조용한 살인자: 왜 MEMS는 리플로우는 통과하지만 현장에서는 고장 나는가

당신이 보고 있는 수율 차트는 거의 전부 초록색입니다. 인서킷 테스트(ICT)는 99.8%의 합격률을 보여줍니다. 라인 끝의 기능 테스트 장비들은 만족스러워합니다. 제품은 포장되어 출하되고 출시됩니다.

그리고 3주 후, 전화가 울립니다.

현장 반품은 고장난 장치로 들어오는 것이 아니라 "드리프터"로 들어옵니다. 설명할 수 없이 노이즈 플로어가 상승한 마이크, 책상 위에 놓여 있는데 고도 변화를 보고하는 압력 센서, 영구적인 오프셋이 생긴 가속도계. 벤치에서 재검사하면 잠시 다시 통과하거나 패키지를 누르면 사라지는 간헐적 결함을 보일 수도 있습니다. 공장은 공정이 완벽했다고 주장합니다. 리플로우 프로파일은 열 관리의 교과서적 예처럼 보입니다.

이것이 "워킹 운디드" 시나리오입니다. 공장 출구에서 전기 테스트로는 보이지 않지만 제품 수명에 치명적인 고장 모드를 다루고 있는 것입니다. 이것은 납땜 결함이나 불량 실리콘 배치가 아닙니다. 거의 확실히 몇 주 전에 리플로우 오븐 내부에서 발생한 습기 유발 박리 현상이며, 어떤 기록에도 남지 않은 공정 위반 때문입니다.

느린 죽음의 물리학

이 부품들이 지연되어 고장 나는 이유를 이해하려면, 이들을 표준 집적 회로(IC)처럼 생각하는 것을 멈춰야 합니다. 표준 SOIC나 QFP 패키지를 습기로 잘못 다루면 "팝콘"처럼 터집니다. 습기가 증기로 변하고 압력이 플라스틱 강도를 초과하여 패키지가 소리 나게 갈라집니다. 균열이 보이면 보드를 폐기합니다. 보기 흉하지만 정직한 현상입니다.

MEMS(마이크로 전기 기계 시스템)는 다릅니다. 이들은 복잡한 기계 구조물—작은 다이빙 보드, 멤브레인, 콤—이 공동 내부에 들어 있습니다. 습기가 MEMS 패키지에 침투하면 몰딩 컴파운드와 기판 또는 다이 부착 패들 사이의 인터페이스에 자리잡습니다.

그 부품이 리플로우 오븐에 들어가면 온도가 260°C까지 급상승합니다. 갇힌 습기가 과열된 증기로 변합니다. 그러나 단단한 플라스틱 덩어리와 달리 MEMS 패키지는 내부에 빈 공간과 다양한 재료 인터페이스가 있습니다. 패키지 외부가 갈라지는 대신 증기 압력은 저항이 가장 적은 경로를 찾아 내부 층을 박리시킵니다. 다이를 부착 패드에서 분리하거나 몰딩 컴파운드를 리드 프레임에서 몇 마이크론 들어 올립니다.

부품이 폭발하지 않습니다. 단지 깊게 숨을 들이쉬고 팽창할 뿐입니다.

중요한 것은 전기 연결—보통 금 와이어 본드—이 접촉을 유지할 만큼만 늘어나는 경우가 많다는 점입니다. 장치는 식으면서 간격이 약간 닫히고 전기 연속성을 통과합니다. ICT를 문제없이 통과합니다.

하지만 손상은 이미 일어났습니다. 이제 미세한 박리 간격이 생겼습니다. 이후 몇 주 동안 장치가 일일 온도 변화나 사용자의 환경 습도를 겪으면서 그 간격이 숨을 쉽니다. 오염 물질이 유입됩니다. 무세척 공정을 사용하는 경우 표면에서 무해하다고 여겨진 플럭스 잔류물이 이 새로운 틈새로 빨려 들어갈 수 있습니다. 내부에 들어가면 습기와 섞여 전도성 전해질을 형성합니다.

서서히 부식이 본드 패드나 섬세한 MEMS 구조 자체를 갉아먹습니다. 또는 박리된 다이의 기계적 스트레스가 MEMS 멤브레인을 이완시켜 제로 포인트를 이동시킵니다. 이것이 몇 주 후 "센서 드리프트"가 나타나는 이유입니다. 부품이 고장 난 것이 아니라 고정이 풀린 것입니다.

범죄 현장: 오븐이 문제는 아니다

이러한 고장이 발생하면 첫 반응은 리플로우 프로파일을 탓하는 것입니다. 엔지니어들은 며칠 동안 소크 존을 조정하거나 최고 온도를 2도 낮추는 데 시간을 보냅니다. 이것은 시간 낭비입니다. 젖은 부품을 리플로우로 해결할 수 없습니다.

범죄는 오븐에서 일어난 것이 아니라, 3일 전에 보관 선반에서 일어났습니다.

생산 현장을 걸어보면—안내 경로가 아니라, 픽 앤 플레이스 기계 뒤의 뒷골목을 걸어보면—근본 원인을 찾을 수 있습니다. 디지털 표시기가 5% RH를 가리키는 “건조 캐비닛”을 볼 수 있지만, 문 경첩이 부러져 카프톤 테이프로 닫혀 있습니다. 밀봉이 제대로 되지 않아 내부 실제 습도는 55%로 방과 같습니다.

작업자가 “차가운 공기”가 안전하다고 생각해서 에어컨 통풍구 아래 카트에 놓인 습기 민감 부품 릴을 발견할 수 있습니다. 로그북에는 릴이 14:00에 건조 상자로 반환되었다고 기록되어 있지만, 보안 카메라는 교대 시간인 18:00까지 피더 트롤리에 놓여 있었음을 보여줍니다.

이러한 위반 사항은 데이터 시스템에 보이지 않습니다. MES(제조 실행 시스템)는 부품에 48시간의 현장 수명이 남았다고 하지만, 물리학적으로는 12시간 전에 포화되었습니다. 그 포화된 부품이 260°C의 리플로우 오븐 최고 온도에 도달하면, 증기 압력이 작용하여 램프다운 속도가 아무리 완벽해도 영향을 미칩니다.

문제를 베이킹으로 해결하려 하지 마세요

습기 경보에 대한 가장 위험한 반응은 “그냥 베이킹해라”라는 사고방식입니다. 생산 관리자들은 $50,000 상당의 센서 폐기를 두려워하여 바닥 수명을 “리셋”하기 위해 베이크 사이클을 지시합니다.

베이킹은 무료 리셋 버튼이 아니라 열 스트레스 이벤트입니다.

표준 IC는 125°C에서 24시간 베이킹해도 문제가 없을 수 있지만, MEMS는 훨씬 더 취약합니다. 저는 저가 배송 트레이(베이킹용으로 인증되지 않은)에서 나오는 가스가 센서 포트에 응축되어 밀봉된 상태로 고온에서 베이킹된 가속도계 트레이를 본 적이 있습니다.

올바른 고온 JEDEC 매트릭스 트레이를 사용하더라도 반복적인 베이킹은 리드 인터페이스에서 금속간 화합물 성장을 촉진하고 패드를 산화시킵니다. 부품을 건조시킬 수는 있지만, 이제 패드가 제대로 젖지 않아 납땜 시 “헤드 인 필로우” 결함 위험이 생깁니다.

더욱이, 테이프 앤 릴 상태의 부품을 베이킹하려 하면 위험한 상황에 처하게 됩니다. 대부분의 캐리어 테이프는 표준 베이킹 온도를 견딜 수 없습니다. 결국 부품에 녹은 플라스틱이 붙거나 테이프가 약간 변형되어 고속 피더가 걸려 대규모 다운타임이 발생합니다.

베이킹을 해야 한다면 J-STD-033을 엄격히 준수해야 하며, 종종 몇 주가 걸리는 저온 베이킹(40°C)을 사용해야 합니다. 대부분의 공장은 이를 견딜 인내심이 없어서 온도를 높여 부품을 가열합니다.

MSL 시계는 절대적입니다

규율 문제의 근본 원인은 종종 습기 민감도 등급(MSL)에 대한 오해입니다. 많은 팀이 MSL을 대략적인 지침으로 취급하지만, 그렇지 않습니다. 이는 계산된 열 한계입니다.

MSL 3과 MSL 5a 사이에는 엄청난 차이가 있습니다.

• MSL 3 168시간(1주일)의 노출 시간을 제공합니다.
• MSL 5a 24시간을 제공합니다.

하루입니다. MSL 5a 마이크로폰 릴이 설치를 위해 열리고, 10시간 교대 근무 동안 기계에 놓여 있다가 완벽하게 진공되지 않은 가방에 다시 넣어지면, 시계는 멈추지 않습니다. 기껏해야 일시 중지됩니다. 만약 건조제가 이미 포화 상태라면, 시계는 가방 안에서 계속 작동합니다.

펌웨어 엔지니어들이 이러한 실패를 우회하려고 코딩하는 것을 흔히 볼 수 있습니다. 그들은 센서 드리프트를 보고 정교한 보정 테이블이나 “번인” 루틴을 만들어 판독값을 안정화하려고 합니다. 이것은 무의미합니다. 소프트웨어로 박리된 다이 어태치를 고칠 수 없습니다. 습도 변화에 따라 계속 움직일 물리적 구조가 이미 손상된 상태를 보정하는 것입니다.

영웅주의보다 프로토콜

“워킹 운디드”를 위한 유일한 해결책은 오븐 전에 공격적이고 편집증적인 규율입니다.

기록부가 아니라 화학 반응을 신뢰해야 합니다. 모든 습기 차단 가방(MBB) 안에는 습도 표시 카드(HIC)가 있습니다. 가방을 열면 즉시 그 카드를 확인하세요. 10% 지점이 분홍색(또는 유형에 따라 라벤더색)이라면, 라벨에 뭐라고 적혀 있든 부품은 의심해야 합니다.

가방을 열기 전에 모든 가방의 진공 밀봉 상태를 확인하세요. 가방이 느슨하다면—플라스틱을 집어 트레이에서 당길 수 있다면—손상된 것입니다. 건조제가 포화 상태일 가능성이 큽니다.

마지막으로, 부품을 폐기할 의지가 있어야 합니다. 이것이 경영진에게 가장 설득하기 어려운 부분입니다. 하지만 알 수 없는 기간 동안 방치된 MEMS 센서 릴은 시한폭탄입니다. 보드에 장착하면 공장 테스트를 통과하고 출하됩니다. 그리고 고객이 습한 아침에 조깅할 때 고장 납니다.

$2,000 릴을 폐기하는 비용은 현장 리콜 비용에 비하면 반올림 오차에 불과합니다. 굽지 마세요. 추측하지 마세요. 인수인계 과정이 끊어졌다면, 부품은 쓰레기입니다.