수율의 조용한 살인자: 왜 MLCC가 계속 깨지고 있나 (그리고 그게 머신 탓이 아닌 경우)

라인이 내려가고 있다. 수율 차트가 떨어진다. 일회성 쇼트로 12V 전원선에 실패한 보드 배치. 생산 현장의 즉각적인 반응은 피킹 앤 플레이스 머신을 탓하는 것이다. 그 이유는 그럴듯하다: 고속 노즐이 연약한 세라믹 부품을 보드에 강타한다. 부품이 깨졌다면, 로봇이 너무 세게 친 것일 것이다.

엔지니어들은 노즐 압력 조절에 몇 주를 허비한다. 그들은 공급기를 교체한다. 공급망에 오염을 일으킨 '불량 배치' 캐패시터를 공급업체를 괴롭힌다. 이것이 바로 '불량 배치' 오류—구매한 결함 부품이 책임을 면하게 하는 위로의 거짓말이다. 하지만 파나소닉, 후지, 또는 ASM의 현대 배치 기계는 미크론 단위의 오차도 감지할 수 있는 힘 피드백 루프를 갖추고 있다. 작업자가 0201을 D-팩에 맞는 노즐로 짓누르지 않는 한, 기계는 무죄다.

부품은 배치 중에 깨지지 않았다. 나중에, 보드가 구부러졌을 때 깨졌다.

셔번의 해부학

왜 배치 이론이 실패하는지 보려면, 시체를 봐라. 세라믹 캐패시터(MLCC)는 본질적으로 유리 덩어리다. 높은 압축 강도를 가지지만 인장 유연성은 제로다. PCB가 구부러지면 유리 섬유가 늘어난다. 경직된 솔더 필레트는 그 늘어남을 세라믹 몸체에 직접 전달한다.

압력이 수직 충격—배치 노즐과 같은—에서 온 경우, 균열은 분화구 또는 표면 함몰처럼 보일 것이다. 그게 수율을 죽이는 것이 아니다. 사망의 원인은 바로 굽힘 균열.

단면 현미경으로 볼 때, 이 실패에는 독특한 흔적이 있다: '셰브론' 또는 45도 균열이다. 이는 캐패시터의 하단 모서리, 즉 종료점이 세라믹 본체와 만나는 지점에서 시작하여 대각선으로 위로 퍼져나간다. 이 각도는 보드가 그 아래에서 구부러지면서, 하단 부품이 잡아당겨지는 인장 응력의 결과다. 이는 전형적인 전단 파괴의 예로, 세라믹의 변형 한계를 넘은 보드가 구부러졌음을 보여주는 물리적 기록이다.

여기서 진짜 위험은 숨어 있다. 종종 균열이 너무 좁아, 부품이 인-서킷 테스트(ICT)를 통과한다—판이 아직 접촉하는 상태이기 때문이다. 하지만 운영 중에 보드가 가열되거나 현장에서 진동이 일어나면 균열이 열리고, 수분이 들어오며, 절연 저항이 떨어지고, 캐패시터가 쇼트한다. 모든 공장 테스트를 통과한 보드마저 고객 손에 들어가 두 달 만에 고장 난다.

범죄 현장: 분리 작업

배치 기계가 보드를 구부리지 않았다면, 누가 그Damage를 일으킨 것일까? 거의 항상, 손상은 개별 보드를 생산 패널에서 분리하는 depaneling 동안 발생한다.

수동 스냅이 가장 큰 범인입니다. 대량 생산 및 비용 민감형 제품—특히 소비재—의 경우, 패널은 종종 V-홈(V-score)으로 스코어 처리되고 수작업으로 분리됩니다. 더 나쁘게는, 작업자가 “무릎 방법”이나 작업대의 가장자리를 이용해 패널을 깨뜨리기도 합니다. 이는 엄청난 불균일 토크를 가하게 됩니다. FR4 유리섬유는 구부러지지만, 납땜 접합부는 그렇지 않습니다. 응력은 기판상의 가장 강직한 지점, 즉 대형 세라믹 부품의 납땜 패드에서 집중됩니다.

심지어 “피자 커터” 스타일 롤러 블레이드 구분기는 위험합니다. 블레이드 높이가 잘못 설정되어 있거나, 작업자가 약간 비스듬하게 패널을 밀어내면, 기판이 휩니다. V-스코어 과정은 남아있는 웹 재료를 깨뜨리는 것에 의존합니다. 그 깨뜨림은 유리섬유를 통해 충격파를 전달하는 폭력적인 기계적 사건입니다.

고신뢰성 전자제품에 안전한 유일한 방법은 라우터(탭-라우터)입니다. 라우터 비트는 재료를 깎아내어 PCB에 응력을 가하지 않습니다. 느리지만 먼지를 발생시키고 유지보수가 더 필요합니다. 하지만, 0의 굽힘 응력을 유발합니다. 관리자들은 종종 사이클 타임 패널티 때문에 라우터로의 전환을 꺼려하며, 비트 가격과 저렴한 V-스코어 블레이드의 비용을 계산합니다. 그들은 거의 수작업 분리로 인한 2% 스크랩률이나 $50,000 필드 리콜 비용은 계산하지 않습니다.

기하학은 운명이다

라우터가 불가능하고 V-스코어가 필수인 경우, 커패시터의 생존 여부는 레이아웃에 달려 있습니다. 두 가지 변수만이 중요합니다: 방향성 그리고 거리.

방향성은 PCB 설계에서 가장 무시되는 규칙입니다. 커패시터를 배치할 때 평행하게 브레이크 라인에 평행하게 놓인 커패시터는 킬 존에 들어가게 됩니다. 기판이 V-스코어를 따라 구부러질 때, 커패시터의 긴 축이 신장됩니다. 전체 부품의 길이가 굽힘을 저항하며, 그것이 깨집니다.

그 동일한 부품을 90도 회전시켜서 수직하게 브레이크 라인에. 이제, 기판이 구부러질 때, 응력은 길이 대신 부품의 폭에 작용합니다. 납땜 접합부는 강직한 고정점이 아닌 축에서 회전하는 축 역할을 하며, 균열 위험을 기하급수적으로 낮춥니다.

그 다음에는 거리(distance)가 있다. 디자이너들은 폼 팩터를 줄이기 위해 컴포넌트를 보드 가장자리에 꽉 채우는 것을 좋아한다. 그들은 CAD 디자인 규칙 체크(CAD Design Rule Checks, DRC)에 의존하여 부품이 너무 가까이 있으면 경고를 받는다. 하지만 표준 DRC는 전자적 간극(구리 간 거리)를 검사하며, 기계적 안전. 커패시터는 1mm 떨어진 곳에서도 전기적으로 안전할 수 있지만, 기계적으로는 위험하다.

안전 구역은 보통 5mm 어떤 손상선(break line)부터. 물론 이 값은 다르다—두꺼운 1.6mm 보드는 더 많은 응력을 전달하는 반면, 얇은 0.8mm 보드와는 달리, 유리 직조 방향도 중요하다. 하지만 5mm는 표준 '밤에 안심하는' 거리이다. 만약 1206 커패시터가 V-스코어와 평행하게 2mm 떨어져 있다면, 문제는 인지 여부는 깨지는 것이 아니라 언제.

‘소프트 터미네이션(Soft Termination)’ 밴드에이드

레이아웃을 변경할 수 없을 때—보드가 이미 돌아가고 수율이 떨어질 때가 대부분이다—엔지니어들은 종종 ‘소프트 터미네이션’ 또는 ‘플렉스-터름’ 커패시터를 선택한다.

일반 커패시터는 강체 금속 단자를 사용한다. 소프트 터미네이션은 구리와 니켈/주석 도금 사이에 전도성 에폭시 수지를 추가한다. 이 수지는 충격 흡수제 역할을 하며, 구부릴 때 단자가 세라믹 몸체에서 약간 벗어나는 것을 가능하게 한다. 이는 전기 연결을 끊는(fail open) 것이지, 세라믹을 깨뜨리는(fail short) 것이 아니다.

여기서 종종 혼란이 있는데, 구매 담당자들은 추가 비용이 가치가 있는지 묻는다. 작동은 하지만 마법은 아니다. 이는 휨 허용 범위를 아마 2mm의 굽힘에서 5mm로 늘린다. 이를 에어백이라고 생각하라. 에어백은 사망률을 줄이지만, 60마일로 벽돌 벽에 돌진할 수 있다는 의미는 아니다. 디패널링 과정에서 작업자가 무릎으로 보드를 부러뜨린다면, 소프트 터미네이션이 부품을 구하지는 못한다. 이것은 안전망이지, 나쁜 과정의 치료법이 아니다.

검증: 장작불을 태우는 증거

그래서, 어떻게 관리진에게 이 과정이 공급업체가 아니라 결함임을 증명하겠는가? 그 답은 파괴 테스트(destructive testing)에 있다.

“다이-앤-프라이” 테스트를 위해 고장 난 기판을 실험실로 보내세요. 기술자는 해당 구역에 빨간 염료를 뿌리고, 잉크를 금이 간 곳에 밀어넣기 위해 진공 챔버에 기판을 넣은 후, 기계적으로 부품을 떼어냅니다. 깨진 면에 빨간 잉크가 묻어 있다면, 균열이 존재했던 것입니다. 전에 테스트.

잉크가 45도 위 교차 패턴 서명을 드러내면, 그 주장은 끝입니다. 그것은 휨 균열입니다. 공급업체에서 발생한 것이 아니고, 배치 기계에서도 일어난 것이 아닙니다. 기판이 구부러졌을 때 발생한 것입니다. 생산 라인을 한 번 걸어보세요. 패널이 어떻게 분리되는지 관찰하세요. 딱하는 소리를 들어보세요. 그 소리가 바로 돈이 공장을 떠나는 소리입니다.