PCB 설계를 기계 조립 결함으로부터 보호하기

요즘 대부분의 PCB는 특수 부품을 위해 또는 리플로우 공정을 생략하기 위해 수작업으로 조립되지 않고, 자동화된 라인에서 조립됩니다. 수작업이 아닌 자동화된 라인에서 보드를 조립할 때는 PCBA가 결함이 없기를 기대합니다. 하지만 현실에서는, 최고급 장비를 사용하더라도 PCB 조립 공정이 완벽할 수는 없으며, 귀하의 보드 중 소수가 가끔 품질 문제를 겪을 수 있습니다. 그러나 문제를 인식하는 것은 일반적인 PCB 조립 결함을 최소화하거나 심지어 방지하기 위해 디자인을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

PCB 조립 결함

제조 및 조립 과정에서 PCBA에 발생할 수 있는 결함은 많습니다. 디자이너의 기본 DFM 실천과 제조업체의 DFM 리뷰가 있으면, 이러한 결함을 보는 확률은 일반적으로 낮지만, 충분한 보드가 생산을 거치면 통계적으로 결함을 보게 될 것입니다. 주요 PCB 조립 결함 중 일부는 여기에 나열되어 있습니다,

1. 솔더 브릿지

PCB 조립 결함 중 전원을 켰을 때 심각한 손상을 일으킬 수 있는 가장 흔한 것은 솔더 브릿지 또는 미세 간격 부품의 리드 사이의 단락입니다. 단락은 보통 매우 작아서 시각적 검사를 쉽게 피해갑니다. PCB 조립 중 단락은 여러 가지 요인에 의해 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 서로 간격이 적은 넓은 구성 요소 패드는 솔더 브릿지를 일으킬 수 있습니다. 단락은 또한 과도하게 두꺼운 스텐실로 인해 패드에 과도한 양의 솔더가 배치되거나, 가능하게는 더러운 스텐실로 인해 발생할 수도 있습니다.

• 솔더 브릿지 단락 회로에 대해 더 알아보기

시각적으로 식별된 솔더 브릿지 결함. [출처: Springer]

2. 개방 결합

불량 접합은 납땜이 충분하지 않거나 납땜 중에 부품이 들리는 경우(아래의 돌출현상 참조)로 발생합니다. 확대경을 사용하지 않는 한, PCB 패드의 일부 불량 접합은 거의 감지하기 불가능합니다. 시각적 검사를 통해 모든 표면 실장 부품이 제대로 납땜되었는지 여부를 확인할 수 있습니다. 그러나, 부품 리드와 납땜 패드 사이에 아주 작은 틈이 있어도 전자 기기가 올바르게 작동하지 않을 수 있습니다. 또한, 스텐실이 너무 얇으면 납땜 페이스트가 적게 도포되어 불량 접합이 발생할 수 있습니다. 시각적으로 식별하기 어려울 수 있지만, 불량 접합은 일반적으로 DMM으로 높은 저항으로 측정됩니다. 이는 불량 접합으로 의심되는 것을 확인하는 간단한 방법을 제공합니다.

3. 부유하는 SMD 부품

스루홀 부품은 자체 무게와 스루홀에 삽입된 리드의 그립으로 제자리에 고정될 수 있습니다. 이는 SMD 패드의 경우와 다릅니다; 이 부품들은 리플로우로 진입하기 전에 사실상 납땜 페이스트 위에 앉아 있습니다. 패드 위의 납땜 페이스트 양과 부품 패드 간의 온도 차이는 두 가지 문제를 일으킬 수 있습니다:

• 부품이 편향을 경험하는 경우
• 한 패드에서 불충분한 습윤으로 인해 툼스토닝 발생
• 리플로우로 진입할 때 PCB의 진동

부품의 양쪽에서 납이 비교적 작은 시간 차이 내에 습윤되면, 편향된 부품이나 툼스토닝을 기대해서는 안 됩니다. 그러나 한 패드에 과도한 납이 있거나 습윤이 고르지 않으면 편향과/또는 툼스토닝을 모두 발생시킬 수 있습니다. 이는 SMD 패시브, 테스트포인트 핀, DPAK, SOT 및 소규모 리드 수를 가진 기타 평평한 SMD 패키지에서 편향을 일으키는 것으로 알려져 있습니다.

• 편향 및 기타 SMD 결함에 대해 자세히 알아보기

패드의 습윤 부족과 저온으로 인한 구성 요소의 이동. [출처].

PCB 조립에서 구성 요소의 이동 가능성은 낮지만 발생하며, 볼 그리드 어레이 (BGA)와 같이 리드가 구성 요소의 바닥에 있는 패키지를 제외하고는 주의 깊은 눈에 보통 명확합니다. 구성 요소를 재정렬하기 위한 재작업은 구성 요소의 납땜을 제거하고 수동으로 다시 납땜하는 것을 요구합니다. 이러한 작업의 성공은 기술자의 기술에 따라 다르므로 추가적인 품질 문제를 일으킬 수 있습니다. 구성 요소의 이동은 일반적으로 구부러진 리드나 컨베이어의 높은 진동과 같은 물리적 요인에 의해 발생합니다.

TRANSLATE: 4. BGA 특유의 결함

BGA는 솔더링 중에 발생할 수 있는 자체적인 결함 세트를 가지고 있습니다. 이러한 결함은 솔더링 온도, 인쇄된 솔더 페이스트의 양, 플럭스 아웃가싱, 솔더링 중 리플로우 프로파일과 관련이 있습니다. 결함 목록에는 다음이 포함됩니다:

• 베개 속의 머리 현상
• 불충분한 습윤
• 과도하거나 불충분한 솔더 페이스트
• BGA 아래 남아 있는 플럭스 또는 경화되지 않은 노클린 플럭스 오염

이러한 결함은 열 팽창이나 사이클링 중에 간헐적인 실패(특히 베개 속의 머리 현상이나 불충분한 습윤)로 이어질 수 있습니다. 이는 연결 아래의 깨진 트레이스로 인한 간헐적인 실패로 보일 수 있지만, 실제로는 PCB 위의 솔더 볼에 있습니다. 여기에 다른 요소는 BGA 솔더링 영역의 청결성과 관련이 있으며, 경화되지 않은 플럭스의 분해가 시간이 지남에 따라 발생하여, 경화되지 않은 노클린 플럭스를 포함하여 남아 있는 플럭스의 활성 성분으로부터 잠재적인 ECM을 유발할 수 있습니다. 노클린 플럭스와 관련된 이 문제는 리플로우 시간을 연장하거나, 노클린 플럭스의 모든 잔류물을 제거할 수 있는 청소 절차를 선택할 수 있는 이유 중 하나입니다.

BGA가 제대로 납땜되지 않는 경우에는 이동(부유)이나 패드에서의 들림과 같은 매우 심각한 결함만 알아차릴 수 있습니다. 이러한 결함은 매우 드물며, 더 흔한 결함은 BGA의 X-레이 검사 없이는 발견하기 어렵습니다. X-레이 검사는 납구슬을 직접 볼 수 있게 해주며, 납구슬 브리징, 헤드-인-필로우, 과다 납, 또는 불충분한 납(오픈)과 같은 결함을 식별할 수 있게 합니다. 더욱 진단하기 어려운 것은 BGA 납구슬에 접합된 마이크로비아-인-패드의 미세 균열로 인한 간헐적인 실패입니다; 이는 전기적 테스트에서 식별되어야 하며 마이크로비아 신뢰성의 중요한 부분입니다.

5. 변형

보드의 스택업 설계가 잘못되었거나 조립 중 처리 요인으로 인해 보드가 변형될 수 있습니다. 변형이 과도할 경우, 보드는 IPC 기준에 명시된 완성된 PCB의 평탄도(굽힘과 비틀림) 기준을 위반할 수 있습니다. 통상적으로 허용되는 변형(굽힘과 비틀림) 값은 스루홀만 있는 보드의 경우 1.5% 미만이거나, SMD 부품이 있는 보드의 경우 0.75% 미만입니다. 변형을 일으키는 다양한 요인에는:

• 패널 내 보드의 혼합 배치:
• 스택업에서의 큰 CTE 및 Tg 불일치
• 비대칭 스택업
• 반복적인 리플로우 및 웨이브 패스
• 오븐 온도 프로파일 드리프트

이것은 설계 문제만큼이나 조립 처리 문제입니다. 최소한의 리플로우 패스를 위해 최적화된 설계는 PCB 휨의 일반적인 원인 중 하나를 제거할 것입니다.

• PCB 조립에서의 휨에 대해 더 알아보기

PCB 조립 결함 찾는 방법

PCB 조립 업체는 일반적으로 도구 유지 관리, 조립된 보드 검사 및 재작업을 수행하기 위한 최소한의 장비를 포함합니다. 검사 수준은 조립 업체의 능력과 조립 업체가 제공하는 서비스 수준에 따라 다릅니다. 그러나 일반적으로, 조립 업체는 결함이 있는 PCB 조립품을 검사하기 위해 다음과 같은 하나 이상의 능력을 가져야 합니다.

1. 시각/컴퓨터 비전 검사

시각적 검사는 조립 작업자가 수동으로 수행할 수 있지만, 대부분의 경우 이는 자동화되어 있으며 전문화된 자동 광학 검사(AOI) 시스템을 사용하여 수행됩니다. AOI 시스템은 배치 오류, 납땜 결함, 오픈, 표면 손상 및 오염으로 인해 발생할 수 있는 변색을 포착할 수 있는 컴퓨터 비전 시스템입니다. 결함이나 의심되는 결함이 발견되면 작업자에게 표시되며, 작업자는 수동 시각 검사를 수행합니다.

더 발전된 시각 검사는 세 가지 가능한 영역으로 나뉩니다:

• 컴퓨터가 도와주는 기계 학습 보조 시각 스캔,
• X-레이 검사, 기계 학습에 의해 보조될 수도 있음
• 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔은 보드 내부의 3D 이미지를 생성합니다

AOI 시스템의 비용이 하락하였고 대부분의 PCB 조립 업체는 이러한 시스템을 갖추고 있습니다. BGA 조립의 품질 관리를 위해서는 X-레이 검사가 필요합니다. 마지막으로, PCB 검사에 적용되는 CT 스캔은 가장 발전된 컴퓨터 비전 검사 방식 중 하나로 모든 제조업체에서 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 조립업체가 어떤 기능을 갖추고 있는지 가정하지 마시고, 결함률 목표를 달성할 수 있도록 필요한 기능을 갖추고 있으며 PCBA에 적합한 품질 관리 절차를 구현할 수 있는지 확인하십시오.

2. 표면 화학 테스트

위의 결함 목록을 살펴보면, 이 중 몇 가지는 조립된 PCB의 청결도와 관련이 있음을 알 수 있습니다. 특히 남은 플럭스 잔여물이 언급되었습니다. 시각적 검사는 주로 솔더, 배치 및 PCBA의 표면 결함에 초점을 맞추고 있지만, 오염을 식별하기 위해 화학적 테스트를 수행할 수 있습니다. PCB 제작 및 조립 과정 전반에 걸쳐 많은 화학 물질이 사용되며, 이 중 일부는 조립된 PCB의 장기 신뢰성에 도전을 만드는 오염물질을 남길 수 있습니다. 청결도 및 오염 분석을 위한 표준 화학 테스트에는 다음이 포함됩니다:

• 표면 절연 저항
• 이온 크로마토그래피
• 용매 추출물의 저항성(ROSE)

디자이너로서, 당신은 분명히 수용할 청결 요구 사항을 정할 수 있으며, 이는 조립도면의 메모에 포함될 수 있습니다. 다른 옵션은 보드 청결도가 특정 표준, 일반적으로 IPC-610 또는 IPC-J-STD-001에 부합해야 한다고 명시하는 것입니다. 다른 관련 산업 표준이 적합성 목표가 되어야 한다면, 이는 명시되어야 합니다. 이러한 청결도 및 결함 적합성 목표 중 일부는 항공우주, 자동차 및 의료 산업에서 찾을 수 있습니다.

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