혼합 기술 조립의 보이지 않는 갈등

레거시 회로 기판을 현대화하려는 엔지니어는 종종 명확한 해결책을 본다. 고전적인 관통형( THT) 설계를 현대적인 표면장착(SMT) 부품으로 개조함으로써 제품은 새로운 기능을 얻고 크기를 줄일 수 있다. CAD 레이아웃의 깨끗하고 2차원적인 세계에서는 이 조합이 간단하게 보인다. 그러나 설계가 물리적 객체로 변하는 공장 바닥에서는 이 간단한 업그레이드가 심오한 제조 충돌을 일으킨다.

단순하고 거의 소박한 과정으로 예상되는 THT 전용 설계 보드에 SMT를 도입하는 것은 전체 제조 현실의 변화를 의미한다. 이는 클린룸, 솔더 페이스트 프린터, 로봇 픽 앤 플레이스 기계를 필요로 한다. 더 중요한 것은, 이로 인해 보드를 리플로우 오븐에 넣게 되는데, 이는 전체 보드 가열 사이클로서 원래의 PCB 기판과 견고한 THT 부품들이 견디도록 설계되지 않았다. 이 단일 변화는 보드를 휘게 하고, 층이 박리되게 하며, 갇힌 습기를 파괴적인 힘으로 바꿀 수 있는 응력을 유발한다. 이 설계 선택은 첫 SMT 패드가 배치되는 순간부터 관리해야 하는 위험의 연쇄를 만든다.

핵심 도전: 두 개의 열 세계 이야기

모든 혼합 기술 조립의 핵심에는 열 철학의 근본적인 충돌이 있다. 각 부품 유형은 전혀 다른 납땜 환경을 위해 고안되었으며, 이를 하나의 보드에 강제로 배치하면 대부분의 제조 결함의 근본 원인인 내재된 긴장이 발생한다.

표면장착 부품은 제어된 부드러운 환경인 리플로우 오븐을 기대한다. 전체 조립은 신중하게 예열되고, 약 245°C의 최고 온도에 도달하여 솔더 페이스트를 녹일 만큼만 유지되며, 이후 정밀하게 냉각된다. 이 과정은 보드를 하나의 통합된 열 질량으로 취급한다. 이는 균일성과 제어에 의해 정의되는 과정이다.

반면, 관통형 부품은 국소적이고 공격적인 열 과정에서 태어났다. 웨이브 솔더링에서는 보드의 하단만이 흐르는 솔더 웨이브를 가로지르며, 종종 260°C로 훨씬 더 뜨겁다. 가열은 빠르고 강렬하며, 솔더 측에 국한된다. 이 두 세계를 강제로 결합하면 이상적인 선택지가 없다. 보드를 여러 번의 스트레스가 가해지는 가열 사이클에 노출시키거나, 한 번의 프로세스로 한 세트의 부품을 의도한 한계를 훨씬 넘어서게 해야 한다.

타협의 길 찾기: 조립 순서 선택

이 열 충돌을 해결하기 위해 제조업체들은 세 가지 주요 경로를 개발했다. 선택은 단순히 기술적인 것만이 아니며, 비용, 생산 속도, 그리고 궁극적인 보드 신뢰성에 깊은 영향을 미치는 전략적 결정이다.

가장 오래된 방법은 먼저 SMT 부품을 배치하고 리플로우한 후 THT 부품을 삽입하고 전체 보드를 웨이브 솔더링 기계에 통과시키는 것이다. 대량 생산에서는 이 순서가 빠르고 경제적이다. 그러나 위험이 크다. 보드 하단의 SMT 부품은 접착되어야 하며, 260°C의 강한 솔더 웨이브에 견딜 수 있어야 한다. 이는 많은 부품이 통과하도록 설계되지 않은 가혹한 시험이다.

더 현대적이고 훨씬 부드러운 접근법은 표준 SMT 리플로우 프로세스로 시작한다. 그러나 이후 선택적 솔더링 로봇이 THT 부품을 처리한다. 작은 프로그래머블 솔더 분수대가 노즐에 의해 분사되어 개별 THT 핀만을 목표로 한다. 이는 강한 열을 국소화하여 나머지 보드를 보호한다. 이 과정은 민감한 부품에 훨씬 안전하지만, 그 안전성은 비용이 따른다. 로봇 시스템은 큰 자본 비용이 들며, 시리얼 방식으로 하나의 조인트를 하나씩 솔더링하기 때문에 웨이브 솔더링보다 본질적으로 느리다.

세 번째 경로는 단일 프로세스 리플로우의 궁극적 효율성을 추구한다. 핀인페이스트(PiP)라는 기술을 사용하여, 고온 등급의 THT 부품은 SMT 패드처럼 솔더 페이스트로 인쇄된 구멍에 삽입된다. 두 부품 유형이 모두 배치된 전체 보드는 한 번만 리플로우 오븐을 통과한다. 이는 전체 솔더링 단계를 제거하지만, 성공하려면 오류의 여지가 거의 없는 수준의 프로세스 제어가 필요하다.

핀인페이스트의 정밀성 문제

핀인페이스트 프로세스의 실행 가능성은 전적으로 하나의 어려운 변수인 솔더 페이스트 양에 달려 있다. 구멍에 인쇄된 페이스트 양은 극도로 정밀하게 계산되어야 하며, 이는 '배럴 필'이라고 알려진 부품 리드와 도금된 구멍의 배럴 사이의 간극을 채우기에 충분해야 하며, 동시에 보드 양쪽에 적절한 솔더 필렛을 형성해야 한다.

이로 인해 매우 좁은 프로세스 창이 형성된다. 페이스트가 너무 적으면 약한 조인트와 불충분한 채움이 발생하며, 이는 IPC-A-610과 같은 산업 표준을 위반하는 결함으로, 종종 75% 이상의 수직 채움이 필요하다. 그러나 페이스트가 너무 많으면 부품 삽입 시 압출되어 솔더 볼이 되어 재플로우 동안 이동하며 치명적인 단락을 유발할 수 있다. 올바른 양을 달성하려면 맞춤형 스텐실과 거의 완벽한 반복성을 갖춘 인쇄 공정이 필요하며, 이는 표준 SMT 조립보다 훨씬 민감한 작업이다.

‘적당함’이 아닐 때: 프리폼과 핀인페이스트

THT 조인트의 무결성이 타협할 수 없는 애플리케이션, 예를 들어 항공 우주 또는 의료 기기의 고열질 커넥터와 같은 경우, Pin-in-Paste의 프로세스 위험은 용납되지 않을 수 있습니다. 여기서 제조업체는 프로세스 비용과 보장된 신뢰성 사이의 고전적인 절충을 직면하며, PiP와 대안을 저울질합니다: 납땜 프리폼.

프리폼은 부품 삽입 전에 또는 주변에 배치되는 작은, 정밀하게 설계된 납땜 합금의 형상입니다. 이것은 재료 솔루션이지, 프로세스 솔루션이 아닙니다. 각 조인트마다 특정하고 반복 가능한 납땜량을 보장하여 매우 견고한 연결을 만들어 냅니다. 절충은 비용과 복잡성입니다. 프리폼은 추가로 조달, 관리, 보드에 배치해야 하는 부품으로, 재료 비용과 또 다른 프로세스 단계를 더합니다. 결정은 전략적이 됩니다. Pin-in-Paste는 프로세스 변동성이 허용 가능한 위험인 비용 민감형 제품에 대한 영리한 해결책입니다. 납땜 프리폼은 조인트 실패가 옵션이 아닌 고신뢰성 애플리케이션에 대한 보험 정책입니다.

공장 바닥의 3D 현실

레이아웃 도구의 추상적 공간에서, 회로 기판은 2차원 평면입니다. 이 관점은 혼합 기술 보드를 만들 때 디자이너들이 가장 자주 그리고 비용이 많이 드는 실수의 원천입니다. 그들은 납땜 장비가 3차원 기계임을 잊고 있으며, 물리적 공간이 필요하다는 것을 잊고 있습니다.

웨이브 납땜 동안, 키가 큰 THT 부품은 '납땜 그림자'를 드리우며, 이는 용융된 납이 하류의 작은 SMT 부품에 도달하는 것을 물리적으로 차단하는 흔적입니다. 부품의 높이에 따라, 15mm 이상 유지 구역이 필요할 수 있습니다. 선택적 납땜의 경우, 로봇 노즐은 각 핀 주변 3~5mm의 명확한 반경이 필요하며, 이는 접근, 납땜, 후퇴 시 인접 부품과 충돌하지 않도록 해야 합니다. 이 영역 내에 키가 큰 커패시터 또는 커넥터를 배치하면 자동 납땜이 불가능해집니다. 이 단순한 간과는 2D 사고방식에서 비롯되었으며, 조립을 수작업으로 마무리하게 만들어, 느리고 비용이 많이 들며 재현성이 낮은 프로세스로 수익성을 저하시킵니다.

실패의 해부학

혼합 기술 조립의 열적 충돌과 물리적 현실을 무시하면, 독특한 결함 클래스가 나타납니다. 이는 일반적인 조립 프로세스의 문제들이 아니며, 두 호환되지 않는 기술을 강제로 결합시킨 직감적이고 예측 가능한 결과입니다.

웨이브 프로세스에서 키가 큰 THT 부품이 만든 납땜 그림자는 하류의 SMT 패드를 완전히 건드리지 않아 회로가 열리게 만듭니다. 보드의 다른 곳에서는, 같은 260°C 웨이브의 열 충격이 하단 SMT 부품에 치명적일 수 있습니다. 이는 세라믹 커패시터에 미세 균열을 유발하거나 민감한 집적 회로에 잠재적 손상을 입혀, 제품 출하 후 몇 달 만에 미스터리한 현장 실패를 초래할 수 있습니다.

보드를 보호하기 위해 설계된 장비조차 실패의 원인이 될 수 있습니다. 웨이브 납땜 팔레트에 사용되는 복합 재료는 뛰어난 열 절연체입니다. 이는 SMT 부품을 효과적으로 차폐하지만, 적외선 예열기를 차단하기도 합니다. 프로세스 엔지니어가 이를 고려한 맞춤형 열 프로파일을 개발하지 않으면, 보드는 충분히 예열되지 않은 상태로 납땜 웨이브에 도달하게 됩니다. 이로 인한 열 충격은 납땜 흐름이 좋지 않게 되고, 프로세스가 피하려던 결함, 즉 THT 부품의 구멍 채움 부족을 초래합니다. 시간이 지남에 따라, 이러한 여러 차례의 강한 가열 사이클로 인한 응력은 전체 보드의 휨을 유발하여, BGA와 같은 큰 부품의 섬세한 연결을 끊고, 진단이 거의 불가능한 간헐적 실패를 만들어 냅니다.

제조를 위한 설계: 관점의 전환

이러한 문제에 대한 가장 효과적인 해결책은 더 발전된 기계나 복잡한 검사에서 찾을 수 없습니다. 초기 설계 단계에서, 제조 프로세스를 처음부터 예상하는 사고방식을 채택하는 데서 찾을 수 있습니다.

취약점 보호

핵심 전략은 민감하고 비용이 높은 SMT 부품을 THT 납땜 프로세스의 불가피한 가혹함으로부터 보호하는 것입니다. 이는 레이아웃에서 시작됩니다. 가장 신뢰할 수 있는 방법은 모든 고가 부품—프로세서, BGA, 미세 피치 IC—를 보드의 상단에 배치하는 것입니다. THT 부품도 상단에서 삽입하면, 웨이브 또는 선택적 납땜이든 모든 공격적인 납땜 작업은 하단에 국한되어, 취약한 부분과 멀리 떨어지게 됩니다.

배치 외에도, 디자이너는 프로세스를 지정할 권한을 가집니다. 제조 노트에 선택적 납땜을 요청하는 것은 조립품을 보호하는 가장 확실한 방법입니다. 대량 생산이나 비용 압박으로 웨이브 납땜이 필수인 경우, 해결책은 제조업체와 협력하여 맞춤형 웨이브 팔레트를 만드는 것입니다. 이 고정구는 포켓과 실드를 정교하게 설계하여 열 차단 역할을 하며, 용융 웨이브를 지나가는 동안 하단의 SMT 부품을 물리적으로 덮습니다. 이는 경험에서 비롯된 해결책으로, 공장 바닥의 물리적 현실을 인식하고 이를 고려하여 설계하는 것에서 출발합니다.