무-세척 플럭스 위의 콘포멀 코팅 실패 시

공장에서 반환된 산업용 컨트롤러는 익숙한 이야기를 들려줍니다. 마지막 검수 시에는 결함이 없던 컨포멀 코팅이 습한 환경에서 몇 달이 지나면서 도전성 경로의 웹을 형성합니다. 트레이스 사이에 수상돌기 성장 거미줄이 생기고, 보호막 아래서 부식이 피어나며, 이러한 실패의 공통된 원인은 코팅 그 자체가 아니라 그 아래에 존재하는 잔여물입니다: 클린 플럭스의 잔여물이 코팅 전에 남아 있었던 것입니다.

클린 플럭스를 아크릴 또는 유레탄 콘포멀 코팅과 결합하면 습한 조건에서 예측 가능한 실패 모드를 만듭니다. 이것은 재질 결함이나 서투른 도장 방식이 아니라, 근본적인 화학 반응의 결과입니다. 클린 플럭스는 이온 잔여물을 남기기 위해 설계되었습니다. 코팅 아래 밀봉되고 습기에 노출되면, 이러한 불활성 침전물은 활성 전기화학적 부위가 됩니다. 조립품을 보호하는 대신, 코팅은 오염된 표면에 수분을 가두어 도리어 분해를 가속화합니다.

이 메커니즘을 이해하려면, 플럭스 잔여물의 행동과 일반 코팅 재료의 특성을 면밀히 살펴봐야 합니다. Bester PCBA에서는 습기에 노출된 조립품의 RMA 비율이 잔여물 관리 시 60% 이상 감소하는 것을 목격했습니다. 전에 코팅. 이것은 단순한 인식에서 출발합니다: “클린 잇”은 납땜 분류이지, 코팅 호환성의 보장은 아닙니다.

보이지 않는 고장 메커니즘

문제는 생산 과정 중에 드러나지 않습니다. 새로 코팅된 조립품은 전기적 테스트를 거쳐 절연 저항에 이상이 없습니다. 현미경으로 보면 코팅은 균일하게 보입니다. 실패는 조립품이 최종 사용 환경에서 작동할 때, 온도 변화와 주변 습기가 표면 아래에 갇힌 잔여물을 활성화시키면서 발생합니다.

수분은 코팅 자체를 통해 침투합니다. 최고의 콘포멀 코팅도 수증기 차단을 완벽히 하는 것은 아니며, 아크릴은 사용하기 쉽고 수증기 투과율이 높아 물 분자가 고분자 매트릭스에 확산됩니다. 강인함으로 유명한 유레탄은 덜 투과하지만 여전히 밀폐되지 않으며, 시간이 지남에 따라 특히 습한 환경이나 열변화가 많은 환경에서는 수분이 반드시 코팅과 PCB 사이의 인터페이스에 도달하게 됩니다.

그 인터페이스에서 수분은 플럭스 잔여물과 접촉합니다. 활성제와 로진 운반체가 일부 휘발된 이 잔여물들은 친습성입니다—즙수성을 띄어 수분을 흡수하여 국소 전해질을 만듭니다. 조립품에 전원이 연결되어 있으면, 인접한 도체 사이에 전기장이 존재합니다. 전해질은 이온이 이동할 수 있는 전도 매질을 제공합니다. 전기화학 반응은 양극에서 시작되며, 구리 트레이스 또는 납 마감에서 금속이 용해됩니다. 음극에서 이온은 환원되어 금속성 수상돌기로 침전되며, 전기장 선을 따라 성장하여 도체를 연결하거나 쇼트회로를 유발합니다.

이것을 방지하지 못할 뿐만 아니라, 오히려 악화시킵니다. 잔여물을 기판에 밀봉함으로써, 코팅은 건조 주기 동안 수분이 증발하는 것을 막습니다. 오염된 영역은 무코팅 조립품보다 훨씬 오랫동안 젖어 있으며, 이로 인해 전기화학 반응이 계속 진행됩니다. 맨드레일이 없는 회로기판에 비해, 잔여물과 습기를 잡아두는 코팅은 거의 확실히 실패 위험을 높입니다.

이온 잔류물이 코팅 아래에 농축되는 이유

리플로우 납땜 중에 문제가 시작됩니다. 플럭스는 하나의 역할을 합니다: 금속 표면의 산화를 제거하여 용융된 납이 적절한 결합을 형성할 수 있도록 하는 것. 노클린 플럭스는 약한 유기산을 사용하며, 때로는 할로겐 활성제를 첨가하여 이를 수행합니다. 리플로우 동안, 이러한 산들은 구리 산화물 및 기타 오염물과 반응하여 용해성 금속염을 형성합니다.

완벽한 리플로우 사이클에서 이 반응 생성물과 플럭스 매개체는 대부분 240~250°C의 최고 온도에서 증발할 것입니다. 남는 것은 일반적인 작동 조건에서 무해하도록 설계된 잔류물입니다. 이것은 주로 로진 또는 폴리머 필름 형성제, 무거운 유기산, 그리고 미량의 이온 종으로 구성되어 있습니다.

핵심 단어는 미량. 무세척 플럭스 잔류물은 이온이 없는 것이 아닙니다. 유기산으로부터 유기 음이온, 플럭스 성분과 복합된 금속 양이온, 그리고 사용될 경우 할라이드 이온을 포함하고 있습니다. 총 이온 부하는 보통 무코팅 보드에서는 문제가 되지 않을 만큼 낮지만, 0은 아닙니다. 컨포멀 코팅을 적용하면 이 미량 이온들이 제자리에 밀봉되어 보드-코팅 인터페이스에 집중됩니다.

불활성 잔류물에서 활성 오염물질로의 전환은 수분이 코팅을 통과하면서 시작됩니다. 수분 분자는 이온 종을 용해시켜 얇은 전해질 필름을 형성하는데, 이 필름은 나노미터 두께에 불과할 수 있지만 충분히 작동합니다. 전원이 공급된 트레이스에서 나오는 전기장이 이온 이동을 촉진합니다. 애노드의 구리는 구리 양이온으로 용해되어 전해질을 통해 캐소드로 이동하며, 그곳에서 금속 구리로 석출됩니다. 이 석출은 균일하지 않고, 가장 높은 전장 강도를 따르며 가지 모양의 덴드리트 구조를 형성합니다. 할라이드 이온이 존재하면, 매우 용해도가 높은 구리-할라이드 복합체를 형성하여 이 과정을 가속화합니다.

코팅이 없는 보드에서는 이 과정이 전해질이 건조되면서 자연스럽게 제한됩니다. 하지만 코팅 아래에서는 수분이 갇히게 되고, 전해질은 지속됩니다. 보드에 전원이 공급되고 습도가 충분히 높으면, 덴드리트는 계속해서 성장하여 도체 간의 간극을 메우고 조립이 실패할 때까지 계속됩니다.

재질 취약성: 아크릴 vs 유레탄

모든 코팅이 동일한 민감도를 가지는 것은 아닙니다. 플럭스 잔류물과 수분 간의 상호 작용은 코팅의 투과성, 오염된 표면에 대한 접착력, 그리고 환경 스트레스에 대한 반응에 크게 의존합니다.

아크릴 코팅은 열가소성 폴리머로, 적용과 재작업이 용이하다는 점에서 높이 평가됩니다. 또한 가장 투과성이 높은 코팅 중 하나로, 수증기 전달률이 하루에 제곱미터당 20~50그램입니다. 이는 수분이 빠르게 PCB 표면으로 이동함을 의미합니다. 접착력도 두 번째 취약점입니다. 아크릴은 기계적 맞물림과 약한 반 데르 발 강력을 통해 결합되지만, 플럭스 잔류물은 강한 결합을 방해하는 오염층을 만듭니다. 초기에는 잘 보일 수 있지만, 열 순환이나 기계적 스트레스로 인해 박리될 수 있으며, 이 틈은 더 두껍고 전도성이 높은 전해질 층으로 채워져 부식을 가속화하고 덴드리드 성장을 촉진합니다.

유레탄 코팅은 강직한 열경화성 폴리머로, 마모와 수분에 대한 탁월한 저항성을 갖추고 있으며 전달율은 하루에 5~15 g/m²입니다. 이는 도움이 되지만, 유레탄은 다른 실패 모드를 도입하기도 합니다. 강성 탄성 계수와 열팽창 계수가 PCB 기판과 다르기 때문에, 깨끗한 표면에서는 열 순환의 스트레스를 견딜 수 있지만, 플럭스 잔류물 위에서는 접착력이 약해집니다. 열 스트레스로 인해 강직한 코팅이 균열하거나 박리될 수 있으며, 균열은 수분이 오염된 인터페이스를 따라 위쪽으로 흡수되어 코팅의 낮은 투과성을 우회하며, 부식과 덴드리드 성장을 집중시키는 영역을 만듭니다.

기타 재료들은 다르게 행동합니다. 실리콘 코팅은 매우 투과성이 높지만 ‘숨을 쉬는’ 성질이 있어 수분이 들어오는 것만큼 쉽게 빠져나가 인터페이스에 축적되지 않도록 합니다. 파릴렌은 증기로 코팅되어 매우 얇고, 적합한 형상이며, 낮은 투과성을 가지지만, 핀홀 또는 잔류물 포장 방식에 따라 성능이 저하될 수 있습니다. 두 소재 모두 면역력이 없지만, 실패 메커니즘은 아크릴과 유레탄과는 다릅니다.

도장 전 청소 결정

해결책은 프로세스 결정입니다: 어느 시점에서 무세척 조립체의 이온 오염이 컨포멀 코팅에 부적합해지나요? 답은 플럭스, 리플로우 프로필, 코팅 재료, 서비스 환경에 따라 달라집니다.

오염도를 정량화하려면 시험이 필요하며, 육안 검사로는 쓸모가 없습니다. 보드가 깔끔하게 보여도 실패를 일으킬 만큼 충분한 이온 함유량을 포함할 수 있습니다. 가장 일반적인 방법은 용매 추출 저항률(ROSE) 시험으로, 보드를 세척하는 데 사용되는 용매의 전도도를 측정합니다. 결과는 나트륨 클로라이드 등가량(예: µg NaCl/cm²)으로 표현됩니다. 더 정밀한 진단을 위해 이온 크로마토그래피를 사용하여 특정 이온 종 및 농도를 파악할 수 있습니다.

허용 가능한 오염 수준은 코팅에 따라 다릅니다. 현장 경험과 가속 시험에 따르면, 무세척 플럭스 위의 아크릴 코팅은 이온 오염이 1.56 µg/cm² NaCl 등가를 넘으면 습한 환경에서 실패하는 경우가 종종 있습니다. 유레탄은 더 높은 수준, 약 2~3 µg/cm²까지 견딜 수 있는데, 이는 투과성 낮기 때문입니다.

세척 결정은 이러한 임계값에 의해 좌우됩니다. 낮은 잔류물 플럭스를 사용하는 잘 통제된 공정으로 오염이 선택한 코팅의 한계를 넘지 않도록 유지한다면, 세척은 필요 없을 수 있습니다. 그러나 불완전한 리플로우 프로필, 고활성 할라이드 플럭스 사용, 잔류물이 가둬지는 복잡한 보드 형상과 같은 요인들은 모두 세척이 필요하다는 신호입니다. 의심스러울 때나, 고습 환경이 예상될 때는, 코팅 전에 세척하는 것이 가장 신뢰할 수 있는 방법입니다.

잔류 trap 제거를 위한 설계

예방이 교정보다 낫다. 코팅보다 훨씬 이전에 이루어진 공정 설계 선택은 실패로 이어질 수 있는 조건을 최소화할 수 있다.

플럭스 잔류물은 고르게 퍼지지 않는다. 대형 부품 아래에 모이고, 미세 간격 핀 사이의 간극에 끌어들여지며, 재흐름 동안 공기 흐름이 좋지 않은 모서리 부근에 집중된다. 이것이 이온 오염의 핫스팟이다. 한 방법은 이러한 고위험 구역에 마스킹을 하는 것이다. 또 다른 방법은 선택적 코팅으로, 보드의 민감한 영역만 보호하고 잔류량이 많은 영역은 코팅하지 않는 것이다. 이는 오염물 트래핑 위험을 줄이지만, 보호되지 않은 영역이 취약하지 않도록 신중한 분석이 필요하다.

보드 배치 역시 중요한 역할을 한다. 대형 부품을 배치하여 플럭스 그림자를 최소화하고 부품 간의 적절한 간격을 확보하는 것은 잔류물 농도를 극적으로 낮출 수 있다. 이러한 설계-제조 용이성 선택은 코팅 조립체의 장기 신뢰성에 직접적인 영향을 미친다.

도장 후 검사: 문제 발견 및 출하 전에 해결하기

엄격한 공정 통제에도 검증은 필수적이다. 후속 코팅 검사는 적절한 적용 여부를 확인하고, 트랩된 오염물의 흔적을 찾는다.

트랩된 잔류물은 종종 육안으로 확인 가능한 단서를 남긴다. 얼룩지거나 '주황빛 껍질' 텍스처는 오염된 부위 위의 불완전한 습윤을 나타낼 수 있다. 기포, 공극, 또는 미묘한 색상 변화도 접착 불량 신호일 수 있다. 특히 형광 코팅이 적용된 UV 광을 사용하는 AOI(자동광학검사) 시스템은 이러한 결함을 잡아내기 뛰어나다.

하지만 육안 검사는 전기화학적 위험을 측정할 수 없다. 이를 위해서는 전기적 검사가 필요하다. 습기 노출 후 인접 전도체 간의 절연 저항이 급격히 낮아지는 것은 명확한 위험 신호다. 표면 절연 저항(SIR) 검사는 가장 결정적인 데이터를 제공한다. 일정한 편향 전압을 시험 패턴에 가하고, 고온 고습(일반적으로 85°C/85% RH) 환경에서 실시하면 SIR 검사는 가속화된 시간 내에 필드 실패 모드를 시뮬레이션할 수 있다. 저항의 꾸준한 감소는 트랩된 오염물이 활발히 작용하고 있으며, 조립체가 곧장 고장이 임박했음을 보여준다.

이러한 검사(procedure)—육안 검사, 절연 저항 테스트, 그리고 SIR 검증—를 통합하는 것이 불량품이 출하되기 전에 오염 관련 결함을 잡아내는 가장 효과적인 방법이다. Bester PCB에서는 새로운 플럭스 또는 코팅 공정을 위한 SIR 검사를 필수로 하는 것이 까다로운 환경에서의 필드 신뢰성 예측에 최고의 방법임이 입증되었다.