Device Durability Review: Focus on PCBs, ICs, and MLCCs

스마트폰, 컴퓨터, 전자장치 고장 근본 원인: PCB, IC, MLCC 의 내구성 소고(小考):

 

디지털시대로의 진화가 가속화되면서, 일상생활에 사용되는 전자장치들이, 고도로 집약된 전자부품들로 이루어지고 있다. 얼핏 보면, 첨단 제품이라 좋아 보이지만, 그 이면에 내재된 PCB(Printed Circuit Board), IC(Integrated Circuit), MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor) 등의 각종 부품들의 내구성 등은 그 제품의 품질을 담보하지는 않는다고 생각된다.

 

Digital devices that contain circuit boards, microchips, and ceramic capacitors

 

 

범위를 좁혀서, 컴퓨터 관련 장치들을 중심으로 그것들의 취약점등을 살펴보자. 데스크탑 이나 노트북 컴퓨터를 예로 들면, 그 안에는 메인보드, 네트워크 장치, 저장 장치, 전원 장치 등의 부품들이 있다.

 

컴퓨터 메인보드의 PCB 에는 셀 수없이 많은 IC, MLCC 들이 깨알같이 붙어있다. 상당수는 크기가 너무 작아서, 확대경 없이는 구별할 수도 없다. 그리고, 각종 IC 는 수 십 에서, 수 백 개의 핀(pin)으로 되어 있다. 메인 메모리 그리고 중앙처리장치인 CPU 나 그래픽 처리장치인 GPU 들은 BGA(Ball Grid Array) 나 LGA(Land Grid Array) 형식으로, 수 백 에서 천 개가 넘는 접점들이, 외부에서는 보이지도 않게, PCB 표면에 납땜(SMT) 되어 있다. 그리고 PCB는, 일반적으로 여러개의 층(layer)으로 구성되어 있다. 내부층들은 회로연결(circuit traces) 뿐만아니라 여러 기능도 담당한다. 따라서 다양한 조건으로 인하여, 내부층의 기능 불량도 발생한다.

 

1 ~ 2: IC, 3: GPU, 4 ~ 5: MLCC

 

 

1: 작은 구멍들이 프로세서(Processor) 접점   2: MLCC

 

 

이러한 부품들은 모두 자동화 기계로 납땜 된다. 이 과정에서, 납땜 불량, PCB 회로 불량 등의 여러 에러가 발생하기도 한다. 정상적으로 납땜 된 부품둘도, 제품에 장착된 후에, 노후화 과정과 더불어 외부의 환경에 의하여 열에 의한 변형, 물리적인 충격 등에 의해 불량이 발생된다.  그 셀 수 없이 많은, 회로와 핀, 접점 중 한 개라도 접촉불량이나 파손 등이 발생하면, 제품의 정상작동은 불가능하다.

 

물론, 이러한 부품을 제조하는 회사들도, 불량을 줄이기위해, 특수 코팅(Conformal Coating)이나 패키징 기술(Potting Compound) 등의 보완책을 사용한다. 하지만, 이러한 방법들은, 발열문제 등의 또 다른 부작용을 초래하기도 한다. 

 

그리고, 최근에 출시되는 각종 IT 관련 제품들은, 그래픽이나 네트워크 처리 요구가 증가하여, 해당 프로세서들의 발열이 심하다. 특히, 오래 사용되거나 물리적인 스트레스를 많이 받은 그래픽 프로세서(GPU)의 경우, 반복적인 가열과 냉각으로, 수 백, 수 천개의 접점 중의 일부가 오픈(전기적으로 연결이 끊어지는 현상)되는 경우가 자주 발생하기도 한다. 그렇게 되면, 화면 깜빡임, 비정상적인 색상 표시 등과 같은 그래픽 오류가 발생한다. 이런 경우가 흔하다 보니, 일부 사용자들 사이에서는 이른바, “오븐 구이” 라는 그래픽카드 임시 처방도 행해지고 있다.

 

실제로, 컴퓨터 메인보드를 케이스에 장착할 때, 나사를 풀고, 조이는 드라이버가, 부주의로 메인보드에 떨어지는 경우, 재수 없으면, 보드 회로에 상처가 나거나, IC 핀이 휘거나, MLCC 콘덴서의 일부가 파손되거나 미세한 금이 가서(Crack) 불량을 야기하기도 한다.

 

잠시만 생각해보자!  맨눈으로 확인하기도 어려운 수백개의 미세한 IC 핀들이나, 각종 프로세서(휴대폰의 AP, CPU, GPU)의 천 개가 넘는 접점들이, 노화진행과 변화하는 외부 환경에 견디어 항상 제대로 접착되어 있으리라고 생각하는 것은, 기우제를 지내는 것과 다르지 않다고 생각한다.

 

그리고 요즘, 사회적으로 이슈화되고 있는 내연기관 자동차나 전기차의 급발진(High-Speed Starts)과 배터리 화재 등이 이러한 원인과 무관하다고 생각하면, 너무 순진한 발상인가???