“고스트” 고장: 프레스핏 커넥터가 공장을 떠난 후 왜 문제가 발생하는가

보고서를 보셨죠. 생산 라인 데이터는 전반적으로 모두 양호했습니다. 모든 삽입력 곡선이 규격 내에 있었습니다. 라인 끝에서의 유지력 검사에서는 핀을 분리하는 데 표준인 30 뉴턴이 필요했습니다. 품질 보증 매니저가 승인했고, 팔레트는 포장되었으며, 컨테이너는 부두를 떠났습니다. 그런데도 세 달 후 현장 반품이 쌓이고 있습니다. 고객들은 간헐적인 전원 손실, 센서 리셋, 또는 PCB에서 물리적으로 빠져나온 커넥터를 보고하고 있습니다.

이것이 바로 인터커넥트 세계의 "유령" 고장입니다. 조립 순간에는 제품이 완벽했기 때문에 미치도록 답답합니다. 데이터시트는 핀이 구멍에 맞는다고 했고, 삽입 기계는 힘이 정상임을 확인했습니다. 하지만 상자가 테이프로 봉인된다고 해서 물리 법칙이 멈추는 것은 아닙니다. 상온 검증에 의존해 5년간의 열 사이클 동안 유연한 핀의 거동을 예측한다면, 신뢰성을 테스트하는 것이 아니라 운을 시험하는 것입니다. 고장 메커니즘은 삽입이 아닙니다. 그것은 핀, 구리 배럴, 그리고 운송 및 작동 중 재료의 끊임없는 팽창과 수축 사이의 보이지 않는 전쟁입니다.

놓아주는 물리학

핀 빠짐의 원인을 이해하려면 마찰을 잊으세요. 저장된 에너지를 생각하세요. 프레스핏 조인트는 유연한 스프링(핀)을 단단한 배럴(도금된 관통홀)에 강제로 삽입했기 때문에 작동합니다. 핀이 압축되어 잠재 에너지를 저장합니다. 이 에너지는 구리 벽을 밀어내며, 마찰과 가스 밀폐 전기 밀봉을 생성하는 "법선력"을 만듭니다. 첫날에는 이 힘이 최고조에 달합니다. 금속은 탄력 있고, 구리는 신선하며, 고정력은 강합니다.

하지만 금속은 정적인 고체가 아니라 흐릅니다. 시간이 지나면서 높은 응력과 온도 하에서 구리 핀과 PCB 도금의 원자 구조가 내부 응력을 완화하기 위해 재배열되기 시작합니다. 이것이 응력 이완입니다. 대만의 습한 여름에서 두바이의 창고로 해상 운송된 산업용 컨트롤러를 생각해 보세요. 그 운송 컨테이너 내부 온도는 밤에는 20°C, 낮에는 60°C 이상으로 쉽게 변할 수 있습니다. 4주 동안 그 커넥터는 구워지고 있는 셈입니다.

60°C에서는 이완 과정이 가속됩니다. 핀의 구리 합금(특히 고성능 인산동 또는 베릴륨 구리 대신 저급 황동인 경우)이 항복하기 시작합니다. 원래 형태를 "잊고" 압축된 형태로 이완됩니다. 장치가 결국 식으면 핀은 같은 힘으로 다시 튀어 나오지 않습니다. 진동에 맞서 커넥터를 고정하는 유일한 힘인 법선력이 감소합니다. 처음에는 40 뉴턴의 유지력이 있었지만, "운송 컨테이너 오븐"에서 한 달 후에는 15 뉴턴으로 떨어질 수 있습니다. 마찰력이 사라지고, 지게차가 팔레트를 떨어뜨리는 첫 순간 무거운 케이블 하니스의 관성으로 커넥터가 풀려버립니다.

모든 움직임이 고장은 아닙니다. 플라스틱 하우징을 흔들면 약간의 "흔들림"을 느낄 수 있습니다. 이는 종종 QA에서 공황을 일으키지만, 하우징은 유지 메커니즘이 아닙니다; 핀과 구멍의 인터페이스가 유지 메커니즘입니다. 플라스틱 하우징은 떠 있지만 핀은 고정되어야 합니다. 그러나 그 흔들림이 도금된 관통홀 내에서 핀 자체의 움직임으로 이어지면 가스 밀폐 밀봉이 깨집니다. 산화가 즉시 시작되고 저항이 급증하며 간헐적 고장이 발생합니다.

냉전: CTE 불일치

열이 스프링을 이완시킨다면, 추위는 잠금을 깨뜨립니다. 두 번째 보이지 않는 적은 열팽창계수(CTE)입니다. 모든 재료는 서로 다른 비율로 팽창하고 수축합니다. PCB의 FR4 유리섬유는 Z축에서 약 14-17 ppm/°C의 CTE를 가집니다. 커넥터 하우징의 PBT 또는 나일론 플라스틱은 3~4배 더 높을 수 있습니다.

스칸디나비아 겨울에 야외에 주차된 차량의 대시보드 클러스터를 상상해 보세요. 온도가 -30°C로 떨어집니다. 플라스틱 커넥터 하우징은 크게 수축하려고 합니다. PCB도 수축하지만 훨씬 적게 합니다. 플라스틱 하우징이 수축하면서 핀을 당깁니다. 핀이 보드에 고정되어 있으므로 이는 엄청난 전단 하중을 만듭니다. 하우징은 문자 그대로 핀을 옆으로 찢거나 구멍에서 뽑아내려 합니다.

잘 설계된 시스템에서는 핀의 유연 구간이 이 응력을 흡수합니다. 핀이 휘어집니다. 그러나 핀이 너무 뻣뻣하거나 응력 이완으로 유지력이 이미 약해졌다면 하우징이 이깁니다. 핀을 구멍에서 밀어내 버립니다. 이것이 현장 반품에서 "기울어진" 커넥터를 보는 이유입니다. 처음부터 그런 것이 아닙니다. 엔진이 가열되고 냉각되는 매 열 사이클마다 밀리미터 단위로 점차적으로 빠져나간 것입니다.

보이지 않는 변수: 구멍

엔지니어들은 핀에 집착합니다. 합금—C7025 대 C5191—과 "바늘 구멍"의 형상에 대해 논쟁합니다. 하지만 구멍을 면밀히 조사하는 경우는 드뭅니다. 많은 경우 핀은 괜찮지만 보드는 처음부터 운명이 정해져 있었습니다.

프레스핏 홀의 사양은 매우 엄격합니다—완성된 홀 크기에 대해 +/- 0.05mm의 공차가 허용됩니다. 그러나 직경보다 더 중요한 것은 도금의 완전성입니다. 표준 IPC-6012 Class 2 보드는 배럴 내 구리 두께 평균 20마이크론을 요구할 수 있습니다. 하지만 도금은 결코 균일하지 않습니다. 홀의 "무릎" 부분—배럴이 표면과 만나는 모서리—에서는 제조 중 전류 밀도 분포로 인해 도금이 더 얇을 수 있습니다.

PCB 공급업체가 비용을 절감하기 위해 도금 욕조를 너무 빠르게 운전하면, 구리가 끝 부분에서는 두껍고 중간에서는 얇은 "도그 본" 효과가 나타나거나 스트레스에 의해 균열이 생기는 부서지기 쉬운 구리가 생깁니다. 부서지기 쉽거나 얇은 도금이 된 홀에 프레스핏 핀을 밀어 넣으면, 탄성 구간이 단순히 압축되는 것이 아니라 유리섬유 벽에서 구리를 찢어냅니다. 유닛이 공장을 떠나기도 전에 앵커의 기계적 완전성이 파괴된 것입니다. 핀은 처음에는 유리 직조물에 끼워져 단단하게 느껴지지만, 유리는 금속보다 훨씬 빠르게 압력(크리프) 하에서 흐릅니다. 몇 주간 진동이 가해지면 그 핀은 헐겁게 흔들리게 될 것입니다.

잘못된 수리와 위험한 임시방편

생산 현장에서 커넥터 배치가 헐거워졌다는 것을 알게 되면, 본능적으로 즉석에서 수리하려 합니다. 가장 흔하고 위험한 질문은: "이 프레스핏 핀들을 그냥 웨이브 솔더링해서 고정할 수 있을까요?"입니다.

이것이 "솔더링 임시방편"이며, 보통 상황을 더 악화시킵니다. 프레스핏 핀은 정밀한 스프링입니다. 그들은 우리가 논의한 저장된 에너지를 유지하기 위해 금속의 템퍼에 의존합니다. 그 스프링을 웨이브 솔더 욕조(260°C 이상)의 열에 노출시키면 금속이 풀립니다. 스프링이 부드러워집니다. 바닥에 솔더 필렛이 생길 수는 있지만, 배럴 내부의 가스 밀폐를 만드는 내부 장력을 파괴한 것입니다. 게다가 솔더링 과정의 플럭스가 접촉 영역으로 스며들어 나중에 부식을 일으킬 수 있습니다. 핀이 특별히 "하이브리드"로 설계된 경우가 아니라면(이는 드뭅니다), 솔더 웨이브를 멀리하세요.

두 번째 흔한 절박한 조치는 재작업입니다. "작업자가 완전히 끼우지 않았어요. 빼내고 새 핀을 다시 끼울 수 있을까요?" 대답은 거의 항상 아닙니다. 프레스핏 연결은 일회성 금속학적 사건입니다. 첫 삽입이 홀 내 구리를 소성 변형시킵니다. 배럴을 작업 경화시킵니다. 같은 홀에 새 핀을 끼우면 유지력은 처음보다 40-50% 낮아집니다. 구리는 더 이상 "여유"가 없으며, 균열이 생기거나 잡아당기지 못할 것입니다. 재고 관리가 어려운 오버사이즈 "수리 핀"에 접근할 수 없는 한, 잘못된 삽입은 보통 보드를 폐기하는 것을 의미합니다.

실제로 고장을 예측하는 검증

데이터시트에만 의존해서는 안 됩니다. 공급업체의 유지력 사양은 실험실에서 완벽하게 드릴링된 홀을 기준으로 하며, 실제로 구매하는 대량 생산 보드가 아닙니다.

이러한 현장 고장을 방지하려면 부품뿐 아니라 시스템을 검증해야 합니다. 이는 특정 커넥터와 특정 PCB(프로토타입 샵이 아닌 실제 보드 하우스에서 받은)를 열충격과 진동에 노출시키는 것을 의미합니다. 조립체를 -40°C에서 105°C(또는 작동 범위에 따라)까지 500 또는 1000 사이클 동안 운전하세요. 그리고 나서야 유지력을 측정합니다.

핀을 당겨 뽑는 힘이 그에 연결된 케이블 하니스의 무게보다 적으면 문제가 있는 것입니다. 생산 라인에서 뽑는 데 50뉴턴이 걸렸다고 해도 상관없습니다. 열 사이클 후 한 달 만에 2뉴턴으로 뽑힌다면, 당신의 제품은 시한폭탄입니다. 물리는 무적입니다; 평판을 걸고 도박하지 마세요.