종이 성냥: 왜 “호환 가능한” 대체품이 공장 현장에서 실패하는가

스프레드시트에서 자재 명세서(BOM)는 항상 완벽해 보인다. 모든 행이 초록색이고, 리드 타임은 관리 가능하며, 총 비용이 예산 바로 아래에 있다. 하지만 스프레드시트는 애리조나 열 속 사출 몰드 인클로저 안에서 살아남을 필요도 없고, 물리적 인쇄 회로 기판(PCB)에 맞출 필요도 없다. 재질, 재료, 온도 증가, 재조립 등의 허구와 마찬가지로.

배포사이트와 제조 현실 간의 불일치는 프로젝트가 죽는 곳이다.

대체 부품을 찾는 것은 '전압'과 '저항' 항목을 체크하는 것만큼 간단하지 않다. DigiKey, Mouser 또는 자동 구매 도구와 같은 주요 배포처 사이트의 알고리즘은 부품을 팔기 위해 설계된 것이지 시스템을 설계하기 위해 설계된 것이 아니다. 그들은 전기 사양에 기반해 텍사스 인스트루먼트의 전압 조정기에 대한 '직접 대체품'을 기꺼이 추천할 것이나, 하단의 열 패드가 다른 형태임을 완전히 무시한다.

그 보드가 생산 라인에 오면, 픽앤플레이스 기계는 전기적 동등성에 신경 쓰지 않는다. 단지 부품이 착상 패턴에 맞지 않기만 하면 된다. 경고 팝업도 뜨지 않는다. 줄이 끊기고, 폐기물 더미가 쌓이며, 운영 부사장과 매우 불편한 대화를 하게 된다.

데이터시트는 법적 계약이고, 웹 목록은 루머다. 전자는 후자를 통해 검증하는 것은 프로토타입에서 생산으로 넘어가는 가장 흔하고비싼 실수다.

지오메트리는 운명이다

BOM 정리에서 가장 위험한 가정은 표준 패키지 이름이 표준 치수를 의미한다는 것이다. 기계 공학에서는 볼트 나사산이 표준화되어 있다. 전자에서는 'QFN-28' (Quad Flat No-leads) 패키지는 제안일 뿐 규칙이 아니다.

스타트업이 Microchip MCU를 사양하는데, 갑자기 재고가 떨어졌다고 가정해보자. 조달팀은 동일한 핀 수, 동일한 전압, 그리고 'QFN-28' 패키지 유형의 대체 부품을 찾는다. 이것은 바로 교체 가능한 부품처럼 보인다. 그러나 기계 도면을 오버레이하면 현실이 바뀐다. 대체 칩은 원본보다 1.2mm 작은 열 패드를 갖거나, 핀 피치가 몇 분의 1밀리미터 더 조밀할 수 있다.

원래 설계된 PCB 풋프린트에 맞춰졌다면, 대체품이 technically 핀에 맞을 수는 있지만, 솔더 페이스트 스텐실은 더 작은 열 패드에 대해 너무 많은 솔더를 deposit할 것이다. 부품이 리플로우 동안 떠오르거나 기울게 된다. 더 나쁘게는, 더 조밀한 피치는 육안 검사에는 통과하지만, 전원이 들어오는 순간 단락되는 미세한 솔더 브리지를 유발한다.

이 문제는 수직으로도 확장된다. 엔지니어들은 종종 PCB의 X와 Y 치수에 집착하지만, Z 축은 보드를 하우징에 넣으려고 할 때까지 잊는다. TDK의 차폐된 전력 인덕터는 Würth Elektronik의 것과 전기적으로 동일할 수 있다. 그러나 TDK 부품이 1.2mm이고 Würth 부품이 2.0mm라면, 인클로저에 엄격한 간격이 있을 경우 그 차이는 치명적이다. 우리는 수천 개의 유닛이 조립되었는데, 대체 인덕터가 플라스틱 케이스의 리브와 충돌하여 나사를 잠글 수 없었던 경우를 목격했다.

디자이너들은 종종 검색 엔진에서 “Drop-in Replacement”(즉시 교체) 태그나 “Pin Compatible”(핀 호환) 플래그를 믿어도 되는지 묻습니다. 답변은 제한적이지만 ‘아니오’입니다. “Pin compatible”는 일반적으로 신호가 동일한 핀에 있다는 의미입니다. 파트의 물리적 본체 허용오차가 동일하다는 것을 보장하지 않습니다. 부품이 핀 호환이 되더라도 0.5mm 더 넓을 수 있으며, 이는 조밀한 기판에 인접한 커패시터와 걸릴 만큼 충분한 폭입니다. 데이터시트의 “Package Outline” 섹션을 Gerber 파일과 물리적으로 확인하지 않는 한, 당신은 추측 중입니다.

보이지 않는 전기들

기계적 적합성이 확인되면, 그 다음에 살펴볼 것은 검색 엔진의 주요 필터 열에 들어가지 않는 무형의 전기적 특성입니다.

전형적인 재앙은 다층 세라믹 커패시터(MLCC)와 관련이 있습니다. 2018년 대기근 동안 공황구매가 만연했습니다. Murata 10uF 0805 커패시터가 품절되면, 구매자들은 동일한 정전용량과 전압 등급으로 가장 저렴한 대체품을 잡았습니다. 문제는 유전체입니다.

X7R 유전체를 가진 커패시터는 넓은 온도 범위에서 안정적입니다. 더 저렴한 대안인 Y5V 유전체는 매우 불안정합니다. 실내 시험대에서 온도에 상관없이 동일하게 동작하지만, Y5V 커패시터를 실외 IoT 인클로저에 넣고 온도가 오르면, 유효 커패시턴스가 80% 이상 떨어질 수 있습니다. 전력 공급선이 불안정해지고, 프로세서가 재설정되며, 고객은 매일 오후 2시에 기기가 실패하는 이유를 궁금해합니다.

비용 절감을 시도하는 사람들에게는 ‘일반’ 브랜드로 전환하라는 압력이 큽니다. 일정한 시간과 장소에는 유효하며, 10k 풀업 저항과 같은 커먼 부품은 일반 브랜드인 야에오(Yageo) 또는 신뢰할 수 있는 아시아산 대체품으로 교체하는 것이 보통 위험이 낮습니다. 그러나 전력 부품과 같은 경우는 위험합니다.

일반적인 MOSFET은 같은 30V 파괴 전압을 나열할 수 있지만, Rds(on)(온저항)의 ‘Test Conditions’(테스트 조건)를 확인하지 않으면, 일반 부품이 전부 작동하는 데 10V가 필요한 반면, 보드가 3.3V만 공급하는 것을 놓칠 수 있습니다. 결국 선형 영역에서 작동하는 트랜지스터, 과열, 그리고 FR4 재료에 구멍이 뚫리는 일이 발생합니다.

커넥터: 와일드 웨스트

집적회로가 까다롭다면, 커넥터는 와일드 웨스트입니다. 이곳에는 사실상 표준이 없습니다. 제3자 공급업체의 ‘JST 스타일’ 커넥터는 JST 커넥터가 아니며, 종종 불완전한 복제입니다.

리드 타임을 절약하기 위해 ‘호환 가능’ 헤더를 승인한 의료기기 고객과의 상황을 겪었습니다. 데이터시트는 문제없었지만, 대체 제품의 플라스틱 하우징이 정품 JST 부품보다 0.1mm 두꺼웠습니다. 조립 팀이 배터리용 커넥터를 꽂으려고 했을 때 클릭되지 않았습니다. 마찰이 너무 컸기 때문입니다. 충분한 힘을 가해야 접합이 되어, PCB의 솔더 조인트가 깨질 위험이 있었습니다. 제품을 발송하기 위해, 팀은 X-액토 칼을 이용해 수백 개의 헤더에 수작업으로 플라스틱을 깎아내야 했습니다.

이것이 커넥터가 무죄가 입증될 때까지 유죄인 것과 같습니다. 저항의 경우 숫자를 읽어 검증할 수 있지만, 커넥터는 촉감, 유지력, 도금 품질(금 또는 주석)을 포함합니다. ‘호환 가능’ 커넥터는 물리적으로는 맞을 수 있지만, 재플로우 온도에서 용해되는 저품질 플라스틱을 사용하거나, 고진동 환경에서 금이 필요한 곳에서 주석 도금을 사용하는 등 문제가 있을 수 있습니다. 샘플을 손에 쥐고, 의도된 하니스와 실제로 결합하기 전에는 절대 검증하지 마십시오.

수동 오버레이 방법

여기서는 소프트웨어가 도움되지 않습니다. 유일하게 신뢰할 수 있는 검증 방법은 “PDF 오버레이”입니다.

대체품을 검토할 때는 원래 부품(파트 A)의 데이터시트와 제안된 대체품(파트 B)의 데이터를 각각 별도 화면에서 열고, 곧바로 “Mechanical Data”(기계 데이터) 또는 “Package Outline”(패키지 개요) 섹션으로 스크롤하세요 — 보통 문서 끝 부분에 있습니다. 1페이지의 마케팅 요약은 보지 마세요. 허용 오차를 확인하세요.

본체 너비(최소/최대)를 확인하세요. 피치도 체크하세요. 특히 전력 부품인 경우 열 패드 크기를 반드시 확인하세요. 파트 A의 열 패드가 4.0mm +/- 0.1인 경우와 파트 B가 3.5mm +/- 0.1인 경우 문제가 발생합니다. 파트 A에 맞게 설계된 솔더 페이스트의 개구부는 파트 B에 너무 많은 페이스트를 도포하여 볼링이나 브리징이 발생할 수 있습니다. 핀 1의 방향도 꼭 체크하세요; 일부 제조사는 다이(die)를 패키지 내부에서 회전시켜서 핀 1이 칩의 텍스트와 다른 모서리에 위치하게 할 수 있습니다.

이 과정은 느리고 귀찮습니다. 데이터시트 형식이 일관되지 않기 때문에 스크립트로 자동화할 수 없습니다. 하지만 15분만 투자하여 PDF 오버레이를 하면 수주간의 기판 재작업을 절약할 수 있습니다.

수명주기와 논리

맞고 작동하는 부품이라도 다시 구매할 수 없다면 쓸모가 없다. 유통업체 사이트의 ‘그린’ 재고 표시등은 미래를 약속하는 것이 아니라 현재의 스냅샷이다.

BOM을 최종 확정하기 전에 수명 주기 체크를 하라. 부품이 NRND(신규 설계에는 추천하지 않음)로 표시되어 있나? 그렇다면 제조업체는 끝이 가까워지고 있음을 알림하고 있다. 공장 리드 타임이 52주인가? 이는 오늘 보여지는 재고가 1년 동안 마지막 재고일 가능성이 높음을 의미한다. 이때 공포감이 찾아오는데, 바로 ‘재고 0’ 위기다. 이때 구매자는 그레이 시장이나 무단 중개상으로 몰릴 유혹을 느낀다. 때로는 필요하지만, 이로 인해 위조품이나 재사용된 부품의 위험이 따른다. 중개상을 사용해야 한다면, 검증 부담이 세 배로 늘어난다: 내장 칩이 라벨이 말하는 대로인지 확인하기 위해 X선 및 디캡슐화 테스트가 필요하다.

BOM 정제는 스프레드시트의 행을 채우는 것이 아니다. 이는 조립 라인에서의 미래 실패를 예측하고 디자인이 디지털 상태인 동안 이를 방지하는 것과 관련이 있다. 이는 냉소적 태도, 기계적 인식, 그리고 쉽다고 믿는 것에 대한 거부를 필요로 한다.