울트라 고진공 시스템에서 PCB를 아웃가스 방지를 위해 준비하는 방법

| 작성 날짜: 십이월 27, 2022 | 업데이트 날짜: 칠월 20, 2024

PCB 소재가 완벽하지 않다는 말은 특히 PCB 제작에 사용되는 재료에 해당됩니다. PCB 스택업에 사용되는 재료는 유리 섬유 직물과 수지 필러를 포함하는 복합 라미네이트입니다. 수지에는 유기 화합물과 휘발성 물질이 풍부하게 포함되어 있어, 아웃가싱(outgassing)을 겪을 수 있습니다. 항상 아주 작은 양의 아웃가싱이 발생하지만, 특정 조건 하에서는 아웃가싱의 비율이 증가할 수 있습니다. 이는 고진공 환경에서 발생하는 현상으로, 인근 기기를 방해하거나 망가뜨릴 수 있습니다.

초고진공(UHV) 환경용 PCB를 설계하거나 열 사이클을 겪을 보드를 제작할 경우, PCB 아웃가싱을 줄이는 방법을 결정해야 합니다. 이상적인 세계에서는 아웃가싱을 완전히 제거할 수 있겠지만, 현실에서는 완성된 제품에서 아웃가싱을 줄이거나 억제할 수 있을 뿐입니다. 우주, 전기광학, 정밀 계측기 등의 응용 분야는 특히 장치가 가혹한 환경에 배치될 때 낮은 아웃가싱에 의존합니다.

PCB 아웃가싱이란 무엇이며 왜 중요한가?

아웃가싱(또는 오프가싱)은 재료 내에 갇힌 가스가 재료의 표면으로 질량 이동을 하여 외부 환경으로 빠져나가는 현상입니다. 이는 세 가지 기본 질량 이동 메커니즘과 관련된 자연스러운 과정입니다:

확산, 라미네이트 내부에서 휘발성 물질의 이동이 농도 구배에 의해 구동되는 경우
탈착, 물질의 표면 부위에서 휘발성 물질이 탈착되는 경우
증발, 휘발성 물질이 기체 상태로 상태 변화를 일으켜 방출되는 경우

주변 환경에서, 아웃가싱이 발생하는 주요 메커니즘은 확산과 탈착입니다. 주변 환경의 변화는 아웃가싱 속도를 변경할 것이며, 예를 들어 보드가 운영되는 온도나 환경압의 변화와 같습니다. 이는 운영 중 아웃가싱이 발생할 가능성이 있는 세 가지 일반적인 경우로 이어집니다: 웨이브/리플로우 솔더링 중, 고진공 상태에서, 그리고 상승된 온도에서 운영할 때입니다.

솔더링 중 아웃가싱

PCB가 자동 솔더링 과정, 특히 웨이브 또는 리플로우를 거치게 되면 일부 아웃가싱이 발생할 것입니다. 과정 중에 보드는 고온으로 올라가게 되며, 이는 용융 솔더의 고열이나 오븐의 고열에 의한 것입니다. 고온으로의 열적 여정 동안, PCB는 주로 PCB 라미네이트의 대량에서 갇혀 있던 가스와 수분을 방출하기 시작할 것입니다.

PCB reflow soldering — *Outgassing will occur in this reflow solder oven.*

여기서의 해결책은 납땜하기 전에 베어 PCB를 사전에 구워내는 것입니다. 일반적인 사전 구워내기 온도는 100-120°C 또는 그 이상이며, 최종 장치가 항공우주 응용 프로그램을 목표로 할 때는 진공 상태에서 이 작업을 수행할 수 있습니다. 아래에서 설명하듯이. 보드를 사전에 구워냄으로써, 벌크 PCB 재료에서 잔류 수분을 제거하게 됩니다.

고진공에서의 기체 방출

보드가 높은 온도에 있지 않더라도 진공에서도 기체 방출이 발생할 수 있습니다. 이유는 확산 속도가 온도와 압력에 의존적이기 때문입니다. 따라서 주변 환경의 압력이 떨어지면, 확산의 유동성이 높아지게 되며, 확산을 막을 수 있는 공기 압력이 없기 때문입니다. 또한, 진공이 충분히 높을 때 증발이 발생할 수 있습니다. 이는 일반적으로 우주에서 운영되는 시스템, 압력이 가해진 시스템(우주선)과 비압력 시스템(위성) 모두에서 발생하는 문제입니다.

고온에서의 기체 방출

잔류 수분 및 기타 휘발성 물질이 포함된 보드가 높은 온도로 가열될 때, 가스 방출 속도가 증가합니다. 물의 끓는점 이상으로 온도가 상승하면, PCB 라미네이트 재료 내부에 갇힌 수분이 표면으로 이동하여 기화되므로 가스 방출 속도가 증가합니다. PCB의 온도가 낮아지거나 PCB 내 수분 함량이 고갈될 때까지 가스 방출이 계속됩니다. 이는 파동이나 리플로우 공정에서 조립하기 전에 PCB를 베이킹하는 것이 권장되는 이유를 설명해야 합니다. 사전 베이킹 공정은 PCB 재료에서 휘발성 물질을 강제로 제거합니다(아래에서 자세한 정보 참조).

*This large PCB vacuum oven can be used to pre-bake many boards in vacuum.*

일부 시스템은 극단적인 열 사이클을 겪고 고진공에서 작동할 수 있습니다. 예를 들어, 우주에 배치된 장비는 그렇습니다. 위성에 사용되는 전자 장비는 어느 정도 열적으로 보호되지만, 현대 위성은 밀봉되거나 가압되지 않습니다. 결과적으로, 궤도에 배치되면 매우 빠르게 거친 진공 상태에 도달하고, 결국 고진공 환경에 안정됩니다.

가스 방출이 문제인 이유

아웃가싱은 회로 기판에서 큰 문제가 될 수 있습니다. PCB 재료는 다공성 복합체이며 제작 과정 중 가스와 수분을 함정에 빠뜨리는 경향이 있기 때문입니다. 아웃가싱의 문제는 탈착/증발된 휘발성 물질이 차가운 표면에 응축되어 오염물질이 될 수 있다는 것입니다. 이는 정밀 측정, 이미징, 센서 및 화학 분석에 사용되는 시스템에서 여러 문제를 일으킵니다. 무인 시스템에서는 시스템을 유지하고 오염물을 제거할 사람이 없기 때문에 문제가 됩니다. 가장 간단한

주목할 중요한 점은 아웃가싱이 PCB 외에도 다른 표면과 재료에서 발생한다는 것입니다. PCB가 더 큰 시스템에 구현될 때, 인클로저, 케이블 및 전선, 열 화합물이나 차폐 화합물과 같은 특수 재료가 있을 것입니다. 이러한 다른 재료들도 아웃가싱을 나타낼 수 있습니다. 진공 상태로 가져가면 탈착 및 확산 속도가 더 높아지고 증발도 발생하므로 아웃가싱이 항상 더 높아질 것입니다. 이 모든 재료들

아웃가싱 억제 방법

PCB와 조립에 사용되는 다른 재료들에서 아웃가싱을 줄일 수 있는 몇 가지 간단한 설계 및 생산 단계가 있습니다. 다음 표에 나열되어 있습니다:

PCB 준비	설명
대기압에서 예비 건조	물의 끓는점(100-120 °C) 이상에서 건조하면 PCB에서 수분과 기타 휘발성 물질의 증발과 탈착을 촉진합니다.
진공에서 예비 건조	진공에서의 동일한 건조 절차는 라미네이트 재료를 철저히 고갈시킵니다.
대체 라미네이트 재료	일부 라미네이트 재료는 표준 FR4 재료에 비해 매우 낮은 가스 방출률을 제공합니다.
대체 조립 재료	탄소 코팅 재료와 일부 다른 플라스틱은 낮은 가스 방출률을 제공하며, 휘발성 물질의 탈착을 촉진하기 위해 예비 건조될 수 있습니다.
방수 코팅 및 TIMs	파릴렌과 아라탄 방수 코팅은 낮은 가스 방출 옵션 중 두 가지입니다. 낮은 가스 방출을 가진 특수 열 인터페이스 재료도 사용 가능합니다.

제조업체들이 인쇄 회로 기판을 한 가지 목적으로 구워내는데, 그것은 다양한 목적을 위함입니다: 수분 제거입니다. 회로 기판 재료에 갇힌 물은 리플로 솔더링, 웨이브 솔더링, 온도 순환 및 진공 상태에서의 작동 중에 탈착되거나 기화되어 배출될 수 있습니다. 사전 구워내기는 PCB 라미네이트 내부의 휘발성 화합물을 제거하려는 시도로, 특히 과도한 수분에 초점을 맞춥니다. PCB가 진공 환경에서 사용될 경우, 고진공에서 PCB를 사전에 구워내야 합니다. 이는 가능한 한 적은 잔류 수분이 있도록 하고, PCB 라미네이트에 갇힌 다른 휘발성 물질의 농도도 최소화하는 데 도움이 됩니다.

휘발성을 줄이려면 올바른 인쇄 회로 기판 재료를 선택하는 것이 중요합니다. PCB에 저휘발성 재료가 필요한 경우, Rogers Corporation의 RT/duroid 시리즈와 같은 제품이 있습니다. 유연한 회로 재료(Kapton)도 저휘발성을 나타냅니다. 보드에서 가능한 한 많은 휘발성 물질을 제거하기 위해 제조업체와 대화를 시작하면서 진공 사전 구워내기 공정 사용에 대해 논의해야 합니다.

휘발성 기준 및 지침

휘발성 시험 절차와 성능 요구 사항을 설명하는 표준은 일반적으로 세 가지가 있습니다. 이에는:

IPC-1601 - 이 표준은 에폭시-유리섬유 복합체에 갇힐 수 있는 대부분의 오염물질을 제거하는 목적의 베이킹 과정을 명시합니다. 이 표준은 베어 PCB를 100에서 125 °C 온도 범위에서 베이킹하도록 요구합니다.
SP-R-0022A - 이 NASA 표준은 우주에 배치될 PCB에 사용되는 재료 세트에서 허용되는 아웃가싱(outgassing) 한계를 나열합니다. 이 표준에는 또한 테스트 절차가 나열되어 있습니다.
ASTM E595-07 - ASTM International(이전 명칭은 American Society for Testing and Materials)에서 제정한 이 표준은 PCB 재료에서 휘발성 아웃가싱을 직접 측정하기 위한 테스트 절차를 정의합니다.

대부분의 제조업체는 사전 베이킹이 요청될 때 IPC 표준을 기본으로 합니다. 제품에 적용되는 업계 표준이 있다면, 조립 업체에 그것이 따라지도록 요청하는 것이 중요합니다. 이는 보드의 조립 노트에 명시할 수 있습니다.

NASA에서 신뢰성 및 아웃가싱 설계에 대한 더 많은 지침은 다음 자료에서 찾을 수 있습니다:

PCB를 사전에 베이크 처리한다 하더라도 보드를 수분 재흡수로부터 완전히 보호할 수는 없다는 점을 유의하세요. 물은 사전 처리된 표면에도 흡착할 수 있으며, 방수 코팅이 적용된 처리된 보드에도 마찬가지입니다. 따라서 보드가 공기에 노출될 때마다 항상 소량의 잔류 수분이 있게 되며, 이는 고온/고압에서 탈착될 것입니다.

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작성자 정보

Zachariah Peterson은 학계 및 업계에서 폭넓은 기술 분야 경력을 가지고 있으며, 지금은 전자 산업 회사에 연구, 설계 및 마케팅 서비스를 제공하고 있습니다. PCB 업계에서 일하기 전에는 포틀랜드 주립대학교(Portland State University )에서 학생들을 가르치고 랜덤 레이저 이론, 재료 및 안정성에 대한 연구를 수행했으며, 과학 연구에서는 나노 입자 레이저, 전자 및 광전자 반도체 장치, 환경 센서, 추계학 관련 주제를 다루었습니다. Zachariah의 연구는 10여 개의 동료 평가 저널 및 콘퍼런스 자료에 게재되었으며, Zachariah는 여러 회사를 위해 2천여 개의 PCB 설계 관련 기술 문서를 작성했습니다. Zachariah는 IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society 및 PCEA(Printed Circuit Engineering Association)의 회원입니다. 이전에는 양자 전자 공학의 기술 표준을 연구하는 INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee에서 의결권이 있는 회원으로 활동했으며, 지금은 SPICE 급 회로 시뮬레이터를 사용하여 광자 신호를 나타내는 포트 인터페이스에 집중하고 있는 IEEE P3186 Working Group에서 활동하고 있습니다.

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