“바나나 보드”의 물리학: 긴 PCB가 휘는 이유와 해결 방법

당신은 10구역 리플로우 오븐의 언로더 앞에 서서 600mm LED 스트립 또는 긴 산업용 컨트롤러 보드가 터널을 빠져나오는 것을 보고 있습니다. 보드의 중간 부분이 눈에 띄게 처져 있어, 아마도 메시 벨트를 긁고 있을 수도 있습니다. 더 나쁘게는, 보드는 육안으로는 평평해 보이지만 기능 테스트가 실패하고 있습니다. 양 끝의 커넥터에는 핀이 열려 있거나 중앙 BGA에서 회로 단선이 나타납니다.

대부분의 공장에서 즉각적인 본능은 열 프로파일을 탓하는 것입니다. 논리는 타당해 보입니다: 납땜이 잘 되지 않거나 접합부가 갈라진다면, 분명히 오븐 설정이 잘못된 것입니다. 공정 엔지니어에게 연락합니다. 그들은 열전대를 부착하고 벨트 속도를 늦춰 “더 오래 담그게” 하며 최고 온도를 5°C 올립니다.

이것이 “프로파일 함정”입니다. 긴 폼 팩터 조립체의 SMT 문제 해결에서 가장 흔한 오류입니다.

보드가 물리적으로 변형되고 있다면—감자칩처럼 비틀리거나 해먹처럼 처진다면—공기 조절만으로는 해결할 수 없습니다. 중력을 프로파일링으로 극복할 수 없습니다. “담금 구역”을 사용해 열팽창계수(CTE)와 타협할 수 없습니다. 긴 보드가 끝부분이나 정확한 중앙에서만 실패한다면, 오븐 프로파일은 보통 무죄입니다. 원인은 기계적 문제입니다.

이중 금속 스트립 효과

변형 문제를 해결하려면 보드를 전기적 상호 연결로 생각하는 것을 멈추고 기계적 적층판으로 취급하세요. PCB는 본질적으로 유리섬유 강화 에폭시(FR4)와 구리 박의 샌드위치입니다. 이 두 재료는 가열 시 서로를 싫어합니다.

FR4는 특정 비율(ppm/°C)로 팽창합니다. 구리는 다른 비율로 팽창합니다. 길고 좁은 보드에서는 이 불일치가 엄청난 내부 응력을 만듭니다. 하지만 진짜 문제는 적층이 불균형할 때 시작됩니다.

표준 4층 보드를 생각해 보세요. 1층에 조밀한 신호 트레이스가 있고 4층이 단일 구리 접지면이라면, 이중 금속 스트립을 만든 것입니다. 보드가 245°C 최고 리플로우 온도로 올라가면, 구리가 더 많은 쪽은 팽창을 제한하고, 수지가 많은 쪽은 팽창하려고 합니다. 결과는 휨이나 비틀림입니다.

이것은 0402 같은 작은 부품이 한쪽 끝에서 서는 “텀스톤 현상”과는 다릅니다. 텀스톤 현상은 납땜력과 불균일한 납땜 당김에 의해 발생하지만, 변형은 기판 자체가 움직이는 구조적 실패입니다. 보드가 모서리에서 말리는 것을 본다면, 그것은 납땜 문제이 아니라 구리 배치가 유리섬유와 싸우고 있으며 구리가 이기고 있는 것입니다.

중력과 유리 전이

두 번째 적은 재료 자체입니다. 모든 FR4 적층판에는 유리 전이 온도(Tg)가 있습니다. 이 온도 이하에서는 수지가 단단하고 유리처럼 굳어 있습니다. 이 온도 이상에서는 수지가 부드럽고 고무 같으며 유연해집니다.

표준 “High-Tg” 재료의 경우, 이 전이는 약 170°C에서 발생합니다. 그러나 SAC305 솔더 페이스트는 217°C가 되어야 녹기 시작합니다. 이는 리플로우 공정에서 가장 중요한 부분인 액상 상태 이상에서 60~90초 동안 회로 기판이 사실상 젖은 국수처럼 된다는 것을 의미합니다.

길이 600mm이고 두께가 1.0mm 또는 1.6mm인 보드를 컨베이어 레일의 가장자리만으로 지지하면 중력이 작용합니다. 수지는 170°C에서 부드러워지고, 보드는 구조적 강성을 잃으며 중앙이 아래로 처집니다.

엔지니어들은 종종 이를 피하기 위해 저온 솔더 합금(예: 138°C에서 녹는 BiSn)으로 전환하려고 합니다. 이는 일부 재료의 Tg 이하로 유지하지만, 취성 접합부를 만들고 근본적인 강성 부족 문제를 해결하지 못합니다. 지지 간격이 충분히 넓으면 중력은 고-Tg 재료도 이길 수 있습니다. 보드는 처지고 중앙 부품은 솔더가 넘치거나 브릿지 현상이 발생하며, 레일 근처의 커넥터는 안쪽으로 비틀립니다.

보이지 않는 범죄 현장

왜곡으로 인한 결함에서 가장 답답한 점은 증거가 보일 때쯤이면 사라진다는 것입니다.

보드가 245°C의 오븐 안에 있을 때, 2mm 정도 위로 휘어져(찡그린 모양) 있을 수 있습니다. 이 상태에서 중앙의 BGA 부품은 패드에서 완전히 들려 있을 수 있습니다. 솔더 볼은 녹지만 PCB의 페이스트에 닿지 않고 공중에 매달려 있습니다. 산화되어 표면에 막이 형성됩니다.

그런 다음 보드가 냉각 구역에 들어가면 수지가 다시 굳습니다. 보드는 원래의 평평한 형태로 되돌아갑니다. BGA 볼은 패드 위로 떨어지지만 이미 늦었습니다. 솔더는 이미 굳어 있습니다. 볼은 베개 위의 머리처럼 패드에 물리적으로 접촉하지만 전기적 결합은 이루어지지 않습니다.

이것이 고전적인 “헤드-인-필로우”(HiP) 결함입니다. 테스트 스테이션에서 칩을 누르면 통과합니다. 손을 떼면 실패합니다. X-레이는 볼 모양이 둥글기 때문에 이상 없어 보입니다. “염색-분리”나 단면 분석 같은 파괴 검사를 할 때만 미세한 틈을 볼 수 있습니다. 결함은 최고 온도에서 발생했지만 보드는 실온에서 무죄처럼 보입니다.

기계적 치료법 (진짜 해결책)

문제가 기계적이므로 해결책도 기계적이어야 합니다. 솔더링 프로파일로 강성 부족을 해결할 수 없습니다. 지지를 추가하여 해결합니다.

처진 보드를 위한 가장 효과적인 해결책은 중앙 보드 지지대(CBS)입니다. Heller, BTU, Rehm 같은 공급업체의 대부분 최신 리플로우 오븐은 이 옵션을 제공합니다. 이는 터널의 정확한 중앙을 따라 내려가는 얇은 체인이나 주차 브레이크 스타일의 핀 시리즈입니다. 보드 중앙을 물리적으로 받쳐 처짐을 방지합니다.

오븐에 CBS가 없거나 하단 부품 때문에 체인을 사용할 수 없다면 리플로우 팔레트를 사용해야 합니다.

팔레트는 Durostone이나 Ricocel 같은 복합 재료로 만든 고정구입니다. 이러한 재료는 비싸며, 맞춤형 고정구는 복잡성에 따라 $300에서 $800까지 비용이 들 수 있습니다 [[VERIFY]]. 하지만 열적으로 안정적이며 260°C에서 변형되지 않습니다. 약한 PCB를 단단한 팔레트 안에 넣고 팔레트가 평평하게 오븐을 통과시킵니다.

관리자들은 종종 비용에 대해 주저합니다. "추가 소모품입니다,"라고 말하죠. "열 질량이 증가해서 라인을 느리게 해야 합니다." 이는 사실입니다. 하지만 $500 고정구의 비용과 고가 산업용 제어 보드 생산 과정에서 20%를 폐기하는 비용을 비교해 보세요. 팔레트의 ROI는 보통 몇 달이 아니라 며칠 단위로 측정됩니다.

설계 완화책

보드가 설계되기 전에 참여할 수 있는 행운이 있다면, 변형을 상류에서부터 막을 수 있습니다. 설계자의 가장 강력한 도구는 "구리 도둑질" 또는 균형 맞추기입니다.

구리 밀도가 적층 전체에 대략 대칭이 되도록 하세요. 상단 층이 80% 구리 충전이라면, 하단 층도 비슷해야 합니다. 트레이스가 없는 큰 개방 구역이 있다면, CTE 스트레스를 균형 맞추기 위해 떠 있는 구리 사각형 그리드(도둑질)를 추가하세요. 이는 이중 금속 휨 효과를 방지합니다.

균일한 패널화도 역할을 합니다. 분리 레일에 너무 많은 재료를 남기면 강화재 역할을 하거나, 유리섬유의 결 방향에 따라 스트레스 요인이 될 수 있습니다.

평결

긴 보드가 끝이나 중앙에서 실패하는 것을 보면 라인을 멈추세요. 영역 온도를 조절하지 마세요. 벨트 속도를 늦추지 마세요.

스스로에게 물어보세요: 이 보드는 평평한가요? 휨을 측정하세요. 구리 균형을 확인하세요. 적층재의 Tg 등급을 확인하세요. 보드가 휜다면, 고정구나 중앙 지지대가 필요합니다. SMT 공정에서 물리는 물리 법칙을 이길 수 없습니다. 수지는 스스로를 지지하지 않으므로 보드를 지지해야 합니다.