SMT(표면 실장 기술)의 PCB 설계 과제: 일반적인 문제, 입증된 해결책 및 중요한 요구 사항

서피스 마운트 기술 (SMT) 은 현대 전자제품 제조의 척추가 되었으며, 스마트폰에서 산업용 로봇에 이르기까지 모든 것을 작동시키는 컴팩트하고 고성능 장치를 가능하게 합니다.하지만, 뚫린 구멍에서 표면 장착 부품으로의 전환은 독특한 설계 과제를 제시합니다. 작은 오류조차도 조립 장애, 신호 저하 또는 비용이 많이 드는 재작업으로 이어질 수 있습니다.

이 가이드는 SMT 생산에서 가장 흔한 PCB 설계 문제를 탐구하고 산업 표준에 의해 지원되는 실행 가능한 솔루션을 제공하고 원활한 제조에 대한 필수 요구 사항을 설명합니다.소비자 전자제품에 대한 디자인이든, 자동차 시스템, 또는 의료기기, 이러한 원칙을 마스터하는 것은 PCB가 생산 두통을 최소화하면서 성능 목표를 달성 할 수 있도록 보장합니다.

주요 SMT 설계 문제 및 그 영향
SMT의 정밀성은 세심한 디자인을 요구합니다. 아래는 가장 일반적인 문제와 실제 세계의 결과입니다.
1부적절한 부품 클리어런스
문제: 너무 가까이 놓은 부품은 여러 가지 위험을 야기합니다.
인접한 패드 사이의 용접 브리딩으로 인해 단회로 발생합니다.
자동 조립 중 간섭 (픽 앤 플라스 기계가 근처 부품과 충돌 할 수 있습니다.)
조립 후 검사 및 재작업에 어려움이 있습니다. (AOI 시스템은 좁은 간격을 이미지화하는데 어려움을 겪습니다.)
데이터 포인트: IPC 의 한 연구 에 따르면, SMT 조립 결함 의 28% 는 부적절 한 부품 간격 때문 에 발생 하며, 제조업체 들 에게는 고장 난 단위 당 평균 0.75 달러 의 재작업 비용 이 든다.

2. 잘못된 패드 크기
문제: 너무 작거나 너무 커거나 부품 전선에 맞지 않는 패드는 다음과 같은 결과를 초래합니다.
토브 스톤링: 작은 구성 요소 (예: 0402 저항) 는 불규칙한 용매 수축으로 인해 하나의 패드를 꺼냅니다.
불충분한 용접 결합: 열 또는 기계적 스트레스로 인해 고장이 발생할 수있는 약한 연결.
과도한 용접: 전기 쇼트 쇼트를 일으키는 용접 공 또는 다리.
근본 원인은: 각 부품 유형에 최적의 패드 크기를 정의하는 IPC-7351 표준 대신 구식 또는 일반 패드 라이브러리에 의존하는 것입니다.

3낡은 스텐실 디자인
문제: 오차 크기와 모양이 잘못 된 스텐실 (연금 페이스트를 적용하는 데 사용) 은 다음과 같은 결과를 초래합니다.
불일치한 용량 (너무 적은 용량이 건조 관절을 유발하고 너무 많은 용량이 브리지링을 유발합니다.)
특히 0.4mm의 BGA와 같은 미세한 피치 부품에 있어
영향: 2024년 전자제품 제조업체에 대한 조사에 따르면, 용접유료 결함이 모든 SMT 조립 실패의 35%를 차지합니다.

4부실 또는 부적절한 피두시얼
문제: 신뢰성 있는 작은 정렬 표시기가 자동화 시스템에 매우 중요합니다. 그 부재 또는 잘못된 배치로 인해:
구성 요소의 오차, 특히 얇은 피치 장치 (예를 들어, 0.5mm 피치의 QFP)
잘못된 구성 요소가 종종 재작업 할 수 없기 때문에 폐기물 비율이 증가합니다.
예를 들어, 통신 장비 제조업체는 패널 수준의 신뢰를 생략한 후 12%의 폐기율을보고했으며, 6개월 동안 낭비 된 재료로 42,000 달러가 소요되었습니다.

5부적절한 열 관리
문제: SMT 구성 요소 (특히 전력 IC, LED 및 전압 조절기) 는 상당한 열을 발생시킵니다. 열 설계가 좋지 않으면 다음과 같습니다.
부품의 조기 고장 (명용 작동 온도를 초과)
반복적인 열순환으로 연결이 약해지기 때문에 용접 관절 피로
결정적 상태: 작동 온도 10°C 상승은 아레니우스 법칙에 따라 부품 수명을 50% 줄일 수 있습니다.

6신호 무결성 장애
문제: 고속 신호 (≥100MHz) 는 다음과 같은 문제로 고통 받고 있습니다.
가까운 거리에 있는 흔적들 사이를 가로질러
불일치한 트랙 너비 또는 레이어 전환으로 인한 저항 불일치
신호 손실로 인한 과도한 길이나 잘못된 토착
영향: 5G 및 IoT 장치에서 이러한 문제는 데이터 속도를 30% 이상 저하시킬 수 있으며 제품들이 산업 표준에 부합하지 않게 만듭니다.

SMT 디자인 과제 해결 방법
이러한 문제를 해결하기 위해서는 표준을 준수하고 설계 규율을 준수하고 제조 파트너와의 협력을 결합해야합니다.
1. 컴포넌트 간격 최적화
a.IPC-2221 지침을 따르십시오.
수동 부품들 사이의 최소 거리 (0402~1206): 0.2mm (8mil).
IC와 패시브 사이의 최소 거리: 0.3mm (12mil).
미세한 진도 BGA (≤0.8mm 진도): 용접대교를 방지하기 위해 간격을 0.4mm (16mil) 로 늘리십시오.
b. 기계 용도 계산: 픽 앤 포지션 기계가 일반적으로 ±0.05mm 위치 정확도를 가지고 있기 때문에 간격 계산에 0.1mm 버퍼를 추가합니다.
c. 디자인 규칙 검사 사용: PCB 디자인 소프트웨어 (Altium, KiCad) 를 구성하여 실제 시간 내에 간격 위반을 표시하여 제조 전에 문제를 방지하십시오.

2. IPC-7351과 함께 패드를 표준화
IPC-7351은 3개의 패드 디자인을 정의하는데, 가장 널리 사용되는 것은 클래스 2 (산업 등급) 이다. 주요 예:

a. 사용자 지정 패드를 피하십시오: 일반 패드는 IPC- 컴플라이언스 디자인에 비해 결함 비율을 2~3배 증가시킵니다.
b. 톱니 얇은 피치 패드: ≤0.5mm의 피치와 함께 QFP의 경우, 톱니 패드는 재흐름 중에 브릿지 위험을 줄이기 위해 너비의 70%까지 끝납니다.

3. 스텐실 오퍼처를 최적화
용매 부피 는 관절 품질 에 직접적 인 영향 을 미칩니다. 다음 지침 을 사용 하십시오.

레이저 절단 스텐실 사용: 그들은 화학적으로 새겨진 스텐실보다 더 긴 관용 (± 0.01mm) 을 제공합니다.

4효율적인 신뢰를 구현
a. 배치:
각 PCB에 3개의 피투셜을 추가합니다 (각 코너에 하나씩, 비선형)
다중PCB 패널에 대한 2~3 패널 수준의 피투셜을 포함합니다.
b.디자인:
지름: 1.0~1.5mm (고체 구리, 용접 마스크 또는 실크 스크린이 없습니다.)
반사 간섭을 피하기 위해 다른 모든 특징에서 0.5mm.
c.물질: AOI 카메라는 반사 표면으로 어려움을 겪기 때문에 ENIG (밝은) 대신 HASL 또는 OSP 마무리 (매트) 를 사용하십시오.

5열 관리 개선
a.열력 비아: 전력 구성 요소 아래에 4 ∼6 비아 (0.3mm 지름) 를 배치하여 내부 지상 평면으로 열을 전송합니다. 고전력 장치 (> 5W) 를 위해 1mm 간격으로 0.4mm 비아를 사용하십시오.
b. 구리 무게:
1oz (35μm) 저전력 설계 (<1W).
2oz (70μm) 중량 전력 설계 (1 ∼ 5W).
4oz (140μm) 고전력 설계 (> 5W)
c. 열 패드: 노출된 열 패드 (예를 들어, QFN) 를 여러 개의 비아를 사용하여 큰 구리 부위에 연결하여 열 저항을 40%~60% 감소시킵니다.

6신호의 무결성을 향상
a. 제어된 임피던스: PCB 계산기를 사용하여:
트레스 너비 (0.2~0.3mm는 1.6mm FR-4에서 50Ω에 0.2~0.3mm)
다이렉트릭 두께 (신호와 지상 평면 사이의 거리)
b. 트레이스 간격: 트레이스 너비 ≥3x의 신호를 ≥100MHz에서 간격을 유지하여 크로스 스톡을 최소화합니다.
c.지상 평면: 신호 계층에 인접한 단단한 지상 평면을 사용하여 낮은 막대기 반전 경로를 제공하고 EMI로부터 보호하십시오.

PCB 설계에 대한 필수 SMT 요구 사항
이러한 요구 사항을 충족하면 SMT 제조 프로세스와 호환성을 보장합니다.
1PCB 기판 및 두께
a.소재: 대부분의 응용분야에서 Tg ≥150°C의 FR-4; 자동차/산업용에 사용되는 높은 Tg FR-4 (Tg ≥170°C) (260°C의 재흐름 온도에 견딜 수 있다).
b. 두께: 표준 설계에 0.8~1.6mm. 더 얇은 보드 (<0.6mm) 는 재흐름 중에 왜곡 될 위험이 있습니다.
c. 워크페이지 허용: ≤0.75% (IPC-A-600 클래스 2) 로 스텐실 접촉과 부품 배치가 적절하도록 한다.

2용접 마스크와 실크 스크린
a. 솔더 마스크: 접착 문제를 방지하기 위해 패드에서 0.05mm의 클리어먼트를 가진 액체 사진이 가능한 (LPI) 마스크를 사용하십시오.
b. 실크 스크린: 레저 오염을 피하기 위해 텍스트와 기호를 패드에서 0.1mm 떨어져 보관하십시오. AOI 가시성을 위해 흰 잉크를 사용하십시오.

3표면 마무리 선택

4. 패널화 최선 사례
a. 패널 크기: SMT 기계의 효율성을 극대화하기 위해 표준 크기를 사용하십시오.
b.Breakaway 탭: 안정성을 위해 PCB를 2 ′′3 탭 (2 ′′3mm 너비) 로 연결하십시오. 쉽게 갱신하기 위해 V 스코어 (30 ′′50% 깊이) 를 사용합니다.
c. 도구 구멍: 기계 정렬을 위해 패널 코너에 4~6 개의 구멍 (3,175mm 지름) 을 추가합니다.

SMT 성공에서 DFM의 역할
제조 가능성 (DFM) 검토는 PCB 제조업체와 함께 수행하는 것이 좋습니다. 생산 전에 문제를 식별합니다. 주요 DFM 검사에는 다음이 포함됩니다.
a. IPC-7351에 대한 부품 발자국 검증.
b. 얇은 피치 부품에 대한 솔더 페이스트 부피 시뮬레이션.
c. PCB 물질과 열 프로필 호환성.
d. 시험점 접근성 (0.8~1.2mm 지름, 부품으로부터 ≥0.5mm)

FAQ
Q: SMT 설계에 특별한 고려가 필요한 가장 작은 부품 크기는 무엇입니까?
A: 0201 부품 (0.6mm x 0.3mm) 은 무덤을 피하기 위해 엄격한 간격 (≥ 0.15mm) 과 정확한 패드 크기를 요구합니다.

Q: SMT 디자인을 단순화하기 위해 납 용접을 사용할 수 있습니까?
A: 납 없는 용매 (예를 들어, SAC305) 는 대부분의 시장에서 RoHS에 의해 요구되지만 납 용매 (Sn63/Pb37) 는 낮은 재흐름 온도 (183°C 대 217°C) 를 가지고 있습니다.하지만 다리 같은 디자인 문제도 없앨 수 없습니다..

Q: SMT 조립에서 용접 공을 어떻게 방지합니까?
A: 적절한 스텐실 오프러리 (패드 너비의 80~90%) 를 사용하여 PCB 표면을 깨끗하게 보장하고 페이스트 스프래싱을 피하기 위해 재흐름 온도를 제어하십시오.

Q: SMT 조립을위한 최대 부품 높이는 무엇입니까?
A: 대부분의 픽 앤 플래시 기계는 6mm 높이의 구성 요소를 처리합니다. 더 높은 부품은 특수 도구 또는 수동 배치가 필요합니다.

Q: SMT PCB를 위해 얼마나 많은 테스트 포인트가 필요합니까?
A: 10개의 구성 요소에 1개의 테스트 포인트를 목표로 하고, 최소 10%의 중요한 네트워크 (전력, 지상, 고속 신호) 를 커버합니다.

결론
SMT PCB 디자인은 전기 성능과 제조성 균형을 필요로 합니다.그리고 열 관리와 산업 표준을 준수하면 결함을 최소화 할 수 있습니다., 비용을 줄이고 시장에 출시 시간을 가속화합니다.
기억하세요: 제조 파트너와의 협업은 매우 중요합니다. SMT 프로세스에 대한 전문 지식은 좋은 디자인을 훌륭한 것으로 바꾸는 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
핵심 요점: SMT의 적절한 설계에 시간을 투자하면 재작업을 줄이고 신뢰성을 향상시키고, 현장에서 PCB가 의도한대로 작동하도록 보장합니다.