고열량 기판에서의 HiP 결함: 왜 더 많은 페이스트가 결코 정답이 될 수 없는가

그 시나리오는 매우 흔하게 발생합니다. 무거운 구리 평면이 빽빽하게 배치된 복잡한 보드가 리플로우 오븐에서 나옵니다. 검사는 큰 BGA 아래의 헤드-인-필로우(HiP) 결함 무리를 드러내는데, 이는 납땜구슬과 페이스트가 결합하지 못한 교활한 개방 회로입니다. 즉각적인 본능은 납땜 페이스트 양을 늘리는 것입니다. 논리적이죠: 연결이 형성되지 않는다면, 더 많은 재료를 그냥 추가하면 되니까요.

이 본능은 틀렸습니다. Bester PCBA에서는 이 접근법이 반복해서 실패하는 것을 봤습니다. 높은 열 질량을 가진 조립품의 경우, 패드에 페이스트를 과도하게 도포하는 것은 근본적인 원인을 무시하는 것입니다. 문제는 납땜이 부족해서가 아니라, 열 전달의 물리학에 의해 순간적으로, 치명적인 수준으로 동반성(평면성)을 상실하는 것입니다. 해결책은 더 큰 스텐실 구멍이 아니라 전체 조립 공정을 규율 있게 관리하는 데 있습니다.

고집 센 결함의 해부학: 휨, 열 지연, 그리고 실패한 직감

인쇄회로기판(PCB)은 불활성 판이 아닙니다. 이는 매우 다른 열적 특성을 가진 재료의 복합체입니다. 무거운 접지 평면이나 두꺼운 폼 팩터를 가진 보드가 리플로우 오븐에 들어가면 온도 변화를 저항하며, 이는 HiP 결함이 발생하기 딱 좋은 조건을 만듭니다.

높은 열 질량의 핵심 도전

높은 열 질량은 히트 싱크 역할을 하여 심각한 열 지연을 일으킵니다. 보드의 외곽과 상단 부품들은 빠르게 가열되지만, 내부 층과 부품측 접지 평면은 훨씬 느리게 열 에너지를 흡수합니다. 이러한 차등 가열은 리플로우 과정에서 역동적인 휨을 유발하는 엔진입니다. 보드는 오븐 내에서 물리적으로 왜곡되며, 이 왜곡은 균일하거나 정적이지 않습니다.

“더 많은 페이스트” 신화 깨기: 시간 문제이지 양의 문제가 아니다

더 많은 페이스트를 추가하는 것은 실패하는데, 이는 HiP를 단순한 갭 채우기 문제로 취급하기 때문입니다. 그러나 갭은 역동적입니다. 더 큰 페이스트 적재는 처지고, 브리징 위험을 증가시키며, 일시적으로 휨으로 인해 떠오른 BGA 볼과 접촉하지 못할 수도 있습니다. 근본적인 실패는 시간의 불일치입니다: 납땜 페이스트가 녹고 플럭스 활성이 소진되는 순간, BGA 볼이 가장 멀리 이동하는 때와 겹칩니다. 프로파일 후반에 보드가 평평해질 때쯤이면 페이스트는 산화된, 적시적습이 불가능한 덩어리가 됩니다. 접속 실패는 액상일 때 접촉이 이루어지지 않았기 때문이며, 이는 양으로만 해결할 수 없는 문제입니다.

첫 원리: 동반성 이탈의 물리학

이 결함을 해결하려면 작용하는 힘을 이해해야 합니다. 높은 열 질량 보드의 HiP 결함은 부품과 PCB 사이의 물리적 전투의 이야기이며, 온도라는 무기를 가지고 싸웁니다.

온도 전쟁: 열 구배가 휨을 어떻게 유발하는가

조립이 리플로우 오븐을 통과할 때, 열적 가벼운 영역과 무거운 영역 사이에 상당한 온도 차이 또는 델타-T가 발생합니다. 열 관성이 낮은 BGA 팩키지는 빠르게 가열됩니다. 그 바로 아래 PCB의 부분은 종종 광범위한 접지면에 연결되어 있으며 훨씬 더 느리게 가열됩니다. 이 델타-T는 차별적 팽창을 유발합니다. BGA는 아래의 보드보다 더 빨리 팽창하여 '미소 짓는' 뒤틀림을 만들어내며, 이는 부품의 중앙이 PCB에서 떨어져 올라오는 형태입니다. 이는 헤드-인-필로우 상태를 정의하는 물리적 분리를 만듭니다.

BGA 대 보드: 액체상 온도까지의 경쟁

이 뒤틀림은 리플로우 프로파일의 램프-투-피크 단계에서 가장 심하게 나타나며—중요하게도, 이때 납땜합금이 액체상 온도에 도달합니다. 빠르게 가열된 BGA의 납볼은 용융되어 조인트를 형성할 준비가 되어 있습니다. 그러나 PCB 패드 위의 납땜 페이스트는 여전히 온도에 도달하는 데 어려움을 겪고 있어 열 지연으로 인해 균형이 깨집니다. 결과적으로 매우 중요한 정렬 실패가 발생합니다. BGA 볼은 액체 상태이지만, 페이스트는 아직 완전히 용융되지 않았거나, 뒤틀림으로 인한 간극이 너무 커서 플럭스 소모 전에 연결이 이뤄지지 않습니다. 연결이 실패하는 것입니다.

열 플레이북: 리플로우 프로파일 숙달하기

근본 원인이 열적이기 때문에 해결책도 열적이어야 합니다. 리플로우 프로파일은 동적 뒤틀림을 완화하는 가장 강력한 도구입니다. 목표는 단순히 납땜을 녹이는 것이 아니라, 전체 조립체의 델타-T를 관리하여 모두 같은 시간에 액체상 온도에 도달하고 같은 평면에 있도록 하는 것입니다.

열적 평형을 위한 soak 연장

열 관성이 높은 보드의 경우, 더 길고 신중하게 제어된 soak 구역이 필수적입니다. 단순한 보드에 적합한 짧은 soaking 프로파일은 여기서 재앙이 될 수 있습니다. 납의 녹는점 바로 아래에서 연장된 soak 기간은 끈질기고 열적으로 무거운 보드 부분이 더 가벼운 부분을 따라잡도록 합니다. 전체 조립체의 델타-T를 최소화하여 전에 최종 램프-투-피크 단계에서, 뒤틀림에 대한 구동력을 크게 줄입니다. 조립체는 열적 평형 상태에서 중요한 피크 구간에 진입합니다.

절제된 액체상 온도 이상 시간: 평평한 조인트 형성

평형 상태에 도달하면, 액체상 온도 이상 시간(TAL)이 다음으로 중요한 변수입니다. 흔한 실수 중 하나는 TAL이 너무 짧아 완전한 습윤이 이루어지지 않거나 너무 길어져 부품이 손상되고 플럭스가 소모되는 것입니다. HiP의 경우, 목표는 두 가지가 일어날 만큼의 TAL을 확보하는 것입니다: 용융된 납이 완전히 결합되고, 온도 차이가 피크에서 보드와 부품이 '이완'되어 더 평평한 상태로 자리 잡을 수 있도록 하는 것. 이 절제는 견고한 평평한 조인트를 만들어냅니다. 초강력 지원 핀이 부착된 전용 지지대가 없거나 제한된 경우, 긴 안정적인 soak을 달성하는 것이 어려울 수 있습니다. 이 경우, 전체 램프 속도를 늦추면 더 오래 soak하는 것과 유사하게 작용하여, 보드가 더 오랫동안 평형 상태를 이루게 합니다.

프로파일을 넘어서: 기계적 및 재료적 개입

열 프로파일이 핵심 역할을 하는 동안, 두 가지 다른 개입은 문제의 물리적 및 화학적 측면을 해결하여 완전하고 견고한 해결책을 제공합니다.

적절한 지지로 보드 제어하기

열 구배가 뒤틀림의 엔진이라면, 물리적 지지의 부족은 그것이 통제 불능으로 달리게 하는 원인입니다. 특히 크거나 얇은 열 관성이 높은 보드는 오븐 내에서 적절히 지지되어야 합니다. 단순한 가장자리 컨베이어에 의존하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 특히 BGA 주변에 핀이 접촉하는 전용 지지대를 강력히 추천하며, 이는 보드의 가장자리와 중앙에 위치하여 물리적 제약을 가하고, 뒤틀림 방지와 평면성 향상에 큰 도움이 됩니다.

무기를 선택하세요: 고접착력 저슬럼 납땜 페이스트

납땜 페이스트 자체가 적극적인 참여자입니다. 이러한 기판에서 HiP에 직면했을 때, 페이스트의 화학 성분이 매우 중요합니다. 뛰어난 접착력과 강력한 활성제 패키지를 갖춘 페이스트가 필요합니다. 높은 접착력을 가진 페이스트는 작은 분리 현상이 발생하더라도 BGA 볼과의 물리적 접촉을 유지하게 해줍니다. 활성제가 지속적으로 활동성을 유지할 수 있도록 장시간 침수 프로파일을 견딜 수 있도록 설계된 플럭스가 필요하며, 액체상이 달성되는 순간 산화물을 제거하는 준비가 되어 있어야 합니다. 슬럼프 성능이 좋지 않거나 플럭스가 약한 페이스트는 상황을 더 악화시킬 뿐입니다.

수정을 검증하기: 프로세스 제어에서 X선까지

이러한 변화를 구현하는 것은 절반의 전투를 이기는 것과 같으며, 성공 여부를 확인하는 것이 나머지 절반입니다. 안정적인 열 프로파일링은 공정을 제어하는 데 필수적입니다. HiP를 제거한 성공적이고 문서화된 프로파일은 정기적으로 감사해야 합니다.

궁극적으로, 확실한 증거는 검사를 통해 나옵니다. 육안 검사는 단서를 제공할 수 있지만, HiP가 제거되었음을 확신하는 유일한 방법은 자동 X선 검사(AXI)를 통해서입니다. X선의 단면도는 완전히 응집되고 균질한 솔더 조인트를 명확하게 보여주며, 엄격하고 프로세스 중심적인 접근 방식이 단순히 페이스트를 더하는 것보다 성공적이었다는 것을 확증합니다.