납땜은 왜 멀쩡하다가 갈라질까? 솔더 조인트와 열피로의 원리

전자제품이 어느 날 갑자기 켜지지 않거나, 특정 각도로 눌렀을 때만 작동하고, 한동안 정상적으로 사용하다가 다시 오류가 발생하는 경우가 있습니다.

처음에는 소프트웨어 문제처럼 보일 수도 있습니다.

전원을 껐다 켜면 다시 정상으로 돌아오기도 하고, 제품이 따뜻해지면 증상이 사라졌다가 식으면 다시 나타날 수도 있습니다.

이런 간헐적인 고장 가운데 일부는 회로기판의 납땜 접합부(Solder Joint)와 관련될 수 있습니다.

전자부품은 인쇄회로기판에 단순히 올려져 있는 것이 아닙니다.

작은 금속 접점들이 솔더를 통해 PCB와 전기적·기계적으로 연결되어 있습니다.

문제는 전자제품을 켜고 끌 때마다 내부 온도가 변한다는 것입니다.

반도체 패키지와 회로기판, 솔더는 서로 다른 재료이기 때문에 온도가 변할 때 팽창하고 수축하는 양도 서로 다릅니다.

하지만 모두 단단하게 연결되어 있습니다.

서로 다른 재료가 각자 다른 만큼 움직이려고 할 때 그 차이를 솔더 접합부가 받아내야 합니다.

이 과정이 수천 번, 수만 번 반복되면 처음에는 멀쩡했던 접합부에서도 아주 작은 손상이 누적될 수 있습니다.

이를 솔더 조인트 열피로(Thermal Fatigue)와 관련해 설명할 수 있습니다.

이번 글에서는 납땜이 왜 시간이 지나면서 균열될 수 있는지, 온도 변화와 열팽창 차이가 어떤 응력을 만드는지, 그리고 전자제품의 간헐적인 오류가 왜 솔더 접합부와 연결될 수 있는지 살펴보겠습니다.

납땜은 단순히 전선을 붙이는 재료가 아닙니다

납땜은 전자제품의 핵심 접합기술 가운데 하나입니다.

솔더는 전자부품의 금속 단자와 PCB의 금속 패드를 연결합니다.

이 접합부는 동시에 두 가지 역할을 합니다.

첫 번째는 전기적인 연결입니다.

전류와 신호가 부품과 회로기판 사이를 통과할 수 있어야 합니다.

두 번째는 기계적인 연결입니다.

부품이 PCB에서 떨어지지 않도록 물리적으로 붙잡아야 합니다.

따라서 솔더 조인트에 균열이 생기면 단순히 부품이 흔들리는 문제가 아니라 전기적 연결 자체가 불안정해질 수 있습니다.

솔더는 금속이지만 비교적 부드러운 금속입니다

솔더는 구리 배선이나 강철처럼 단단한 구조용 금속과는 성질이 다릅니다.

전자조립에 사용되는 솔더는 비교적 낮은 온도에서 녹고, 상온에서도 상대적으로 부드러운 금속 재료입니다.

이러한 특성은 전자부품을 손상시키지 않고 접합하는 데 유리합니다.

또 어느 정도의 변형을 흡수할 수도 있습니다.

하지만 바로 이 부드러운 특성 때문에 장기간 반복되는 하중에서는 크리프와 피로가 중요해질 수 있습니다.

즉, 솔더는 한 번의 큰 힘뿐 아니라 작은 힘이 오랫동안 반복되는 조건에도 영향을 받을 수 있습니다.

전자제품을 켜면 왜 솔더에 힘이 걸릴까요?

전자제품을 켜면 반도체가 전력을 소비하면서 열을 발생시킵니다.

CPU나 GPU처럼 전력소모가 큰 부품에서는 온도가 빠르게 상승할 수 있습니다.

주변의 PCB와 부품도 함께 따뜻해집니다.

모든 재료는 온도가 올라가면 어느 정도 팽창합니다.

문제는 모든 재료가 같은 비율로 팽창하지 않는다는 것입니다.

반도체 패키지와 PCB가 서로 다른 양만큼 팽창하려고 하면 둘 사이를 연결하고 있는 솔더 조인트가 변형을 받아야 합니다.

제품을 끄면 반대로 다시 수축합니다.

따라서 전원을 켜고 끌 때마다 솔더 접합부는 아주 작은 변형을 반복적으로 경험할 수 있습니다.

열팽창계수는 무엇일까요?

재료가 온도 변화에 따라 얼마나 팽창하거나 수축하는지를 나타내는 대표적인 물성이 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)입니다.

재료마다 CTE가 다릅니다.

예를 들어 실리콘 반도체와 유기계 PCB 재료는 온도가 변할 때 같은 크기만큼 움직이지 않습니다.

전자부품의 패키지도 내부에 여러 재료가 조합되어 있기 때문에 복잡한 열팽창 거동을 보일 수 있습니다.

두 재료가 서로 붙어 있지 않다면 각자 자유롭게 팽창하면 됩니다.

하지만 솔더로 연결되어 있다면 마음대로 움직일 수 없습니다.

그 차이가 접합부의 기계적인 변형으로 전달됩니다.

쉽게 생각하면 서로 다른 두 재료를 고무줄로 연결한 것과 비슷합니다

두 막대가 있다고 생각해보겠습니다.

온도가 올라갔을 때 한 막대는 많이 늘어나고 다른 막대는 조금만 늘어납니다.

두 막대를 아무것도 연결하지 않았다면 문제가 없습니다.

하지만 두 끝을 고무줄로 연결해 놓으면 상황이 달라집니다.

많이 늘어나려는 막대와 적게 늘어나려는 막대 사이에서 고무줄이 변형됩니다.

전자제품에서는 이 역할을 솔더 접합부가 일부 담당한다고 생각할 수 있습니다.

물론 실제 구조는 훨씬 복잡하지만 기본 개념은 비슷합니다.

전원을 껐다 켤 때마다 작은 변형이 반복됩니다

전자제품을 켜면 온도가 올라갑니다.

부품과 PCB가 서로 다른 만큼 팽창합니다.

솔더가 변형됩니다.

전원을 끄면 식으면서 다시 반대 방향으로 움직입니다.

이 과정을 한 번만 겪는다면 솔더가 충분히 견딜 수 있습니다.

하지만 매일 반복된다면 어떻게 될까요?

작은 변형이 수천 번, 수만 번 반복됩니다.

재료 내부에는 조금씩 손상이 축적될 수 있습니다.

이것이 금속의 피로(Fatigue) 개념입니다.

금속 피로와 솔더 피로는 같은 것일까요?

기본적으로 반복하중 때문에 손상이 누적된다는 점에서는 비슷합니다.

하지만 솔더는 일반적인 구조용 금속과 다른 특성을 가지고 있습니다.

전자제품의 작동온도는 솔더의 녹는점과 비교했을 때 상대적으로 높은 온도 영역에 해당할 수 있습니다.

이 때문에 솔더에서는 단순한 탄성·소성 피로뿐 아니라 시간 의존적인 크리프(Creep)도 중요할 수 있습니다.

즉, 솔더 접합부에서는 피로와 크리프가 서로 복합적으로 작용할 수 있습니다.

크리프는 무엇일까요?

크리프는 일정한 하중을 받고 있는 재료가 시간이 지나면서 천천히 변형되는 현상입니다.

플라스틱의 열변형을 설명할 때도 등장했던 개념입니다.

금속에서도 충분히 높은 온도에서는 크리프가 발생할 수 있습니다.

솔더는 녹는점이 비교적 낮기 때문에 전자제품의 일반적인 사용온도에서도 시간 의존적인 변형이 중요할 수 있습니다.

부품이 뜨거운 상태로 오랫동안 유지되면 솔더 내부에서 미세구조 변화와 변형이 진행될 수 있습니다.

그리고 제품이 식으면서 다시 반대 방향의 응력이 발생합니다.

따라서 고온 유지 + 온도 반복은 솔더 신뢰성에 중요한 조건이 될 수 있습니다.

솔더 접합부의 균열은 어디서 시작될까요?

모든 위치에 동일한 응력이 걸리는 것은 아닙니다.

부품 패키지의 모서리나 가장 바깥쪽 솔더 접합부에서는 상대적인 변위가 더 커질 수 있습니다.

특히 BGA처럼 많은 솔더볼로 연결된 큰 부품에서는 패키지 중심에서 멀리 떨어진 외곽 솔더볼이 더 큰 변형을 경험하는 경우가 있습니다.

왜 그럴까요?

중심부를 기준으로 부품과 PCB가 서로 다른 비율로 팽창하면 중심에서 멀리 떨어진 위치일수록 절대적인 이동 차이가 더 커질 수 있기 때문입니다.

따라서 실제 고장분석에서는 어느 솔더 조인트가 먼저 균열됐는지도 중요한 정보가 됩니다.

BGA란 무엇일까요?

BGA는 Ball Grid Array의 약자입니다.

반도체 패키지의 아래쪽에 작은 솔더볼을 격자 형태로 배치해 PCB와 연결하는 패키지 방식입니다.

CPU와 GPU, 메모리 등 다양한 고집적 반도체에서 사용할 수 있습니다.

기존의 리드가 바깥으로 나오는 패키지와 달리 수많은 접점이 부품 아래에 숨어 있습니다.

덕분에 작은 면적에 많은 전기적 연결을 만들 수 있습니다.

하지만 부품 아래에 솔더볼이 있기 때문에 육안으로 접합부를 직접 관찰하기 어렵다는 특징도 있습니다.

BGA에서 균열이 생기면 왜 진단하기 어려울까요?

솔더볼이 부품 아래에 가려져 있기 때문입니다.

겉으로 PCB를 봐서는 균열이 보이지 않을 수 있습니다.

그래서 필요에 따라 다음과 같은 검사방법이 사용될 수 있습니다.

• X-ray 검사
• 단면 분석
• 염색 침투 및 파괴 분석
• 전기적 연속성 측정
• 현미경 분석

다만 X-ray만으로 모든 미세균열을 확실하게 찾을 수 있는 것은 아닙니다.

균열 방향과 크기, 촬영조건에 따라 보이지 않을 수도 있습니다.

납땜 균열이 생기면 왜 간헐적인 고장이 나타날까요?

솔더 접합부에 작은 균열이 있다고 생각해보겠습니다.

완전히 두 조각으로 분리된 것이 아니라 일부 영역은 아직 접촉하고 있습니다.

제품이 특정 온도에 있을 때는 금속이 팽창하면서 접촉할 수 있습니다.

온도가 내려가면 다시 틈이 벌어질 수도 있습니다.

또 제품을 누르거나 휘었을 때 PCB가 아주 조금 변형되면서 균열된 면이 다시 접촉할 수도 있습니다.

따라서 다음과 같은 이상한 증상이 나타날 수 있습니다.

• 차가울 때는 안 되고 따뜻해지면 작동함
• 본체를 누르면 잠깐 정상 작동함
• 충격을 주면 증상이 변함
• 특정 자세에서만 작동함
• 재부팅하면 잠시 정상임

물론 이런 증상이 있다고 해서 반드시 솔더 균열인 것은 아닙니다.

하지만 간헐적인 전기적 접촉 문제의 한 가능성으로 생각할 수 있습니다.

‘두드리면 살아나는 전자제품’에는 왜 이런 이야기가 따라다닐까요?

예전 전자제품에서 본체를 두드리면 다시 작동하는 경우를 경험했다는 이야기가 많습니다.

실제로 원인은 매우 다양할 수 있습니다.

• 느슨한 커넥터
• 스위치 접점 문제
• 납땜 균열
• 릴레이 접점
• 기계적 접촉불량

충격이 순간적으로 전기접점을 다시 붙게 만들면 증상이 잠시 사라질 수 있습니다.

하지만 이는 고장이 해결된 것이 아닙니다.

오히려 이미 불안정한 접합이나 접점이 존재한다는 신호일 수 있습니다.

PCB를 휘면 왜 솔더 접합부가 손상될 수 있을까요?

회로기판은 완전히 단단한 판이 아닙니다.

힘을 가하면 어느 정도 휘어질 수 있습니다.

PCB가 휘면 위에 장착된 부품과 솔더 조인트에도 변형이 전달됩니다.

특히 큰 BGA 패키지나 취성적인 세라믹 부품 주변에서는 PCB 굽힘이 문제가 될 수 있습니다.

예를 들어 제품 조립 과정에서 나사를 과도하게 조이거나 하우징이 PCB를 강하게 누르면 기판에 지속적인 변형이 생길 수 있습니다.

낙하 충격에서도 순간적인 굽힘이 발생할 수 있습니다.

따라서 솔더 고장은 열만의 문제가 아닙니다.

열변형 + 기계적 굽힘 + 충격이 함께 작용할 수 있습니다.

스마트폰을 떨어뜨리면 솔더볼이 바로 깨질까요?

낙하 충격은 매우 짧은 시간 동안 큰 가속도와 기판 변형을 만들 수 있습니다.

하지만 한 번의 낙하가 항상 솔더를 깨뜨리는 것은 아닙니다.

부품 위치와 PCB 구조, 하우징의 강성, 낙하 방향 등에 따라 결과가 달라집니다.

이미 열피로로 미세한 손상이 진행된 솔더 조인트가 있다면 충격이 마지막 파손 계기가 될 수도 있습니다.

즉, 사용자는

“떨어뜨렸더니 고장났다.”

고 느낄 수 있지만 실제로는 기존의 피로손상과 마지막 충격이 함께 작용했을 가능성도 있습니다.

큰 부품일수록 열팽창 차이가 더 중요할 수 있습니다

큰 반도체 패키지는 온도가 변할 때 전체 길이에 걸쳐 더 큰 치수 변화를 만들 수 있습니다.

PCB와 CTE가 다르면 외곽 솔더 접합부에서 상대 변위가 커질 수 있습니다.

그래서 패키지 크기와 솔더볼 배열, 솔더 높이 등은 열피로 설계에서 중요한 변수입니다.

단순히 솔더 재료 자체만 강하게 만드는 것으로 해결되는 문제가 아닙니다.

솔더볼의 높이도 왜 중요할까요?

두 판 사이를 연결하는 짧은 고무기둥과 긴 고무기둥을 생각해보겠습니다.

같은 상대적인 이동이 발생해도 길이가 긴 기둥이 변형을 더 넓게 분산할 수 있습니다.

솔더 접합부에서도 접합 형상과 높이는 변형을 받아들이는 정도에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 패키지와 PCB 설계에서는 솔더볼의 크기와 형상도 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다.

솔더 조인트에 빈 공간이 있으면 무조건 불량일까요?

솔더 내부에는 보이드(Void)라고 부르는 작은 빈 공간이 형성될 수 있습니다.

납땜 과정에서 가스가 빠져나가지 못하거나 플럭스 반응 등이 영향을 줄 수 있습니다.

그렇다고 작은 보이드가 하나만 있어도 반드시 고장이 발생한다고 단정할 수는 없습니다.

보이드의 크기와 위치, 솔더 접합부의 기능과 하중 조건이 중요합니다.

특정 위치의 큰 보이드는 실제 하중을 전달하는 면적을 줄이거나 열전달을 방해할 수 있습니다.

반면 허용 가능한 작은 보이드도 존재할 수 있습니다.

따라서 솔더 보이드는 단순히 “있다/없다”만으로 평가하지 않습니다.

보이드가 전력반도체에서는 더 중요한 이유

전력반도체 아래의 솔더층은 전기적·기계적 연결뿐 아니라 열을 전달하는 역할도 할 수 있습니다.

칩에서 나온 열이 PCB나 히트싱크 방향으로 빠져나가야 합니다.

솔더층에 큰 빈 공간이 존재하면 해당 영역은 열전달이 잘 이루어지지 않을 수 있습니다.

그 결과 국부적인 온도 상승이 발생할 가능성이 있습니다.

따라서 어떤 접합부에서는 솔더의 기계적 신뢰성뿐 아니라 열적 역할도 함께 고려해야 합니다.

납땜이 너무 적으면 왜 문제가 될까요?

솔더 양이 부족하면 충분한 접합 면적을 확보하지 못할 수 있습니다.

기계적 강도가 낮아질 수 있고 전기적 접촉도 불안정할 수 있습니다.

반대로 지나치게 많은 솔더도 항상 좋은 것은 아닙니다.

인접한 패드 사이에 솔더가 연결되어 솔더 브리지(Solder Bridge)를 만들면 원래 연결되어서는 안 되는 회로가 단락될 수 있습니다.

따라서 납땜에서도 적절한 양과 형상이 중요합니다.

콜드 솔더 조인트는 무엇일까요?

전자제품 수리 이야기를 보면 ‘냉납’ 또는 Cold Solder Joint라는 표현이 자주 등장합니다.

일반적으로 납땜 과정에서 적절한 온도와 젖음, 접합이 이루어지지 않아 품질이 좋지 않은 솔더 접합을 의미하는 데 사용됩니다.

표면이 거칠거나 접착이 불완전할 수 있습니다.

하지만 모든 무광택 납땜이 냉납이라는 뜻은 아닙니다.

특히 무연솔더는 전통적인 주석-납 솔더와 외관 특성이 다를 수 있습니다.

따라서 단순히 반짝이지 않는다는 이유만으로 불량이라고 판단하는 것은 적절하지 않습니다.

솔더의 젖음은 무엇일까요?

녹은 솔더가 금속 패드 위에 충분히 퍼지고 결합하는 것을 젖음(Wetting)이라고 합니다.

금속 표면에 산화물이나 오염물이 많으면 솔더가 제대로 퍼지지 않을 수 있습니다.

이때 플럭스가 중요한 역할을 합니다.

플럭스는 금속 표면의 산화물을 제거하고 새로운 산화를 줄이면서 솔더가 금속을 잘 적실 수 있도록 도와줍니다.

접착제에서 표면 청정도와 젖음이 중요했던 것처럼 솔더링에서도 표면 상태가 매우 중요합니다.

플럭스가 없으면 왜 납땜이 어려울까요?

금속 표면은 공기 중에서 쉽게 산화됩니다.

산화층은 녹은 솔더가 금속과 직접 접촉하는 것을 방해할 수 있습니다.

플럭스는 이 산화층을 화학적으로 제거하거나 감소시키는 역할을 합니다.

그래서 솔더가 깨끗한 금속 표면에 퍼지고 금속간 접합을 형성하기 쉬워집니다.

다만 납땜 후 남은 플럭스 잔류물은 종류와 사용조건에 따라 적절하게 관리해야 합니다.

앞선 글에서 살펴본 것처럼 이온성 오염과 습기가 만나면 전기화학적 신뢰성 문제로 이어질 수 있기 때문입니다.

솔더와 구리 사이에서는 무엇이 생길까요?

납땜이 단순히 솔더가 구리 위에 굳어서 붙어 있는 것은 아닙니다.

솔더링 과정에서는 주석과 구리 같은 원소들이 서로 확산하면서 경계에 금속간화합물(Intermetallic Compound, IMC) 층을 형성할 수 있습니다.

적절한 IMC 형성은 정상적인 금속학적 접합에 필요합니다.

즉, 솔더와 구리가 단순히 기계적으로 붙어 있는 것이 아니라 원자 수준에서 새로운 계면 구조가 만들어지는 것입니다.

금속간화합물은 많을수록 좋은 걸까요?

그렇지는 않습니다.

IMC는 접합에 필요하지만 일반적으로 솔더 자체보다 단단하고 취성적인 성질을 가질 수 있습니다.

고온에 장시간 노출되면 계면에서 IMC 층이 계속 성장할 수 있습니다.

지나치게 두꺼워지거나 특정 취성 구조가 발달하면 접합부의 기계적 신뢰성에 불리할 수 있습니다.

따라서 납땜에서는 IMC가 없어서도 안 되고 무조건 두꺼워서도 좋은 것이 아닙니다.

고온에서 솔더 내부 구조도 변할 수 있습니다

금속은 고체 상태에서도 내부 미세구조가 완전히 고정되어 있지 않습니다.

시간과 온도에 따라 결정립 구조와 석출물 등이 변화할 수 있습니다.

솔더 역시 장시간 열에 노출되면 미세구조가 변할 수 있습니다.

이러한 변화는 크리프와 피로 특성에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 솔더 조인트의 장기적인 성능은 초기 조립 상태뿐 아니라 사용 중 어떤 온도 이력을 경험했는가에도 영향을 받습니다.

솔더의 결정립은 왜 중요할까요?

금속은 일반적으로 수많은 작은 결정립으로 이루어져 있습니다.

결정립의 크기와 방향, 상 분포 등은 기계적 특성에 영향을 줄 수 있습니다.

반복적인 열사이클을 받는 솔더에서는 특정 위치에서 미세구조가 변화하고 균열이 결정립계 등을 따라 성장할 수도 있습니다.

실제 고장분석에서는 솔더 단면을 연마하고 현미경으로 관찰해 미세구조와 균열 경로를 확인하기도 합니다.

무연솔더는 왜 사용하게 되었을까요?

과거 전자제품에는 주석과 납을 기반으로 한 Sn-Pb 솔더가 널리 사용되었습니다.

하지만 납은 환경과 인체에 유해한 중금속이기 때문에 전자제품의 유해물질 사용을 제한하는 규제가 강화되면서 무연솔더 사용이 크게 확대되었습니다.

대표적으로 주석·은·구리를 기반으로 한 SAC 계열 솔더가 널리 사용됩니다.

다만 무연솔더는 기존 Sn-Pb 솔더와 녹는 온도와 기계적 특성, 미세구조가 다릅니다.

따라서 제조 공정과 신뢰성 설계도 그 특성에 맞게 달라져야 합니다.

무연솔더는 무조건 더 잘 깨질까요?

그렇게 단순하게 말할 수는 없습니다.

솔더의 신뢰성은 조성과 패키지 구조, 열사이클 조건, 접합 크기 등 많은 변수에 따라 달라집니다.

특정 조건에서는 Sn-Pb가 유리할 수도 있고 다른 조건에서는 특정 무연솔더가 충분한 성능을 보일 수도 있습니다.

따라서 ‘무연솔더 = 약한 솔더’처럼 일반화하는 것은 정확하지 않습니다.

주석 휘스커는 솔더 균열과 다른 현상입니다

주석이 포함된 전자제품에서 Tin Whisker, 즉 주석 휘스커라는 현상이 언급되기도 합니다.

주석 도금 표면에서 매우 가느다란 금속 결정이 수염처럼 성장하는 현상입니다.

이 구조가 인접한 전기접점까지 성장하면 단락을 만들 가능성이 있습니다.

하지만 이는 솔더 열피로 균열과는 다른 고장 메커니즘입니다.

솔더 균열은 반복적인 기계적 변형과 피로가 핵심입니다.

주석 휘스커는 주석층 내부의 응력과 미세구조 등 여러 요인이 관련된 성장현상입니다.

둘을 구분해서 이해해야 합니다.

PCB가 뜨거웠다 차가워지는 것보다 온도 차이가 더 중요할 수 있습니다

열피로에서는 단순히 최고온도만 중요한 것이 아닙니다.

예를 들어 두 제품이 모두 최고 80℃까지 올라간다고 생각해보겠습니다.

첫 번째 제품은 항상 70~80℃ 사이에서 작동합니다.

두 번째 제품은 매번 20℃에서 80℃까지 오르내립니다.

두 번째 제품이 경험하는 온도 변화폭, 즉 ΔT가 훨씬 큽니다.

재료 간 열팽창 차이도 더 크게 나타날 수 있습니다.

따라서 열피로에서는 최고온도뿐 아니라 온도 변화의 폭과 횟수가 중요합니다.

온도가 얼마나 빨리 변하는지도 중요할까요?

상황에 따라 중요합니다.

온도가 매우 빠르게 변하면 부품 내부와 외부 사이에 일시적인 온도 차이가 커질 수 있습니다.

각 부분이 서로 다른 속도로 팽창하면서 추가적인 열응력이 발생할 수 있습니다.

반대로 천천히 온도가 변하면 내부 온도가 보다 균일하게 따라갈 수 있습니다.

그래서 신뢰성 시험에서는 단순한 최고·최저 온도뿐 아니라 전이 속도와 유지시간도 관리합니다.

열사이클 시험은 무엇을 확인할까요?

전자부품의 열피로 내구성을 평가하기 위해 Temperature Cycling Test를 사용할 수 있습니다.

제품이나 부품을 저온과 고온 사이에서 반복적으로 변화시킵니다.

이 과정에서 재료들은 계속 팽창과 수축을 반복합니다.

잠재적으로 약한 솔더 접합부나 계면에서는 피로손상이 가속될 수 있습니다.

시험 후에는 전기적 특성을 확인하거나 단면 분석을 통해 균열 여부를 살펴볼 수 있습니다.

열충격 시험과 열사이클 시험은 같을까요?

두 용어가 비슷하게 사용되기도 하지만 일반적으로 열충격은 온도가 매우 빠르게 변하는 더 가혹한 조건을 의미할 수 있습니다.

예를 들어 고온 챔버에서 저온 챔버로 시편을 빠르게 이동시키는 방식입니다.

반면 온도사이클은 챔버 내부에서 보다 제어된 속도로 온도를 오르내릴 수 있습니다.

시험의 목적과 규격에 따라 조건은 달라집니다.

시험을 많이 하면 실제 수명을 정확히 알 수 있을까요?

열사이클 횟수가 많다고 바로 실제 사용연수로 환산할 수 있는 것은 아닙니다.

실제 제품에서는 전원이 켜지는 횟수와 온도 변화폭, 온도 상승속도, 사용시간이 모두 다릅니다.

시험과 실제 제품에서 지배적인 고장 메커니즘이 같은지도 중요합니다.

따라서 가속시험은 제품의 상대적인 내구성을 비교하고 취약점을 찾는 데 매우 유용하지만 단순한 시간 환산에는 주의가 필요합니다.

Coffin-Manson 관계는 무엇일까요?

저주기 피로와 반복적인 소성변형을 설명하는 데 Coffin-Manson 관계가 사용됩니다.

솔더 조인트의 열피로 수명 모델에서도 이와 관련된 개념이 활용될 수 있습니다.

기본적인 생각은 반복되는 변형폭이 커질수록 피로수명이 크게 줄어들 수 있다는 것입니다.

즉, 온도 변화 때문에 솔더가 매 사이클마다 크게 변형된다면 적은 반복횟수에서도 손상이 누적될 수 있습니다.

하지만 실제 전자패키지의 수명예측에는 온도, 시간, 크리프, 패키지 형상 등 다양한 요소가 추가로 고려됩니다.

전원을 계속 켜두는 게 낫다는 말은 맞을까요?

전자제품의 열피로만 생각하면 전원을 켰다 껐다 할 때 발생하는 온도 사이클이 줄어드는 것이 유리해 보일 수 있습니다.

하지만 제품 수명은 솔더 피로 하나로만 결정되지 않습니다.

계속 높은 온도로 작동하면 콘덴서와 배터리, 고분자 재료의 열화가 빨라질 수 있습니다.

전력소모도 계속됩니다.

따라서 모든 전자제품에 대해 “계속 켜두는 것이 수명에 좋다”거나 반대로 “무조건 자주 꺼야 좋다”고 단정하기는 어렵습니다.

평균 온도와 열사이클은 서로 다른 열화 메커니즘에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

노트북이 오래되면 BGA가 떨어진다는 말은 모두 맞을까요?

온라인에서는 오래된 노트북이나 그래픽카드 고장을 거의 모두 BGA 솔더 문제로 설명하는 경우가 있습니다.

하지만 전자제품의 고장 원인은 매우 다양합니다.

• 반도체 자체 고장
• 전원부 문제
• 콘덴서 열화
• 커넥터 접촉불량
• PCB 손상
• 펌웨어 문제
• 솔더 균열

따라서 특정 증상만 보고 BGA 솔더 균열이라고 단정해서는 안 됩니다.

정확한 진단에는 회로 측정과 부품검사, 필요에 따라 물리적 분석이 필요합니다.

그래픽카드를 오븐에 넣으면 고쳐진다는 이야기는 왜 나왔을까요?

오래된 그래픽카드나 메인보드를 가열하면 일시적으로 살아났다는 사례가 인터넷에 존재합니다.

이 때문에 가정용 오븐으로 PCB를 가열하는 방법까지 알려지기도 했습니다.

하지만 이는 적절한 수리 방법이라고 보기 어렵습니다.

전자조립의 정상적인 리플로 공정은 온도 프로파일과 최고온도, 유지시간을 정밀하게 관리합니다.

가정용 오븐에서 임의로 가열하면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 플라스틱 커넥터 변형
• PCB 손상
• 부품 열손상
• 접착제 열화
• 유해 증기와 오염
• 기존 고장 원인 악화

또 가열 후 잠시 작동한다고 해서 실제 고장 원인이 해결된 것도 아닐 수 있습니다.

따라서 전자제품을 임의로 고온 가열하는 것은 피하는 것이 좋습니다.

리플로우와 리볼링은 같은 것일까요?

아닙니다.

리플로우(Reflow)는 솔더를 다시 녹여 접합을 형성하는 공정을 의미합니다.

전자제품 제조에서도 정상적인 SMT 조립 과정에서 리플로우 오븐을 사용합니다.

반면 리볼링(Reballing)은 BGA 부품을 제거한 뒤 기존 솔더볼을 제거하고 새로운 솔더볼을 형성해 다시 장착하는 작업을 말합니다.

수리 분야에서 두 용어가 혼용되는 경우가 있지만 실제 작업은 다릅니다.

다시 녹이면 균열이 완전히 해결될까요?

솔더 균열 자체가 문제였다면 적절한 공정을 통해 접합을 새로 형성하면 전기적 연결이 회복될 수 있습니다.

하지만 왜 균열이 생겼는지 원인을 제거하지 않는다면 재발할 가능성이 있습니다.

예를 들어 냉각 시스템이 불량해 온도 변화가 지나치게 크다면 새 솔더도 다시 열피로를 받을 수 있습니다.

PCB가 구조적으로 계속 휘고 있다면 기계적 변형이 반복될 수 있습니다.

따라서 수리에서도 단순히 솔더를 다시 녹이는 것과 근본적인 고장 원인을 수정하는 것은 구분해야 합니다.

솔더 균열이 보이면 어디를 살펴볼까요?

고장분석에서는 균열 자체뿐 아니라 위치와 방향을 확인합니다.

패키지 바깥쪽 솔더에 집중되어 있습니다

CTE 차이에 의한 열피로를 살펴볼 수 있습니다.

PCB 패드와 솔더 경계에서 발생했습니다

계면 구조와 IMC, 패드 상태 등을 확인할 수 있습니다.

솔더 내부를 가로질러 균열이 진행됩니다

솔더의 피로와 미세구조를 살펴볼 수 있습니다.

PCB 패드 자체가 뜯겨나갔습니다

솔더보다 PCB의 패드 접합부가 먼저 파손되었을 수 있습니다.

한쪽 모서리에만 심합니다

PCB 굽힘이나 국부적인 기계하중을 함께 확인할 수 있습니다.

패드 크레이터링이란 무엇일까요?

BGA 같은 부품에서 PCB가 강하게 휘면 솔더 자체는 멀쩡한데 PCB의 수지와 유리섬유 구조 내부에서 파손이 발생할 수 있습니다.

패드 바로 아래 기판 재료에 균열이 발생하면서 패드가 부분적으로 들리는 현상을 Pad Cratering이라고 부르기도 합니다.

겉으로는 솔더 접합 고장과 비슷하게 전기적 연결이 끊어질 수 있습니다.

하지만 실제 파손 위치는 솔더가 아니라 PCB 내부입니다.

따라서 단순히 접합이 끊어졌다는 이유만으로 솔더 불량이라고 판단해서는 안 됩니다.

왜 큰 BGA 주변에서 PCB 굽힘을 조심할까요?

큰 패키지는 PCB와 강하게 연결되어 있습니다.

조립 중 기판을 휘거나 커넥터를 강하게 끼울 때 PCB에 굽힘이 발생하면 솔더볼과 패드 주변에 높은 응력이 생길 수 있습니다.

그래서 제조현장에서는 depaneling이나 커넥터 삽입 등 PCB에 힘이 가해지는 공정을 관리합니다.

제품이 완성된 후에도 하우징 나사 체결과 낙하 충격 등이 영향을 줄 수 있습니다.

언더필은 왜 사용될까요?

일부 BGA나 플립칩 구조에서는 칩과 기판 사이 공간에 언더필(Underfill)이라는 수지재료를 채우기도 합니다.

언더필은 솔더 접합부 주변의 하중을 분산하고 기계적 강도를 높이는 데 도움을 줄 수 있습니다.

특히 낙하 충격이나 열사이클에서 접합부의 변형을 줄이는 목적으로 사용될 수 있습니다.

하지만 언더필 역시 고분자이기 때문에 열팽창계수와 탄성률, 접착력 등을 적절하게 설계해야 합니다.

언더필이 있으면 절대 솔더가 깨지지 않을까요?

그렇지는 않습니다.

언더필은 응력을 분산시키는 데 도움을 줄 수 있지만 제품 구조와 재료 선택이 적절하지 않으면 다른 위치에 응력이 집중될 수도 있습니다.

또 장기간의 습기와 열에 의해 언더필 자체가 열화될 가능성도 고려해야 합니다.

전자패키지의 신뢰성은 하나의 보강재만으로 해결되는 문제가 아닙니다.

스마트폰과 자동차 전자제품의 솔더 환경은 다릅니다

스마트폰은 비교적 작은 크기와 낙하충격, 충전 중 발열 등을 경험합니다.

자동차 전장품은 더 넓은 온도 범위와 지속적인 진동을 경험할 수 있습니다.

엔진 주변 전자장비라면 높은 온도도 문제입니다.

따라서 같은 솔더 재료를 사용해도 제품이 경험하는 하중 조건은 크게 다릅니다.

전자부품 신뢰성 시험도 실제 사용환경에 맞춰 설계해야 합니다.

자동차 전자제품에서는 진동도 함께 작용합니다

자동차가 주행하면 PCB에는 지속적인 진동이 전달됩니다.

큰 부품은 관성 때문에 기판을 반복적으로 움직일 수 있습니다.

솔더 조인트도 기계적인 피로를 받을 수 있습니다.

여기에 엔진을 켜고 끌 때의 열사이클까지 더해지면 열피로와 진동피로가 함께 작용할 수 있습니다.

따라서 실제 고장에서는 하나의 원인만 존재하지 않을 수 있습니다.

큰 콘덴서나 코일의 납땜부가 갈라지는 이유

무거운 부품은 진동할 때 더 큰 관성력을 만들 수 있습니다.

PCB 위에 높게 세워진 대형 전해콘덴서나 코일, 변압기 등이 반복적으로 흔들리면 리드와 솔더 접합부에 하중이 집중될 수 있습니다.

이 경우에는 열피로보다 기계적 진동피로가 더 중요한 원인일 수도 있습니다.

그래서 대형 부품을 접착제나 클램프로 추가 고정하는 설계가 사용되기도 합니다.

무거운 부품을 접착제로 고정하면 왜 도움이 될까요?

부품 몸체가 PCB에 대해 자유롭게 흔들리는 것을 줄일 수 있습니다.

관성하중이 솔더 접합부에만 집중되는 것을 막고 넓은 영역으로 분산할 수 있습니다.

즉, 솔더가 전기 연결과 동시에 구조물 전체를 혼자 지탱하지 않도록 하는 것입니다.

리드가 있는 부품이 움직임을 흡수할 수도 있습니다

부품에서 길게 나온 금속 리드는 어느 정도 유연하게 움직일 수 있습니다.

PCB와 부품 몸체 사이의 열팽창 차이나 진동을 리드의 변형으로 흡수할 수 있습니다.

반면 매우 짧고 단단한 접합은 상대 변위를 솔더가 더 직접적으로 받아야 할 수 있습니다.

이 때문에 전자패키지의 형상 자체가 신뢰성에 영향을 줍니다.

솔더 고장도 결국 ‘가장 약한 부분’에서 시작됩니다

솔더 접합 시스템을 구성하는 요소는 여러 개입니다.

• 부품 단자
• 솔더
• 금속간화합물
• PCB 패드
• PCB 기판재
• 표면처리층

반복적인 열과 기계하중이 가해지면 이 가운데 가장 취약한 위치에서 파손이 시작될 수 있습니다.

솔더 내부일 수도 있습니다.

솔더와 금속의 계면일 수도 있습니다.

PCB 패드 아래일 수도 있습니다.

따라서 “납땜이 떨어졌다”는 표현만으로는 실제 고장 위치를 알 수 없습니다.

납땜 고장분석에서 단면을 보는 이유

겉에서만 보면 솔더 조인트의 내부 상태를 알기 어렵습니다.

그래서 문제가 된 접합부를 절단한 뒤 수지에 넣고 연마하여 단면을 관찰할 수 있습니다.

현미경을 이용하면 다음을 확인할 수 있습니다.

• 균열 위치
• 보이드
• IMC 두께
• 솔더 미세구조
• 패드 손상
• 부식

필요에 따라 전자현미경이나 성분분석도 사용할 수 있습니다.

파손 위치를 정확하게 찾는 것이 원인 규명의 출발점입니다.

단면 하나만 보고 모든 솔더 상태를 판단하면 안 되는 이유

3차원 구조를 한 면으로 잘라 보는 것이기 때문입니다.

균열이 절단면을 지나가지 않으면 실제로 존재해도 보이지 않을 수 있습니다.

또 특정 솔더볼 하나만 분석해서 전체 부품의 상태를 대표한다고 보기 어려울 수 있습니다.

따라서 고장 위치를 찾기 위해 전기적 측정과 X-ray, 파괴분석 등을 함께 사용할 수도 있습니다.

솔더의 상태는 온도 기록을 남겨놓지 않습니다

제품을 분해해 균열을 발견해도 그것이 몇 번의 열사이클을 거쳐 생겼는지 솔더가 직접 알려주지는 않습니다.

그래서 고장분석에서는 제품의 사용이력이 중요합니다.

• 하루에 몇 번 켜고 껐는가
• 주변 온도는 어땠는가
• 고부하 작업을 자주 했는가
• 냉각팬에 문제가 있었는가
• 낙하나 충격이 있었는가
• 특정 시점부터 과열이 있었는가

파손면과 사용이력을 함께 봐야 고장 메커니즘을 더 정확하게 추정할 수 있습니다.

냉각 성능이 나빠지면 솔더 피로에도 영향을 줄 수 있습니다

팬에 먼지가 쌓이거나 써멀재료가 열화되면 반도체 온도가 높아질 수 있습니다.

최고온도가 높아질 뿐 아니라 전원을 켰을 때와 껐을 때의 온도 차이도 커질 수 있습니다.

따라서 냉각 문제는 단순히 반도체의 열화만 촉진하는 것이 아닙니다.

솔더 조인트가 경험하는 열사이클 조건도 더 가혹하게 만들 수 있습니다.

여러 고장 메커니즘이 서로 연결되는 것입니다.

처음에는 냉각 문제였는데 나중에는 접촉불량이 될 수도 있습니다

전자제품의 열 문제를 시간순으로 생각해보면 다음과 같은 과정도 가능합니다.

먼지가 쌓입니다.

냉각 성능이 떨어집니다.

부품의 작동온도가 높아집니다.

온도 사이클 폭도 커집니다.

솔더 접합부의 열피로가 빨라집니다.

미세균열이 시작됩니다.

전기적 연결이 간헐적으로 끊깁니다.

사용자는 어느 날 갑자기 전자제품이 이상해졌다고 느낍니다.

하지만 최종적인 접촉불량보다 훨씬 이전에 냉각 성능 저하가 고장의 출발점이었을 수도 있습니다.

납땜을 다시 해도 반복해서 깨진다면 무엇을 봐야 할까요?

같은 위치의 솔더가 계속 재파손된다면 솔더 품질만 반복해서 의심해서는 안 됩니다.

그 위치에 비정상적으로 큰 변형이 계속 발생하고 있을 수 있습니다.

예를 들어 다음을 확인할 수 있습니다.

• 부품이 지나치게 뜨거운지
• PCB가 휘어 있는지
• 진동이 집중되는지
• 무거운 부품이 흔들리는지
• 하우징이 PCB를 누르는지
• 열팽창 차이가 큰 구조인지

접합부만 수리하고 하중의 원인을 그대로 두면 같은 고장이 다시 나타날 수 있습니다.

전자제품의 납땜은 움직이지 않는 것처럼 보이지만 평생 움직이고 있습니다

완성된 회로기판을 보면 모든 부품이 단단하게 고정되어 있어 움직임이 전혀 없는 것처럼 보입니다.

하지만 분자와 미세구조 수준에서는 그렇지 않습니다.

전원을 켤 때마다 부품이 뜨거워집니다.

재료가 팽창합니다.

PCB와 패키지가 서로 다른 만큼 움직입니다.

솔더가 변형됩니다.

제품을 끄면 다시 식습니다.

반대 방향으로 움직입니다.

이 과정이 제품의 수명 동안 계속 반복됩니다.

한 번의 움직임은 너무 작아서 아무 문제도 만들지 못할 수 있습니다.

하지만 작은 변형도 충분히 많이 반복되면 재료 안에 손상을 축적할 수 있습니다.

이것이 전자제품이 사용 첫날에는 완벽하게 작동했음에도 몇 년 뒤 솔더 접합부에서 고장이 발생할 수 있는 이유입니다.

따라서 납땜 고장을 볼 때 가장 중요한 질문은 단순히

“납땜이 제대로 됐었나?”

만이 아닙니다.

“이 접합부가 제품의 수명 동안 얼마나 큰 온도 변화를 몇 번이나 겪었으며, 동시에 어떤 기계적 변형과 진동을 받아왔는가?”

를 함께 살펴봐야 합니다.

솔더 조인트의 작은 균열은 갑자기 생긴 흠집처럼 보일 수 있습니다.

하지만 그 균열 안에는 제품이 수년 동안 반복해서 겪어온 뜨거움과 차가움, 팽창과 수축의 기록이 남아 있을 수 있습니다.