바닥이 떨어지는 이유: PCB 적층판이 낙하 테스트에 실패하는 이유(그리고 이것이 재료 결함이 아닌 이유)

낙하 시험 실패의 소리는 뚜렷하지만, 실패 분석 실험실에서 이어지는 침묵이 진짜 긴장이 흐르는 순간입니다. 프로토타입 휴대용 장치가 콘크리트에 충돌합니다. 화면은 살아남고, 케이스도 살아남지만, 장치는 고장 납니다. 엔지니어링 작업 공간에서 즉각적인 반응은 제작 업체를 탓하는 것입니다. 비난은 거의 항상 같습니다: 라미네이트가 “불량”이었거나, 수지가 “불충분하게 경화”되었거나, 접착력이 “약했다”는 것입니다.

하지만 단면을 확대해서 보면 이야기가 달라집니다. 구리 패드가 단순히 들려 올라간 것이 아니라, 에폭시 유전체의 일부를 함께 떼어냈습니다. 이것이 패드 크레이터링입니다. 접착 화학의 실패가 아니라 기계적 구조의 실패입니다. 재료 공급자에게 “더 강한” 데이터시트를 요구한다고 기하학적 문제를 해결할 수 없습니다. 크레이터가 보인다면, 라미네이트에 기계적 섀시가 해야 할 일을 시키고 있는 것입니다.

분화구의 해부학

문제를 계속 잘못 식별하면 해결할 수 없습니다. 엔지니어들은 종종 BGA(볼 그리드 어레이) 아래의 모든 분리를 “패드 리프팅”과 혼동합니다. 패드 리프팅은 보통 열 현상이나 리플로우 중 젖음 불량의 결과입니다. 패드 크레이터링은 격렬한 기계적 파괴입니다.

현미경으로 실패 부위를 살펴보세요. 진정한 크레이터는 라미네이트 재료 자체에 뚜렷한 움푹 들어간 자국을 남깁니다. 구리 패드는 여전히 납땜 볼에 단단히 붙어 있고, 납땜 볼은 부품에 단단히 붙어 있습니다. 실패는 전적으로 구리 아래 유전체 수지 내에서 발생했습니다. 마치 아이스크림 한 스쿱이 통에서 뜯겨 나간 것처럼 보입니다.

이 구분은 매우 중요합니다. 왜냐하면 흔한 “블랙 패드” 공황을 배제하기 때문입니다. 블랙 패드는 ENIG(무전해 니켈 침지 금) 마감에 영향을 주는 화학적 부식 문제로, 납땜이 젖지 않은 어두운 평면 표면을 남깁니다. 보드에서 톱니 모양의 에폭시와 유리 섬유가 튀어나오거나 들린 패드 밑에 붙어 있다면, 블랙 패드 문제가 아닙니다. 스트레스 관리 문제입니다. 수지가 화학적으로 실패한 것이 아니라 기계적으로 압도당한 것입니다.

속도의 물리학: 변형률 민감도

이 실패 모드가 매우 교묘하고 종종 “불량 배치” 탓으로 돌려지는 이유는 FR-4 및 유사 라미네이트가 변형률 속도에 민감하기 때문입니다. 느린 열 사이클이나 정적 굽힘 시험 중에는 적당한 연성을 보이는 재료가 고속 충격 시에는 깨지기 쉬운 유리처럼 행동합니다.

장치가 바닥에 떨어지면 충격파가 PCB를 통과합니다. 보드가 휘어질 수 있다면, 그 변형 에너지는 어딘가로 가야 합니다. 표준 낙하 시험(JEDEC JESD22-B111 또는 유사 기준)에 따르면 변형률 속도가 매우 높을 수 있습니다. 이 속도에서는 수지 내 폴리머 사슬이 재배열되어 에너지를 분산할 시간이 없습니다. 그냥 끊어집니다.

이 때문에 이 특정 실패 모드에 대해 데이터시트의 유리 전이 온도(Tg)를 보는 것은 시간 낭비입니다. Tg는 열 성능을 측정할 뿐, 파괴 인성(K1c)이나 고속 탄성률을 측정하지 않습니다. 고가의 고 Tg(170°C 이상) 재료를 써도 재료가 실온 충격 속도에서 똑같이, 아니면 더 깨지기 쉬워서 치명적인 크레이터링이 발생할 수 있습니다.

조용한 살인자들: 낙하 전에 일어났다

보드를 낙하 시험기에 넣기 전에도 이미 패드를 망쳤을 수 있습니다. “낙하 시험 실패”의 상당 부분은 실제로는 “디패널링 실패”이며, 낙하 중에 결국 드러난 경우가 많습니다.

보드를 패널에서 분리하는 메커니즘을 고려해 보십시오. V-스코어 공정을 사용하고 보드를 수동으로 또는 피자 커터 스타일의 칼날로 분리하면 보드 가장자리에 큰 굽힘 모멘트가 직접 가해집니다. 무거운 커넥터나 BGA가 그 분리선에 너무 가까이 있으면, 스냅에서 발생하는 응력파가 패드 아래 수지에 미세 균열을 만듭니다. 이 균열은 육안으로는 보이지 않으며 구리가 여전히 접촉하고 있기 때문에 전기 테스트(ICT)를 통과하는 경우가 많습니다. 하지만 수지의 구조적 완전성은 사라진 것입니다.

이것이 종종 "팬텀" 고장이 발생하는 원인입니다. 낙하 테스트가 수지를 깨뜨린 것이 아니라 라우터 비트가 시작한 일을 마무리한 것입니다. 보드 가장자리 근처에 크레이터가 보인다면, 낙하 높이는 잠시 무시하고 디패널링 스테이션을 점검하십시오. 고정구에 스트레인 게이지가 있는지 확인하세요. 보이지 않는다면, 실제로 수율을 떨어뜨리는 변수를 측정하지 않고 있는 것입니다.

납땜 강성 함정

많은 설계자들이 직관에 반하는 변수를 놓칩니다: 납땜 접합부를 더 강하게 만들면 시스템이 오히려 약해지는 경우가 많습니다. 업계 표준 무연 합금인 SAC305(Sn-Ag-Cu)는 신뢰성이 높고 잘 알려져 있어 널리 사용됩니다. 하지만 SAC305는 상대적으로 높은 영률을 가지고 있어 단단합니다.

낙하 사고에서는 유연성이 필요합니다. 적층 구조 내에서 충격 흡수 역할을 할 무언가가 있어야 합니다. 납땜 접합부가 단단하고(SAC305), 부품이 단단하며(세라믹 BGA), 구리 패드도 단단하면, 에너지를 흡수할 수 있는 유일한 것은 적층 수지입니다. 수지는 그 특정 고강성 체인에서 "가장 부드러운" 부분이기 때문에 찢어집니다.

SAC105나 특정 도핑된 저은 합금과 같은 낮은 영률 합금으로 전환하면 크레이터 현상을 크게 줄일 수 있습니다. 이러한 부드러운 합금은 충격 시 소성 변형하여 적층체로 전달될 에너지를 흡수합니다. 엔지니어 입장에서는 "약한" 납땜을 요구하는 것이 잘못된 것처럼 느껴질 수 있지만, 기계적 충격 상황에서는 유연성이 생존을 의미합니다. 물론, 이는 절충을 수반합니다: 은 함량이 낮으면 열 사이클 신뢰성이 감소하는 경우가 많습니다. 장치가 낙하로 인해 고장 날 위험과 5년간 열 피로로 인해 고장 날 위험을 균형 있게 고려해야 합니다. 하지만 휴대용 장치에서는 낙하가 보통 주요 원인입니다.

지오메트리는 운명이다

궁극적으로, 재료 사양으로 물리를 속일 수는 없습니다. 얇은 PCB 중앙에 크고 무거운 BGA를 배치하고 PCB를 멀리 떨어진 모서리의 나사로만 고정하면 트램폴린을 만든 것입니다. 충격 시 그 트램폴린이 휘어질 때 곡률이 가장 높은 곳은 바로 BGA가 납땜된 중앙입니다.

패드 크레이터 문제를 가장 효과적으로 해결하는 방법은 거의 새로운 적층 재료를 사용하는 것이 아닙니다. 보통은 새로운 장착 나사가 필요합니다. 큰 BGA 근처에 스탠드오프나 지지 보스를 추가하면 보드의 국부 강성이 증가하여 균열을 유발하는 휨을 방지합니다. 이는 진동 중 보드의 모드 형상을 변경하는 것입니다.

이것은 트레이스 라우팅에도 적용됩니다. "트레이스 찢어짐"은 크레이터와 유사한 현상으로(패드 근처 좁아진 부분에서 구리 트레이스가 끊어짐), 해결책도 비슷합니다. 티어드롭과 넓은 진입 트레이스가 응력을 분산시킵니다. 하지만 충격 시 보드가 4mm 휘는 것을 허용하면 아무리 트레이스를 두껍게 해도 패드를 구할 수 없습니다.

힘의 흐름을 추적해야 합니다. 질량이 어디에 있는지(배터리, 히트 싱크, 쉴드) 그리고 고정점이 어디인지 살펴보십시오. 민감한 부품이 이 지점들 사이의 "단층선" 위에 있다면, 얇은 에폭시 층의 파괴 인성에 제품을 의존하는 것입니다. 이는 결국 실패할 도박입니다. 질량을 고정하고 보드를 국부적으로 강하게 하며 수지가 당신을 구해주길 바라지 마십시오.