홈 > Special Report 이 기사의 입력시간 : 2017-09-07 (목) 12:34:53
첨단 세컨드 레벨 어셈블리 분석 기술
Full-Field 3D 표면 휨 검사기술 헤드인필로우, 오픈 및 쇼트 문제 해결성 높아
2017-09  자료출처 : Akrometrix
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오늘날 광범위하게 사용되는 모든 산업계 표준들에서는 패키지 휘어짐을 특별하게 취급하고 있다. 측정 방법과 일부 허용 가능한 한계의 경우에 패키지가 여전히 신뢰성 있게 어셈블리되는 지를 증명할 수 있다. 대부분의 경우, 개별 회사들은 부품에 대한 자체 내부적인 독점 한계를 가지고 있다. 평탄도에 있어서 이러한 한계들은 계산과 실험 혹은 두 가지 모두 그리고 해당 특별한 프로세스 제어를 통해서 얻고, 이들은 수용 가능한 생산수율을 ‘보장’하기 위해 사용된다. 그러나 동일평탄도 한계는 자체적인 제한사항을 가지고 있다. 산업계에서는 불만사항을 가지고 있다. 리플로우 사이클을 통해 휘어짐을 분석하는 방법이 제시하는 표준은 일반적으로 허용될 수도 있는 반면, 특별한 수치적인 허용한계로 설정된 표준은 종종 의사결정에 도움이 안 되거나 혹은 심지어 해를 끼칠 수 있기 때문이다.

요약

표면실장 어셈블리 불량의 SMT 어셈블리 기획 및 failure 분석에 있어서 부품 휨 평가는 꼭 포함된다. 집적회로 패키지의 동일평탄도 수치는 pass/fail 한계를 설정하기 위해 전통적으로 이용되어 왔다. 표면실장 부품의 소형화, 상호배선 어레이의 고밀집화 그리고 package-on-package 어셈블리와 같은 공정들이 만연해 짐에 따라, 듀얼 표면 full-field 데이터를 활용한 첨단 방법들이 효율적인 어셈블리 기획, 품질 보증 그리고 Failure 분석에 중요하게 되었다. 단지 패키지의 평탄도만 측정했던 방법에 비해 더욱 완성도 높은 접근법이 필요해 지고 있다는 의미이다. 최신 SMT 어셈블리의 문제점들을 효과적으로 해결하기 위해서는 리플로우 열사이클 동안 끊임없이 변화하는 두 표면 간의 갭 분석이 요구되고 있다.
헤드-인-필로우, 쇼트 및 오픈과 같은 솔더 접합 불량의 주요 원인인 갭의 변화를 완전하게 이해하고 특성화하기 위해 매칭한 표면간 계면 분석에는 다음과 같은 사항들이 필요하다:
▶ Full-field : 높은 데이터 밀도는 평탄도와 같은 근사치보다  훨씬 더 미세한 표면 휨을 나타내기 때문에 영역별 검토와  분석을 가능하게 한다.

▶ Dual-surface : 부품을 실장할 때 ‘바닥’ 표면이 어떻게 형 성되었는지를 가정한다면, 열 사이클 동안 랜드 에어리어가  보이는 복잡한 거동을 무시하는 것으로, 어셈블리 플래닝  혹은 failure 분석을 시도할 때 결함이 된다.

▶ Full-profile : 열 사이클 동안 표면의 휘어짐이 중요할 때  싱글 온도에 관해서 가정한다면, 헤드-인-필로우와 같은 결 함의 원인을 간과할 수 있다.

▶ Statistical : 표면들 사이의 예상 평균, 최대치, 최소치 그리 고 엄격한 3σ 수준의 갭을 확실하게 산출할 수 있도록 충분한  양의 샘플들이 측정되어야 한다. 다중 표면실장 부품과 랜드  에어리어들의 휘어짐을 개별적으로 측정한 이후, 수집된 데 이터는 각 온도 지점에 대한 통계 요약으로 결합될 수 있다.

어셈블리 기획 초기단계부터 결합된 데이터를 재검토한다면, 각 온도에서의 듀얼-표면 휘어짐 개요와 전체 열 프로파일에 대한 정보를 제공할 수 있다. 측정 및 분석 결과에는 패키지-투-보드 어셈블리 인터페이스 사례 연구와 계산, 그래픽 그리고 잠재적인 어셈블리 문제들을 지닌 에어리어들을 시각화하기 위한 갭 한계와 양/불 맵의 사용을 강조하는 방법론을 포함하고 있다.
이 분석 방법은 완전한 리플로우 사이클에서 어셈블리 인터페이스를 계획하고 모니터링할 때 헤드-인-필로우와 같은 불량을 예측하고 보정하는데 도움을 줄 수 있는 새로운 기능을 제공한다.

서문

2009년에 출판된 ‘Telecommunications Case Studies Address Head-in-Pillow(HnP) Defects and Mitigation through Assembly Process Modifications and Control’ 보고서는 헤드-인-필로우 불량 문제에 대한 가장 완벽한 리뷰물 중 하나이다. 낮은 수율에 대한 문제 해결해야 하는 책임자가 어떻게 문제를 분석하고 그 심각성을 완화해야 하는지를 잘 나타내고 있다.
해당 보고서가 발간된 이후 지난 몇 년간, 헤드-인-필로우(때론 헤드-온-필로우라고 불리는)의 문제는 좀 더 폭 넓게 논의되어 왔다. 부품 크기, 두께의 소형화와 사용되는 재료의 박형화를 향하는(이로 인해 상호배선 피치간격과 솔더 볼 사이즈가 꾸준하게 줄어들고 있다) 전자기기 설계 추세로 인해 초기 수율과 생산현장의 신뢰성 양쪽 측면에서 우려와 불안감이 지속적으로 커지고 있다. 이러한 미세화 및 박형화 요인들은 리플로우 프로세스 동안 신뢰할만한 부품 어셈블리 구현을 더욱 어렵게 한다. 본고에서는 리플로우 프로세스 전반, 예비-생산 설계, 어셈블리 기획 및 문제해결 그리고 생산 향상과 제조과정 품질 보증 단계에서 부품 모양을 완벽하게 이해하기 위해 사용되고 있는 비교적 새로운 듀얼-표면 분석 방법의 리뷰이다.

휨 표준사양
헤드-인-필로우 불량, 오픈 그리고 쇼트/브릿지의 주요 발생원인 중 하나는 부품 휘어짐이다. 패키지가 세라믹 서브스트레이트 없이 제조되기 시작하면서부터, BGA 디바이스, 양면 다이-투-서브스트레이트 그리고 second level package-to-PCB 어셈블리 시 휘어짐은 중요한 요인이 되기 시작했다. 휘어짐의 영향력은 계속 커지고 있다. 생산 설계, 생산 수율 및 신뢰성 문제 원인 중 가장 큰 하나는 휘어짐이다. 과도한 휘어짐과 휘어짐 양의 작은 변화에도 예상치 못한 불량이 발생할 수 있기 때문이다.
수 년 동안, 평탄도는 전자산업계에서 휘어짐 혹은 평탄도 편차를 표시하는 척도였다. 간단하게 말하면, 평탄도는 측정된 가장 높은 지점과 가장 낮은 지점 간의 거리이다. 경우에 따라, 옆면에서 봤을 때 형상이 오목하거나 혹은 볼록하거나에 상관없이 ‘smiling()’ 혹은 ‘crying()’ 형상을 의미하는 ‘-’ 혹은 ‘+’ 표시가 부여될 수도 있다.
오늘날 광범위하게 사용되는 모든 산업계 표준들에서는 패키지 휘어짐을 특별하게 취급하고 있다. 측정 방법과 일부 허용 가능한 한계의 경우에 패키지가 여전히 신뢰성 있게 어셈블리되는 지를 증명할 수 있다. 대부분의 경우, 개별 회사들은 부품에 대한 자체 내부적인 독점 한계를 가지고 있다. 평탄도에 있어서 이러한 한계들은 계산과 실험 혹은 두 가지 모두 그리고 해당 특별한 프로세스 제어를 통해서 얻고, 이들은 수용 가능한 생산수율을 ‘보장’하기 위해 사용된다.
그러나 동일평탄도 한계는 자체적인 제한사항을 가지고 있다. 산업계에서는 불만사항을 가지고 있다. 리플로우 사이클을 통해 휘어짐을 분석하는 방법이 제시하는 표준은 일반적으로 허용될 수도 있는 반면, 특별한 수치적인 허용한계로 설정된 표준(예, ‘패키지 평탄도가 100미크론 이하이여만 한다’)은 종종 의사결정에 도움이 안 되거나 혹은 심지어 해를 끼칠 수 있기 때문이다. ‘표준 한계’ 내에서 평탄도를 나타내는 부품의 어셈블리는 특정 경우에 불량이 되기 매우 쉽고, 또한 수립된 평탄도보다 더 많이 지닌 패키지는 제로 불량으로 어셈블리되기 쉽다.
수백만 개의 생산 유닛과 혹독한 데드라인을 가진 어셈블리 책임자는 부품 형상 호환성 및 예상된 신뢰성과 관련된 최상의 결정을 내리는데 현재 공표되거나 혹은 독점된 표준에 의존할 수 없다.

전형적인 평탄도 한계가 너무 제한적인 이유
평탄도 한계를 설정하는 것이 그 의도만큼이나 동작하지 않는 몇 가지 이유가 있다. 그들 중 일부는 다음과 같다:
▶ 한계는 통제된 조건 하에서 상대적으로 작은 부품으로부터  생성되었다. 프로세스 내 정확한 플럭스 타입과 장비 설정 과 같은 모든 변수가 기록되지 않았지만, 한계는 이러한 통 제된 조건 내에서 실시된 작업에서 나왔다.

▶ 한계는 랜드 에어리어(PCB 표면과 같은)에서 낮고 대칭적인  휨을 가정한다. 표준사항은 전체 휨 중 적은 퍼센티지(20% 와 같은)를 지닌 랜드 에어리어에 대한 휨 ‘이력’을 나타낼  수도 있다. BGA 랜드 에어리어는 일반적인 PCB 재료를 사 용하더라도 이 한계보다 더 높은 휨을 보여주는 것이 일반 적이다. 새로운 ‘최첨단’ 재료는 표준 재료보다 더 높은 휨을  나타내는 경향이 있다.

▶ 한계는 피크 휨/평탄도가 중요 측정요소이며, 피크 온도와  같이 특정 온도 포인트에서 나타난다는 점을 가정한다. 불 량(특히 헤드-인-필로우, 비-젖음 오픈)은 피크 온도에서 보다 리플로우 사이클 동안의 임계 포인트에서 생길 수 있 다. 예를 들면, 헤드-인-필로우 불량을 초래하는 솔더 볼  산화는 열사이클 초기에 발생한다.

▶ 한계는 싱글-표면의 휨을 설명하는 것이지, 어셈블리 동안  실제로 접착되는 2개 표면의 외형 호환에 대해서는 다루 지 않는다. 싱글-표면을 이용하면, 신뢰성 예측에 중요 한 특정 온도 포인트에서 배선 장소에 존재할 수 있는  갭을 알아차리기가 불가능하다.

‘상호배선 당 갭’ 분석 전제조건 
헤드-인-필로우 그리고 전통적으로 휨에 의해 발생되는 대부분의 다른 어셈블리 불량들은 리플로우 어셈블리 프로세스 도중, 서로 다른 온도 포인트에서 각 배선에 접착하는 표면 간의 갭에 의해 발생된다. 앞서 설명한 이유들 때문에, SMT 부품 어셈블리를 철저하게 분석하는 작업에는 이러한 갭들을 확인하는 노력이 포함되어야만 한다. 효율을 높이기 위해서는, 다음과 같은 방법들이 필요하다:
▶ Dual-surface - 접착 영역의 절반 정도로 추측되는 각 배 선의 실제 갭을 원하는 작업자에게는 충분하지 않다. 양쪽  표면은 반드시 측정되어야만 하며, 그 후에 2개의 표면은 공 유 (x, y, z) 좌표계와 함께 분석되어야 한다.

▶ Full-field - 휨을 측정하는 최신의 방법에는 보통 1㎟당 1 포인트보다 큰 상당히 높은 데이터 밀집도를 지닌 광학 기 술이 일반적으로 포함된다. 표면은 복잡한 형태를 가질 수  있기 때문에 필수사항으로 포함될 가치가 있다. 그리고 단 지 가장자리와 중앙의 일부 포인트만 확인하는 방법은 각  배선에서의 갭을 안정적으로 설정하는데 충분할 만큼 외형 들을 등록할 수 없다. 데이터 밀집도는 접착 영역의 전계 (full-field) 외형을 나타낼 만큼 좋아야 한다.
▶ Full-profile - 리플로우 프로세스 동안에 갭에 의해 발생 할 수 있는 광범위한 불량을 이해하려면, 해당 프로세스 전 체에 걸친 다양한 온도 포인트에서의 갭 분석이 필요하다.  대부분의 경우, 여러 온도 포인트에서의 갭을 평가하려면,  어떻게 표면이 상호작용하는지에 관한 철저한 이해가 필수 적이다.

▶ Statistical - 빽빽한 부품 속에서 통계상 적절한 샘플링이  이뤄졌다는 점을 확신시키기 위해 접착 표면 양쪽에서 충 분한 샘플들이 측정되어야만 한다. 배선 장소에서의 갭을  점검하고자 할 때, 예상되는 갭 최대치, 갭 최소치, 평균 갭 을 나타내는 표면을 가지고 있는 것이 유용하다. 게다가 각  배선 당 평균 갭 +3(갭의 표준오차)과 같이 통계적으로 산 출된 갭을 활용하는 게 유리하다. 분석용도에 따라 혹은 문 제해결의 성격에 따라, 서로 다른 통계적 갭이 다른 것보다  더 유용할 것이다.

방법론과 데이터

최상의 결과를 얻기 위해, 듀얼-표면 갭 분석에서는 SMT 리플로우 어셈블리 동안 접착하는 부품의 물리적 면의 측정 외형인 2개의 표면(상부 표면과 하부 표면 모두)에 대한 지정이 필요하다. 이상적인 사항은, 상부 및 하부 표면 양쪽에서 리플로우 사이클 내 적절한 모든 온도 포인트에서 대표할만한 많은 샘플이 포함되는 것이다. 공유된 좌표 시스템에서 함께 보았을 때, 표면 데이터를 분석하는 방법의 예를 하부에서 보여준다. 표시된 데이터는 별도의 리플로우 사이클 동안의 실제 생산부품을 측정한 것이다. 상부 표면은 부드럽고, 연속적인 표면을 제공하기 위해 솔더볼이 제거된 기존 BGA 표면이다. 하부 표면은 생산 컴퓨터에서의 PCB 랜드 영역이다(Dual-surface 분석 방법을 예로 도식화하였으나 표면들이 실제 생산 어셈블리를 대표하지는 않았다. 이들 특정 패키지와 PCB가 함께 어셈블리될 필요는 없다).
어셈블리 기획 혹은 문제 해결 목적으로 dual-surface 분석을 수행할 때, 실제 측정된 표면 한 쌍(단일 상부 부품과 단일 랜드 영역의 측정 형상)을 검토하는 것은 큰 도움이 되지 않는다. 불량이 과도한 기계적 반응에서 나타나는 경향이 있기 때문에 통계적으로 계산된 외형의 조합을 평가하는 것이 더 능률적이고, 전체 리플로우 어셈블리에서 외형 호환성을 검토하는 효율적인 방법이다.

분석 기술 
Full-field 표면 데이터를 확보하기 위해 그림자 moire 방식의 측정장비를 사용하였다. 측정 동안의 자체 위치 때문에 각 부품으로부터 완벽한 수준으로 오프셋 각도를 없애기 위해 LSF(least squares fit) 로테이션을 적용하였고, 각 표면 데이터 세트가 일반 좌표계에서 로테이션되었다. 이 프로세스는 오븐 내에서 설정된 자체 각도를 포함하지 않은 표면의 실제 형상이 분석되도록 보장한다. 그림 1에서는 LSF 로테이션 프로세스를 보여주고 있다.


샘플 지정
이 예의 경우, 각각 10개의 상부 표면과 10개의 하부 표면을 5개의 온도 지점에서 측정하였다. 열 사이클과 별개로, 상부 및 하부 샘플들은 리플로우 프로파일 동안 동일한 온도에서 측정하였다. 
 
수학적 분석 
자체 표면 지점들 내 양쪽, 그리고 상부 표면과 하부 표면 간의 표면들을 비교하기 위해, 새로운 분석 규칙이 필요하다. 평탄도 수립을 위해 공유된 ‘레벨’에 맞게 표면 회전이 사용된 각 LSF plane은 그 후에 표면의 가장 낮은 지점(상부 표면의 경우) 혹은 측정된 표면의 가장 높은 지점(하부 표면의 경우)으로 이동시켰다. 이는 각 표면의 ‘Zero Plane’이 되고, zero plane에서 표면 위의 배선 위치까지의 수직 거리를 기반으로 두어 ‘더 많은 갭’ 혹은 ‘더 적은 갭’을 가지는 배선이라고 식별할 수 있다. 변위는 분석된 모든 (x, y) 지점에 대해 수직적으로 측정된 ‘zero plane으로부터의 거리’를 묘사하기 위해 사용되는 항목이다.
하부의 그림들이 일반적인 표면처럼 보이지만 이들이 반드시 측정된 특정한 표면을 대표하는 것은 아니다. 대신, 측정된 영역의 각 XY 위치에 대해 측정된 수치들을 통계적으로 나타낸다. 예를 들어, (4, 22) 지점의 경우, 지정된 상부의 모든 표면 중에서 zero plane으로부터 최대 변위가 존재할 것이다. 그 최대 변위가 85미크론이면, 상부 표면에 대한 통계적 최대 표면은 (4, 22, 85미크론)로 (x, y, z) 포인트가 표시될 것이다. 그 옆의 포인트인 (4, 23)은 (4, 22)에서 했던 것과 같은 동일한 표면을 기반으로 하거나 혹은 상부 지정 데이터 내의 다른 표면 기반으로 하여 Z축 좌표를 추정할 수도 있다. 아니면 혹은  동일한 표면에서 또는 상부 데이터 세트의 다른 표면에서 Z-평면을 기준으로 한 Z-변위를 갖는 Z 좌표를 얻을 수도 있다. 어느 쪽이든 (x, y) 좌표에 대한 zero plane으로부터의 최대 Z-변위를 갖는다.

계산된 통계적 표면 
최소 표면 - (x, y, z)로 구성되며, z가 비교 데이터 세트 내의 모든 표면에 걸쳐 각 (x, y) 지점별 zero plane으로부터 최소의 변위인 지점.
최대 표면 - (x, y, z)로 구성되며, z가 비교 데이터 세트 내의 모든 표면에 걸쳐 각 (x, y) 지점별 zero plane으로부터 최대의 변위인 지점(하부 표면의 경우, 변위 거리는 항상 ‘양수’이기 때문에 최대는 ‘음수’를 의미한다).
평균 표면 - (x, y, z)로 구성되며, z가 비교 데이터 세트 내의 각 (x, y) 지점별 zero plane으로부터의 변위 평균.
‘3-시그마’ 표면 - (x, y, z)로 구성되며, z는 비교 데이터 세트 내의 각 (x, y) 지점별 zero plane으로부터의 평균 변위에다가 3배의 변위 표준편자를 더함.

상부의 방법에 따라, 각 온도 포인트별로 상부 표면에 4개, 하부 표면에 4개로 하여 총 8개의 통계 표면을 생성하였다. (이 예의 경우, 상부 표면 부품에서 솔더볼이 제거되었던 점을 주의해야 한다. 왜냐하면 솔더볼 장착 밀도는 잘 제어되어 있기 때문에, 솔더볼이 없는 표면은 대부분 의도대로 솔더볼의 가장 먼 지점에서 생성될 수 있는 표면을 의미한다. 즉, 배선 위치에서의 실제 표면은 솔더볼을 제 위치에 놓고, 갭 계산에 아무런 영향을 미치지 않는 솔더볼의 직경에 의해 오프셋되기 때문에 솔더볼 없는 표면은 기본적으로 동일한 형상이다. 시각적/수학적 분석법은 매우 간편하다. 솔더볼, 패드 및 페이스트가 생성될 수 있는 복잡한 표면보다 2개의 연속된 표면을 이용하기에 더 쉽게 이해할 수 있다. 그래서 본고에서 확실한 접근법이 제시되었다.)

표면 동반 이동
동일한 그래프에서 공유 좌표와 함께 표시될 때, 서로 다르게 표면을 이동시키는 방법과 관련한 옵션이 있다. 이 예에서, 표면들은 서로를 향해 수직(Z-방향)으로 이동되는데, 그들이 하나의 지점에서 맞닿을 때까지 지속한다. 상부와 하부가 가장 근접한 지점에서 중간이 닿는 일부의 경우, 이는 균형을 잃지 않은 ‘오른쪽’에 치중한 형태가 나온다. 표면이 단지 가장자리에서 만나는 다른 경우, 표면은 ‘균형을 잃은’ 모습처럼 보인다. 더욱 복잡한 형상의 심도 깊은 분석에 사용될 수 있는 다른 z-방향 방법이 있지만, 본고에서는 다루지 않았다. 대부분의 분석의 경우, 같이 볼 때 그들이 이상하게 보일지 모르지만, 단일 지점이 맞닿는 표면 방향성은 유용하게 사용될 수 있다.

갭 계산
모든 수학적 설정을 맞췄다면, 갭 계산은 간단하다. 임의의 (x, y) 위치에서의 갭은 그 지점에서의 표면 간 수직 거리이다. 배선 불량은 리플로우 동안 페이스트와 25미크론만의 솔더볼 간의 갭에 의해 나타날 수 있다. 몇몇 경우를 제외하고는, 우수한 접합과 결함 접합은 종이 한 장 차이가 될 것이다. 다른 시나리오의 경우, BGA 어테치 영역 내 모든 포인트에 대한 갭을 점검하는 것은 갭 계산을 위해 불러오는 상부와 하부의 통계적인 표면을 변경함으로써 가능하다.
중간에서 맞닿는 상부 표면의 오목한 형상과 하부 표면의 볼록한 형상과 같은 정반대 휨이 나타나는 부품 조합의 경우, 최대 상부 표면과 최소 하부 표면을 함께 측정하기 위한 선택은 가장 자리 주위의 측정 부품에 대한 최대 갭의 평가를 가능하게 할 것이다. 비슷하게, 최소 상부와 최소 하부의 통계적 표면을 함께 평가하면, 2개의 부품 어테치 영역이 평평한 상황을 도식화할 수 있다. 그들은 각 (x, y) 포인트로 표시될 수 있고, 측정 샘플 지정에서 나타내고 있는 최소의 갭을 보여준다.

결과들
예제 결과들은 다양한 온도 지점에서의 갭을 재검토하고, 다양한 코드(chord)들 사이에서 종단면적인 갭을 축출하여(분석 중 관심의 선형 경로) 하부에 도식화함으로써 보여주었다. 이 심도 깊은 분석은 전통적인 싱글-표면 분석 방법을 이용해서 얻을 수 없는 정보를 제공한다. 듀얼-표면 분석은 디자인, 어셈블리 기획 및 문제해결 그리고 품질 보증 측면에서 유용하다.
그림 2에서는 기본적인 듀얼-표면 그래프 레이아웃을 보여주고 있다. 상부 3D 세트 포인트는 상부 표면실장부품의 내부(접착) 표면을 나타내는 통계 표면이다. 이 경우 솔더볼이 제거된 패키지이다. 바닥 3D 세트는 해당 BGA 랜드 영역이며, 통계적으로 파생된 표면으로도 표시했다. 양쪽 표면을 더 보기 좋도록 갭 산출에 영향을 주지 않는 눈에 보이지 않는 시각적 갭을 적용하였다.



그림 3은 표면의 ‘코드(chord)’를 보여주고 있다. 3D 데이터 세트로부터 축출한 데이터의 라인들을 2D로 그려 보았다(코드 플롯은 3D 그래프에서 보인 어떠한 시각적 갭에도 영향을 주지 않았다. 실제 갭은 2D 플롯에 나타냈다).
그림 4는 그림 3의 3D 데이터 세트에서 축출된 2D 코드 데이터를 보여주고 있다.
그림 5는 리플로우 프로파일 시작 전 실온에서 샘플들로부터 축출한 3D 및 2D 코드 데이터를 보여주고 있다. 약 125미크론의 최대 갭이 측정 영역의 중앙부에서 발생했다.


그림 6은 프로파일의 히팅 단계에서의 샘플들을 보여주고 있다. 160℃에서, 패키지는 평탄해졌고, BGA 영역 내에서 약 50~75미크론 갭이 줄어들었다. 솔더 볼과 랜드 영역 상 솔더볼과 페이스트 간의 과도한 갭이 존재한다면, 이 히팅 및 소크 구간 동안에 산화현상으로 인해 헤드-인-필로우가 발생하기 시작하는 경향을 보일 것이다. 그래서 이들 온도에서 휨 현상은 중요한 부문이다. 



그림 7은 260℃ 피크 온도에서 통계 표면의 상부 최대치와 하부 최소치를 보여주고 있다. 다양한 유형의 ‘오픈’ 불량은 피크 온도 근처에서 생성되는 경향이 있다. 그래서 이 구간에서의 갭이 중요하고, 프로세스 제어 변수에 대한 의사결정에 영향을 미칠 수 있다. 이 예제에서, 패키지와 PCB 영역 모양의 호환성은 매우 좋았다. 전반적으로 대략 50미크론의 갭과 PCB 랜드 영역의 약간 비대칭적인 ‘새들(saddle)’ 형상을 유발하는 40미크론의 추가 갭을 보이고 있다.
그림 8은 2개의 가장자리에서의 패키지 스탠드오프 현상으로써 PCB 영역 비대칭 활동에 따른 영향을 도식화하여 보여주고 있다. 이와 같은 현상이 어셈블리 문제를 유발한다면, 모양 호환성을 높이기 위해 프로세스 변수의 재설계 혹은 조정이 필요하다.



그림 9는 160℃에서의 부품 쿨링 다운을 보여주고 있다. 극한 영역에서의 갭은 55~100미크론이었다. 솔더 액상용액을 거친 이 단계에서, 대부분의 휨-관련 불량들은 이미 생성될 것이다. 쇼트/브릿지는 액상의 마지막 단계에서 발생할 수 있다. 부품들이 냉각되고 솔더가 완전하게 재-응고되기 전에 자체 외형과 해당 배선 갭이 변경되기 때문이다. 피크 온도 이후 결함 형성에 대한 많은 관심은 솔더 응고 전에 2개 표면의 기계적인 상호작용을 적절하게 이해하는데 어떻게 심도 깊은 분석이 필요한지를 밝힐 것이다.
그림 10에서는 실온(25℃)에서의 최종 측정물을 보여주고 있다. 대부분의 부품은 거의 완벽하게 자체 고유 모양으로 되돌아갔다. 리플로우 내에서 실제로 어테치될 때, 2개의 부품들은 이 단계에서 서로 다른 휘어짐을 나타낼 것이고, 그 이후에 솔더는 그들과 함께 접착할 것이다. 그러나 2개의 부품들을 개별적으로 측정했을 때, 그 움직임을 연구하는 것은 신뢰성 엔지니어링과 같은 특정 목적을 가지고 접근할 경우, 솔더 조인트에 의해 수반되는 잔사 응력 평가에 유용할 것이다. 이 경우, 측정된 외형이 최종 실온에서 매우 달라서, 어셈블리가 끝나는 시점까지 솔더 내에 높은 수준의 잔사 응력이 존재하고 있었음을 나타내고 있다. 



갭 한계 예제들 
평탄도 한계 대신에, 그래프로 ‘갭 한계’를 배치하여 full-field 갭 평가의 프로세스를 개선할 수 있었다. 그림 11, 그림 12, 그림 13에서는 상부와 바닥 표면 간 색칠을 통해 통과(녹색), 경고(노란색) 그리고 실패(적색) 갭 영역을 보여주고 있다. 갭 상한 한계치는 ‘경고’의 경우에 50미크론, ‘실패’의 경우 75미크론으로 임의 설정하였다.

비대칭 휨
그림 14에서는 앞서 사용된 부품의 상부 표면의 예와 다른 디자인의 다른 PCB 어테치 영역을 보여주고 있다. 그림 14에서는 페이스트 체적 조절과 같은 특별한 프로세스 조치로 인해 랜드 영역의 복잡한 외형을 보이고 있어서 어셈블리 수율 최적화를 위해 필요할 수도 있는 경우를 보여주고 있다.




결론

헤드-인-필로우의 문제와 파인피치 BGA 관련 모든 프로세스 과제는 사라지지 않고 있다. 새롭고 얇아진 재질의 채용 증가세와 볼 피치의 미세화들은 리플로우 어셈블리를 거치면서 더 많은 휨 불량을 생성시키는 원인이 되고 있다. 더 얇아지고, 더욱 강력해진 모바일 디바이스를 향한 업계의 추세와 신뢰할 수 있는 PoP 어셈블리에 대한 관련된 요구들은 헤드-인-필로우가 어셈블리 디자인과 프로세스 변수의 조정 및 컨트롤을 통해 회피해야만 되는 중대한 결함 유형으로 남아 있는 또 다른 이유이다.
많은 SMT 전자업체들은 지난 10여년 이상 전체 리플로우 프로세스에서 표면의 full-field 외형을 측정해 왔다. 오늘날 대부분의 메이저 제조업체들은 통상 업무로 리플로우 온도를 통과하는 부품 자체의 어테치 표면의 외형을 측정하고 있다. 쇼트, 오픈 혹은 헤드-인-필로우 결함을 발생시키는 경향이 있는 설계를 피하고 이를 보완하기 위해서는 각 임계 온도에서 예상되는 갭들이 적절한지 확인하기 위해서 부품이 해당 매칭 부분과 일치하는 방식을 계획할 필요가 있다. 특히, 배선의 작은 갭이 표면실장 제품의 구조를 변경할 수도 있기 때문에 ‘어셈블리를 위한 설계’가 중요하다.
가능한 가장 신뢰할만한 솔더 조인트를 생성하기 위한 다양한 프로세스 파라미터를 조절하기 위해 SMT 부품의 리플로우 어셈블리 책임자들은 다양한 온도에서 비슷한 상호배선 갭 분석이 또한 필요하다.
본고에서 제시한 분석 방법은 평탄도만 측정하고, 그것이 임의의 한계보다 미만인지를 분석하는 방식보다 훨씬 더 복잡하다. 생산에 존재할 가능성의 범주를 재검토하기 위해 다양한 통계적 표면 조합을 사용하여 배선당 갭들은 반드시 검토되어야만 한다. 듀얼 표면 분석은 전통적인 휨 분석보다 훨씬 더 까다롭다. 그러나 전자기기 제품 디자인과 제조에 대한 경향은 SMT 어셈블리와 신뢰성 시나리오를 더욱 어렵게 만들고 있다. 이러한 더욱 복잡한 문제들은 각 SMT 어셈블리에 들어가 있는 양쪽 부품의 데이터를 수집, 결합 및 검토해야 하는 등 훨씬 복잡한 분석방법에 대한 요구를 만든다. 많은 경우, 상승 온도에서의 패키지 평탄도만 분석하는 것은 더 이상 효과적이지 않다. 리플로우 프로파일의 임계 온도를 거친 풀-필드, 듀얼-표면 갭 분석 활용을 통해서 양쪽 표면을 함께 검사함으로써, 제품 설계는 검증될 수 있고, 어셈블리 프로세스 변수는 계획될 수 있고, 부품의 신뢰성 및 호환성이 관찰될 수 있다.   
 

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