보드 레벨 신뢰성, 낙하와 진동 시험으로 보는 접합부

스노보드 선수가 점프를 마치고 착지하는 순간에는 보드와 바인딩에 큰 충격이 단 한 번 걸립니다. 반대로 울퉁불퉁한 설면을 달릴 때는 작은 진동이 쉬지 않고 반복해서 걸립니다.

같은 장비라도 한 번의 큰 충격에 부러지는 것과 반복되는 진동에 서서히 지치는 것은 다른 문제입니다. 휴대 기기 안의 패키지도 마찬가지여서, 솔더 볼로 보드에 붙은 상태에서 낙하와 진동을 겪을 때 접합부가 버티는지를 보는 보드 레벨 신뢰성이 따로 다뤄집니다.

장비와 다른 점은 보이지 않는다는 것입니다. 스노보더는 장비의 이상을 몸으로 느끼지만, 패키지 아래 숨은 솔더 접합부는 전기 저항이 변하는 순간에야 문제가 드러납니다.

보드 레벨 신뢰성이 따로 필요한 이유, 보드에 붙은 뒤에 시험대에 오릅니다

패키지 신뢰성 시험은 대개 패키지 단독으로 온도, 습도, 수명 조건을 가하며 진행합니다. 그런데 실제 제품에서 패키지는 보드에 솔더로 붙어 있고, 보드가 휘거나 흔들릴 때 가장 큰 부담을 받는 곳은 칩 내부보다 패키지와 보드 사이의 접합부입니다.

그래서 패키지를 시험용 보드에 실장한 상태에서 하는 시험을 따로 두고, 이것을 보드 레벨 신뢰성(Board Level Reliability) 시험이라고 부릅니다. 같은 패키지도 보드의 두께, 패드 설계, 솔더 합금, 고정 방식에 따라 결과가 크게 달라진다는 것이 이 시험의 전제입니다.

즉 패키지 하나의 품질이 아니라 패키지와 보드와 조립 공정이 만든 조합의 품질을 확인하는 시험입니다. 칩 제조사와 세트 제조사가 모두 관심을 갖는 이유도 여기에 있습니다.

충격 한 번과 진동 수백만 번, 힘의 성격이 다릅니다

낙하는 짧은 시간에 큰 힘이 가해지는 과응력(Overstress) 유형입니다. 솔더가 천천히 늘어나며 버틸 여유 없이 변형이 빠르게 일어나므로, 접합부가 깨지듯 끊어지는 취성 파손이 두드러지는 경향이 있습니다.

진동은 작은 힘이 아주 많이 반복되는 피로(Fatigue) 유형입니다. 한 번의 변형은 문제가 안 될 정도로 작아도 수백만 번이 쌓이면 접합부 안에서 미세한 균열이 자라 결국 끊어집니다.

온도 변화로 생기는 파손도 피로 유형이지만 원인이 다릅니다. 칩과 기판과 보드의 열팽창 차이로 접합부가 천천히 반복 변형되며, 이는 보드 레벨 온도 사이클 시험으로 따로 확인합니다.

낙하 시험은 어떻게 진행되는가

휴대용 전자 제품에 쓰이는 부품의 보드 레벨 낙하 시험 방법은 JEDEC 규격인 JESD22-B111로 정해져 있다고 널리 인용됩니다. 규격은 시험 보드의 구성과 충격 파형, 판정 기준을 정해 회사마다 같은 기준으로 비교할 수 있게 합니다.

핵심은 4번의 연속 감시입니다. 접합부가 끊어졌다가 순간적으로 다시 붙는 간헐적 불량이 있어서, 낙하 후에 한 번 재는 것만으로는 놓치기 때문입니다.

5번의 낙하 횟수는 시료마다 달라서 보통 와이블 분포 같은 통계 방법으로 정리합니다. 최소 몇 회를 견디는지와 평균적으로 몇 회에서 끊어지는지를 함께 보며, 설계나 공정을 바꿀 때 개선 여부를 비교하는 기준으로 씁니다.

솔더 접합부가 깨지는 위치와 모양

충격을 받으면 보드는 한 번 크게 휜 뒤 몇 차례 출렁이며 잦아듭니다. 이때 패키지는 보드보다 훨씬 단단해서 같은 곡률로 휘지 못하고, 그 곡률 차이가 접합부의 인장과 전단 변형으로 나타납니다.

변형이 가장 큰 곳은 패키지의 가장자리, 특히 모서리 볼입니다. 중심에서 가장 멀수록 상대 변위가 크기 때문이며, 그래서 낙하 시험의 불량은 모서리 볼에서 시작되는 경우가 많습니다.

끊어지는 모양은 크게 세 가지로 나눕니다. 솔더와 패드 사이의 금속간화합물(IMC, Intermetallic Compound) 층 경계에서 깨지는 파단, 패드 아래의 보드 수지가 갈라지는 패드 크레이터링(Pad Cratering), 그리고 패키지 안이나 보드의 배선이 끊어지는 경우입니다.

이 가운데 IMC 경계의 파단이 낙하에서 흔히 보고됩니다. IMC는 접합에 꼭 필요하지만 솔더보다 단단하고 잘 깨지는 층이라서 두꺼워지거나 불균일해지면 약한 고리가 됩니다.

진동 시험과 굽힘 시험이 보는 것

진동 시험은 보드의 고유진동수 근처에서 진폭이 커지는 공진을 확인합니다. 시험은 주파수를 훑으며 가진하는 방식이나 여러 주파수를 섞은 랜덤 진동으로 진행하며, 접합부가 피로로 끊어지기까지의 시간이나 횟수를 봅니다.

공진이 일어나는 주파수는 보드의 두께와 크기, 고정 위치, 얹힌 부품의 질량으로 정해집니다. 같은 패키지라도 보드를 어떻게 지지하느냐에 따라 공진이 시험 범위 안에 들어올 수도, 밖으로 벗어날 수도 있습니다.

굽힘 시험은 사용자가 기기를 누르거나 비트는 상황을 모사합니다. 보드를 일정한 변형량으로 반복해 굽히며 접합부의 저항 변화를 감시하는 방식이고, 이 역시 규격이 정한 조건으로 진행합니다.

보드 레벨 신뢰성을 높이는 설계와 공정

첫째는 변형 자체를 줄이는 방법입니다. 보드를 두껍게 하거나 고정 나사의 위치를 패키지 가까이에 두면 충격 때 보드가 휘는 정도가 줄고, 패키지와 보드의 곡률 차이도 작아집니다.

둘째는 접합부를 보강하는 방법입니다. 패키지와 보드 사이에 수지를 채우는 언더필(Underfill)이나 모서리만 접착제로 붙잡는 코너 본드를 쓰면 접합부가 받는 변형이 여러 볼로 나뉘어 분산됩니다.

셋째는 접합부의 소재와 모양을 바꾸는 방법입니다. 은 함량이 낮은 솔더 합금이 낙하에 더 유리한 경향이 보고되지만 온도 사이클에서는 다른 결과가 나올 수 있어서, 한 시험의 성적만으로 합금을 정하지 않고 여러 시험의 균형을 봅니다.

패키지 단독 신뢰성 시험을 통과했으니 보드에서도 안전하다는 생각은 흔한 오해입니다. 패키지 시험은 칩과 패키지가 견디는 조건을 보고, 보드 레벨 시험은 보드와 접합부까지 포함한 조합이 견디는지를 봅니다. 두 시험은 서로를 대신하지 못합니다.

낙하와 진동과 온도 사이클 비교 표

구분	낙하 (충격)	진동	온도 사이클
힘의 성격	짧고 큰 과응력	작은 힘의 고주기 반복	열팽창 차이로 인한 저주기 반복
파손 경향	금속간화합물 경계 파단과 패드 크레이터링	균열이 천천히 자라는 피로 파손	솔더 내부로 퍼지는 크랙
취약한 위치	패키지 모서리 볼	공진 때 변형이 큰 곳	칩 중심에서 먼 바깥쪽 볼
확인 방법	데이지 체인 저항을 낙하마다 감시	주파수 스윕이나 랜덤 진동 후 저항 확인	온도 구간을 반복하며 저항 확인
대표 대책	언더필, 코너 본드, 보드 강성 확보	고정 위치와 공진 주파수 조정	열팽창이 비슷한 재료 선택
놓치기 쉬운 점	칩이 깨지는지가 아니라 접합부를 보는 시험	보드 고정 방식에 따라 결과가 달라짐	낙하에 좋은 합금이 항상 유리하지 않음

핵심 정리

보드 레벨 신뢰성은 패키지가 보드에 붙은 상태에서 접합부가 낙하, 진동, 굽힘, 온도 변화를 견디는지 확인하는 일입니다. 낙하는 짧은 과응력으로 금속간화합물 경계나 보드 수지를 파손시키고, 진동은 작은 힘의 반복으로 피로 균열을 키운다는 점이 핵심 차이입니다.

스노보더가 착지의 충격과 설면의 진동을 따로 대비하듯이, 접합부도 한 번의 큰 힘과 반복되는 작은 힘에 각각 대비해야 합니다. 시험 결과를 읽을 때는 파손 위치와 모양까지 함께 보고, 그 원인에 맞는 보강책을 고르는 순서가 중요합니다.

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