보이지 않는 간극: 오븐보다 먼저 실패하는 페이스트의 이유

결함은 언제 보는지 알면 거의 항상 보이지만, 대부분의 공정 엔지니어들은 잘못된 시각에 보고 있습니다. 선을 따라 걷고, 프린터를 점검하며, 패드에 선명한, 정사각형의 침전물을 봅니다. 정의는 선명합니다. 용량도 정확합니다. SPI(솔더 페이스트 검사) 머신은 그에 대해 초록불을 켜죠. 그런데 20분 후, 같은 보드가 컨베이어를 지나 수 reflow 오븐을 나가면, 브릿지된 QFN이나 전력 FET 아래에 거대한 공극을 응시하게 됩니다.

즉각적인 본능은 리플로우 프로파일이나 스텐실 구경을 탓하는 것이지만, 범행은 오븐에서 일어난 것이 아닙니다. 보드가 컨베이어에 기다리던 10분 동안 일어난 일입니다.

이것을 '콜드 슬럼프'라고 부르며, 처음 통과 수율(FPY)의 조용한 살인자입니다. 기술적으로 액체인 솔더 페이스트는 열이 가해지기 전에 자신의 무게로 이완되고 퍼지기 시작합니다. 순수 연구 환경에서는 이 효과가 미미하지만, 실시간 공장에서는 습도 변동과 냉방이 리플로우 오븐의 열과 맞서기 때문에, 콜드 슬럼프는 날카로운 벽돌 모양의 침전을 잡아당기고, 예상치 못한 접합이 형성되어 버립니다. 보드가 예열 구역에 들어서기 전인 시점에는 이미 브릿지가 형성된 상태입니다. 프로파일 조정을 아무리 해도 이미 병합된 두 패드를 분리할 수 없습니다. 열이 문제인 것이 아니고, 상온에 놓인 페이스트 물리학이 문제입니다.

붕괴의 물리학

왜 페이스트가 아무것도 하지 않음에도 실패하는지 이해하려면, 재료 자체를 봐야 합니다. 솔더 페이스트는 단순한 접착제가 아닙니다. 금속 입자(파우더)가 화학적 이동체(플럭스) 속에 떠 있는 조밀한 현탁액입니다. 인쇄의 마법은 이 Thixotropy에 의존합니다. 스퀴지로 페이스트를 스텐실에 밀면, 전단력으로 인해 페이스트의 점도가 낮아지고, 개구부로 액체처럼 흐르기 시작합니다. 스퀴지가 지나가고 스텐실이 들어올 때, 전단력은 멈춥니다. 이상적으로는, 페이스트가 즉시 높은 점도를 회복하고 그 상태의 벽돌 모양을 '동결'해야 합니다.

하지만 회복은 결코 즉각적이지 않으며, 영구적이지도 않습니다. 플럭스 이동체는 항상 중력과 표면장력을 싸워야 합니다. 점도가 빨리 회복되지 않으면, 무거운 금속 입자—이것은 대부분 주석과 은임을 기억하세요—가 플럭스를 밖으로 끌어 내립니다. 이것이 슬럼프입니다: 느린 붕괴. 0.5mm 피치 QFP나 촘촘한 QFN 열 패드에서, 공간은 몇 밀리만큼밖에 없습니다. 페이스트가 딱 10%만 슬럼프하면, 그 틈이 사라집니다.

엔지니어들은 종종 스텐실을 재설계해서 이 문제를 해결하려고 합니다. 그들은 '홈 플레이트' 또는 '반전된 홈 플레이트' 구경을 요청하여 볼륨을 줄이고, 적은 양의 페이스트가 퍼지는 것을 기대합니다. 이는 물리 문제에 대한 엔지니어링용 임시방편입니다. 볼륨을 줄이면 더 적은 납이 조인트를 형성하므로, 말라붙음이나 약한 기계적 결합으로 이어질 수 있으며, 근본 문제를 해결하지 못합니다. 페이스트의 유변학이 망가졌다면, 작은 침전물도 여전히 슬럼프할 것이며, 다만 더 오래 걸릴 뿐입니다.

흡습 위협

이 유변학적 붕괴의 주요 원인은 보통 페이스트 조제 자체가 아니며—현대 SAC305 유형 4 페이스트는 화학적 견고함—보이지 않는 성분인 물입니다. 플럭스의 화학 성분은 자연스럽게 흡습성이 있으며, 공기 중 습기를 흡수하는 스펀지와 같습니다. 병이 열려 있거나 스텐실에 페이스트 덩어리를 방치하면, 적극적으로 공기 중의 수분을 끌어당깁니다.

이 흡수된 수분은 플럭스의 섬세한 화학적 균형을 깨뜨립니다. 이는 희석제로 작용하여 점도를 급격히 낮추고 슬럼프 저항력을 망가뜨립니다. 육안으로는 볼 수 없지만, 레이요미터는 항복응력(yield stress)이 급락하는 것을 보여줄 것입니다. 공장 온도가 70% 상대 습도(RH)로 유지되고, 비 오는 화요일에 시설 관리자가 기후 제어에 드는 비용을 절약하려고 한다면, 귀하의 페이스트는 데이터시트가 암시하는 것보다 기하급수적으로 악화될 것입니다.

그 결과는 브리징을 넘어서게 됩니다. 그 수분은 그냥 앉아 있다가 끓기 시작합니다. 보드가 리플로우 오븐에 도달하면, 페이스트 내부에 갇힌 수분은 즉시 증기로 변합니다. 이 미세 폭발은 솔더 파우더를 산산조각 냅니다. 간헐적인 '솔더 볼링' 또는 '중칩 비드'—커패시터 옆에 붙어 있는 작은 금속 구체—을 추적 중이라면, 리플로우 프로파일의 램프 속도를 살펴보지 마세요. 아마도 물이 끓고 있기 때문입니다. 증기는 조인트 내부에 공극을 만들고, 솔더 볼을 밖으로 분사합니다. 이는 온도 문제라고 생각하는 습기 문제와 싸우고 있는 것입니다.

차가운 체인 끊김

그러나 가장 심각한 취급 실수는 페이스트가 프린터에 도달하기 전, 즉 저장소에서 생산 라인으로 이동하는 과정에서 발생합니다. 납땜 페이스트는 부패하기 쉽습니다. 이는 4°C에서 저장되어 플럭스와 분말 사이의 화학 반응을 멈추기 위함입니다. 반응이 일어나면, 플럭스는 병에 보관된 동안 소모됩니다. 그러나 냉장 보관은 함정을 만듭니다.

‘나쁜 배치’의 타임라인을 고려하세요. 로그에 따르면 페이스트는 7:00에 냉장고에서 꺼냈으며 교대 시작 시간입니다. 결함인 대량 브리징과 공극 현상은 9:00에 나타나기 시작합니다. 작업자는 절차를 따른다고 주장합니다. 그러나 ‘페이스트 아웃’ 로그를 자세히 보면 병이 바로 열렸을 가능성이 있습니다. 25°C 방에 60% 습도에서 4°C 병을 열면, 냉수면에 즉시 응축이 형성됩니다. 마치 테라스 위의 차가운 맥주가 땀에 젖는 것처럼 — 그것은 동일한 물리학입니다. 그 응축수는 순수한 물이며, 이것을 바로 화학에 섞은 것입니다.

저장 장비 자체가 종종 원인입니다. 수백만 달러 규모의 SMT 라인 운영에 $90의 작은 냉장고를 이용하는 공장을 자주 볼 수 있는데, 이는 수만 달러 상당의 재고를 저장하는 데 사용됩니다. 이러한 가전제품은 열 히스테리시스가 심각합니다. 급격히 순환하며 때때로 페이스트가 얼기도 하고(이것은 플럭스 현탁액을 영구적으로 망가뜨립니다), 때로는 15°C까지 상승하게 둡니다. 페이스트가 얼면, 플럭스가 분리됩니다. 혼합하면 해결되지 않으며, 새 병에 분리 또는 ‘껍질’이 보이면 공급 업체가 아닌 냉장고를 확인하세요.

널리 퍼진 신화는 페이스트를 히터에 넣거나 강하게 혼합하면 ‘빠른 템퍼링’이 가능하다고 주장하지만, 이는 사실이 아닙니다. 페이스트를 안전하게 템퍼링하는 유일한 방법은 냉장고에서 꺼내 밀봉 상태로 실온에 최소 네 시간에서 여덟 시간 동안 두는 것입니다. 미리 계획을 세우지 못했고 페이스트가 필요하다면 이제, 운이 없습니다. 일찍 씰을 뜯는 것은 수분 섭취를 보장합니다.

바닥 긁기

수율의 최종 적은 인색함을 잘못 사용하는 것에 있습니다. 납땜 페이스트는 비용이 비싸서 종종 킬로그램당 수백 달러입니다. 이로 인해 관리자와 작업자는 이를 액체 금과 같이 여기며, 모든 그램을 절약하려 합니다. 작업자가 스퀴지의 가장자리에서 건조되고 딱딱한 페이스트를 긁어내 다시 병에 넣거나, 신선한 페이스트와 섞는 것을 볼 수 있습니다.

이 ‘스크레이퍼의 경제학’은 수학적으로 파산적입니다. 사용된 페이스트는 몇 시간 동안 공기에 노출되어 있습니다. 그 플럭스는 소모되었고, 점도는 망가졌으며, 수분과 산화에 노출되어 있습니다. 다시 섞을 경우 신선한 재료를 오염시키게 됩니다. 비율을 고려하세요: 낭비된 50그램의 페이스트는 아마도 3달러입니다. 하나의 재가공된 BGA 보드는 기술자 시간으로 50달러이고 전체 PCBA를 버릴 위험도 있습니다. 3달러를 아끼기 위해 50달러를 위험에 빠뜨린다면, 돈을 절약하는 것이 아닙니다.

이와 유사하게, 유통기한 연장에 대한 지속적인 압력이 존재합니다. ‘지난주에 만료되었는데 아직 사용할 수 있나요?’ 답은 항상 아니어야 합니다. 플럭스의 화학적 분해는 권장 사항이 아니며 현실입니다. 만료일이 지난 후로 균열과 개방된 조인트의 위험이 매일 증가합니다. 이 질문을 하고 있다면, 재고 관리에 문제가 있으며 만료일이 문제가 아닙니다.

규율이 해결책이다

냉동 침하와 ‘미스터리’ 결함에 대한 해결책은 새롭고 값비싼 합금이나 나노코팅 스텐실이 아닙니다. 지루하더라도 엄격한 규율이 답입니다. $20 온도계와 습도계를 구입하여 프린터 옆에 바로 놓는 것, 냉장 보관에서 제거된 페이스트의 ‘열지 않음’ 엄격한 시간 준수, 그리고 스탬플에 너무 오래 있었던 페이스트를 버리도록 작업자에게 권한을 부여하는 것 등이 핵심입니다.

공정 제어는 재료 과학보다 우선합니다. 세계에서 가장 비싸고 침하에 강한 Type 5 페이스트를 사용할 수 있지만, 만약 그것을 진흙처럼 다루거나, 젖게 하거나, 24시간 방치한다면 실패할 것입니다. 반면, 규율 있는 라인은 표준 SAC305를 제어된 환경에서 사용할 수 있으며 거의 결함 없는 성과를 얻을 수 있습니다. 페이스트는 보통 잘 작동됩니다. 환경이 이를 허용하는지 확인하세요.