불량 package만 가열해 떼면 주변이 더 안전할까

불량 package를 떼어 낼 때 주변 board는 차갑게 두고 해당 부품만 강하게 데우면 더 안전할 것처럼 보인다. 실제로는 차가운 board가 열을 빼앗아서 국소 heater를 더 세게 사용하게 만들 수 있다. 큰 온도 차이는 변형에도 영향을 준다. Package Rework Preheat는 가열 범위를 넓히는 과정이지만, 필요한 국소 과열을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

rework에서 녹여야 하는 것은 보이는 package 윗면만이 아니다. package 아래의 모든 필요한 solder joint가 제거 가능한 상태가 되어야 한다. 일부 joint가 아직 고체인데 vacuum nozzle로 들어 올리면 연결부와 PCB pad에 힘이 가해질 수 있다. 위에서 관찰한 온도 하나가 아래 접합의 상태를 모두 대표한다고 가정해서는 안 된다.

TI Reworking LLP Chip Scale Package는 board 아래 preheat와 국소 heating head를 함께 사용하는 절차를 설명한다. TI Flip Chip BGA 지침 5절도 bottom-side preheat가 큰 thermal gradient와 국소 warpage, component·주변 부품의 과열을 줄이는 데 도움이 된다고 설명한다. 두 문서의 과거 공정 숫자를 지금의 모든 board용 recipe로 쓰지는 않는다.

열이 빠져나가는 부담만 보는 가상 모델을 만들자. 목표 joint 온도는 230°C, 그 joint와 넓은 board 사이의 열저항은 4°C/W라고 둔다. board가 25°C에 고정된 경우 이 경로로 빠져나가는 열은 (230 − 25) / 4 = 51.25 W다. board를 별도 heater로 125°C에 유지하면 같은 joint 온도에서 26.25 W다.

이 단순 모델에서는 국소 heater가 그 경로의 열 손실을 보충하는 부담이 25 W 줄어든다. 접합과 board 사이 온도 차이도 205°C에서 105°C로 줄어든다. 그러나 preheat의 전체 소비 전력이 25 W 절약된다는 계산은 아니다. 아래 heater가 board를 데우는 에너지와 다른 열 손실은 모델에 없다. 실제 가열 초기에는 package와 board의 열용량도 들어가므로 이 숫자로 제거 시간을 예측할 수 없다.

국소 heater만 강하게 올리면 윗면은 빠르게 뜨거워져도 joint는 board로 열을 잃으며 늦게 도착할 수 있다. 반대로 board를 미리 데우면 joint가 목표 온도에 접근하는 조건이 달라진다. 같은 nozzle 설정에서 결과가 같을 필요가 없는 이유다. 이 기작이 어느 정도 중요한지는 copper plane과 via, package 형상, heater와 board의 실제 열 결합에 달려 있다.

그렇다고 board 전체를 무조건 높은 온도로 만드는 것이 정답은 아니다. 주변 부품의 허용 온도와 이미 받은 열 이력, 접착제와 connector 같은 조립 재료를 함께 확인해야 한다. 아래층의 부품은 bottom heater에 가까워서 예상보다 큰 영향을 받을 수 있다. preheat로 낮춘 국소 과열과 새로 생긴 주변 가열을 같은 측정에서 비교해야 한다.

preheat와 moisture 제거용 bake도 구분한다. rework 직전의 열 균일화가 필요한 건조 절차를 자동으로 대신하지 않는다. bake는 수분 상태를 다루고 preheat는 제거·접합 과정의 열 이력을 준비한다. device와 board가 요구하는 상태와 허용 조건을 각각 확인해야 한다.

공정 개발에서는 center와 corner의 실제 joint 온도, package 표면, board와 주변 민감 부품의 온도를 비교한다. 필요한 접합이 모두 녹는 시점과 최고 온도, 가열 시간을 함께 확인해야 한다. 제거 과정의 힘도 그 확인 뒤에 적용하는 것이 맞다. 떨어졌다는 사실만으로 pad와 내부 계면의 손상이 없다고 보장할 수는 없다.

Package Rework Preheat의 목적은 불량 부품만 차갑거나 뜨겁게 구분하는 데 있지 않다. 필요한 solder joint를 준비하면서 큰 열 차이와 과열을 관리하는 것이다. 어느 영역에 얼마의 열을 넣어야 하는지 실제 joint와 주변 부품의 시간 이력으로 판단하면, 국소 가열의 성공과 board 전체의 건전성을 함께 확인할 수 있다.