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무연 솔더 크림 공정 : 부품에 대한 열의 영향

등록일 : 2023-02-06

#기술 #정보공유
무연공정 : 부품에 대한 열의 영향
무연공정에서는 높은 온도에 부품이 노출되어 대부분의 설계기준이나 외장물질이 주석과 납의 낮은 온도에 맞춰져 있기 때문에 표면실장 부품에 충격을 가할 수 있다.
무연 솔더로 전환하는데 있어서 주요한 관심사는 높아진 리플로우 온도가 표면실장부품에 가하는 영향이다.
비록 여러종류의 합금이 기존의 주석과 납의 대체물로써 제안되긴 했지만, 가능해보이는 합금은 거의 Sn/Ag/Cu의 합금이다. 국립 전자조립 연구소(NEMI)는 리플로우에 대하여 Sn/3.9Ag/0.6Cu를 제안했다.
Sn/Ag/Cu 합금은 기존의 63Sn/37Pb의 183도와는 다른 217도 영역에서 녹는점을 가진다.
34도 정도의 온도상승은 리플로우 온도를 225도에서 260도까지 올린다.
열 손상
부품내부의 열손상은 전기적인 검사에서도 발견하지 못할 수도 있다.
이는 문제가 될 소지가 있다.
내부적인 손상은 시장에서 고장을 수시로 유발한다.
음파을 이용한 정밀한 이미지로 연구함으로써, 높은 온도에 노출된 플라스틱으로 보호된 부품이 여러 가지 방법으로 손상을 입을 수 있다는 것을 보여준다.
가장 흔한 손상은 팝콘현상에 의한 크랙, Die나 리드프레임으로부터 몰딩된 부품이 얇게 갈라지는 현상이다.
팝콘현상에 의한 크랙은 기존의 솔더공정의 낮은 온도에서도 흔히 발생하지만, 낮아진 접착력 때문에 무연공정의 높은 온도에서 더욱 쉽게 발생할 수 있다.
실험에 사용된 PQFP 형태의 패키지는 높은 온도에 견딜 수 있도록 설계된 몰딩재질로 만들어졌다.
경계가 되는 온도는 260도로 무연공정시 도달할 것으로 예상되는 공정온도이다. 테스트를 위해서 사용된 몰딩 재질은 "biphenyl epoxy"였다.
Biphenyl 조합은 유동특성에 영향을 미치지 않으면서 몰딩재질에서 충전물의 입자에 하중밀도를 증가시킬 수 있다. 결과적으로 복합체는 더 낮은 수분흡수율을 가지게 된다.
리드프레임에 대한 접합상태를 확인하기 위해서, 이 새로운 물질은 접착을 촉진하는 성분을 가지고 있다.
더 높은 충전율은 할로겐 복합체를 사용하지 않고도 방염특성에 대한 UL94/V-O 의 요구사항을 만족한다.
이러한 종류의 복합체는 환경적인 이유로 줄이고 있는 중이다.
실험의 조건은 JEDEC 표준레벨 1 (85도씨, 습도 85%RH, 168시간)을 따랐다.
실험대상중 2개의 샘플이 선택되었다. 한 개는 260도 조건으로 IR 리플로우에, 다른 하나는 제어가 되는 상태로 놓여졌다.
두 개의 샘플은 음향이미지 및 분석을 위해서 보냈다.
샘플 분석
두 개의 샘플은 260도의 공정온도에 노출됨으로써 생기는 내부적인 손상이나 차이점을 찾기 위해 광범위한 이미지를 얻었다.
높은 온도에 의해서 가장 발생하기 쉬운 내부적인 손상은 다음과 같다.
- 팝콘 크랙은 몰딩 복합체속에 포함된 습기의 갑작스런 팽창으로 발생한다. 팝콘 크랙은 거의 대부분 크다. 음향이미지에서 팝콘 크랙은 패키지 영역의 반을 넘을 수 있다. 따라서 팝콘 크랙은 전기적인 테스트에 의하여 밝힐 수 있는 다른 내부적인 손상보다 더욱 쉽게 일어나다. 큰 크랙은 보통 연결부위를 손상시킨다.
- 리드프레임이나 Die를 따라서 일어나는 매우 작은 분리를 포함한 얇게 갈라지는 현상은 전기적인 테스트에 의해서 발견되거나 즉각적인 전기적인 문제를 유발시키지는 않는다. 차라리 이러한 결함들은 대기중의 습기나 오염물질을 모으는 역할을 하게 된다. 화학반응이 리드의 부식, 본딩 와이어 끓어짐, 인접 리드간의 마이그레이션 및 장치의 고장을 일으키는 다른 전기적인 문제를 가져온다. 높은 온도의 무연공정에서의 그러한 작은 결함의 순간적인 발생이 장기적인 신뢰성 문제를 가져올 수 있다.

음향-이미지

두 개의 샘플은 주파수 30Hz에서 반사모드 S-SAM을 이용하여 이미지를 얻었다.  각 샘플의 모든 영역을 카바하기 위해서 되돌아 오는 음향을 양측면에서 이미지를 얻었다.  ( 다시말해, 몰딩의 표면, 부품의 안쪽, 부품과 Die사이의 연결부위 등이다.)  되돌아 오는 반사음의 전기적인 수집은  샘플내에서 수집되는 정도에 대하여 얻어지는 음향이미지를 제한한다. 두 개의 샘플은 전체 디바이스를 관통하는 초음파를 이용하여 이미지를 얻었다. 이 이미지는 음향의 그림자이미지이다. 이는 디바이스의 특정 깊이에서 갈라진 유형의 결함을 보여준다.  이 전체적인 음향이미지 프로그램에서 두 개의 샘플사이에 큰 차이를 발견하지 못했다. 특히 260도의 리플로우 온도에 노출된 샘플 역시 어떠한 내부손상의 기미를 보이지 않는다.  어떤 크기의 크랙이나 얇게 갈라지는 현상이 없었고 몰딩 부품의 음향학적 특성에도 변화가 없었다.  이는 더욱 포착하기 어려운 결함을 말할 수 있다. Die접합부에 갈라지는 현상이 없었고, 다른 위치는 열 충격에 취약할 수 있다.  고온의 몰딩 복합체는 부품의 손상없이 260도의 리플로우 조건을 가져갈 수 있다.  고온에 노출됨으로써 생기는 손상은 그림 3에서 볼 수 있다. 이  부품은 연구에 쓰였던 것은 아니고  유연 솔더 시스템에서 전통적인 몰딩 복합체를 사용하고 사용자 손상이 발생했다.  적색과 노란색은 리드나 Die로부터 몰딩 복합체의 갈라짐을 가리키고 있다.  이러한 갈라짐은 결함을 일으킬 만한 충분한 습기나 오염물을 모을 수 있다. 하지만 이 경우 Die면의 갈라짐은 하나 이상의 와이어를 손상시킬 가능성이 크다. 



결론 

무연솔더를 수용하기 위해서 생산라인을 다시 디자인하고 보증하기 위해서, 엔지니어는  제품의 신뢰성을 보증하기 위해서 많은 수의 변수를 검증하고 만들어야 할 것이다.  이 연구에서는 두 개의 부품으로 영역이 한정되었지만,  무연솔더로 적용하려는 엔지니어에게 다음의 착안점을 제공해준다.

- 적절히 설계된 몰딩 복합체는 부품에 내부적 손상없이 고온의 공정을 잘 견딜 수 있다.

- 음향 미세이미지는 부품 내부의 변화를 보는데 빠르고 신뢰성있는 방법이다.

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