-Tg 소재 사용
Tg는 유리 전이 온도입니다. Tg 이상에서는 재료가 연화되어 고무처럼 됩니다. Tg가 낮은 소재는 리플로우에서 더 빨리, 더 오래 연화됩니다. Tg가 높은 베이스 소재를 사용하면 열에 의한 기판의 변형에 대한 저항력이 높아집니다. 고Tg 소재는 비용이 더 많이 들지만 뒤틀림 및 기타 열 관련 문제를 방지하는 데 도움이 됩니다. High-Tg는 일반적으로 무연 공정에 사용됩니다.
3. 보드 두께 늘리기
많은 소비자 제품은 얇고 가벼운 PCB를 목표로 합니다. 1.0mm, 0.8mm 또는 0.6mm 정도의 얇은 기판이 현재 일반적입니다. 기판이 얇을수록 리플로우를 통해 평평하게 유지하기가 더 어렵습니다. 제품에서 허용하는 경우 표준 1.6mm 보드 두께를 사용하세요. 보드가 두꺼울수록 구부러짐과 처짐을 방지하고 뒤틀림 위험을 낮춥니다.
4. 보드 크기 및 패널 수 감소
리플로우 오븐은 종종 가장자리에서 보드를 지지하기 때문에 큰 보드는 자체 무게로 인해 처질 수 있습니다. 대형 패널의 경우, 긴 가장자리를 지지 체인을 따라 배치하여 처짐을 줄이세요. 또한 가능하면 패널당 보드를 더 적게 사용하세요. 보드를 좁은 가장자리를 앞으로 향하게 하여 오븐을 통과시켜 처짐을 줄이세요.
5. 리플로우 캐리어 또는 트레이 사용
다른 방법으로 충분하지 않은 경우 리플로 캐리어 또는 템플릿을 사용합니다. 캐리어는 가열 및 냉각 중에 PCB를 평평하게 유지합니다. 캐리어는 보드가 Tg 이하로 냉각되어 강성을 회복할 때까지 보드가 움직이지 않도록 유지합니다. 단면 캐리어가 충분하지 않은 경우 상단 플레이트와 하단 플레이트 사이에 보드를 고정하는 2피스 캐리어를 사용합니다. 캐리어는 비용이 많이 들고 취급 시간이 더 필요하지만 뒤틀림을 잘 줄여줍니다.
6. V-컷을 라우팅된 탭 또는 “마우스 물림”으로 교체하기”
V컷은 패널을 약화시킬 수 있으므로 V컷의 깊이를 줄이거나 솔리드 탭 또는 라우팅 레일을 사용하세요. 단단한 탭이나 스탬프 구멍은 패널 강도를 높게 유지하고 뒤틀림 위험을 낮춥니다. V컷을 사용해야 하는 경우, 컷 깊이를 얕게 유지하고 보드를 지지할 수 있는 충분한 패널 프레임을 남겨두세요.
7. 신중한 소재 선택 및 대칭 디자인
CTE가 비슷하고 공정 요구 사항에 맞는 기본 재료를 선택합니다. 구리 패턴이 상단과 하단, 그리고 레이어 간에 최대한 대칭이 되도록 디자인합니다. 한쪽에는 구리가 불균형하게 대량으로 주입되고 다른 쪽은 희박하게 주입되는 것을 피하세요. 가능하면 내부 평면 분할 또는 열 릴리프를 사용하여 구리 분포의 균형을 맞춥니다.
8. 대칭 또는 사려 깊은 스택업 사용
대칭 스택업(거울처럼 겹쳐 쌓기)은 불균형을 줄이고 뒤틀림을 줄입니다. 전기적인 이유로 비대칭 스택업이 필요한 경우, 전체 구조가 균형을 유지하도록 레이어 순서를 계획하세요. 코어 재료가 다른 경우, 적층 스택의 레이어링 및 툴 보드 배치를 조정하여 스트레스를 줄일 수 있습니다.
9. 라미네이션 매개변수 최적화
라미네이션 설정이 중요합니다. 프레스 온도 프로파일, 유지 시간 및 냉각 제어가 모두 응력에 영향을 미칩니다. 핫 사이클이 끝날 때 냉각을 제어할 수 있는 프레스를 사용하세요. 냉각 기능이 통합된 핫 프레스는 스택을 냉간 프레스로 빠르게 옮기는 핫 프레스보다 낫습니다. 또한 라미네이션 중에 PCB 스택 주위에 툴 플레이트와 완충재를 대칭으로 쌓습니다.
비표준 재료 또는 비대칭 구조를 사용해야 하는 보드의 경우 프레스에서 비대칭 스태킹을 시도해 보세요. 이 아이디어는 열 흐름의 균형을 맞추는 방식으로 완충재 또는 툴 플레이트를 배치하여 양쪽이 동일한 속도로 가열 및 냉각되도록 하는 것입니다. 이렇게 하면 CTE 불일치 효과를 줄일 수 있습니다. 라미네이트 후 경화 또는 후 베이크 단계도 기판 안정화에 도움이 됩니다.
10. 오븐 랙 실수 방지 및 베이킹 흐름 제어
솔더 마스크 또는 범례 잉크를 구울 때는 아래쪽 보드가 무게로 인해 구부러지는 방식으로 보드를 쌓지 마세요. 바람에 의해 보드가 구부러지지 않도록 오븐의 보드 방향이 공기 흐름과 일치하는지 확인하세요. 열풍 평탄화 작업 시, 열충격을 유발하는 급격한 냉각을 방지하기 위해 보드를 평평하게 놓고 물 세척 전 최소 30초 동안 식혀야 합니다.
11. 저장 및 취급 관리
보드가 구부러지지 않는 랙에 보드를 보관하세요. 보드가 서로를 누를 수 있는 좁은 공간에 많은 랙을 쌓아두지 마세요. 적절한 팔레트와 랙 간격을 사용하여 소성에 의해 보드가 눌리거나 변형되지 않도록 하세요. 보관 중 일부 변형은 나중에 평평하게 하는 단계에서도 완전히 제거되지 않을 수 있습니다.
12. 배송 전 평탄화(최종 평탄화)
대부분의 PCB 제조업체는 배송 전에 최종 평탄화 단계를 진행합니다. 이 단계는 기계적 평탄화 또는 중량에 의한 열 평탄화일 수 있습니다. 솔더 마스크와 표면 코팅은 열 평탄화의 작동 방식에 영향을 미치므로 베이크 온도와 시간을 신중하게 제어해야 합니다. 대부분의 기판의 경우, Tg 바로 아래 또는 그 근처까지 가열하고 냉각하는 동안 무게를 사용하면 기판을 평평하게 만드는 데 도움이 됩니다. Tg가 높은 재료의 경우 더 높은 온도가 필요할 수 있지만 잉크 및 코팅 한계에 주의해야 합니다.
굽는 동안 압력을 가하고 굽고 난 후 냉각 시간을 늦추면 평탄화 효과에 도움이 됩니다. 이러한 설정은 보드 소재 및 코팅과 일치해야 합니다. 최종 평탄화는 뒤틀림을 크게 줄일 수 있지만, 이전 공정 단계에서 큰 내장 응력이 발생한 경우 완전한 해결책은 아닙니다.
제작 및 디자인 노트
보드에 저-Tg 소재를 사용하는 경우, 뒤틀림에 대한 결함률이 고-Tg 소재보다 높은 경향이 있습니다. 고-Tg 소재는 일반적으로 필러를 포함하며 저-Tg 유형보다 CTE가 낮습니다. 다운스트림 공정에서 150°C에 가까운 일반적인 베이크 온도는 저-Tg 보드에 더 많은 영향을 미칩니다.
설계 시 구조적 비대칭, 재료 비대칭, 고르지 않은 구리 패턴을 피하세요. 이러한 설계 문제는 뒤틀림 위험을 증가시킵니다. 또한 코어 대 코어 라미네이션(여러 코어를 직접 접합)은 구리 호일 라미네이션을 사용한 단일 코어보다 더 복잡한 응력을 유발하는 경우가 많습니다. 코어가 3개 이상인 코어 스택은 단순한 구조보다 뒤틀림 테스트에서 더 높은 실패율을 보입니다.
패널 프레임 디자인도 뒤틀림에 영향을 미칩니다. 패널 가장자리에 연속적인 대형 구리 프레임이 있으면 라미네이션 중에 전체 패널이 단단해지고 응력이 제자리에 유지될 수 있습니다. 이 응력은 라우팅 후에 방출되어 단일 보드가 더 휘어질 수 있습니다. 구리 점 또는 블록이 있는 비연속 프레임은 응력을 서서히 방출하는 경향이 있으며 라우팅 후 단일 보드의 휨이 덜 발생할 수 있습니다.
라미네이션 전략
라미네이션은 뒤틀림 제어의 핵심입니다. 적절한 프레스 선택, 올바른 매개변수 설정, 스택 배열을 계획하여 응력을 줄이세요. 대칭 구조의 경우 대칭 스택과 대칭 툴 플레이트를 사용합니다. 프레스 내부의 스택을 냉각하는 핫 프레스는 별도의 콜드 프레스로 이동하는 것보다 낫습니다. 소재가 지지된 상태에서 냉각하면 뒤틀림으로 이어지는 응력 방출이 줄어듭니다.
비대칭 보드를 만들어야 하는 경우 비대칭 도구 스태킹 및 후 경화 단계를 실험해 보세요. 이 방법은 양쪽 보드 표면을 다르게 가열하거나 냉각시키는 방식으로 완충재를 배치하여 최종 수축이 균형을 이루도록 합니다. 라미네이션 후 2차 경화 또는 평탄화 단계를 추가하고 기판 두께 공차를 확인하면 고객 사양 내에서 부품을 얻을 수 있습니다.
기타 프로세스 제어
라미네이션 외에도 솔더 마스크 경화, 레전드 경화, HASL, 리플로우와 같은 다른 고열 단계도 기억하세요. 이러한 단계는 스트레스를 유발하는 급격한 가열 및 냉각 주기를 피하기 위해 제어되어야 합니다. 적절한 오븐 프로파일을 사용하고, 가열 및 냉각 시간을 늘리고, 보드를 평평한 표면에서 쉬거나 식히도록 하세요. 보관 중에는 보드를 구부려서 쌓지 않도록 합니다.
최종 평탄화 및 배송
대부분의 공장에서는 배송 전에 공정으로 인한 휨을 제거하기 위해 보드를 평평하게 만듭니다. 기계적 평탄화 또는 중량에 의한 열 평탄화는 평탄도를 향상시킵니다. 일반적인 소재의 경우, 140~150°C 근처에서 평탄화 베이크는 많은 표준 보드의 Tg보다 높기 때문에 효과적입니다. Tg가 높은 보드의 경우, 이 베이크는 효과가 떨어지므로 조심스럽게 증가시켜야 합니다. 더 높은 압력과 더 긴 냉각 시간을 사용하면 결과를 개선할 수 있습니다. 평탄화 단계는 최종 고객이 보는 최종 평탄도에 큰 차이를 만들 수 있습니다.
요약 및 실무 체크리스트
뒤틀림은 일반적인 PCB 문제입니다. 이는 재료 불일치, 열 주기, 취급, 무거운 부품, 패널 설계에서 비롯됩니다. 뒤틀림을 줄이려면:
- 가능하면 고-Tg 소재를 사용합니다.
- 가능하면 보드 스택을 대칭으로 유지하세요.
- 구리 영역의 상단과 하단의 균형을 맞춥니다.
- 제품에서 허용하는 경우 더 두꺼운 보드를 사용합니다.
- 패널 크기를 줄이거나 패널당 보드를 제한합니다.
- 긴 가장자리가 오븐에서 지지되도록 패널의 방향을 맞춥니다.
- 리플로우 및 기타 오븐에서 가열 및 냉각 속도가 느립니다.
- 깨지기 쉽거나 큰 보드에는 리플로우 캐리어 또는 투피스 트레이를 사용합니다.
- 깊은 V컷을 라우팅된 탭이나 스탬프 구멍으로 대체하거나 줄이세요.
- 라미네이션 설정을 최적화하고 가능하면 핫-콜드 통합 프레스를 사용하세요.
- 굽는 동안 보드를 쌓거나 압축하지 마세요.
- 제어된 열과 압력으로 마지막 평탄화 단계를 추가합니다.
설계 및 생산 단계에서 이러한 단계를 따르면 뒤틀림률을 줄이고 재작업 및 조립 실패를 줄일 수 있습니다. 각 기판은 모두 다르므로 전체 생산 전에 새로운 스택업, 재료 또는 패널 구성에 대한 소규모 테스트를 실행하세요. 이렇게 하면 대량 생산에서 위험을 제거하고 품질을 높게 유지할 수 있습니다.
마무리 노트
설계 단계와 공정 계획 중에 뒤틀림을 해결하세요. 구리 레이아웃, 패널링 전략 또는 라미네이션 순서를 조금만 변경해도 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 기판이 여전히 휘어지면 캐리어를 사용하거나 두께를 늘리거나 재료 등급을 변경하세요. 기판 공급업체와 협력하여 설계 규칙과 공정 제어를 결합한 접근 방식을 선택하세요. 이렇게 하면 어셈블리의 안정성을 높이고 부품 불량 및 재작업으로 인한 비용을 절감할 수 있습니다.
