쉴드의 물리학: RF 조립에서 “비드 트랩”을 피하는 방법

혼합 신호 PCB에서 가장 위험한 부품은 BGA도 아니고, 열 패드가 있는 QFN도 아닙니다. 그것은 RF 쉴드 캔입니다. 엔지니어들이 임피던스 매칭과 안테나 튜닝을 수주간 시뮬레이션하는 동안, 물리적 쉴드는 종종 사후 생각으로 레이아웃에 단순한 금속 상자로 기계층에 솔더 페이스트의 실선으로 그려집니다.

그 “사후 생각”은 제조 시한폭탄입니다. 생산 라인이 15%의 보드가 진동 테스트에 실패해 중단되거나, 0201 커패시터가 배포 후 3개월 만에 원인 모를 단락이 발생할 때, 원인은 거의 항상 쉴드 조립 공정입니다. 문제는 쉴딩 효과 자체에서 비롯되는 경우가 드뭅니다. 그것은 쉴드가 거대한 열 방열판이자 가스 트랩임을 인정하지 않는 데서 비롯됩니다. 용융 솔더의 유체 역학을 무시하고 쉴드 풋프린트를 설계하면, 패러데이 케이지를 만드는 것이 아니라 비드 생성기를 만드는 것입니다.

보이지 않는 적: 솔더 비딩

고장 메커니즘은 단순하고 격렬하며 미세합니다. 쉴드 프레임에 표준 솔더 페이스트 실선을 인쇄하면 PCB 표면에 젖은 밀봉을 만듭니다. 리플로우 중에 그 페이스트 내부의 플럭스가 휘발성 가스가 되어 배출되어야 합니다. 일반적인 부품 접합부에서는 가스가 가장자리로 빠져나갑니다. 그러나 연속된 페이스트 비드가 있는 무거운 쉴드 벽 아래에서는 가스가 갇힙니다.

압력이 쌓여 사실상 폭발하며, 쉴드 벽 아래에서 작은 용융 솔더 구슬을 튕겨냅니다. 이것이 “솔더 비드”입니다. 최악의 경우—대량 자동차 생산에서 자주 보이는—이 비드들은 플럭스 쿠션 위에서 보드 표면을 떠다닙니다. 결국 0201 수동 소자나 미세 피치 IC 핀 같은 인근 부품 아래에 끼어 단락을 만듭니다. 비드가 종종 끼어 있기 때문에 아래 부품 본체에 표준 자동 광학 검사(AOI)는 이를 놓칩니다. X-레이 검사도 만능이 아닙니다; 접지면이 있는 밀집 보드에서는 작은 솔더 비드가 노이즈 속에 쉽게 숨을 수 있습니다. 유일한 진정한 해결책은 비드가 처음부터 형성되지 않도록 하는 것입니다.

아퍼처 엔지니어링: 1:1 오류

쉴드 설계에서 가장 흔한 오류는 구리 패드와 스텐실 개구부 사이의 1:1 관계입니다. 패드가 1mm 폭이면 엔지니어는 1mm 폭의 페이스트 도포를 요청합니다. 이것은 실수입니다. 쉴드는 EMI 차단기로 기능하기 위해 기밀 솔더 밀봉이 필요하지 않습니다; 전기적 연속성과 기계적 고정이 필요합니다.

비드를 제거하려면 밀봉을 깨야 합니다. 스텐실 개구부는 절대 실선이 되어서는 안 됩니다. 대신 분할되어야 합니다. 표준 IPC-7525 지침과 SMT 라인에서의 실무 경험은 “파선” 또는 “창문틀” 패턴을 권장합니다. 페이스트 도포를 0.3mm에서 0.5mm 정도의 작은 간격으로 분할하면 플럭스 휘발물이 빠져나갈 굴뚝을 제공합니다. 이는 리플로우 중 수압을 줄이고 솔더가 제자리에 있도록 합니다.

설계자들은 여기서 종종 RF 에너지가 간격을 통해 누출될까 두려워 반대합니다. 표준 상업 주파수(6GHz 이하)에서는 이것이 대부분 신화입니다. 신호 파장은 솔더 간격 0.3mm보다 훨씬 큽니다. 극단적인 밀리미터파 응용이 아니라면 파동의 물리학이 그렇게 작은 개구부를 통과하도록 허용하지 않습니다. 솔더 비드로 인한 단락 위험은 100% 기능 실패이며, 분할된 솔더 접합부에서의 RF 누출 위험은 통계적으로 무시할 만합니다. 수율을 우선시하세요.

더욱이 페이스트 부피를 줄여야 합니다. 쉴드는 솔더 위에 놓이며, 솔더에 “침투”하는 리드가 없습니다. 1:1 부피는 종종 쉴드가 떠 있거나 기울어지게 만듭니다(공평면 상실). 보통 패드 면적의 50-60% 범위로 커버리지를 줄이는 것이 적절합니다. 매우 민감한 레이아웃의 경우, “역 홈 플레이트” 개구부 모양을 사용하면 쉴드 내부 가장자리에서 과도한 솔더를 끌어내어 내부 비드 형성 가능성을 더욱 줄일 수 있습니다.

아키텍처: “블랙 박스” 문제

스텐실을 넘어서, 쉴드의 물리적 아키텍처가 장치의 신뢰성을 결정합니다. 원가가 저렴하고 프로파일이 낮다는 이유로 일체형 쉴드(보드에 직접 납땜된 단일 스탬프 금속 캔)를 사용하고 싶은 유혹이 큽니다. 그러나 일체형 쉴드는 기저 회로를 블랙 박스로 만들어 버립니다.

그 캔이 한 번 납땜되면 육안 검사가 불가능해집니다. 더 중요하게는 세척이 불가능합니다. 수용성 플럭스를 사용하거나 습한 환경에서 ‘무세척(no-clean)’ 플럭스를 사용하더라도, 그 캔 아래에 갇힌 잔여물이 어떻게 되는지를 고려해야 합니다. 쉴드가 거의 제로 스탠드오프 높이를 가질 경우 세척용 화학물질이 그 아래로 흘러들어갈 수 없습니다. 플럭스 잔여물은 활성 상태로 남아 민감한 트레이스 주위에 고입니다. 시간이 지나면서—특히 체열과 습기에 노출되는 웨어러블 또는 의료 기기에서는—이 잔여물이 수지상 성장(dendritic growth)과 전기화학적 이동(electrochemical migration)을 일으켜 회로가 스스로 파괴됩니다.

신뢰성이 최우선이라면 보드에 프레임을 납땜하고 스냅온 방식의 리드를 사용하는 투피스 시스템을 사용하세요. 이렇게 하면 리플로우된 접합부를 완전히 육안으로 검사할 수 있고, 리드를 장착하기 전에 플럭스 잔여물을 철저히 세척할 수 있습니다. 네, 자재명세서(BOM) 비용은 더 높습니다. 하지만 밀봉된 캔 내부에서 $0.05 레귤레이터가 고장나 완제품 보드를 폐기하고, 패드를 들어올리고 PCB를 파손시키는 히트건 리웍을 해야 하는 비용과 비교할 수 없습니다.

프로토타입 제작이나 잦은 접근이 필요한 보드의 경우 SMT 쉴드 클립을 고려하세요. 이 작은 스프링 접점들은 연속된 납땜 링 없이 캔을 고정합니다. 페이스트가 길게 이어지지 않아 비딩 현상을 완전히 제거하고, 디버깅 시 쉴드를 쉽게 분리할 수 있게 해줍니다. 항공우주용 애플리케이션만큼 진동 저항성을 제공하지는 않지만, 리워크 가능성이 숨겨진 요구 사항인 소비자 전자제품에는 오히려 더 적합한 경우가 많습니다.

열 침투 현상

그리고 리플로우 오븐의 열역학이 있습니다. 금속 RF 쉴드는 본질적으로 방열판(히트싱크)과 같습니다. 주변의 작은 저항기와 콘덴서에 비해 높은 열질량을 가지고 있습니다. 리플로우 프로파일이 급격하다면—열을 빠르게 올릴 경우—작은 부품들은 쉴드보다 훨씬 먼저 액상화 온도(liquidus temperature)에 도달하게 됩니다.

이로 인해 ‘콜드 조인트(cold joint)’가 발생합니다. 쉴드 패드 위의 솔더 페이스트는 녹지만, 쉴드 벽 자체는 솔더를 받아들일 만큼 충분히 가열되지 않습니다. 플럭스가 타버리고 페이스트는 PCB 패드에는 젖지만 니켈 도금된 쉴드 벽에는 젖지 않습니다. 결과적으로 쉴드가 솔더 풀에 떠 있는 상태가 되어, 열 사이클이나 기계적 충격에 노출되면 즉시 접합부가 균열됩니다.

이를 방지하려면 리플로우 프로파일에 충분한 ‘소크 존(soak zone)’을 두어야 합니다—오븐 온도를 일정하게(보통 150°C에서 180°C 사이) 60~90초간 유지하는 구간입니다. 이 구간이 있어야 쉴드의 열질량이 보드의 나머지 부분과 동기화됩니다. 보드를 열로 강하게 폭격만 해서 되는 것이 아니라, 금속 쉴드가 젖을 수 있을 만큼 충분히 가열될 때까지 머물러야 합니다. 이는 라인의 시간당 처리량(UPH)을 늦출 수 있지만, 접합부가 단순히 겉치레가 아닌 금속학적 결합이 되도록 보장합니다.

공정 관리 체크리스트

수율을 갉아먹지 않는 쉴드를 만들려면 다음 방어 계층을 따르세요:

1. 개구부 분할: 단일 솔리드 패턴으로 페이스트를 프린트하지 마세요. 0.3mm~0.5mm 간격의 대시 패턴을 사용해 가스 배출을 허용합니다.
2. 부피 줄이기: 패드 면적 대비 50-60% 페이스트 커버리지를 목표로 합니다.
3. 질량 존중: 리플로우 프로파일에 페이스트뿐만 아니라 쉴드 월을 가열할 수 있을 만큼 충분히 긴 소크 존이 있는지 확인하세요.
4. 현실을 위한 설계: 그 아래를 청소할 수 없다면, 플럭스와 환경을 완벽하게 검증하지 않는 한 부식이 발생할 것으로 가정하세요. 예산이 허용하는 경우에는 항상 투피스 시스템이나 클립을 선호하세요.

물리는 당신의 마감일에 무관심합니다. 가스를 가두면 폭발합니다. 열을 빼앗으면 납땜이 결합하지 않습니다. 회로도뿐만 아니라 공정을 설계하세요.