PCB에 적합한 솔더 마스크 두께와 유형을 선택하는 방법

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특히 전자제품 업계의 초보자 시절에 저는 회로 기판을 살펴보며 PCB의 맨 위 레이어는 왜 초록색인지 궁금해했습니다. 누구에게 질문하느냐에 따라 답변은 조금씩 달라지겠지만, 모두가 동의하는 한 가지 사실은 솔더 마스크는 검사에 도움이 되고, 도체를 보호하며, 수동 조립 작업 시 시각적 피로도를 줄여준다는 것입니다. 다양한 PCB 솔더 마스크 유형의 적용 방법 및 구성과 가격은 제각기 다릅니다.

기판에 적합한 솔더 마스크 유형과 두께를 정할 때는 제조업체의 역량과 검사/조립 공정을 고려해야 합니다. 다음은 4가지 PCB 솔더 마스크 유형입니다.

1. 액상 에폭시 솔더 마스크
2. 액상 감광성 솔더 마스크(LPSM)
3. 드라이 필름 솔더 마스크(DFSM)
4. 상단 및 하단 마스크

PCB용 솔더 마스크란 무엇인가요?

솔더 스톱 마스크라고도 하는 솔더 마스크는 회로 기판의 금속 소자가 산화되지 않도록 보호하고 솔더 패드 사이에 전도성 브리지가 형성되는 것을 방지하는 데 사용되는 PCB 공정입니다. 솔더 마스크는 특히 리플로우나 솔더 배스를 사용하는 경우 PCB 제조에서 매우 중요한 단계입니다. 이러한 기법으로 용융 솔더 비트가 기판의 어느 위치에 도달할지 제어할 수는 없으나, 솔더 마스크 레이어로는 어느 정도 제어할 수 있습니다. 솔더 마스크는 간혹 '솔더 레지스트'라고도 합니다. 저는 '솔더 레지스트'가 더 정확한 표현이라고 생각하는데, '솔더 마스크'는 마치 기판 전체를 덮는 솔더 레이어처럼 들리기 때문입니다.

PCB 솔더 마스크 유형

모든 솔더 스톱 마스크 레이어는 인쇄 회로 기판의 금속 트레이스 위에 도포되는 폴리머 레이어로 구성됩니다. PCB 솔더 마스크 유형은 여러 가지이며, 여러분의 기판에 가장 적합한 옵션은 비용과 응용 분야에 따라 다릅니다. 가장 기본적인 솔더 스톱 마스크 옵션은 실크 스크린을 사용하여 도체 위에 액상 에폭시를 인쇄하는 것입니다. 이는 마치 스텐실을 통해 페인트를 에어브러싱하는 것과 같습니다. 솔더 마스크는 거의 모든 색상으로 적용할 수 있습니다.

액상 에폭시 솔더 마스크

가장 기본적인 솔더 스톱 마스크 옵션은 실크 스크린을 사용하여 PCB 위에 액상 에폭시를 인쇄하는 것입니다. 이는 가장 저렴하고 널리 사용되는 솔더 스톱 마스크 옵션입니다. 이 공정에서는 직조 메시를 사용하여 잉크 차단 패턴을 지원합니다. 액상 에폭시는 열경화성 폴리머로서 열경화 공정 중 단단하게 굳습니다. 솔더 마스크 염료는 액상 에폭시에 혼합되어 원하는 색상으로 경화됩니다.

액상 감광성 솔더 마스크(LPSM)

고급 솔더 마스크는 드라이 필름 또는 액체 솔더 레지스트를 포함한 포토리소그래피 공정을 사용합니다. 이 공정은 반도체 제조 시 포토레지스트 노출에 사용되는 것과 비슷합니다. LPSM은 에폭시처럼 실크 스크린 인쇄하거나 표면 위로 분사할 수 있습니다(이는 많은 경우 비용이 더 저렴한 적용법이기도 합니다). 보다 정확한 고급 방법은 리소그래피 공정을 사용하여 패드, 비아 및 장착 홀을 위한 솔더 마스크 개구부를 정의하는 것입니다.

이 공정에서는 Gerber 파일에서 원하는 솔더 마스크에 맞는 포토리소그래피 마스크를 만듭니다. 그런 다음 경화된 솔더 레지스트 아래에 먼지 입자가 깔리지 않도록 패널화된 기판을 꼼꼼하게 세척합니다. 액체 LPSM이 패널 양쪽을 완전히 덮습니다.

LPSM에 대해 알 수 있는 한 가지는 포토리소그래피 마스크의 검정색 부분은 도체를 노출할 영역을 정의하며, 솔더 마스크로 덮을 기판 영역은 투명하다는 것입니다.

솔더 마스크는 에폭시 또는 감광성 폴리머로 적용됩니다.

기판을 LPSM으로 덮은 후, 기판을 오븐에서 건조하고 UV 현상장치에 넣습니다. 포토리소그래피 마스크를 건조된 기판 위에 조심스럽게 정렬한 다음 기판에 자외선을 쬡니다. LPSM 재료의 노출된 영역이 자외선으로 경화되며, 노출되지 않은 영역은 용제로 헹궈져 단단한 솔더 마스크 레이어를 남깁니다.

드라이 필름 솔더 마스크(DFSM)

DFSM 솔더 마스크는 LPSM과 비슷한 공정을 통해 적용됩니다. 두 PCB 솔더 스톱 마스크 유형 모두 포토리소그래피 유형 공정을 통해 노출됩니다. 액체로서 적용되는 대신 드라이 필름이 진공 적층 공정을 통해 솔더 마스크 박막 시트에 적용됩니다. 이 진공 적층 단계에서는 노출되지 않은 솔더 레지스트 박막이 기판에 부착되며, 박막의 기포가 제거됩니다. 노출 후 솔더 마스크의 노출되지 않은 영역은 용제로 제거되며, 남은 필름은 열 공정을 통해 경화됩니다.

상단 및 하단 마스크

PCB 솔더 마스크 유형에 관한 다른 가이드에서 자주 언급되는 두 가지 유형의 솔더 스톱 마스크는 상부 마스크와 하부 마스크입니다. 이 두 유형은 기판의 윗면 또는 아랫면에 배치하는 솔더 마스크를 지칭하며, 특정한 제조 공정이나 특정한 솔더 마스크 재료 유형을 의미하는 것은 아닙니다.

마지막 단계: 경화 및 표면 마감

위에 나타난 매체를 적용하려면 기판을 청소하여 모든 먼지를 제거해야 합니다. 이후에는 기판도 최종 굳히기 및 경화 공정을 거칩니다. 액상 에폭시 솔더 마스크는 자외선 노출이 없으므로 열경화됩니다. LPSM 및 DFSM 박막은 포토리소그래피 공정 중 자외선 노출을 통해 경화됩니다. 노출 후 열 처리를 통해 이러한 박막을 굳히고 경화합니다.

어떤 PCB 솔더 레지스트 유형을 사용하든 형성되는 솔더 마스크는 기판에 노출된 구리 영역을 남깁니다. 이렇게 노출된 영역은 산화 방지를 위해 표면 마감으로 도금해야 합니다. 가장 널리 사용되는 표면 마감은 HASL(Hot Air Solder Leveling)이며, ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) 및 ENEPIG(Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) 또한 자주 사용됩니다. 해당되는 경우 페이스트 마스크를 위해 마스크 레이어에 추가 구멍이 남습니다. 페이스트 마스크는 패드 또는 기타 컴포넌트를 인쇄 회로 기판에 부착하기 위해 사용되며, 각 제조 공정에 따라 다르게 적용됩니다.

솔더 마스크를 통해 노출된 구리에 ENIG 도금

표준 솔더 스톱 마스크 두께는 얼마인가요?

솔더 스톱 마스크의 두께는 주로 회로 기판의 구리 트레이스 두께에 따라 달라집니다. 빈 기판 영역의 LPSM 및 DPSM 솔더 마스크 두께는 보통 위치에 따라 다릅니다. 일반적인 솔더 레지스트 두께(기판에 수직)는 0.8mil 이상입니다. 트레이스 에지 주변의 솔더 마스크는 더 얇아서 두께가 0.3mil 이하일 수 있습니다. 일반적으로 트레이스 위의 솔더 마스크 두께는 약 0.5mil이 좋습니다. 분사된 에폭시 솔더 마스크는 PCB 전반에 걸쳐 두께가 보다 균일할 수 있습니다.

솔더 스톱 마스크는 구리 트레이스의 부식을 방지하고, 회로 기판 위의 인접한 패드 간 댐을 세우기 위해 사용됩니다. 컴포넌트 패드의 경우 이 작업은 솔더 마스크와 노출된 패드 사이에 '솔더 마스크 릴리프'라고 하는 작은 간격을 정의하여 수행됩니다. 이렇게 하면 한 패드의 용융 납땜이 인접한 패드로 흘러들어가는 것을 방지하는 댐이 형성됩니다. 이는 특히 미세 피치 BGA 및 핀 밀도가 높은 여타 컴포넌트에서 중요합니다. 패드 에지 주변의 이 작은 릴리프 덕분에 납땜 방울이 패드를 충분히 적시고 제자리에 고정되어 납땜 중 브리징을 방지할 수 있습니다. 회로 기판에서 솔더 레지스트 릴리프를 사용하여 SMT 공정 결함을 방지하는 방법에 대한 자세한 내용을 이 문서 알아보세요.

멀리에서는 보이지 않지만, 중앙 IC를 위한 패드 주변에 작은 솔더 마스크 릴리프가 배치되어 있습니다.

솔더 마스크는 어느 색상이어야 하나요?

솔더 마스크의 색상은 솔더 마스크 재료에 사용되는 염료에 따라 결정되며, 염료의 화학적 특성은 경화된 솔더 마스크 두께에 영향을 미칩니다. 녹색 솔더 스톱 마스크가 광범위하게 사용되는 한 가지 이유는 얇은 솔더 마스크 댐(~0.1mm)을 만드는 데 사용할 수 있기 때문입니다. 다른 색상의 솔더 마스크에 사용되는 염료는 더 두꺼운 솔더 마스크 댐을 형성하는 경향이 있습니다. 어떤 염료를 사용하든 특정 산업 또는 응용 분야에서 사용하는 PCB의 솔더 레지스트 두께는 IPC-SM-840D에 정의되어 있습니다.

솔더 마스크 색상은 자동 육안 검사 또는 수동 육안 검사에서 중요한 부분입니다. 검은색 솔더 마스크는 기판과 트레이스 간의 대비가 가장 낮기 때문에 자동 검사가 어려울 수 있습니다. 이는 녹색 마스크가 선호되는 또 다른 이유이기도 합니다. 사용하는 실크 스크린 색상은 시각적 대비에도 영향을 미치며, 수동 검사 시 시각적 피로에도 영향을 줍니다.

이 검은색 솔더 마스크 아래의 트레이스는 잘 보이지 않을 수 있습니다.

여타 제조 매개변수 또는 공정과 마찬가지로 최종 응용 분야의 민감도를 고려하여 설계를 계획해야 합니다. 항상 제조업체와 제조 옵션을 논의해야 합니다. 제조업체가 자사 역량에 따라 더 나은 옵션을 제안할 수도 있습니다.

어떤 솔더 마스크를 사용해야 하나요?

기판, 홀, 컴포넌트, 도체의 물리적 크기 및 표면 레이아웃과 제품의 최종 응용 분야에 따라 적절한 솔더 마스크가 결정됩니다.

먼저 항공우주, 통신, 의료 등 '고신뢰성' 산업에서 사용할 PCB 솔더 레지스트의 경우 솔더 마스크에 관한 해당 업계와 응용 분야 전반의 기준을 확인해야 합니다. 인터넷에 떠도는 이야기보다 우선적으로 적용되는 구체적인 요구 사항이 있을 테니까요.

오늘날 대부분의 인쇄 기판 설계에서는 감광성 솔더 레지스트를 사용합니다. 표면 형상에 따라 액체 적용 또는 건조 적용을 사용할지 여부가 결정됩니다. 건조 적용에서는 표면 전체에 균일한 두께의 솔더 마스크를 적용합니다. 그러나 건조 마스크는 기판 표면이 매우 평평할 때 가장 잘 접착됩니다. 표면 특성이 복잡하다면 트레이스의 구리와 적층판과 더 잘 접촉되도록 액체(LPSM) 적용을 사용하는 것이 좋습니다. 액체 적용의 단점은 기판 전체에 걸쳐 두께가 완벽하게 균일하지 않다는 것입니다.

마스크 표면에 적용할 수 있는 마감에도 여러 가지가 있습니다. 제조업체가 제공하는 옵션과 각 옵션이 생산에 어떤 영향을 주는지를 제조업체에 문의하세요. 예를 들어 솔더 리플로우 공정을 사용하는 경우 무광 마감은 솔더 볼을 줄입니다.

솔더 리플로우 공정을 사용하여 제조된 PCB에는 솔더 마스크가 필요합니다. 마스크의 마감은 리플로우 품질에 영향을 줄 수 있습니다.

PCB 레이아웃에 솔더 마스크를 포함하려면 어떻게 해야 하나요?

인쇄 회로 기판을 설계할 때 PCB 레이아웃 및 Gerber 파일에서 솔더 스톱 마스크는 자체적인 레이어(상단 및 하단)로 설계해야 합니다. 이는 레이어 스택 관리자에서 정의하는 것이 아니라 보통 CAD 도구에서 기본적으로 추가 레이어로 정의합니다. 일반적으로 솔더 마스크가 완벽하게 중심에 있지 않을 때를 대비하여 기능 주변에 2mil의 경계를 두어야 합니다. 또한 마스크가 솔더 브리지 형성을 방지할 수 있도록 패드 간 최소 거리(보통 8mil)를 확보해야 합니다.

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