견고한 빌드에서 0402 수동부 저가의 숨겨진 비용

PCB 소형화에 대한 추진으로 인해 0402 패시브는 많은 설계에서 기본 선택이 되었다. 더 작은 발자국은 더 조밀한 배선, 높은 부품 밀도, 그리고 콤팩트한 보드의 깔끔한 미적 감각을 약속한다. 조용한 환경에서 사용될 소비자 전자제품의 경우 이러한 반사작용은 타당하다. 크기 축소는 재료 및 부지 비용 절감으로 직결될 수 있으며 신뢰성은 거의 희생되지 않는다.

그러나 이러한 논리는 열악한 작업 환경에서는 무너지기 쉽다.

오프로드 차량, 철도 시스템, 산업 제어 시스템 — 지속적인 진동, 빠른 열 순환, 그리고 현장 서비스 필요성에 의해 정의되는 환경에서는, 작은 0402 패시브는 초기 절감 효과를 조용히 지우는 실패 모드를 도입한다. 조립시 텀스톤 현상, 진동 하 납땜 접합 피로, 그리고 재작업의 경제학은 모두 약간 더 큰 0603 발자국을 선호하게 만든다. 극단적인 환경에서는 축소 반사작용에 도전해야 한다.

열 질량이 어떻게 Tombstoning을 유발하는가

톰스톤은 이름 그대로입니다: 수동 부품이 리패치 후 한 패드에 수직으로 서서 쓸모없게 되는 현상입니다. 이는 육안 검사를 어렵게 하는 개방 회로입니다. 근본 원인은 리패치 동안 가열 속도 차이로 인해 발생하는데, 이는 부품의 질량이 줄어들수록 더욱 심해지는 물리적 과정입니다.

리플로우 시, 각 패드의 납땜 페이스트가 액화되며 부품에 표면장력을 가한다. 이상적으로는 이 힘들이 균형을 이루어 부품을 평평하게 끌어당긴다. 그러나 한 패드가 더 빨리 가열되면, 그 납땜이 먼저 액화되어 불평형한 끌림을 만들어 낸다. 이 회전 토크는 부품의 관성에 저항할 만큼 강하다면 부품이 뒤집힐 수도 있다. 무게가 1밀리그램 미만인 0402 패시브의 경우, 종종 그렇다.

불균형 가열의 역학

부품, 패드, 주변 구리의 열질량은 리플로우 상승 동안 모두 상호작용한다. 한 패드가 큰 구리 푸어 또는 접지 플레인에 연결되어 있다면, 그 플레인은 냉각판 역할을 하여 납땜 페이스트의 온도 상승을 늦춘다. 반대쪽 패드, 아마도 얇고 열적으로 고립된 트레이스에 연결되어 있다면 훨씬 빠르게 가열된다. 더 뜨거운 패드의 납땜이 먼저 액화되어 부품을 습윤시키고 강제로 끌어당기며, 다른 쪽은 견고한 페이스트에 고정된 채 남아 있다.

이러한 열적 차이는 모든 설계에 존재하지만, 그 효과는 부품이 회전하는 저항력에 달려 있다. 무거운 0603 부품은 더 큰 관성을 갖으며 토크에 저항한다. 질량이 거의 없는 0402는 그렇지 않다. 빠른 열 상승을 이용해 사이클 타임을 최적화하거나, 보드가 불가피한 열 비대칭을 갖는 경우, 0402는 텀스톤 현상의 주된 후보가 된다.

구조적 취약성

0402 발자국은 작아서 약 1밀리미터 x 0.5밀리미터이다. 납땜 접합부는 극히 작은 접촉면적을 차지한다. 작은 힘도 이로 인해 큰 회전 모멘트를 발생시킨다. 이는 지렛대가 짧고 안정화하는 질량이 거의 없기 때문이다. 0603 부품은 크기가 50% 더 크지만, 그 질량은 비례적으로 크며, 부피는 큐빅으로 확장된다. 차별적인 가열에 대한 저항력은 낮아도, 0603를 뒤집게 하는 데 필요한 열적 불균형은 훨씬 크다.

패드 설계 및 납땜 페이스트 양은 위험을 완화할 수 있다. 비대칭 패드 또는 납땜 마스크 댐은 도움을 줄 수 있지만, 이는 설계 복잡성과 공정 민감도를 증가시킨다. 본질적 취약성인 낮은 질량을 없앨 수는 없다. 재작업 시 여러 리플로우 사이클을 거치거나, 완벽하지 않은 조건에서 조립될 수 있는 견고한 제품의 경우, 이 오류 여유는 매우 중요하다. 0603은 순수한 물리학을 통해 그것을 제공한다.

진동 유도 납땜 접합 실패

진동은 끊임없는 기계적 응력입니다. 단일 충격 이벤트와 달리 연속 진동은 납땜 필렛에 주기적인 굽힘을 유도합니다. 각 굽힘은 납땜이 부품 또는 패드와 만나는 곳에 미세한 균열을 시작할 수 있습니다. 수백만 번의 사이클 동안 이 균열은 확산되어 조인트가 실패할 때까지 자랍니다. 실패율은 응력의 함수이며, SMT 조립품의 경우 부품 무게와 접합 면적이 그 응력을 제어하는 요소입니다.

오프로드 장비의 전자기기는 거칠은 지형에서 발생하는 광대역 진동을 견뎌야 하며, 레일 시스템은 저주파 진동을 전달하여 PCB에 효율적으로 결합됩니다. 두 경우 모두, 보드가 굽혀지고 납땜 조인트는 그 변형을 흡수해야 합니다. 최소한의 무게와 작은 납땜 필렛을 가진 0402 수동 부품은 이 응력을 연약한 기계적 연결로 집중시킵니다.

공진 응력의 물리학

PCB가 진동할 때, 부품에 작용하는 관성력은 질량과 가속도의 곱입니다. 이 힘은 납땜 조인트에 전단 응력으로 나타납니다. 더 가벼운 부품이 힘이 적다고 생각할 수 있지만, 그 관계는 그렇게 간단하지 않습니다. 두 배 무게의 부품이지만 접합 면적이 2배 이상인 경우 실제로는 더 낮은 단위 면적당 납땜에 가해지는 응력

여기서 0402는 불리한 비율을 보입니다. 무게가 적지만 납땜 조인트 면적이 불균형적으로 작아 응력이 집중됩니다. 얇은 납땜 필렛은 더 큰 조인트의 오목한 만시스 프로파일과 같이 하중을 고르게 분산시키는 지오메트리도 부족합니다. 조인트는 취약하여 금속간 층 바로 앞에서 균열이 생기기 쉽습니다.

질량과 풋프린트의 보호 요소

0603 부품은 의미 있는 개선을 제공합니다. 무게는 0402보다 대략 3~4배이고, 패드 면적은 약 두 배입니다. 이 조합은 응력 집중을 극적으로 줄이고 연결의 피로 수명을 늘립니다. MIL-STD-810과 같은 표준에 따른 신뢰성 시험에서, 동일한 진동 프로파일 하에서 0402 조립체는 0603 조립체보다 실패율이 여러 배 높게 나타납니다.

2년의 부드러운 핸들링 수명을 가진 가전제품에서는 차이가 거의 없을 수 있습니다. 10년간 지속 진동을 견뎌야 하는 산업용 컨트롤러에서는, 0603 풋프린트는 사치가 아니라 구조적 필수 요소입니다. 납땜 조인트는 부품의 앵커 역할을 하며, 크기는 필수적인지 또는 잠재적 결함으로 남아 현장에서 발현될지를 결정합니다.

리워크 비용 곡선

어떤 생산 공정도 완벽하지 않습니다. 저수량, 다양한 맞춤형 강력 전자제품 분야에서는 항상 일정 비율의 보드가 재작업이 필요합니다. 그 재작업의 경제적 손실은 부품 크기와 선형 관계에 있지 않으며, 급격한 곡선을 따릅니다. 그리고 0402는 가장 가혹한 쪽에 위치합니다.

0402 부품을 수작업으로 납땜하려면 확대경, 안정된 손, 정밀한 열 제어가 필요합니다. 패드들이 너무 가까워서 납땜 다리가 항상 위험에 노출되어 있습니다. 열질량이 낮은 부품은 납땜 인두를 부주의하게 다루면 파손되거나 패드가 보드에서 떨어질 수 있습니다. 경험이 풍부한 기술자는 할 수 있지만, 느리고 실수하기 쉽습니다. 경험이 부족한 기술자는 간단한 수리를 폐기된 보드로 바꾸기도 합니다.

시간, 난이도, 폐기율

일반적인 0402 패시브 재작업은 보통 0603보다 2배에서 4배 더 오래 걸립니다. 이 작업에는 더 정밀한 도구, 더 낮은 온도, 그리고 종종 핫 에어 스테이션이 필요합니다. 작업에 추가로 드는 한 분은 직접적인 비용입니다. 현장 서비스 시나리오에서는 그 비용이 이동 시간과 장비 다운타임으로 배가됩니다. 반면 0603은 표준 도구로 다룰 수 있습니다. 크기와 열 질량이 관대하여 재작업 시간을 줄이고 최초 성공률을 높입니다.

이 어려움은 수율에 직접적인 영향을 미칩니다. 템스톤과 배치 오류는 재작업 없이 검사에 합격하는 보드의 비율을 낮춥니다. 재작업 자체가 실패하기 쉬우면, 폐기율이 상승합니다. 비용 차이는 수정이 필요한 각 보드에 걸쳐 누적됩니다. 1,000개 보드의 생산 시 2%의 폐기율 증가는 각 $50의 비용으로 $1,000의 페널티입니다. 재작업에 드는 추가 인력을 더하면 비용은 빠르게 BOM 절감액을 넘어섭니다.

총 소유 비용: 실제 계산

0402 부품의 자재비(BOM)는 0603보다 몇 분의 일 센트 낮습니다. 수백 개의 패시브가 있는 보드의 경우, 이는 몇 달러에 달할 수 있습니다. 그러나 열악한 작업 환경에서는 BOM 비용이 전체 소유 비용에서 가장 작은 항목인 경우가 많습니다.

총 비용은 조립 수율 손실, 생산 재작업, 현장 실패, 그리고 워런티 서비스를 포함합니다. 온화한 환경을 위한 제품의 경우, 이차 비용은 낮습니다. 진동과 현장 서비스에 직면한 제품은 이들을 지배하게 됩니다.

철도차량용 제어 시스템을 상상해보세요. 0603 대신 0402를 사용하면 BOM에 $4가 추가됩니다. 그러나 0402 설계는 3% 텀스톤율을 겪으며, 이는 노동 비용이 $3,000이 드는 재작업과, 500개 생산량 동안 $15,000의 폐기 보드를 야기합니다. 초기의 $2,000 BOM 절감은 $18,000의 페널티에 비해 미미합니다. 그리고 만약 0402 보드 중 1%가 워런티하에 실패하여 서비스 호출당 $300이 드는 경우, 추가 손실은 또 $1,500입니다.

수학적 계산이 명확합니다. 제품 수명 주기 동안 0603 부품이 더 저렴합니다. 적은 BOM 프리미엄은 재작업, 폐기, 현장 실패를 줄임으로써 여러 번 자기 자신을 상쇄하는 투자입니다.

실용적인 선택하기

내구성이 높은 제품에 0603 패시브를 사용하는 것은 절대적인 것은 아니지만, 기본 선택이 되어야 합니다. 0402로의 편향은 의도된 엔지니어링 결정이어야 하며, 반사적이어서는 안 됩니다. 선택은 몇 가지 핵심 요인에 달려 있습니다:

• 환경 스트레스: 지속적인 진동, 열 사이클링 또는 현장 서비스에 직면하는 설계의 경우, 0603은 필수적인 기계적 및 경제적 완충 역할을 합니다. 온건한 사무 또는 소비자용 응용 분야에서는 계산법이 달라집니다.
• 재작업 및 서비스 전략: 제품이 현장에서 수리될 경우, 0603은 재작업으로 인한 손상의 위험을 줄입니다. 일회용이거나 수리 불가능한 제품인 경우, 재작업 비용은 무관하지만, 현장 실패 비용은 여전히 존재합니다.
• 생산량: 대량 생산이 엄격히 통제된 조립 라인은 0402의 텀스톤 위험을 일부 완화할 수 있습니다. 낮은 규격과 고밀도의 생산은 그 통계적 통제력을 결여하여, 0402는 수율에 대한 책임을 가지게 합니다.
• 공간 제약: 보드 면적이 절대적이고 불변의 제약인 경우, 0402가 유일한 선택일 수 있습니다. 이 선택은 결과에 대한 충분한 인식을 바탕으로, 컨포멀 코팅, 언더필, 또는 실패율을 높이는 것을 수용하는 방식으로 이루어져야 합니다.

footprints를 줄이려는 본능은 전자기기 설계에 도움이 되었습니다. 그러나 열악한 작업 환경에서는 그 본능이 비용이 됩니다. 0603 패시브는 구식이 아니며, 기계적 및 경제적 현실을 실용적으로 인정하는 것일 뿐입니다. 견고한 빌드에 0402 부품을 사용할 때의 숨겨진 비용은 더 이상 숨길 필요가 없습니다. 그것들은 계량 가능하며, 피할 수 있으며, 더 큰 footprint로의 결정적인 신호를 보냅니다.