PCB 에뉴얼링 계산, IPC-7351 적용 드릴사이즈0.65 예

PCB(Printed Circuit Board) 설계 시 애뉴얼링(annealing)을 고려하여 패드(Pad) 사이즈를 결정하는 것은 고온 환경에서의 신뢰성, 납땜 품질, 열 팽창에 따른 기계적 스트레스 등을 감안해야 함을 의미합니다.

 

애뉴얼링은 주로 리플로우 솔더링, 열 싸이클링 또는 고온 환경에서의 사용 후 발생하는 금속 재질의 미세구조 변화와 관련이 있습니다.

 

아래는 애뉴얼링과 관련된 요인을 고려한 패드 사이즈 결정 가이드입니다:

 

1. 패드 사이즈 결정의 기본 원칙

패드 크기는 일반적으로 IPC 표준(예: IPC-7351)에 따라 부품 리드 형태 및 납땜 방법에 맞춰 결정됩니다. 하지만 고온 환경(애뉴얼링 고려)이 예상될 경우 아래 요소를 추가로 고려해야 합니다.

 

2. 애뉴얼링 환경에서 고려할 사항

✅ 1) 열 팽창 계수(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)

• 패드와 PCB 베이스(예: FR-4)의 CTE 차이에 따라 열 사이클링 시 스트레스 발생
• BGA나 QFN과 같은 Fine-pitch 부품일수록 이 영향이 큼

📌 대응:

• 패드를 약간 더 크게 설계하여 기계적 유연성을 확보
• 열전달 면적 확보로 리플로우 온도 변화에 대응

✅ 2) 솔더 피복의 재결정화(Grain Coarsening)

• 애뉴얼링 후 솔더 조인트의 기계적 특성이 약해질 수 있음
• 솔더 패드가 너무 작을 경우 응력 집중이 발생

📌 대응:

• IPC 표준보다 10~20% 더 큰 패드 사이즈 고려
• 필렛(Fillet) 형성이 가능한 패드 여유 공간 확보

✅ 3) 패드 아래 커패시턴스 또는 임피던스 특성 변화

• 금속 재결정화로 인해 패드-트레이스 접합부에 미세한 저항 증가 가능
• 고주파 회로나 RF 회로의 경우 신호 품질 저하 우려

📌 대응:

• 고주파 회로는 애뉴얼링 전후 테스트 기준으로 패드 크기 조정 필요

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3. 실제 설계 팁

✅ 표준 대비 여유를 두는 설계 (예: 10~20%)

• IPC-7351의 Land Pattern Calculator를 기준으로:
  • Gull-wing: 패드 길이를 0.2~0.3mm 더 길게
  • QFN/BGA: 열 패드(thermal pad)를 10~15% 더 크게
• 리플로우 후 솔더 와석(fillet)이 형성되어야 하는 부위는 더 넉넉하게

✅ 솔더마스크 정의(SMD vs NSMD) 고려

• NSMD (Non-Solder Mask Defined) 패드가 열 및 기계적 응력에 더 유연
  → 애뉴얼링 환경에서는 NSMD를 우선적으로 사용 권장

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4. 요약

항목권장 조치

패드 크기	표준 대비 10~20% 증가
패드 타입	NSMD 타입 우선 적용
BGA/QFN	중앙 열패드 확보 및 외곽 패드 여유 설계
열 순환 환경	열 팽창과 응력 해석 기반 패드 여유 확보
재질 선택	Cu와 같은 금속이 열처리에 강한 특성 유지 고려

 

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✅ IPC-7351 적용 방식

IPC-7351에서는 스루홀 패드(Plated Through-Hole, PTH)의 사이즈를 다음 공식을 기반으로 정의합니다:

java

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패드 직경 (Land Diameter) = 드릴 구경 + 2 × Annular Ring (애뉴얼링 반경)

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✅ IPC 권장 애뉴얼링(Annular Ring) 값

신뢰성 등급Annular Ring

Level A (Most Conservative / High Reliability)	0.25 mm
Level B (Nominal / General Use)	0.20 mm
Level C (Least Conservative / Low Cost)	0.15 mm

 

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✅ 예시 계산: 드릴 사이즈 0.65mm

🔹Level A (High Reliability)

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패드 직경 = 0.65mm + 2 × 0.25mm = 1.15 mm

th0_65xc1_15

🔹Level B (Nominal)

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패드 직경 = 0.65mm + 2 × 0.20mm = 1.05 mm

th0_65xc1_05

🔹Level C (Low Cost)

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패드 직경 = 0.65mm + 2 × 0.15mm = 0.95 mm

th0_65xc0_95

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✅ 예시 결과를 Solder Mask 및 Copper Annular Ring 고려 시

• 보통 실장성 및 제조 허용 오차를 감안하여 Level B인 1.05mm를 가장 많이 사용합니다.
• 단, 고전류 / 고열 / 반복 리플로우 환경에서는 Level A인 1.15mm를 권장합니다.
• HDI나 고밀도 보드에서는 공간 절약을 위해 Level C(0.95mm)도 사용되나, 신뢰성이 다소 낮을 수 있습니다.