열에 관한 거짓말: 왜 당신의 공극 기준이 하드웨어를 실패하게 하는가

전력 전자 제조업계에는 아름다운 X선 이미지가 신뢰할 수 있는 부품과 같다는 만연한 미신이 있습니다. 선전에서 과달라하라까지 생산 라인에서 볼 수 있죠: 품질 관리자가 IPC-A-610이 정한 임의의 25% 대신 보이드 비율이 28%에 도달했다는 이유로 QFN 배치를 들고 있습니다. 그 사이에 라인은 멈추고, “불량” 보드는 폐기되거나 재작업되며, 모두가 결함을 잡아냈다며 스스로를 칭찬합니다.

그것은 신뢰성 공학이 아닙니다. 그것은 미인 대회입니다.

물리학은 당신의 그레이스케일 임계값에 관심이 없습니다. 물리학이 관심을 가지는 것은 접합부에서 주변 환경으로의 열 경로뿐입니다. 보이드 위치보다 보이드 비율을 우선시하면, 좋은 하드웨어를 폐기하면서 위험한 부품이 그대로 통과할 가능성이 높습니다.

문제는 우리가 작업 표준—공정이 이탈하는지 판단하는 데는 훌륭한—을 신뢰성 물리학인 양 가장하게 허용했다는 것입니다. IPC-A-610 Class 3 같은 표준은 계약 분쟁과 시각적 일관성을 위해 설계된 이진 합격/불합격 기준이지, 자동차 견인 인버터에서 MOSFET가 10년 운전 주기를 견딜지 예측하기 위한 것이 아닙니다.

25% 보이드 한계를 열 고장에 대한 엄격한 경계로 취급하면 “열 예산” 개념을 무시하는 것입니다. 30% 보이드가 있는 부품은 보이드가 어디에 위치하느냐에 따라 10% 보이드가 있는 부품과 통계적으로 동일한 접합부-케이스 열 저항(Rth-jc)을 가질 수 있습니다. 우리는 그림자만 감사하는 것을 멈추고 열 흐름을 설계해야 합니다.

기하학보다 지리학

열은 물처럼 흐르며 저항이 가장 적은 경로를 택하고, 다이 어태치 패들 전체에 균일하게 흐르지 않습니다.

고출력 5×6 PowerQFN을 예로 들어 보겠습니다. 테스트 중에 공격적인 플럭스 가스 방출로 인해 45%에 달하는 대량의 보이드를 가진 유닛을 만날 수 있습니다. X선 기계의 육안으로 보면 재앙처럼 보이며 즉시 타버릴 것 같은 스위스 치즈 같은 솔더입니다. 그러나 그 보이드들을 매핑하면, 종종 그것들이 리플로우 중 젖음력에 의해 패드 주변에 완전히 모여 있는 “샴페인 버블”임을 알 수 있습니다. 실리콘 다이의 활성 핫스팟 바로 아래 패드 중앙은 견고합니다.

이 “실패한” 부품을 열전대나 과도 열 시험기로 다이노드 벤치에서 테스트하면 결과는 종종 충격적입니다: 접합부 온도(Tj) 상승이 “완벽한” 제어 유닛과 2°C 이내입니다. 다이 중앙에서 발생한 열은 리드프레임으로 직접적이고 끊김 없는 구리 경로를 가집니다. 주변 보이드는 열적으로 무관한데, 열이 탈출하기 위해 그 가장자리를 통과할 필요가 없기 때문입니다.

반대로, 총 보이드가 8%에 불과한 부품—어떤 기준으로도 “합격”인—에서 단 하나의 보이드가 다이 핫스팟 바로 아래에 갇힌 큰 기포일 수 있습니다. 그 국부적인 절연은 거대한 열 병목 현상을 만들어 전류 집중과 Tj의 급격한 상승을 초래하며, 어떤 데이터시트 여유도 이를 커버할 수 없습니다. 비율은 낮지만 신뢰성 위험은 치명적입니다.

여기서 산업계가 단순한 숫자에 집착하는 것이 실패합니다. 보이드 비율과 열 저항 간의 관계는 선형이 아니라 기하학적이며 특정 패키지 구조(예: LFPAK 대 D2PAK)에 크게 의존합니다.

은 소결과 같은 마법의 해결책을 찾아 문제를 해결하려는 유혹이 있습니다. 더 조밀하고 기공이 없는 재료가 문제를 해결할 것이라고 가정하면서요. 하지만 소결은 더 높은 열전도성을 제공하는 반면, 특히 대면적 다이에서 인터페이스 박리와 같은 문제를 일으킵니다. 열 흐름의 지형을 이해하지 못한 채 재료를 변경하면 단지 한 가지 고장 모드를 더 비용이 많이 드는 고장 모드로 바꾸는 것뿐입니다.

제로-보이드 역설

“완벽한” 솔더 조인트를 추구하는 데에는 어두운 면이 있습니다. 특히 -40°C에서 125°C까지의 가혹한 열 사이클을 다루는 팀에게는 종종 예상치 못한 문제가 됩니다.

저는 공장에서의 X-선 검사 데이터가 DBC(Direct Bonded Copper) 기판에서 거의 기공이 없음을 보여준 고신뢰성 견인 모듈의 현장 반품을 분석했습니다. 그들은 완벽해 보였습니다. 그러나 현장에서는 솔더 조인트가 조기에 균열이 가고 피로가 발생했습니다. 조사 결과, 기공이 없다는 것은 실제로는 본드라인이 너무 얇다는 증상이었습니다.

기공을 제거하려는 급한 마음에 공정이 패키지를 꽉 조이도록 조정되어 거의 솔더 스탠드오프 높이가 없어 기계적 완충 역할을 하지 못했습니다. 솔더는 유연한 재료로, 단단한 실리콘/리드프레임과 PCB 사이의 열팽창계수(CTE) 불일치를 흡수할 부피가 필요합니다.

본드라인을 눌러 “제로 기공”을 달성하면 그 스트레스 완화를 제거하는 것입니다. 소량의 분산된 기공은 실제로 균열 전파를 막아 격자 내에서 스트레스 브레이크 역할을 할 수 있습니다. 완벽하게 단단하고 미세하게 얇은 조인트는 모든 기계적 스트레스를 직접 금속간 화합물 층에 전달하여 몇 개의 기포보다 훨씬 빠르게 피로 균열이 열 경로를 끊게 만듭니다. 제로가 목표가 아닙니다; 종종 완벽한 제로 기공 조인트는 단지 깨지기 쉬운 실패를 기다리는 상태일 뿐입니다.

추측을 멈추고 측정을 시작하라

X-선 백분율에 의존할 수 없다면 공정을 어떻게 검증합니까? 2D 그림자만 보는 것을 멈추고 동적 열 반응을 측정해야 합니다. 정적 열 저항(Rth)은 유용하지만, 과도 열 임피던스(Zth)가 진실을 말해줍니다. JEDEC JESD51-14에 명시된 이중 인터페이스 방법을 사용하면 시간에 따른 적층 구조를 통한 열 전파를 볼 수 있습니다.

T3Ster 또는 유사 장비로 생성된 구조 함수 곡선을 분석하면 열 병목 현상이 정확히 어디서 발생하는지 파악할 수 있습니다. 다이 부착 인터페이스의 기공과 구리- FR4 층의 박리를 구분할 수 있습니다. 이것이 기공이 “절연” (경로 차단)인지 아니면 “무관” (죽은 영역에 위치)인지를 증명하는 유일한 방법입니다.

실험실 장비에 투자하고 복잡한 곡선을 해석할 인내심이 필요하지만, 대화가 “이것은 보기 흉하다”에서 “이것은 15°C 더 뜨겁게 작동한다”로 바뀝니다. 이는 고객이나 규정 담당자에게 표준 사양에서 벗어난 것을 정당화할 수 있는 데이터입니다.

출구 설계

진공 리플로우 오븐을 사기 위해 경영진에게 50만 달러를 요청하기 전에 스텐실 설계를 살펴보세요. 진공 리플로우는 강력한 도구이지만, 종종 열악한 공정 엔지니어링의 버팀목으로 사용됩니다. 대형 열 패드에서 기공이 발생하는 가장 일반적인 원인은 단순한 가스 포획—소킹 단계 동안 플럭스에서 발생하는 휘발성 물질이 빠져나갈 곳이 없기 때문입니다.

종종 단일 큰 블록에서 “창문틀” 격자로 개구부 설계를 변경하는 것만으로도 실패하는 35%의 기공을 통과하는 15% 수준으로 줄일 수 있습니다. 이는 솔더가 액상 상태가 되기 전에 플럭스의 가스가 빠져나갈 통로를 만듭니다. 여기에 프로파일 최적화—소킹 시간을 조정하여 휘발성 물질이 완전히 활성화되도록 하는 것—를 결합하면 새 오븐($500k) 대신 새 스텐실($300) 비용으로 문제를 해결할 수 있습니다.

궁극적으로 목표는 현실을 반영하는 공정 사양을 작성하는 것입니다. 계약 제조업체와 논쟁하는 것을 즐기지 않는 한 IPC Class 3 한계를 마스터 도면에 복사-붙여넣기 하지 마세요. 특정 전력 밀도의 물리학에 기반하여 기준을 정의하세요:

1. 중요 영역 정의: 다이 열 패드(핫스팟) 아래의 기공이 주변 기공보다 더 무겁게 가중치가 부여되도록 명시하세요.
2. 본드라인 제어 의무화: 스트레스 고장을 방지하기 위해 최소 스탠드오프 높이를 설정하세요.
3. 검증을 위해 Zth 사용: 열 과도 테스트를 사용하여 공정을 검증한 후, X-레이는 공정 모니터로만 사용하여 변동이 없도록 하세요.

신뢰성은 장치가 작동하는 것을 보장하는 것이지, 스톡 사진용으로 X-레이를 다듬는 것이 아닙니다.