골든 쿠폰 역설: 합격 보고서가 실패한 보드를 숨기는 이유

보드는 고장 났다. 그것은 아마도 자율 물류 제어기나 의료 모니터링 인터페이스 같은 고위험 장치였으며, 현장에서 단 50시간 만에 고장 났다. 고장 분석 실험실은 부검을 마쳤다: PCB의 단면은 균열이 간 비아 배럴 또는 분리된 포스트 인터커넥트를 보여준다. 물리학적으로 부인할 수 없다; 구리가 물리적으로 끊어졌다. 그러나 품질 관리자 앞 책상 위에는 제작 업체에서 발행한 “적합성 증명서”(CoC)가 합격 등급으로 빛나고 있다. 그 출하에 첨부된 미세 단면 보고서는 IPC 클래스 3 최소 기준을 훨씬 상회하는 아름답고 견고한 구리 도금을 보여준다.

어떻게 보드는 물리적으로 파손되었는데 서류상으로는 완벽하다고 주장할 수 있을까? 답은 보통 “대표 표본”, 즉 테스트 쿠폰에 있다. 인쇄 회로 기판 제작의 고위험 세계에서 우리는 제작 패널의 폐기 경계에 있는 이 작은 PCB 재료 조각들이 중앙의 실제 회로 건강 상태를 나타내는 지표로 사용된다. 쿠폰이 통과하면 보드도 통과한다고 가정한다. 이 가정은 현대 하드웨어 신뢰성에서 가장 비용이 많이 드는 오류 중 하나이다.

물리는 당신의 서류를 신경 쓰지 않는다. 테스트 쿠폰의 기하학이 실제 보드에서 가장 어려운 특징의 기하학과 엄격히 일치하지 않으면, 미세 단면 보고서는 데이터가 아니라 편안한 허구가 된다.

도금 탱크 내의 물리학

쿠폰이 거짓말하는 이유를 이해하려면 도금 탱크 내부 환경을 살펴봐야 한다. PCB 패널은 전해질 욕조에 잠기며, 전기분해를 통해 구리가 표면과 뚫린 구멍 안에 도금된다. 도금은 벽에 페인트 칠하는 것처럼 균일한 과정이 아니다. 그것은 유체 역학과 전류 분포의 혼란스러운 투쟁이다.

구리가 구멍 내부에 쌓이는 속도는 욕조의 “투사력”과 구멍의 종횡비에 크게 좌우된다. 넓고 얕은 구멍은 도금하기 쉽다; 신선한 화학물질이 쉽게 흐르고 전기장이 강하다. 좁고 깊은 구멍은 악몽이다. 화학물질이 정체되고 전기장이 배럴 중앙에 도달하기 어렵다.

이제 표준 테스트 쿠폰의 기하학을 고려해 보자. 역사적으로 많은 제작 업체는 표준 IPC-2221 “모델 A” 쿠폰이나 단순한 독점 스트립을 기본으로 사용한다. 이들은 종종 0.5mm 이상인 견고하고 큰 직경의 관통 구멍을 특징으로 한다. 이들은 PCB 세계의 “큰 문”과 같아서 뚫기 쉽고 청소하기 쉽고 도금하기도 매우 쉽다.

이것을 보드 설계와 대비해 보자. 당신은 0.15mm 기계 드릴이나 레이저로 뚫은 마이크로비아를 사용하는 고밀도 상호연결(HDI) 설계를 진행하고 있을 수 있다. 이것들은 “바늘 구멍”이다. 그 패널이 탱크에 들어가면, 화학물질은 큰 쿠폰 구멍을 가득 채워 두껍고 건강한 구리를 침착시킨다. 한편, 패널 중앙에서는 도금 용액이 작고 종횡비가 높은 비아 내부를 순환하기 어려워한다. 결과는 실제 제품에서의 “무릎 얇아짐” 또는 배럴 도금 부족이며, 반면 레일에 있는 쿠폰은 금별을 받는다.

이 불일치는 구조적 무결성을 넘어선다. 설계자들은 종종 임피던스 제어에 집착하며 신호 무결성을 보장하기 위해 TDR(시간 영역 반사 측정) 보고서를 요구한다. 공급업체가 고속 차동 쌍의 특정 밀도와 에칭 환경에 맞지 않는 트레이스 기하학을 가진 쿠폰을 사용한다면, 그 TDR 결과는 측정된 현실이 아니라 계산된 허구이다. 구조 쿠폰이 구리 두께에 대해 거짓말을 한다면, 임피던스 쿠폰도 트레이스 폭에 대해 거짓말할 가능성이 크다.

문제는 “전류 도둑”에 의해 악화된다. 제작 패널의 가장자리는 중앙보다 더 많은 전류 밀도를 끌어당긴다. 쿠폰은 공간 절약을 위해 거의 항상 패널 경계(“레일”)에 배치되므로, 자연스럽게 중앙 부품보다 더 빠르고 두껍게 도금된다. 결국 가장 특권적인 패널 부위를 테스트하여 가장 열악한 부위를 검증하게 된다.

HDI 및 비아-인-패드 함정

기하학적 불일치는 HDI 및 Via-in-Pad Plated Over (VIPPO) 구조로 넘어갈 때 치명적으로 악화됩니다. 여기서 대부분의 현대 "통과했지만 실패한" 시나리오가 발생합니다.

적층 마이크로비아를 고려해 보십시오. 이 구조에서는 1층의 레이저 드릴 비아가 2층의 매립 비아와 연결되고, 다시 3층과 연결되어 모두 직접 위에 적층되어 있습니다. 기계적으로 취약하며 도금 화학이 완벽하지 않으면 계면에서 분리되기 쉽습니다. 그러나 공급업체가 이러한 비아를 적층하는 대신 서로 어긋나게 배치하는 표준 쿠폰을 사용하면 응력 프로필이 완전히 달라집니다. 어긋난 쿠폰은 적층된 비아를 분리시키는 열 사이클 테스트를 통과합니다. 당신은 무해한 구조를 검증하면서 시한폭탄을 배송하는 셈입니다.

그 다음은 VIPPO 악몽이 있습니다. 이 공정에서는 비아에 도금을 하고 에폭시로 채운 후 구리로 "캡"을 씌워 부품을 직접 납땜할 수 있게 합니다. 여기서 위험은 에폭시 충전재의 가스 방출로 인한 "딤플링" 또는 캡 분리입니다. 설계가 BGA 브레이크아웃에 VIPPO를 사용하지만 공급업체의 표준 쿠폰이 개방형 관통홀을 사용하는 경우, 단면 검사는 캡 도금이나 충전재의 품질을 절대 보여주지 못합니다.

이것이 종종 IPC Class 2와 Class 3 간의 논쟁이 잘못된 신뢰를 만드는 이유입니다. 구매팀은 실패로부터 면역을 얻는다고 믿으며 Class 3 계약을 강력히 요구합니다. 그러나 Class 3은 단지 수용 기준 집합일 뿐입니다(예: 최소 도금 두께, 환형 링 폭). Class 3 기준을 보드와 물리적으로 닮지 않은 쿠폰에 적용하면 신뢰성을 산 것이 아닙니다. 제품과 무관한 폐기물 조각에 대해 매우 비싸고 고품질의 검사를 산 것입니다.

서류상의 방패

왜 이런 일이 발생할까요? 품질에 의존하는 명성을 가진 제조사가 왜 보드와 맞지 않는 쿠폰을 사용할까요?

악의가 원인인 경우는 드뭅니다. 보통은 관성 및 효율성 때문입니다. IPC-2221 모델과 같은 표준 쿠폰은 미리 설계되어 있습니다. 수익을 창출하는 공간을 차지하지 않고 패널 경계에 깔끔하게 맞습니다. 단면 가공이 쉽고 현미경으로 읽기 쉽습니다. 실험실 기술자는 한 교대에 50개의 표준 쿠폰을 처리할 수 있습니다. 복잡한 보드 특징을 모방하는 맞춤 쿠폰은 엔지니어링 시간이 필요하고 공간을 더 차지하며 샘플을 파괴하지 않고 연마하기 어렵습니다.

또한 역설적인 인센티브가 작용합니다. "골든 쿠폰"—통과하도록 설계된 쿠폰—은 생산 라인을 계속 움직이게 합니다. 공급업체가 가장 어려운 특징을 엄격히 모방하는 쿠폰을 사용하면 수율이 떨어집니다. "경계선"일 수 있는 패널을 폐기해야 할 수도 있습니다. 관대한 쿠폰을 사용함으로써 위험을 폐기물 더미에서 현장 반품으로 전가합니다.

문서화는 이 방패를 강화합니다. 표준 CoC는 IPC-6012 준수를 명시합니다. IPC-6012 부록 A의 세부 사항을 읽고 "A/B 쿠폰"(설계의 특정 비아 구조와 일치하는 쿠폰)을 명시적으로 요구하지 않는 한, 공급업체는 기본 스트립을 사용하여 기술적으로 준수한 것입니다. 그들은 표준을 따랐지만, 표준은 어려운 부분을 테스트하도록 강제하지 않았습니다.

진실을 설계하다

이 사이클을 깨는 유일한 방법은 제조 지침을 통제하는 것입니다. 공급업체가 자발적으로 작업을 어렵게 만들 것이라고 기대할 수 없습니다.

테스트 쿠폰이 다음에 따라 생성되도록 명시해야 합니다. IPC-6012 부록 A. 이 명세는 쿠폰 생성자가 보드 파일을 보고 "가장 어려운 특징"(가장 작은 드릴, 가장 좁은 피치, 가장 깊은 블라인드 비아 등)을 식별하여 해당 특징을 복제하는 쿠폰을 생성하도록 강제합니다.

중요한 생산—항공우주, 의료, 또는 대량 자동차—에서는 더 나아가야 합니다. 쿠폰이 패널 경계뿐 아니라 패널 중앙, 최소한 활성 영역에 배치되도록 요구하십시오. 네, 공간을 차지합니다. 네, 패널당 보드 수가 줄어듭니다. 공급업체는 반발할 것입니다. 단가가 상승한다고 말할 것입니다.

이때 "품질 비용"을 저울질할 순간입니다. 그 패널 공간 비용을 계산하십시오—아마도 단위당 몇 달러일 것입니다. 이제 현장 리콜, 생산 중단 상황, 또는 엔지니어 팀이 계약 제조업체로 날아가 "유령" 고장을 디버깅하는 비용을 계산하십시오. 진실한 쿠폰의 폐기 비용은 거짓 통과의 책임보다 훨씬 저렴한 보험료입니다.

여기에는 미묘함이 있습니다. 일부 최상위 제조사는 잠재 결함을 감지하는 능력에서 IPC 표준을 능가하는 독자적인 내부 쿠폰을 개발했습니다. 공급업체가 "더 나은" 내부 시스템이 있다고 쿠폰 요청에 반발하면 그들의 말을 듣되 검증하십시오. 쿠폰 민감도에 대한 기술 데이터를 요청하십시오. 그들이 당신이 관심 있는 결함을 잡아낸다는 것을 증명할 수 있다면 허용할 수 있습니다. 그러나 "우리는 항상 이렇게 해왔다"는 유효한 엔지니어링 논거가 아닙니다.

궁극적으로, 마이크로섹션 보고서는 파괴하는 샘플만큼의 가치가 있습니다. 프로세스를 가장 쉬운 경로로 기본 설정하면 제품을 테스트하는 것이 아닙니다. 보드에 존재하지 않는 구멍을 도금하는 공급업체의 능력을 테스트하는 것입니다. 기하학적 구조가 현실과 일치하도록 강제하면, 보고서는 마침내 진실을 말할 것입니다.