BGA 실패의 해부학

프로토타입 보드가 도착했지만 비활성 상태이고 쓸모없다. 제품 개발팀에게 이것은 단순한 지연 그 이상으로, 좌절스러운 디버깅, 손상된 데이터, 증가하는 비용의 순환이다. 현대 전자기기의 표면 아래에서 볼 그리드 어레이(BGA) 패키지는 지속적인 긴장을 나타낸다. 이는 최소한의 공간에 고밀도 연결을 자랑하는 경이로움이지만, 동시에 이러한 조용한 실패의 주요 용의자이기도 하다. BGA 아래에 숨겨진 미세한 결함 하나가 전체 조립품을 쓸모없게 만들 수 있으며, 이러한 실패의 미묘한 물리학을 이해하는 것만이 예방의 유일한 신뢰할 수 있는 길이다.

도전은 BGA의 불투명성에 있다. 가장 중요한 납땜 접합부는 숨겨진 세계, 즉 치명적인 결함이 눈에 띄지 않고 형성될 수 있는 공간에서 형성된다. 많은 일이 잘못될 수 있지만, 프로토타입 제작을 방해하는 실패는 즉시 명확하거나 위험할 정도로 잠복된 범위에 속하는 경향이 있다.

한쪽 끝에는 명확하고 확실한 쇼트가 있다. 납땜 브리징은 인접한 납땜볼 사이의 의도치 않은 전기적 연결로, 너무 많은 납땜 페이스트 또는 약간의 정렬 오류로 인해 발생하는 간단한 재앙이다. 마찬가지로, 납땜볼이 패드에 완전히 연결되지 않는 진정한 오픈 조인트는 간단하고 완전한 연결 끊김이다. 이것들은 좌절스럽지만 정직한 실패이다. 초기 테스트에서 명확하게 드러난다.

더 어려운 문제는 조인트를 절단하는 것이 아니라 열화시키는 것이다. 과도한 공극화, 즉 납땜 내부에 가스 방울이 갇히는 현상은 즉각적인 회로 개방을 일으키지 않는다. 대신, 이는 숨겨진 약점을 만든다. 이러한 공극은 많은 BGA에서 중요한 기능인 열 방출 능력을 저하시켜 기계적 강도를 감소시킨다. 보드는 일정 기간 작동할 수 있지만, 충격, 진동 또는 열 순환의 단순한 스트레스로 인해 실패하기 쉬운 구조적 결함을 안고 있다. 이는 시간과의 싸움이다.

머리베개 속의 교활한 본성

그 다음으로 가장 악명 높은 결함은 매우 미묘하여 독특한 이름을 얻은 결함, 헤드인-필로우(HiP)이다. 이는 재흐름 과정에서 보드의 납땜 페이스트와 BGA의 납땜볼이 모두 녹지만, 결정적으로 하나의 결합으로 합쳐지지 않는 경우에 발생한다. BGA 볼은 마치 베개 위의 머리처럼 납땜 페이스트의 오목한 자국에 가만히 놓여 있다. 이로 인한 개방 회로는 종종 간헐적이고, 광학 검사로는 보이지 않으며, 초기 전기 테스트를 통과할 수도 있지만, 예측 불가능하게 현장에서 실패한다.

이 실패는 단일 오류에서 비롯된 것이 아니라, 보드가 재흐름 오븐 내부에 잠시 머무르는 동안의 역동적인 충돌에서 비롯된다. 온도가 상승함에 따라, BGA 패키지와 PCB는 서로 다른 속도로 휘어질 수 있다. 이러한 차이로 인해 부품이 일시적으로 보드에서 떨어질 수 있다. 그 순간, 용융된 납땜볼과 아래의 납땜 페이스트 표면이 산화될 수 있다. 재흐름 주기 후에 냉각되고 평평해질 때, 부품은 다시 자리 잡지만, 새로 형성된 산화층은 장벽 역할을 하여 두 납땜량이 결합하는 것을 방해한다. 접촉은 하지만 결합하지 않는다.

따라서 예방은 재흐름 오븐이 있기 훨씬 이전부터 시작된다. 습기를 제어하는 것이 핵심이며, 흡수된 습기는 휨을 극적으로 악화시킨다. 적절한 부품 저장과 취급은 습기 민감도 수준(MSL)에 따라 이루어져야 하며, 이는 사소한 단계가 아니다; HiP에 대한 근본적인 방어책이다. 또 다른 주요 방어책은 신중하게 최적화된 재흐름 프로파일이다. 점진적인 예열 단계는 휨을 유발하는 열 충격을 최소화하고, 납땜 페이스트 내 플럭스가 활성화되어 금속 표면을 청소하고 산화를 방지할 시간을 제공하는 데 필수적이다. 강력한 플럭스 패키지를 갖춘 납땜 페이스트는 전체 열 여정 동안 활성 상태를 유지하여 더 넓은 공정 창과 이러한 섬세한 물리학에 대한 중요한 완충 역할을 한다.

헤드인-필로우의 교활한 본성은 가장 엄격한 검사 외에는 모두 피한다는 것이다. 외부에서 보면 조인트는 완벽해 보일 수 있다. 충분한 커패시턴스를 가진 '키싱' 접속을 만들어 경계 스캔을 통과할 수도 있다. 이를 찾는 가장 신뢰할 수 있는 방법은 자동 X선 검사(AXI)이다. 2D X선은 브리징과 같은 큰 결함을 드러낼 수 있지만, 진정한 HiP를 드러내기 위해서는 3D AXI가 필요하다. 3D 시스템은 납땜 조인트의 단면 슬라이스를 생성하여 볼과 페이스트 사이의 비응합된 인터페이스를 명확하게 보여준다. 이는 조인트의 물리적 무결성을 진정으로 검증하는 유일한 방법이다.

예방 설계도: 디자인과 프로세스의 교차점

개발팀이 BGA 품질에 대해 갖는 가장 강력한 지렛대는 단일 부품이 배치되기 훨씬 이전에 행사된다. 제조 현실을 무시하는 설계는 실패의 설계도이다.

기초는 PCB의 구리 랜드 패턴이다. 업계 최선의 관행은 대개 비-솔더 마스크 정의(NSMD) 패드를 선호하는데, 여기서 솔더 마스크 개구부는 구리 패드보다 크다. 이 설계는 용융된 납땜이 패드의 측면을 감싸도록 하여 기계적으로 견고한 볼-앤-소켓 모양의 조인트를 형성한다. 구식 부품 데이터시트 예제 대신 IPC-7351과 같은 현대 표준을 사용하는 것이 일반적이고 피할 수 있는 실수이다. 이 패드들 사이에는 얇은 솔더 마스크 댐이 필수적이다. 최소 4밀(0.1mm)의 댐이 필요하며, 이는 인접 패드 사이에 납땜이 흐르는 것을 효과적으로 방지한다.

아마도 가장 중요한 설계 규칙은 라우팅이다. BGA 패드에 비아를 바로 배치하는 것은 밀집 설계에서 흔한 기법이지만, 반드시 따라야 할 절대 명령은: 비아는 채워지고 도금되어야 한다. 패드 내의 오픈 비아는 재흐름 동안 작은 빨대처럼 작용하여 납땜을 구멍으로 끌어들인다. 이 납땜 도둑질은 조인트의 필요한 부피를 빼앗아 과도한 공극 또는 완전한 개방으로 이어진다. 이는 간단한 설계 선택이 공장 현장에 미치는 직접적이고 예측 가능한 결과의 전형적인 예이다.

그러나 완벽한 설계도 조립 과정의 부정확성에 의해 무너질 수 있다. 조립자의 역할은 엄격하게 수행하는 것이며, 이는 표면 실장 기술에서 가장 중요한 단계로 간주되는 납땜 페이스트 인쇄부터 시작된다. 고품질의 레이저 커팅 스텐실은 모든 패드에 일관되고 정확한 양의 페이스트를 도포해야 한다. 그 다음, 픽 앤 플레이스 기계는 비전 가이드 시스템을 사용하여 거의 완벽한 정확도로 BGA를 배치해야 한다.

이 단계들은 재흐름 오븐에서 절정을 이루며, 여기서 열 프로파일—즉, 해당 조립에 대한 특정 온도 레시피—이 최종 결과를 결정합니다. 이 프로파일은 보드의 열 질량과 선택된 납땜 합금에 맞게 조정되어야 합니다. 예를 들어, 표준 무연 SAC305 합금은 약 245°C의 높은 최고 온도를 필요로 하며, 이는 휨과 HiP를 유발할 수 있는 열 응력을 증가시킵니다. 저온 납땜을 사용하면 이 위험을 극적으로 줄일 수 있는데, 이는 180°C에 가까운 재흐름으로 가능하지만, 그에 따른 트레이드오프가 있습니다. 이러한 저온 조인트는 종종 더 깨지기 쉬우며, 충격이나 넓은 온도 변화에 노출될 제품에는 잠재적 책임이 될 수 있습니다. 이것은 단순한 기술적 선택이 아니라 신뢰성과 비용에 관한 비즈니스 결정입니다.

위험, 재작업, 현실 탐색

이상적인 세상에서는 모든 프로토타입 BGA가 3D X-ray로 검증될 것입니다. 그러나 예산이 빠듯한 팀에게는 항상 가능하지 않습니다. AXI를 포기하는 것은 본질적으로 더 높은 수준의 위험을 감수하는 것과 같습니다. 이 위험은 JTAG/Boundary Scan과 같은 전기적 테스트에 더 의존하거나 중요한 신호에 접근 가능한 테스트 포인트를 설계함으로써 완화할 수 있습니다. 장치의 전체 작동 온도 범위에서 엄격한 기능 테스트를 수행하면 잠재된 결함이 드러날 수도 있습니다. 그러나 이러한 방법들은 대리물임을 이해하는 것이 중요합니다. 이들은 연결성은 확인하지만 품질을 보장하지 않으며, 장기적인 신뢰성 위협이 되는 숨겨진 구조적 결함을 볼 수 없습니다.

그리고 BGA가 실패하면 어떻게 될까요? 재작업이 가능하지만, 이는 전문적이고 비용이 많이 들며 위험한 최후의 수단입니다. 이 과정은 전용 스테이션을 사용하여 결함이 있는 부품을 국소적으로 가열하고 제거하며, 사이트를 정밀하게 청소하고, 새 납땜을 적용하며, 나머지 보드를 손상시키지 않고 새 부품을 재흐름하는 것을 필요로 합니다. 국소 열 응력은 패드를 쉽게 들어올리거나 PCB의 내부 층을 손상시킬 수 있습니다. 공장 현장에서의 경험은 명확한 교훈을 가르쳐줍니다: 사려 깊은 설계와 공정 제어를 통한 예방이 항상 수리보다 훨씬 저렴하고 신뢰할 수 있다는 것.