오염된 PCB의 결과는 무엇인가요?

오늘날 전자 성능에 대한 수요가 증가함에 따라 전자 부품은 소형화되고, 크기가 작아지고, 신뢰성이 높아지고 있습니다. 인접한 도체 사이의 간격이 줄어들면서 인쇄 회로 기판(PCB)에 잔류물이나 기타 오염 물질이 남는 것이 점점 더 주목받고 있습니다. 전통적인 방식은 이러한 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다.표면 실장 기술(SMT) 고신뢰성 제품에서 잔류물이 적고 세척이 필요 없는 납땜 공정을 효과적으로 활용하고 있지만, 제품의 구조적 고밀도화와 부품의 소형화로 인해 적절한 크기를 확보하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 세척 문제로 인한 제품 불량률이 증가함에 따라 세척 수준에 대한 요구도 높아지고 있습니다.

PCB 점용접에 대한 오염 잔류물의 영향

1. 전기화학적 이동

전기화학적 이동(ECM)은 자기장과 같은 전자기장의 영향으로 특정 매체를 통해 이온이 이동하는 현상입니다. 활성제나 플럭스 잔류물에 포함된 염과 같은 일부 이온 불순물은 주변 습도가 변할 때 PCB 제품에서 전해질이 되어 스폿 용접 특성 변화를 일으킬 수 있습니다.

이러한 종류의 PCB는 작동 시 스트레스 전압 하에서 스폿 용접 부위 사이에 단락이 발생하여 간헐적인 고장을 일으키고 PCB의 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다. 이 과정은 경로 형성, 초기화, 덴드라이트 생성의 세 단계로 구성됩니다. 경로 형성은 전해액(플럭스에 포함된 염소 및 브롬 잔류물과 공기 중의 수분이 결합하여 생성된 약산) 내에서 금속 이온이 용해되면서 시작됩니다. 금속이 약산에 용해되면 필라멘트가 생성됩니다. 따라서 전기화학적 효과를 얻기 위해서는 이온 과잉, 전압 편향, 습도 등의 요소가 필요합니다. 또한 전기화학적 효과는 온도, 습도, 제품, 도체 재질, 도체 간격, 오염 물질의 종류 및 양에도 영향을 받습니다.

2. 크리프 부식

PCB 표면에 구리 또는 황화은 결정이 형성되는 현상을 크리프 부식이라고 합니다. 전기화학적 이동과는 달리, 크리프 부식은 전압 차이 없이도 주변 환경의 오염원과 습기에 의해 촉진될 수 있습니다. 공기 중의 황이 PCB 표면의 구리나 은과 결합하면 황화구리 또는 황화은이 생성됩니다. 이러한 황화구리 및 황화은과 같은 화합물은 모든 방향으로 성장하여 피치 리드 사이의 가는 전선을 단선시키거나 단락시켜 결국 PCB 품질 저하를 초래합니다. PCB 크기가 작아지고 부품이 소형화될수록 이러한 부식 위험은 더욱 증가합니다. 크리프 부식은 주변 공기에 오염 가스가 더 많이 존재하는 산업 제어 전자 장치 및 항공기에서 특히 빈번하게 발생합니다. 또 다른 원인은 표면 마감 처리 방식인 HASL(납 함유)입니다. 이 방식은 PCB의 외부 구리 호일을 주석-납으로 보호하는 것을 의미합니다. 납땜 공정의 내습성이 기준에 미치지 못하면 일부 구리나 은이 공기에 노출될 수 있습니다. 주변 환경이 습기의 영향을 받아 악화될 경우 크리프 부식 위험은 크게 증가합니다.

3. 틴 위스커

주석 수염은 전문가들에게 주요한 골칫거리입니다. 주석 수염 발생의 화학적, 물리적 매개변수에 대한 광범위한 연구를 통해 전문가들은 주석 합금이 고온 다습한 환경에서 다른 금속과 반응하여 금속간 화합물(IMC)을 형성한다는 사실을 밝혀냈습니다. 이러한 상황에서 주석층의 전압 스트레스가 급격히 증가하면 주석 이온이 결정립계를 따라 이동하여 주석 수염을 생성하고 단락 가능성을 높입니다. 따라서 리플로우 공정에서 주석 합금이 고화될 때, 솔더 페이스트에서 흘러나오는 플럭스에 포함된 할로겐화물과 브롬화물 중 일부가 이온 오염물질로 작용하여 주석 수염을 형성합니다. 또한, 주석 수염은 이온 오염 정도에 따라 영향을 받으며, 이온 오염 정도가 높을수록 주석 수염의 밀도가 높아진다는 결론을 내릴 수 있습니다.

 PCB 청소에 관한 몇 가지 질문

1. 오염 물질 

납땜 후 세척해야 할 주요 대상은 PCB에 남아 있는 잔류물입니다. 잔류물은 화학적 성질에 따라 수용성 극성 잔류물, 불용성 비극성 잔류물, 그리고 수용성이지만 이온성 유기 화합물로 변환되지 않는 비극성 잔류물의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 이러한 오염물질은 PCB 성능 저하 또는 고장의 주요 원인으로 여겨지므로 잔류물을 완전히 제거하는 것이 매우 중요합니다. 또한, PCB는 고밀도 및 미세 피치로 발전하고 있기 때문에 PCB 세척의 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

2. 플럭스 

PCB 제조에서 플럭스 잔류물은 가장 중요한 요소이므로 세척 공정에서 플럭스 잔류물 제거를 최우선으로 해야 합니다. J-STD-004는 플럭스를 화학적 특성에 따라 로진, 수지, 유기, 무기의 네 가지 유형으로 분류하고, 각 유형은 플럭스/플럭스 잔류물의 활성도와 할로겐 함량에 따라 세분화합니다. 이는 모든 플럭스가 산화물을 용해하고 납땜 침투를 촉진하는 능력을 가지고 있기 때문입니다. PCB 제조 공정플럭스는 웨이브 솔더링, 리플로우 솔더링, 수동 솔더링에 사용되며, 한 가지 종류의 플럭스만 사용하는 것이 가장 좋습니다. PCB 전체를 세척하는 과정은 한 종류의 플럭스만 제거하는 것입니다. 하지만 플럭스는 종류가 다양하고 조합도 복잡하기 때문에 여러 종류의 플럭스가 섞여 있는 경우 세척이 어려울 수 있습니다.

3. C. 클리닝 프로세스 

PCB 세척에는 일반적으로 용제 세척, 반수용액 세척, 물 세척의 세 가지 유형이 사용됩니다. 용제 세척은 용제를 기반으로 하는 세척액을 사용하여 PCB를 세척하는 공정입니다. 이 공정에서는 건조가 별도의 시설에서 이루어집니다. 반수용액 세척은 용제로 PCB를 세척한 후, 물을 사용하여 PCBA에서 유기 용제를 제거하고 플럭스 및 기타 불순물을 제거하는 방식입니다. 물 세척은 물만을 사용하여 PCB를 세척하는 공정입니다. PCB의 신뢰성을 크게 향상시키기 위해서는 장비 및 제품의 특성에 따라 적절한 세척 기술을 적용해야 합니다.

4. C 세척 용매 

플럭스의 종류에 따라 플럭스 종류에 맞는 세척 용액을 선택해야 합니다. 세척 용액에는 종류와 성분이 다양합니다. 일본산업세척협회(JICC) 규정에 따르면 세척 용액은 세척 과정에 따라 분류됩니다. 세척 용액은 수용성 용액과 불용성 용액의 두 가지 범주로 나뉩니다. 수용성 용액은 세척 과정에서 물이 필요하지만, 불용성 용액은 물이 필요하지 않습니다.

5.  청소 장비 및 청소 방법

현재 세척 장비는 크게 간헐식과 벌집형으로 나뉩니다. 세척 방법에는 초음파, 분무, 침지, 제트, 기포 등이 있습니다. 일반적인 세척 장비의 세척 방법에는 분무 또는 기체상 세척뿐만 아니라 교반, 회전 등의 기계적 세척 방법도 포함됩니다.

6. C 학습 표준 

세척 대상물에 따라 세척 기준이 다릅니다. 모든 제품은 사용 환경, 유효 기간, 기술 사양이 다양하므로 관련 산업 및 제품 특성에 맞는 적절한 세척 기준을 설정해야 합니다. IPC 기준에 따르면 일반적으로 최고 수준의 세척 기준은  이온 오염물질, 플럭스 잔류물, 절연 저항이 모두 제거된 상태입니다.

결론

전반적으로, PCB 스폿 용접의 고장 메커니즘과 관련된 잔류물의 부정적인 영향을 완전히 이해하고 세척 공정 설계에 따라 적절한 세척 용제와 방법을 선택한다면 물리적 및 화학적 고장 위험이 크게 줄어들어 PCB의 신뢰성이 향상될 것입니다.

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