숨겨진 덜컹거림: RF 모듈의 언더캔 솔더 비딩 문제 해결

RF 제조 라인에서 가장 위험한 소리는 픽 앤 플레이스 기계 소리에 묻혀 들리지 않는 소리입니다: 밀가루 알갱이보다 작고 밀봉된 RF 쉴드 내부에서 자유롭게 구르는 미세한 납땜 구슬의 미세한 덜컹거림입니다.

생산 라인에서 이 유닛은 모든 전기 테스트를 통과합니다. 저잡음 증폭기(LNA)는 완벽하게 작동합니다. 임피던스도 맞습니다. 보드는 출하되어 텔레매틱스 유닛이나 자동차 레이더 모듈에 설치되고 세상 밖으로 나갑니다. 차량이 포트홀을 지나거나 온도가 영하로 떨어질 때까지는 '완벽한' 유닛처럼 보입니다. 그때, 주석-은-구리 합금의 작은 구슬이 움직입니다. 0201 커패시터와 쉴드 벽 사이에 끼거나 QFN의 두 핀을 연결합니다. 모듈은 즉시 고장 나거나, 더 나쁘게는 기능이 간헐적으로 사라졌다 나타납니다.

이것은 이론적인 고장 모드가 아닙니다. 쉴드된 영역에 표준 조리개 디자인을 사용하는 공정이라면 기계적으로 불가피한 현상입니다. 이 메커니즘은 즉각적이지 않기 때문에 속임수 같습니다. 느슨한 구슬은 몇 달 동안 기판의 '안전한' 영역에 무해하게 머무를 수 있습니다. 죽음의 위치로 이동하려면 에너지가 필요합니다. 진동 테스트에서는 구슬이 아무 것도 단락시키지 않고 춤출 수 있습니다. 하지만 현장에서는 진동과 열 팽창의 조합이 고장으로 가는 결정론적 경로를 만듭니다. 구슬은 단순히 구르는 것이 아니라 밀려납니다.

현재 구슬이 즉시 단락을 일으키거나 전혀 그렇지 않을 것이라고 가정할 수 있지만, 이는 밀봉된 캔 내부의 물리를 너무 단순화한 것입니다. RF 쉴드 아래 환경은 표준 납땜 표면 장력과 세척 유체 역학 규칙이 적용되지 않는 독특한 미기후입니다. 쉴드 아래 영역을 보드의 나머지 부분처럼 취급하면 시한폭탄을 설계하는 것입니다.

열 펌핑 스테이션

이러한 고장은 현장 배치 후, 특히 겨울/여름 주기 후에 급증하는 경우가 많습니다. 이는 열 팽창 계수(CTE) 불일치 때문입니다. 당신은 라미네이트 보드(FR4 또는 Rogers 4000 시리즈), 금속 쉴드 프레임(종종 니켈-은 또는 주석 도금 강철), 그리고 이들을 연결하는 납땜 접합부를 다루고 있습니다. 이 재료들은 서로 다른 비율로 팽창하고 수축합니다. 차량이 -40°C의 차고에서 +125°C의 작동 부하로 주기할 때 쉴드 프레임은 휘어집니다. 단순히 바깥쪽으로 팽창하는 것이 아니라, 스탬프된 기하학에 따라 휘고 굽어집니다.

이 휨은 펌핑 작용을 만듭니다. 납땜 구슬이 프레임 근처 플럭스 잔류물에 갇혀 있다면, 반복되는 팽창과 수축이 느린 빗자루처럼 작용합니다. 사이클마다 구슬을 저항이 가장 적은 경로로 밀어냅니다. 조밀한 RF 레이아웃에서 그 경로는 종종 부품 스탠드오프 바로 아래로 이어집니다. 반송된 유닛의 단면을 보면 납땜 구슬이 단순히 커패시터에 닿아 있는 것이 아니라, 쉴드 벽의 열 움직임이 기계적으로 구슬을 아래로 밀어 넣어 구슬을 납작한 전도성 심으로 눌러 단자를 단락시킨 경우를 보았습니다. 고장은 무작위가 아니며, 조립 물리는 구슬을 제자리에 펌핑했습니다.

일부 신뢰성 엔지니어는 모든 것을 언더필 또는 스테이킹 화합물로 고정하여 해결하려고 합니다. 부품을 접착하면 구슬이 움직이지 않을 것이라고 가정합니다. 이는 고주파 RF 응용에서 종종 실수입니다. 스테이킹 화합물을 추가하면 조정된 회로 주변의 유전율이 변해 보호하려는 필터나 증폭기가 탈조정됩니다. 게다가 언더필이 완벽하게 무공극이 아니면, 에폭시와 쉴드 간 CTE 불일치가 동일한 열 주기 동안 부품을 패드에서 떼어낼 수 있습니다. 공정 결함을 접착제로 해결할 수 없습니다.

궁극적으로 열 팽창 물리는 느슨한 전도성 입자에 항상 이깁니다. 구슬이 캔 내부에 존재한다면, 충분한 시간이 지나면 고장 확률은 100%에 가깝습니다. 유효한 신뢰성 전략은 구슬이 처음부터 형성되지 않도록 하는 것뿐입니다.

검사의 착각

제조업에는 품질을 검사로 확보할 수 있다는 만연한 신화가 있습니다. 캔 아래 결함에 대해서는 객관적으로 거짓입니다. 2D X선이나 5DX(3D X선)조차도 이러한 구슬을 신뢰성 있게 잡아내지 못합니다. X선 시스템은 접지면에 무해하게 놓인 납땜 구슬과 쉴드 캔의 수직 벽에 붙은 구슬을 구분하기 어렵습니다. 둘 다 그레이스케일 이미지에서 어두운 원처럼 보입니다. 모든 잠재적 구슬을 잡으려 임계값을 엄격히 하면 오탐률이 급증해 작업자가 기계를 무시하기 시작합니다. 임계값을 완화하면 결함이 출하됩니다. 쉴드 자체는 빛에 대한 패러데이 케이지이자 X선에 혼란스러운 인공물입니다.

세척도 마찬가지로 효과적이지 않습니다. 우리는 종종 공정 엔지니어들이 인라인 수성 세척기의 압력을 높여 구슬을 날려버리려는 것을 봅니다. 그러나 리플로우된 납땜 구슬은 끈적한 플럭스 잔류물에 의해 고정되어 있는 경우가 많습니다. 이를 떼어내려면 세척 유체가 직접 충격을 가해야 하는데, RF 쉴드가 이를 방해합니다. 표준 쉴드의 통풍구는 열 배출용으로 설계되었으며 유체 역학용이 아닙니다. 고압 세척 제트는 단순히 캔 뚜껑에서 튕겨 나갑니다. 더 나쁘게는 세척수가 캔 내부로 들어가 일부 플럭스를 용해시키고 완전히 배수되지 않아 나중에 덴드리틱 성장으로 건조되는 전도성 수프 웅덩이를 남깁니다. 단단한 단락 대신 부드러운 누설 전류를 교환하는 셈입니다.

가끔 납땜된 프레임 대신 스냅온 실드 클립을 사용하는 설계를 볼 수 있습니다. 이는 캔을 끼우기 전에 보드를 세척하고 검사할 수 있다는 주장입니다. 이 방법은 검사 문제를 해결하지만, 납땜된 프레임에는 없는 RF 누설 문제와 진동 위험을 초래합니다. RF 성능이 납땜된 프레임을 요구한다면, 그 아래 영역을 효과적으로 세척하거나 검사할 수 없다는 점을 받아들여야 합니다. 즉, 눈을 감고 비행하는 셈입니다.

조리개 다이어트: 스텐실 디자인이 유일한 해결책

실드 아래 납땜 비딩의 근본 원인은 거의 항상 과도한 솔더 페이스트 양입니다. 해결책은 스텐실 개구부 설계에 있으며, 특히 실드 프레임의 큰 접지 패드와 그 안에 포함된 수동 부품 두 영역에 집중됩니다.

실드 프레임의 큰 접지 패드에 페이스트를 인쇄할 때 1:1 개구부 개방은 재앙입니다. 리플로우 중에 무거운 실드가 녹은 납땜 속으로 가라앉습니다. 밀려난 납땜은 어딘가로 가야 합니다. 수직으로 밀려나면 실드 벽을 적시고, 수평으로 밀려나면 메인 필렛에서 떨어져 나가는 납땜 구슬인 위성(비드)을 형성합니다. 이를 방지하려면 페이스트 양을 적극적으로 줄여야 합니다. 실드 접지 패드에 100% 전체 커버리지를 인쇄하지 마십시오.

업계 표준 접근법은 “홈 플레이트” 또는 “윈도우 페인” 감소입니다. 긴 선형 패드를 더 작은 세그먼트로 나누어 전체 커버리지 면적을 종종 50% 또는 60%로 줄입니다. 이는 플럭스 내 휘발성 물질이 폭발 없이 탈기할 경로를 제공하며, 밀려난 녹은 납땜이 메인 덩어리에서 떨어지지 않고 확장할 완충 구역을 만듭니다. 비드가 보인다면, 첫 번째 조치는 거버 파일을 불러와 개구부 감소를 확인하는 것입니다. 80% 이상이라면 문제를 찾은 것입니다.

두 번째 원인은 0402 또는 0201 칩 부품 몸체 아래에 형성되는 “미드-칩” 비드입니다. 이는 패드에 인쇄된 솔더 페이스트가 부품 배치 중에 처지거나 눌려서 발생합니다. 리플로우 시 모세관 작용으로 납땜이 중앙으로 끌려가 숨겨진 비드로 응집됩니다. 실드 아래에서는 이 비드가 갇혀 치명적입니다. 해결책은 부품 패드 자체에 “홈 플레이트” 개구부 모양을 사용하여 패드 내부 가장자리에서 페이스트를 제거해 부품 아래로 흐르는 것을 방지하는 것입니다.

실제 납땜 비드와 플럭스 잔류물 축적을 혼동하지 마십시오. RF 엔지니어들은 VSWR 변동을 보면 종종 당황하며 “오염” 탓을 합니다. 무세척 공정에서 플럭스 잔류물은 불가피합니다. 이는 유전 특성을 약간 변화시키지만, 납땜 비드와 달리 전도성 단락은 아닙니다. 두 가지를 혼동하지 않도록 팀에 주지시키십시오. 플럭스 잔류물은 회로 조정으로 보정할 수 있지만, 느슨한 금속 구슬은 조정할 수 없습니다.

이러한 스텐실 변경을 구현하는 비용은 저렴합니다. 새 스텐실은 수백 달러에 불과합니다. 납땜된 실드를 들어 올리기 위해 핫에어 스테이션을 사용해 천 개의 유닛을 재작업하는 데는 이웃 부품을 손상시키고 PCB 패드를 파괴하는 과정에서 수만 달러가 듭니다. 계산은 냉혹하고 단순합니다. 스텐실 설계 비용을 지불하거나 폐기 비용을 지불하는 것입니다.

무자비한 기하학

마지막으로 레이아웃 단계에서 조립 공정의 물리적 한계를 존중하십시오. 설계자는 공간 절약을 위해 실드 벽에서 0.2mm 이내에 커패시터나 저항기를 배치하는 경우가 많습니다. 이는 부적절한 행위입니다. 실드 프레임이 배치될 때, 픽 앤 플레이스 기계의 약간의 정렬 불량이나 왜곡으로 인해 프레임이 부품 패드나 부품 자체에 닿을 수 있습니다. 설령 닿지 않더라도 근접성은 모세관 힘이 부품 패드에서 실드 벽으로 납땜을 끌어당겨 브리지를 형성하는 “플럭스 트랩”을 만듭니다.

나쁜 기하학을 고치는 마법 같은 리플로우 프로파일은 없습니다. 플럭스를 부드럽게 활성화하기 위해 소킹 시간을 조정할 수 있고, 처짐을 최소화하기 위해 최고 온도를 조절할 수 있지만, 이는 미미한 개선에 불과합니다. 스텐실이 너무 많은 페이스트를 인쇄하거나 부품이 실드에 너무 가까우면 표면 장력 물리학이 비드를 만듭니다. 신뢰할 수 있는 RF 모듈을 보장하는 유일한 방법은 과도한 납땜을 제한하고 공정에 숨 쉴 공간을 주는 것입니다.