PCB 층간 박리의 원인과 검출 및 예방

PCB 층간 박리는 보통 납땜 전에 기판이 흡수한 수분에서 시작됩니다. 무연 리플로 프로파일의 상한인 260 °C에 가까워지면 물의 포화 증기압은 대기압의 약 46배에 이릅니다. 이 압력에 맞서 층을 붙잡는 것은 얇은 경화 에폭시층입니다. 다층 기판은 동박과 유리섬유 직물을 에폭시로 접합한 구조이며, 에폭시가 이 구조에서 가장 약한 부분입니다. 구리와 유리의 열팽창은 작습니다. 기판의 두께 방향에는 팽창을 억제할 유리섬유가 없으므로 수지는 이 방향으로 훨씬 크게 팽창합니다.

그림 1. 프리프레그층이 박리된 다층 PCB의 단면

납땜 공정을 거칠 때마다 열팽창으로 접합부에 응력이 생기고, 내부의 수분은 압력을 가합니다. 어느 한 접합면이 떨어지는 순간 박리가 시작됩니다. 이 때문에 입고 검사를 통과한 기판도 두 번째 리플로에서 불량이 날 수 있습니다. 이 글에서는 층이 분리되는 원리와 원인, 검출 방법, 예방 조치, 박리된 기판을 보수할 수 있는 조건을 살펴봅니다.

PCB 층간 박리란 무엇인가요?

PCB 층간 박리는 재료 사이의 접합이 끊어지는 현상입니다. 구리, 유리섬유, 수지 자체는 대개 온전하며, 어느 계면이 분리되었는지에 따라 손상이 눈에 보이는 정도가 달라집니다.

PCB 층간 박리가 발생하는 원리

PCB 층간 박리는 적층판의 층과 층 사이, 적층판과 동박 사이, 또는 프리프레그와 내층 코어 사이가 분리되는 현상입니다. IPC-T-50에서는 국소적으로 표면이 볼록하게 부풀어 오르는 형태를 블리스터라고 부릅니다. 두 현상 모두 계면에 가해지는 응력이 수지의 접합 강도를 넘을 때 발생합니다.

그림 2. 프리프레그와 코어의 접합부에 작용하는 두께 방향 팽창과 수증기 압력

접합부에 가해지는 응력은 대부분 열에서 비롯됩니다. 유리섬유 직물은 기판 면 방향의 열팽창 계수를 구리의 17 ppm/°C에 가까운 수준으로 제한합니다. 두께 방향에는 이런 보강이 없습니다. 수지가 연화되는 유리 전이 온도(Tg)를 넘으면 표준 FR-4의 두께 방향 열팽창 계수는 약 250 ppm/°C에 이릅니다. 따라서 고온 공정을 거칠 때마다 층을 벌리는 힘이 작용합니다.

PCB 층간 박리가 신뢰성에 미치는 영향

층간 박리가 생긴 기판도 도통 검사를 통과할 수 있어 결함을 찾아내는 데 비용이 많이 듭니다. 공극은 절연체이므로 각 네트는 연결된 상태를 유지합니다. 그러나 공극을 가로지르는 도금 홀이 지지를 잃어 열 사이클이 반복될 때마다 홀 내벽의 도금층에 응력이 가해집니다. 결국 균열이 생겨 실제 사용 중에 간헐적으로 단선될 수 있습니다.

공극은 기판의 전기적 특성에도 영향을 줍니다. 공기의 상대 유전율은 1.0이고 FR-4는 약 4.4이므로, 공극 위 배선의 임피던스가 달라집니다. 분리된 계면에 수분이 고이면 전도성 양극 필라멘트(CAF)가 생길 수 있습니다. 이는 수지에서 떨어진 유리섬유를 따라 자라는 구리 성분의 전도성 경로로, 인접한 홀을 전기적으로 연결할 수 있습니다.

PCB 층간 박리의 원인

층간 박리의 주요 원인은 세 가지이며, 대개 함께 작용합니다. 재료나 적층 공정에 문제가 있으면 접합이 약해져 수분과 열에 취약해집니다. 드릴 가공이나 기판 배치에 따라 하중이 특정 위치에 집중될 수 있습니다.

재료와 적층 공정의 문제

접합부가 견딜 수 있는 열은 수지 시스템에 따라 달라집니다. 표준 FR-4는 디시안디아미드(DICY)로 경화합니다. 이 수지는 페놀계 경화제를 사용하는 무연 공정용 수지보다 수분을 더 많이 흡수하고 더 낮은 온도에서 분해됩니다. IPC-4101의 세부 규격(슬래시 시트)은 분해 온도(Td)와 박리까지 걸리는 시간을 기준으로 이 차이를 나타냅니다. 박리 시간은 260 °C와 288 °C에서 각각 T260과 T288로 표시합니다.

수분과 열 응력

에폭시는 흡습성이 있어 베어 PCB가 출하된 뒤 공기 중 수분을 흡수할 수 있습니다. 기판이 허용할 수 있는 수분량은 수지 시스템, 기판 구조, 납땜 온도에 따라 달라집니다.

리플로 중 계면의 물은 빠르게 수증기로 변합니다. 260 °C에서 포화 수증기 압력은 약 4.7 MPa(680 psi)입니다. 접합부가 온전하면 이 압력을 견딜 수 있습니다. 열이나 부적절한 프레스 조건으로 접합이 약해졌다면 층이 갈라집니다. 조립 단계에서 생기는 블리스터 대부분이 이런 방식으로 발생합니다.

기판이 건조해도 열은 접합부에 부담을 줍니다. Tg를 넘을 때마다 수지가 두께 방향으로 크게 팽창해 응력이 한 차례씩 반복됩니다. 리플로 두 번, 웨이브 납땜, 재작업이 차례로 이어지면 각 단계에서 기판이 견딜 수 있는 여유가 줄어듭니다. 따라서 불량은 온도가 가장 높은 공정보다 마지막 공정에서 나타나는 경우가 많습니다.

제조와 설계 요인

적절히 접합된 적층판에도 드릴 가공으로 박리가 시작될 수 있습니다. 무디거나 과열된 드릴 비트가 유리섬유를 깨끗하게 절삭하지 못하고 밀어내면 홀 주변 수지에 균열이 생겨 옅은 고리 모양을 띱니다. 이 현상을 헤일로잉이라고 합니다. 도금액이 이 균열을 따라 스며들면 겉보기에 멀쩡했던 홀 주변에서도 리플로 중 층간 박리가 시작될 수 있습니다.

기판 배치는 응력이 집중되는 위치를 좌우합니다. 먼저 층별 구리 분포의 균형을 확인하세요. 내층의 빈 영역이 크면 프리프레그 수지가 더 멀리 퍼져야 하므로 수지가 부족한 곳이 생기고 접합이 약해집니다. 구리 채움 설계의 기본 원칙 에 따라 서로 짝을 이루는 층의 구리 면적을 고르게 맞추면 이런 영역을 줄일 수 있습니다.

PCB 층간 박리의 징후와 검출 방법

표면까지 드러난 박리는 숙련된 검사자가 육안으로 식별할 수 있습니다. 내부 박리는 기판 내부를 볼 수 있는 장비로 검사하거나 단면을 만들어 확인해야 합니다.

PCB 층간 박리의 일반적인 징후

표면까지 드러난 층간 박리에는 다음 네 가지 징후가 나타납니다. 발견하기 쉬운 순서이며, 어떤 징후가 보이는지에 따라 손상이 생긴 깊이와 다음에 검사할 위치를 가늠할 수 있습니다.

그림 3. 블리스터, 하얀 박리 반점, 미즐링의 비교

• 블리스터. 적층판 표면이나 솔더 마스크 아래에 둥글게 부풀어 오른 부분입니다. 대개 리플로 직후에 보입니다.
• 흰 점과 반점. 수지가 유리섬유에서 떨어져 밝게 보이는 부분입니다. 기판 뒤에서 빛을 비출 때 가장 잘 보입니다.
• 새로 생긴 휨이나 비틀림. 납땜 전에는 평평했던 기판이 납땜 후 휘어집니다. 떨어진 층이 인접 층을 잡아주지 못해 발생합니다.
• 패드 들뜸과 간헐적 불량. 재작업 중 패드가 벗겨지거나 온도에 따라 단선이 생겼다가 사라지면, 기판 내부 깊은 곳의 손상을 의심할 수 있습니다.

미즐링은 층간 박리와 가장 자주 혼동되는 현상입니다. 직물의 교차점에서 유리섬유가 분리되어 작은 흰 십자 모양으로 나타납니다. 신뢰성에 영향을 주는 경우가 드물어 IPC-A-600에서는 블리스터보다 폭넓게 허용합니다. 미세 단면을 보면 구분할 수 있습니다. 층간 박리는 적층판의 층 사이가 벌어지거나 동박이 적층판에서 들뜨고, 미즐링은 직물의 교차점에 국한됩니다.

내부 층간 박리를 검출하는 방법

내부 검사에는 주로 세 가지 방법을 사용합니다. 기판을 그대로 검사하거나, 시험편을 잘라 단면을 확인하거나, 원재료 적층판 샘플을 시험하는 방식입니다.

그림 4. 박리된 기판의 초음파 현미경 C-스캔 영상과 해당 위치의 미세 단면

• 주사 초음파 현미경 검사(SAM). 기판을 물에 담근 상태에서 초음파 탐촉자로 스캔합니다. 공기가 찬 틈은 초음파를 거의 모두 반사하므로 영상에서 밝게 나타납니다.
• 열 응력 시험 및 미세 단면 분석. IPC-TM-650 시험법 2.6.8에 따라 시험편을 288 °C의 용융 솔더 위에 10초간 띄웁니다. 이후 시험편을 절단하고 연마해 층이 분리된 곳이 있는지 관찰합니다.
• TMA를 이용한 박리 시간 측정. IPC-TM-650 시험법 2.4.24.1에 따라 열기계 분석기(TMA)로 적층판을 260 °C 또는 288 °C에 유지하고, 층이 분리될 때까지 걸린 시간을 분 단위로 기록합니다.

X선은 가려진 납땜 접합부를 보는 데 흔히 쓰이지만, 얇은 공기층은 X선 투과량을 거의 바꾸지 않습니다. 같은 공기층이 초음파 펄스는 거의 모두 반사하므로, 층간 박리 선별 검사에는 주사 초음파 현미경을 사용합니다.

PCB 층간 박리 예방 방법

예방하려면 재료에 수분이 들어가지 않도록 관리하고, 정해진 프레스 사이클을 지켜 접합 강도를 확보하며, 드릴 가공과 가열 중 기판에 생기는 손상을 줄여야 합니다.

재료 선택과 수분 관리

재료 선택은 이후 공정에서 기판이 견딜 수 있는 열 여유를 결정합니다. 양면 무연 리플로나 재작업이 예정된 기판에는 열 특성이 명시된 IPC-4101/99 또는 /126 적층판을 사용하세요. PCB의 Tg 선택 가이드 에서 두꺼운 다층 기판에 적용할 때의 고려 사항을 확인할 수 있습니다. 수분 관리는 이 열 여유를 지키는 데 중요합니다. 제조사는 프리프레그와 코어를 온습도가 관리되는 공간에 보관합니다. 완성 기판은 건조제와 습도 표시 카드를 함께 넣어 진공 밀봉한 상태로 출하해야 합니다. 포장 내부의 습도가 올라가면 카드의 표시점 색이 변합니다. 봉투를 열면 기판이 다시 수분을 흡수하므로 며칠 안에 조립하도록 일정을 잡으세요.

적층 공정 조건 최적화

수지가 경화되기 전에 공기, 수분, 오염 물질을 제거해야 합니다. 진공을 걸어 수지가 흐르기 전에 갇힌 공기와 수분을 빼냅니다. 온도 상승 속도는 적층판 제조사의 공정 가이드에서 지정한 범위 내로 유지해야 합니다. 이 속도에 따라 녹은 프리프레그 수지가 겔화하기 전에 얼마나 멀리 흐를 수 있는지가 결정됩니다. 유동이 부족하면 수지가 채워지지 않은 곳이 남아 리플로 중 불량이 날 수 있습니다.

그림 5. 시간에 따른 온도, 압력, 진공도를 나타낸 FR-4 적층 프레스 사이클

내층 구리의 표면 처리도 프레스 조건만큼 중요합니다. 브라운 옥사이드 처리 또는 산화물 대체 처리로 표면을 거칠게 만들어 수지가 단단히 결합할 수 있도록 합니다. 표면 처리를 마친 코어는 수분을 흡수하거나 취급 중 오염되기 전에 정해진 시간 안에 적층해야 합니다.

드릴 가공 및 열 공정 관리

날이 예리한 공구를 사용하고 패널을 잘 받치면 드릴 가공 중 손상을 줄일 수 있습니다. 제조사는 비트당 가공 횟수를 제한하고, 비트가 표면을 문지르지 않고 절삭하도록 이송 속도와 회전 속도를 설정합니다. 패널 위에는 알루미늄 엔트리 시트를, 아래에는 받침판을 대어 비트가 나오는 쪽이 바깥으로 벌어지는 것을 막습니다.

층간 박리 발생 후 보수와 교체

박리가 생기면 손상의 범위를 확인합니다. 작고 얕으며 더 커지지 않는 결함은 밀봉할 수 있습니다. 다음 열 사이클을 견디기 어려운 기판은 폐기해야 합니다.

층간 박리가 생긴 PCB를 보수할 수 있나요?

분리된 부분이 작고 표면에 가까우며 도체에 닿지 않을 때만 보수할 수 있습니다. IPC-7711/7721은 이런 경우에 적용할 수 있는 주입법을 설명합니다. 공극까지 작은 구멍을 뚫고 한쪽으로 저점도 에폭시를 주입하면서 다른 쪽으로 공기를 빼냅니다. 에폭시가 경화되면 손상 부위가 밀봉됩니다.

이 방법은 구리 배선을 절단하지 않고 드릴로 접근할 수 있는 공극에만 적용됩니다. 내층 박리나 도금 홀 주변 손상에는 적용하기 어렵습니다. 주입한 수지로 도금 홀 내벽의 지지 구조나 원래의 유전 특성을 복원하기도 어렵습니다. 따라서 보수는 시제품의 손상이 더 커지는 것을 막는 용도로 활용하세요. 높은 신뢰성을 요구하는 계약에서는 보수 전에 고객 승인이 필요할 수 있습니다.

PCB를 교체해야 하는 경우

층간 박리가 IPC-A-600 허용 기준을 벗어나거나 구리 구조에 닿거나 계속 커지면 기판을 교체합니다. 클래스 2와 3 기판의 박리는 각 면에서 기판 면적의 1% 이내로 제한됩니다. 인접 도체 사이 간격의 25%를 넘으면 안 되며, 열 시험 중에 박리 부위가 커져서도 안 됩니다.

PCB 제조 공정에서 층간 박리 위험을 줄이는 방법

대부분의 박리 예방 조치는 기판을 받아보기 전에 이루어집니다. 그만큼 제조사의 공정 관리가 기판 신뢰성에 영향을 줍니다. 제조 전 과정의 관리와 기판의 복잡도에 맞는 검사가 특히 중요합니다.

입고부터 포장까지의 공정 관리

적층판 입고부터 완성 기판 포장까지 수분과 온도를 일관되게 관리합니다. 재료는 건조한 상태로 보관하고, 표면 처리한 코어는 정해진 시간 안에 프레스하며, 프레스 사이클은 재료에 맞춰 설정합니다. 어느 한 단계에서 관리가 빠지면 다른 단계에서 확보한 공정 여유도 줄어듭니다.

그림 6. 적층판 건조 보관부터 진공 밀봉 포장까지의 층간 박리 예방 공정

JLCPCB는 Nan Ya, KB, Shengyi의 A등급 FR-4를 사용해 경성 PCB를 제조하며, PCB 제조 사양 페이지에서 선택할 수 있는 재료를 안내합니다. TG170 옵션인 Shengyi S1000-2M은 IPC-4101/126에 해당하는 적층판으로, 데이터시트에 명시된 T288은 약 30분입니다. 기판은 건조제와 습도 표시 카드와 함께 진공 밀봉해 출하하므로, 수령 시 카드로 포장 내부가 건조하게 유지되었는지 확인할 수 있습니다.

복잡한 PCB의 품질 검사

층수가 많거나 적층 구조가 두껍거나 여러 재료를 섞은 기판은 계면이 더 많고 공정 중 받는 열 부하도 큽니다. 경성 PCB의 성능 규격인 IPC-6012는 시험편에 열 응력을 가한 다음 미세 단면을 만들어 층간 박리와 블리스터를 평가하도록 규정합니다. 클래스 3으로 주문하면 샘플링과 허용 기준이 더 엄격해집니다.

설계자는 층별 구리 균형과 재료의 건조 상태를 확보할 수 있는 설계 정보를 전달해야 합니다. 적층 구조는 대칭으로 설계하고 서로 짝을 이루는 층의 구리 면적을 고르게 맞춥니다. 제작 사양에는 적층판 등급과 예상 리플로 및 재작업 횟수를 적습니다. 그 밖의 항목은 PCB 설계 규칙과 권장 사항 을 참고하세요. 주문할 때는 JLCPCB 온라인 견적 페이지에서 Tg 등급을 선택할 수 있습니다.

PCB 층간 박리에 관해 자주 묻는 질문

결론

PCB 층간 박리는 대개 부적절한 재료 선택, 수분 흡수, 제조 공정 문제, 반복적인 고온 노출이 겹쳐 발생합니다. 기판이 견딜 수 있는 열 응력에는 한계가 있으며, 적층판 품질과 적층 조건, 보관 방식에 따라 그 한계가 달라집니다. 리플로, 웨이브 납땜, 재작업을 한 차례씩 거칠 때마다 응력이 누적되어 내부 층이 분리될 위험이 커집니다.

층간 박리를 예방하려면 용도에 맞는 재료를 선택하고 제조 공정을 관리해야 합니다. 적절한 T260 등급의 적층판을 선택하고, 기판을 수분으로부터 보호하며, 불필요한 가열 사이클을 피하세요. JLCPCB처럼 공정 조건을 관리하고 기판을 진공 밀봉하는 제조사와 작업하면 박리 위험을 줄이고 PCB의 장기 신뢰성을 높이는 데 도움이 됩니다.