Solder Mask Expansion 설계 가이드: 패드 간격과 댐 설정

솔더 마스크는 PCB 동박 트레이스와 패드를 산화, 오염 및 조립 중 솔더 브리지로부터 보호합니다. Solder mask expansion은 패드 같은 기능부 주위에서 솔더 마스크 개구부를 얼마나 넓히거나 줄일지를 정하는 값입니다. 설정이 적절하지 않으면 패드 위로 마스크가 침범하거나 불필요한 동박이 노출될 수 있습니다.

PCB 신뢰성에 Solder Mask Expansion이 중요한 이유

솔더 마스크와 Expansion의 기본 개념

솔더 마스크는 납땜해야 하는 부분을 제외한 PCB 동박 위에 형성하는 폴리머 절연층입니다. Expansion은 마스크 개구부의 가장자리가 패드나 트레이스 가장자리에서 얼마나 떨어져 있는지를 나타냅니다. 제조 시 마스크와 동박의 정렬 공차를 흡수하고 패드가 깨끗하게 노출되도록 일반적으로 편측 0.05~0.1mm 정도의 양수값을 시작점으로 검토합니다.

전문 PCB 제조에 널리 쓰이는 액상 감광성(LPI) 솔더 마스크는 노광과 현상 공정을 통해 개구부를 형성합니다. 실제 expansion은 제조사의 정합 정밀도, 최소 댐 폭과 패드 피치에 맞춰 조정해야 합니다.

잘못된 Expansion이 조립에 미치는 영향

Expansion이 너무 작으면 정렬 편차로 솔더 마스크가 패드 일부를 덮어 젖음 불량이나 불완전한 솔더 조인트를 만들 수 있습니다. 반대로 너무 크면 패드 주변 트레이스가 불필요하게 노출되고 인접 패드 사이의 마스크 댐이 사라져 솔더 브리지 위험이 커질 수 있습니다.

리플로우와 웨이브 솔더링의 수율은 마스크 개구부 외에도 스텐실, 솔더 페이스트량, 패드 형상, 부품 정렬과 온도 프로파일의 영향을 받습니다. 따라서 expansion만으로 툼스토닝이나 공극 감소율을 보장할 수는 없습니다.

Solder Mask Expansion의 기준값과 핵심 용어

Clearance, Overlap, Expansion

Clearance는 동박 패드 가장자리와 솔더 마스크 개구부 가장자리 사이의 거리입니다. 양수 expansion에서는 개구부가 패드보다 커지고, 음수 expansion 또는 overlap에서는 마스크가 패드 가장자리 일부를 덮습니다.

값을 정할 때는 마스크 정렬 공차와 패키지 랜드 패턴, 인접 패드 사이에 남는 마스크 폭을 함께 계산합니다. 너무 얇은 마스크 조각은 제조나 조립 중 들뜨거나 탈락할 수 있습니다.

설계 시작값과 제조사 기준

아래 수치는 원문에서 제시한 일반 설계 시작값입니다. IPC 문서가 모든 PCB와 패키지에 하나의 expansion을 지정하는 것은 아니므로 이를 합격 기준으로 사용해서는 안 됩니다. 최종값은 부품 제조사의 권장 랜드 패턴과 PCB 제조사의 최신 능력을 우선합니다.

표 1: 기능부별 솔더 마스크 expansion 검토 시작값

패드·비아·트레이스의 솔더 마스크 설계 규칙

패드와 고밀도 영역 설정

SMD 패드는 개구부가 패드의 납땜면을 충분히 노출하도록 설계합니다. 0.5mm 피치처럼 간격이 좁으면 편측 0.05mm를 무조건 적용하기보다 남는 마스크 댐과 제조사의 정합 능력을 계산해야 합니다. 0.4mm 피치 영역은 더 작은 값이 필요할 수 있으므로 DFM 검사로 확인합니다.

노출 비아에는 마스크 개구부가 필요하며 텐티드 비아는 개구부를 제거합니다. 텐팅과 플러깅은 서로 다른 공정이므로 Gerber 데이터와 주문 옵션을 일치시켜야 합니다.

마스크 Sliver와 솔더 브리지 방지

개구부 사이에 남은 가느다란 마스크 조각을 sliver 또는 web이라고 합니다. 폭이 제조 한계보다 작으면 현상이나 경화 과정에서 안정적으로 남지 않을 수 있습니다. 인접 개구부를 합치거나 패드·개구부 치수를 조정해 너무 좁은 조각을 없애야 합니다.

솔더 마스크 댐은 인접 패드 사이에 남겨 솔더의 이동을 제한하는 마스크 띠입니다. JLCPCB의 현재 리지드 PCB 능력 페이지는 최소 솔더 마스크 브리지 폭을 0.10mm로 안내합니다. 더 좁은 피치에서는 댐을 만들 수 있는지 주문 전에 확인하세요.

SMD, NSMD와 BGA 패드

NSMD(Non-Solder Mask Defined) 패드는 마스크 개구부가 동박 패드보다 커서 패드 측면까지 노출됩니다. SMD(Solder Mask Defined) 패드는 마스크가 동박 패드 가장자리 일부를 덮어 실제 납땜 면적을 정의합니다. BGA라고 해서 항상 한 방식만 사용하는 것은 아니며 패키지 공급자의 랜드 패턴과 조립 공정에 따라 선택합니다.

제조 공정에서 발생하는 문제와 대응

Expansion이 조립 수율과 장기 신뢰성에 미치는 영향

개구부가 정확하면 HASL 또는 ENIG 표면처리된 패드가 깨끗하게 노출되어 솔더 젖음이 안정됩니다. 개구부가 너무 작거나 현상이 불완전하면 패드에 잔사가 남을 수 있고, 너무 크면 불필요한 동박이 습기와 오염에 노출될 수 있습니다.

LPI 공정과 정합 관리

전문 제조 공정에서는 LPI 마스크를 코팅한 뒤 소프트 베이크, 노광, 현상과 최종 경화를 진행합니다. 레이저 직접 이미징 또는 포토툴 정합으로 동박 패턴과 개구부 위치를 맞춥니다. 실제 노광 정밀도와 경화 조건은 제조 라인 및 잉크 시스템에 따라 달라집니다.

제조사가 Expansion 공차를 관리하는 방법

자동 코팅과 양면 처리, 패널별 검사 쿠폰 및 AOI를 통해 마스크 정합과 개구부 품질을 확인합니다. 기판 두께, 동박 분포와 레이어 수에 따른 편차는 노광 조건과 제조 보정으로 관리합니다. 다층 구조는 PCB 스택업과 함께 검토해야 합니다.

마무리

Solder mask expansion은 패드 노출, 솔더 브리지 방지와 동박 보호 사이의 균형을 정하는 설계값입니다. 일반적인 편측 0.05~0.1mm를 참고할 수 있지만 미세 피치, BGA, 비아와 고밀도 영역에서는 제조사의 최소 댐 폭과 정합 능력을 기준으로 조정해야 합니다.

JLCPCB 리지드 PCB의 최신 능력 페이지에는 다층 보드의 1:1 솔더 마스크 설정, 0.10mm 마스크 브리지와 10μm 이상의 잉크 두께가 안내되어 있습니다. 주문 전에 PCB 제조 능력과 Gerber 미리보기를 확인하세요.

Solder Mask Expansion FAQ

Q1. SMD 패드의 적절한 solder mask expansion은 얼마인가요?
편측 0.05~0.075mm를 시작값으로 검토할 수 있지만 패드 피치, 부품 랜드 패턴과 제조사의 정합 능력에 맞춰 결정해야 합니다.

Q2. 음수 expansion은 PCB 신뢰성에 어떤 영향을 주나요?
마스크가 패드 가장자리를 덮어 노출 영역을 줄입니다. SMD 패드를 정의할 때 사용할 수 있지만 겹침이 과도하면 젖음 면적이 부족해질 수 있습니다.

Q3. 고밀도 설계에서 솔더 마스크 댐이 필요한 이유는 무엇인가요?
인접 패드 사이에서 솔더의 이동을 제한해 브리지 위험을 줄입니다. 다만 제조 가능한 최소 폭보다 좁은 댐은 실제로 남지 않을 수 있습니다.

Q4. 솔더 마스크 색상에 따라 expansion 값이 달라지나요?
색상만으로 설계값을 정하지 않습니다. 실제 적용 가능한 최소 개구와 댐 폭은 잉크, 노광 및 제조 공정 능력을 기준으로 확인합니다.

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