출처: ADVANCED ASSEMBLY (www.aapcb.com)
혹독한 환경에서 높은 신뢰성을 요구하는 엔지니어링은 종종 함께 필요합니다.
센서 패키지를 비행기, 우주선 또는 유정의 시추공에 설치할 때, 실패의 비용은 수백 명의 생명이나 수백만 달러의 손실로 이어질 수 있습니다.
이러한 상황에서 엔지니어들은 설계 선택에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 이 기사에서는 향후 설계를 위한 솔더 및 비아 고려사항을 제시합니다.
품질 및 신뢰성
공인된 시설에서 인쇄 회로 기판을 제조할 때, 작업자들은 도금 두께, 표면 마감, 평탄도 등 설계의 모든 측면에서 보드가 기대치를 충족하거나 초과하는지 확인하는 임무를 맡습니다.
이러한 요소들은 측정 가능하고 정량화할 수 있는 지표이며, 보드는 이를 충족하거나 그렇지 않을 수 있습니다. PCB 제조업체의 품질에 대한 책임은 일반적으로 PCB가 고객에게 전달되어 수락되는 순간 끝납니다. 인도 시점에서 보드의 100%가 설계대로 작동할 것으로 예상됩니다.
신뢰성은 배달에서 덤프스터(dumpster)까지 제품의 수명 주기를 포괄합니다.
보드의 고장 시점은 알려져 있지 않고 가변적이기 때문에, 신뢰성은 정량화하기 훨씬 어려운 지표입니다. PCB 설계, 제조 공정의 제어, 재료의 변동성 등 여러 요소가 신뢰성에 영향을 미칩니다. 설계가 모든 모범 사례를 따르고 공정이 완벽하게 수행되더라도, 제조된 인쇄 회로 기판에는 재료의 미세한 변동성으로 인해 약간의 변형이 발생할 수 있습니다. 이러한 변동성은 잘못된 설계 선택이나 부적절한 공정 제어와 함께 설계 내에 잠재적인 결함을 숨길 수 있습니다.
품질은 쉽게 판단할 수 있습니다.
--보드는 사양을 충족하거나 그렇지 않을 수 있습니다. 하지만 신뢰성은 더 복잡한 문제입니다. --
이는 보드가 서비스 수명 1년, 5년 또는 20년 후에 고장날 수 있기 때문입니다. 인쇄 회로 기판이 염분 분무나 불산 환경에서 보호되지 않은 상태로 사용되지 않는 한, 제품 수명에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 일반적으로 평균 작동 온도와 열 사이클링입니다.
연결성 유지
전자 부품은 작동을 위해 서로 연결되어야 합니다. 실리콘 다이는 본딩 와이어로 금속 리드 프레임에 연결되고, 리드 프레임은 솔더를 통해 구리 패드에 연결됩니다. 구리 패드는 트레이스, 구리 퍼, 비아 등을 통해 서로 연결됩니다. 고신뢰성 보드를 유지하려면 이러한 모든 연결이 장치의 수명 동안 견고하게 유지되어야 합니다.
온도 문제
열 팽창
인쇄 회로 기판이나 그 구성 요소의 온도가 상승하면 원자 간 거리도 증가합니다. 이를 열 팽창 계수(CTE)라고 합니다. 안타깝게도, 분리 거리와 온도 간의 관계는 재료 구성에 따라 달라집니다. 더욱이 PCB의 경우, CTE가 종종 이방성이어서 값이 방향에 따라 달라집니다.
대부분의 보드 기본 구성 요소인 FR-4를 살펴보겠습니다. 이는 유리 섬유 가닥의 2차원 직조로 만들어졌습니다. 위사와 경사 섬유는 평면 내 팽창(x축, y축)을 최소화하는 데 도움이 되지만, 평면 외(z축) 열 팽창에는 거의 영향을 주지 않습니다.
또한, 모든 위사와 경사 섬유가 동일하지 않을 수 있다는 점도 알아야 합니다. 일부 유전체는 의도적으로 다른 유리 섬유를 사용하여 축에 따라 약간의 CTE 변동을 일으킵니다. 유전체의 데이터 시트(각주 1) 를 확인하여 라미네이트 재료에 대해 자세히 알아보세요.
비아 훼손(Via Failures)
구리의 열 팽창 계수(CTE)는 PCB 유전체 및 기본 재료의 CTE보다 낮습니다. 회로 기판에 비아가 형성되고 기판이 가열되면, z축의 차등 팽창으로 인해 비아 벽과 유전체 층 사이에 전단 응력이 발생합니다. 이 힘은 결국 비아나 구리 도금에 손상을 유발합니다. 비아의 종횡비, 온도 변동의 정도, PCB 도금 공정의 품질은 비아가 열 번째 열 사이클에서 손상될지 아니면 만 번째 열 사이클에서 손상될지를 결정합니다.
비아와 패드( Vias and Pads)
비아는 구리로 전기도금된 인쇄 회로 기판의 구멍입니다. 가장 저렴한 설계 옵션은 이러한 구멍을 공기에 노출시키는 것입니다. 그러나 이는 여러 가지 이유로 가장 신뢰성이 낮은 설계 옵션입니다. 예를 들어, 개방형 비아는 시간이 지남에 따라 구리를 천천히 부식시키는 산성 플럭스와 같은 오염 물질을 포획할 수 있습니다.
또한 개방형 비아와 관련하여 종종 간과되는 문제 중 하나는 솔더의 "도난" 현상입니다. 리플로우 공정 중에 솔더 페이스트는 액화되어 노출된 구리를 따라 구멍으로 흘러들어가 구멍을 채웁니다. 그 결과, 구리 패드에는 부품과 PCB 사이에 적절한 접합을 형성하기에 충분한 양의 솔더 금속이 남지 않게 됩니다.
[왼쪽 사진의 X선 이미지는 BGA 부품에 너무 가까이 배치된 개방형 비아를 보여줍니다. 솔더는 패드 하나를 남겨두고 비아 홀을 채워 패드에 충분한 양의 솔더를 남기지 않았습니다. ]
열 패드에 채워지지 않은 비아를 추가하면 문제가 발생할 수 있습니다.
비아는 솔더 도난을 일으킬 뿐만 아니라, 부품과 PCB 사이의 공간으로 가스가 방출되어 솔더가 열 패드에서 떨어지는 원인이 될 수 있습니다.
[76핀 TQFP 부품의 이 이미지는 열 패드 아래에 여러 개의 개방형 비아가 있는 설계를 보여줍니다. 패드 아래의 모든 비아는 솔더 도난 또는 가스 방출의 증거를 나타냅니다. 이 부품은 부품과 PCB 사이에 공기가 50% 미만일 때만 허용됩니다.]
이 문제를 해결하기 위한 방법은 솔더 패드 아래나 근처에 열린 비아를 두지 않는 것입니다. 패드 근처의 비아의 경우 솔더 레지스트 층을 사용하여 솔더 패드와 비아 사이에 장벽을 제공할 수 있습니다. 비아 텐팅(Via-tenting)은 저렴하지만 신뢰성이 낮고, 가장 작은 비아에서만 효과적입니다. 더 신뢰할 수 있는 옵션은 비아를 LPI 솔더 레지스트로 채우는 것입니다.
패드 아래 비아의 경우, 가장 신뢰할 수 있는 옵션은 에폭시 충전재 위에 구리 층이 전착된 채워진 캡 비아를 사용하는 것입니다.
두 번째로 우수하지만 다소 위험한 옵션은 작은 직경의 비아(<12mil)를 사용하여 전기 도금 과정에서 1온스 이상의 구리로 채우는 방법입니다. 이 경우 여전히 가스 방출을 허용할 수 있는 구멍이나 공극이 남을 수 있으나, 남은 구멍의 부피는 솔더 도난을 최소화할 만큼 작아야 합니다.
솔더(Solder)
RoHS 법이 시행되기 이전에는 대부분의 구성 요소가 납/주석 공융 솔더를 사용하여 회로 기판에 부착되었습니다. 공융 합금은 혼합 시 낮은 전이 온도를 갖는 금속의 조합으로, 고체에서 액체로의 직접적인 상전이를 가능하게 합니다. 이는 고온이 인쇄 회로 기판과 그 구성 요소의 수명을 파괴하거나 심각하게 단축시킬 수 있기 때문에 전자 제조업체들에게 중요합니다.
[이 다이어그램은 온도와 무게별 금속 주석과 납의 혼합 비율에 따른 다양한 물질 상을 보여줍니다. 약 60% 주석과 40% 납에서 금속은 중간 물질 상을 거치지 않고 고체에서 액체로 단일 상 전이를 거칩니다. 이것이 공융점이며, 순수한 형태의 두 금속의 녹는점보다 낮은 온도에서 발생합니다.]
엔지니어들은 자신들이 사랑하는 Sn-63 Pb-37 합금만큼 연성과 습윤성이 뛰어난 금속을 찾지 못할까 걱정했습니다. 이에 야금학자들은 알루미늄, 안티모니, 비스무트, 카드뮴, 크롬, 구리, 금, 인듐, 납, 몰리브데넘, 니켈, 팔라듐, 플래티넘, 은, 주석, 텅스텐, 아연 등 다양한 금속 조합을 혼합하여 상평형도와 재료 특성을 더 깊이 이해하고자 노력했습니다.
[이 주기율표는 솔더 화합물에서의 생존 가능성을 테스트한 일부 원소를 보여줍니다. 테스트 결과는 https://msed.nist.gov/solder https://www.msed. nist.gov/solder/NIST_LeadfreeSolder_v4.pdf 에서 확인할 수 있습니다.]
초기 엔지니어링 논쟁이 가라앉은 후, 엔지니어들은 RoHS 적용 분야에서 솔더로 사용하기에 적합한 수십 가지의 합금이 존재한다는 것을 발견했습니다. 또한 이러한 솔더는 각기 다른 재료 특성을 지니고 있어 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있었습니다.
예를 들어, TLPSP(Transient Liquid Phase Sintering Paste)는 한 번만 액화되는 솔더 페이스트의 한 유형입니다. 금속 간 화합물이 형성되면 상평형도가 변경되어 액상이 사라집니다. TLPSP는 일단 녹으면, 온도가 집적 회로나 기본 인쇄 회로 기판을 파괴할 정도로 높아질 때까지 다시 녹지 않습니다.(각주 2) 따라서 이 페이스트는 여러 번의 리플로우 사이클과 혹독한 환경에서 유용하게 사용됩니다.
요약
신뢰성을 위한 설계에는 광범위한 설계 선택, 재료 선택, 그리고 신중하게 제어된 제조 공정이 필요합니다.
열 관리에 집중하면 보드의 수명과 신뢰성을 개선하는 데 도움이 되지만, 이는 전체 방정식의 일부에 불과합니다. 보드의 온도 상승을 제한하기 위해 열 입력을 줄이거나 방열을 증가시키는 결정을 내려야 합니다. 설계에 두꺼운 구리를 통합하는 것에 대한 추가 자료도 꼭 살펴보세요.
무엇보다도 대부분의 고객사에서는 열관리 성능 최적화를 위해 엔지니어의 경험에만 의존하여 제품을 설계하고 있습니다. 축적되고 정량화된 데이터에 의존하지 않고 경험에만 의존하는 것은 실패의 높은 위험성을 내포하고 있다는 것이 통계적으로 입증되었습니다.
대부분의 글로벌 기업들은 이러한 실패의 위험성을 줄이고, 특정 기술자에 국한된 경험보다 재현성을 높이기 위해 PCB 방열 설계 최적화를 위한 시뮬레이션 툴의 도움을 받아 설계를 진행하고 있습니다. 이는 결과적으로 제품의 원가 분석을 통한 비용 절감, 성능 향상은 물론 개발 기간 단축으로 인해 시장에서의 기회 선점 효과를 가져올 수 있습니다.
5G 통신 속도를 뛰어넘는 차세대 방열 솔루션으로, 대부분의 전기/전자 부품 업체에서는 Siemens DISW의 FloTHERM 또는 FLOEFD 소프트웨어를 사용하고 있습니다.
Delta ES는 2008년 회사 설립 이래 Siemens의 FloTHERM과 FLOEFD의 공급, 교육 및 각종 기술 지원 업무를 수행하고 있으며, 이 역할을 수행함에 있어 정도를 벗어난 적이 없습니다.
십수 년간의 PCB 방열 설계 최적화 기술 지원 분야에서 확보된 경험을 바탕으로, Delta ES는 일관되게 T3STER SI를 사용한 반도체 정션 온도 및 열 저항, K-팩터 측정과 측정 결과로부터 R-C-L 회로를 구성하여 FLOEFD 시뮬레이션 툴로 PCB 설계 최적화 방안을 찾아냈습니다. 특히 열계면 소재인 TIM의 열물성 데이터를 ASTM D-5470 규정을 따르는 측정 장비인 독일 NANOTEST사의 TIMA 5 판매 및 측정 서비스를 수행하고 있습니다.
Delta ES는 지난 17년간 약 600여 건의 엔지니어링 기술 용역 과제, 정부 과제 및 수탁 과제, 측정 서비스 등의 프로젝트를 수행해 왔으며, 최근에는 설계자 또는 열관리 분야 비전공자를 위해 고객사 맞춤용 FloTHERM 또는 FLOEFD의 시뮬레이션 자동화 프로젝트를 수행하여 매우 성공적인 결과를 얻었습니다.
이는 Siemens DISW의 지속적인 기술 지원과 당사 기술진의 꾸준한 연구 노력으로 이뤄낸 성과라고 자부하고 있습니다.
당사 홈페이지인 www.deltaes.co.kr에서 온라인으로 문의하거나, 고객지원센터인 (070) 8255-6001으로 전화 또는 young@deltaes.co.kr로 이메일을 보내주세요. 저희가 도와드리겠습니다.
각주 1) Slash-sheets refer to an appendix to IPC-4101 and IPC-4103, the specification for laminate and prepreg construction properties. See https://www.isola-group.com/products/all-printed-circuit-materials/slash-sheets/ for examples, and see IPC-4101 for a thorough listing. http://www.ipc.org/TOC/TOC-IPC-4101E.pdf shows the table of contents for the standard.
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