스테이킹 대 에폭시: 장기 수리 가능성을 결정하는 견고화 선택

엔지니어링 실험실에서 가장 비싼 침묵은 "러기다이즈드" 보드가 열 충격 테스트에 실패하는 소리입니다. 아마도 그 결과를 보셨을 것입니다: 엔진룸이나 산업용 HVAC 유닛 내부에서 견디도록 설계된 중장비 컨트롤러가 단단한 검은색 에폭시 블록으로 완전히 감싸져 있습니다. 설계 의도는 보호였습니다. 엔지니어들은 진동을 멈추고, 습기를 차단하며, 염수 분무 검증을 통과시키고자 했습니다. 그러나 현장에서 돌아온 장치가 도착 즉시 고장 나면, 그 보호는 무덤이 됩니다. 레일을 탐침할 수 없고, 납땜 접합부를 검사할 수도 없습니다. 당신은 자신의 파멸의 모든 비밀을 담고 있는 벽돌만 남게 되며, 증거를 파괴하지 않고는 그것들을 추출할 방법이 없습니다.

이것이 전자기기 러기다이제이션의 중심 역설입니다. 직관적인 움직임—모든 것을 단단하고 움직이지 않게 만드는 것—은 종종 신뢰성에 있어 정확히 잘못된 선택입니다. 인쇄 회로 기판(PCB)을 고탄성 에폭시로 가득 채우면 단순히 보호하는 것이 아니라 실리콘, 구리, 유리섬유 사이의 섬세한 열적 상호작용에 거대한 새로운 기계적 요소를 도입하는 것입니다. 진정한 러기다이제이션은 경도보다는 유연성에 더 의존합니다. 완전 캡슐화(포팅)와 외과적 고정 사이의 선택은 종종 유지보수가 가능한 제품과 평판을 파산시킬 제품 사이의 선택입니다.

열적 자살의 물리학

"더 강한" 접착제가 종종 보드를 망치는 이유를 이해하려면 물리가 무시할 수 없게 만드는 수치를 봐야 합니다. 여기서 조용한 살인자는 열팽창 계수(CTE)입니다. 표준 FR4 회로 기판은 섭씨 1도당 약 14~17ppm(백만분율) 정도 팽창합니다. 구리 트레이스와 유리섬유 직조는 이 비율로 함께 움직입니다. 그 보드에 납땜된 부품들—세라믹 커패시터, 플라스틱 패키지 안의 실리콘 다이—은 보통 6~20ppm/°C 범위로 자체 팽창률이 낮습니다. 납땜 접합부는 이 미세한 불일치를 흡수하며, 장치가 가열되고 냉각될 때 미세하게 유연하게 움직입니다.

이제 일반적인 포팅 화합물을 도입해 봅시다. "보호"에 사용되는 대부분의 단단한 에폭시는 50~80ppm/°C 범위의 CTE를 가집니다. 여기서 재앙이 시작됩니다. 장치가 내부 전력 소산이나 -40°C에서 +85°C로의 주변 온도 변화로 가열될 때, 그 큰 에폭시 블록은 캡슐화된 보드보다 3~4배 빠르게 팽창합니다. 그 순간, 그것은 보호 코팅 역할을 멈추고 유압 프레스로 변합니다. 에폭시는 부품을 잡아당깁니다. 에폭시는 크고 단단하며, BGA(볼 그리드 어레이)의 납땜 볼은 작고 부드러워서 에폭시가 이깁니다. 납땜 볼을 패드에서 완전히 잘라내거나, 더 나쁘게는 PCB 라미네이트에서 구리 패드를 완전히 뜯어내기도 합니다(패드 크레이터링).

이 기계적 공격성을 코팅의 무해한 성질과 혼동하지 마십시오. 엔지니어들은 종종 두 가지를 혼동하여 스프레이 코팅이 "충분한" 보호인지 묻습니다. 콘포멀 코팅—아크릴, 우레탄, 얇은 실리콘—은 두께가 마이크론 단위입니다. 그것들은 수지 성장과 습기로 인한 부식을 막기 위해 존재합니다. 부품에 힘을 가할 만큼의 질량이 없습니다. 포팅과 두꺼운 고정은 구조적이며 힘을 전달합니다. 강철 파이프 안에서 풍선처럼 팽창하는 재료를 사용하면 무언가가 부러져야 합니다. 보통은 당신이 지키려던 전기 연결부입니다.

강직함은 적이다

CTE를 완벽하게 맞추는 것은 거의 불가능하므로—경화된 폴리머의 데이터시트 값은 지나치게 낙관적이며 배치마다 다릅니다—당신이 조절할 수 있는 변수를 바꿔야 합니다: 강직도. 재료 과학에서 이것은 영률(Young’s Modulus)입니다. 베개에 맞는 것과 벽돌에 맞는 것의 차이입니다. 둘 다 무게는 같을 수 있지만 에너지 전달은 다릅니다.

많은 단단한 에폭시나 시아노아크릴레이트(슈퍼 글루) 같은 고영률 재료는 스트레스를 가장 약한 연결고리에 직접 전달합니다. 무거운 인덕터를 단단한 접착제로 붙이고 보드가 진동하면 접착제는 유연하지 않습니다. 에너지는 접착제를 통과해 PCB의 구리 호일에 집중됩니다. 결과는 종종 부품이 완벽하게 접착되어 있지만 회로와 연결이 끊긴 채 찢어진 유리섬유 조각에 붙어 있는 상태입니다.

대안은 일반적으로 실리콘이나 변형된 우레탄 같은 저영률 재료입니다. 실리콘 RTV(상온 경화) 고무는 때때로 200ppm/°C가 넘는 거대한 CTE를 가질 수 있지만 매우 부드러워(저영률) 중요하지 않습니다. 팽창할 때 당기기보다는 눌러줍니다. 충격 흡수체 역할을 하며 스트레스 전달자가 아닙니다. 화학적 문제에도 불구하고 고진동 자동차 환경에서 실리콘이 사용되는 이유가 있습니다: 그것은 유연합니다. 보드의 움직임을 용서합니다.

외과적 고정: 중간 경로

현장에서 가장 신뢰할 수 있는 보드는 고전압 아크 억제나 심해 압력 같은 절대적으로 필요한 경우를 제외하고는 완전 캡슐화를 피하는 경향이 있습니다. 대신 외과적 고정에 의존합니다. 이는 실제로 필요한 부품—키가 큰 전해 커패시터, 무거운 인덕터, 커넥터—만 고정하고 보드 자체는 자유롭게 숨 쉴 수 있도록 하는 방법입니다.

목표는 열 피로를 유발하지 않으면서 기계적 피로를 멈추는 것입니다. 부품을 살리기 위해서 과도하게 덮을 필요는 없습니다. 휴대용/모바일 기기 분야에서 흔히 가져오는 실수 중 하나는 모든 것을 "언더필"하려는 충동입니다. 휴대폰에서는 언더필이 단일 치명적인 낙하 사건으로부터 보호합니다. 산업용 장비에서는 언더필이 수년간의 일일 온도 사이클 동안 열 팽창 문제를 자주 일으킵니다.

무거운 부품에 더 나은 접근법은 "코너 본딩" 또는 "필렛 스테이킹"입니다. 부품의 모서리나 바닥에 유연한 접착제를 발라 진동에 저항하는 넓은 접지면을 만듭니다. 이는 부품 본체를 단단한 열 케이지에 고정하지 않고도 장착물의 기계적 지렛대를 증가시킵니다. 본질적으로 무거운 부품에 충격 흡수 장치를 추가하는 것입니다. 납땜 접합부는 전기 신호를 전달하고, 스테이킹은 기계적 하중을 담당합니다. 이들은 별개의 역할이어야 합니다.

재작업 현실

궁극적으로, 견고화 처리를 제거할 수 없다면, 실제로 제품의 신뢰성 데이터를 소유하고 있는 것이 아닙니다. 포팅된 모듈이 고장 나고, Dynasolve 같은 납땜 마스크와 라벨도 손상시키는 강한 화학물질을 사용하지 않고는 포팅을 녹일 수 없다면, 당신은 눈을 가린 채 비행하는 것입니다. 근본 원인 분석을 수행할 수 없습니다. 나쁜 납땜 접합부였나요? 위조된 커패시터였나요? 균열이 간 트레이스였나요? 절대 알 수 없습니다. 그냥 폐기물통에 버리고 다음 배치가 더 나아지길 바랄 뿐입니다.

10달러짜리 센서라면 그런 일회용 경제학이 통할지도 모릅니다. 하지만 중요한 컨트롤러의 경우, "결함 없음" 반품은 엔지니어링 자원의 손실입니다. 뜨거운 칼로 벗기거나 자를 수 있는 스테이킹 재료는 부품을 교체하고, 고장을 확인하며, 실제로 공정을 수정할 수 있게 해줍니다. 수리는 단일 유닛을 고치는 것만이 아니라, 왜 고장이 났는지 배울 수 있는 접근성을 확보하는 것입니다. 실수를 에폭시에 가두면, 그 실수를 반복할 운명에 처하게 됩니다.