보이지 않는 살인자: 왜 “합격” 보드가 현장에서 고장 나는가

당신은 아마도 생산 현장에 서서 갓 제작된 PCB 트레이를 보고 완벽해 보인다고 생각했을 것입니다. 납땜 접합부는 밝고 반짝였습니다. 필렛은 IPC-A-610 클래스 3 시각 기준을 충족했습니다. 품질 관리자는 배치가 청결도 테스트를 통과했다는 보고서도 건네주었습니다. 그런데도 3개월 후, 같은 보드들이 현장에서 고장 나거나 불규칙하게 작동하거나 사양서가 허용하는 것보다 세 배 빠르게 배터리를 소모하며 돌아오고 있습니다.

이것이 현대 전자 제조의 중심 역설입니다: 보드는 시각적으로 완벽하고 업계 표준에 “적합”할 수 있지만, 화학적으로는 부패하도록 운명 지어져 있습니다.

고신뢰성 시스템이 간헐적으로 고장 날 때—벤치 테스트에서는 사라지지만 습한 환경에서 다시 나타나는 “결함 없음” 반품 유형—원인은 거의 끊어진 회로나 불량 칩이 아닙니다. 그것은 거의 항상 눈에 보이지 않습니다. 보드의 그림자 속, 부품 아래에 갇힌 이온성 오염물입니다. 전통적인 제조 결함과 싸우는 것이 아닙니다. 물리학과 싸우는 것입니다. 그리고 당신의 전략이 시각 검사나 전체 청결도 평균에 의존한다면, 물리학이 이길 것입니다.

누설의 물리학

이러한 고장이 왜 발생하는지 이해하려면 “청결”을 미적 특성으로 생각하는 것을 멈추고 전기적 사양으로 생각하기 시작해야 합니다. 납땜 과정의 부산물인 플럭스 잔류물은 단순한 먼지가 아닙니다. 적절한 조건에서 전도성이 되는 화학적 칵테일입니다.

메커니즘은 단순하고 잔인합니다. 대부분의 현대 플럭스는 “무세척”으로 설계되어 잔류물이 무해해야 합니다. 건조하고 기후가 제어된 서버룸에서는 종종 그렇습니다. 하지만 플럭스 잔류물은 흡습성이 있어 공기 중의 수분을 흡수합니다. 그 수분과 잔류물 내 이온성 염을 결합하고 전압 바이어스를 가하면 전해 전지가 생성됩니다.

전류가 누설됩니다. 나노암페어 범위에서 시작할 수 있는데—심한 단락을 일으키기에는 너무 작지만 민감한 회로에는 큰 피해를 줍니다. IoT 장치나 의료용 임플란트를 설계한다면, 이곳이 전력 예산이 소진되는 곳입니다. 장치가 2년 대신 6개월만 지속되었다고 배터리 공급업체를 탓할 수 있지만, 배터리는 괜찮았습니다. 보드는 단지 젖은 플럭스의 전도성 필름을 통해 기생 부하를 소비하며 시스템을 서서히 고갈시키고 있었습니다.

더 심각한 경우, 이 누설은 전기화학적 이동으로 발전합니다. 금속 이온이 양극에서 용해되어 음극 쪽으로 이동하며 덴드라이트라고 불리는 고사리 모양의 구조로 도금됩니다. 저는 석유 시추 장비에 사용되는 고전압 센서의 코팅 아래에서 이러한 덴드라이트가 자라는 것을 본 적이 있습니다. 엔지니어들은 코팅이 보드를 보호할 것이라 생각했지만, 더러운 표면 위에 코팅을 했습니다. 코팅은 수분을 차단하지 않고 이온 오염물을 보드에 가두어 덴드라이트 성장을 위한 압력 온실을 만들었습니다. 결국 코팅이 박리되고 반응이 가스를 방출하며 부풀어 오르면서 센서가 단락되었습니다. 코팅은 더러운 공정을 위한 임시방편이 아닙니다. 표면이 먼저 화학적으로 중성이 아니면 코팅은 실패를 가중시키는 힘일 뿐입니다.

평균의 오류 (왜 ROSE는 죽었는가)

수십 년 동안 업계는 이러한 문제를 발견하기 위해 ROSE(용매 추출 저항도) 테스트에 의존해 왔습니다. 보드를 용액에 담그고 저항도 변화를 측정하여 조립체의 평균 청결도를 나타내는 숫자를 얻습니다. NaCl 등가물로 1.56 µg/cm² 미만이면 합격입니다.

이 방법은 공룡 같은 구식입니다. 부품이 크고 간격이 넉넉하며 세척액이 전체 표면을 쉽게 씻어낼 수 있는 관통홀 기술을 위해 개발되었습니다. QFN(쿼드 플랫 논리드)과 0201 수동 부품이 장착된 현대의 고밀도 보드에 ROSE를 적용하는 것은 무용지물을 넘어 위험합니다.

기하학을 보십시오. ROSE 테스트는 보드 전체 표면적에 걸쳐 오염을 평균화합니다. 거의 모든 곳이 오염이 전혀 없는 완벽한 보드가 있을 수 있지만, 단 하나의 48핀 QFN 아래에 활성 플럭스가 대량으로 집중되어 있을 수 있습니다. 테스트가 그 급증을 보드 전체에 평균화하기 때문에 최종 수치는 낮게 나옵니다. 보고서에는 “통과”가 표시됩니다. 그 사이에 그 QFN은 할라이드 웅덩이에 앉아 첫 번째 습한 날을 기다리며 단락을 일으킬 준비를 하고 있습니다.

표준 한계치는 종종 훨씬 낮은 민감도의 시절에서 그대로 적용됩니다. 1.0 µg/cm² 값은 토스터기에는 괜찮을 수 있지만, 고주파에서 작동하는 자동차 레이더나 마이크로볼트 신호를 감지하는 심장 박동 조율기에는 치명적입니다. 고밀도 설계를 인증하기 위해 전체 평균에 의존하는 것은 병원 전체의 평균 온도를 확인하여 한 환자가 열이 있는지 판단하는 것과 같습니다. 이는 국부적인 현실을 가립니다.

지역화된 포렌식: 유일한 진실

오염을 국부적으로 측정할 수 없다면 추측하는 것입니다. 초저 누설 설계의 신뢰성을 보장하려면 C3(중요 청결 제어)나 국부 이온 크로마토그래피(IC)와 같은 도구를 사용하여 전체 평균에서 국부 법의학으로 전환해야 합니다.

이 과정은 외과적입니다. 전체 보드를 양동이에 씻는 대신, 이 시스템들은 작은 노즐을 사용해 특정 부품—예를 들어 의심되는 QFN이나 밀집된 BGA 클러스터—에 정확한 양의 추출액을 분사합니다. 액체는 그곳에 머물며 패드 사이에 갇힌 잔류물을 녹이고, 다시 빨아들여 분석합니다.

결과는 종종 충격적입니다. 전체 ROSE 테스트에서 0.2 µg/cm²로 편안해 보였던 생산 라인을 감사했는데, 전력 관리 IC에 대한 국부 추출에서는 황산염과 브로마이드가 15 µg/cm²에 가까운 수준으로 나타났습니다. 이것이 결정적인 증거입니다. 신뢰할 수 있는 제품과 현장 리콜의 차이입니다.

현재뿐만 아니라 미래도 검증해야 합니다. 여기서 표면 절연 저항(SIR) 테스트가 등장합니다. SIR은 보드의 기하학적 구조를 모방하도록 설계된 빗살무늬 패턴의 테스트 쿠폰을 사용합니다. 이 쿠폰들을 열, 습도, 전압 바이어스에 수 주간(종종 500시간 이상) 노출시킵니다. 저항이 떨어지면 플럭스, 세척, 베이크 공정이 전도 경로를 만들고 있다는 것을 알 수 있습니다.

이 결과를 분석할 때는 일반적인 “먼지”를 찾는 것이 아닙니다. 특정 이온을 찾는 것입니다. 염화물과 브로마이드는 보통 플럭스 활성제에서 유래하는 공격적인 유해 물질입니다. 황산염은 수도물 헹굼이나 골판지 포장에서 오는 경우가 많습니다. 나트륨은 사람의 땀에서 올 수 있습니다. 무엇이 어떤 오염물인지—과잉 세척에서 온 황산염, 잉크 잔류의 유기산, 또는 라미네이트에서 온 브로마이드—를 알려줍니다. 이러한 세부 정보는 근본 원인 분석에 필수적이며, 프로세스가 청결하다는 것을 명확히 입증하는 데 필요합니다. 보드에 있다는 것은 어디에서 공정이 실패했는지를 알려줍니다.

후회의 화학

이 문제를 해결하려면 종종 “노클린” 플럭스에 대한 어려운 대화가 필요합니다. 마케팅 용어인 “노클린”은 전자 역사상 가장 성공적인 속임수 중 하나입니다. “그냥 두면 괜찮다”는 의미를 내포합니다. 더 정확한 명칭은 “저잔류, 고위험”일 것입니다.

소비자용 장난감이나 건조 환경의 표준 디지털 로직에는 “노클린”이 충분히 적합합니다. 하지만 고신뢰성, 저누설 회로에는 그 잔류물이 부담입니다. 문제는 “노클린” 보드를 물로 단순히 헹굴 수 없다는 점입니다. 이 수지는 물에 녹지 않도록 설계되었습니다. 순수 DI 물로 세척하면 제거되지 않고, 운반체만 부분적으로 용해되어 원래 잔류물보다 훨씬 나쁜 흰색 전도성 슬러지가 남게 됩니다.

현대 보드를 청소하려면 화학이 필요합니다. 비누화제—플럭스 잔류물과 반응하여 수용성으로 만들어 저스탠드오프 부품 아래에서 씻겨 나가도록 하는 특수 세정제가 필요합니다. 기하학적 함정을 극복해야 합니다. 부품의 스탠드오프 높이가 25 마이크론이라면, 표면 장력이 높은(72 다인) 물은 그 틈새를 침투하기 어렵습니다. 표면 장력이 낮은 세정액과 세정액을 밀어 넣고, 결정적으로 폐기물을 끌어내는 기계적 에너지(분사 또는 초음파)를 추가하는 세척 공정이 필요합니다.

신뢰성은 선택이다

항상 이에 반대하는 목소리가 있습니다. 그들은 국부 테스트가 너무 느리거나 사포니파이어를 사용하는 세척 사이클 추가가 너무 비용이 많이 든다고 말할 것입니다. 그들은 계산을 잘못하고 있습니다.

그들은 세척액과 기계 시간 비용만 계산하고 있습니다. 열대 지방에서 주력 제품이 실패했을 때 명성 타격 비용을 무시하고 있습니다. 에어컨을 켜면 사라지는 “유령” 오류를 해결하기 위해 엔지니어를 고객 현장에 보내는 비용도 무시하고 있습니다. 물리는 생산 일정과 협상하지 않습니다. 보드에 이온이 남아 있고 경로와 바이어스를 제공하면 이온은 움직입니다. 공장에서 보드를 출하하기 전에 제거할지, 고객 손에서 제품을 망가뜨릴 때까지 기다릴지 선택할 뿐입니다.