실패의 기하학: 현장에서 캐슬레이트 모듈이 균열이 생기는 이유

전자 제조에서 가장 비용이 많이 드는 침묵은 성공적인 기능 테스트 후에 찾아오는 침묵이며, 이는 6개월 후 현장 보고서에 의해 깨집니다. 디트로이트의 트럭 섀시에 장착된 함대 추적기가 위치 보고를 중단합니다. 지하실의 스마트 미터가 간헐적으로 작동합니다. 8D 보고서는 결국 책상 위에 놓이고, 근본 원인은 거의 항상 동일합니다: 캐스텔레이티드 모듈의 균열된 납땜 접합부입니다.

이러한 고장은 거의 전기적이지 않습니다. 블루투스나 GPS 모듈 내부의 실리콘은 문제가 없습니다. 고장은 기계적이며, 보통 첫 번째 스텐실이 절단되기 훨씬 전에 설계에 내재되어 있습니다. 사전 인증된 모듈을 통합할 때—u-blox GPS든 Espressif WiFi 유닛이든 간에—유연한 FR4 기판에 단단한 블록을 부착하는 것입니다. 그 연결이 데이터시트에 권장된 최소한의 납땜 패드에 의존한다면, 공장 번인 테스트는 통과하지만 첫 번째로 포트홀이나 열 사이클을 만나면 고장 나는 제품을 만드는 것입니다.

“불량 납땜 배치”나 작업자 오류는 잊으세요; 이것은 기하학적 문제입니다. 캐스텔레이티드 접합부의 물리는 용서하지 않으며 표준 표면 실장 부품과 다르게 작동합니다. 프로토타입 단계에서는 이러한 모듈이 종종 수작업으로 납땜됩니다. 기술자가 와이어 납땜으로 접합부를 가득 채워 캐스텔레이션을 감싸는 크고 견고한 필렛을 만듭니다. 프로토타입은 벤치에서 완벽하게 작동합니다. 그러나 그 설계가 대량 생산으로 넘어가면 납땜 양은 5밀 레이저 절단 스텐실에 의해 결정됩니다. 결과 접합부는 크기가 훨씬 작아지고 갑자기 기계적 중복성이 사라집니다. 패드 기하학이 그 얇은 생산 현실에 맞게 설계되지 않았다면, 접합부는 납땜 부족, 스트레스, 결국 파단이 발생합니다.

데이터시트는 마케팅 문서입니다

모듈 데이터시트의 “권장 랜드 패턴”은 공학적 진리가 아니라 타협임을 받아들여야 합니다. 모듈 공급업체는 보드 공간을 놓고 경쟁하는 설계자들에게 매력적으로 보이도록 장치의 풋프린트를 최소화하려는 인센티브가 있습니다. 그들은 정적 환경에서 전기적 연결을 확보하기에 충분한 패드 확장만을 보여줍니다. 고진동 환경이나 IPC 클래스 3 신뢰성을 위해 최적화하지 않습니다.

신뢰할 수 있는 캐스텔레이티드 접합부를 위해 공급업체가 제안하는 0.8mm 패드 확장은 무시하세요. 1.2mm 또는 심지어 1.5mm에 가까운 것을 추진하세요. 이 추가 구리는 낭비 공간이 아니라 “힐 필렛”의 기초입니다.

대부분의 시각 검사 기준(예: 표준 AOI)은 모듈 외부에서 보이는 반짝이는 납땜 경사인 “토 필렛”에 집중합니다. 그러나 토는 거의 하중을 받지 않습니다. 캐스텔레이티드 접합부의 구조적 완전성은 힐에 있습니다—모듈 아래로 스며들어 캐스텔레이션 내부 벽을 따라 올라가는 납땜입니다. 이곳에서 보드 굽힘과 열 팽창으로 인한 전단력이 집중됩니다. 패드가 모듈 가장자리와 맞닿거나 약간만 확장되면 힐 필렛이 전혀 생기지 않습니다. 전단에 매우 약한 “맞대기 접합”이 됩니다. 패드를 바깥쪽으로 확장하면 납땜 페이스트가 제대로 젖고 캐스텔레이션 아래로 흐르며 진동 에너지를 흡수할 수 있는 메니스커스를 만듭니다.

기계 엔지니어들은 종종 이 기하학 문제를 화학으로 해결하려고 합니다—특히 언더필 또는 콘포멀 코팅으로. 공간이 부족할 때 “그냥 접착제로 붙이면 안 되나요?”라는 말이 흔합니다. 언더필은 강성을 더하지만 재작업을 악몽으로 만듭니다. 모듈이 기능 테스트에 실패하고 보드에 접착되면 전체 PCBA를 폐기하는 경우가 많습니다. 화학은 기하학을 대체할 수 없습니다. 패드를 올바르게 설계하면 접착제가 필요 없습니다.

조리개 제어: 숨겨진 단락

패드가 접합부를 지탱할 만큼 충분히 커지면 위험 벡터는 스텐실로 이동합니다. 일반적인 재앙 시나리오는 금속 RF 쉴드가 있는 WiFi 모듈입니다. 설계자가 풋프린트를 배치하고 스텐실 업체가 패드에 대해 표준 1:1 조리개를 절단합니다.

생산 중에 납땜 페이스트가 인쇄되고 보드는 리플로우 오븐에 들어가며 페이스트가 가열되면서 처짐이 발생합니다. 캐스텔레이티드 패드는 종종 크고 직사각형이기 때문에 그 처짐이 접지 패드와 VCC 패드 사이의 작은 간격을 연결할 수 있습니다. 이 브리징이 모듈의 금속 쉴드 아래에서 발생하면 AOI(자동 광학 검사)에서는 보이지 않습니다. 테스트 스테이션에서 장치가 과도한 전류를 끌 때까지 발견하지 못합니다.

이 숨겨진 브리징 때문에 30% 이상의 보드가 재작업이 필요했던 생산 라인을 본 적이 있습니다. 해결책은 스텐실 조리개를 엄격히 줄이는 것입니다. 이 큰 패드에 100% 페이스트 커버리지가 필요하지 않습니다. 80% 또는 심지어 70%로 줄이고 특히 모듈 아래쪽 내부 가장자리에서 조리개를 뒤로 당기는 것이 중요합니다. 이는 보이지 않는 곳에서 발생하는 “납땜 볼링”과 브리징을 방지합니다.

이것은 물에 용해되는 플럭스를 사용할 경우 특히 불안정하며, 플럭스가 모듈 아래에 갇혀 나중에 수지상 성장을 일으킬 수 있습니다. 그러나 무세척 화학물질을 사용하더라도 물리적 브리지는 즉각적인 치명적 문제입니다. 목표는 브리징을 방지하기 위해 내부 가장자리를 약간 줄이고 외부 확장을 충분히 채워 중요한 필렛을 만드는 것입니다.

기계적 환경

납땜과 스텐실을 넘어서, 모듈의 보드 상 물리적 위치가 그 생존을 결정합니다. 캐스텔레이티드 모듈은 사실상 유연한 메인보드 위에 놓인 단단한 세라믹 또는 강직한 FR4 벽돌과 같습니다. 메인보드가 열 팽창, 진동 또는 디패널화의 충격으로 인해 휘어질 때, 응력은 납땜 접합부에 전단 모멘트를 생성합니다.

캐스텔레이티드 모듈의 수명에서 가장 위험한 작업은 종종 보드가 패널에서 분리되는 순간입니다. 무거운 모듈이 V-스코어 라인에서 10mm 이내에 배치되면, 피자 커터 디패널러의 “스냅”이 유리섬유를 통해 충격파를 보냅니다. 우리는 장치가 공장을 떠나기 전에 구리 패드가 FR4 라미네이트에서 문자 그대로 찢겨 나간 단면을 본 적이 있습니다.

제품이 고진동 환경, 예를 들어 자동차 텔레매틱스, 산업용 로봇 공학 또는 모터에 장착되는 모든 것에 사용될 예정이라면 배치는 더욱 중요합니다. 진동이 가장 심한 보드 중앙부는 피하십시오. 보드가 가장 단단한 장착 나사 근처에 모듈을 배치하세요.

모듈을 이동할 수 없고, 패드를 확장할 수 없으며, 스텐실을 변경할 수 없다면, 본질적으로 시한폭탄 같은 제품만 남게 됩니다. SMT 라인에서 공정을 조정해도 납땜된 보드와 기계적으로 싸우는 부품을 보완할 수 없습니다. 유일한 진정한 해결책은 접합부의 물리를 존중하는 것입니다: 구리가 잡을 수 있도록 하고, 휨 가장자리에서 멀리 떨어뜨리며, 발가락뿐 아니라 뒤꿈치도 검사하세요.