IPC가 고성능 제품의 마이크로비아 신뢰성에 대해 경고함

IPC가 2019년 3월 6일에 발표한 전체 보도 자료를 이제 읽었기를 바랍니다. 이 보도 자료는 고성능 HDI 보드의 현장 및 잠재적 결함에 대한 경고에 관한 것입니다. 만약 아직 읽지 않았다면, I-Connect 007에서 전체 보도 자료를 확인할 수 있습니다. [1]

여러분이 보았을 수 있는 것은 IPC가 다가오는 IPC-6012E, 강성 인쇄 보드의 자격 및 성능 사양에 포함시킬 경고문입니다:

“지난 몇 년 동안 제작 후 마이크로비아 결함의 많은 예가 있었습니다. 일반적으로 이러한 결함은 리플로우 동안 발생하지만, 상온에서는 감지되지 않는 경우가 많습니다(잠재적). 조립 과정이 진행될수록 결함이 나타나면 나타날수록 비용이 더 많이 듭니다. 제품이 서비스에 투입된 후에도 감지되지 않으면 비용 위험이 훨씬 커지고, 더 중요하게는 안전 위험을 초래할 수 있습니다.”

당황하지 마세요!  이 경고의 배경을 설명해 드리겠습니다. 

지난 몇 년 동안 몇몇 OEM들은 우리가 가진 최고의 수입 검사 및 테스트 방법론으로도 스크리닝했음에도 불구하고, 그들의 정교한 HDI 다층에서 잠재적 결함을 경험했습니다. 이 결함은 다음에서 관찰된 실패를 초래했습니다:

• 리플로우 후 인-서킷 테스트
• “박스 레벨” 조립 환경 스트레스 스크리닝(ESS) 중
• 저장소에서 꺼낸 후
• 서비스 중(최종 고객 현장 제품)

이 OEM들에 의한 많은 작업과 조사가 이루어진 후, D-32 열 스트레스 테스트 방법론 하위위원회와의 협조를 통해, IPC는 새로운 열 스트레스 테스트 방법(IPC-TM-650, 방법 2.6.27A)과 열 충격 테스트 방법(IPC-TM-650, 방법 2.6.7.2)을 발행합니다. 방법 2.6.27은 테스트 차량 또는 쿠폰이 정상 솔더 페이스트 리플로우 프로파일을 따라 230도 C 또는 260도 C의 최고 온도에 도달하도록 요구하며, 4선 저항 측정 장치에 연결된 상태에서 저항의 5% 증가 없이 6회의 전체 리플로우 프로파일을 견뎌야 합니다. 테스트 쿠폰의 데이지 체인은 실제 회로에서 사용되는 특징으로 구성되어야 합니다.

이를 통해 해당 OEM들은 잠재적인 마이크로비아 결함을 감지하고 가능한 결함 탈출로부터 자신들을 보호할 수 있었습니다. 하지만 이 잠재적인 HDI 결함의 근본 원인을 찾는 것은 어려웠습니다. 그래서 2018년 초, IPC는 마이클 카라노의 감독 하에 업계 전문가들로 구성된 특별 그룹을 조직하여 이 상황을 조사하기로 했습니다. 2018년 후반, 이 그룹은 IPC V-TSL-MVIA 약한 인터페이스 마이크로비아 실패 기술 솔루션 소위원회로 명명되었습니다. 저는 이 그룹의 창립 멤버입니다. 하지만 강조하고 싶은 것은,

지난 해 동안 우리는 테스트 데이터, 미세단면 및 실험 결과를 검토하고 논의했습니다. 우리가 알고 있는 것은 다음과 같습니다:

• 결함은 마이크로비아와 그 아래의 구리 층 또는 그 아래의 다른 마이크로비아 사이의 금속학적 인터페이스에서 발생하는 파열로 나타납니다. (그림 1 참조)
• 제품 수준의 실패 첫 발견(쌓인 마이크로비아)은 2010년입니다.
• 복잡한 쌓인 마이크로비아는 이 잠재적 결함을 나타낼 수 있습니다(>2 스택) 하지만 교차된 마이크로비아는 그렇지 않습니다.
• 지금까지의 데이터는 특히 3개 이상의 스택 높이를 가진 쌓인 마이크로비아 구조가 이 실패 모드를 겪을 가능성이 훨씬 더 높다는 것을 시사하며, 여전히 고신뢰성 설계의 소수(그러나 증가하는) 비율입니다.
• 사용 환경의 심각성(우리가 시험 조건의 심각성으로 해결하려고 시도하는 것)은 발생 가능성에 어느 정도 영향을 미치는 것으로 보입니다.
• 여러 OEM은 설계가 2개를 초과하지 않는 경우 적층된 FILLED 비아를 허용합니다. 세 개가 까다로운 부분입니다.
• 이는 아래 그림 2에서 볼 수 있는 3-8-3 자격 쿠폰 디자인과 같은 복잡한 HDI 구조에서 관찰되었습니다.
• 제품 수준의 실패는 예측할 수 없습니다(공정 중, 저장 중 또는 현장에서)
• 역사적인 업계 표준 시험 방법은 이러한 실패를 감지하는 데 충분하지 않았지만, 일반적인 HDI 구조에는 충분한 것으로 보입니다.
• 사전 조건 설정과 열 순환은 이 결함을 유발할 수 있지만, 실온으로 돌아오면 4선 저항 측정으로는 결함을 감지할 수 없습니다. PCB를 재유동 온도로 올렸을 때만 분명해집니다.
• IPC TM-650 2.6.27A 조립 재유동을 복제하는 기술은 이 잠재적 문제를 신뢰성 있게 감지할 것입니다. (아래 그림 3 참조).
• 위원회가 마이크로비아 결함에 대한 FMEA를 개발했지만, 우리의 초점은 이 WMI 하나뿐입니다.
• 위원회나 업계에서는 근본 원인을 식별하고 시정 조치를 실행하기 위해 추가 작업이 필요합니다. 이 위원회의 자원봉사자는 일하러 온다면 받아들여집니다. (IPC의 Chris Jorgensen이나 rbpchemical.net의 Michael Carano에게 연락하세요)
• 이 문제와 관련된 업계 데이터는 IPC에 기여될 수 있으며 '익명으로' 사용될 것입니다.

WMI 위원회와 우리의 발견에 대해 더 읽고 싶다면, APEX 2019 WMI OPEN FORUM [2]에서 보고서가 제공되었고, 위원회에서 발행한 백서, IPC WP-023 "Via Chain Continuity Reflow Test: 숨겨진 신뢰성 위협-약한 마이크로비아 인터페이스"가 IPC 서점에서 제공됩니다.

다가오는 IPC 연례 고신뢰성 포럼에서 추가 논의가 이루어질 예정이며, 이는 5월 14일부터 16일까지 볼티모어에서 개최됩니다[3]

그림 1. 230^OC에서 6번의 리플로우 후 관찰된 WMI 잠재 결함. [허가를 받고 사용됨][4]

그림 2. 복잡한 HDI 자격 쿠폰 (3-8-3)에는 적층 및 교차 마이크로비아 구조가 모두 포함되어 있습니다. [허가를 받고 사용됨] [4]

그림 3. 224.6C에서만 열리고 냉각 시 184C에서 닫히는 4+N+4 적층 마이크로비아 구조의 리플로우 프로파일과 4선 저항. 후속 실온 테스트와 열 사이클 테스트에서 결함이 없음을 확인하였다. [허가를 받아 사용함] [4]

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참고 문헌

1. IPC 보도 자료, 2019년 3월 6일
2. 약한 마이크로비아 인터페이스 오픈 포럼, IPC APEX, 2019년 1월, 샌디에이고, CA 
3. IPC 고신뢰성 포럼 2019년 5월 14-16일, 볼티모어, MD    
4.  J.R. Strickland & Jerry Magera, MSI 응용 기술이 마이크로비아 숨겨진 위협을 어떻게 극복했는가, IPC 고신뢰성 포럼, 2018년 5월 16일, 볼티모어, MD