부품 선정·보강 테크닉·시험 방법
1 분
- 커패시터
- 커넥터
- IC 및 BGA
- 기판 자체의 보강
- 레이아웃 기본 규칙
- 컨포멀 코팅
- 접착제에 의한 스테이킹
이 글에서는 진동과 충격에 강한 기판을 실현하기 위한 "부품 선정", "보강 테크닉", "시험·평가" 포인트를 정리합니다. 고정 방법과 조합하여 활용하면, 더욱 파손에 강한 설계에 가까워질 수 있습니다.
중량·고(高)프로파일 부품의 취급
대형 전해 커패시터, 커넥터, 트랜스 등 질량이 큰 부품은 진동으로 탈락할 위험이 높아집니다. 질량이 클수록 관성력도 커져 납땜부나 기판에 가해지는 힘이 증가하기 때문입니다.
대책으로는 무거운 부품을 고정점 근방에 배치하여 기판 전체의 휨을 억제하는 방법이 효과적입니다. 또한 기판 위에 탑재하지 않고, 금속 브래킷 등을 이용해 섀시 측에 직접 고정하는 방법도 있습니다. 이 경우 기판에는 신호와 전원 배선만 하여 기계적 부하를 줄일 수 있습니다.
부품 선정 시 포인트
커패시터
전해 커패시터는 액 누출이나 리드 절손 위험이 있습니다. 내진동성을 중시한다면 내부가 고체 전해질로 된 고체 커패시터를 선택하는 것이 유리합니다. 단, 일반 전해 커패시터에 비해 고가이며 내압이 낮다는 제약이 있습니다. 조건이 맞는 경우에는 세라믹 커패시터(MLCC)도 검토할 수 있습니다.
커넥터
록 기구 탑재 타입이나 섀시에 나사 고정 가능한 타입을 선택하면 탈락이나 단선을 예방하기 쉽습니다. 진동 환경에서는 "빠지기 어려운 구조"가 곧 신뢰성으로 이어집니다.
IC 및 BGA
BGA처럼 이면에 다수의 솔더볼을 가진 패키지는 진동이나 온도 변화로 크랙이 발생하기 쉬운 부분이 있습니다. IC 하부에 수지를 주입해 고정하는 언더필을 사용하면 솔더부에 가해지는 부담을 분산시킬 수 있습니다.
부품 유형별 내진동·내충격 대책 및 코팅·스테이킹 재료 선택 가이드
기판 보강과 레이아웃 개선
기판 자체의 보강
스티프너(stiffener)는 기판의 일부에 금속이나 두꺼운 수지를 부착하여 강성을 높이는 방법입니다. 특히 플렉시블 기판처럼 유연한 기판에서 효과가 크며, 진동에 의한 휨을 억제할 수 있습니다. 또한 섀시 측에 리브(보강용 돌기)를 설치하여 기판을 면으로 지지하는 방법도 효과적입니다.
레이아웃 기본 규칙
얇고 넓은 판(학교 교재 정도)을 이미지하면 기판의 휨 거동을 쉽게 상상할 수 있습니다.
- 중량 부품은 외주부로 배치: 기판 중앙에 무거운 부품을 놓으면 굽힘 모멘트가 커져 휨량이 증가합니다. 외주부나 고정점 근방에 배치하면 진동에 의한 변형을 억제하기 쉽습니다.
- 대칭 배치: 질량이 한쪽으로 치우치면 특정 방향의 진동에 취약해집니다. 가능한 한 대칭으로 배치하여 진동 응답을 안정시킵니다.
- 클리어런스 확보: 진동으로 부품끼리 또는 섀시와 접촉할 우려가 있는 부분에는 충분한 이격 공간(클리어런스)을 마련합니다.
코팅과 스테이킹
컨포멀 코팅
컨포멀 코팅은 기판 전체를 얇은 수지막으로 덮는 방법입니다. 습기·미진동·오염으로부터 기판을 보호할 수 있습니다. 재료로는 아크릴, 실리콘, 우레탄 등이 있으며 용도와 환경에 맞게 선택합니다. 포팅이나 인캡슐레이션에 비해 경량이며 수리성도 비교적 우수합니다.
접착제에 의한 스테이킹
스테이킹은 대형 부품이나 진동에 약한 부품의 발치에 접착제를 도포하여 기계적 강도를 높이는 보강 방법입니다. 실리콘계 접착제는 유연성이 높아 진동 흡수에 우수하지만, 에폭시계에 비해 접착 강도와 내열성이 떨어지는 경우가 있습니다. 반면 에폭시계는 고강도·고내열이지만 경도가 높아 부품과 기판의 열팽창 차이로 인한 응력이 커지기 쉬운 점에 주의가 필요합니다.
재료 선택과 시험·평가
- 접착제: 내열성이 필요한 경우에는 에폭시계, 유연성이 필요한 경우에는 실리콘계가 일반적입니다. 실리콘을 사용하는 경우에는 초산 경화 타입이 아닌, 금속을 부식시키지 않는 비부식성 타입을 선택하는 것이 중요합니다.
- 댐퍼재: 고주파 진동을 억제하고 싶은 경우에는 경도가 높은 고무, 저주파 및 충격 흡수를 중시하는 경우에는 유연한 실리콘을 선택합니다. 고무는 온도에 따라 경도가 변화하므로 사용 환경 온도를 고려하여 선정합니다.
- 스탠드오프: 금속제는 강성이 높고, 수지제는 전기 절연성이 높다는 특징이 있습니다. 고정점 근방의 패턴이 마모되어 도통될 우려가 있는 경우에는 수지제 스탠드오프나 수지 와셔를 병용하는 것이 효과적입니다.
내진동 설계 최종 점검 체크리스트
진동 시험과 체크리스트
실기가 완성되면 간이적으로라도 진동·충격에 대한 확인을 실시하면 안심할 수 있습니다. 가볍게 두드려보거나 약간 높이에서 낙하시키는 것만으로도 부품 흔들림이나 접촉 불량을 발견하는 경우가 있습니다. 업무용도에서는 MIL-STD-810 또는 IEC 60068 시리즈 등의 규격을 참고하여 전용 시험 장치로 평가하는 것이 일반적입니다.
- 나사 및 스탠드오프의 체결 토크는 적절한가
- 중량 부품은 보강되어 있는가
- 커넥터의 록 기구는 확실히 체결되어 있는가
- 솔더 필렛(납땜 형상)은 양호한가
- 코팅이나 포팅으로 방열이 저해되지 않는가
마무리
내진동·내충격 설계는 고정 방법, 부품 선정, 기판 보강, 레이아웃, 시험을 조합하여 생각함으로써 조금씩 "파손에 강한" 방향으로 가까워지는 작업입니다. 단일 대책만으로 완벽하게 해결하기는 어렵기 때문에, 복수의 방법을 중첩하여 여유를 확보하는 것이 중요합니다.
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