보이지 않는 배터리: 고전압 전자기기에 화학 세척이 필요한 이유

10배 확대경 아래에서 인쇄 회로기를 보면 아무 이상도 보이지 않는다. 납땜이 반짝이고, 필렛이 완벽하며, 마스크가 광택이 난다. IPC-A-610에 따르면, 그 회로기판은 완벽하다. 육안 검사와 라인상의 기능 시험을 통과한다. 그것은 박스에 넣어져 배송되고, 습한 환경—예를 들어, 플로리다의 태양광 발전소나 습한 주차장의 전기차 충전소—에 노출된 후 세 달이 지나면 폭발한다.

문제는 실리콘이 아니었다. 불량 배치의 커패시터도 아니었다. 문제는 회로기판이 겉보기에는 깨끗하지만 화학적으로 더럽다는 것이었다.

고전압 전자기기를 다룰 때 (400V, 800V 이상), 청결은 미학과 관련이 없다. 이는 엄격한 전기화학 실험이다. 플럭스에 남은 보이지 않는 잔류물이 회로에 활발히 활동하는 참여자가 되어, 절연체를 도체로 바꾸게 된다.

‘유령 고장’—현장에서 고장이 나는데 ‘문제 없음(NTF)’ 라벨이 붙거나, 비가 올 때만 오작동하는 장치를 다뤄 본 적이 있다면, 당신은 아마도 이온 유령을 쫓고 있을 것이다. 원인은 거의 항상 전압 레일 사이에 성장하는 미세한 전도성 염의 층인데, 이는 시각적 검사 기준과 무관한 과정이다.

시간 폭탄의 물리학

전기 엔지니어처럼 생각하는 것을 멈추고, 화학자처럼 생각해야 한다. 현장에서 작동하는 인쇄 회로기판은 단순히 구리 트레이스의 집합체가 아니다; 잔류물이 있다면, 그 회로는 배터리가 된다.

이 메커니즘은 전기화학적 이동(Electrochemical Migration)이다. 이 기능에는 세 가지 요소가 필요하다: 전기적 편향(전압), 습기(습도), 그리고 이온(플럭스 잔류물). 두 트레이스에 고전압을 가하면, 양극과 음극이 만들어진다. 현대 플럭스에 포함된 흡수성 활성제(습기 유도제)가 이들 사이에 자리 잡으면, 그 잔류물은 공기 중의 수분을 끌어내어 미세한 전해질 용액을 형성한다.

이 ‘수프’ 속에서, 납땜(주석, 연, 또는 은)에서 온 금속 이온이 양극에서 용해되어 음극 쪽으로 이동한다. 시간이 지나면서, 이 이온들은 도금되어, 나뭇가지 또는 삼나무 가지처럼 가늘고 긴 금속 구조인 수지(dendrite)를 형성한다. 이 구조는 결국 간격을 가로지르는 잎사귀 또는 나뭇가지처럼 보여진다.

이것은 빠른 과정이 아니다. 몇 주 또는 몇 달이 걸릴 수 있다. 그러나 그 수지가 간극을 메우면, 단락이 발생한다. 5V에서는 단순히 논리 오류를 유발할 수 있다. 400V에서는 전류 돌진으로 수지가 증발하며, 종종 부품과 PCB 유리섬유 일부를 함께 데워 버린다. 증거는 스스로를 파괴하며, 타버린 회로기판과 명확한 원인을 남기지 않는다.

400V에서의 “무세척” 거짓말

산업계는 “무세척” 플럭스가 청소할 필요가 없다는 신화를 좋아합니다. 가전제품—TV 리모컨, 디지털 장난감, 블루투스 스피커—에선 이는 대부분 사실입니다. 전압이 낮고 잔류물도 전도성이 없어 안전하기 때문입니다. 그러나 산업 및 자동차 고전압 영역으로 넘어가면 “무세척”은 위험한 오해가 됩니다.

고전압에서는 전기장이 12V에서는 정지 상태였던 이온들을 이동시킬 수 있을 만큼 충분히 강합니다. 또한, “무세척” 잔류물은 종종 수지 기반으로, 활성 산을 캡슐화하도록 설계되어 있습니다. 하지만 EV 인버터 등의 열순환은 이 수지 껍질을 균열시킬 수 있습니다. 껍질이 깨지면 내부의 흡습성 산이 습기에 노출되어 이동이 시작됩니다.

이것이 콘포멀 코팅이 벗겨지거나 블리스터링되는 이유입니다. 엔지니어들은 종종 접착 실패의 원인으로 코팅 공급사를 비난하지만, 실제로 코팅은 수증기에 반투과성입니다. 습기가 스며들어 잔류 플럭스를 찾고, 그로 인한 가스 배출이 코팅을 보드에서 떼어내는 것입니다. 먼지와 밀봉하는 것은 신뢰성을 기대할 수 없습니다. 단지 가압된 실패 챔버를 만든 것뿐입니다.

화학, 세척뿐만 아니라

그래서, 청소를 결정하게 됩니다. 이것이 대부분의 공정 라인이 실패하는 이유입니다. 그들은 설거지하는 것처럼 청소를 대합니다—뜨거운 물을 뿌리고 최선을 다하는 것. 하지만 현대의 플럭스는 음식물 쓰레기가 아닙니다. 물에 저항하는 복합 화학물질입니다.

로진 및 수지 기반 플럭스는 방수성이 있습니다. 이들을 이온화수(디아이온수)로 뿌리는 것은 무의미합니다; 물은 방울져 떨어지며, 수지는 뒤에 남게 됩니다. 보드를 제대로 청소하려면 다음과 같은 화학 반응이 필요합니다 소포아화 (saponification).

알칼리 소포제—지방산과 반응하는 특수 화학제—를 사용합니다. 이 반응은 불용성 수지를 수용성 비누로 바꾸어 줍니다. 그제야 씻어낼 수 있습니다. 이 과정은 정밀한 “세척 시간”이 필요합니다. 적합한 농도의 소포제와 사용 중인 플럭스 유형에 맞게 조절된 온도에서 반응을 촉진시켜야 합니다.

온도가 너무 낮으면 반응이 너무 느립니다. 벨트 속도가 너무 빠르면 화학물질이 반응할 시간이 부족합니다. 일반적인 “범용” 클리너를 사용하며 솔더 페이스트와의 호환성을 확인하지 않으면, 솔더 조인트의 광택제는 깨끗이 제거되지만 위험한 활성제는 남겨질 수 있습니다. 이것은 화학적 과정이지 기계적 문지름이 아닙니다.

기하학 문제

심지어 올바른 화학 반응을 적용하더라도, 때릴 수 없는 곳은 청소할 수 없습니다. 현대 전자기기의 추세는 소형화로, 유체 역학에 악몽과 같은 도전을 만들어 냅니다.

큰 QFN(Quadratic Flat No-lead) 부품이나 무거운 IGBT 모듈이 큰 구리 평판에 납땜된 경우를 생각해보십시오. 스탠드오프 높이—부품 본체와 보드 사이의 간격—는 50마이크로미터 이하일 수 있습니다. 이 부품 바로 아래에는 고전압 선이 통과하고 있습니다.

그 50마이크로미터의 틈새에 세척액이 표면 장력의 힘에 맞서 침투하게 하는 것은 매우 어렵습니다. 높은 충격압력과 특정 분사 각도가 필요합니다. 만약 프로세스가 소포제 아래에 포장된 영역을 강제하지 않는다면, “수지 배양기”를 만들고 있습니다. 노출된 영역은 시험을 통과할 수 있지만, 전압이 가장 크고 열이 가장 높은 파워 FET 아래는 활성 잔류물이 가득 남아있습니다. 종종 설계자에게 비아를 추가하거나 부품 풋프린트를 변경하도록 강요해야만 세척 가능한 영역이 만들어집니다.

검증: 보이지 않는 것을 증명하기

육안 검사로는 무의미하면, 어떤 지표가 있을까요? 어떻게 성공했는지 알 수 있나요?

수십 년 동안 업계는 ROSE 테스트(용매 추출 저항성)로 평가했습니다. 보드를 알콜 용액에 담그고 저항성의 변화를 측정하는 방식입니다. 1990년대의 홀 델 기술에는 적합했지만, 현대의 고밀도, 낮은 스탠드오프 설계에는 사실상 쓸모가 없습니다. 전체 보드의 평균 청정도를 제공하지만, QFN 아래 숨은 집중된 악의 주머니를 감지하지는 못합니다.

고전압 세정 과정을 진정으로 검증하는 유일한 방법은 %s 입니다. SIR (표면 절연 저항) 테스트. 이는 핀셋 패턴이 가장 촘촘한 간격을 흉내내는 특수 테스트 쿠폰을 설계하는 것을 포함합니다. 이 쿠폰을 세척 과정에 통과시키고, 85°C와 85%의 상대 습도 조건에서 바이어스 전압을 가하며 챔버에 넣습니다. 저항값을 168시간 이상 모니터링합니다.

저항이 떨어지면 성장이 일어난 것이고, 높게 유지된다면(보통 100메가옴 이상) 과정이 제대로 작동하는 것입니다. 이는 J-STD-001H에서 규정한 표준입니다. 엄격하고 느리지만, 2년 후에도 800V 충전기가 불이 나지 않을 것이라는 것을 밤새 안심하고 잘 자도록 하는 유일한 방법입니다.

청소 비용

적절한 인라인 세포이화(비누화) 과정을 정기적으로 SIR 검증과 함께 구현하는 것은 쉽지 않습니다. 이를 위해서는 바닥 공간, 화학물질 관리, 폐기물 처리가 필요합니다. 하지만 대안을 고려하십시오.

고전압 시스템에서 신뢰성은 이진적입니다. 회로 기판은 화학적으로 안정적이거나 서서히 죽어가고 있습니다. 중간 지점은 없습니다. 치명적인 전압을 다루는 하드웨어를 제작할 때, 적절한 세척 과정 비용은 리콜 비용 또는 소송 비용에 비해 미미한 차이입니다.