배출의 열적 현실: IPC 합격/불합격만으로는 전력이 충분하지 않은 이유

고신뢰성 제조에서는 녹색 체크마크에 위험한 안도감이 있다. EV 견인 인버터용 무거운 구리 기판 한 배치가 생산 라인에서 나와 자동 X-레이 검사(AXI)를 통과하고 고객에게 출하된다. 서류 작업은 완벽하다. 종종 금본위로 여겨지는 IPC-A-610 클래스 3 요구사항을 충족했다. 그러나 3개월 후, 동일한 기판들이 현장에서 고장 나는데, 전력 FET가 박리되어 열 사이클링으로 인해 스스로 고장 난다. 여기서의 단절은 기계가 측정하지 못한 실패가 아니다. 물리학을 고려하지 않은 표준의 실패다. 법적으로 안전한 기판도 물리적으로는 파멸할 수 있다.

문제는 종종 전력 부품의 “좋은” 납땜 접합을 어떻게 정의하느냐에 있다. 표준 검사 알고리즘은 전체 기포 비율에 크게 집중하는데, 이는 납땜 내에 갇힌 가스 부피를 전체 패드 면적 대비 계산한다. 규격이 25% 기포를 허용하고 기계가 18%를 측정하면 기판은 통과한다. 그러나 열역학은 백분율과 타협하지 않는다. 우리는 그 “허용 가능한” 18% 기포가 무작위로 흩어져 있지 않고 실리콘 다이의 핫스팟 바로 아래에 모여 완벽한 열 절연체 역할을 하는 현장 반품 사례를 분석했다. 기포를 통해 열이 이동하지 못해 접합 온도(Tj)가 안전 작동 영역을 훨씬 초과했다. 비율은 괜찮았지만 위치가 치명적이었다.

평평한 지구 문제: 2D X-레이가 핵심을 놓치는 이유

이러한 결함은 주로 등급을 매기는 데 사용되는 도구 때문에 놓치기 쉽다. 많은 계약 제조업체는 여전히 표준 2D 투과 X-레이 시스템에 의존한다. 이 기계들은 X-레이를 기판 전체 두께에 투사하고 결과 그림자를 검출기에 포착한다. 단순 저항기의 단락을 확인하는 데는 적합하지만, 이 방법은 복잡한 전력 조립체의 세계를 단일 평면으로 평면화한다. 양면 기판에서는 하단 부품이 상단 이미지에 간섭하여 알고리즘이 해석하기 어려운 잡음 많고 모호한 그림을 만든다.

문제는 BGA나 BTC(하단 단자 부품)처럼 접합의 수직 구조가 중요한 경우에 더욱 심각해진다. 2D 이미지에서 기포는 밝은 점으로 나타나지만, 그 이미지로는 어디에서 기포가 수직으로 위치하는지 알 수 없다. 그것이 납땜 내부의 무해한 기포인지, 아니면 본질적으로 부품 인터페이스를 분리하는 “평면 기포”인지? 우리는 기포가 금속간 화합물 계면에 완전히 집중되어 약한 기계적 결합과 열 병목 현상을 만드는 경우를 “납땜 부족”으로 오진한 사례를 보았다. 라미노그래피나 컴퓨터 단층촬영(CT) 같은 3D 기능 없이 데이터를 층별로 나누지 못하면 검사자는 열 경로의 무결성을 본질적으로 추측하는 것이다. 3차원으로 볼 수 없는 것은 등급을 매길 수 없다.

열 위상학: 위치가 비율보다 중요하다

열 방출이 목표일 때, 기포의 위상은 전체 부피보다 훨씬 더 중요하다. 열 경로를 다이에서 다이 부착체를 거쳐 리드프레임, 납땜 접합, 그리고 최종적으로 PCB 열 패드와 비아로 이동하는 열의 고속도로로 생각하라. 기포는 도로 차단물이다. D2PAK 열 패드 주변에 작은 기포 10개가 흩어져 있어도 “고속도로”는 중앙에서 열려 있어 열이 효율적으로 원천에서 흐른다. 이 경우는 기술적으로 15% 기포로 기록될 수 있다. 반면, 다이 바로 아래에 위치한 단일 큰 기포는 총 8% 기포로만 기록될 수 있지만 열 흐름의 주요 동맥 경로를 차단한다.

이 구분은 IGBT나 고휘도 LED 같은 고전력 밀도 부품에 매우 중요하다. 조기 고장 난 가로등 분석에서 드라이버 보드는 기술적으로 표준 검사 기준을 통과하는 기포 수준을 보였다. 그러나 열 영상은 접합 온도가 설계 한계보다 30°C 이상 급등함을 드러냈다. 기포는 최악의 배열로 “스위스 치즈”처럼 작용하여 접합의 열 저항($R_{th}$)을 증가시켰다. 물론 납땜 접합은 사슬의 한 고리에 불과하다; 외부 히트싱크 표면이 평평하지 않거나 열 인터페이스 재료(TIM)가 잘못 적용되면 완벽한 납땜 접합도 보드를 구하지 못한다. 그러나 PCBA 공정 엔지니어로서 납땜 인터페이스는 우리가 제어하는 변수다. 연속적인 열 경로를 보장하는 것만이 유일한 평가 기준이다.

더 나은 등급 평가 휴리스틱

“체크박스” 사고방식을 넘어서려면 단순 기포 한도 대신 열 연속성에 기반한 등급 전략이 필요하다. Bester PCBA는 단일 백분율 수치에 따른 이진 “합격/불합격”을 버리고 전력 패드에 대한 영역 기반 등급 기준을 권장한다. 이는 일반적으로 다이가 위치한 열 패드 중앙 50%의 “중요 영역”을 정의하고 해당 영역에 훨씬 엄격한 기포 한도를 적용하며 주변부에는 더 느슨한 허용치를 허용하는 것을 포함한다.

이 접근법은 AXI 장비의 더 정교한 프로그래밍을 요구하지만 검사 기준을 물리적 현실과 일치시킨다. 우리는 열원 바로 아래의 보장된 납땜 접속량인 “계면 접촉 면적”을 찾는다. 모든 설계에 적용되는 마법의 숫자는 없다; 저전력 로직 칩은 40% 기포로도 견딜 수 있지만, GaN 전력 트랜지스터는 잘못된 위치에 있으면 10%로도 실패할 수 있다. 등급 평가는 상황 인식적이어야 한다. 알고리즘이 이 정도의 미묘함으로 조정될 수 없다면, 기술자가 열 경로를 이해하고 수동 검토해야 할 “회색 영역” 결과—기술적으로는 통과하지만 의심스러운 기판—를 자동 통과시키지 말아야 한다.

근원에서의 예방

기포를 평가하는 가장 좋은 방법은 처음부터 형성을 방지하는 것이다. 열 패드의 높은 기포 수는 거의 무작위 사고가 아니며, 보통 공정 또는 설계 위반의 신호다. 가장 흔한 원인은 스텐실 설계다. QFN 열 패드용 큰 개구부는 너무 많은 페이스트가 인쇄되게 하며, 이는 리플로우 중에 가스를 방출한다. 그 가스가 빠져나갈 곳이 없으면 거대한 기포가 형성된다. 표준 해결책은 개구부를 “창문처럼 나누기”로, 큰 사각형을 작은 사각형으로 나누고 그 사이에 틈을 만들어 휘발성 물질이 빠져나갈 통로를 만드는 것이다.

베어 PCB의 설계도 똑같이 중요한 역할을 합니다. 우리는 종종 디자이너들이 열 패드 안에 빈, 채워지지 않은 비아를 배치하는 것을 봅니다. 리플로우 중에 중력과 모세관 작용으로 인해 뜨거운 솔더가 이 구멍들로 빨려 들어가는데, 이를 솔더 위킹(solder wicking) 현상이라고 하며, 이로 인해 부품이 충분하지 않은 솔더 위에 떠 있게 됩니다. 이는 대규모의 기포 발생과 불량한 연결로 이어집니다. 패드에 열 비아가 필요한 경우, 솔더 도난을 방지하기 위해 뒷면에 텐팅하거나 막고 캡핑해야 합니다. 솔더가 물리적으로 빠져나간 보드는 어떤 X-레이 등급 검사도 고칠 수 없습니다.

평결

신뢰성은 벽에 걸어두는 증명서가 아닙니다. 그것은 장치가 작동 환경을 견딜 수 있는 물리적 능력입니다. IPC 클래스 2 또는 3의 기포 한도를 엄격히 준수하는 것은 법적 보호막을 제공하지만, 열역학 법칙을 바꾸지는 않습니다. 전력 전자 분야에서는 표준 등급 기준이 종종 불충분합니다. “총 기포 비율”에서 “열 경로 무결성”으로 초점을 전환하고, 접합부의 실제 구조를 보여주는 3D 검사 도구를 활용함으로써, 우리는 불량 보드 출하를 막을 수 있습니다. 더 엄격한 검사의 비용은 리콜 비용보다 항상 낮습니다.