리플로우에서의 구리 밸런스: 도난이 왜 휨을 악화시키는가

구리 도둑질은 작동해야 한다. 전략은 일반적이며, 논리도 건전하다: 회로판의 희박한 곳에 구리 채우기를 더하고, 전체 밀도를 균형 있게 조절하며, 제작 시 스트레스를 줄인다. 많은 설계에서 이것은 완벽하게 작동한다. 그러나 강제로 적용할 때, 열거리를 고려하지 않으면, 도둑질은 해결책이 아니라 원인으로 작용한다. 재발방 오븐에서 평평하게 나와야 할 보드들이 비틀리거나, 구성요소가 정렬이 어긋나거나, 납땜이 손상된다.

이 실패는 직관에 반하는데, 이는 변형의 근본 원인이 추상적인 구리 불균형이 아니라, 리플로우 주기 동안의 비대칭 가열이다. 구리의 추가는 보드의 열질량과 열 분포를 변화시킨다. 이 구리를 피크 재발 온도에서 가열 대칭성에 영향을 주는 이해 없이 배치하면, 때로는 더 심한 새로운 열적 불균형을 만든다. 이는 서로 다른 영역이 서로 다른 속도로 가열되고, 그 열이 유지되면서 나타나는 차등 팽창으로 인해, 기판이 변형 없이 흡수할 수 없는 내부 스트레스를 유발한다.

답은 구리 균형을 포기하는 것이 아니다. 스택업 대칭성, 제어된 국소 구리 밀도, 적절한 패널 지지 구조가 담요 도둑질보다 훨씬 효과적인 전략임을 인식하는 것이다. 이러한 접근법은 구리 배치를 순수한 기하학적 작업으로 간주하는 대신 열적 비대칭성을 직접 해결한다. 도둑질이 더 악화되는 시기를 이해하려면, 먼저 250°C의 보드를 지배하는 열역학을 이해해야 한다.

리플로우 변형의 열역학적 메커니즘

변형은 근본적으로 제약된 차등 팽창 문제이다. 인쇄회로기판은 열팽창 계수(CTE)가 다른 재료의 복합체이다. 급격하고 고르지 않게 가열하면 내부 응력이 쌓인다. 이 응력이 높은 온도에서 기판의 탄성 한계를 초과하면, 보드가 변형된다. 이 변형은 일시적일 수 있으며, 냉각되면서 완화되거나, 기판이 소성되거나 냉각 과정에서 스트레인(변형)이 고착되어 영구적일 수 있다.

차등 팽창이 비틀림을 발생시키는 이유

재료의 CTE는 온도 상승 1도당 치수 변화 정도를 나타낸다. 구리의 CTE는 약 17 ppm/°C이다. 일반적인 PCB 기판인 FR-4 라미네이트는 평행 방향 CTE가 14-17 ppm/°C로 비슷하지만, 두께 방향 CTE는 훨씬 높아 60-70 ppm/°C인 경우가 많다. 이 불일치는 온도가 상승할 때 구리와 FR-4가 서로 다른 속도로 팽창하기를 원한다는 의미이다.

레이어에 결합된 상태에서는 두 재료가 자유롭게 팽창할 수 없다. 구리가 FR-4를 제지하고, FR-4는 구리를 제지하여 내부 응력을 만든다. 보드가 균일하게 가열되고, 구리가 스택업 전체에 대칭적으로 분포되어 있다면, 이러한 스트레스는 관리 가능하다. 보드는 균일하게 팽창하며, 스택업의 대칭성은 중립 축을 중심에 유지시키고, 상하의 균형 힘이 보드를 평평하게 만든다.

그러나 균일한 가열은 사치에 불과하다. 보드의 한 영역이 다른 영역보다 더 뜨거워지면, 더 팽창하려고 한다. 차가운 영역에 묶여 있어 확장할 수 없으면, 경계에 응력이 쌓인다. 온도 구배가 심하고 지속적으로 방향이 정해져 있다면 — 항상 한 쪽이 더 뜨거운 경우 — 보드는 내부 응력을 완화하기 위해 구부러지거나 비틀린다, 내부 변형 에너지 최소화를 위해 새로운 평형 상태를 찾으려 한다.

타이밍이 매우 중요하다. FR-4는 유리전이온도(대개 170-180°C)에 가까워지거나 초과하면 훨씬 더 유연해진다. 리플로우 피크 동안, 240°C 이상에서는 기판이 가장 유연한 상태이다. 이는 가장 취약한 순간이다. 이 시점에서 열적 불균형은 보드의 변형을 야기한다. 만약 그 변형이 부드러운 수지의 항복점 이상이면, 냉각 시에 모양을 완전히 회복하지 못한다.

구리: 열 질량과 열 고속도로

리플로우 동안, 구리는 두 가지 역할을 합니다: 열용량 역할과 열 수도 역할입니다. 두 가지 모두 높은 비열과 FR-4에 비해 매우 높은 열 전도율이라는 물리적 특성의 결과입니다.

열용량으로서, 구리는 온도를 올리는 데 필요한 에너지를 결정합니다. 무거운 구리 평면이 있는 기판은 데이터가 희박한 노선보다 더 많은 에너지와 시간이 필요하여 리플로우 온도에 도달합니다. 이는 구리 밀도가 높은 영역이 낮은 영역보다 더 천천히 가열됨을 의미합니다. 만약 기판에 왼쪽 절반에 크고 견고한 구리 평면이 있고 오른쪽에는 가벼운 배선만 있다면, 왼쪽 절반은 상승 중에 온도가 뒤쳐지게 됩니다. 어떤 순간이든, 오른쪽 절반이 더 뜨거워지며 열적 비대칭을 만들어 웨어피지를 유발합니다.

열 수도로서, 구리의 높은 열 전도율(대략 400 W/m·K 대 FR-4의 0.3 W/m·K)은 열을 빠르게 재분배할 수 있게 합니다. 큰 구리 평면은 질량 때문에 천천히 가열되는 것뿐만 아니라, 국지적인 Hot Spot에서 열을 퍼뜨려 표면 전체의 온도를 균일하게 만듭니다. 이는 유익할 수도 있지만, 구리의 존재 또는 부재가 본질적으로 다른 열적 구역을 형성한다는 것을 의미하기도 합니다. 견고한 평면이 있는 영역은 느리고 균일한 열 응답을 보이고, 가느다란 배선만 있는 영역은 빠르고 국소적인 반응을 보입니다.

구리는 단순히 질량을 늘리는 것뿐만 아니라, 기판의 열적 환경을 근본적으로 재구성합니다. 이것이 구리의 분포를 열 설계의 문제로 간주해야 하는 이유이며, 단순한 제작의 균일성의 문제가 아닙니다.

구리 분포가 가열 대칭을 지배하는 방식

열 대칭은 보드의 모든 영역이 대략 동일한 시간에 같은 온도에 도달하는 것을 의미합니다. 완벽한 대칭은 불가능하지만, 목표는 특히 보드가 가장 유연한 피크 리플로우 단계에서 열 구배를 최소화하는 것입니다.

구리 분포는 기판의 열용량 및 전도율 맵을 정의하여 이 대칭성을 결정합니다. 균일한 구리 밀도를 가진 기판은 열적 반응이 비교적 균일하며, 전체를 하나의 유기체처럼 열을 흡수합니다. 불균일한 구리를 갖는 기판은 서로 다른 열 시간 상수를 가진 구역으로 나뉘어지며, 밀집된 곳은 느리고 희박한 곳은 빠르게 반응합니다.

이 문제는 다층 기판에서 더욱 복잡해집니다. 예를 들어, 전원 평면이 기판 면적의 절반만 차지하는 6층 설계를 고려하면, 그 절반은 훨씬 더 높은 열용량을 갖습니다. 리플로우 동안에는 더 천천히 가열되어 희박한 쪽에서 밀집한 쪽으로 지속적인 온도 차이를 만듭니다. 이 경사가 기판의 길이를 따라 뻗어 있으면 휜 형태가 되고, 회전 비대칭이 있으면 비틀림이 발생합니다.

리플로우 프로파일은 이를 악화시킬 수 있습니다. 프로파일의 흡수 구간은 최종 피크로의 상승 전에 온도를 균등하게 하도록 설계되었으나, 무한정 길 수는 없습니다. 기판에 상당한 열용량 불균형이 있으면, 흡수 단계가 충분하지 않을 수 있습니다. 오븐이 240-250°C로 스파이크할 때, 낮은 질량 지역이 먼저 초과 상승하고, 높은 질량 지역은 아직 따라잡는 중입니다. 이것이 웨어피지가 시작되는 결정적 시기입니다.

뚜렷한 열 구역이 형성되면, 상호 작용이 일어납니다. 밀집된 구리 평면은 열을 끌어들여서 그 지역을 더 오랫동안 차갑게 유지하며, 인접한 희박한 영역과의 기울기를 더 심화시킵니다. 구리의 온도 버퍼가 없기 때문에, 그것이 희박한 구역은 빠르게 가열됩니다. 온도 그라데이션은 피크를 지나며, 기판은 휘게 됩니다.

담요 도둑함수의 함정

구리 절취를 적용하는 본능은 균일한 식각과 도금과 같은 유효한 제작상의 우려에서 비롯된 것입니다. 그러나 목표 백분율을 맞추기 위해 도포할 때, 절취는 종종 의도한 열적 비대칭성을 방지하기보다는 오히려 만들어 버립니다.

이것이 문제로 부상합니다.

구리가 추가되면 새로운 불균형이 생깁니다

도둑질은 그것이 추가된 영역의 열 질량을 증가시킵니다. 일부 영역에 집중된 구리와 드문 배선이 있는 보드에서는, 도둑질은 일반적으로 드문 영역에만 추가됩니다. 이전에는 열 질량이 낮아 빠르게 가열되던 이러한 영역들이 이제는 더 천천히 가열됩니다.

이것은 무거운 기능용 구리를 제거하는 것이 아니며, 단지 열적 균형을 이동시키는 것일 뿐입니다. 절취가 충분히 공격적이면, 균형이 너무 멀리 이동할 수 있습니다. 이전에 희박했던 영역이 기능용 구리와 비슷한 열용량을 갖게 될 수도 있으나, 다른 형상으로 인해 새로운 예측 불가능한 불균형이 생성됩니다.

이 문제는 밀도뿐만 아니라 위치와 의도에 관한 것입니다. 절취가 이미 더 차가운 리플로우 구역에 배치되면, 그 곳에 열용량이 추가되어 더욱 차가워지고, 기울기가 더 심해집니다. 블랭킷 절취 전략은 이러한 구별 없이 밀도 목표에 따라 충전하고, 열 분석을 고려하지 않기 때문에, 당연히 부적절한 곳에 구리가 더 많이 생기기도 합니다.

특정 고장 모드는 절취가 내부층 바로 위의 외부층에 더해질 때 발생합니다. 이 표면 질량은 오븐에서 열을 흡수하고 내부로 전달합니다. 내부층에 이미 높은 열용량이 존재하면, 외부 절취로 인해 총 질량이 증가하지만, 핵심에 대한 열 침투는 향상되지 않습니다. 핵심은 더욱 늦게 따라잡고, 표면과 핵심 사이의 온도 차이가 커지며, 두께를 관통하는 응력도 쌓여 표면이 핵심보다 더 팽창하면서 평면 웨어피지가 유발됩니다.

피크 온도에서의 절취

리플로우 피크는 최대 열응력과 최소 기판 강성의 순간입니다. 이곳에서 존재하는 어떤 열 불균형도 가장 큰 영향을 미치는데, 그 이유는 기판의 변형 저항 능력이 가장 낮기 때문입니다. 열적 구조에 도둑잠금이 걸립니다. 만약 그 구조가 피크 온도에서 나타나는 불균형을 만든다면, 기판이 오븐을 통과할 때마다 그렇게 될 것입니다.

오븐은 기판 구조에 내재된 불균형을 해결할 수 없습니다. 만약 오븐이 냉각된 고질량 영역을 온도에 도달시키기 위해 열을 증가시키면, 열에 민감한 영역은 과도하게 반응할 것입니다. 기판은 서로 다른 온도의 영역들이 각각 최고점을 찍으며, 더 뜨거운 영역은 더 많이 팽창하고, 더 차가운 영역은 덜 팽창합니다. 기판은 부드럽고, 비틀립니다. 식으면 변형이 영구적이 될 수 있어 부품 위치가 어긋나거나 납땜 조인트가 손상될 수 있는데, 이는 일반 전기 테스트에서는 보이지 않는 실패입니다.

스택업 대칭성: 주요 변형 제어

변형을 가장 효과적으로 제어하는 방법은 열적 및 기계적으로 중심 평면에 대해 대칭인 기판 적층 구조를 설계하는 것입니다. 이는 기판 상단 절반의 열 팽창력과 하단 절반의 반대 방향 힘이 반영되도록 보장하여, 전체 휨 모멘트가 없도록 합니다. 이렇게 하면 기판이 평평하게 유지됩니다.

구리, 평면 간 균형

적층 구조의 대칭성은 한 층의 구리 특징이 기판 중심에서 동일 거리의 층에 존재하는 것을 의미합니다. 6층 적층의 경우, 2층은 5층과, 3층은 4층과 대칭이어야 합니다. 만약 2층이 견고한 접지 평면이면 5층도 동일한 면적과 두께를 갖는 견고한 접지 평면이어야 합니다. 이러한 대칭은 기판 두께를 통한 열질량의 균형을 이루어, 상단과 하단이 같은 속도로 열을 받도록 하며, CTE 차이로 인한 응력도 대칭적이어서, 기판이 균일하게 팽창하고 휨이 방지됩니다.

외부 층(1번과 6번)도 균형 잡혀야 합니다. 동일한 구리 배치가 불가능한 경우가 많지만, 목표는 전체 구리 무게와 배치가 가능한 한 비슷하게 유지하는 것입니다. 재료 선택도 중요하며, 코어와 프리프레그의 두께는 기판의 중앙을 기준으로 대칭이 되어야 하며, 이는 변형 저항을 극대화하는 데 도움이 됩니다.

스택업 수정이 제약될 때

완전한 대칭은 항상 가능하지 않습니다. 비용 때문에 층 수를 정하거나, 대칭이 불가능한 평면을 요구하는 설계일 수도 있습니다. 2층에 큰 접지 평면이 필요하지만 5층에는 없을 경우, 기판은 본질적으로 비대칭입니다.

이 경우, 한 가지 방법은 대칭 면에 비기능적이고 부분적으로 평면을 사용하는 것입니다. 해치드 또는 메시 형태의 구리 확장을 동일 면적을 덮어 열 질량을 더하고 대칭성을 향상시키며, 견고한 전기적 평면을 만들지 않습니다. 이러한 타협은 종종 변형을 허용 가능한 수준으로 줄일 수 있습니다. 단점은 비기능적 특징에 더 많은 구리 사용량이며, 이는 변형으로 인한 수율 문제와 비교하여 고려해야 하는 비용입니다.

적층 구조의 대칭성이 깨어지면, 기판은 변형에 더 취약해지고 오차 범위는 좁아집니다. 이미 비대칭인 적층 구조에 적극적인 도둑잠금을 추가하는 것은 특히 위험하며, 기존의 불균형과 예측할 수 없는 방식으로 상호 작용할 수 있습니다.

적극적 채움 없이 제어된 구리 밀도

적층 구조의 대칭이 주요 방어 수단이라면, 컨트롤된 구리 밀도는 국소적 불균형을 관리하는 전술적 도구입니다. 목표는 필요한 곳에만, 필요한 양만큼 구리를 추가하여 새로운 열 문제를 유발하지 않는 것입니다. 이를 위해 글로벌 균형에서 국소적 균형으로 전환하고, 리플로우 동안 기계적 지지와 함께 활용해야 합니다.

국소 균형 대 글로벌 충전

지역 균형은 모든 곳에 균일한 채우기 패턴을 적용하는 대신 특정 지역의 구리 밀도를 해결하는 것을 의미합니다. 이 과정은 농축된 구리 지역과 희소 구리 지역을 식별하는 것에서 시작하며, 열적 직관을 이용해 어느 곳에 구리를 더하는 것이 도움이 될지 또는 해가 될지 결정합니다.

매우 낮은 밀도의 지역이 중간 밀도 지역에 둘러싸여 있다면, 적당한 도둑질을 추가하는 것이 열적 불연속성을 완화할 수 있습니다. 목표는 글로벌 밀도 목표를 달성하는 것이 아니라 기울기를 줄이는 것입니다. 주변 구리가 30%이고 희소 구리 지역이 5%인 경우, 15%로 끌어올리는 것만으로 충분할 수 있습니다. 공격적인 도둑질로 30%로 밀어올리는 것은 목표를 초과할 수 있습니다.

이것은 필요하지 않은 곳에 도둑질을 피하는 것도 의미합니다. 임의의 글로벌 밀도 목표를 충족시키기 위해 열적으로 안정된 영역에 구리를 추가하는 것은 불필요한 열 질량을 더하고 균형을 변경합니다. 이것은 분포를 무시하는 경직된 설계 규칙의 함정입니다. 채우기의 형상도 중요합니다. 해칭 또는 점선 패턴은 실선 채움보다 낮은 유효 열 질량을 생성하며 더 미세한 제어를 가능하게 합니다. 이들은 제조 최소 요구치를 충족시키면서도 영역의 열 특성에 지배적이지 않게 할 수 있습니다.

실용적인 접근 방식: 최소한의 요구기준을 충족하는 곳에만 조악하고 저밀도 충전재를 사용하세요. 구리의 추가는 지역별로 정당화하며, 전체에 일괄적으로 적용하지 마세요.

패널 지원 및 도구

패널 지원은 열 설계를 보완하는 기계적 전략입니다. 일부 열 불균형이 있는 보드도 리플로우 오븐에서 적절히 지지하면 평평하게 유지할 수 있습니다. 지원은 보드가 가장 취약한 고온 상태를 통과할 때 변형될 가능성을 제한합니다.

보드가 여전히 패널에 부착되어 있다면, 이는 더욱 강성인 패널 레일에 의해 제약을 받아 전체 조립체를 평평하게 유지합니다. 이러한 이유로 많은 고신뢰성 조립체는 패널 형태로 리플로우됩니다. 개별 보드의 경우, 리플로우 캐리어나 고정장치는 동일한 기능을 제공합니다. 이 딱딱한 프레임은 종종 흑연 복합체와 같은 낮은 CTE 재료로 만들어지며, 기계적 힘으로 보드를 평평하게 유지합니다. 단점은 캐리어의 자체 열질량으로, 이는 리플로우 프로파일에 영향을 줄 수 있습니다.

지지대는 열 불균형을 없애지 않으며, 그로 인한 뒤틀림만 억제합니다. 보드는 여전히 내부 응력 하에 있어 납땜 연결에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 지지대는 완전한 치료법이 아니라 완화 전략입니다. 설계와 기계적 지지를 통해 열 불균형을 최소화하는 것이 최상의 결과를 가져오며, 잔존 위험을 관리합니다.

도둑질이 정당화되는 시기를 결정하기

구리 절도는 본질적으로 나쁜 것은 아닙니다. 적절한 적층 설계와 밀도 제어를 위한 대체로 무분별하게 적용될 때 문제가 됩니다. 이를 사용할지 여부는 의도적으로 결정해야 합니다.

언제 정당화됩니까?

• 제조 최소 요구치를 충족시키기 위해서. 많은 제작업체들은 균일한 도금 처리를 위해 최소 구리 밀도(예: 20-30%%)를 요구합니다. 설계가 이 기준보다 낮을 경우, 일부 충전만 필수입니다. 이 경우, 낮은 밀도 패턴을 사용하여 최소한의 구리만 추가하세요. 이것은 제작 제약일 뿐, 열 최적화가 아닙니다.
• 열 시뮬레이션이 명확한 이점을 보여줄 때. 일부 경우, 모델링 결과 특정 핫스폿에 구리를 추가하면 그 열 질량이 충분히 증가하여 인접 지역과 균형을 이루는 것으로 나타납니다. 이것이 바로 불연속적이면서 열적 도구로서의 절도 사용법이며, 블랭킷 채우기와는 반대입니다.
• 보드가 본질적으로 경직되어 있을 때. 두껍고, 작거나 대칭이 높은 보드는 과감한 절도를 무탈하게 견딜 수 있습니다. 결정은 위험에 기반합니다. 만약 보드가 미묘하다—얇거나 크거나 비대칭인 경우—절도는 엄격히 통제해야 합니다.

지침 원칙은 절제입니다. 명확한 필요와 더 나쁜 문제가 생기지 않을 것이라는 명확한 이해가 있을 때만 구리를 추가하세요. 최소한의 국소적 절도를 기본으로 합니다. 먼저 적층 대칭성을 열적 균형 기준으로 삼고, 잔여 위험 관리를 위해 패널 지지를 사용하세요. 절도는 표준 마감 단계가 아니라 목표적 교정으로 취급하세요. 당신의 보드는 리플로우 후 평평하게 나오며, 조립 수율은 이러한 설계 원칙을 반영할 것입니다.