의료/휴대전화의 회로 기판 어셈블리를 위해서 RFI 차페 접착에 사용되는 하나의 제조 프로세스는, PCB 패드에 솔더링되는 솔더 구 위에 외피를 덧대는 ‘스냅핑’으로 이루어져 있다. 스냅된 RFI 차폐는 PCB에 솔더링 되는 것을 원하지 않고 만약 필요다면 제거될 수도 있다. 차폐를 위해 충분한 솔더 볼을 만들기 위해서는 다량의 물질을 이용해야만 한다.
현재 이 프로세스는 2단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계는 일반 솔더 페이스트 프린팅 프로세스를 이용해 PCB 패드에 솔더 페이스트를 프린트한다. 두 번째 단계는 솔더 sphere를 프린트된 솔더 페이스트 침전에 프린트 혹은 배치하는 것이다. 솔더 페이스트와 솔더 sphere가 칠해진 PCB는 그리고 나서 RFI 차폐의 스냅을 위해 충분한 볼 높이를 확보하려고 리플로우된다. 이러한 2단계 공정은 플레이스먼트 머신(픽앤플레이스)의 사용 혹은 단지 한정된 프린팅 장비에서 사용 가능한 특별하게 디자인된 프린트 헤드가 필요하다. 본고 실험의 목표는, 단지 표준 솔더 페이스트 프린팅 기술과 더불어 어떠한 솔더 페이스트 프린팅 장비를 사용해서라도 볼 높이 요구를 만족할 수 있는 프로세스로 발전시키기 위한 것이다.
최근에 작업은 스텐실 디자인과 솔더 페이스트 공식을 확인하기 사용되고 있다. 이는 리플로우 이후 RFI 차폐 접착이 가능하도록 솔더 페이스트의 충분한 프린트와 거대한 솔더 sphere 외형 형성을 가능케 할 것이다. 본고에서는 ‘스냅샷’ 차폐 접합 프로세스용 솔더 페이스트 프린팅 프로세스의 성능을 입증했던 일반적인 결과를 보여줄 것이다.
서문
최근 차폐 기술은 메탈 인클로우저(알루미늄) 혹은 캔 대신에 열 가공 메탈 플라스틱 차폐 기술을 사용하는 방향으로 발전하고 있다. 이 기술은 현재 차폐 기술(메탈 캔) 보다 월등하다. 왜냐하면 필요할 때마다 rework이 가능하기 때문이다. PCB에 차폐를 이루기 위해, 솔더 sphere들이 놓여지거나 혹은 차폐 디바이스의 주변에서 솔더 페이스트 위에 인쇄되고, 부품들 사이에서 리플로우된다. 차폐는 주변에 일련의 홀들을 가지고 있으며, 이들 홀들은 PCB에 차폐를 스냅 및 접합하기 위해 이용되고 있다. sphere들은 차폐와 PCB의 전기적 및 기계적 접합 모두를 제공하기 위해 사용된다.
BGA 솔더 볼 혹은 sphere들은 다음과 같은 프로세스를 통해 PCB에 접합될 수 있다.
1. 표면실장 픽&플레이스 머신 : 표준 픽&플레이스 머신은 솔더 sphere를 PCB 위에 놓기 위해 이용될 수 있다(솔더 볼은 테입&릴 혹은 벌크 형식이 이용된다). 그러나 이 프로세스는 전체 어셈블리 프로세스의 처리량에 영향을 준다.
2. 2 단계의 프린팅 프로세스 : 2단계의 프린팅 프로세스에서, 첫 번째 단계는 표준 스텐실 프린팅 프로세스를 이용해 부품 패드 위에 솔더 페이스트를 프린트하는 것이다. 두 번째 단계의 경우, 특별히 설계된 스텐실(패드를 위해 스텐실 하부를 베어버린)이 솔더 sphere 프린트를 위해 이용된다. 솔더 sphere 프린팅은 두 개의 프로세스를 이용해 완성된다. 현재 적용되는 기술은 특별히 고안된 인클로즈드 시스템을 이용한 솔더 볼 프린트이다. 대체 방법으로는 리플로우 동안 솔더 페이스트 프린트 및 솔더 볼 형성을 위해 표준 솔더 페이스트 프린팅 프로세스를 적용하는 것이다. 그러나 현재의 이 프로세스는 솔더 페이스트의 기술과 스텐실 디자인으로 인해 이용에 한계가 있다. 본고에서는 약점을 극복하고 일관된 솔더 볼을 생성하는 프로세스 단계와 스텐실 디자인을 논의할 것이다. 표준 솔더 페이스트 프린팅 프로세스를 이용함으로써 코스트 이점을 이룰 수 있다. 이 프로세스가 인클로즈드 프린트 헤드 시스템과 같이 추가 설비의 구매 필요성을 없애기 때문이다.
두 번째 단계에 있어서 스텐실 프린팅 프로세스의 이용은 저조한 프로세스 수율 때문에 제한되어 왔다. 접착 프로세스에서 BGA 볼을 위한 높이의 요구는 100% 수율을 지닌 35mm(890미크론)이다. 35mm 볼 높이를 이루기 위해 커다란 스텐실 개구부의 두꺼운 스텐실이 적용되고 있다. 그러나 현재 가용한 솔더 페이스트를 이용한 이러한 스텐실의 적용은 리플로우 프로세스 동안 솔더 브릿지 혹은 솔더 solder robbing 불량을 유발할 것이다. 리플로우 프로세스 동안의 불량 발생현상은 ‘2 단계 프린팅 프로세스’ 내의 2번째 단계용 표준 솔더 페이스트의 사용을 예방한다. 최근 작업은 충분한 솔더 페이스트가 프린트되게 하고 낮아진 불량의 리플로우 이후에 35mm(890 미크론) 솔더 sphere가 형성되도록 하게 하는 새로운 솔더 페이스트 조성을 적용해 스텐실 디자인 규칙을 향상시키기 위해 실행된다. 솔더 페이스트 프린팅을 이용한 성공적인 프로세스를 이루기 위한 요인들은 다음과 같다.
▶ 프린팅 기술
▶ 스텐실 디자인
▶ 페이스트 조성
▶ 리플로우 프로세스
▶ 기판 편평도
프린팅 기술의 평가 결과, 스텐실 디자인과 페이스트 조성이 본고에서 나타났다. 프린팅 동안 서브스트레이트용 완전한 기판 편평도를 제공하기 위해 전용 작업 홀더가 사용되었다.
실험 디자인
계획된 실험 접근법은 솔더 페이스트 프린팅 프로세스의 성능을 측정하기 위해 이용되었다. 서로 다른 제조업체의 SnPb 및 Pb-Free 페이스트가 DOE에 이용되었다. 다음의 부분에 다양한 사항들과 DOE에 적용된 상응하는 수준을 보여주고 있다. 본 연구를 위해 고정된 사항들은 다음과 같다.
DOE 사항들
솔더 페이스트 : 3 (SnPb 페이스트 ‘A’ 및 페이스트 ‘B’,
Pb-Free 페이스트 ‘C’)
스텐실 두께 : 2 (15 및 18mm 두께)
스텐실 개구부 : 4 (63, 61,59 및 57㎟)
리플로우 오븐 타입 : 2 (7존 컨벡션 리플로우 오븐,
스탠드얼론 Batch 오븐)
스퀴즈 블레이드 재질 : 2 (메탈 및 폴리우레탄 블레이드)
고정된 사항들
스텐실 제조 프로세스 : 전해연마된 레이저 컷
페이스트 파티클 사이즈 : Type 3 파우더
리플로우 프로파일 타입 : 솔더 페이스트 업체들의 권장사항에 기반
하나의 스텐실 디자인에 스텐실 개구 내의 다양한 레벨이 섞여 있어서 실험을 위해 줄어든 샘플의 수가 필요했다. 작동은 솔더 페이스트에 의해 방해되었다. 분석에 사용된 응답 변수는 다음과 같다.
1. 볼 높이 분포
2. 볼 높이 범위
3. 수율 퍼센트지
SnPb 페이스트 ‘A’ 및 LF 페이스트 ‘B’는 Type 3 파우더의 상업적으로 사용되는 페이스트이다. LF 페이스트 ‘C’도 또한 Type 3 파우더의 상업적으로 적용되는 것이지만 더 큰 BGA 볼로 범프를 위해 설계되었다. 페이스트는 프린팅 동안 콜드 슬럼프(cold slump) 및 리플로우 동안 핫 슬럼프(hot slump)에 강하게 설계되었다.
실험 보드 디자인
테스트 보드는 7.36″×2.28″×0.062″ FR-4 보드이다. 그림 2에서는 본고에서 사용된 테스트 보드를 보여주고 있다. 서브스트레이트는 각 어레이 내에 400UBM를 가진 4개의 어레이를 포함하고 있다. UBM의 치수는 78.7mm(2,000미크론) 피치를 지닌 23.6mm(600미크론)이다. 각 보드는 프린팅 전에 UBM 불량 검사를 육안으로 하였다.
스텐실 디자인
15mm(381미크론) 및 18mm(457미크론) 두께의 레이저 컷 스텐실이 실험에 적용되었다. 동일한 타입의 4개의 어레이가 있는 서브스트레이트이기 때문에 4개의 다른 모양의 개구부가 동일한 스텐실에 적용되었다. 스텐실 개구는 면 당 침전된 페이스트의 양을 극대화하기 위해 정사각형으로 디자인되었다. 그림 3에서는 스텐실 레이아웃을 보여주고 있다. 어레이 1은 63.0mm(1,600미크론)의 스텐실 개구부를 가지고 있으며, 어레이 2는 61.0mm(1,550미크론), 어레이 3은 59.0mm(1,500미크론), 어레이 4는 57.0mm(1,450미크론)의 스텐실 개구부를 지니고 있다.
프로세스 파라미터들
프린팅은 전용 보드 홀더가 있는 스피드라인의 UP300 프린터를 이용해 실시되었다. 보드는 10인치의 긴 블레이드에 1.5lbs/inch의 프린트 압력, 0.5in/sec의 속도로 프린트 되었다. 이들 파라미터들은 최소 압력을 사용하여 프린트를 세척하고, 적당하게 개구를 충진한다. 스냅-오프 프린팅은 플럭스 블리딩(flux bleeding) 문제를 경감시키고 프린트 정의를 향상시키기 위해 사용되고 있다.
그림 4에서는 SnPb 페이스트 ‘A’ 리플로우 샘플 프로파일을 보여주고 있다. Lead-Free 페이스트 ‘B’ 및 ‘C’의 리플로우 경우, 페이스트 제조업체가 권장하는 Lead-Free 프로파일을 적용했다. 모든 샘플들은 20ppm 미만의 산소 농도를 지닌 질소 대기 상태에서 리플로우 되었다. 낮은 온도의 긴 소크 시간을 유지했다. 리플로우 동안 더 낮은 비점(lower boiling point)에서 제거되기 위해서이다. 이 과정은 리플로우 동안 페이스트의 핫 슬럼프를 감소시키기 위해 사용되어서 브릿지 현상을 감소시키기거나 혹은 없앨 수 있었다.
스크리닝 실험
스크리닝 실험은 DOE 내의 많은 요인들을 줄이기 위해 실행되었다. 서로 다른 두 가지의 실험은 오븐 구성 타입과 솔더 볼 높이 및 볼 수율에 스퀴즈 재질의 영향을 평가하기 위해 진행되었다. 이들 요인들이 주요 DOE의 필수 부분으로써 고려되어졌음에도 불구하고, 자세하게 이들의 영향을 이해하기 위해 스크리닝 실험을 진행하기로 했다.
오븐 구성 타입의 영향
4개의 보드에 앞서 언급되었던 프린트 파라미터와 셋업을 이용해 SnPb 페이스트 ‘A’로 프린트되었다. 2개의 보드는 각각의 오픈 구성 타입에 리플로우시켰다. 어레이 1 스텐실 개구로부터의 결과만을 분석하기 위해 사용되었다. 어레이 1 스텐실 디자인은 프린트와 리플로우를 위해 가장 딱딱하게 설계되었다. 어레이 1 스텐실 디자인에 특별한 이슈 없이 페이스트가 프린트 및 리플로우 될 수 있다면, 어떠한 이슈 없이 존재하는 디자인에 프린트 및 리플로우할 수 있을 것으로 예상한다. 볼 높이의 결과는 레이저 프로필러미터를 이용해 측정되었다. 높이 측정은 불량이 없는 솔더 볼로 진행되었다.
분석에 이용된 반응 변수는 ▶ 볼 높이 분산 ▶ 볼 수율 퍼센티지이다.
그림 5에서는 7존의 오븐이 배치 오븐에 리플로우된 보드에 비해 더 높은 볼 수율 퍼센티지를 제공함을 보여주고 있다. 양쪽의 리플로우 프로세스에서의 볼 높이는 비슷했고, 볼 높이 측정 내에서 통계적으로 큰 차이가 없었다. 그림 5의 결과에 기반하여, 남은 실험에서 7존 컨벡션 리플로우 오븐을 적용하기로 결정했다.
스퀴지 재료(메탈 vs 폴리)의 비교
이 스크리닝 실험은 볼 높이 분포와 수율 퍼센티지에 스퀴지 재질이 미치는 영향을 비교하기 위해 실시되었다. 메탈과 폴리우레탄(90듀로미터) 블레이드가 비교를 위해 이용되었다. 두 개의 보드는 페이스트 ‘A’를 이용해 각각의 스퀴지 재질로 프린트되었고, 보드들은 7존 컨벡션 오븐에서 리플로우 되었다. 어레이 1에서 수집한 데이터가 분석을 위해 사용되었다. 높이 측정은 불량 없는 솔더 볼에서 진행되었다. 앞의 실험에서 같이 측정에 이용된 반응 변수는 ▶ 볼 높이 분산 ▶ 볼 수율 퍼센티지이다.
그림 6에서는 스퀴즈 재료 비교 실험 결과를 보여주고 있다. 그림 6에서는 메탈 블레이드가 폴리우레탄 블레이드와 비교해 솔더 볼 높이가 더 높고 일관적으로 생성됨을 보여주고 있다. 볼 수율 퍼센티지는 메탈 블레이드가 폴리 블레이드와 비교해 약간 높은 수율 퍼센티지를 보여주고 있다. 이상의 결과를 토대로, 잔여 실험에서 메탈 블레이드를 사용하기로 했다.
실험 결과
솔더 페이스트의 DOE 요소로부터의 결과, 스텐실 개구와 스텐실 두께는 본고의 하부에서 논의한다. 솔더 페이스트와 스텐실 개구 사이즈 측정을 위해 4개의 보드가 15mm 두께의 스텐실을 이용해 각각 조합하여 프린트되었다.
스텐실 두께의 영향
스텐실 두께의 분석 데이터에서는 더 큰 볼 높이가 18mm 두께의 스텐실을 이용해 얻어졌음을 나타내고 있다. 그러나 18mm 두께의 스텐실이 15mm 두께의 스텐실과 비교해 더 커다란 높이 분포를 가지고 있음이 판명되었다. 수율 퍼센티지의 비교는 18mm 두께의 스텐실(62.25%) 15mm 스텐실(81.75%)보다 낮았음을 보여주고 있다. 더 높은 볼 높이가 18mm 두께의 스텐실에서 이뤄졌음에도 불구하고, 낮아진 수율 퍼센티지로 인해 덜 매력적인 결과를 나타냈다. 그래서 얻을 수 있는 볼 높이와 수율 사이에서 트레이드 오프가 만들어졌다. 18mm 스텐실과 비교해 더 높은 수율이 나타났기 때문에 실험에서는 15mm 스텐실을 선택해 사용했다. 그림 7에서는 스텐실 두께 비교의 결과를 나타내고 있다.
솔더 페이스트의 영향
솔더 페이스트의 선택이 볼 높이 분포와 수율 퍼센티지에 커다란 영향을 끼친다는 것을 알 수 있다. 그림 8에서는 어레이 1의 볼 높이 분포와 볼 수율 퍼센티지를 보여주고 있다. 페이스트 ‘C’는 페이스트 ‘A’와 페이스트 ‘B’와 비교해 밀집된 분포이면서 더 높은 볼 높이를 생성했다. 게다가 페이스트 ‘C’는 100# 수율이 나타난 반면, 페이스트 ‘A’와 페이스트 ‘B’는 각각 80%와 78%의 수율을 기록했다. 결과적으로 100% 수율을 보이면서 더 높은 볼 높이를 형성하는 제품은 페이스트 ‘C’를 통해 얻을 수 있었다.
스텐실 개구 사이즈의 영향
그림 9에서는 7존 리플로우 오븐에 페이스트 ‘C’를 15mm 스텐실에 적용했을 때 다양한 스텐실 개구에 따른 볼 높이 분산을 보여주고 있다. 그림 9에서는 스텐실 개구 사이즈가 커지는 만큼 볼 높이도 커짐을 알 수 있다. 이러한 결과가 예상했으며, 다시 확인했다. 그러나 특정 사이즈를 초과한 스텐실 개구 사이즈가 늘어나지 않도록 조심해야만 한다. 이는 프린트 프로세스 이후 혹은 프로세스 수율에 영향을 까치는 리플로우 동안 브릿지 현상을 유발할 수 있기 때문이다.
그림 9에서는 목표했던 35mm의 볼 높이가 페이스트 ‘C’를 이용한 15mm 스텐실에서 61mm의 스텐실 개구부로 이뤄졌다. 그림 10에서는 61mm 스텐실 개구로 BGA 볼의 100% 수율을 이룬 것을 보여주고 있다. 그림 10의 우측에서는 볼의 측면 각도 관점과 리플로우된 BGA 볼 높이의 밀도를 보여주고 있다.
성공적인 범핑 프로세스를 위한 권장사항들
솔더 페이스트 프린팅 프로세스를 이용한 성공적인 범프 BGA 볼을 위한 조건들은 다음과 같다.
스텐실들
스텐실 디자인에서 핵심 요소는 스텐실 구멍을 최대화시키는 반면 스텐실 두께를 최적화시키는 것이다. 솔더 체적 요구에 기초하여, 두께 및 스텐실 개구부가 결정되어야만 한다. 개구들 사이의 공간은 7.9mm(200미크론) 보다 커야만 한다. 7.9mm 보다 좁은 폭은 솔더 브릿징 및 솔더 로빙을 유발한다. 스텐실은 레이저 절단 스텐실 혹은 일렉트로폼 스텐실이 될 수 있다.
솔더 페이스트
페이스트 범핑 실험은 3가지의 다른 페이스트로 실시되었다. 그 결과 페이스트 ‘C’ LF가 다른 2개의 페이스트에 비해 월등한 성능을 보였다. 페이스트 ‘C’는 스텐실 개구로부터 쉽게 빠질 수 있도록 디자인되었다.
리플로우
리플로우 동안 솔더 브릿징 및 솔더 로빙 발생현상을 최소화하기 위해 프로파일은 낮은 온도의 긴 소크 시간으로 변경되어야만 한다. 게다가 기판은 대기 상태에서 산화를 방지하기 위해 리플로우되어야만 한다. 질소 분위기는 산소 20ppm 미만이 되어야만 한다.
프린팅
이러한 결과는 스텐실 프린팅 프로세스를 이용해 볼 높이 요구를 충족시킬 수 있음을 보여주고 있다. 프린팅 프로세스 파라미터(프린트 속도, 프린트 압력 및 분리 속도)가 최소의 압력과 개구부의 적당한 충진을 지닌 프린트 세척을 보장하도록 선택되어야만 한다.
결론
표준 솔더 페이스트 프린팅 기술과 장비가 차폐 접착 프로세스에 적용되는 요구 솔더 볼 높이를 얻기 위해 이용될 수 있다. 이 프로세스 내에서 BGA 볼의 100% 수율 향상 작업이 능력에 따라 입증할 수 있다. 결과에서는 적당한 프로세스 조건들(페이스트, 스텐실 및 프린트 파라미터)을 선택함으로써 이뤄짐을 보여주었고, 이는 스텐실 프린팅 프로세스의 제한을 없앨 가능성이 있다. 본고에서는 솔더 페이스트 스텐실 프린팅 프로세스가 차폐 접착 프로세스 내에서 매력적이고, 대량 범핑 BGA 볼에 경제적인 비용의 대체 프로세스라는 것을 입증했다.
