보이지 않는 전류: 왜 “무세척” 플럭스가 배터리 수명을 단축시키는가

실망의 수학

스프레드시트는 10년을 약속했다. 마케팅 자료도 10년을 약속했다. 에어컨이 가동되는 실험실에 있는 엔지니어링 검증 테스트 유닛들은 여전히 완벽하게 작동 중이다. 그러나 현장에서는—아마도 플로리다의 습한 유틸리티 옷장이나 중대서양 지역의 농업 센서 네트워크에서—유닛들이 6개월 만에 고장 나고 있다. 배터리는 방전되었다.

이럴 때 본능적으로 에너지원 탓을 하게 된다. 로그를 확인하고, 구매 주문서를 점검하며, 유통업체가 불량 CR2032 배치를 보냈다고 스스로를 설득한다. 자기 방전율이 과장되었거나 온도 감쇠 곡선이 낙관적이었다고 가정한다.

거의 절대 배터리 때문이 아니다. Tier 1 공급업체의 현대 리튬 일차 전지는 놀라울 정도로 일관된 화학 엔진이다. 배터리가 비었다면 에너지를 공중으로 누출한 것이 아니라 부하에 전달한 것이다. 문제는 그 부하가 당신의 마이크로컨트롤러나 라디오가 아니라 회로 기판 자체라는 점이다.

“노클린” 플럭스의 거짓말

범인은 보통 “노클린”이라는 용어에 대한 오해다. 고속 디지털 전자기기 세계—라즈베리 파이나 노트북 마더보드를 생각해보라—에서 “노클린” 플럭스는 표준적이고 안전한 재료다. 이는 3.3V 전원 레일에 암페어 단위 전류가 흐르더라도 단락시키지 않을 정도로 화학적으로 무해한 잔류물을 남긴다. 그 잔류물의 임피던스는 메가옴 단위일 수 있는데, CPU 전원 공급 장치에는 사실상 개방 회로와 같다.

하지만 당신은 노트북을 만드는 것이 아니다. 수면 전류가 나노암페어 단위로 측정되는 초저전력(ULP) 장치를 만드는 것이다. 이 영역에서 “노클린”은 마케팅 허구다. 리플로우 공정 후 남는 플럭스 잔류물은 이온 활성제—구리 패드의 산화물을 제거해 좋은 납땜 접합을 보장하기 위해 설계된 산성 물질—로 구성된다. 보드가 오븐에서 나오면 그 잔류물은 사실상 굳는다. 하지만 비활성은 아니다. 그것은 습기를 흡수한다. 공기 중의 수분을 끌어당긴다.

습도가 올라가면 그 무해한 껍질이 전도성 전해질로 변한다. 완전한 단락이 아니라 “소프트” 단락이다: 약 10에서 50 메가옴 정도의 기생 저항이다. 전원에 연결된 장치에서는 이것이 노이즈다. 500nA로 수면하려는 장치에서는 배터리 단자나 전원 스위치에 걸린 20 메가옴 병렬 저항이 재앙이다. 이는 펌웨어 상태와 상관없이 하루 24시간 연속으로 추가 150nA를 소모한다. 그 보이지 않는 누수가 당신의 9년 반 배터리 수명을 훔쳐간다.

이 문제를 콘포멀 코팅으로 해결하려는 위험한 경향이 있다. 논리는 타당해 보인다: 습기가 원인이라면 보드를 밀봉하라. 하지만 공격적으로 세척하지 않은 보드 위에 우레탄이나 아크릴을 뿌리는 것은 해결책이 아니라 무덤이다. 이온성 오염물과 주변 습기를 코팅 아래에 가두는 것뿐이다. 부식은 계속되고, 이제 당신의 청소 시도에서 보호받으며 수지상 결정은 그들만의 온실에서 행복하게 자란다.

보이지 않는 다리: 습도와 수지상 결정

고장 메커니즘은 거의 정적이지 않다. 환경과 함께 호흡한다. 그래서 에어컨이 가동되는 사무실 책상 위에서는 재현할 수 없는 것이다. 플럭스 잔류물의 전도성은 비선형적이고 혼돈적이다; 상대 습도가 약 60-70%를 넘을 때 급증한다.

스마트 미터링 배포의 일반적인 사례를 생각해 보십시오. 기후 제어가 되는 서버실에 설치된 장치는 영구적으로 작동합니다. 동일한 장치가 실외 인클로저에 설치되면 우기 동안 군집으로 고장납니다. 현미경으로 보면 물리적 증거를 때때로 볼 수 있습니다: 덴드라이트 성장. 이것은 플럭스 잔류물에 용해된 금속 이온에 의해 촉진되어 음극에서 양극으로 자라는 양치류 같은 금속 결정입니다. 완전히 간극을 연결할 필요 없이도 문제를 일으킬 수 있습니다. 절연 저항을 충분히 낮춰 배터리를 방전시키기만 하면 됩니다.

이 이동은 전기장에 의해 촉진됩니다. 레이아웃이 촘촘할수록—0402 부품, 0.5mm 피치 BGA—핀 사이의 전기장 강도가 높아지고 이동 속도도 빨라집니다. 잔류물이 육안으로 보이지 않아도 치명적일 수 있습니다. 이온 오염의 단일층만으로도 마이크로컨트롤러의 두 패드를 연결하여 깊은 절전 모드에서 깨우거나 단순히 VCC에서 접지로 전류를 흘리게 할 수 있습니다.

당신의 멀티미터가 당신에게 거짓말하고 있다

이 고장 모드가 지속되는 이유 중 일부는 표준 엔지니어링 도구가 이를 감지하지 못하기 때문입니다. Fluke 87V로 50nA 누설을 진단할 수 없습니다. 표준 휴대용 멀티미터는 부하 전압—내부 전압 강하—가 있어 측정하려는 회로를 방해합니다. 더 나쁜 것은 전류를 평균화한다는 점입니다. 맥동하거나 변동하는 누설의 동적 특성을 볼 수 없습니다.

초저전력(ULP) 배터리 수명을 디버깅하려면 Keithley 2450과 같은 소스 측정 장치(SMU)를 사용하거나 최소한 Joulescope와 같은 전문 도구를 사용해야 합니다. 바닥값을 확인해야 합니다. 펌웨어가 “슬립”이라고 할 때 전류가 실제로 평탄한지 검증해야 합니다. 적절한 장비를 사용하면 보드가 따뜻해지거나 잔류물이 환경에 반응하면서 몇 분에 걸쳐 전류가 서서히 증가하는 “크립” 현상을 볼 수 있습니다. 표준 멀티미터의 “0.00 uA” 판독값에 의존하면 눈가림 상태입니다.

제조 명령

해결책은 펌웨어나 더 큰 배터리에서 찾을 수 없습니다. 조립 공장에서 찾아야 합니다. 청결은 제조 세부사항이 아니라 설계 사양으로 취급되어야 합니다.

코인 셀로 10년 수명을 목표로 한다면 표준 “무세척(No-Clean)” 공정을 사용할 수 없습니다. 반드시 세척을 의무화해야 합니다. 단순히 IPA 통에 담그는 것만으로는 기름때가 퍼질 뿐입니다. 비누화제를 사용하는 인라인 수성 세척, DI(초순수) 물 헹굼, 그리고 수분 제거를 위한 베이크아웃이 필요합니다.

이것은 싸움이 될 것입니다. 계약 제조업체(CM)는 세척 라인을 싫어합니다. 비용이 많이 들고 유지보수가 필요하며 라인을 느리게 하기 때문입니다. 그들은 플럭스 공급업체의 데이터 시트를 보여주며 IPC-J-STD-001을 통과했다고 주장할 것입니다. 이를 무시해야 합니다. 해당 표준은 일반 전자제품용이며, 물리학의 한계에 있는 장치용이 아닙니다.

이온 크로마토그래피 테스트를 요구해야 합니다. 보드가 시각적으로만 깨끗한 것이 아니라 화학적으로도 깨끗하다는 증거가 필요합니다. CM이 거부하거나 “더 나은” 무세척 플럭스를 권유하면 떠나십시오. 적절한 세척 공정 비용은 보드당 몇 센트에 불과합니다. 현장에서 고장 난 장치를 교체하는 트럭 출동 비용은 수백 달러입니다. 계산해 보고 세척을 강제하십시오.