이 엑스레이 사진이 전부를 말해 주었지만, 누구도 그것을 검토하려 하지 않았다. 소비자 보드—0.5mm 피치 BGA를 중심으로 개발된 두꺼운 모듈—이 실제로 리플로우 첫 번째 통과 실패율 9%로 돌아왔다. 고장난 접합부는 누락되지 않았다. 얇았다. X선 영상에서 접합부는 다이어트를 한 듯 보였는데, 부분적으로 채워졌고, 솔더가 부족했으며, 일부는 명백히 열린 상태에 가까웠다.
우리는 흔히 의심되는 요소들을 점검했다. 스텐실은 정상이었다—문제 없음. 납땜 페이스트 볼륨은 사양 범위 내에 있었다—문제 없음. 리플로우 프로파일은 페이스트 제조사의 권장 사항과 일치했다—문제 없음.
그러나 한 엔지니어가 보드를 뒤집고 바닥면을 살펴보았을 때, BGA 영역 바로 아래에 있는 비아들이 솔더로 가득 차 있는 것을 발견했다. 약간이 아니라, 완전히 꽉 찬 상태였다. 마치 작은 금속 빨대처럼.
디자인에서 패드 위에 바로 비아를 배치했다 -- 비아인패드(Via-in-pad) 방식, 밀집형 BGA 라우팅을 실현할 수 있게 해주는 형식 방법 -- 그리고 아무도 실제로 플러그링(plugging)을 통해 정의한 적은 없었다. 리플로우 과정에서 용융된 솔더는 열린 구멍을 만나면 언제나 그렇듯이 그 안으로 흘러들어갔다. 이로 인해 패드 상부의 접합부에 솔더가 부족해졌다.
기본 원리를 간추려 설명하자면 이렇다. 리플로우 오븐에서 솔더 페이스트가 녹으면 액체가 된다. 액체 상태의 솔더는 구리에 젖는다—이것이 바로 납땜이 가능해지는 근본 이유이다. 패드 중앙에 있는 열린 비아는 기판 내부로 곧장 뻗은 구리 도금 관과 같다. 용융된 솔더는 외부에서 밀려 들어갈 필요가 없다. 모세관 현상이 솔더를 비아 벽면을 따라 자동으로 끌어당긴다. 마치 물이 종이타월을 타고 올라가는 것과 같은 원리이다.
통공에 흡수되는 솔더의 양은 무시할 수 없다. 일반적인 설정을 생각해 보자: 0.4 mm 피치 BGA 패드 내에 0.25 mm 크기의 통공. 0.25 mm 지름의 통공과 1.6 mm 두께 기판으로 구성된 내부 부피는 약 0.08 입방밀리미터다. 해당 패드용 일반 스텐실은 0.1~0.15 입방밀리미터 규모의 페이스트를 도포하며, 페이스트는 리플로우 후 체적 기준 약 절반만이 금속 성분이다. 즉, 하나의 개방된 통공이 접합부 형성을 위해 예정된 솔더 전량을 흡수할 수 있다.
이것이 문제의 수학적 근거다. 이는 낮은 확률이 아니다. 또한 ‘가끔 약간 약한 접합부가 생긴다’는 식의 경미한 결과도 아니다. BGA 패드 내 비마개 통공은 해당 접합부 전체 솔더를 흡수해, 개방 상태가 되거나 열 사이클링 하에서 수개월 이내에 실패할 정도로 심각하게 솔더 부족 상태를 유발할 수 있다.
누구도 의도적으로 패드 내부에 비아를 배치하지 않는다. 패드 내 비아 기법은 미세 피치 BGA의 핀을 벗어나는 유일한 방법이기 때문에 존재한다. 대략 0.5mm 피치 이하에서는 도그본 라우팅을 위한 패드 간 여유 공간이 없어—패드에서 옆쪽으로 짧은 트레이스를 뻗어 비아를 배치하는 일반적인 방식이 불가능하다. 따라서 패드 자체에 비아를 배치해야 하며, 그렇지 않으면 설계를 완료할 수 없다.
따라서 이 기법은 타당하며, 매우 필수적이다. 사람들을 혼란스럽게 하는 것은 목표가 아니라 그 실행 방식이다: 패드 내 비아는 적절히 가공될 경우에만 허용된다. 설계 데이터에는 ‘통과형’이라고 명시되어 있다. 제작 지시서에는 반드시 ‘이 비아를 충전 및 캡핑하라’고 명시되어야 한다. 그렇지 않으면 제조업체는 설계대로 단순한 도금 통과 구멍으로 비아를 제작하게 되고, 보드는 BGA 아래에 수많은 미세한 납 흡수성 관 형태의 결함과 함께 출하된다.
실제로 지난 2년간 이 시리즈가 세 차례나 반복되는 것을 목격했습니다. 개발자가 밀집된 부품을 배선하기 위해 비아인패드(via-in-pad)를 포함시켰습니다. 훌륭한 설계 노트에는 적층 구조, 제품 사양, 구리 두께 등이 상세히 기재되어 있지만, 비아 처리 방식에 관한 언급은 전혀 없습니다. PCB 제조사는 그들의 시스템이 명시되지 않은 비아를 자동으로 개방형 통과 비아(open through)로 간주하기 때문에 별다른 문의 없이 견적을 내리고 제작합니다. 첫 번째 조립 공정에서 문제가 드러납니다. 책임 떠넘기기 게임이 시작됩니다. 누구도 이기지 못합니다.
납땜 흡수(solder wicking)로 인한 고장 모드는 얇은 납땜 접합부에 국한되지 않습니다. 총 네 가지 유형이 있으며, 이들이 중첩되어 발생합니다.
납 부족 및 개방 결함. 접합부에 필요한 양보다 훨씬 적은 납이 공급됩니다. 최악의 경우, BGA 볼이 패드에 전혀 융착되지 않아 기능 검사 시에만 드러나는 개방 결함이 생기거나, 더 나쁜 경우 현장에서야 문제가 나타납니다.
공극 조인트가 적절해 보이더라도, 비아 내부로 제대로 유입되지 않은 솔더는 자주 공극을 남긴다. BGA 조인트 내의 공간은 전기 저항을 높이고 응력 집중 지점을 형성한다. 열 사이클링 중에 이들 공극은 팽창한다. 무효화된 조인트는 공장에서 X선 검사를 통과하지만, 14개월 차에 결함이 드러난다.
가스 발생 연결되지 않은 비아는 플럭스 잔여물, 습기, 취급 화학물질을 비아 벽면 내부에 가두게 된다. 리플로우 과정에서 이 오염물질이 기화되며 용융된 솔더를 통해 기포를 상향 밀어낸다. 최악의 경우, 솔더가 인접한 패드 위로 튀어나오게 되는데, 이 결함은 서로 연결되지 않은 두 회로를 단락시킬 수 있으며, 추적하기 매우 어려운 고장으로 이어진다.
솔더 볼 두 번째 면에서 연결되지 않은 비아로부터 발생한 솔더는 기판 하부에서 떠다니는 구형 입자를 형성할 수 있다. 기기 케이스 내부의 떠다니는 전도성 이물질은 언제든 발생할 수 있는 간헐적 단락이다.
이러한 실패 설정 각각은 피할 수 있다. 현재 개발 중인 단계에서는 이들 각각이 눈에 띄지 않지만, 손상은 리플로우 오븐에서 30초 동안의 창(window) 내에 비아 배럴 내부에서 발생한다.
다행히도: 이 문제에는 명확히 정의된 표준 해결책이 있다. 문제는 이 해결책을 명시해야 한다는 점인데, 이는 비용이 들고 자동으로 적용되지 않기 때문이다.
비아 연결 은 최소 요구 사항이다—비아 배럴을 제품으로 완전히 채워 납땜이 침투하지 못하게 하는 것이다. 패드 내 비아(Via-in-Pad) 응용 분야에서는 일반적인 관행은 비아 충진 및 캡 도금 이다: 비아 내부를 전도성 또는 비전도성 수지로 완전히 채운 후, 이 수지를 경화시키고 평탄하게 연마한 다음, 그 위에 구리 캡을 층상으로 형성한다. 결과적으로, 비아가 없는 패드와 동일한 성능을 갖는 패드 표면이 만들어진다. 솔더 페이스트는 스텐실 설계 의도대로 고체 구리 위에 정확히 위치한다.
업계는 보안 기준에 따라 IPC-4761 보안 사용의 7가지 유형을 규정하며, 간단한 텐팅에서 완전히 충전 및 캡핑된 구조에 이르기까지 다양하다. 바이아인패드(via-in-pad)의 경우 관련 있는 유형은 로딩된 유형—즉, 종류 IV(완전 충전 후 커버됨)와 종류 VII(완전 충전 후 추가 마스크로 캡핑됨)—이다. 다음은 혼란을 유발하는 차이점이다. 텐팅(tenting) —즉, 양면에 솔더 마스크만으로 덮는 방식—은 바이아인패드에 부적합하다. 텐팅은 표면의 홀 내부로 솔더 유입을 막아주지만, 열 스트레스 하에서 마스크가 갈라질 수 있으며, 홀 벽면 내부에 갇힌 가스 배출(outgassing)이나 오염물 제거에는 아무런 효과가 없다. 텐팅은 패드 사이의 바이아용으로 설계된 것이지, 패드 내부의 바이아용이 아니다.
생산 시 고려해야 할 두 가지 추가 정보:
첫째, 충전 재료 선택. 전도성 일반적으로 구리가 함유된 에폭시를 사용하는 재료 충전 방식은 바이아가 전류를 전달해야 하는 경우에 선택된다—이는 패드를 통한 전기적 경로를 유지해준다. 비도전성 통전이 기계적으로만 차단되면 수지가 허용된다. 이 선택은 비용과 전기적 성능에 영향을 미치며, 제조 공정 중에 발견되는 것이 아니라 설계 검토 단계에서 결정되어야 한다.
둘째, 충진 품질이다. 반만 채워진 비아는 열린 비아만큼 좋지 않다—재료가 패드 바닥까지 도달하지 못하고 배럴 중간에서 멈추면 리플로우 중에 오염물질이 유입되거나 가스가 발생할 수 있는 공간이 여전히 남아 있다. IPC 권고사항은 BGA 영역에서 충진이 거의 공극 없이 이루어져야 하며, 숙련된 제조업체는 매 생산 패널에서 시험용 샘플을 절단하여 이를 입증한다. 공급업체가 해당 절단 분석 자료를 제공하지 못한다면, 그 이유를 반드시 확인해야 한다.
신호 전송이 이를 허용한다면, 가장 깔끔한 해결책은 비아-인-패드를 아예 사용하지 않는 것이다. 도그본 라우팅 -- 패드에서 가까이에 있는 부품까지 짧은 트레이스를 연결하는 방식 -- 이는 전통적인 선택지로, 문제의 근원을 바로 차단한다. 단점은 공간 차지: 도그본 배치가 차지하는 면적이 더 크며, 피치가 0.4mm 미만일 경우 일반적으로 여유 공간에 들어가지 못한다. 바로 이런 이유로 비아인패드 기술이 처음 등장하게 되었다.
또 다른 선택지는 필요한 위치에만 비아인패드를 적용하는 것 이다. 보드는 대부분의 신호 라우팅을 도그본 방식으로 처리하면서, 달리 해결할 수 없는 BGA 핀 배열에 대해서만 비아인패드를 사용할 수 있다. 이 하이브리드 방식은 라우팅 성능을 희생하지 않으면서, 채움 공정이 필요한 비아 수를 줄여 제조 비용(특히 비아 충전 및 캡핑 비용)을 낮춘다.
이 모든 문제에 대한 해결책은 제조 사양서 한 줄에 요약된다: IPC-4761 종류 IV/VII에 따라 부품 패드 내 모든 비아를 채우고 캡핑하며, 단면 검사를 통해 공극 없이 완전히 채워졌음을 확인해야 한다.
그 문장은 작성하는 데 거의 비용이 들지 않습니다. 재작업, 폐기물, 불량률, 그리고 누가 책임 있는지에 대한 분쟁을 모두 막아줍니다.
다음 보드를 제조업체로 보내기 전에 실행할 수 있는 간단한 점검 방법입니다: 설계 데이터를 열고, 솔더 패드에 닿거나 그 안으로 떨어지는 비아의 수를 세어 보세요. 그런 다음, 액체 상태의 솔더가 그곳으로 유입되는 것을 막을 수 있는 요소가 무엇인지 생각해 보세요. 만약 '아무것도 없다'는 답이 나온다면, 이미 양산 단계에서 발생할 문제를 사전에 발견한 것입니다. 이는 이 업계에서 가장 저렴한 해결책이며, 단 30초만 투자하면 누구나 적용할 수 있습니다.
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