물리학은 협상하지 않는다: IPC Class 3 수직 채움이 숏통 내부에서 실패하는 이유

보이지 않는 실패

고신뢰성 조립에서 가장 위험한 보드는 기능 시험에 실패하는 보드가 아니다. 합격하는 보드이다. 보드를 빛에 들어 올려 보면, 완벽한 상단 부위 필렛을 볼 수 있고, Lot에 서명할 수 있지만, 만약 그 조인트가 우주선 조종석이나 의료기기에 쓰인다면, 육안 검사는 사실상 거짓이다.

물리학은 상단 패드에 완벽한 필렛이 내부 솔더 기둥의 견고함을 보장하지 않는다는 것을 규정한다. J-STD-001이 요구하는 수직 채우기(그리고 종종 계약 부록에 따라 100%)를 요구하는 클래스 3 제조에서는, '충분한' 육안 검사는 책임이 된다. 부품 측면에서는 아름다운 메니iscus를 보여줄 수 있지만, 관통부 자체가 빈 공간으로 가득 차거나 반만 채워졌을 수도 있다.

여기서 유일한 공정한 판사는 X선 분석 또는 파괴적 단면 분석이다. 샘플 보드를 절단하고 단면을 연마할 때, 공예 기술을 찾는 것이 아니라, 모세혈관 작용과 열역학 간의 싸움의 흔적을 찾는다. 솔더가 오르지 못하는 것은 드물게 파도 높이가 너무 낮아서가 아니다. 보통은 보드 디자인이 물리적으로 상승을 불가능하게 만든다.

가스 잠금의 기하학

수직 채움이 나쁜 주된 원인은 거의 항상 홀-리드 비율이다. 설계자와 구매팀은 종종 부품 핀과 도금 통과구멍(PTH)을 간단한 ‘탭 A를 슬롯 B에 넣는’ 기하학으로 취급한다. 핀이 맞으면 설계가 승인된다. 그러나 파동 솔더링에서는, 홀은 단순한 수납구멍이 아니라, 유체 역학적 채널이다.

구형 핀 대신 사각형 핀으로 교체하여 일부 센트를 절약할 때 무슨 일이 일어나는지 관찰하라. 그 사각형 핀의 대각선이 기술적으로 홀 벽을 넘어갈 수 있지만, 모서리에는 플럭스 가스가 갇히는 좁은 공간이 생긴다. 파도는 보드 하단에 닿았을 때, 플럭스가 활성화되고 배기가스가 발생한다. 만약 원형 틈새—핀 주변의 맑은 ‘굴뚝’—가 없다면, 가스는 빠져나갈 곳이 없다. 그것은 관내에 압력을 받은 기포를 형성한다.

액체 솔더를 고압 가스 포켓에 밀어넣으려 한다. 물리학이 항상 승리한다. 솔더는 멈추고, 가스는 남으며, 블로우 홀 또는 공극이 생긴다.

이 문제는 Pin-in-Paste(PIP) 공정에서 더욱 공격적이다. 페이스트 볼륨은 가스 방정식에 또 다른 변수를 더하지만, 근본 원칙은 변하지 않는다: 솔더가 들어가기 위해서는 가스가 빠져나가야 한다.

클래스 3 채우기를 위해선 특정 간극 원통이 필요하다. IPC는 범위를 권장하지만, 경험상 표준 0.062″에서 0.093″ 두께의 보드에는 약 0.010인치(10밀) 간극이 필요하다. 0.028″ 핀과 0.032″ 마감 구멍의 경우, 4밀의 간극이 있으며, 완벽히 중앙에 있다면 각각 2밀이다. 이는 커피 스터러를 통해 밀크셰이크를 마시려는 것과 같다. 표면 장력과 플럭스 가스의 역압을 극복하는 데 필요한 모세혈관 압력은 너무 높다. 솔더는 위에 도달하기 전에 아래쪽에서 다리게 될 것이다.

열적 강도 절도

기하학적 구조가 흐름을 허용하더라도, 보드 자체가 적대적 경쟁자가 되는 경우가 많다. PCB를 수동 캐리어로 여기는 경향이 있지만, 열적으로는 다층 보드가 거대한 방열판이다.

중량이 많은 접지면이 있는 14층 서버 백플레인을 4층부터 10층까지 탑재하세요. 그 회로가 물결을 치면, 납땜 온도는 260°C(SAC305 기준)이지만, 구리 배럴은 차갑습니다. 액체 납땜이 배럴 벽에 닿는 순간, 내부 접지면이 그 열 에너지를 즉시 흡수합니다. 납이 벽에 얼기 전에 응고되어 위로 올라가지 못합니다. 물결을 얼마나 높이 올리든 상관없이, 얼어붙은 플러그를 통해 액체를 밀어낼 수 없습니다.

이것이 ‘선별 납땜’에 관한 토론이 자주 일어나는 곳입니다. 엔지니어들은 선택적 납땜이 더 정밀하기 때문에 이것을 해결한다고 가정하지만, 선택적 포트는 전체 웨이브 터널보다 열 질량이 현저히 적습니다. 만약 웨이브에서 충전할 수 없다면, 적극적인 예열 없이 선택적 기계에서는 더 큰 어려움을 겪을 것입니다.

이 문제는 포트 온도만으로 해결되지 않습니다. 진짜 해결책은 예열 흡수에 있습니다. 보드의 코어를 포화시켜야 합니다. 목표는 구멍의 ‘무릎’ — 내부 구리 구조 — 를 파도에 닿기 전 최소 110°C 또는 120°C까지 올리는 것입니다. 이는 납과 구리 간의 ‘델타 T’(온도 차이)를 최소화하는 것과 같습니다. 보드가 충분히 뜨거우면, 납이 액체 상태를 유지하며 타워를 오를 수 있습니다. 배럴을 데우기 위해 물결에 의존한다면, 이미 실패한 것입니다.

파동 높이로 설계를 수정할 수 없다

충전율이 떨어질 때 가장 흔한 반응은 ‘파라미터를 강제로 조정하는 것’입니다. 작업자는 펌프 RPM을 높여 물결 높이를 키우거나, 공급 컨베이어를 느리게 움직여 체류 시간을 늘립니다. 이것은 본질적으로 물리학을 강제로 밀어붙이려는 시도입니다.

물결 높이를 높이면 수압이 증가하지만, 주로 하단의 브리징과 쇼트 위험이 커집니다. 체류 시간을 늘리며 보드를 더 오래 물결에 머무르게 하는 것은 훨씬 더 위험합니다. 너무 오래 머무르면, 구리의 ‘무릎’에서 바로 구리가 용출되거나, 링이 용해될 위험이 있습니다. 충전은 될 수 있지만, 비아의 금속적 무결성을 파괴하게 됩니다.

상단 ‘터치업’ 또는 수작업 납땜도 Class 3 결함에는 똑같이 위험합니다. 상단에서 와이어 납땜을 추가하면, 새로 붙은 납이 구리 배럴 내부의 오래된 납과 만나면서 ‘콜드 조인트’가 형성됩니다. 겉보기에는 충전된 것처럼 보이지만, 구조적으로는 진동 하에서 파손될 수 있는 약한 지점입니다.

드릴 차트는 프로세스 윈도우입니다

매직 플럭스도 없고, 3밀 간격 구멍이 있고, 열 완화가 부족한 24층 보드에 완벽한 기계 설정도 없습니다. 여기서 기계 유지보수의 기본사항을 생략하는데, 노즐이 깨끗하고 임펠러가 작동하는 것으로 가정하기 때문입니다—왜냐하면 유지보수만으로는 나쁜 드릴 차트 문제를 해결하지 못하기 때문입니다.

Class 3 충전을 원한다면, 그 작업은 보드가 웨이브 솔더링 탑에 도달하기 훨씬 전에 CAD 소프트웨어에서 이루어져야 합니다. 구멍이 호흡할 수 있게 설계(ratio)하고, 보드가 열을 유지할 수 있도록 설계(열 완화)해야 합니다. 플루이드 역학과 열역학을 고려하지 않는 설계는 폐기물만 만들어냅니다.