보이지 않는 필름: 왜 “전기적으로 깨끗함”이 광학적으로 치명적인가

당신은 아마도 회의실에 서서 생산 라인에서 막 나온 장치에서 나오는 흐릿하고 대비가 낮은 이미지를 보여주는 프로젝터 화면을 응시한 적이 있을 것입니다. 전기 테스트는 통과했습니다. 기능 검사도 통과했습니다. 보드는 전원이 켜지고 센서는 초기화되며 데이터가 흐릅니다. 하지만 이미지는 마치 더러운 창문을 통해 촬영한 것처럼 보입니다.

구매 부서의 즉각적인 반응은 코팅 결함이 있는 유리 공급업체나 불량 배치의 센서 제조업체를 탓하는 것입니다. 그러나 밀폐된 광학 장치—LIDAR 모듈, 자동차 카메라 또는 의료용 내시경이든 간에—를 보고 있다면 범인은 거의 유리가 아닙니다. 그것은 인쇄 회로 기판에서 5밀리미터 떨어진 곳에서 일어나는 보이지 않는 화학 작용입니다.

“전자에 충분히 깨끗한” 것과 “광자에 충분히 깨끗한” 것 사이의 간극은 수백만 달러의 재고가 사라지는 곳입니다. 표준 전자 제조에서는 청결도가 저항으로 정의됩니다. 보드에 남은 잔여물이 패드 사이에서 전기를 전도하지 않으면 보드는 깨끗하다고 간주됩니다. 이것이 IPC-610 및 표준 J-STD-001 프로토콜의 논리입니다.

그러나 광학은 저항에 관심이 없습니다; 휘발성에 관심이 있습니다. 전기적으로 완벽히 무해한 잔여물도 화학적으로는 활성 상태일 수 있으며, 트리거를 기다리다가 보드에서 떨어져 나와 가장 차가운 표면에 다시 침착될 수 있습니다. 밀폐된 하우징에서는 그 표면이 항상 렌즈의 내부면입니다.

펌웨어 팀은 종종 이것을 센서 노이즈로 잘못 진단합니다. 엔지니어들은 ISP 알고리즘을 조정하거나 블랙 레벨을 높이거나 시간이 지남에 따라 이동하는 고정 패턴 노이즈와 싸우느라 몇 주를 보냅니다. 장치 온도나 작동 시간과 관련된 노이즈가 보인다면 코딩을 멈추세요. 당신은 게인을 싸우는 것이 아닙니다. 당신은 CMOS 센서의 마이크로렌즈에 직접 응축된 폴리머화된 스모그의 물리적 층과 싸우고 있는 것입니다. 어떤 코드도 물리적 오염물을 청소할 수 없습니다.

밀폐 챔버의 화학

이 드라마의 주범은 “무세척” 플럭스입니다. 이 이름 자체가 광학 공급망에서 가장 위험한 오해 중 하나입니다. “무세척”은 “잔여물 없음”을 의미하지 않습니다; 이는 남은 잔여물이 부식성이 없고 보드에 남겨도 전기적으로 안전하다는 뜻입니다. 소비자용 라우터 같은 개방형 환경에서는 괜찮습니다. 휘발성 물질은 방 안으로 가스화되고 고체는 제자리에 남습니다.

하지만 광학 모듈은 밀폐된 생태계입니다. PCB를 IP67 하우징 안에 밀봉하면 미기후가 만들어집니다.

장치가 켜질 때의 물리를 생각해 보세요. 프로세서와 전원 관리 IC가 뜨거워집니다. 하우징 내부의 공기가 팽창하고 증기압이 상승합니다. 납땜 접합부에 있는 “무해한” 플럭스 잔여물—특히 브로마이드 활성제와 송진 운반체—가 가스를 배출하기 시작합니다. 끓을 필요는 없고 승화만 하면 됩니다. 이 미세 입자들은 하우징 내부의 대류 흐름을 통해 떠다닙니다.

결국 장치가 꺼집니다. 하우징이 식습니다. 외부 세계와 가장 얇은 장벽인 유리창이 가장 먼저 식습니다. 증기는 그 차가운 유리에 응축되어 육안으로는 보이지 않지만 레이저나 센서에는 불투명한 흐림을 형성합니다.

우리는 자율 트럭용 LIDAR 장치와 같은 고위험 환경에서 이 현상을 목격했습니다. 장치는 공장 바닥에서 모든 테스트를 통과할 수 있지만 200시간 번인 후 창에 우유빛 필름이 생깁니다. 질량 분석 결과, 이것은 유리 코팅의 결함이 아니라 몇 인치 떨어진 “깨끗한” 납땜 접합부에서 이동한 폴리머화된 플럭스 송진 층임이 자주 밝혀집니다. 이것은 플럭스가 제 역할을 하지 못한 것이 아니라, 밀폐된 광학 장치가 사실상 증류 챔버임을 엔지니어가 이해하지 못한 실패입니다.

일부 엔지니어들은 보드를 밀봉하면 오염물이 갇힐 것이라고 가정하고 컨포멀 코팅을 적용하여 이 문제를 해결하려고 합니다. 그러나 이는 종종 역효과를 낳습니다. 잔류물이 화학적으로 제거되지 않은 보드에 코팅을 하면, 본질적으로 습기와 용제가 적층판에 갇히게 됩니다. 보드가 가열되면 휘발성 물질이 팽창하여 기포나 박리 현상이 발생합니다. 더 나쁜 것은, 코팅 자체가 제대로 경화되지 않으면 가스가 방출될 수 있다는 점입니다. 오염물을 밀봉해서 없앨 수는 없으며, 반드시 제거해야 합니다.

열은 검사관이다

잔류물은 인내심이 강합니다. 몇 달 동안 보드 위에 무해하게 앉아 있다가 계절이 바뀔 때 현장 고장을 일으킬 수 있습니다. 이것이 광학 제품에 열 사이클링이 선택 사항이 아닌 이유입니다. 실험실에서 실온에서만 이미지 품질을 테스트한다면 제품을 검증하는 것이 아니라 단지 휴면 상태만 검증하는 것입니다.

고장 모드는 종종 “고스팅” 또는 뜨거운 환경에서만 나타나는 소프트 포커스처럼 보입니다. 예를 들어 7월의 피닉스에 설치된 보안 카메라에서 나타나고 장치가 식으면 사라집니다. 이것이 이동성 잔류물의 특징입니다. 60°C에서 특정 플럭스 잔류물의 점도가 떨어져서 흐를 수 있게 됩니다. 또는 열이 가스 방출 속도를 기하급수적으로 증가시킵니다. 고장 분석실로 장치를 다시 가져갈 때쯤이면 잔류물이 다시 고체화되었거나 휘발성 물질이 분산되어 “재현 불가” 결론에 이르게 됩니다.

오염을 확인하려면 시스템에 스트레스를 가해야 합니다. 열 사이클링은 오염에 대한 가속 노화 과정으로 작용하여, 원래 6개월이 걸릴 이동을 6일 만에 강제로 발생시킵니다. 광학 검증 장치를 -40°C에서 +85°C 사이의 사이클로 운용하면서 이미지 품질을 모니터링하지 않는다면, 당신은 눈을 감고 비행하는 것과 같습니다.

세척의 역설

“무세척” 문제에 대한 논리적 반응은 계약 제조업체(CM)에게 보드를 세척하라고 요구하는 것입니다. “그냥 수성 세척기에 통과시키면 되잖아”라고 말합니다.

여기서 두 번째 함정이 열립니다. 보드를 세척하는 것은 고위험 작업입니다; 잘못하면 오히려 더 더럽게 만드는 것보다 못할 수 있습니다.

표준 인라인 세척 시스템을 상상해 보십시오. 뜨거운 물과 계면활성제(화학 비누)를 보드에 분사하여 플럭스를 용해시키고, 이온 제거수를 사용해 헹군 후 에어 나이프로 건조합니다. 완벽해 보입니다. 그러나 쑤저우나 과달라하라의 계약 제조업체 공장을 걸으며 세척 탱크를 보면, 라인 관리자가 비용을 절감하고 있다면 그 탱크는 용해된 플럭스로 포화되어 있을 수 있습니다. 이는 오염물 농축 용액으로 보드를 분사하는 더러운 물 욕조가 됩니다.

보드가 더러운 세척을 거치거나 헹굼수가 탁도를 모니터링하지 않으면 원래 플럭스보다 훨씬 교활한 잔류물이 생깁니다. 계면활성제는 표면 장력이 낮아 BGA나 QFN 같은 낮은 스탠드오프 부품 아래로 스며들기 쉽습니다. 일단 갇히면 에어 나이프로 건조할 수 없습니다. 결국 주요 프로세서 아래에 전도성 슬러지가 고이게 됩니다. 시간이 지나면 덴드라이트 성장, 즉 패드 사이에 자라서 단락을 일으키는 금속 수염이 발생합니다.

이는 “불량 렌즈” 탓하기 게임으로 이어집니다. 이미지에 얼룩이 보이면 렌즈 공급업체의 로트를 거부합니다. 그러나 장치를 분해하면 렌즈의 “곰팡이”가 실제로는 갇힌 세제 주머니에서 자라 PCB 표면을 가로질러 광학 경로를 침범한 덴드라이트일 수 있습니다. 포화된 세척 탱크는 제거하는 것보다 더 많은 오염물을 침착시키며, 청소할 수 없는 곳에 침착시킵니다.

광학을 위한 “청결” 재정의

이를 해결하려면 표준 산업용 지팡이에 의존하는 것을 멈춰야 합니다. IPC-610 Class 3는 광학 청결 기준이 아니라 작업 품질 기준입니다. 납땜 접합부가 반짝이는지, 부품이 곧은지 알려줄 뿐, 보드가 렌즈를 흐리게 할지 알려주지 않습니다.

전역 테스트에서 국부 테스트로 전환해야 합니다. 청결의 산업 표준은 ROSE 테스트(용매 추출 저항도)로, 보드를 용액에 담가 저항도 감소량을 측정합니다. 전체 표면의 평균 청결 점수를 제공합니다. 이는 광학에는 쓸모없습니다. 이미지 센서 바로 옆에 플럭스 얼룩이 하나 있어도 완벽히 깨끗한 보드일 수 있습니다. ROSE 테스트는 그 얼룩을 평균 내어 0으로 만들지만 센서는 이를 치명적인 결함으로 인식합니다.

해결책은 도면 주석에 “광학 청결”을 명시하는 것입니다. 이는 센서 주변의 중요한 영역에 대해 국부적인 이온 크로마토그래피(IC) 테스트를 요구하는 것을 의미합니다. 염화물, 브로마이드, 황산염 같은 특정 이온의 허용 한계를 구체적으로 명시하는 것이며, 단순한 “통과/실패”가 아닙니다. 세척 공정을 감사하여 탁도 센서가 작동 중인지, 세척 화학물질이 단순히 날짜가 아니라 보드 양에 따라 교체되는지 확인하는 것을 의미합니다.

“표준 공정”에 광학 시스템 보호를 의존할 수 없습니다. 표준 공정은 보는 것이 없는 것을 위해 설계되었습니다. 선명한 이미지를 원한다면 PCB를 단순한 회로가 아니라 광학 부품으로 취급해야 합니다.