캐스텔레이트 모듈 고장의 숨겨진 물리학

CAD에서 캐스텔레이티드 모듈은 완벽한 통합 전략처럼 보입니다. 레고 블록처럼 평평하고 견고하게 메인보드에 떨어져서 RF 레이아웃의 골칫거리 없이 사전 인증된 무선 또는 컴퓨팅 파워를 제공합니다. 견고하게 느껴집니다. 하지만 그 시각적 단순함은 함정입니다. 보드가 리플로우 오븐을 떠나 현장의 열적 현실에 들어서면, 그 "견고한" 모듈은 유연한 FR4 바다와 싸우는 단단하고 세라믹이 많은 섬이 됩니다.

이 싸움을 중재하는 유일한 것은 가장자리를 따라 있는 일련의 작은 납땜 접합부입니다. 이 접합부를 기계적 고정장치로 취급하면 설계가 실패할 것입니다. 납땜은 구조용 접착제가 아닌 부서지기 쉬운 합금입니다. 전단 응력에 피로해지고 진동에 금이 가며 보드가 휘어질 때 파손됩니다. 실패는 거의 작업대에서 발생하지 않습니다. 미네소타에서 추위가 닥칠 때 추적 장치 무리가 꺼지거나 드론이 콘크리트에 너무 세게 착륙할 때 6개월 후에 발생합니다. 신뢰할 수 있는 제품과 리콜의 차이는 대부분 데이터시트가 명시적으로 무시하라고 하는 패드 기하학의 0.1mm 단위 차이로 귀결됩니다.

코너 크랙의 물리학

접합부 내부의 주요 적은 열팽창 계수(CTE) 불일치입니다. 대부분의 고성능 모듈—u-blox GPS 수신기든 조밀한 셀룰러 모뎀이든—은 캐리어 보드의 표준 FR4와 기계적으로 더 단단하고 열적으로 구별되는 기판 위에 구축됩니다. 장치가 전원을 켜거나 주변 온도가 -40°C에서 +85°C로 변할 때 메인보드와 모듈은 서로 다른 속도로 팽창합니다.

이 팽창은 납땜 접합부를 찢는 전단력을 만듭니다. 응력은 고르게 분포되지 않고 기본 역학에 따라 중심에서 가장 먼 지점인 코너에 집중됩니다. 코너 패드는 조립체의 지렛대이며, 모든 열 주기와 기계적 비틀림의 대부분을 견딥니다. 실패한 보드를 현미경으로 검사하면 거의 항상 코너 패드의 발가락 부분에서 시작된 미세 균열이 금속간층을 따라 전파되어 전기 연결이 끊어지는 것을 볼 수 있습니다.

이것이 "충분한" 납땜이 충분하지 않은 이유입니다. 접합부는 이러한 힘을 분산시키기 위해 특정한 형태—견고한 필렛—가 필요합니다. 1:1 풋프린트 복사로 만들어진 평평하고 부족한 접합부는 공장에서 기본 전기 연속성 테스트를 통과할 수 있지만 피로 수명은 전혀 없습니다. 그것은 시한폭탄입니다.

데이터시트 풋프린트는 보통 틀립니다

캐스텔레이티드 접합 실패의 가장 흔한 원인은 모듈 공급업체 데이터시트의 "권장 랜드 패턴"을 맹목적으로 따르는 것입니다. 이는 직관에 반하는 것처럼 들리지만—제조업체가 가장 잘 알지 않겠습니까? 그러나 공급업체의 인센티브는 귀하의 신뢰성 요구와 거의 일치하지 않습니다. 그들은 모듈을 "컴팩트"하고 "공간 절약형"으로 마케팅하고 싶어합니다. 그래서 권장 풋프린트는 종종 패드를 최소한으로 축소하여 장치 주변에 트레이스를 촘촘히 배치할 수 있게 합니다.

고신뢰성 응용을 위해서는 이러한 제안을 무시하고 필렛을 위해 설계하십시오. 중요한 치수는 "발가락"—모듈 가장자리에서 바깥쪽으로 확장된 패드 부분입니다. 표준 공급업체 풋프린트는 0.1mm 또는 0.2mm의 발가락 돌출을 제공할 수 있는데, 이는 겨우 메니스커스를 형성할 정도입니다. IPC 표준에 따른 클래스 2 또는 클래스 3 조립에는 캐스텔레이션 벽을 타고 올라가는 눈에 보이고 검사 가능한 납땜 필렛이 필요합니다.

견고한 설계를 위한 경험 법칙은 메인보드 패드를 모듈 가장자리에서 최소 0.5mm에서 0.8mm 이상 확장하는 것입니다. 이 추가 구리는 저장소이자 활주로 역할을 합니다. 리플로우 동안 더 많은 양의 납땜 페이스트를 보유하며, 플럭스가 활성화되면 표면 장력이 추가 납땜을 캐스텔레이션의 수직 벽으로 끌어올립니다. 이는 부서지기 쉬운 맞대기 접합 대신 오목하고 응력을 분산시키는 경사를 만듭니다.

자신만의 풋프린트를 설계하는 경우 올바른 뷰를 보고 있는지 확인하십시오. 설계자가 모듈의 "하단 뷰"를 보고 보드의 "상단 뷰"에 적용하여 풋프린트가 반전된 버전 1 보드를 보는 경우가 매우 흔합니다. 당신은 보고 있습니다 관통 보드 위가 아니라 보드에 있습니다. 핀 1을 다시 확인하세요.

당신은 단순히 보드를 설계하는 것이 아니라 스텐실을 설계하고 있습니다

기하학은 전투의 절반일 뿐입니다; 부피가 나머지입니다. 캐스텔레이티드 조인트는 납땜 페이스트가 중력을 거슬러야 하기 때문에 표준 평면 패드보다 훨씬 더 많은 납땜 페이스트가 필요합니다. 납땜은 패드를 적셔야 하고 반으로 자른 구멍을 수직으로 올라가야 합니다. 구리 패드와 1:1로 일치하는 표준 스텐실 개구부를 사용하면 '불충분한 적심' 불량이 발생할 가능성이 높습니다. 평면 패드에 인쇄된 페이스트의 부피는 플럭스 내 휘발성 물질이 연소된 후 수직 벽을 코팅하기에 충분하지 않습니다.

개구부를 과인쇄하여 공정을 강제로 진행해야 합니다. 캐스텔레이티드 패드의 스텐실 개구부는 구리 패드 자체보다 커야 하며, 특히 모듈에서 멀어지는 방향으로 더 확장되어야 합니다. 일반적인 수정은 개구부 길이를 10%에서 20%까지 늘리는 것입니다. 납이 녹으면 납땜 마스크에 달라붙지 않기 때문에 납땜은 패드의 금 또는 주석 도금으로 다시 당겨져 수직 심지 작용을 공급하는 용융 금속의 '혹'을 만듭니다.

이 점을 조립 업체와 반드시 논의하세요. 수정 없이 표준 4밀 또는 5밀 포일을 사용하면 수율이 저하됩니다. 적심은 보일 수 있지만 X-레이 검사에서는 낙하 시험을 견디지 못할 기포나 얇은 연결부가 드러납니다.

보이지 않는 살인자: 배치와 분할

완벽하게 납땜된 모듈도 공장 출하 전에 파손될 수 있습니다. 모듈의 보드 가장자리 및 분리 탭과의 물리적 배치는 종종 너무 늦게까지 간과되는 신뢰성 변수입니다.

조립 중에 PCB를 패널에 고정하는 데 사용되는 천공된 탭인 '마우스 바이트'를 보세요. 이 탭이 부러지거나 라우팅되어 분리될 때(FR4 분리), 기계적 스트레스의 충격파가 FR4를 통과합니다. 강직한 캐스텔레이티드 모듈이 이러한 스트레스 지점에 너무 가까이(예: 5mm 이내) 있으면 그 에너지가 가장 가까운 납땜 접합부로 직접 전달됩니다. 모듈은 단단하고 보드는 휘어지기 때문에 납땜 접합부가 파손됩니다.

이 손상은 육안으로는 보이지 않는 경우가 많아 교활합니다. 보드는 두 개의 파손된 표면이 여전히 접촉하고 있기 때문에 기능 테스트를 통과할 수 있습니다. 그러나 장치가 트럭이나 주머니에서 진동할 때 처음으로 연결이 끊어집니다. 캐스텔레이티드 모듈을 보드 가장자리에서 멀리 떨어뜨리고 분리 탭 주변에 엄격한 금지 구역을 설정하세요. 설계가 모듈을 가장자리 근처에 배치하도록 강제한다면, 기계적 '피자 커터'나 수동 부러뜨리기보다 훨씬 높은 토크를 가하는 라우터 컷 분리 공정을 요구하세요.

수동 납땜에 관한 주의사항

특히 프로토타입 단계에서 이러한 모듈을 수작업으로 납땜하려는 지속적인 수요가 있습니다. 납땜 인두로 전기적 연결을 만드는 것은 기술적으로 가능하지만, 신뢰할 수 있는 연결을 만드는 것은 거의 불가능합니다.

열 전달의 물리학이 불리하게 작용합니다. 납땜 인두는 패드 발가락의 한 점에 열을 가해 전체 캐스텔레이션 배럴을 고르게 가열하려 애씁니다. 그 결과 구멍 상단에 '차가운' 접합부가 생기거나 진정한 금속간 적심 없이 표면에 납땜 덩어리가 앉는 경우가 많습니다. 리플로우 오븐의 균일한 표면 장력이 없으면 부피 조절도 어려워 핀이 다리로 연결되거나 접합부가 부족해집니다. 모듈이나 프로토타입을 수작업으로 재작업해야 한다면, 리플로우 환경을 최대한 모방하기 위해 뜨거운 공기와 충분한 양의 플럭스를 사용하세요. 그러나 이러한 접합부는 진동 테스트에 신뢰해서는 안 됩니다.

신뢰성은 선택이다

캐스텔레이티드 모듈의 고장은 거의 미스터리가 아닙니다. 이는 불충분한 금속에 작용하는 물리학의 예측 가능한 결과입니다. 풋프린트의 발가락을 연장하고 스텐실을 과인쇄하며 보드의 기계적 스트레스를 존중함으로써 약한 연결을 견고한 구조 요소로 전환할 수 있습니다. BOM 비용은 들지 않지만 데이터시트를 무시하고 제조 현장의 현실에 맞게 설계할 자신감이 필요합니다.