PCB 동박 채우기 설계 가이드: 도금·적층·EMI와 써멀 릴리프

PCB 동박이 없는 빈 공간이 지나치게 많으면 제조 공정과 최종 제품의 품질에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 동박 채우기(Copper Pour)는 PCB의 미사용 영역을 평면 형태의 동박으로 채우는 것을 말합니다. 이는 PCB 설계에서 중요한 작업이며, 주요 PCB 설계 소프트웨어는 동박 채우기 자동 배치 기능을 제공합니다. 동박 채우기는 접지 임피던스를 낮춰 전자기 적합성(EMC)을 개선하고, 전압 강하를 줄여 전력 효율을 높이며, 루프 면적을 줄여 전자기 간섭(EMI)을 완화하는 데 도움이 됩니다.

JLCPCB는 자체 보유한 5개의 지능형 생산 기지에서 업계를 선도하는 장비와 원자재를 사용해 고품질 PCB를 생산해 왔습니다. JLCPCB는 PCB 생산의 모든 공정을 체계적으로 관리합니다. 이 글에서는 JLCPCB 공장을 살펴보며 PCB의 도금 및 에칭 공정, 미사용 기판 영역에 동박 채우기가 필요한 이유, 동박 채우기 설계 시 주의할 사항을 알아봅니다.

미사용 영역을 비워 두면 동박 사용량이 줄어 비용을 절감할 수 있지 않을까요? 실제로 동박 사용량은 줄어들지만, 빈 영역을 동박으로 채우면 품질과 수율을 높이는 데 도움이 되며 이는 비용 절감보다 더 중요합니다.

미사용 영역을 비워 둔 설계

미사용 영역을 동박으로 채운 설계

외층 동박 채우기: 2층 및 다층 PCB

기판에 드라이 필름을 도포한 후, 일정한 전류로 전해 도금을 진행하기 위해 기판을 도금액에 넣습니다.

이미징을 마치고 전해 도금을 준비한 PCB

드라이 필름으로 덮이지 않은 노출 동박은 전류의 작용으로 도금액 속 구리가 석출되면서 두꺼워집니다.

전해액조에서 전해 도금 중인 PCB

이 과정에서는 노출된 동박의 면적이 전류 분포에 영향을 줍니다. 넓은 동박 영역에는 전류가 더 균일하게 분포하므로 PCB 설계 시 넓은 면적에 동박 채우기를 적용하는 것이 좋습니다.

도금을 위해 넓은 면적의 동박이 노출된 상태

반대로 노출된 동박 면적이 작거나 PCB 전체에 고르게 분포하지 않으면 영역마다 흐르는 전류량이 달라지고, PCB 동박의 최종 도금 두께에도 편차가 생깁니다. 전류가 많이 흐르는 영역은 도금층이 더 두꺼워집니다. 이 때문에 공칭 동박 중량이 1 oz인 기판에서 동박 두께가 2 oz 수준까지 증가할 수 있습니다.

도금 시 노출 동박이 부족한 상태

전해 도금의 화학 공정

간격이 매우 좁은 두 트레이스(예: 4 mil 또는 5 mil) 주위에 동박이 없는 상태로 전해 도금을 진행하면 도금층이 지나치게 두꺼워질 수 있습니다. 그러면 에칭 전에 두 트레이스 사이의 드라이 필름을 제거하기 어려워집니다. 그 결과 트레이스 사이에 불필요한 동박이 남아 단락이 발생할 수 있습니다.

간격이 좁은 두 트레이스 사이에 남은 드라이 필름

해결 방법

품질을 확보하려면 설계에서 고립된 트레이스를 가능한 한 만들지 말고, 기판 전체에 동박 채우기를 최대한 적용해야 합니다. 일부 고립된 트레이스 주위에 동박을 배치할 수 없다면 트레이스 사이의 간격을 가능한 한 넓게 설계합니다. 다음은 문제가 있는 설계와 이를 개선한 사례입니다.

동박 채우기가 일부 영역에만 적용된 경우:

개선 전

개선 후

동박 채우기가 전혀 적용되지 않은 경우:

개선 전

개선 후

내층 동박 채우기: 다층 PCB

다층 PCB는 프리프레그를 알맞은 크기로 재단한 뒤 두 코어층 사이 또는 코어층과 동박 시트 사이에 배치하여 적층합니다. 이 적층 구조에 고온과 압력을 가하면 프리프레그 내부의 수지가 녹아 흐른 후 경화되면서 각 층을 접합합니다.

프리프레그

내층 코어

적층판

1) 동박층에 넓은 빈 영역이 있으면 프리프레그의 수지가 동박이 없는 영역을 채우기 위해 더 넓게 퍼져야 합니다. 이로 인해 PCB가 일반적인 두께보다 얇아지거나 동박에 접힘과 주름이 생길 수 있습니다. 수지 보이드가 발생하거나 층간 박리로 이어질 가능성도 있습니다.

동박층에 발생한 접힘

흰색 흔적으로 확인되는 수지층의 보이드

설계 예시:

개선 전

개선 후

2) 골드 핑거가 위치한 내층 영역에 동박이 거의 없으면 골드 핑거 영역의 두께가 예상보다 얇아질 수 있습니다. 이 경우 PCB와 결합 커넥터 슬롯 사이에 접촉 불량 등이 발생할 수 있습니다.

공칭 두께 1.6 mm, 실측 두께 1.41 mm

개선 전: 골드 핑거의 내층 영역에 동박 채우기가 없음

개선 후

골드 핑거가 있는 PCB: 골드 핑거 영역은 두께 요구 사항이 더 엄격하므로 해당 위치의 모든 내층에 동박 채우기를 적용해야 합니다. 주문할 때는 공칭 완성 두께가 충분한 스택업을 선택하고, 허용 가능한 두께의 하한에 가까운 스택업은 피해야 합니다.

다층 기판의 내층 빈 영역에 동박을 채우는 주된 목적은 동박 면적을 늘리고 수지가 퍼져야 하는 면적을 줄여 적층 신뢰성과 완성 기판의 두께 공차를 확보하는 것입니다. 외층 빈 영역의 동박 채우기는 전해 도금 전류를 균일하게 분포시키는 데 목적이 있습니다. 이를 통해 과도한 에칭으로 인한 단락 및 트레이스 박화 위험을 줄이고 표면 동박 두께를 더 균일하게 만들 수 있습니다.

동박 채우기 영역에서 써멀 릴리프 패드 사용

동박은 열전도율이 매우 높습니다(약 380 W/(m·K)). 따라서 패드의 모든 면이 인접한 동박 평면에 직접 연결되어 있으면 납땜 과정에서 열이 매우 빠르게 분산되어 납땜 문제가 발생할 수 있습니다. 써멀 릴리프(Thermal Relief) 패드는 열 분산을 줄이고 납땜 작업을 원활하게 하기 위해 사용합니다.

해치형 및 솔리드형 동박 채우기

PCB 트레이스의 분포 정전용량은 고주파 조건에서 영향을 미칩니다. 트레이스 길이가 해당 노이즈 주파수 파장의 1/20보다 길면 트레이스가 안테나처럼 작동하여 노이즈를 주변 공간으로 방사합니다. 접지가 불량한 동박 채우기는 이 노이즈를 더 확산시킬 수 있습니다. 따라서 고주파 회로의 접지 연결은 전기적으로 연속되어야 할 뿐 아니라 접지 지점 사이의 간격도 λ/20 미만이어야 합니다. 트레이스에 배치한 비아는 다층 기판의 접지 평면과 안정적으로 접지하는 데 도움이 됩니다. 적절하게 설계된 동박 평면은 전류 용량을 늘리고 EMI를 줄입니다.

동박 채우기는 일반적으로 솔리드형과 해치형으로 구분합니다. 솔리드형 동박 채우기는 전류 용량을 늘리고 차폐 기능도 제공하지만, 웨이브 솔더링 과정에서 기판 휨이나 PCB 동박이 떨어지는 박리 현상을 일으킬 수 있습니다. 솔리드형 동박 채우기에 슬롯이나 개구부를 설계하면 이러한 문제를 완화할 수 있습니다. 해치형 동박 채우기는 주로 차폐에 사용하며 전류 허용 능력은 높지 않습니다. 동박 면적이 적기 때문에 방열에 유리할 수도 있습니다. 다만 해치형 패턴을 구성하는 동박 세그먼트는 EMI를 증가시킬 수 있습니다. 세그먼트 길이가 회로 동작 주파수의 전기적 길이와 비슷하면 전체 동박 채우기가 다수의 안테나처럼 작동해 간섭 신호를 방사하고, 회로가 전혀 작동하지 않을 수도 있습니다. 따라서 PCB 회로 특성에 맞는 유형을 선택해야 합니다. EMI 요구 사항이 있는 고주파 회로에는 해치형을, 저주파 또는 고전류 회로에는 솔리드형을 사용합니다.

현대 PCB 설계는 더 높은 정밀도와 품질을 요구하므로 주요 PCB 제조업체는 저비용 웨트 필름 공정 대신 드라이 필름 공정을 채택하고 있습니다. 해치형 동박 채우기는 드라이 필름 공정에서 필름 균열을 유발할 수 있으므로 가능한 경우 해치형보다 솔리드형 동박 채우기를 사용하는 것이 좋습니다.

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내층 동박 채우기

동박 잔존율: 에칭 후 내층에 남아 있는 동박 면적이 전체 기판 면적에서 차지하는 비율입니다.

적층: 프리프레그를 적절한 크기로 재단한 뒤 내층 코어 사이 또는 코어와 동박 시트 사이에 배치합니다. 적층된 구조물에 열과 압력을 가하면 프리프레그층의 수지가 녹습니다. 수지는 인접한 층에서 동박이 없는 영역으로 흘러 들어가며, 냉각 후 각 층을 접합합니다.

설계 문제: 내층의 동박 잔존율이 낮으면 프리프레그의 수지가 동박이 없는 영역을 채우기 위해 더 넓게 퍼져야 합니다. 이로 인해 기판이 예상보다 얇아지고 동박층에 접힘이나 주름이 생길 수 있습니다. 수지 보이드가 발생하거나 수지 부족으로 층간 박리가 일어날 가능성도 있습니다.

설계 권장 사항: 가능한 경우 기판의 빈 영역에 동박 채우기를 적용합니다. 고속 신호 트레이스와는 최소 0.5 mm의 간격을 유지합니다.

PCB 동박 두께와 완성 기판 두께 계산

이론적 적층판 두께 = 외층 동박 + 경화 후 프리프레그 + 코어

    = (0.7×2) + (4.54+4.48) + (1.2+44.84+1.2) = 57.66 mil = 1.46 mm.

이론적 완성 기판 두께 = 솔더 마스크 + 도금 후 외층 동박 + 경화 후 프리프레그 + 코어

    = (1×2) + (1.4×2) + (4.54+4.48) + (1.2+44.84+1.2) = 61.06 mil = 1.55 mm.

경화 후 프리프레그 두께 = 경화 전 프리프레그 두께 − 인접 코어층에서 수지가 채워야 하는 두께

    = 경화 전 프리프레그 두께 − ((1 − 동박 잔존율) × 동박 두께)

스택업 예시는 아래 표와 같습니다.

레이어 1과 레이어 2를 예로 들면 다음과 같습니다.

- 경화 전 프리프레그 두께 = 4.72 mil, 레이어 2 동박 잔존율 = 85%, 내층 동박 중량 = 1 oz

- 경화 후 프리프레그 두께 = 4.72 − ((1 − 85%) × 1.2) = 4.54 mil.

PCB 동박 두께를 계산할 때 공칭 1 oz 동박은 35 μm이지만, 전처리 및 브라우닝 과정에서 손실이 발생하므로 실제 두께는 30 μm(1.2 mil)입니다.

설계 지침 요약

1. PCB 동박이 없는 빈 영역을 남기지 말고 해당 영역에 동박 채우기를 적용합니다.

2. 동박 채우기를 적용할 수 없다면 2 oz 동박 중량을 기준으로 트레이스를 설계하고, 트레이스 간·트레이스와 패드 간·패드 간 간격을 최소 8 mil로 유지합니다.

3. 동박 채우기는 기능성 트레이스 및 패드와 충분한 간격을 두어야 하며, 0.5 mm 이상이 이상적입니다. 해치형 동박 패턴, 특히 격자가 작은 패턴은 피하고 솔리드형 동박 채우기를 우선 사용합니다.

4. 골드 핑거 영역의 기판 두께가 부족해지는 것을 방지하려면 모든 내층에 동박 채우기를 적용해야 합니다. 완성 두께가 얇은 스택업은 피합니다.

5. PCB 안테나 주변의 동박 채우기는 안테나 동작을 방해하지 않도록 제품별 요구 사항에 맞춰 설계해야 합니다.

참고: JLCPCB의 패널 동박 채우기가 중요한 이유

다층 PCB의 경우 JLCPCB는 기판 두께 부족이나 불균일한 도금처럼 넓은 빈 공간으로 인해 발생할 수 있는 결함을 방지하기 위해 패널의 내층과 외층에 동박 채우기를 추가할 수 있습니다. 동박은 핸들링 스트립, 브리지 피스 등 PCB 유닛 외부 영역에만 추가되며 실제 사용하는 PCB 내부에는 추가되지 않습니다. 피듀셜, 기구 홀, 마우스 바이트 및 V-컷 주위에는 간격을 둡니다.

JLCPCB는 기술 혁신을 추진하는 것을 책임으로 여기며 고객에게 더 폭넓은 PCB 제조 옵션을 제공하기 위해 노력하고 있습니다. JLCPCB는 고품질 PCB 주문부터 100만 개 이상의 정품 전자 부품 조달, 첨단 SMT 장비를 활용한 PCB 조립까지 원스톱 PCBA 서비스도 제공합니다.JLCPCB 공식 웹사이트에서 회원 가입 후 최대 $60의 신규 사용자 쿠폰을 받고 PCB 제작을 시작해 보세요.