보이지 않는 실패: 선택적 납땜이 자신의 연결을 갉아먹을 때

고신뢰성 전자제품에서 가장 위험한 납땜 접합부는 못생긴 접합부가 아닙니다. 냉납, 브리지, 탈습윤 현상은 명백한 결함입니다. 어떤 AOI 기계나 숙련된 작업자도 보드가 생산 라인을 떠나기 전에 이를 잡아냅니다. 클래스 3 제품에 진정한 위협이 되는 것은 완벽해 보이는 접합부입니다. 매끄럽고 반짝이는 필렛이 있습니다. 100% 홀 필이 있습니다. 육안 검사도 완벽하게 통과합니다. 하지만 그 반짝이는 표면 아래에는 전기적 연결을 가능하게 하는 구리 구조가 화학적으로 지워져 있습니다.

프로토타입에서 대량 생산으로 전환하는 일반적인 시나리오를 살펴보겠습니다. 한 시설이 기존 제품을 SAC305 무연 공정으로 전환합니다. 보드는 선택적 납땜 라인에서 나올 때 깨끗해 보입니다. 그러나 6개월 후 현장 반품이 간헐적인 개방 회로 문제로 들어오기 시작합니다. 진동 테스트 결과 리드가 보드에서 곧바로 빠져나오는 현상이 나타납니다. 진실을 볼 수 있는 유일한 방법인 단면 분석에서 끔찍한 사실이 드러납니다: 관통 홀 배럴의 "무릎" 부분이 사라졌습니다. 이 부분은 도금이 홀 벽에서 표면 패드로 굽는 중요한 접합부입니다. 균열이 난 것이 아니라 용해된 것입니다. 납땜은 맨 섬유유리 위에 붙어 있고, 전기적 연결은 미세한 취성 금속간 화합물 층 위에 떠 있습니다.

이것이 구리 용해 현상입니다. 기계적 고장이 아니라 화학적 지움입니다. 납땜 용탕이 용매 역할을 합니다. 무연 합금 시대에 용해도의 물리를 무시하면 선택적 납땜 기계가 자동 파괴 장치가 됩니다.

배고픈 합금의 물리학

납땜은 접착이 아니라 합금화입니다. 용융된 납땜이 구리 표면에 젖으면 단순히 위에 앉아 있는 것이 아니라 구리 일부를 용해시켜 일반적으로 Cu6Sn5인 금속간 화합물(IMC)을 만듭니다. 이 층은 결합에 필수적입니다. 그러나 SAC305(주석-은-구리) 같은 무연 합금은 구형 주석-납(SnPb) 세대보다 훨씬 더 공격적인 용매입니다. 구리를 매우 탐냅니다.

액체 납땜이 고체 구리를 먹는 속도를 결정하는 두 변수는 온도와 흐름입니다. 아레니우스 방정식에 따르면 용탕 온도가 10°C 상승할 때마다 반응 속도(즉, 용해 속도)가 비선형적으로 가속됩니다. 어려운 보드에 흐름을 강제로 넣기 위해 용탕을 290°C 또는 300°C로 운용하면 구리 도금 침식이 가속됩니다.

하지만 온도는 방정식의 절반에 불과합니다. 선택적 납땜은 동적 요소인 흐름 속도를 추가합니다. 웨이브 납땜은 보드가 웨이브 위를 한 번 지나가지만, 선택적 노즐은 핀 아래에 머물며 신선하고 뜨거운 포화되지 않은 납땜을 구리 표면에 펌핑합니다. 이 지속적인 보충은 포화 경계층을 제거하여 신선한 납땜이 구리를 계속 공격할 수 있게 합니다.

유지보수 팀을 종종 당황하게 하는 두 번째 변수는 바로 용기의 구리 함량입니다. 기계가 작동하면서 보드에서 구리가 용해되어 합금 내 구리 비율이 상승합니다. 이로 인해 납땜의 액상선 온도가 올라가 납땜이 "느려지거나" 거칠어집니다. 느린 납땜을 본 공정 엔지니어의 자연스러운 반응은 용기 온도를 올리는 것입니다. 이는 피드백 루프를 만듭니다: 온도가 높아질수록 더 많은 구리가 용해되어 녹는점이 올라가고, 이는 다시 온도를 높이게 만듭니다. 만약 납땜 용기를 정기적으로 분석하지 않고 구리 함량이 합금 제조업체의 한계(대개 SAC305의 경우 0.9%에서 1.0% 사이)를 초과할 때 교체하지 않는다면, 위험한 온도에서만 흐를 수 있는 욕조에서 보드를 조리하는 셈입니다.

관통 홀 접합부의 치명적인 취약점은 홀의 "무릎" 부분입니다. 대부분의 PCB 제작 공정에서 무릎 부분의 도금은 전기 도금 물리학 때문에 평평한 배럴 벽보다 얇습니다. 배럴에 25µm 구리가 있다면 무릎에는 15µm 또는 20µm만 있을 수 있습니다. 공격적인 선택적 납땜이 이 영역을 덮으면 위쪽(패드 측)과 내부(배럴 측)에서 동시에 공격합니다. 15µm 구리를 용해하는 데 많은 체류 시간이 필요하지 않습니다. 구리가 사라지면 납땜은 PCB의 에폭시 유리에 젖습니다. 연결된 것처럼 보이지만 기계적 완전성은 제로입니다.

열 완화 전쟁터

용해의 물리는 납땜 용탕에서 발생하지만, 근본 원인은 거의 항상 CAD 데이터에서 발견됩니다. PCB의 열 설계가 좋지 않으면 구리 용해를 다른 어떤 요인보다 더 촉진합니다. 구체적으로, 이는 견고한 접지 연결에 대한 전기적 요구와 열 완화에 대한 제조 요구 간의 싸움입니다.

일반적인 시나리오는 12층 보드에서 여러 접지면에 연결된 고전류 커넥터 핀을 포함합니다. 설계자가 "솔리드" 연결을 사용하여 열 완화 스포크 없이 핀에 직접 구리를 범람시키면, 그 핀은 거대한 히트 싱크가 됩니다. 선택적 납땜 노즐이 그 핀에 닿으면 열이 즉시 내부 층으로 스며들어 납땜이 구멍을 타고 올라가기 전에 굳어버립니다.

기계 앞에 서 있는 공정 엔지니어는 곤란한 상황에 처했습니다. 접합부가 채워지지 않습니다. 보드 설계를 변경할 수 없으며 Gerber 파일이 잠겨 있습니다. 유일한 수단은 기계 프로파일뿐입니다. 그래서 체류 시간을 늘립니다. 안전한 2초 체류 대신 6, 8, 또는 10초로 늘립니다. 또한 용탕 온도를 320°C로 올릴 수도 있습니다. 결국 열이 접지면의 열 질량을 극복하고 납땜이 상단으로 흐릅니다. 접합부는 채워진 것처럼 보입니다. 성공일까요? 아닙니다.

열이 배럴을 타고 상단으로 올라가려 애쓰는 동안, 노즐이 뜨거운 납땜을 분사하는 접합부 하단은 10초 동안 과열되고 고속의 용매 욕조에 놓여 있었습니다. 하단 무릎과 하부 배럴의 구리는 완전히 벗겨졌습니다. 작업자는 채워진 구멍을 보고 승인합니다. 단면을 보면 속이 빈 재앙이 드러납니다.

이 화학적 침식을 패드 들뜸과 같은 기계적 결함과 구분하는 것이 중요합니다. 패드 들뜸은 종종 열 충격이나 기계적 스트레스로 인해 구리가 유리섬유에서 벗겨지는 결과입니다. 용해는 다릅니다. 구리가 벗겨지는 것이 아니라 납땜 용탕 용액 속으로 사라지는 것입니다. 확대해서 거칠거나 얇아진 "들뜬 패드"를 보면, 이는 박리를 약화시켜 고장을 일으킨 용해 현상일 가능성이 큽니다.

"단 몇 초만 더"의 위험한 논리

보편적인 "안전한" 체류 시간은 없습니다. "절대 4초를 넘지 마라"와 같은 고정된 숫자를 제시하는 사람은 지나치게 단순화하여 오류에 이릅니다. 0.5oz 구리 보드에서 4초 체류는 치명적일 수 있지만, 3oz 두꺼운 구리 백플레인에서는 6초 체류가 필요할 수 있습니다. 그러나 위험의 비선형성은 일정합니다. 6초와 8초 사이에 발생하는 손상은 1초와 2초 사이의 손상보다 훨씬 큽니다.

이 위험은 재작업으로 더욱 심화됩니다. 많은 고혼합 제조 환경에서 선택적 납땜 접합부가 완전히 채워지지 않으면 보드는 수작업 납땜 스테이션으로 보내져 "터치업"됩니다. 이것이 종종 최후의 결정타입니다. 선택적 공정은 이미 구리 도금을 상당히 얇게 만들었습니다. 기술자가 납땜 인두(종종 무거운 접지면을 다루기 위해 750°F/400°C로 설정)로 플럭스와 와이어를 추가하면, 이미 손상된 배럴에서 용해 과정이 다시 시작됩니다.

"터치업" 문화의 아이러니는 75%로 채워진 구멍이 종종 100% 채우기를 위해 재작업된 동일 구멍보다 기계적으로 더 강하고 전기적으로 충분하다는 점입니다(IPC Class 2 및 일부 Class 3 조건에 따라). 시각적 완벽함을 추구하는 과정에서 작업자는 연결의 내부 구조를 파괴합니다. 우리는 본질적으로 지붕을 칠하기 위해 집을 불태우는 셈입니다.

검증: 눈보다 물리를 신뢰하기

시각 검사가 이 실패 모드를 감지하지 못한다면, 어떻게 공정을 검증합니까? 많은 조직의 현실은 고신뢰성 제품에 대한 선택적 납땜 공정을 파괴 검사 없이 검증할 수 없다는 것입니다. 제품 라인을 구하기 위해 보드를 희생해야 합니다.

이는 "열 감사" 또는 공정 자격 부여에서 시작됩니다. 새 보드를 프로파일링할 때 고질량 접지 핀을 식별하십시오. 구멍 채우기를 달성하는 프로파일을 실행한 후, 해당 보드를 가져와 특정 핀의 단면을 검사합니다. 무릎 부분에 남아 있는 구리 두께를 측정해야 합니다. IPC-6012 Class 3는 특정 남은 도금 두께를 요구하지만, 일반적인 공학 규칙으로 납땜되지 않은 영역과 비교해 50% 이상 구리가 얇아지면 공정이 통제 불능 상태임을 의미합니다.

단면에서 용해가 보이면, 쉽지 않은 세 가지 선택지가 있습니다.

1. 하단 측 예열 도입. 노즐이 닿기 전에 보드 전체 온도를 110°C-130°C로 올리면, 노즐이 극복해야 할 열 차이를 줄여 체류 시간을 단축할 수 있습니다.
2. 더 큰 노즐 직경 사용. 공간이 허용된다면, 더 큰 유량이 좁은 제트보다 열을 더 효율적으로 전달합니다.
3. 디자인에 대해 반박하세요. 이것은 가장 어렵지만 가장 필요한 단계입니다. 단면 데이터를 PCB 레이아웃 팀에 보여주세요. 견고한 접지 연결도 제조 공정이 도금을 파괴하도록 강요한다면 "견고하다"고 할 수 없습니다.

물리는 당신의 생산 일정이나 수율 목표에 신경 쓰지 않습니다. 공격적인 무연 합금, 고온, 긴 체류 시간을 결합하면 구리가 용해됩니다. 유일한 방어책은 위의 반짝이는 필렛만 보는 것을 멈추고 아래의 보이지 않는 침식을 걱정하기 시작하는 것입니다.