실리콘의 구원: FPGA 재작업의 경제학과 물리학

죽은 프로토타입의 침묵은 무겁다. 팬 소음의 부족이나 디버그 인터페이스의 어두운 LED처럼 단순한 것이 아니다. 즉시 비용 계산이 내려오는 것이다. 프로토타입 보드가 초기화에 실패할 때—아마도 BGA가 조립 중에 제대로 자리 잡지 못했거나 설계상의 결함으로 교체가 필요할 때—집중력은 즉각적으로 PCB 중앙의 크고 검은 정사각형으로 좁혀진다.

고신뢰성 부문에서는 그 정사각형이 일반적으로 Xilinx Kintex UltraScale 또는 Intel Stratix 10과 같은 고급 FPGA이다. 이것들은 일반 부품이 아니라 자산이다. 공급망 제약 시기에 그 단일 칩을 교체하는 데 52주 이상의 리드 타임이나 거래상가의 마크업이 프로젝트 예산을 초과할 수 있다. 자체 보드인 12층 적층 구조와 블라인드, 버리드 비아를 사용하는 이 보드의 제작 및 조립 비용은 $5,000에 이를 수 있다. 재작업은 표준 수리가 아니며, 개발 전체 일정이 걸린 구조적 작업이다.

물리학은 협상하지 않는다

BGA 제거가 단순히 납이 녹을 때까지 열을 가하는 문제라는 위험한 오해가 계속된다. 이 태도는 프로토타입을 파괴한다. 손으로 사용하는 열총은 튜빙을 줄이는 데는 훌륭하지만 고밀도 인터커넥트에는 파괴적인 도구이다.

물리학은 열질량과 열팽창 계수(CTE)로 귀결된다. 현대 FPGA는 열 방산을 위해 특별히 설계된 구리 접지 평면이 가득한 보드 위에 있다. 칩 위를 뜨거운 공기로 강제로 가열하면 보드 밑면을 적절히 가열하지 않아 수직 열 기울기를 만든다. 상단이 팽창하는 동안 하단은 차갑고 단단하게 유지된다. 그 결과 휨이 생기며, 보드가 휘어지면 납땜 접합부를 잡아당긴다. 열원 조절이 안 되면 “패드 크래터링” — 즉, 유리섬유 적층에서 구리 패드를 찢어내는 위험이 있다. 내부 트레이스에서 패드가 찢어지면 보드는 쓸모없게 된다. 10 Gbps 속도로 작동하는 차동 쌍을Reliable하게 수리할 수 있는 점퍼 와이어는 없다.

이 때문에 엔지니어들은 “국부적 제조” 사고방식을 채택해야 한다. 목표는 제조 오븐에서 본 보드가 경험한 특정 온도곡선을 재현하는 것—즉, 원래의 리플로우 프로파일을 복제하는 것이다. 전체 조립이 활성화되기 위해서 (일반적으로 150°C에서 170°C 사이) 침수 온도에 도달해야 하며, 그 후 구성 요소에 국부적 에너지를 가하여 217°C의 액상점(리퀴더스포인트)을 넘어야 한다. 물리학은 기한을 무시한다; 열상승 속도가 너무 가파르면 칩 내에 갇힌 수분이 증기로 팽창하면서 팩을 벗기거나 “팝콘” 현상을 일으킨다. 팝콘 칩은 죽은 칩이다.

과정: 제어된 개입

$2,000 구성요소를 저장하려면 엄격성이 필요하다. 과정은 수분 관리를 포함하여 재작업 이전 며칠 동안 시작된다. 보드가 습도 표시기가 안전 수준을 읽는 건조 상자에 보관되지 않았다면, 베이킹 해야 한다. IPC-1601 표준에 따라 보드와 부품에서 습기를 제거하는 베이킹은 수증기 압력을 통한 박리 방지다. 이 단계를 건너뛰면 몇 주 후에 보이지 않는 고장들이 나타나기 쉽다.

보드가 건조하면, 분할 비전 광학, 하단 적외선 예열기, 컴퓨터 제어 상단 대류 노즐이 있는 전용 재작업 시스템으로 이동한다. 이 과정은 수작업이 아닌 자동화에 의해 진행되며, 열전대를 희생보드에 부착하여 정확한 열 프로파일을 매핑한다. 기계가 230°C라고 하면, 그 35x35mm 그리드 아래의 솔더 볼들이 실제로 리플로우에 도달했는지 아니면 근처의 열 싱크로 인해 차갑게 남아 있는지 알아야 한다.

프로파일이 정확하면 제거 과정은 기대에 못 미친다. 진공 노즐이 내려가면, 솔더가 유동화되고, 구성요소는 힘없이 수직으로 들어올려진다. 그 후 최고조는 바로 옆이다: 현장 정리. 이는 낡은 솔더를 수동으로 제거하는 작업으로, 납땜 인두와 와이킹 브레이드를 사용한다. 이때 기술자의 손이 가장 중요하다. 인두는 패드 위에서 ‘떠다니듯’ 움직여야 하며, 아래로 누르면 패드가 들어올려질 위험이 크다. 패드가 떨어진 경우에는 에폭시 수리 방법도 있지만, 고주파 FPGA 신호선에 대한 임피던스 부조화로 인해 수리된 패드의 신호 품질이 저하될 수 있다. 새 칩 또는 리볼드된 칩을 놓기 전에 패드는 깨끗하고 평평하며 구리광택이 나는 상태여야 한다.

리볼링 방정식

가끔 목표가 새 칩이 아니라, 다른 곳에서 사용하기 위해 고장 난 기판에서 낡은 칩을 회수하거나 연결 실패한 칩을 다시 장착하는 경우도 있습니다. 이것은 재볼링의 하위 분야를 소개합니다. 제거된 BGA는 아래쪽에 지저분하고 불규칙한 납땜 범프가 남아 있습니다. 이들을 제거한 후 새 납땜 구슬을 부착해야 합니다.

이것은 순수한 ROI 계산입니다. $5 상품형 미니컨트롤러의 재볼링은 재정적으로 터무니없습니다; 작업 시간은 부품 비용을 초과합니다. 그러나 $15,000의 Virtex UltraScale+는 재볼링이 필수적입니다. 이 과정에는 칩의 풋프린트에 맞는 특정 스텐실, 끈적한 플럭스, 수천 개의 사전에 형성된 납땜 구슬(대부분 직경 0.4mm 또는 0.5mm)을 손으로 붓고 정렬하는 작업이 포함됩니다.

그러나 불확실성은 피할 수 없습니다. 실리콘 다이가 리플로우 사이클—240°C로 가열 후 냉각—을 거칠 때마다 열적 응력이 축적됩니다. 실리콘 다이, 패키지 기판, PCB 간의 열팽창 불일치는 내부 연결에 힘을 가합니다. 칩은 보통 두세 번의 리플로우(초기 조립, 제거, 재볼링, 배치)를 견딜 수 있지만(초기 조립, 제거, 재볼링, 배치), 수율이 항상 보장되지 않습니다. 우리는 완벽한 프로파일링으로 위험을 줄일 수 있지만, 재료의 피로 한계는 변경할 수 없습니다.

재작업 결정은 보통 '교체 대 복구' 비율에 달려 있습니다. 실리콘이 희귀해서 교체가 불가능하거나, 기판이 몇 주 동안의 독특한 제작 시간을 나타낸다면, 적절한 열 프로파일과 숙련된 작업자 시간에 대한 투자는 다시 시작하는 것보다 무시할 수 있습니다. 장비—선행 가열기, 영상 시스템, 질소 비활성 재플로우 헤드—은 재앙을 표준 공학 지연으로 바꾸기 위해 존재합니다.