“파괴 불가능”의 높은 비용: 수리 가능한 견고화 가이드

산업용 전자기기에서 “블랙 브릭” 접근법에는 매혹적인 논리가 있습니다. 완벽한 PCB를 하우징에 넣고, 조립체 위에 2액형 에폭시를 부어 마치 호박 속에 갇힌 화석처럼 보이게 합니다. 견고함을 느끼고 보호받는 느낌이 듭니다. 그리고 특정 종류의 장치—저렴하고 일회용이거나 마리아나 해구 바닥에 배치되는 경우—에는 올바른 엔지니어링 선택입니다. 하지만 고가의 산업용 제어 보드, 의료 기기, 또는 운송용 항공 전자장비의 경우, 완전 캡슐화는 종종 기계적 설계 실패를 비싼 비용으로 인정하는 것에 불과합니다.

완전히 포팅된 장치가 현장에서 고장나면 수리 티켓이 생성되지 않고 스크랩 보고서가 생성됩니다. Stycast 2651과 같은 단단한 우레탄으로 감싸진 텔레매틱스 장치 배치를 고려해 보십시오. 펌웨어 버그로 인해 하드웨어 스트랩 변경이 필요하거나 단일 0402 저항기가 열 사이클링 중에 균열이 생기면 장치는 사실상 고장난 것입니다. 기술자는 단순히 부품을 교체할 수 없습니다. 그들은 고고학자가 되어 마이크로 밀을 사용해 포팅 재료를 갈아내야 하며, 먼지를 흡입하고 도구가 지나갈 때마다 구리 트레이스가 손상될 위험을 감수해야 합니다. 해당 보드를 복구하는 노동 비용은 종종 시간당 $150를 초과하여 하드웨어 자체의 가치를 빠르게 능가합니다. "견고한" 선택이 경제적 실패의 단일 지점이 되는 것입니다.

하지만 보드를 그대로 노출시킬 필요는 없습니다. 더 나은 방법은 선택적 보강입니다. 목표는 환경 보호와 기계적 안정화를 분리하는 것입니다. “매장” 전략에서 “앵커링” 전략으로 전환함으로써 장치를 검사, 테스트 및 수리할 수 있는 능력을 유지하여 제품 수명 주기 동안 총 소유 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

피로의 물리학: 납땜은 접착제가 아니다

산업용 전자기기의 주요 적은 거의 습기가 아니라 진동입니다. 엔지니어들은 종종 IP 등급과 습도에 집착하며, 한 방울의 물이 MCU를 단락시킬까 두려워합니다. 그런 일이 발생하기도 하지만, 훨씬 더 교묘한 살인자는 고조파 진동으로 인한 금속 피로입니다. PCB 위의 무거운 부품은 본질적으로 스프링에 매달린 질량입니다. “스프링”은 구리 리드와 납땜 접합부입니다.

납땜은 전기적 연속성을 위해 설계된 복잡한 금속 합금이지, 기계적 구조적 완전성을 위한 것이 아닙니다. 인장 강도가 낮고 주기적 스트레스에 빠르게 경화됩니다. 무거운 토로이달 인덕터나 큰 전해 커패시터가 리드만으로 보드에 고정되면 모멘트 암이 생성됩니다. 그 보드를 드릴링 장비나 배송 트럭에 올려놓으면 진동으로 인해 결국 구리 리드가 피로되어 보드 표면과 평평하게 부러집니다. 어떤 컨포멀 코팅도 이를 막을 수 없습니다.

사실 많은 엔지니어가 침투 보호와 진동 감쇠를 혼동합니다. 실제로는 기계적 안정화가 필요한데 “방수”를 요구합니다. 인클로저가 제 역할을 한다면(IP67 또는 유사), 코팅은 응축만 처리하면 됩니다. 진짜 작업은 그 인덕터가 스스로 진동으로 파괴되는 것을 막는 것입니다.

고진동 환경에서 VFD 제어 보드의 고장 모드를 살펴보십시오. 무거운 부품의 리드에 깨끗한 균열이 자주 보이는 반면, 가벼운 표면 실장 부품은 완벽하게 온전합니다. 고장은 무작위가 아닙니다. 질량과 리드 강성의 직접적인 계산 결과입니다. 부품이 크고 무겁고 얇은 금속 다리로 고정되어 있다면 시한폭탄입니다. 보드를 수지로 완전히 묻는 대신, 해당 질량을 작업용 접착제를 사용해 PCB 기판에 기계적으로 결합합니다.

전략적 스테이킹: 앵커 포인트

여기서 “스테이킹”이 등장합니다—무거운 부품의 바닥이나 측면에 구조용 접착제를 바르는 것입니다. 이것은 보드를 견고하게 만드는 데 가장 높은 ROI 활동입니다. 무거운 캡 주변에 접착제 필렛(예: UV 경화 아크릴 또는 고점도 실리콘)을 추가하면 기계적 특성이 완전히 바뀝니다. 진동 하중이 약한 구리 리드를 통하지 않고 접착제 본체를 통해 FR4 적층판으로 전달됩니다.

산업 환경에서 실리콘에 대한 즉각적인 반응이 종종 있는데, 이는 아세트산 경화 실리콘이 구리를 부식시키고 휘발성 가스가 릴레이 접점을 오염시켰던 시절의 잔재입니다. 이러한 우려는 대부분 구식입니다. 현대의 중성 경화, 전자 등급 RTV(상온 경화) 및 UV 경화 스테이킹 재료는 이러한 문제를 피하도록 특별히 조제되었습니다. 적절한 재료를 선택한다면, 무거운 커패시터가 떨어져 나가는 위험이 오염 위험보다 훨씬 큽니다.

그러나 접착제는 표면 준비만큼만 좋습니다. 먼지가 쌓인 보드에 접착제를 단순히 뿌린다고 해서 접착력이 유지되리라 기대할 수 없습니다. 태양광 인버터와 관련된 한 사례에서는 조립 공장에서 청소하지 않은 무세척 플럭스 잔류물 위에 직접 RTV를 도포하여 현장 고장률이 급증했습니다. 실리콘은 보드에 붙은 것이 아니라 보드 위의 먼지에 붙었습니다. 진동 아래에서 접착제가 벗겨지고 커패시터가 떨어져 나갔습니다. 다인 펜을 사용하거나 엄격한 공정 관리를 통해 표면 에너지를 간단히 확인했다면 수십만 달러의 보증 청구 비용을 절감할 수 있었을 것입니다. 규칙은 간단합니다: 접착제가 닿는 부위를 깨끗이 청소하고, 접착제가 부품 본체와 보드 표면을 연결하는 필렛을 형성하도록 하십시오. 리드를 직접 접착하지 말고 패키지를 접착하십시오.

BGA 타협: 코너 본딩

볼 그리드 어레이(BGA)는 독특한 도전을 제시합니다. 모바일 전자기기(휴대폰, 태블릿)에서는 업계 표준이 모세관 언더필(CUF)입니다—전체 칩 아래로 흐르는 저점도 에폭시로, 칩을 보드에 고정합니다. 이는 낙하 보호에는 훌륭하지만 산업용 수리에는 악몽입니다. BGA를 교체해야 할 경우, 완전히 언더필된 칩을 제거하면 일반적으로 패드가 찢기고 PCB가 파손됩니다.

산업용 장비에서는 주요 스트레스가 낙하가 아니라 열 사이클링과 진동이므로, “코너 본딩”(또는 엣지 본딩)이 우수한 전략입니다. 칩 아래 전체 간극을 채우는 대신, BGA 패키지의 네 모서리에 고점도 접착제를 도포합니다. 이는 패키지를 보드에 고정하여 보드 굽힘이나 진동 중에 솔더 볼이 깨지는 것을 방지합니다.

코너 본딩의 아름다움은 검사 가능성에 있습니다. 전체 언더필에서는 칩 아래에서 무슨 일이 일어나는지 볼 수 없습니다. 에폭시 내에 30%의 기포가 생겨 핫스팟을 만들 수 있으며, 파괴 단면 검사나 고가의 X선 분석을 해야만 알 수 있습니다. 코너 본딩에서는 배열 중앙이 열려 있습니다. 플럭스 잔류물이 리플로우 중에 갇히지 않고 가스가 배출될 수 있어(언더필 부품에서 흔한 “팝코닝” 원인) 칩이 고장 나면 기술자가 접착제 네 모서리를 자르고 부품을 리플로우하여 패드를 파괴하지 않고 교체할 수 있습니다. 기계적 보호는 80%, 재작업성은 100%를 얻는 셈입니다.

서비스 가능성 기능으로서의 화학

스테이킹과 본딩으로 기계적 무거운 작업이 완료되면, 환경 보호를 위해 컨포멀 코팅을 적용할 수 있습니다. 여기서 선택하는 화학물질이 제품의 서비스 가능성을 결정합니다. 많은 엔지니어가 강하고 용제 저항성이 뛰어난 우레탄 코팅을 기본으로 선택합니다. 하지만 스스로에게 물어보십시오: 원하십니까 코팅이 용제 저항성이 있기를?

보드가 번인 테스트에 실패하거나 현장 수리가 필요할 경우, 우레탄 코팅은 장애물이 됩니다. 종종 강한 스트리퍼나 물리적 연마가 필요하여 부품을 손상시킵니다. 반면 아크릴 코팅(예: Humiseal 1B31 또는 유사 제품)은 쉽게 용해됩니다. 기술자는 용제 펜을 사용해 특정 테스트 포인트나 부품 위의 코팅을 녹이고 수리한 후 해당 부분만 다시 코팅할 수 있습니다.

우리는 선전의 계약 제조업체에서 우레탄에서 아크릴로 전환하면서 수율 재앙이 관리 가능한 공정으로 바뀌는 것을 목격했습니다. 재작업 기술자들은 필요시 아크릴 코팅을 통해 직접 납땜할 수 있었고(냄새는 끔찍하지만 효과적임), 몇 초 만에 닦아낼 수도 있었습니다. 수율 회복은 거의 0에서 95% 이상으로 증가했습니다. 장치가 연료 증기나 강한 세척제 같은 아크릴을 용해시키는 특정 화학적 위협 환경에 들어가지 않는 한, 아크릴의 서비스 가능성이 우레탄의 내구성보다 보통 더 중요합니다.

재작업 시뮬레이션

견고화는 공학적 문제처럼 보이지만 실제로는 경제적 계산입니다. 설계 단계에서 머릿속으로 “재작업 시뮬레이션”을 실행해야 합니다. 표준 납땜 인두와 현미경을 가진 기술자가 보드를 수리하려고 할 때, 테스트 포인트를 탐침할 수 있습니까? 주요 MCU를 교체할 수 있습니까?

보드의 자재 명세서(BOM) 비용이 $50 미만이라면 아마 신경 쓰지 않을 것입니다. 포팅하고 밀봉한 후 고장 나면 파쇄기에 넣으십시오. 그러나 그 보드가 $500 또는 $2,000이고 중요한 산업 시스템의 일부라면, 수리 기술자 앞에 놓는 모든 장벽은 책임입니다. 질량을 위한 스테이킹, BGA를 위한 코너 본딩, 표면을 위한 재작업 가능한 코팅을 사용함으로써 현장에서 견디면서도 그곳에서 죽지 않는 제품을 만듭니다.