무음 숏: 저전력 전자기기에서 Tin Whiskers가 번성하는 이유

오랜 조용한 수명을 위해 설계된 제품이 선반 위에 놓여 배터리에서 밀리암페어를 흡수하며 있습니다. 이 제품은 센서, 모니터, 설치 후 잊혀질 인프라로서, 쾌적한 30°C 주변의 온도 조절된 방에서 작동됩니다. 수년 후, 예고 없이 고장을 일으킵니다. 문제의 원인은 결함이 있는 부품이나 소프트웨어 버그가 아니며, 시간이 지나면서 조용히 자라난 미세 금속 필라멘트가 어디에도 없어야 할 단락을 만들어내는 것입니다.

이것은 엔지니어들에게 좌절스러운 현실입니다. 기존의 지혜는 틴 휘커—전기적으로 전도성인 결정 구조체가 틴 도금 표면에서 돌출하는 것—가 고스트레스 환경에 문제가 된다고 제시합니다. 그러나 실제로 우리는 이들이 가장 무해한 적용 분야에서도 잠복 결함을 유발하는 것을 봅니다: 항상 켜져 있고 낮은 전류의 회로망이 있는 보드, 이것들은 상당한 온도 충격이나 기계적 충격을 거의 받지 않습니다. 이 조용하고 상온인 환경은 안전한 구역이 아닙니다. 바로 이곳이 이 교활한 고장 모드의 이상적인 배양기입니다.

적을 이해하기: 틴 휘커의 예측 불가능한 본질

틴 휘커는 부식이나 오염의 결과가 아닙니다. 그것은 물리학의 표현으로, 도금 표면 자체에서 직접 성장하는 현상입니다.

틴 위스커가 무엇이며 어떻게 형성되나요?

틸스위커는 자연스럽게 형성되는 모노크리스탈 주석의 털 같이 생긴 성장입니다. 이 필라멘트는 몇 밀리미터 길이로 자랄 수 있지만 직경은 몇 마이크로미터에 불과합니다. 크기는 작아도 녹기 전에 여러 앰페어의 전류를 견딜 만큼 강하며, 컴포넌트 간 간격이 밀 단위로 측정되는 현대 전자기기에서는 심각한 위협이 됩니다. 수개월 또는 수년에 걸쳐 예측 불가능하게 성장하며, 인접 패드, 트레이스 또는 부품 리드 사이에 숨어 있는 단락 위험성을 생성할 수 있습니다.

압축 응력이 성장의 원동력 역할

틴 휘커 성장의 주 원인은 틴 도금 내의 압축 응력입니다. 이 압력은 도금 과정 자체에서 유래하거나, 아래의 구리 기판에 의해 유도되거나, 외부 기계적 힘에서 유래할 수 있습니다. 이 내부 압력을 해소하기 위해 틴 도금은 가장 적은 저항 경로를 찾습니다. 균일하게 변형하는 대신, 결정 구조의 약한 지점에서 재료를 배출합니다. 이 원자의 이동은 압축 응력의 저장된 에너지에 의해 추진되며, 휘커의 느리고 지속적인 분출을 초래합니다.

30°C 기만: 휘커 형성을 위한 완벽한 폭풍

가장 위험한 오해는 극단적인 온도나 기계적 스트레스가 부족하다고 해서 위험도가 낮은 환경이라는 것입니다. 저전력 슬리퍼 기기의 경우, 오히려 정반대입니다. 약 30°C(86°F)의 안정적인 실내 온도 조건은 휘커 성장에 특별히 위험한 ‘스위트 스팟’을 만들어냅니다.

왜 실온이 ‘안전 구역’이 아닌가

수염 형성은 압축 응력과 원자가 이동하는 데 필요한 원자 이동성 간의 전투입니다. 매우 낮은 온도에서는 원자 이동성이 너무 낮아 응력이 존재하더라도 수염이 자라지 않습니다. 매우 높은 온도(100°C 이상)에서는 주석층이 효과적으로 재결정화되어 수염이 형성되기 전에 응력을 완화할 수 있습니다.

30°C에서 50°C 범위는 위험 구역입니다. 이 온도는 틴 원자가 이동하고 휘커를 형성하는 데 필요한 열 에너지를 충분히 제공하지만, 도금의 근본적인 압축 응력을 해소하기에는 충분히 뜨겁지 않습니다. 환경이 성장에 충분히 활발하면서도, 자연스러운 스트레스 해소를 유도하기에는 너무 수동적입니다.

낮은 전류 ‘항상 온’ 상태는 이상적인 조건을 어떻게 만드나

낮은 전력, 항상 활성 상태인 회로는 이 완벽한 폭풍에 기여합니다. 많은 열을 발생시키고 자체 열 순환을 만들어내는 고전력 회로와 달리, 이 ‘슬리퍼’ 넷은 일정하고 낮은 수준의 열 에너지를 제공하여 보드가 이상적인 속이 성장하는 온도 범위에서 유지되도록 합니다. 스트레스를 재분배하는 데 도움이 되는 큰 온도 변화는 없으며, 느리고 체계적인 속이 형성 과정을 몇 년 동안도 방해받지 않도록 하는 안정 상태만 존재합니다.

결정적인 요소: 휘커 저항성 도금 시스템 선택

설계 요소가 도움이 될 수 있지만, 표면 마감 선택은 엔지니어가 티나 위커 위험을 완화하기 위해 내릴 수 있는 가장 중요한 결정입니다. 장기 사용이 요구되는 제품에 대해 이곳에서 타협해서는 안 됩니다.

순 티니 마감의 실패

RoHS 규정을 따르면서, 순 티니 마감은 연성할 수 있는 납 기반 솔더의 일반적인 저비용 대체품이 되었습니다. 신뢰성이 높은 응용 분야에서는 이것이 실수였습니다. 특히 밝은 티, 세밀한 입자 구조와 도금 공정에서 비롯된 내부 응력이 높은 순 티는 위커 형성에 특히 취약합니다. 장기 수명을 위해 순 티니 마감을 지정한 어떤 설계든 처음부터 잠복된 고장 모드를 내포하고 있습니다.

추천 솔루션: 무광 티, 니켈 하부판, 그리고 어닐

다중 부품 시스템이 유일하게 신뢰할 수 있는 방어입니다. 우리는 니켈 하부 장벽 위에 도금된 무광 티 마감과 이후의 후처리 어닐 과정을 강력히 추천합니다.

각 구성 요소는 중요한 기능을 수행합니다. 무광 티는 크기가 더 크고 밝은 티보다 내부 응력이 낮아 위커 성장의 주요 추진력을 줄입니다. 니켈 하부판은 구리-티 금속간 화합물(IMC)이 형성되지 않도록 중요한 장벽 역할을 하며, 이는 압축 응력의 주요 원인입니다. 마지막으로, 후처리 어닐은 보통 150°C에서 1시간 동안 보드를 구워 도금 공정에서 남아 있는 내부 응력을 완화시킵니다.

이차 방어 평가와 일반적인 오해

도금이 기본 방어책인 반면, 다른 전략들도 종종 논의됩니다. 이들의 한계를 이해하고 완전한 해결책으로 착각하지 않는 것이 중요합니다.

위커 침투에 대한 컨포멀 코팅의 한계

일반적인 믿음은 컨포멀 코팅이 형성된 위커를 단순히 막을 수 있다는 것입니다. 이것은 위험한 가정입니다. 성장하는 위커는 팁에 상당한 압력을 가하며 시간이 지남에 따라 많은 종류의 부드러운 코팅을 뚫을 수 있습니다. 실패하더라도, 위커가 코팅 아래에서 성장하거나, 다공성 영역을 통해 빠져나갈 수 있습니다. 에폭시와 같은 두껍고 단단한 코팅은 어느 정도 저항력을 제공할 수 있지만, 결코 주된 방어 전략이 되어서는 안 되며, 최고의 방법은 아닙니다. 이는 보조 방어책에 불과합니다.

가드 트레이스와 전략적 간격의 보조 역할

좋은 설계 관행은 위커 형성을 방지할 수는 없지만, 그 결과를 줄일 수 있습니다. 특히 미세 간격 부품의 경우, 도체 간의 간격을 최대화하는 것이 위커가 간극을 넘어 확산되는 것을 어렵게 만듭니다. 중요한 네트에서는 접지된 가드 트레이스를 포함하여 안전한 접지 경로를 제공하면 두 활성 신호 사이의 단락을 방지할 수 있습니다. 이러한 기술들은 위험 감소에 유용하지만, 근본 원인을 해결하지는 못합니다.

장기 신뢰성을 위한 실용적 전략

티나 위커로 인한 조용한 현장 고장을 방지하는 것은 운에 맡겨지는 일이 아니라, 의도된 엔지니어링의 문제입니다. 명확한 해결 방침은 근본 원인을 다루고 증상을 다루지 않는 것입니다. 가장 중요한 결정은 부품이 배치되기 훨씬 이전인 제작 단계에서 이루어집니다.

수년간 조용하고 신뢰할 수 있게 작동해야 하는 제품이라면, 표면 마감이 가장 중요합니다. 무광 티, 니켈 하부판, 적절한 어닐 사이클을 사용하는 시스템이 가장 효과적인 전략입니다. 순 티에 의존하는 것은 용납할 수 없는 위험입니다. 컨포멀 코팅이 나쁜 도금 선택을 구원해줄 것이라는 믿음은 실패의 길입니다. 가드 트레이스와 간격도 도움이 되지만, 올바른 도금 선택만이 길고 조용한 수명을 보장합니다.