QFN·BGA 서멀 패드 보이드(Void) — X-ray에 빈 공간이 생기는 원인과 스텐실·비아 설계로 줄이는 방법
QFN·BGA 서멀 패드 보이드(Void) — X-ray에 빈 공간이 생기는 원인과 스텐실·비아 설계로 줄이는 방법
안녕하세요, PCB 설계와 SMT 실무 데이터를 공유하는 도일랩스(Doil Labs)입니다.
지난 글에서는 냉납이 생기는 원인과 리플로우 프로파일 기준을 다뤘습니다. 오늘은 예고한 대로 보이드(Void) 이야기입니다.
QFN·BGA처럼 부품 밑에 납땜부가 숨어 있는 부품은 눈으로 검사할 수 없어서 X-ray를 찍습니다. 그 사진에서 납 속에 동그랗게 비어 보이는 자리가 보이드입니다. 특히 QFN 가운데의 넓은 서멀 패드(노출 패드, EPAD)는 보이드가 가장 잘 생기는 자리이고, 조립 업체와 "이 정도는 괜찮은가"를 두고 가장 자주 다투는 항목이기도 합니다.
보이드도 냉납처럼 설계 단계에서 절반은 줄일 수 있는 불량입니다. 오늘은 보이드가 왜 생기는지, 얼마까지가 허용 범위인지, 그리고 스텐실과 비아 설계에서 무엇을 챙겨야 하는지 정리해 보겠습니다.
목차
1. 보이드란 — 납 속의 빈 공간이 왜 문제인가
크림솔더(솔더 페이스트)는 납 가루와 플럭스가 섞인 반죽입니다. 오븐에서 납이 녹을 때 플럭스는 끓어서 가스가 되고, 이 가스는 납 밖으로 빠져나가야 합니다. 빠져나가지 못하고 납이 굳을 때까지 갇힌 가스 방울이 보이드입니다.
보이드가 문제가 되는 이유는 세 가지입니다.
- · 열이 못 빠져나갑니다. QFN 서멀 패드는 칩의 열을 기판으로 보내는 통로입니다. 그 통로의 30%가 비어 있으면 열 저항이 그만큼 올라가고, 비어 있는 자리 바로 위 칩은 국부적으로 더 뜨거워집니다.
- · 접합 면적이 줄어듭니다. BGA 볼 하나에 큰 보이드가 있으면 힘을 받는 단면이 줄어 열 사이클·낙하 충격에서 먼저 갈라집니다.
- · 전류 길이 좁아집니다. 전원 부품의 서멀 패드가 GND 경로이기도 하면 보이드가 전류 밀도를 높입니다.
그래서 보이드는 "작으면 괜찮고 크면 안 된다"가 아니라, 어디에, 얼마나, 몇 개가 있는지를 숫자로 관리하는 항목입니다.
2. 보이드가 생기는 원인 3가지
원인 1 — 가스가 나갈 길이 없다 (패드가 넓고 부품이 낮다)
QFN은 리드가 없어서 부품 바닥이 기판에 거의 붙습니다(스탠드오프가 낮음). 그 아래 서멀 패드는 한 변이 수 mm인 넓은 면이라, 가운데서 생긴 플럭스 가스는 가장자리까지 먼 거리를 납 사이로 뚫고 나가야 합니다. 이 두 가지가 겹치는 자리가 바로 보이드의 본거지입니다. 스텐실 설계가 보이드를 줄이는 이유도 여기에 있습니다. 납을 덜 찍고 틈을 내면 가스 길이 생깁니다.
원인 2 — 열 비아가 납을 빨아먹고 가스를 뿜는다 (설계 문제)
서멀 패드에는 열을 아랫면으로 보내는 비아를 여러 개 뚫습니다. 이 비아가 열려 있으면 녹은 납이 구멍으로 흘러 내려가 패드 위 납이 모자라게 되고, 비아 속 공기와 플럭스 가스가 거꾸로 패드로 올라와 보이드를 만듭니다. 설계자가 막을 수 있는 보이드의 대부분이 여기에 해당합니다.
원인 3 — 프로파일과 페이스트 (공정 문제)
소크(예열 유지) 구간이 너무 길면 플럭스가 미리 소진돼 납이 녹을 때 산화막을 못 벗기고, 피크가 낮으면 가스가 충분히 팽창해 빠져나오기 전에 납이 굳습니다. 보이드 저감 연구에서는 짧은 프로파일이나 피크가 높은 프로파일이 보이드를 줄이는 쪽으로 나타났고, 같은 조건에서도 페이스트 종류에 따라 보이드 비율이 크게 달라집니다.
3. 숫자 기준 — 얼마까지 허용되나
보이드는 X-ray 사진에서 빈 공간의 면적이 납땜부 면적의 몇 %인지로 셉니다. 자주 쓰이는 기준을 모으면 다음과 같습니다.
| 대상 | 기준 문서 | 숫자 | 비고 |
|---|---|---|---|
| BGA 볼 1개 | IPC-A-610 / J-STD-001 (X-ray 면적) | 볼 면적의 30% 초과면 결함 | 개정판·클래스에 따라 25%로 쓰는 곳도 있음 |
| BGA 볼 1개 | IPC-7095 (BGA 설계·조립 가이드) | 클래스 1·2는 25%, 클래스 3은 20% 이하 권장 | 권장치, 계약 기준으로 자주 인용 |
| QFN 서멀 패드 | IPC-7093 (BTC 설계·조립 가이드) | 패드 면적의 50% 이하가 흔히 인용되는 선 | 검사 기준서(IPC-A-610)는 서멀 패드 보이드를 고객·제조사 합의 사항으로 두는 경우가 많음 |
| QFN 서멀 패드(전력 부품) | 부품 제조사 앱노트·고객 사양 | 보통 25~50%, 열이 중요한 부품은 더 엄격 | 주문서에 숫자로 적어야 검사됨 |
핵심은 두 가지입니다. 첫째, BGA 볼은 규격에 숫자가 있지만 QFN 서멀 패드는 "합의 사항"인 경우가 많습니다. 그래서 주문서에 "서멀 패드 보이드 30% 이하, X-ray 전수(또는 샘플) 검사"처럼 적지 않으면 조립 업체는 자기 기준으로 판정합니다. 둘째, 총 면적만이 아니라 한 덩어리의 크기도 봐야 합니다. 작은 보이드가 흩어진 것과 큰 보이드 한 개가 같은 면적이라도 열·강도에서는 큰 한 개가 훨씬 나쁩니다.
⚠️ 주의사항
위 숫자는 공개된 규격 이름과 업계 자료에서 널리 인용되는 값을 정리한 것입니다. 규격은 개정판마다 숫자가 바뀌고, 클래스(1·2·3)에 따라 다릅니다. 실제 판정 기준은 주문서에 적은 규격 개정판과 클래스를 따릅니다.
4. 스텐실 설계 — 윈도우 페인으로 가스 길을 낸다
스텐실은 크림솔더를 패드 위에 찍는 금속판입니다. 서멀 패드 크기 그대로 구멍 하나를 뚫으면 납이 너무 많이 찍혀서 부품이 떠오르고(옆 리드가 냉납이 됨), 가스가 빠질 틈이 없어 보이드가 커집니다. 그래서 서멀 패드는 일부러 덜 찍습니다.
| 스텐실 개구 방식 | 패드 대비 납 면적 | 보이드 경향 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 패드 크기 그대로 구멍 1개 | 100% | 높음 | 부품 뜸·납 넘침까지 겹침. 피해야 할 방식 |
| 구멍 1개를 줄여서(인셋) | 70~80% | 보통 | 작은 서멀 패드(한 변 3mm 이하)에 사용 |
| 윈도우 페인(격자 2×2·3×3·4×4) | 50~70% | 낮음 | 가장 널리 쓰는 방식. 격자 사이 틈이 가스 길이 됨 |
| 윈도우 페인 + 비아 자리 비우기 | 50~65% | 낮음 | 비아를 막지 못했을 때 납이 비아로 빠지는 양을 줄임 |
부품 제조사 앱노트가 공통으로 권하는 범위는 서멀 패드 면적의 50~80%이고, 윈도우 페인으로 나눌 때는 50~70%가 보통입니다. 구멍 모서리는 둥글게 해서 페이스트가 끼지 않게 하고, 구멍 단면은 아래가 위보다 약간 넓게(테이퍼) 뚫어 페이스트가 깨끗이 빠지게 합니다.
여기서 설계자가 알아야 할 점은, 스텐실 개구는 설계자가 그리는 것이 아니라 조립 업체가 만든다는 것입니다. 거버의 페이스트 레이어(Paste Mask)에 서멀 패드를 전체 크기 그대로 그려 보내면, 업체가 알아서 줄여 주기도 하지만 그대로 뚫는 곳도 있습니다. 페이스트 레이어를 윈도우 페인으로 직접 그려 보내거나, 주문서에 "서멀 패드 50~60% 윈도우 페인"이라고 적어 두는 것이 안전합니다.
5. 비아 인 패드 — 막을지, 열어 둘지
서멀 패드 안의 열 비아는 열을 위해 꼭 필요하지만, 2장에서 본 대로 보이드의 주범이기도 합니다. 보이드 저감 연구에서 가장 효과가 큰 조치로 꼽힌 것이 비아를 막는 것입니다. 막는 방법마다 비용과 효과가 다릅니다.
| 비아 처리 | 납 빠짐·가스 | 열 전달 | 기판 비용 |
|---|---|---|---|
| 열어 둠(오픈) | 가장 나쁨 | 좋음 | 추가 없음 |
| 아랫면만 솔더마스크로 덮기(텐팅) | 납 빠짐은 줄고 가스는 남음 | 좋음 | 추가 거의 없음 |
| 수지로 채우기(플러그) | 크게 줄어듦 | 약간 줄어듦(수지는 금속보다 열을 덜 전함) | 추가 공정 |
| 채우고 위를 도금으로 덮기(필 앤 캡) | 가장 좋음 | 좋음(패드가 평평해 납도 고르게 찍힘) | 추가 공정, 가장 비쌈 |
비아 자체는 부품 제조사 앱노트가 권하는 범위를 따르면 됩니다. 흔히 드릴 지름 0.3mm 안팎을 1.0~1.2mm 간격으로 배열하는 권장이 많습니다. 열어 둔 상태에서 비아만 늘리면 납이 빠지는 구멍만 늘어납니다.
비아를 막지 않기로 했다면, 4장의 스텐실에서 비아 자리를 비워 두는 것과 서멀 패드를 솔더마스크 선으로 몇 조각으로 나누는 것이 차선책입니다. 비아 수가 많을수록 패드를 나누는 쪽이 가스 배출에 유리하다는 결과가 보고돼 있습니다.
6. 설계자가 할 일 5가지
1. 서멀 패드 안 비아는 막는다
예산이 되면 채우고 도금으로 덮기(필 앤 캡), 아니면 수지 플러그, 최소한 아랫면 솔더마스크 텐팅. 기판 주문서의 "비아 처리" 항목에 적어야 반영됩니다.
2. 페이스트 레이어를 윈도우 페인으로 그린다
풋프린트의 Paste Mask 레이어에서 서멀 패드를 50~70%의 격자로 나눕니다. 대부분의 CAD 풋프린트 마법사에 서멀 패드 분할 옵션이 있습니다. 직접 못 그리면 주문서에 비율을 적습니다.
3. 부품 데이터시트의 랜드 패턴을 그대로 쓴다
QFN 제조사 앱노트에는 서멀 패드 치수·비아 배열·스텐실 비율까지 권장값이 있습니다. 서멀 패드를 임의로 키우면 납 양 계산이 어긋나고, 줄이면 열 성능이 떨어집니다.
4. 보이드 기준을 주문서에 숫자로 적는다
"BGA 볼 보이드 25% 이하, QFN 서멀 패드 보이드 30% 이하, X-ray 검사 전수/샘플" 식으로 적습니다. 합의 사항으로 비워 두면 판정 기준이 업체마다 달라집니다.
5. 첫 양산 전 X-ray 사진을 받아 둔다
시제품 몇 장의 X-ray 사진과 보이드 비율 측정값을 받아 두면, 양산에서 문제가 생겼을 때 설계 문제인지 공정 변화인지 바로 가릴 수 있습니다.
7. FAQ
Q. 보이드가 기준을 넘으면 재작업으로 줄일 수 있나요?
A. 부품을 떼고 패드를 정리한 뒤 다시 붙이면 됩니다. 다만 같은 설계·같은 공정이면 같은 보이드가 다시 생기기 쉬우므로, 비아·스텐실을 고치는 쪽이 근본 대책입니다.
Q. 진공 리플로우를 쓰면 해결되나요?
A. 납이 녹아 있는 동안 오븐 안을 진공으로 만들어 가스를 빼내는 방식으로, 보이드를 크게 줄입니다. 전력 모듈처럼 보이드 기준이 매우 엄격한 제품에 씁니다. 다만 장비를 갖춘 조립 업체가 제한적이고 비용이 올라가므로, 일반 제품은 설계로 먼저 줄이는 것이 순서입니다.
Q. 서멀 패드에 납을 아예 적게 찍으면 보이드는 줄지 않나요?
A. 너무 적게 찍으면 패드와 부품 사이가 아예 비어 열이 못 지나가고, 부품이 한쪽으로 기울어 옆 리드에 냉납이 생깁니다. 그래서 50% 아래로는 잘 내려가지 않습니다. 비율은 데이터시트 권장을 기준으로 잡습니다.
Q. 비아 플러그나 X-ray 검사는 견적에 얼마나 반영되나요?
A. 비아 채움·캡 도금은 기판 제작비에, X-ray 검사는 조립비에 각각 반영됩니다. 도일랩스 온라인 견적에서 거버·BOM을 올리고 비아 처리·검사 조건을 바꿔 보면 조건별 비용 차이를 바로 비교할 수 있습니다.
마무리
보이드는 "오븐이 못 빼낸 가스"이지만, 가스가 나갈 길을 막은 것은 열어 둔 비아와 패드 전체를 덮는 스텐실인 경우가 대부분입니다. 비아를 막고, 페이스트를 격자로 나누고, 기준을 숫자로 적는 세 가지만 지켜도 서멀 패드 보이드는 눈에 띄게 줄어듭니다.
지금 설계 중인 보드의 QFN 풋프린트에서 서멀 패드 비아가 열려 있는지, 페이스트 레이어가 패드 전체 크기인지 한 번만 확인해 보세요.
다음 포스팅에서는 표면처리(HASL·ENIG·OSP) 선택 — 납땜성·보관 기간·비용이 어떻게 다르고 어떤 보드에 무엇을 고르는지 다뤄보겠습니다.
👉 도일랩스 온라인 견적에서 거버·BOM 파일 업로드만으로 조립 조건별 비용을 바로 확인해 보세요.
참고: 보이드 허용 기준은 IPC-A-610·J-STD-001·IPC-7095·IPC-7093의 공개된 요약 자료와 X-ray 검사 업계 글(I-Connect007 등)을, 스텐실 비율과 비아 권장치는 QFN 부품 제조사 앱노트(Analog Devices/Maxim 등)와 보이드 저감 연구 발표(SMTA·SMTnet 공개 자료)를 바탕으로 정리했습니다. 규격 본문은 개정판·클래스에 따라 다르므로 주문서에 적은 기준이 우선합니다.
도일랩스는 PCB·SMT 제조 기준의 실무 정보를 제공합니다.
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