RoHS 준수 SMD 부품과 Lead-Free 프로세싱 간의 상호작용은 지속적으로 복잡화되고 있다. 노하우가 축적된 이전 SnPb 프로세스에 새로운 재료 시스템을 부분적으로만 적용할 수 있다. 아울러, Lead-Free 리플로우 프로세스에 제공하는 일반적인 보고서들은 솔더링 프로파일을 생성하기 위해 중요한 파라미터들을 자세하게 보여주고 설명하고 있다. 결과적인 불안정과 문제들을 해결하기 위해 SMD LED 프로세싱을 위해 참조사항을 자세하게 보여줄 것이다. 각별한 주의사항으로는 열-포함 SMD 부품과 PCB 서브스트레이트에 피해를 주는 것을 적용했다.

서문             

리플로우 솔더링은 SMD 부품의 접합과 실장을 위한 목적으로 자리를 잡았으며, 전세계적인 산업계 표준으로 수립되어져 왔다. 리플로우 솔더링 내의 필수적인 프로세스 단계는 관통형 오븐 내에서 이전에 적용된 솔더 침전(페이스트)의 동일하게 일치된 융점 온도이다. 기술적으로 접근해 보면, 보드에 최대한 균일하게 열을 가하는 것은 뜨거운 공기 혹은 질소의 대류에 의해 실현된다.
RoHS 규제안이 2006년부터 발효됨에 따라, 이전 SnPb 합금을 대체하는 Lead-Free 화합물(일반적으로 SnAgCu)이 솔더 재료로써 사용되어지고 있다. 이전 납 함유 솔더의 전문가들은 새로운 재료 시스템으로 바로 전환할 수 없으며, 부품과 관련한 프로세싱 문제들이 지속적으로 발생할 것으로 예상했다.
Lead-Free 합금의 고온 융점 때문에, 새로운 솔더로의 손쉬운 전환과 이에 적당한 프로세스 온도의 증가는 절차적으로 충분치 않고, 원하는 결과를 생성할 수 없다고 주장했다. Lead-Free 솔더 재료를 위한 프로세스의 조건적인 감소 때문에 솔더링 장비와 실제 프로세스 컨트롤에 각별한 주의를 기해야만 한다. 애플리케이션-스펙과 부품-스펙 특성 또한 고려되어야만 한다.



정확한 미세-설정 없이는 부품들이 열 스트레스로 인해 피해 입는 경우가 증가했다. 결국에는 Lead-Free 솔더링을 위한 절충은 최대한 필수적으로 요구된 대량의 열 감소와 효율적인 리플로우 프로세스(필요한 대량의 열이 짧은 시간에 전달되고, 최대의 온도 차가 있는) 사이에서 발견되어야만 한다. 
JEDEC J-STD 020D.01        
JEDEC 표준 J-STD 020D.01은 무연 솔더링 초창기 기초가 되었고, 플라스틱 혹은 다른 투습성(moisture-permeable) 하우징(이 카테고리에 LED 부품도 포함)으로 된 SMD 리플로우 솔더링을 위해 참고 했다. 표준안에는 습도(MSL - moisture sensitivity level) 내에서의 자체 행태와 패키징, 저장 및 취급 결과 조치와 관련 있는 SMD 부품의 분류에 대한 일반적인 요구사항들과 제한을 포함하고 있다. 이는 리플로우 솔더링을 적용한 생산 시스템 내에서의 피해를 없애기 위한 것이다. 리플로우 솔더링 항목에서 가장 중요한 포인트는 하우징 두께의 작용과 부품의 체적에 따른 최고 온도 저항을 결정하는 것이다(표 1 참조). 부품의 상위에 측정된 분류 온도 TC는 일반적으로 제조업자에 의해 증명된 부품이 도달하는 하우징 온도와 명기된 습도 민감도에서 측정된 자체 저항과 프로세스 가능성이 보장된 온도를 나타내고 있다.
하우징 온도는 ‘PPT(package peak temperature)’ 혹은 주로 ‘package reflow temperature’로 정의된다. ‘Reflow’ 항목이기 때문에 온도가 솔더 접합 생성의 프로세스, 즉 솔더 접합 온도와 관계있다고 자주 오해하여 추정하기도 한다.
MSL 수치와 PPT는 제품 특성에만 사용되고 있다. 그리고 정보를 제공한다. 리플로우 솔더링을 위한 반도체 부품의 경건함에 관한 정보를 제공하거나 혹은 이전 솔더링 프로세스 이전의 추가적인 건조 공정이 필수적이기 전에 긴 부품을 위한 시간 설정이 컨트롤된 환경에 노출된다.
프로세싱과 관련해서, JEDEC 표준은 적당한 핵심 데이터 및 일반적으로 적용 가능한 한계치들을 내포하고 있다(표 2 참조). 그리고 또한 리플로우 솔더링 프로세스를 위한 기본적인 온도-시간 특성(솔더링 프로파일)을 일반적으로 제공한다(그림 2 참조).

이는 한편에서는, 품질 제한으로써의 제조업체들을 위해, 다른 한편으로는, 프로세싱 동안의 커스터머들을 위해 어떻게 하우징 온도가 판명되고 사용되는지를 다시 한 번 보여준다. JEDEC 표준은 모든 온도들이 패키지의 중앙에 언급해야 하고, 측정은 솔더링 동안 표면 위쪽에 있는 하우징 표면 지역에서 수행되어야 함을 추가적으로 규정하고 있다.

리플로우 오븐               

각 리플로우 프로세스의 핵심과 중대한 영향요인은 솔더 페이스트 용융에 사용되는 오븐이다. RoHS 지침서에서 소개하는 것처럼 고온 동작과 관련해서, 새로운 솔더링 프로세스 측정되는 항목이 포함된 최신의 리플로우 오븐의 제작이라는 요구 증대를 의미한다. 핵심은 정밀하게 조절할 수 있는 온도 프로파일, 정밀한 반복정밀도 그리고 최고의 에너지 요구이다. 반면 쉬운 취급과 최고의 쓰루풋을 제공한다. 이와 관련해서 가장 중요한 목적은 솔더가 될 보드 위에 온도차(△T)를 최소화하기 위한 열 전달의 안정성과 균일성이다. 최신 대류 리플로우 오븐의 경우, 열은 존에 의존해서 가열되거나 냉각되는 대류 공기 혹은 질소에 의해 전달된다.



그래서 보드로의 효과적인 에너지 전달은 가스의 유동률에 의해 결정된다. 부품의 치수와 수량의 차이 때문에, 한 쪽으로의 치우침 현상 혹은 부품이 날려가는 현상을 방지하기에 적합할 수 있도록 유동률 디자인이 필수적이다. 서로 다른 오븐 적용임에도, 프로세스 존의 안정성은 개별적인 히팅 존의 분리, 강력한 히팅 원리의 사용을 통해, 그리고 정밀하고 빠른 온도 컨트롤에 의해 얻을 수 있다.
안정된 솔더링 프로세스를 확보하기 위해, 리플로우 오븐은 다음의 특성들을 보유해야 한다.
▶ 개별적으로 컨트롤된 히팅 존(Top 및 Bottom)
▶ 가능한 많은 히팅 존을 통해서 다양한 프로파일 설정.
▶ 존에서부터 존까지 온도 및 대류의 공통적인 영향이 없어야 함.
▶ 컨트롤된 대류 및 유동률
▶ 전체 프로세스를 가로질러 동일한 온도 및 대류 특성.
▶ 그림자 효과가 없어야 함.
▶ 부품의 오프셋이 없어야 함.
▶ 신속한 heating-up 시간
▶ top 및 bottom 쿨링을 지닌 개별적으로 컨트롤 가능한 쿨링 존.

온도 프로파일           

영향을 끼치는 모든 요인들(예를 들어, 솔더 페이스트, 열의 대량, 부품의 수량 및 사이즈, 보드 디자인, PCB의 재질 및 구조, 솔더링 오븐)이 포함된 전자 모듈의 이상적인 프로파일을 만들기 위해 잘 알려진대로 고려되어야만 한다(‘Measuring of the Temperature Profile during the Reflow Solder Process’ 애플리케이션 노트 참조).
솔더 페이스트 제조업체의 권고사항은 프로파일 시작 시점부터 적용되어야만 한다. 적용된 솔더 페이스트가 최적의 결과를 낼 것으로 제조업체에서 기대하는 적합한 파라미터가 일반적으로 이미 명기되어졌다. PCB에 사용된 솔더빌리티의 정보는 프로파일 제작을 위한 러프한 평가가 재질(FR-4 혹은 IMS), 디자인(레이어 수) 및 표면의 젖음 특성에만 기반 될 수 있도록 일반적으로 가용할 수 없다.
특히 주의해야 할 사항은 분류된 SMD 부품의 최대 적층 한계에 프로파일링이 주어져야만 한다는 것이다. 일반적으로, 부품의 제조업체들은 JEDEC J-STD 020, J-STD 075 및 IEC 60068-2-58과 같은 적절한 표준을 참고한다. 가용할만한 정보의 요약으로써, 리플로우 프로파일의 후속 분류는 4개의 위상으로 정의할 수 있다(그림 5 참조).

P1 프리-히트 존     
첫 번째 단계에서 보드, SMD 부품 및 솔더는 천천히 솔더 내에 함유된 솔벤트 및 습기가 천천히 증발될 수 있는 수준의 특정 온도(120℃와 150℃ 사이의 적용된 솔더 페이스트에 의존해서)까지 열이 가해진다. 히팅 변화는 2℃/s를 초과하지 않아야 한다. 빠른 히팅은 솔더 페이스트 및 솔더 볼링의 외형 안정성 감소를 유발할 수 있으며, 한편으로는 온도 변화가 3℃ 이상일 때는 부품 및 기판에 피해를 입힐 수 있다. 크랙 및 delamination 불량의 결과가 발생할 수 있다.

P2 Soak 존           
솔더 페이스트 dry 존 혹은 활성화 존으로 익히 알려져 있는 Soak 존은 전체 보드에 가능한 균일하게 온도를 유지하는 것이 필요하다. 동일한 시간에 이 존은 또한 플럭스 활성화를 조성한다. 즉, 플럭스는 액상 상태로 변하고, 솔더 되기 위한 표면을 청소한다.



Soak 구간은 60~120초 동안 지속해야 하지만 많은 무연 솔더 제조업체들은 최대 90초로 특색지었다. 강제 순환 오븐은 적외선 오븐과 비교해 더욱 균일한 열 전송을 제공하기 위해 산업계에서 초기에 이용되었다. 이는 더욱 균일한 보드의 히팅 결과를 보였으며, 보드 사이즈, 모듈 밀집도 및 사이즈 그리고 오븐 효율성에 의존하는 액상 온도까지 히팅 곡선을 좀 더 직선적인 결과를 보였다.

P3 리플로우 존  
실제 용융과 솔더링이 이 존에서 이뤄진다. 리플로우 존에 도달했을 때, 약 2℃/s의 히팅 비율을 지닌 온도의 상승은 피크 온도 가까이에서 일반적으로 발생한다. 피크는 표준 SAC 솔더의 217℃의 액상 온도 보다 20℃~40℃ 이상이 되어야 한다. 액상 시간은 30~90초로 제한되어야 한다. 금속간 위상의 과도한 성장을 줄이기 위해서, 그리고 솔더 접합 신뢰성을 하락을 유발하는 원하지 않은 미용융 영향을 제한하기 위해서이다. 너무 길게 유지한 액상 및 피크 온도는 너무 높아 한편으로 열적 피해 혹은 극심한 경우, 포스트 리플로우 잔사의 흑탄화를 유발한다. 그리고 또 다른 한편으로 SMD 부품 및 PCB 보드 기판에 피해를 입힌다.
일반적으로, 솔더 페이스트 제조업체들의 권장 수준으로 초기 프로파일을 설정하는 감각이 여기서 필요하고, 보드의 특성에 상응하도록 맞추는 것이 필수적이다.

P4 쿨링 다운 존                
쿨링 다운 존 내에서, 부품, PCB 및 솔더가 균일하게 차가워지도록 3℃/s의 쿨링 비율이 유지되어야만 한다. 이는 모듈 하우징과 솔더 접합의 스트레스를 최소화한다. 특별한 주의사항은 세라믹 기반 LED 및 알루미늄 MCPCB와 같이 부품과 보드 기판 간의 서로 다른 팽창 계수를 지닌 보드가 적용되어야만 한다. 허용치 이상의 쿨링 온도 변화는 부품 및 기판에 피해를 끼친다. 마찬가지로, 솔더의 응고 동안, 완화 없는 응력이 더 이상 발생하지 않았다. 특히 용융 포인트 주변 온도에서 너무 느린 쿨링(0.5℃/s) 속도는 솔더에서 외형 구조의 붕괴를 보였다. 솔더 접합의 신뢰성에 영향을 미칠 수도 있고, 접합의 결정 외형의 가능성을 증가시킬 수 있다.

리플로우 프로파일의 중요한 파라미터들 요약            
앞서 설명한 바에 따르면, 리플로우 프로파일은 다음의 파라미터들을 충족시켜야 한다.
▶ 분리된 두 존들의 Ramp up 경사도는 25℃~150℃ 및
   TSmax - TP
▶ Soak Time
▶ 액상 TL 시간
▶ 피큰 온도 TP
▶ Ramp down 경사도
▶ TPeak 시간 - 5K
▶ 특이한 특색들(경사도 점프)

OSRAM 권장 수치들       
              
비록 많은 SMD 부품 제조업체들이 이미 무연 부품을 초창기에 제공하고, 일부 업체에서는 2002년부터 RoHS-준수 프로세스로 완벽하게 전환했지만, 무연 프로세스 내에서 SMD의 프로세싱에 여전히 문제점들이 남아 있다.



불확실 존재 및 문제 결과를 해결하기 위해 OSRAM에서는 무연 솔더링 프로세스 내의 SMD LED의 프로세싱의 권고사항을 자세하게 설명한다. 그림 5에서는 권장하는 온도-시간 프로파일을 보여주고 있다.
표 3에서는 또한 권장된 수치가 적당한 초기 시작 포인트를 의미하는 핵심 프로파일 파라미터 리스트를 포함하고 있다. 솔더되기 위한 개별적인 부품에 적당할 필요가 있을 것이다. 정해진 온도 수치는 항상 PPT(package peak temperature)를 참고해야 한다.
히팅 및 쿨링 위상 형태 내에서의 변화도는 리플로우 평가 및 측정을 위해 동일하게 중요한 파라미터이다. 예측하기 위해 적용된 시간 인터벌 또한 결정적이다. 프로파일의 정확한 측정을 위해, 전체 시간이 끝날 때까지 경사도를 결정하는 것이 결국 필요하다. 이러한 경사도를 결정하기 위해 OSRAM에서는 다음과 같은 결론을 이용했다.

ΔT/Δt = Slope (mit Δt = max. 5sec)

이 공식은 히팅(25℃ - TP)과 쿨링(TP-100℃) 위상 양쪽에서 적용되어야만 한다.

부품의 피해             

많은 곳에서 최적화된 플로우 라인과 같은 상업적인 요구가 리플로우 프로파일을 설정함으로써 최전면에 내세워지고 있거나 혹은 요구가 리플로우 오븐 이후 보드의 가능한 가장 낮은 아웃풋 온도를 위해 일련의 테스트 프로세스에 기반한다. 이러한 요구는 쿨링 존내에서의 높은 피크 온도 혹은 극단적인 쿨링 경사도와 맞춰진 상대적으로 빠른 컨베이어 속도에 의해 일반적으로 충족될 수 있다. 이러한 이유 때문에 부품의 열적 스트레스 한계 허용치에 쉽게 도달 혹은 초과되고, 피해 혹은 자연스런 불량 발생 가능성을 이끈다. LED의 열 과부하 같은 결과로 발생할 수 있는 일부 에러의 전형적인 이미지를 이하에서 나타내고 있다.

오픈 인터페이스(다이-접착물질-리드 프레임)                 
LED의 발생 가능한 에러를 그림 7에서 보여주고 있다. 이 현상은 너무 높고, 극단적인 쿨링 경사도로 설정된 피크 온도 때문에 열기계적 과부하에 의해 발생되었다. LED로의 열 유도 장력이 너무 높아서 리드 프레임과 칩 접착물질 사이의 접촉 포인트가 자주 떼어진다. 접착물질이 포함된 독립적인 칩의 X-Ray 이미지에서 확실하게 볼 수 있다.



크랙              
‘Cobra crack’은 LED의 광학 특성에 기인해 발생할 수도 있다. LED의 캐스팅 재료들 내에서의 이들 크랙은 너무 높은 습도를 함유하여 프로세스된 부품과 더불어 극단적인 솔더링 프로파일에 의해서도 유발된다.

솔더링 에러들                    
초창기 소형으로 보통 두 개의 리드 혹은 칩 부품에서 발생하는 일반적인 솔더 불량은 튬스톤으로 잘 알려져 있다. 솔더링 프로세스 동안 솔더 패드에 불균형된 힘이 가해짐으로써, 부품의 한 쪽면이 들리는 것이다. 그래서 솔더 패드로의 어떠한 전기적 접촉도 하나의 커넥터 핀에 생성될 수 없다. 새들과 리니어 프로파일 2개의 프로파일 타입을 비교해보면, 에러의 패턴이 새들-타입 프로파일에서 좀 더 자주 발생함을 알 수 있었다. 이는 새들-타입 프로파일 내에서 soak 위상에서부터 리플로우 위상까지 좀 더 현저하게 많이 전송됨으로 인해 발생했다고 분석했다.



경사도에서 점프하는 부분으로 유추할 수 있다. 온도의 이러한 급작스런 상승으로 인해, 부품에 가해지는 피해도 증가한다. 튬스톤 발생 가능성은 또한 플랜트 분위기(air 혹은 질소), 전송 속도, 비대칭 솔더 패드에도 적용되고 있는 솔더 페이스트의 젖음성과 같은 또 다른 요인들로 인해 강력하게 영향을 받는다. 게다가 이들 요인들은 항상 서로에게 영향을 미친다. 예를 들면, 그림 9에 나타난 솔더링 프로파일은 앞서 설명한 에러 패턴을 생성하는데 적용될 수 있다. 실제 측정된 프로파일은 솔더 패드 위의 온도 측정 포인트와 부품 하우징 위의 측정 간의 커다란 차이를 다시 한 번 보여주고 있다. 쿨링 변화가 심하게 다른 프로파일을 나타냈다.
온도 변화도에서 극명하게 올라가는 것만큼 극단적인 히팅 및 쿨링 경사도 모두, 솔더링 불량과 부품에 피해를 입히는 초과한 열 스트레스의 원인이 된다.

리플로우 프로파일 최적화하기 위한 가능한 측정        

앞서 설명 한 바와 같이 잘못 선택한 파라미터들과 태도들은 부품 솔더링 시에 연속적으로 피해를 입힌다. LED 솔더 프로세스를 성공적으로 진행하는 리플로우 프로파일 최적화를 실현할 수 있는 조건과 핵심들을 다음에 언급했다.
▶ 피크 온도 240℃ 넘지 않을 것
▶ 리니어 히팅
▶ 소크에서 리플로우 존까지의 전송 시 경사 급속을 피할 것
▶ 액상 온도의 시간 인터벌 내에서 피크 온도 주위에 완만한 곡선이
   형성될 것 (그림 10 참조)
▶ 완만한 쿨링을 위해 최종 히팅 존의 적용
▶ 실제 쿨링 존을 위해, 칠러의 동작 포인트를 늘릴 것.
▶ 쿨링 존 : 팬 속도를 최소 값으로 줄일 것.
▶ 컨베이어 속도를 늦출 것



요약             

Lead-Free 리플로우 솔더링 프로파일을 생성하기 위해 중요한 파라미터들을 다시 한 번 자세하게 본고에서 설명했다. SMD 부품과 PCB 기판에 열에 의한 피해를 예방하는 측면에서 알아보았다. 항상 보드의 개별 상황과 제조 환경(오븐 등)에 항상 적응해야만 하는 것을 궁극적인 권고 사항의 시작점으로 보았다. 동시에 줄어든 프로세스를 이용한 Lead-Free 솔더 페이스트의 늘어난 프로세스 요구 사항도 리플로우 오븐 자체의 한계에 빠르게 적용해야 한다. 그러므로 최적의 프로파일 설정을 달성하기 위해 오븐의 가능한 모든 기술적 기회를 적용할 필요가 있다.
또한 JEDEC에 설명한 바와 같이, 여기에 나와 있는 제한은 부품 자격의 테스트에 따라서 제조 프로세스에서 적용하지 않아야 할 값을 절대 상위 한계로 고려하여야 한다. 많은 연구와 논문에 나타난 최적화 되고 제어된 솔더링 프로세스는 보드 어셈블리의 기능 효율을 위한 필수 조건뿐만 아니라 크게는 신뢰성 따라서 솔더 접합의 품질에 영향을 미친다.