서멀 릴리프 설계 가이드

DFA 가이드에서 자주 언급되는 PCB 조립 결함 중 가장 흔한 것 중 하나는 톰브스톤 현상(tombstoning)이며, 그다음으로 흔한 것은 아마 콜드 조인트(cold joint)일 것입니다. 특히 콜드 조인트는 스루홀 핀에서 자주 지적됩니다. 이 두 가지는 서로 관련이 없어 보일 수 있지만, 실제로는 둘 다 부품의 핀이나 패드에서 열이 빠져나가는 현상과 관련이 있습니다. PCB 레이아웃에서는 영향을 받는 부품에 써멀 릴리프 패드를 추가해 납땜 중 열이 분산되지 않도록 함으로써 이를 해결합니다.

그렇다면 다음 질문은 언제 써멀 패드를 적용해야 하는지, 그리고 어떤 부품에 이것이 필요한지입니다. 일부 DFA 가이드라인에서는 써멀 패드를 모든 곳에 필요한 것으로 설명하며, 경우에 따라 PCB나 프로젝트의 기본 설계 규칙이 설계 전체에 이를 강제하기도 합니다. 이 가이드에서는 써멀 패드에 적절한 설정을 선택하는 방법과 이를 어디에 적용해야 하는지를 자세히 살펴보겠습니다.

써멀 릴리프를 적용해야 하는 위치

PCB 레이아웃에서의 간단한 써멀 릴리프 예시는 아래와 같습니다. 이러한 써멀 릴리프는 SMD 부품이나 스루홀 핀의 패드에 구리를 연결하는 작은 스포크(spoke)로 구성됩니다. 이런 써멀 릴리프는 CAD 도구에서 자동으로 적용되므로, 작은 트레이스나 필 영역으로 이루어진 스포크 연결을 직접 그릴 필요는 없습니다.

스루홀 핀에 적용된 써멀 릴리프.

여기서 써멀 릴리프 적용이 권장되는 두 가지 경우를 볼 수 있습니다:

• 솔더 마스크 정의 SMD 패드, 즉 구리 포어(copper pour) 위의 패드
• 패드가 플레인에 연결되는 스루홀 핀

다음과 같은 경우에는 써멀 릴리프가 필요하지 않습니다

• 작은 구리 포어에 연결된 솔더 마스크 정의 SMD 패드
• 작은 구리 포어에 연결된 스루홀 핀 패드
• SMD 패드에 연결된 포어라 하더라도, 구리 포어나 플레인에 연결된 비아

마지막 항목은 매우 중요합니다. 기술적으로는 비아에 써멀 릴리프를 적용하는 것이 가능하지만, SMD 패드에도 연결된 포어에 연결되는 비아에 써멀 릴리프를 넣는 것은 사실상 의미가 없습니다. 써멀 릴리프가 필요하다면 비아가 아니라 SMD 패드에 적용하면 됩니다. 목표는 넓은 구리 영역 전체로 열이 퍼지도록 하는 것이 아니라, SMD 패드에 열이 머물도록 하는 데 있습니다.

왼쪽: 핀 헤더의 스루홀 핀에 적용된 써멀 릴리프. 오른쪽: 같은 레이어의 구리 포어에 연결된 SMD 패드에 적용된 써멀 릴리프.

이 외에도 특히 SMD 부품에서는 써멀 릴리프가 필요하지 않은 몇 가지 경우가 더 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다:

• 구리 포어 연결이 트레이스와 매우 유사하게 보일 때
• 다이 부착 패드(die-attached pads)가 있는 집적회로
• 납땜 중 보드 전체에서 가열이 균일하게 이루어짐이 보장될 수 있을 때

마지막 항목은 납땜 공정과 관련이 있습니다. 리플로우 공정에서는 모든 위치에 써멀 릴리프 패드가 필요할 가능성이 훨씬 낮습니다. 그러나 모든 SMD 부품, 특히 수동형 SMD 부품을 손납땜할 예정이라면, 해당 수동소자의 SMD 패드에 써멀 릴리프를 추가하는 것이 타당할 수 있습니다. 열풍 납땜이나 핫플레이트 납땜은 작업자의 숙련도와 사용 장비의 영향을 크게 받기 때문에 다소 예측하기 어려운 경우입니다.

구리 포어는 언제 “큰” 것으로 볼 수 있는가?

이것은 중요한 질문입니다. 왜냐하면 스루홀 핀이나 SMD 패드에 언제 써멀 릴리프를 배치해야 하는지를 결정하기 때문입니다. 스루홀 부품의 경우 일반적으로 플레인과의 연결부에 써멀 릴리프를 배치합니다. 그러나 플레인 레이어 대신 특정 레이어에서 구리 포어를 사용하는 경우에도 상황은 본질적으로 동일합니다. 즉, 핀에서 열을 빼앗아갈 수 있는 넓은 구리 영역이 존재하며, 따라서 써멀 릴리프가 필요할 수 있습니다. 동일한 현상은 표면 레이어 중 하나의 넓은 구리 필과 같이, 구리 영역 위에 놓인 SMD 부품에서도 발생합니다.

하지만 이런 부품 중 하나를 어떤 레이어의 폴리곤에 연결한다고 해서, 모든 폴리곤마다 반드시 써멀 릴리프가 필요할까요? 제 생각에는 답은 “아니오”입니다.

• 구리 포어가 매우 작으면 트레이스와 유사하게 보이므로 써멀 릴리프가 필요하지 않습니다.
• 내부 레이어의 구리 포어가 매우 크면 플레인과 매우 비슷해지므로, 스루홀에는 써멀 릴리프가 필요합니다.
• 표면 레이어의 구리 포어가 표면 대부분을 채울 만큼 크다면 이것 역시 플레인과 유사하므로, 써멀 릴리프가 필요합니다.

매우 작은 구리 포어와 매우 큰 구리 포어 사이 어딘가에는, 부품 핀이나 패드에 써멀 릴리프가 필요해지기 시작하는 지점이 존재합니다. 많은 수의 보드에 대해 테스트 쿠폰을 납땜 공정에 통과시켜 보지 않고서는 그 지점을 정확히 예측하기가 상당히 어렵습니다. 또한 리플로우 납땜과 손납땜 사이에도 차이가 있을 것으로 예상됩니다. 이를 시뮬레이션할 수도 있겠지만, 더 나은 접근법은 써멀 릴리프가 필요해지는 시점을 조립된 보드의 품질 검사 결과를 통해 판단해야 한다는 점을 받아들이는 것입니다.

써멀 릴리프는 어떻게 설계해야 하는가?

설계자가 써멀 릴리프를 만들기 위해 엄청난 노력을 들일 필요는 없습니다. 일반적으로 핀이나 패드의 네 방향에서 연결되는 단순한 스포크 구조면 충분합니다. 트레이스 스포크의 크기와 클리어런스 또는 개방 크기는 가장자리 피처가 너무 작아지지 않도록 선택해야 합니다. 패드 스포크를 너무 가늘게 만들어 에칭 한계 아래로 떨어지지 않도록 해야 합니다. 또한 패드 주변의 개방부는 가장자리 클리어런스 한계 이상이 되도록 충분히 크게 만들어야 합니다.

일반적으로 8 mil 트레이스와 10 mil 클리어런스면 대부분의 부품에 충분합니다. 고밀도로 배치되는 훨씬 더 작은 패키지의 수동소자의 경우에는, 트레이스가 패드 주변에 들어갈 수 있도록 트레이스 폭과 클리어런스를 더 작게 설정할 수 있습니다.

Altium에서 사용자 정의 패드에 적용된 써멀 릴리프.

Altium에서의 써멀 릴리프 설계

Altium은 SMD 부품과 스루홀 부품에 써멀 릴리프 패드를 구현하는 여러 방법을 제공합니다. 이는 전역적으로 또는 선택적으로 다음과 같이 적용할 수 있습니다:

• 플레인 또는 폴리곤 연결 설계 규칙을 사용하여 써멀 릴리프 스타일 적용
• 설계 규칙을 사용하되 범위를 특정 풋프린트 또는 부품 클래스에 설정하여 써멀 릴리프 패드 적용
• 패드/핀 속성에서 특정 SMD 패드 또는 스루홀 핀에 개별적으로 써멀 릴리프 패드 적용

Altium의 설계 규칙 시스템과 쿼리 시스템을 사용하면, 서로 다른 유형의 부품이나 부품 그룹에 대해 이러한 접근 방식을 자유롭게 조합할 수 있습니다. 설계 규칙을 사용하더라도 특정 스루홀 핀이나 SMD 패드에 수동으로 써멀 릴리프를 적용할 수 있는 옵션은 항상 유지됩니다.

PCB 레이아웃에서 써멀 릴리프 패드를 적용하는 방법에 대해 더 알아보려면 Altium 문서의 다음 링크를 확인해 보세요:

• Polygon Connect Style
• 사용자 정의 써멀 릴리프 정의

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