DRH 테스트 방법을 통한 분진의 특성 알아보기 
분진이 PCB에 미치는 영향도 설명

분진 오염에 의한 초기 발생 모드가 본고의 주제이다. PCB에 축척되는 입자 오염은 회로의 전기적 쇼트 불량을 유발한다. 주변 공기의 상대습도가 분진의 DRH(deliquescence relative humidity) 보다 높아지면 미립자 물질의 전기적 저항이 급격하게 줄어들기 때문이다. 분진의 부식 거동은 흡수된 수분에서 용해되지 않고 이온화 전도성 용액을 형성한 대기로부터 분진이 충분히 습기를 흡수한 상태에서의 공기 상대습도인 자체 DRH로 가장 잘 나타낸다. 본고에서는 전기적 하드웨어의 실패 분석에 적합한 실제 DRH 테스트 방법의 발전에 전념하고 있다. 테스트 방법은 1mg 이하의 분진으로 실험하였다. 분진이 데이터 센터에 유입되는 것을 방지하고, IT 장비를 정돈하고 오염된 장비를 청소하는 방법도 제시한다.
 

분진 오염문제는 젖음 현상으로부터 시작되고, 그래서 외부환경 내의 습도가 분진의 DRH(deliquescence relative humidity) 보다 높아지면 이온 전도성 및 부식성이 나타나는 것으로 잘 알려져 있다. 젖음 상황에서, 분진은 PCB 위에서 밀접하게 이격되어 있는 형상들을 전기적으로 브릿지할 수 있으며, 이로 인해 전기적 불량을 유발한다. 기체 오염도 수준이 ANSI/ISA-71.04-2013 G1 민감도 레벨을 충족할 만큼 충분히 낮은 데이터 센터에서는 분진에 의한 불량은 관찰되었다. 소형 전기부품의 결합, PCB 상의 형상 간격 감속 그리고 에너지 절감을 위한 데이터 센터 온습도 엔벨로프의 완화는 분진으로 인해 더욱 고장 나기가 쉬운 전기적 하드웨어를 만들고 있다. PCB 상의 소량의 분진 해결이 도전과제가 되고 있다. 본고의 목적은 PCB 상에서 발견된 극히 적은 양의 분진(1mg 혹은 그 이하)의 DRH를 측정하는 실용적이고, 일상적인 수단을 개발하고 설명하는데 있다. 데이터 센터 입자 여과 시스템과 PCB에서 분진을 제거하는 방법도 설명할 것이다.

서문

PCB를 오염시키는 물리적인 환경은 온도, 습도 그리고 공기 중의 기체 및 분진으로 정의될 수 있다. 환경적 요인들은 2가지 방법으로 PCB 불량을 유발할 수 있다; 첫째, 전기적 오픈 회로는 표면실장부품 내 Ag 소재 단자의 부식과 같은 부식의 원인이 될 수 있다. 두 번째, 전기적 쇼트 회로는 (a) 구리 크리프 부식, (b) 이온 이동 및 음극-양극 필라멘트와 같은 전기기계적인 반응 (c) PCB 상 매우 밀접하게 위치한 형상들 간의 표면 절연 저항을 줄이는 흡습성  분진 오염물질의 원인이 될 수 있다. 2006년에, 솔더 내의 납 사용을 규제하는 EU의 RoHS 지침서는 PCB 마감재의 변경 그리고 솔더 내의 납 제거를 불러왔다. 이러한 변화는 크리프 부식 때문에 PCB 불량률이 극심하게 높아졌다. 이 기간 동안 또 다른 일반적인 불량모드는 Ag 소재 단자의 부식 때문에 오픈 회로를 겪는 표면실장 레지스터이었다. IT 장비 제조업체들은 대부분 높은 레벨의 황 함유 기체 오염물을 지닌 부분에서 발생되는 이들 2가지 불량 모드에 대항하여 자체 하드웨어를 견고하게 만드는 방법을 습득해 왔다.
처리와 제거하기가 매우 어려운 불량모드는 습기가 많은 환경에서 축적된 분진에 의해 기인하는 전기적인 회로의 쇼트 문제이다. 가장 어려운 점은 이들 입자상의 간헐적인 전기적 특성이 높아지고, 불량이 침전된 분진의 존재유무를 제외한 어떠한 시각적인 증거도 남지 않는다는 점이다.
대기 중에 높은 수준의 미세한 분진을 내포하고 있으며, 냉각 사용을 배재하고 있는 아시아의 오염된 지역에서의 IT 장비 시장의 빠른 팽창은 분진에 기인한 간헐적인 회로 쇼트 불량모드라는 새로운 불량을 맞이하게 하였다. 분진의 출처는 자연적 그리고 인위적 양쪽 모두에서 나타난다. 크기 측면에서, 분진은 미세 입자와 거친 입자 2개의 카테고리로 나뉠 수 있다. 자동차배기가스, 디젤 입자상물질(DPM, diesel particulate matter), 연기 및 연무와 같은 미세 입자(<2.5μm)는 1차 및 2차의 2가지 타입이 있다. 1차 미세 입자는 산불, 화산, 건설현장, 비포장 도로, 들판 혹은 굴뚝과 같은 공급원에서 직접적으로 방출된다. 대부분의 미세입자 오염을 차지하는 2차 미세 입자는 대기 중의 광화학 반응의 결과로써 이들이 생성된다. 이는 일반적으로 발전소, 산업계 및 자동차에서 배출되는 질소 산화물 및 황 산화물의 존재 때문이다. 이산화황과 이산화질소는 황산과 질산을 생성하기 위한 복잡하고, 멀티-공정의 광화학적인 프로세스에서 <0.1㎛ 사이즈의 탄소재질 시드 입자와 상호작용한다. 이들 산은 비료에서 나오는 암모니아, 생물학적 물질의 부식 및 다른 원인들로 중화되어 황산암모늄, 황산 수소암모늄 그리고 질산암모늄이 주성분인 미세 입자를 생성한다. 이들 2번째 미세 입자의 대부분은 인위적인 적으로 간주될 것이다. 2.5~15㎛ 사이즈 범주의 굵은 입자들에는 해염, 천연 및 인조 섬유, 식물 꽃가루 그리고 바람에 날린 먼지들이 포함된다. 그들의 출처는 토양 및 미네랄의 침식과 생물학적 물질의 박편을 포함한다.
분진 오염에 의한 초기 발생 모드가 본고의 주제이다. PCB에 축척되는 입자 오염은 회로의 전기적 쇼트 불량을 유발한다. 주변 공기의 상대습도가 분진의 DRH(deliquescence relative humidity) 보다 높아지면 미립자 물질의 전기적 저항이 급격하게 줄어들기 때문이다. 분진의 부식 거동은 흡수된 수분에서 용해되지 않고 이온화 전도성 용액을 형성한 대기로부터 분진이 충분히 습기를 흡수한 상태에서의 공기 상대습도인 자체 DRH로 가장 잘 나타낸다. 본고에서는 전기적 하드웨어의 실패 분석에 적합한 실제 DRH 테스트 방법의 발전에 전념하고 있다. 테스트 방법은 1mg 이하의 분진으로 실험하였다. 분진이 데이터 센터에 유입되는 것을 방지하고, IT 장비를 정돈하고 오염된 장비를 청소하는 방법도 제시한다.

DRH 테스트 방법 발전   

분진의 DRH를 측정하는 많은 방법들이 존재한다. 그러나 분석에 사용할 수 있는 분진의 양이 밀리그램 미만으로 제한되었을 때, 사용 가능한 분석 선택은 전기 및 중량 측정법으로 줄어든다. 우리는 IT 장비 신뢰성에 직접적으로 영향을 미칠 수 있는 습식 분진의 전기적 전도성에 관심이 있었기 때문에 전기 방법 개발에 집중했다. 전기 전도도 테스트 결과를 지지하고 해석하기 위해 중량 측정 테스트를 진행했다. 
분진의 DRH를 측정하는 전기 전도도 테스트 방법은 분진을 서로 맞물린 빗 모양 패턴으로 디스펜싱하는 것에서부터 시작하였다. 이 작업에 사용된 서로 맞물린 빗 패턴의 쿠폰은 그림 1의 (a)에서 보는 바와 같이 산업계 표준 테스트 보드인 IPC-B-24 Rev A를 준수했다. 서로 맞물린 빗 패턴은 0.5mm의 간격으로 분리되었다. 빗살무늬 사이에서 전류가 흐르게 하기 위해 분진을 연결해야만 한다. 각 테스트 보드는 4개의 독립적인 빗살무늬 패턴 에어리어를 가지고 있으며, 4개의 분진을 동시에 테스트할 수 있었다. 빗살무늬에 전압을 가했고, 빗살무늬를 연결하는 분진을 관통하는 누설 전류를 측정하고 상대 습도의 함수로 표시했다. DRH는 누설 전류대 상대습도의 그래프로부터 얻어졌다.

분진을 수집하고 서로 맞물린 빗살무늬 패턴에 디스펜스하는 다양한 방법이 있다.
▶  부드러운 브러쉬는 분석실로 운반되는 깨끗한 비닐봉투 내 의 먼지를 쓸어내는데 사용될 수 있다. 이러한 방법이 지닌  문제는 비닐봉투 내의 표면에서 미세 먼지를 쓸어내는 것이  어렵다는 점이다. 다른 문제는 봉투 내부에 있을 때, 제어 된 방식으로 서로 맞물린 빗살무늬 패턴 위에 먼지를 뿌리 는 게 어렵다는 점이다.
▶ 약한 서로 맞물린 빗살무의 테스트 보드는 테스트 보드 위 에 먼지 입자가 앉도록 충분한 시간을 주기 위해 일정 시간 (예: 한 달)에 대한 연구를 위해 데이터 센터에 놓일 수 있다.
▶ PCB 상에 축적된 분진을 수집하는 3번째 및 가장 일반적인  방법은 탈 이온수와 이소프로필 알콜 용액으로 세척된 실 험실로 운송되는 오염된 PCB를 가지고 시작하는 것이다.  그리고 세척용액을 수집하였고, 증발로 농축하였다. 농축 된 방울, 정확히는 각 10㎕ 양인 10개의 방울을 서로 맞물 린 빗살무늬 패턴에 디스펜스하고(그림 1의 (b)) 건조하였다.
실험실에서는 앞선 방법의 하나에 의해 얻은 분진에 균일하게 덮인 서로 맞물린 빗살무늬 쿠폰을 일정한 온도(일반적으로 25~30℃의 범위)를 유지하는 정밀한 습도 챔버에 놓았다. 챔버 내 상대습도 시작은 챔버 성능의 최저 한계치에서 되어야만 한다. 상대습도는 10% 단계로 올렸고 미리 결정된 전압 설정, 미립자 물질을 통한 전류누설는 상대습도와 대조적으로 플롯되었다. 각종 자료에서는, DRH는 분진의 전기 전도도가 급격하게 상승하는 상대습도로 막연하게 정의되어 있다.
맞물린 빗살무늬 전체에 일반적으로 10Vdc의 일정한 전압을 적용하고, 분진을 통과하는 누출 전류를 평가하여 분진의 전도도를 측정하는 것이 표준 관행이다. 이러한 테스트 결과 중 하나를 그림 2에서 보여주고 있다. 상대습도가 단계별로 상승할 때마다 누설 전류가 급격히 상승한 이후에 전류의 감쇠가 뒤따른 점을 주목해야 한다. 주목해야할 또 다른 점은 상대습도가 75%에서 83%로 상승하면, 예상했던 상승 대신에 누설 전류가 감소한다는 것이다. 이러한 관측은, 빗살무늬 전체에 가해지는 10Vdc의 연속적인 인가가 이동성 이온들을 격감시키고, 전기 전도성이 아닌 증기를 형성하기에 충분한 가스 발생을 유발할 수 있는 빗살무늬 공간 사이에서 전기화학반응을 유발한다는 것을 기저에 두고 있음으로 설명될 수 있다.

DRH 측정을 위한 절차
Potentiostat는 빗살무늬를 가로지르는 정방형 파형 전압을 적용하여 빗살무늬와 연결된 분진을 통과하는 누설 전류 측정을 위해 사용되었다. Potentiostat는 낮은 나노 암페어 범위 내에서 정확하게 전류를 측정할 수 있다. 인가된 전압은 테스트 되는 미립자 물질의 전기화학을 최소한으로 방해하기 위해 총 4초 동안 지속되는 2번의 사이클로 제한했다. 

실험 개발 첫 번째 단계로써, 25℃에서 각각 53%, 62% 그리고 75%의 DRH 값을 지닌 질산마그네슘[Mg(NO3)2], 질산암모늄[NH4NO3] 및 염화나트륨[NaCl] 3개의 염제를 연구하였다. 10번의 drop 0.1wt% 염분 용액의 부피가 10㎕인 각각의 물방울을 각 빗살무늬 패턴에 10개의 방울을 디스펜스하고 건조하였다. 빗살무늬 쿠폰을 온습도 챔버에 놓았고, 습도는 챔버에서 할 수 있는 가장 낮은 수치인 약 30%로 설정했다. 상대습도는 대략 10%의 단계로 올렸고, 각 %RH 단계에서 시간은 1시간으로 하였다. 누설 전류는 각 %RH 단계의 끝 부분에서 측정되었고 그림 3과 같이 각 염제에 대한 %RH를 표시했다. 염분제의 DRH에 존재하는 낮고 높은 습도 점근선의 인터셉트 항목에서 선형 도포를 이해하는 것이 쉽다. 그러나 문제는 그림 3의 (a)에서 보여준 인터셉트가 염분의 DRH의 공표된 수치와 일치하지 않으며, 그들이 수직 눈금의 크기에 의존한다는 것이다. 공개된 수치와 일치한 DRH 값을 추축하기 위해, 누출 전류를 도표화하는 다른 방법이 필요했다.
그림 3의 (b)에서는 3개의 염분제에 대한 누설 전류의 로그를 %RH와 대비하여 그렸다. 곡선이 S자 모양이 되었다. 반전 영역과 낮고 높은 상대습도 점근을 아우르는 직선을 그려서 구분 선형을 만들었다. 이들 3개의 염분에 대한 공표된 DRH 값과 매우 근접한 값에서 높은 상대습도 점근은 반전 선에서 교차가 발생한다. 로그(누설 전류) 대 %RH의 S 모양의 물리적 기원은 다음과 같다: 염분이 낮은 습도 범위에서 습도와 균형을 이룰 때, 상대습도가 조금만 성장해도 염분의 전기적 전도도가 크게 변하지 않는다. 염분이 상대적으로 건조하게 남아 있기 때문이다.
용해 상태에 다다르기 시작하기에 충분한 습기를 염분제가 흡수할 때, 전도도가 급격히 상승하여 곡선의 반전 영역이 높아지는 결과가 나타난다. 염분제의 DRH 이상 상대습도가 올라갈 때, 염분제는 완전하게 용해되고 습도 내에서 다른 상승은 염분 용액의 전기 전도도에 거의 영향을 미치지 않는다. 높은 습도 점근과 반전선의 절편은 염분의 DRH에 대한 논리적인 값으로 간주되었다. 염분제가 충분한 습기를 흡수하여 충분하게 젖어들기 시작하는 습기를 충분하게 흡수하는 곳의 상대습도와 관련이 있기 때문이다.

측정 전압의 효과    
누설전류에서 파생된 DRH 수치에 대한 사각 파형 전류의 효과는 0.01, 0.1, 1.0 그리고 10V에서 연구되었다. 그림 4에서 알 수 있듯이, 0.01~10V 범위의 전류는 누설전류와 측정된 DRH 및 CRH 값에 어떠한 영향도 주지 않았다.

깍지형 빗살무늬 상의 금속 도금    
본 연구에서, 은도금 동박 빗살무늬 쿠폰을 사용하였다. 은은 상대적으로 귀한 금속이고, 산화에 강하고 동박에 비해 전기도금이 쉽다. RoHS 규제에 따른 변화로 인해, 주석과 같은 다른 금속을 가지고 도금된 빗살무늬를 사용하는 문제가 나타난다. 95% 이상의 주석이 함유된 무연 솔더가 PCB의 금속화 형성에 주로 사용되고 있다. ±1V의 측정 전압에서 은 및 주석 도금된 빗살무늬 상의 Mg(NO3)의 DRH 테스트를 실행하는 것으로 시작하였다. 그림 5의 (a)에서는 은에서의 DRH 값(50%)이 이미 보고된 53%와 매우 근접한 반면, 주석-도금 빗살무늬에서의 DRH 값은 71%임을 보여주고 있다. 주석-도금 빗살무늬를 사용할 때의 잘못된 결과는 주석 산화 전기저항 때문에 ±1의 낮은 측정 전압에서 테스트를 방해할 수도 있어서이다. ±10V에서 테스트를 재실행했을 때 주석 빗살무늬 패턴에서 Mg(NO3)2의 DRH는 실험 오차 한계 내에 있는 48%(그림 5의 (b))이었다. 따라서 주석-도금 빗살무늬 패턴이 사용된다면, 주석 도금 상 산화 커버의 효과를 극복하기 위해 더 높아진 측정 전압(~10V)이 필요할 것이다.