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비석 서기(Tombstoning): PCBA 의 종말

Wednesday, November 30, 2011

2011년 11월 30일, 수요일/ Eric Bastow [이력 보기]

비석서기 (맨해튼 현상, 도개교 현상 또는 스톤헨지 현상으로도 알려진)는 (가장 간단하고 상식적으로 설명한다면) 저항기 또는 콘덴서와 같은 패시브 기기의 한 쪽 끝이 솔더에서 벗어나 일어나면서 기판과의 접촉을 상실하는 것으로 묘사될 수 있습니다. 하지만, 이것은 패시브 기기들에만 국한되지는 않습니다. 다른 표면장착 기기들도 역시 비석이 될 수 있습니다(위의 비석서기 다이오드 이미지를 참조하세요). 비석서기는 회로가 열리기 때문에 “치명적인” 결함입니다.

비석서기 현상은 – 주로 다음의 두 가지 문제들로 인해- 다시 한 번 핵심적인 이슈가 되었습니다:

비납으로의 전환(더 높은 환류 온도, 그리고 연관된 용매제의 문제들)
소형화 (0201s 및 01005s)

비석서기는 거의 항상 부품 절단부가 고르지 않게 적셔지면서 발생합니다. 한 쪽 끝이 다른 쪽 보다 먼저 “젖게 되면”, (이제 균형이 맞지 않게된) 솔더의 습성이 부품을 “끌어 당기고”, 회전시키며, 그 결과 한 쪽 끝이 서는 현상이 발생합니다.

다양한 요인들이 비석서기 현상을 일으킵니다. 우리가(솔더 페이스트의 공급자로서) 통상 봉착하는 요인은 각 부품 별(위에서 설명한 바와 같이) PCB 조립에서의 고르지 않은 가열현상인데 – 즉 한 쪽의 페이스트가 다른 쪽 보다 먼저 녹아 젖는 것입니다. 새로운 주류가 된 비납 합금에서 요구하는 더 높은 환류 온도에 도달하려 하는 것은 PCB 전체에 걸쳐 열 경도를 크게 악화시킵니다(부품의 한 쪽 끝에서 다른 쪽까지).

열 경도는 통상 환류 프로필에 미세한 조정을 함으로서 쉽게 해결할 수 있습니다:

환류 오븐의 작동자는 램프율을 늦출 수 있습니다. 늦은 램프율은 PCBA 가 더 고르게 더워질 수 있게 합니다.
또 다른 테크닉은 합금의 용해온도(사선) 바로 전에 “담그는” 것입니다. 예를 들어, SAC305 프로필 (217°C 사선)에서, 210°C 바로 전인 205도에서 30초에서 120초 동안 “담그는” 것을 시도해 봅니다. 이렇게 하면PCBA 의 낮은 온도 부위가 더 높은 온도 부위를 “따라갈 수 있도록” 합니다. 일단 열의 균등화가 이루어지면, 적절한 최고 온도(즉, 245°C)까지 치솟게 하면 됩니다. 이 테크닉은(환류 프로필의 오른 쪽에서 설명된) 모든 솔더 페이스트들이 부품의 선단에서 대략적으로 거의 동일한 시점에 녹고 적셔질 수 있게 해줍니다; 그래서 비석서기 현상을 완화시킬 수 있습니다.

상이한 용매제의 화학적 성질 및 유형들 역시 비석서기에 영향을 미칠 수 있습니다. 오래되고 산화된 부품에서 조차 잘 적셔지는 솔더 페이스트를 사용하는 것이 가끔은 바람직합니다. 잘 적셔지는 솔더 페이스트에서 일어날 수 있는 한 가지 좋지 않은 부작용이 비석서기입니다. 페이스트가 부품의 선단에 “활발하게” 적셔질 때는 강한 습성으로 인해, 한 쪽의 끝 또는 패드와 다른 쪽과의 미세한 차이(온도, 청결도, 용매제 부위 등등)라도 부품에 비석서기 현상을 일으킬 수 있습니다.

적셔지는 속도와 힘 역시 솔더가 녹는 비율과 직접적으로 연관이 있습니다. 적시기는 솔더가 고체가 아닌 액체 상태일 때에만 일어나는 것은 당연한 일입니다. 이러한 이유로, 다른 모든 조건들이 같다면, 공융(용해점이 명확하게 규정된) 합금에 비해 비 공융 솔더 합금들은 (어떤 온도에서 녹기 시작하지만 그 보다 더 높은 온도에 도달하기 전에는 완전히 액화되지 않는 합금) 비석서기 현상을 덜 일으킵니다. Sn63 (63Sn 37Pb) 은 공융 합금이며 183°C에서 고체에서 액체로 명확하게 바뀝니다. Sn60 (60Sn 40Pb)은 비 공융이고 183°C 에서 녹기 시작하지만, 191°C에 이르기 전에는 완전하게 액체로 전환되지 않습니다. Sn60과 같은 “비 공융” 합금의 경우에는, 183°C 에서 191°C 사이에서, 고체와 액체 상태가 같이 존재합니다. 이런 측면에서, 일부의 솔더 페이스트 제조사들은 비석서기를 방지하기 위해 단계적으로(일부러 비 공융으로)녹는 합금을 개발하였습니다.

Wetted Passive Component

패드 디자인과 레이아웃도 역시 비석서기에 영향을 미칩니다. 대부분의 경우 선단부위의 상단에 위치하거나 더 넓은 면적을 갖는 패드는 비석서기 현상을 일으킵니다. 왼쪽에 솔더된 패시브 부품 단면의 이미지를 볼 수 있습니다. 솔더의 가는 조각이 어떻게 선단의 위에 도달하는지 살펴 보세요. 부품의 위로 넘쳐 올라간 솔더 페이스트는 강한 습성으로 인해 부품의 가장 선단과 상단에 지렛대 현상을 일으킵니다. 이러한 습성은, 양쪽 선단에 고르게 적용되지 않았을 때, 부품에 비석서기 현상을 야기할 수 있습니다.

Reduced Solder Volume

솔더 페이스트가 적용되는 위치(패드 디자인)처럼, 솔더의 양도 역시 비석서기에 영향을 줍니다. 아주 간단한 내용입니다. 솔더가 더 많으면 습성이 강해지고, 그 반대의 경우도 같습니다. 오른쪽에 극도로 페이스트 양을 줄인 이미지가 보입니다(하지만 이 정도까지는 추천하지 않습니다). 이 부품이 패드에 정말 적절히 솔더된 것으로 가정한다면, 그 부품에 비석서기 현상이 일어나는 일은 거의 불가능하다는 것을 확인할 수 있을 겁니다. 단순하게 말하자면, 선단의 끝 전체를 적시기에는 솔더가 충분하지 않은 것입니다. 부품의 상단까지는 적셔지지 않게 적용된 솔더의 양은 솔더가 부품에 미치는 습성과 지렛대 효과를 단계적으로 감소시킵니다. 작업자의 실력 등급에 따라 다르기는 하지만, 솔더의 양을 줄이는 것은 실용적이 아닐 수도 있습니다. 제품의 등급에서 완전하게 젖는 선단을 요구할 수도 있기 때문입니다.

적용하는 솔더 페이스트와 부품이 패드 위에 직각으로 위치하는 것 역시 중요합니다. 만일 약간이라도 어긋나면, 솔더가 선단을 적시는 방법에 영향을 주어서 비석서기를 일으킬 수도 있습니다.

Offset Solder Paste Deposit

0201s 및 01005s 와 같이 얼마나 더 작고 가벼운 부품인지에 따라 성격이 규정되는 소형화는 비석서기와 관련하여서는 문제를 야기합니다. 솔더 페이스트를 적용하는 위치(오른쪽의 이미지 참조), 부품이 놓이는 위치, 그리고 전반적으로 아주 작은 스케일의 시나리오에서는 솔더 페이스트의 양을 조절하기가 쉽지 않습니다. 또한, 부품이 작을수록 가볍기 때문에 쉽게 한 쪽 끝이 당겨질 수 있습니다.

비석서기 현상을 통제하는 일은 SMT 조립에서 꽤 중요한 이슈입니다. 하지만, 어떤 것이 비석서기 현상을 야기하는지를 이해한다면 통제할 수 있는 것이지요.

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