“영원한” 접착제의 숨겨진 비용: 언더필 전략 현장 가이드

2014년, 1급 소비자 오디오 브랜드가 페낭의 공장 바닥에서 악몽 같은 상황에 직면했습니다. 최신 유행의 새로운 헤드폰 디자인이 막 생산을 시작했으며, 메인 로직 보드에는 촘촘한 피치의 부품들이 가득했습니다. 혹독한 낙하 테스트 사양을 통과하기 위해 엔지니어링 팀은 "콘크리트 등급" 모세관 언더필을 고정했습니다. 이 에폭시는 너무 단단하고 영구적이어서 보드를 사실상 단단한 벽돌로 만들었습니다.

낙하 테스트에는 완벽하게 작동했습니다. 하지만 생산 3주 차에 BGA 공급업체가 냉납이 있는 칩 배치를 배송했습니다.

일반 라인에서는 이를 재작업했을 것입니다. 보드를 가열하고, 칩을 들어 올리고, 패드를 청소한 후 새 $4 부품을 배치했을 것입니다. 하지만 그 특정 언더필 때문에 재작업은 불가능했습니다. 에폭시 접착은 라미네이트 자체보다 강했습니다. 칩을 제거하려는 모든 시도는 유리섬유 코어에서 구리 패드를 떼어냈습니다. 공장은 단 한 개의 결함 부품도 교체할 수 없었기 때문에 12,000개의 완제품 PCBA를 물리적으로 파괴해야 했습니다—수십만 달러 상당의 재고였습니다.

이것이 언더필을 순전히 기계적 해결책으로만 취급하는 함정입니다. 접착제를 낙하 테스트 실패에 대한 단순한 보험 정책으로 보는 것은 쉽습니다. 그러나 생존 지표만을 기준으로 재료를 선택하면 의도치 않게 재정적 시한폭탄을 설계하는 것입니다. 제거할 수 없는 재료를 지정하면 제조 수율이 영원히 100%일 것이라고 내기하는 셈입니다. 이는 어떤 숙련된 엔지니어도 절대 해서는 안 될 내기입니다.

후회의 물리학

적절한 재료를 선택하려면 왜 그것을 사용하는지 이해해야 합니다. 보통 목표는 볼 그리드 어레이(BGA) 또는 칩 스케일 패키지(CSP)를 기계적 충격으로부터 보호하는 것입니다. 장치가 바닥에 떨어지면 PCB가 휘어집니다. 칩의 단단한 세라믹 또는 플라스틱 패키지는 그렇지 않습니다. 이 차이 나는 굽힘이 납땜 볼에 큰 전단력을 만들어 균열을 일으킵니다. 언더필은 칩과 보드 사이의 간극을 채워 이들을 하나의 단위로 움직이도록 결합합니다.

하지만 "더 강한" 것이 항상 더 좋은 것은 아닙니다. 흔한 실수는 높은 영률(강성)과 납땜과 불일치하는 높은 열팽창계수(CTE)를 가진 언더필을 선택하는 것입니다. 언더필이 열 사이클 동안—예를 들어 자동차 테스트에서 -40°C에서 125°C로—납땜 접합부보다 훨씬 더 빨리 팽창하면 접착제 자체가 칩을 패드에서 기계적으로 들어 올릴 수 있습니다. 사실상 부품 아래에 느린 동작의 지렛대를 설치하는 셈입니다.

업계에는 구조적 언더필과 콘포멀 코팅 간의 지속적인 혼동도 있습니다. 엔지니어들이 칩을 고정하기 위해 두꺼운 아크릴 또는 우레탄 코팅을 그냥 "덩어리째" 바를 수 있는지 묻는 것을 볼 수 있습니다. 이 둘은 전혀 다른 것입니다. 콘포멀 코팅은 습기와 먼지에 대한 얇은 장벽이며, 낙하 시 발생하는 G-포스에 대한 구조적 강도는 거의 없습니다. 언더필은 하중을 전달하도록 설계된 구조 공학 재료입니다. 이 둘을 혼동하면 현장 고장으로 빠르게 이어집니다.

목표는 칩을 무적의 무덤에 가두는 것이 아니라, 조립체를 분해하는 새로운 열 응력을 도입하지 않고 납땜 접합부에서 스트레스를 분산시키는 것입니다.

전략적 전환: 모세관 대 에지 본딩

대부분의 소비자 및 산업용 전자제품에서 기본 본능은 "모세관 언더필"(CUF)입니다. 이는 저점도 에폭시를 칩 가장자리를 따라 분사하면 모세관 작용으로 아래로 빨려 들어가 전체 빈 공간을 채우는 공정입니다. 최대의 기계적 결합을 제공합니다. 또한 재작업이 가장 어렵습니다.

많은 설계에 더 우수한 대안이 있습니다: 코너 본딩, 즉 "스테이킹"입니다.

전체 간극을 채우는 대신, BGA 패키지의 네 모서리에 고점도 접착제 점을 분배합니다. 이는 칩을 보드에 고정하여 항상 먼저 고장 나는 모서리 납땜 볼이 낙하 충격의 대부분을 받지 않도록 합니다. 산업용 IoT 스타트업의 실험 설계(Design of Experiments, DOE)에서 무거운 FPGA에 대해 전체 모세관 흐름과 모서리 접착을 비교했습니다. 전체 언더필은 1미터 높이에서 20번의 낙하를 견뎠고, 모서리 접착은 18번 견뎠습니다. 둘 다 10번 낙하 요구사항을 초과했습니다.

차이점은? 펌웨어 버그로 처음 50대가 벽돌이 되었을 때, 모서리 접착된 FPGA는 15분 만에 떼어내고 교체할 수 있었습니다. 완전히 언더필된 유닛은 폐기물이 되었을 것입니다. 이론적인 내구성의 아주 작은 마진을 희생함으로써, 고객은 100%의 유지보수성을 얻었습니다.

하지만 경고합니다: 실험실에 굴러다니는 아무 접착제 튜브로 모서리 접착을 즉흥적으로 시도하지 마십시오. 저는 엔지니어들이 RTV 실리콘(본질적으로 욕실용 코킹제)을 부품 고정에 사용하려는 것을 본 적이 있습니다. 많은 RTV 실리콘은 아세트산을 방출하며 경화되는데, 이는 시간이 지나면서 구리 회로를 부식시키고 납땜 접합부를 부식시킵니다. 부품을 고정하려면 전자제품용으로 특별히 제조된 접착제—보통은 처짐이 없도록 점성이 높은 비전도성 에폭시—를 사용하세요.

중요한 한 가지 사양: Tg

전체 모세관 언더필을 사용하기로 결정했다면, 데이터시트에서 즉시 눈길이 가야 할 한 줄이 있습니다: 유리 전이 온도(Glass Transition Temperature), 즉 Tg입니다.

Tg는 에폭시가 단단하고 유리 같은 상태에서 부드럽고 고무 같은 상태로 전환되는 온도입니다. 이것이 재작업 가능 시간대입니다. 보드를 파괴하지 않고 언더필된 칩을 제거하려면 접착제를 Tg 이상으로 가열하여 충분히 부드럽게 만들어야 하지만, PCB 라미네이트가 박리되거나 납땜이 열 폭주를 일으키는 온도는 넘지 않아야 합니다.

“재작업 가능” 언더필은 일반적으로 Tg가 약 80°C에서 130°C 사이입니다. 이는 기술자가 열풍기를 사용해 국부 부위를 가열하여 접착제를 부드럽게 하고 칩을 들어 올릴 수 있게 합니다. 재작업 불가능한 “구조용” 에폭시는 종종 Tg가 160°C 이상입니다. 그 재료를 긁어낼 만큼 부드럽게 만들 때쯤이면 FR-4 보드를 과열시켜 구리 패드를 들어 올리고 비아 구조를 파괴했을 가능성이 큽니다.

벤더 브로셔 앞면에 있는 “재작업 가능”이라는 단어를 믿지 마십시오. 모든 접착제 벤더는 자사 제품이 재작업 가능하다고 주장합니다. 그들이 의미하는 바는 재작업이 가능하다는 것입니다. 인지 여부는 당신에게 $50,000 정밀 재작업 기계, 8시간의 시간, 그리고 외과의사의 손이 있다면 Tg 곡선을 보십시오. 재료가 170°C까지 단단한 상태를 유지한다면, 이는 대량 수리 작업장에서는 사실상 영구적입니다.

여기에는 미묘한 차이가 있습니다—Tg가 낮은 재작업 가능 조성물은 고온 환경(예: 자동차 엔진룸)에서 장기간 노화 시 안정성이 떨어질 수 있습니다. 하지만 태블릿, 대시보드 디스플레이, 의료기기에는 그 절충이 거의 항상 가치가 있습니다. 저는 의도적으로 무수무기산과 아민 경화 시스템에 대한 화학 수업을 건너뛰고 있는데, 솔직히 올바른 결정을 내리기 위해 분자 구조를 알 필요는 없습니다. 보드에서 떼어낼 수 있는지 여부만 알면 됩니다.

스크랩 수학

궁극적으로 언더필은 단순한 기계적 결정이 아니라 경제적 결정입니다. “폐기 수학 감사”를 실행해야 합니다.

조립된 PCBA의 비용을 계산해 보십시오. 예를 들어 의료용 태블릿의 $800 메인보드라고 합시다. 이제 BGA 부품의 결함률을 추정해 보십시오—예를 들어 백만 개당 2,000개(ppm). 재작업 불가능한 언더필을 사용하면, 백만 개당 2,000개의 결함 각각이 $800 손실을 초래합니다. 하나의 $5 칩에 냉납 접합이 있었기 때문에 CPU, 메모리, 전원 관리 칩, 보드 자체를 모두 버리는 셈입니다.

2016년 “프로젝트 아폴로” 의료 태블릿 참사에서는 결함 있는 메모리 칩에 재작업 불가능한 언더필을 선택하여 4,000대가 폐기되었습니다. 손실은 하드웨어뿐만 아니라 물류, 출하 지연, 보증 문제까지 포함되었습니다.

재작업 가능 재료나 모서리 접착 전략을 사용하면, 그 실패 비용은 기술자 노동비 $50와 새 부품 비용에 불과합니다. 보드는 구제됩니다. 신뢰성은 장치가 낙하 테스트를 견디는지 여부뿐만 아니라 제조 변동성을 견디는지 여부에 관한 것입니다. 영구적이라는 것은 완벽함을 의미하지만, 전자 제조에서는 완벽한 것은 없습니다.