“260°C” 신화: 왜 고온 커넥터가 리플로우에서 실패하는가

커넥터 데이터시트에서 가장 비싼 숫자는 종종 온도 등급입니다. “10초 동안 260°C”를 보고 안전하다고 가정합니다. 이는 리플로우 프로파일이 245°C에서 최고점을 찍으면 15도의 여유가 있다고 제안합니다.

그것은 위험한 허구입니다. 그 등급은 플라스틱이 벨트 위에서 액체 웅덩이로 변하지 않는다는 것만 보장합니다. 하우징이 납땜에 적합할 만큼 평평하게 유지된다는 약속도 없고, 커넥터 본체와 PCB 사이에서 발생하는 격렬한 열적 줄다리기를 고려하지도 않습니다.

커넥터가 현장에서 또는 더 나쁘게는 인서킷 테스트 중 라인 끝에서 고장 나는 경우는 거의 플라스틱이 녹아서가 아닙니다. 하우징이 약간 휘거나, 굽거나, 비틀려서 핀이 패드에서 떨어졌기 때문입니다. 고혼합 산업 환경에서는 이것을 자주 봅니다: 깨끗해 보이는 커넥터가 중심 핀이 납땜 페이스트 위에서 10마이크론 떠 있어서 “오픈”으로 테스트되는 경우입니다. 부품이 녹은 것은 아니지만 조립 공정의 물리학에서 실패한 것입니다. 이유를 이해하려면 마케팅 문구를 무시하고 관련 재료의 열역학을 살펴봐야 합니다.

“바나나” 보드의 물리학

리플로우는 단순한 가열 과정이 아니라 역동적인 기계적 사건입니다. PCB가 오븐에 들어가면 FR4 기판이 팽창하기 시작합니다. 온도가 SAC305 납땜의 액상상(약 217°C)으로 올라가면서 보드는 X 및 Y 축으로 성장합니다. 위에 있는 커넥터도 팽창하지만 거의 확실히 다른 속도로 팽창합니다.

이것이 열팽창계수(CTE) 불일치입니다. 커넥터가 길다면—예를 들어 100핀 헤더나 PCIe 엣지 커넥터—플라스틱 하우징과 유리섬유 보드 간 팽창 차이가 납땜 접합부에 고체화되기 전부터 상당한 전단 응력을 만듭니다.

이 응력은 “바나나” 효과로 나타납니다. 보드가 얇고(0.8mm 또는 1.0mm) 커넥터가 단단하면 보드는 커넥터가 팽창을 거부하는 것을 수용하기 위해 휘게 됩니다. 반대로 보드가 두껍고 커넥터 하우징이 덜 안정적인 플라스틱으로 만들어졌다면 하우징이 중앙에서 위로 휘어 신호 핀을 들어 올립니다.

이것이 악명 높은 “헤드-인-필로우” 결함의 근본 원인입니다. 납땜 볼은 녹고 핀이 뜨거워지지만, 중요한 젖음 단계에서 물리적으로 분리되어 단일 필렛으로 합쳐지지 않습니다. 스텐실 구멍을 탓하며 엑스레이를 하루 종일 봐도, 플라스틱 하우징이 소킹 존에서 핀을 0.15mm 들어 올렸다면 납땜 페이스트 조정으로는 접합을 고칠 수 없습니다.

보이지 않는 변수: 수분

CTE를 완벽하게 맞추더라도 조용한 변수가 공평도를 망칠 수 있습니다: 물. 나일론(PA66, PA46)과 폴리프탈아미드(PPA) 같은 공학용 플라스틱은 친수성입니다—물을 좋아합니다. 커넥터 한 봉지가 습한 창고에 일주일 동안 열려 있으면 그 하우징은 공기 중의 수분을 흡수합니다.

그 수분이 무연 리플로우 오븐의 240°C 급등에 닿으면, 플라스틱 내부의 물은 단순히 증발하는 것이 아니라 순간적으로 증기로 변합니다. 이 내부 압력은 출구를 찾으려 하며, 폴리머 매트릭스 내에서 미세한 폭발을 일으킵니다.

극단적인 경우에는 표면에 눈에 띄는 물집이나 "팝코닝" 현상으로 나타납니다. 그러나 더 교묘한 고장은 육안으로는 보이지 않는 미세한 뒤틀림입니다. 증기 압력은 커넥터의 평평한 착석면을 변형시켜, 공평도 사양을 망가뜨릴 정도로 비틀립니다.

이것이 바로 커넥터에 대해 IPC/JEDEC J-STD-020 수분 민감도 수준(MSL)을 준수하는 것이 선택 사항이 아닌 이유입니다. 나일론 또는 PPA 기반 부품을 사용하는 경우, 사용 기한이 초과되면 반드시 베이킹해야 합니다. 많은 조립 업체들이 MSL 등급이 BGA 칩에만 적용된다고 가정하여 커넥터에 대해 이 단계를 건너뛰는데, 이는 잘못된 생각이며, 이 가정은 새롭고 건조한 릴을 장착하는 순간 사라지는 "미스터리" 수율 저하를 초래합니다.

재료 계층 구조

신뢰성은 결국 수지에 달려 있습니다. 모든 "고온" 플라스틱이 동일하게 만들어지는 것은 아니며, 여기서 데이터시트가 진실을 숨기는 경우가 많습니다. 시장에는 높은 열 저항을 주장하는 "변형" 또는 "유리 충전" 나일론이 넘쳐납니다. 이들은 오븐에서 녹지 않고 견딜 수 있지만, 유리 전이 온도(Tg)—재료가 단단한 고체에서 부드럽고 고무 같은 상태로 변하는 지점—가 작동 온도나 리플로우 온도에 위험할 정도로 가까울 수 있습니다.

액정 폴리머(LCP) 는 이유가 있어 금본위입니다. 본질적으로 낮은 수분 흡수율을 가지며, 더 중요한 것은 구리와 FR4에 매우 가까운 CTE를 가지고 있습니다. 리플로우 급등 온도까지도 단단하고 평평함을 유지합니다. 중요한 신호 경로나 미세 피치(0.8mm 이하)의 커넥터를 설계할 때 LCP는 종종 유일하게 책임 있는 선택입니다.

폴리프탈아마이드(PPA) 는 일반적인 "예산" 대안입니다. 고온 나일론으로서 성능이 우수합니다. 인지 여부는 건조 상태입니다. 그러나 치수 안정성은 LCP보다 떨어지며, 강성을 위해 유리 충전에 크게 의존합니다. 전원 헤더나 더 큰 피치 부품에는 허용되지만, 미세 피치 응용에서는 위험을 초래합니다.

나일론 46 / 6T: 이들은 구식 고온 나일론입니다. 견고하고 저렴하지만 수분에 대해 스펀지처럼 작용합니다. 많은 일반 커넥터 복제품에서 볼 수 있습니다. 종종 데이터시트의 "주석 3"—견딜 수 있는 리플로우 사이클 수에 대한 작은 글씨 제한—에 의존합니다. 시장에 진입하는 "바이오 기반" 변종 플라스틱에 주의해야 합니다; 지속 가능하지만, 가혹한 산업 사이클링(열 충격)에서의 장기 안정성 데이터는 아직 작성 중입니다.

일반 나일론 헤더와 LCP 버전 간의 비용 차이는 몇 푼에 불과할 수 있습니다. 그러나 이를 불량 비용(COPQ)과 비교해야 합니다. 나일론 헤더가 뒤틀려 $500 PCB에서 2% 불량률을 초래하면, BOM에서 절약한 몇 푼이 수천 달러의 스크랩 및 재작업 인건비로 돌아옵니다.

기계적 방어

기계적 힘에 맞서기 위해 납땜 접합만 의존할 수 없습니다. 커넥터가 크거나 무거우면 진동이나 열 팽창 시 납땜 패드에 가해지는 지렛대 힘이 엄청납니다. 신호 핀만으로 고정된 SMT 커넥터는 산업 환경에서 위험 요소입니다. 하우징을 PCB에 고정하는 금속 탭이나 플라스틱 핀과 같은 기계적 고정 장치가 필요합니다.

특히 핀인페이스트(침투 리플로우) 공정을 시도하는 경우, 관통형 커넥터를 리플로우하는 경우에 해당합니다. 여기서 페이스트 부피 계산이 중요하지만, 오븐 과정 중 하우징의 기계적 안정성이 더 중요합니다. 고정 장치가 없어 커넥터가 떠 있거나 기울어지면, 맞물릴 수 없는 비뚤어진 부품이 만들어집니다.

순수하게 표면 실장 부품의 경우, 스텐실 설계가 부품의 "부동"을 고려하도록 하십시오. 때때로, 대형 커넥터의 중앙 패드의 개구부를 줄이면 용융된 납땜 쿠션 위에서 부품이 흔들리는 것을 방지하여 외부 패드가 단단히 자리잡도록 할 수 있습니다.

최종 계산

커넥터를 선택하는 목표는 풋프린트에 맞는 가장 저렴한 부품을 찾는 것이 아닙니다. 제조의 가혹한 물리적 조건과 현장 운영의 긴 여정을 견디는 부품을 찾는 것입니다. 데이터시트의 260°C 등급은 출발점일 뿐 보장은 아닙니다.

부품을 선택할 때 재료 구성을 살펴보십시오. 수지 데이터를 요청하세요. 공급업체가 그것이 LCP인지 나일론 6T인지 알려줄 수 없다면 떠나십시오. 열 팽창과 수분 흡수의 물리는 이길 수 없습니다. 안정적인 재료와 올바른 기계적 설계를 선택하여 이를 존중하거나, 나중에 고장 분석 실험실에서 대가를 치를 수 있습니다.