방열 성능과 납땜 신뢰성을 높이는 서멀 릴리프 패드 최적화

아마 서멀 릴리프 패드 설정을 직접 바꿔 본 적은 한 번도 없으실 것입니다. 설계 툴을 설치한 날 툴이 스포크 폭을 정해 두었고, 그 이후 만든 모든 기판의 모든 그라운드 핀은 조용히 그 값을 써 왔습니다. 서멀 릴리프 패드에 구리가 너무 많으면 인두로 접합부를 충분히 가열할 수 없어 냉납이 생기고, 이는 현장에서 6개월 만에 고장으로 이어집니다. 반대로 구리가 너무 적으면 전력 패드가 과열되거나 감당할 수 없는 전압 강하가 발생합니다. 이 가이드에서는 스포크가 실제로 어떤 역할을 하는지, 어떤 폭과 간격이 어떤 부품에 맞는지, 언제 릴리프를 아예 생략해야 하는지, 그리고 제조 공차가 설계한 구리를 어떻게 바꾸는지 설명합니다.

서멀 릴리프 패드란 무엇이며 왜 사용하는가

정의 및 패드와 구리 플레인을 연결하는 역할

서멀 릴리프 패드는 솔리드 구리 대신 몇 개의 가느다란 연결부를 통해 패드를 구리 플레인에 연결합니다. 이 연결부를 스포크라고 하며, 스포크 주변을 둘러싼 맨 기판 영역을 에어 갭 또는 안티패드라고 합니다. 전기적으로는 패드가 여전히 플레인에 연결되어 있지만, 열적으로는 흐름이 제한됩니다.

냄비 손잡이를 예로 들어 보겠습니다. 손잡이는 가느다란 강철 목 부분을 통해 냄비에 고정되어 있는데, 이 목 부분 덕분에 손을 데지 않고 냄비를 들 수 있습니다. 손잡이를 냄비 몸체에 평평하게 용접해 버리면 손잡이도 안에 든 물만큼 뜨거워집니다. 서멀 릴리프 패드는 바로 이 목 부분을 구리로 구현한 것입니다. 구리의 열전도율은 약 400W/mK, FR4는 약 0.3W/mK이므로, 넓은 구리 푸어는 그 아래 기판보다 접합부의 열을 약 천 배 더 효율적으로 빼앗아 갑니다.

열 방출과 납땜성 사이의 균형

솔더는 접합부가 녹는점을 넘어서야 비로소 흐릅니다. 유연 솔더 Sn63/Pb37은 약 183°C에서, 무연 솔더 SAC305는 약 217°C에서 녹기 때문에, 리플로우 오븐은 여유를 두고 235°C~250°C까지 온도를 올립니다. 그리고 이 온도는 패드 위 공기가 아니라 패드 자체에서 도달해야 합니다. 가정용 LED 전구 내부의 드라이버 기판처럼 패드를 2oz 그라운드 플레인 위에 놓으면, 접합부를 가열하는 동안 플레인이 열을 옆으로 끌어갑니다. 60W 인두로는 이 싸움에서 완전히 질 수 있으며, 웨이브 솔더링 장비는 단 몇 초 안에 승부를 내야 합니다.

즉, 패드에는 상반된 두 가지 역할이 있습니다. 동작 중에는 열을 빠르게 방출하고, 납땜 중에는 열을 붙잡아 두어야 합니다. 이 둘 사이의 균형을 결정하는 것이 스포크 폭입니다.

올바른 서멀 릴리프 패드 설계의 주요 이점

고전력 부품을 위한 효과적인 열 관리

많은 분들이 놀라는 부분이 있습니다. 실제로 발열이 큰 부품에는 서멀 릴리프를 아예 적용하지 않는 것이 대개 최선입니다.

예시: SOT-223 패키지의 AMS1117-3.3 레귤레이터나 TO-263 탭 패키지의 LM2596 벅 컨버터를 생각해 보겠습니다. 실리콘에서 발생한 열이 빠져나갈 길은 금속 탭을 거쳐 패드로, 플레인으로, 그리고 기판 전체로 퍼지는 경로 하나뿐입니다. 스포크는 바로 이 경로 위에 놓이기 때문에, 솔리드 연결을 0.3mm(12mil) 폭 4개의 연결부로 바꾸면 열이 지나던 구리의 대부분이 사라집니다. 핵심은 어떤 패드에 릴리프를 적용할지 아는 것입니다. 신호 핀과 저전류 그라운드 핀은 밀리암페어 수준의 전류만 흐르고 깔끔하게 납땜되기만 하면 되므로 릴리프의 이점을 봅니다. 탭과 노출 패드는 열을 옮기는 것 자체가 목적이므로 솔리드 연결을 유지합니다.

납땜 품질 향상과 툼스토닝 위험 감소

툼스토닝은 리플로우 중 2단자 소형 부품이 한쪽 끝으로 일어서서 다른 쪽 끝이 공중에 뜨고 회로가 열린 상태가 되는 현상입니다. 휴대폰 충전기에 빼곡히 실장되는 0402, 0603 부품에서 가장 흔한 불량 중 하나이며, 구리 불균형이 주요 원인입니다.

0402 커패시터의 한쪽 끝은 넓은 그라운드 푸어에, 다른 쪽 끝은 0.2mm(8mil) 트레이스에 놓여 있다고 가정해 보겠습니다. 푸어 쪽은 연결된 구리가 더 많아 천천히 가열되고 더 늦게 녹습니다. 트레이스 쪽이 먼저 녹아 표면 장력으로 강하게 당기면 부품이 회전하며 일어섭니다. 푸어 쪽에 릴리프를 적용하면 양쪽의 가열 속도가 균일해집니다.

효과적인 서멀 릴리프 패드를 위한 설계 고려 사항

스포크 폭, 스포크 개수, 클리어런스 설정

서멀 릴리프 패드는 스포크 폭, 갭 폭, 스포크 개수라는 세 가지 수치로 정의됩니다. IPC-2221B는 스포크 폭의 실질적인 하한을 0.2mm(8mil)로 두고, 스포크 4개를 일반적인 최대치로 봅니다. 거의 모든 툴이 기본으로 4개를 생성하며, 이 값을 그대로 사용하시는 것이 좋습니다.

소형 부품에는 얇은 스포크와 좁은 갭이 필요하고, 핀 홀에는 열을 전도할 구리가 남도록 굵은 스포크가 필요하며, 고전류 패드에는 릴리프를 아예 적용하지 않는 것이 가장 좋습니다. Altium은 대부분의 부품에 대해 스포크/클리어런스 기본값을 0.2mm(8mil)로,  KiCad는 둘 다 0.508mm(20mil)로 설정하고 있습니다.

부품 유형, 전력 수준, 기판 두께의 영향

먼저 기판을 어떤 방식으로 납땜할지부터 따져 보아야 합니다. 인두 팁 하나로 플레인 전체를 상대해야 하는 수작업 납땜이 가장 가혹합니다. 그다음은 접합부당 접촉 시간이 몇 초에 불과한 웨이브 솔더링입니다. 리플로우는 기판이 고르게 가열되므로 가장 부드러운 방식이며, 따라서 표면 실장 설계에서는 릴리프의 중요도가 훨씬 낮아집니다.

0.25mm(10mil) 폭의 4-스포크 릴리프는 패드당 약 1~3밀리옴의 저항을 가지므로, 5A에서는 5~15mV가 손실되고 그 지점에서 25~75mW가 열로 바뀝니다. 연속 3A를 넘으면 솔리드 연결로 바꾸고, 납땜 문제는 예열로 해결하십시오.

기판 두께도 마찬가지입니다. 내부 플레인 2개가 있는 2.0mm(79mil) 기판은 배럴 충전에 가장 불리한 경우이고, 1.0mm(39mil) 2층 기판이 가장 쉽습니다. 또한 내부 플레인은 문제를 숨기기도 합니다. 외층에서는 핀에 릴리프가 적용된 것처럼 보여도, 매립된 두 플레인에는 솔리드로 연결되어 있을 수 있습니다.

서멀 비아 및 구리 푸어 전략과의 상호작용

하단 단자 부품을 다루는 표준인 IPC-7093은 QFN, DFN, DPAK 아래에 비아 어레이와 함께 직접 구리 연결을 적용하도록 규정합니다. 이 패드는 다이의 유일한 열 방출 경로이므로, 스포크를 적용하면 경로가 막혀 버립니다.

실제로 열을 처리하는 것은 스포크가 아니라 비아 어레이이므로, 어레이 크기를 적절히 설계해야 합니다.

1. 0.25~0.33mm(10~13mil) 홀을 드릴링합니다: 이보다 크면 리플로우 중 솔더가 비아로 빨려 들어갑니다.
2. 비아 간격을 1.0~1.2mm(39~47mil)로 둡니다: 일반적인 어레이는 패드 크기에 따라 비아 9~25개로 구성됩니다.
3. 텐팅, 플러깅 또는 필링 처리를 합니다: 열린 비아는 페이스트를 아래로 빼내 그 위에 보이드를 남깁니다.
4. 보이드율을 IPC-7093 한계인 50% 미만으로 유지합니다: 보이드는 갇힌 공기이며, 공기는 사실상 열을 거의 전달하지 못합니다.

푸어 전략도 그만큼 중요합니다. 눈에 보이는 상단 층에서는 핀에 릴리프가 적용되어 있어도, 보이지 않는 매립 플레인에는 솔리드로 연결되어 있을 수 있으며, 이 매립 연결이 접합부를 망가뜨립니다.

흔한 설계 실수와 예방 방법

과도하거나 부족한 서멀 릴리프로 인한 납땜 문제

실수 1: 툴의 기본값을 모든 패드에 그대로 적용하는 경우

0.508mm(20mil) 스포크는 스루홀 커넥터에는 문제가 없지만, 0402 아래에서는 부적절합니다. 굵은 스포크 4개와 그 갭이 부품 사이의 플레인을 잠식해 버리기 때문입니다. 해결 방법: 부품 분류별로 릴리프 규칙을 하나씩 만드십시오.

실수 2: 스포크를 제조 최소값으로 그리는 경우

트레이스 폭 공차는 일반적으로 ±20%이므로, 0.10mm(4mil) 스포크는 0.08mm(3mil)로 완성되거나 아예 에칭되어 사라질 수 있으며, 이렇게 생긴 개방 회로는 어떤 검사로도 잡아내지 못합니다. 해결 방법: 제조업체가 제시한 최소값보다 최소 30% 크게 설계하십시오.

실수 3: 전력 패키지 아래의 노출 패드에 릴리프를 적용하는 경우

툴은 기본적으로 QFN 아래의 서멀 패드 를 포함한 모든 패드에 푸어 규칙을 적용하며, 스포크로 인해 열 경로가 절반으로 줄어들 수 있습니다. 해결 방법: 노출 패드를 직접 연결로 설정한 다음 푸어를 확인하십시오.

고전류 또는 고주파 설계와의 부적절한 통합

실수 1: 조립을 쉽게 하려고 고전류 패드에 릴리프를 적용하는 경우

스포크는 접합부를 납땜하기 쉽게 만드는 동시에 저항도 높입니다. 10A 패드에서 릴리프로 3밀리옴이 추가되면 그 자리에서 300mW가 소모됩니다. 해결 방법: 고전류 패드는 솔리드 연결로 유지하고, 납땜 문제는 예열로 해결하십시오.

실수 2: 고속 설계에서 그라운드 비아와 실드 핀에 릴리프를 적용하는 경우

리턴 전류는 신호를 따라 흐르며, 플레인을 통해 돌아오는 저인덕턴스 경로가 필요합니다. 스포크는 이 전류를 좁은 연결부 4개로 억지로 통과시켜, 인덕턴스를 줄여야 할 곳에서 오히려 인덕턴스를 더합니다. 해결 방법: 비아를 릴리프 규칙에서 제외하고, 커넥터 및 실드 캔 그라운드는 직접 연결하십시오.

실수 3: RF 부품의 그라운드 패드에 릴리프를 적용하는 경우

ESP32-WROOM-32 같은 무선 모듈에서는 하단 패드가 열 경로인 동시에 RF 기준 플레인입니다. 해결 방법: RF 기준 패드는 모두 직접 연결로 처리하십시오.

제조 측면과 품질 보증

에칭 정밀도, 솔더 마스크 정렬, 공정 관리

스포크는 기판에서 가장 가는 구리이므로, 공정에 편차가 생기면 가장 먼저 영향을 받습니다. 에칭은 구리를 아래쪽뿐 아니라 옆쪽으로도 깎아 내는데, 이로 인한 손실은 1mm(39mil) 전원 트레이스보다 0.15mm(6mil) 스포크에서 훨씬 큰 비율을 차지합니다.

요약하면, 실제로 받게 되는 구리는 항상 설계한 구리보다 가늘며, 패드 주변 갭이 깨끗하게 유지되는지는 마스크 정렬에 달려 있습니다.

열 성능 검증을 위한 테스트 방법

서멀 릴리프 패드가 제대로 작동하는지 확인하려면 접합부 내부를 들여다보고 온도를 측정해야 합니다. 다음 6가지 방법으로 확실한 답을 얻을 수 있습니다.

1. 접합부 마이크로섹션: 스루홀 핀의 이 단면 분석을 통해 솔더가 배럴을 따라 얼마나 올라갔는지를 J-STD-001의 75% 충전 요건과 비교해 확인할 수 있습니다.
2. 하단 단자 부품 X선 검사: QFN이나 DPAK 패드 아래의 보이드는 외부에서 보이지 않으며, IPC-7093에서는 패드 면적의 50% 이하로 제한합니다.
3. 열전대 프로파일 측정: 시험용 기판의 릴리프 적용 패드와 미적용 패드에 열전대를 테이프로 붙이고 리플로우를 진행합니다. 릴리프 적용 패드가 더 빨리 녹으면 릴리프가 효과가 있는 것입니다.
4. 부하 상태에서 열화상 촬영: 시뮬레이션 대비 10°C~15°C 이상 차이가 나면 어딘가에 구리가 부족하다는 뜻입니다.
5. 샘플 열 사이클 시험: IPC-9701은 표면 실장 솔더 접합 신뢰성을 위한 열 사이클 시험을 다루며, 충전이 부족한 배럴은 이 시험에서 균열이 생깁니다.
6. 모든 기판 전기 테스트: 플라잉 프로브 테스트는 현미경으로는 완벽해 보이는 유일한 불량, 즉 완전히 에칭되어 사라진 스포크를 잡아냅니다.

서멀 릴리프 패드 구현에 대한 JLCPCB의 전문성

열 및 납땜 성능에 최적화된 첨단 DFM 검토

모든 주문은 생산 라인에 들어가기 전에 자동화된 제조 용이성 설계(DFM) 검사를 거치며, 주문 전에 JLCDFM으로 동일한 검사를 직접 실행해 볼 수도 있습니다. 이 검사는 공정 최소값에 미달하는 구리 형상을 표시해 주는데, 이는 정확히 얇은 스포크를 망가뜨리는 불량 유형입니다.

특히 릴리프 형상에 이 검사를 활용하십시오. 1oz 다층 기판에서 0.09 / 0.09mm(3.5 / 3.5mil), 또는 2oz 외층 구리에서 0.16 / 0.16mm(6.5 / 6.5mil) 미만인 스포크는 자체 설계 규칙 검사(DRC)는 통과하더라도 안정적으로 에칭할 수 없습니다. 제조 전에 발견하면 비용이 들지 않지만, 제조 후에 발견하면 빌드 한 번을 날리게 됩니다.

열에 민감한 기판을 위한 안정적인 고품질 생산

열을 많이 다루는 기판에는 표준 2층 적층 구조를 넘어서는 옵션이 필요합니다: 1~32층, 완성 두께 0.4mm~4.5mm(16mil~177mil), 2층 기판 기준 최대 4.5oz 외층 구리를 지원합니다. 더 두꺼운 구리를 사용하면 더 적은 스포크로 더 많은 전류를 흘리거나, 릴리프를 아예 생략하고도 편하게 수작업 납땜을 할 수 있습니다.

PCB 제조와 함께 조립까지 맡기시는 경우, 같은 기판이 부품 라이브러리의 부품과 함께 곧바로 SMT 조립 공정으로 넘어갑니다. 오븐 프로파일을 설정하는 담당자가 설계하신 구리를 직접 확인할 수 있다는 점에서 이는 중요한 이점입니다.

서멀 릴리프 패드에 관한 자주 묻는 질문

결론

서멀 릴리프 패드를 바라보는 유용한 관점은, 좋고 나쁨 중 하나를 고르는 것이 아니라 기판 수명 중 어느 몇 초를 최적화할지 고르는 것이라는 점입니다. 스포크는 납땜하는 동안 깔끔한 접합부를 얻게 해 주는 대신, 그 후 10년 동안 열 흐름과 전류 용량을 대가로 치르게 합니다. 신호 패드는 이 거래를 기꺼이 받아들입니다. 반면 전력 탭, 노출 패드, 고전류 레일은 절대 이 거래를 해서는 안 됩니다. 따라서 파일을 출력하기 전에 라우팅만 보지 말고 푸어된 구리까지 확인하십시오. 대부분의 릴리프 불량은 이 단계에서는 5초 만에 눈에 띄지만, 이후에는 영영 보이지 않습니다. 구리 설계가 확정되면, JLCPCB의 DFM 검토와 엄격한 에칭 공차가 완성된 기판의 스포크를 화면 속 설계와 일치하도록 만들어 드립니다.