RF 실드와 텐티드 비아에 대한 반대 의견

리플로우 오븐이 열 thermal 프로파일을 완료하고, 보드는 증기 단계에서 나오며, RF 실드가 패드에 깔끔하게 납땜되어 앉아 있습니다. 조립은 결함 없어 보입니다. 그러나 3주 간 기능 시험 중 간헐적 실패가 나타나기 시작합니다. 실드를 제거하면 명백한 증거가 드러납니다: 보드 전체에 흩어져 있는 작은 납볼, 비아 주변에서 방사선의 습기 얼룩, 최악의 경우 납땜 다리의 단락인 납땜 다리 다리 단락입니다.

근본 원인? 보통 PCB 설계에서 차용한 보수적인 설계 결정으로, 실드 아래의 독특한 환경을 고려하지 않은 표준 관행입니다. 그 결정이 바로 비아 텐팅입니다.

많은 경우 비아 텐팅은 타당하지만, RF 실드 아래의 밀폐된 공간은 재플로우 과정을 압력 용기 실험으로 바꿉니다. 갇힌 습기, 납땜 마스크 내의 휘발성 물질, 에폭시 수지의 분해 산물은 온도가 급증함에 따라 배출구를 찾습니다. 금속 덮개가 보드에 밀봉되어 있으면, 그 경로는 몇 개 없으며, 그 결과로 방출 가스 손상, 납땜 볼 결함, 신뢰성 저하가 발생합니다. 우리는 RF 실드 아래와 그 인접 부위에서 비아 텐팅을 완전히 피해야 한다고 주장합니다. 그 반대의 경우는 재플로우의 물리학과 납땜 마스크의 열 응력에 따른 재료 거동에 근거합니다.

공통 관행 재플로우 폭탄 숨기기

비아 텐팅은 비아 구멍 위에 납땜 마스크를 적용하여 비아를 상단에서 밀봉하는 것을 의미합니다. 이 방법은 재플로우 시에 납땜 페이스트가 배럴 내부로 흡수되는 것을 방지하며, 많은 설계에 합리적인 접근법입니다. 이 관행은 IPC 표준에 광범위하게 기록되어 있으며 수십 년 동안 믿을 수 있는 선택이었습니다. 대부분의 적용에서 문제없이 작동합니다.

RF 실드는 이 모델을 깨뜨립니다. 실드는 금속 인클로저를 보드에 납땜하여 전자기 차폐를 만듭니다. 재플로우 동안 이 인클로저는 반밀봉 챔버가 되어 내부를 오븐의 대기와 격리시킵니다. 내부에서 발생하는 가스는 갇혀 버립니다. 이는 대부분의 구성품이 살아가는 열린 보드 환경과 근본적으로 다릅니다.

이 갇힌 공간과 보드 재료의 상호 작용에 의해 함정이 설정됩니다. 에폭시 기반 폴리머인 납땜 마스크는 공기 중 습기를 흡수합니다. 유리 전이점 이상으로 가열되면, 포획된 휘발성 물질이 팽창하여 방출을 시도합니다. 열린 보드에서는 이것들이 단순히 오븐으로 배출되지만, 실드 아래에서는 갇힙니다. 밀봉된 장애물인 텐트 비아는 약점이 되어 버립니다. 비아 위의 납땜 마스크 필름은 주변 마스크보다 얇으며, 가스 방출 압력이 높아지면 이 얇은 필름이 터지거나 기포가 생길 수 있습니다. 그 결과는 증기를 깨끗하게 배출하는 것이 아니라, 용융된 납땜을 뚫고 솟아오르는 국소 결함입니다.

방패 아래서 무슨 일이 일어나는가

무연 솔더의 재유동 공정은 일반적으로 250°C 부근에서 최고점을 찍으며, 이는 대부분의 솔더 마스크의 유리전이 온도인 120-150°C를 훨씬 상회합니다. 보드가 가열됨에 따라, 마스크의 에폭시는 유리 같은 단단한 상태에서 더 고무 같은 상태로 전환됩니다. 이는 흡수된 수분이 증기화되어 이동하게 하여 내부 압력 구배를 형성하는데, 이 구배는 가장 약한 점인 미세한 비아 위의 마스크를 찾게 됩니다.

배출 가스 메커니즘

배출 가스는 열에 노출된 재료에서 갇힌 가스가 폭발하는 현상입니다. 피크 재플로우 동안, 비아 위의 납땜 마스크의 얇은 필름(일반적으로 15-25 마이크론 두께)이 이 압력을 견뎌야 합니다. 필름이 파열되면, 가스는 완전히 용융된 납땜 페이스트가 있는 환경으로 빠르게 배출됩니다.

이 가스와 에폭시 분해 산물의 분출 직무는 난류를 일으켜, 작은 납땜 방울이 패드에서 튕겨져 튀어나오게 만듭니다. 이 납땜 볼들은 실드 인클로저 내부 곳곳에 흩어지며, 잠재적 결함의 지뢰밭이 됩니다.

납땜 구슬이 형성되는 방법과 그 이유

납땜 볼은 용융된 납땜이 자리 잡으면서 분리되어 고체화될 때 형성되는 작은 합금 구체입니다. 파손된 비아의 가스 제트는 이 드롭을 발사하며, 표면 장력 때문에 자연스럽게 구체를 이룹니다. 회로판이 식으며, 이들이 착지하는 곳 어디든 고체화됩니다.

전기적 위험은 간단합니다. 도전성 구체는 두 트레이스를 연결하여 단락을 일으킬 수 있습니다. 즉각적인 실패를 일으키지 않더라도, 느슨한 납땜 볼은 신뢰성 기폭제이며; 진동이나 열순환으로 인해 나중에 분리되어 제품 수명 동안 단락을 일으킬 수 있습니다. 자동차, 의료 또는 우주항공과 같은 고신뢰성 응용에서는 납땜 볼의 존재만으로도 거부 기준에 해당됩니다.

기계적 위험은 더 미묘합니다. 쉴드 아래에 갇힌 납볼은 보드와 완전히 밀착되지 않게 만들어 차폐 효과를 저하시킬 수 있습니다. 극단적인 경우, 쉴드와 부품 사이에 끼인 볼이 기계적 스트레스를 유발하여 부품 균열이나 납땜 접합 피로를 일으킬 수 있습니다. 보드에서 쉴드를 제거하기 위한 재작업은 시간과 비용이 많이 들며, 종종 전체 재분리 주기(reflow cycle)를 필요로 하고 보드와 쉴드 자체에 손상을 줄 위험이 있습니다.

재플로우 이후에 살아남은 Via 처리 방법

해결책은 비아 위의 얇은 납도장 필름을 제거하고 가스 배출을 위한 제어된 경로를 제공하는 것입니다. RF 쉴드 아래 비아에 대해 세 가지 주요 대안이 존재합니다.

오픈 비아: 가장 간단한 방법은 비아를 열어 두고 납도장으로 덮지 않는 것입니다. 이는 적층재 내 습기나 휘발성 물질을 배출하는 통풍구를 만들어 압력 축적을 방지합니다. 오픈 비아의 주요 문제인 수지관 내부로 납땜이 스며드는 것은 드물게 쉴드 아래에서는 문제가 되지 않습니다. 쉴드 장착 패드는 크고 미세 피치 부품과 인접하지 않는 경우가 많기 때문입니다. 이는 비용이 적게 들고 가장 직설적 해결책입니다.

채워진 비아: 여기서는 비아의 배럴을 비전도성 에폭시로 채우고 평탄화 및 도금합니다. 이렇게 하면 습기를 가두는 공극 공간이 제거되어 비아 배럴에서 휘발물이 배출되는 것을 효과적으로 방지합니다. 채워진 비아는 비용이 훨씬 더 비싸며, 일반적으로 부품이 비아 위에 바로 자리 잡아야 하는 비아-인-패드 디자인에 예약되어 있습니다. 효과적이지만, 이것은 종종 쉴드 아래 공간에는 과도한 선택일 수 있습니다.

플러그된 비아: 중간 정도의 방법으로, 플러그된 비아는 표면 바로 아래에 자리한 납도장 또는 수지 플러그로 채워집니다. 플러그는 납땜이 스며드는 것을 방지하지만, 밀봉은 하지 않습니다. 완전 채운 비아보다 비용이 적게 들며, 이 특정 경우에서는 개방된 비아보다 제한된 이점만 제공하여, 기본 목표가 밀봉이 아닌 통풍이기 때문입니다.

관련 있고 더 비용 효율적인 접근법은 비아-근접 패드. 쉴드 장착 패드 바로 외부에 오픈 비아를 배치하되, 납 페이스트를 0.2mm 이상 이격되도록 하여 필요한 전기적 연결을 확보하고, 휘발 또는 채움 비용의 위험 없이도 가능합니다.

리워크를 위한 설계

텐티드 비아를 피하는 것이 첫 번째 단계입니다. 다음은 쉴드를 디버그, 수리 또는 업그레이드 위해 분리해야 할 필요성이 있다는 현실을 고려한 설계입니다.

쉴드 주변의 납도장 구멍은 재작업 도구가 접근할 수 있도록 크기를 지정해야 합니다. 일반적으로 쉴드 패드보다 0.1~0.15mm 확장되는 구멍을 정의하는 것이 관행입니다. 이는 시각적 가이드 역할도 하며, 전체 납땜 접합이 접근 가능하도록 합니다. 만약 구멍이 너무 작으면, 마스크가 방열판 역할을 하여 재작업이 어렵게 만들며, 너무 크면 인접 배선이 손상될 위험이 있습니다.

처음부터 쉴드를 제거할 것이라고 가정하세요. 여러 재작업 주기 동안 부풀림 없이 견딜 수 있도록, 충분한 열량 그리고 납도장 여유를 갖춘 장착 패드를 설계하세요. 이는 최소 필요 크기보다 큰 패드를 사용하고, 도구 온도와 체류 시간 등을 포함한 올바른 재작업 절차를 문서화하는 것을 의미합니다.

실드가 접근을 차단할 때 테스트 포인트 전략

RF 차폐는 벽과 같아, 신호 내부에 직접적인 프로브 접근을 차단합니다. 중요한 테스트 포인트는 설계 단계에서 차폐벽 외부로 옮겨져야 합니다.

전원과 접지 네트의 경우, 이는 보드의 다른 곳에서 접근할 수 있으므로 간단합니다. 민감한 RF 또는 고속 신호의 경우, 종종 차폐 벽 바로 외부에 위치한 작은 AC 결합 프로브 패드가 해결책입니다. 이를 통해 차폐 무결성을 손상시키지 않으면서 테스트할 수 있으며, 작은 기생 커패시턴스도 설계 시 고려해야 합니다.

비아 스티칭과 테스트 비아를 구별하세요. 차폐 아래 밀집된 작은 비아 배열은 접지용이지 테스트용이 아닙니다. 접지 연결을 프로브하려면, 차폐 벽 주변에 크기가 더 큰 전용 테스트 비아를 추가하고, 실크스크린에 명확히 표시하세요.

기존 설계 수정

텐티드 비아로 설계된 보드에서 이미 가스 방출 문제가 있다면, 선택지는 제한적입니다. 가장 좋은 방법은 Gerber 수준의 수정으로, 제작자에게 영향을 받는 영역의 솔더 마스크를 제거하도록 요청하는 것입니다. 이미 제작된 보드라면, 조립 전에 120°C에서 여러 시간 동안 사전 가열하여 수분을 제거하고 가스 방출의 심각성을 줄일 수 있습니다. 하지만 이러한 프로세스 조정만으로는 처음부터 올바르게 설계하는 것이 대체되지 않습니다.