Tombstoning: PCB 조립 결함 방지 전략

우리가 인쇄 회로 기판 조립 결함과 PCB 설계가 조립 과정에 미치는 영향에 대한 시리즈를 계속하는 동안, 툼스토닝에 대해 좀 더 깊이 살펴보겠습니다. 전자 제조에서 사용하는 용어들이 가끔 웃음을 자아내게 합니다. 툼스토닝, 마우스 바이트, 래빗 이어 등에 좀 더 고급 기술 용어를 사용할 수도 있겠지만, 이 용어들이 대단히 대표적이며 기억하기 쉽다는 점을 인정해야 합니다.

용어에 익숙하지 않다면, "툼스토닝"은 솔더 리플로우 동안 표면 실장 부품의 한쪽 끝이 패드에서 들리면서 무덤석처럼 수직으로 서는 현상을 말합니다. 툼스토닝의 일반적인 원인으로는 불균형한 솔더 페이스트 적용, 패드 크기의 변화, 리플로우 동안 일관되지 않은 열 프로파일, 그리고 구리 트레이스의 불균형이나 솔더 마스크 커버리지 부족과 같은 PCB 설계 문제가 있습니다. 이 중 일부는 PCB 설계에 의해 영향을 받을 수 있으며, 다른 일부는 조립 공정 제어의 결과입니다.

툼스토닝은 특히 표면 실장 기술(SMT) 조립 공정에서 비교적 흔한 문제입니다. 툼스토닝 발생 빈도는 사용되는 특정 부품, PCB 설계의 복잡성, 제조 공정의 품질과 같은 요소에 따라 다를 수 있지만, PCB 조립 공정에서 발견되는 더 흔한 결함 중 하나로 간주됩니다.

제조 기술의 발전과 개선된 설계 관행이 툼스토닝의 발생률을 줄이는 데 도움이 되었지만, 전자 장치의 신뢰성과 기능성을 보장하기 위해 PCB 설계자와 제조업체가 해결해야 할 도전 과제로 남아 있습니다. 자동차, 항공우주, 의료 기기 제조와 같이 고신뢰성 기준이 요구되는 산업에서는 툼스토닝의 발생을 최소화하기 위한 노력이 이루어집니다. 목표는 툼스토닝을 제거하기 위해 필요한 재작업의 필요성을 없애는 것입니다.

툼스토닝에 기여하는 요인들

• 솔더 페이스트 도포 방법, 예를 들어 솔더 페이스트 인쇄와 같은 방법은 패드 위에 균일한 솔더 페이스트 도포를 보장하기 위해 검증되어야 합니다.
• 불균일한 솔더 마스크 커버리지: 솔더 마스크는 PCB 위의 보호층으로서, 리플로우 동안 솔더가 원치 않는 곳으로 흐르는 것을 방지합니다. 만약 한 컴포넌트의 한쪽면의 패드가 다른 패드보다 솔더 마스크 커버리지가 적다면, 결과적으로 불균일한 솔더링과 툼스토닝이 발생할 수 있습니다.
• PCB 상의 패드의 디자인과 크기는 툼스토닝을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. 패드가 너무 작거나 너무 크거나 컴포넌트의 양쪽면에서 서로 맞지 않으면 불균일한 솔더링이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 작은 패드는 적절한 솔더 접착을 위한 충분한 표면적을 제공하지 못할 수 있으며, 큰 패드는 과도한 솔더 페이스트와 리플로우 동안 불균형을 초래할 수 있습니다.
  • 사용되는 컴포넌트에 적합한 패드 크기를 확보하여 솔더 접착에 충분한 표면적을 제공하면서도 과도한 솔더가 없도록 합니다.
  • 일관된 솔더 흐름을 촉진하고 솔더 브리징이나 툼스토닝의 위험을 최소화하기 위해 둥근 모서리나 경사진 가장자리와 같은 적절한 패드 형상을 구현합니다.
  • 리플로우 동안 열 불균형을 완화하기 위해 대형 구리 평면에 연결된 컴포넌트에 열 완화 패드를 사용합니다.
• 정확한 컴포넌트 배치: 배치 중 정렬 오류는 리플로우 동안 불균일한 가열을 초래하여 컴포넌트의 한쪽 끝이 다른 쪽보다 먼저 솔더링되게 할 수 있습니다.

솔더 마스크 고려 사항

적절한 솔더 마스크 커버리지는 솔더 브리징과 툼스토닝을 방지하는 데 필수적입니다. DFM 관행은 다음을 권장합니다:

• 리플로우 동안 솔더가 원치 않는 곳으로 흐르는 것을 방지하기 위해 패드 주변에 충분한 솔더 마스크 커버리지를 확보합니다.
• 솔더 브리징을 방지하기 위해 패드 사이에 추가 여유를 제공하는 솔더 마스크 확장을 구현합니다.
• 툼스토닝의 위험을 최소화하기 위해 솔더 마스크 커버리지를 검증하고 필요한 조정을 하기 위한 디자인 리뷰를 수행합니다.

열 완화 전략

효과적인 열 완화 전략은 리플로우 솔더링 중 열 분포를 관리하여 툼스토닝의 가능성을 줄이는 데 도움이 됩니다. DFM 지침은 다음을 제안합니다:

• 대형 구리 평면에 연결된 컴포넌트에 대해 열 완화 연결을 사용하여 열 그라데이션을 최소화하고 툼스토닝을 방지합니다.
• 컴포넌트의 열 요구 사항과 PCB의 레이아웃에 기반하여 열 완화 연결의 수와 배치를 최적화합니다.

DFM 분석 도구

• DFM 분석 도구를 사용하면 설계 과정 초기에 잠재적 문제를 식별하고 툼스토닝을 방지할 수 있습니다. 디자이너는:
  • PCB 전체의 열 분포를 평가하고 툼스토닝이 발생하기 쉬운 영역을 식별하기 위해 열 시뮬레이션을 수행합니다.
  • DFM 지침을 준수하고 잠재적 툼스토닝 위험을 식별하기 위해 디자인 규칙 검사(DRC) 및 제조 가능성 검사를 수행합니다.

부품 소형화가 진행됨에 따라, SMT 조립 공정이 부담을 받고 있으며, 이러한 더욱 작아진 특징 크기에 맞추어 필요한 공정 조정을 다루기 위한 많은 작업이 이루어지고 있습니다. 리플로우 동안 일관된 열 프로파일을 유지하는 것, 즉 램프업, 담금, 그리고 냉각 단계를 포함하여, 툼스토닝을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 과정에서 툼스토닝과 같은 일반적인 인쇄 회로 기판 조립 결함이 증가할 것이라고 가정하는 것은 타당합니다. 제조 가능성 지침에서의 변경사항을 이해하기 위해 제조 팀과 협력하는 것이 중요할 것입니다.