본고에서는 보드에 접촉하는 SMT 부품의 리플로우 솔더링 뿐만 아니라 어셈블리된 보드에 개별적으로 부품을 제거하고 재배치하기 위한 Rework 솔더링과 관련한 SMT 보드 어셈블리 프로세스에 대해 설명한다. 제조 프로세스는 일정하지만, 수용할 수 있는 품질 수준, 신뢰성 그리고 제조 수율을 측정하기 위한 일정한 솔루션이 요구될 수도 있다. 설비들, 재료들, 고객-사양 프로세스 파라미터의 발전 및 변화에 따른 차이 때문에 요구된다.
솔더 페이스트 프린팅
공융 SnPb 솔더 페이스트 합금은 63%의 Sn와 37%의 Pb로 조성되었고, 일반적으로 63Sn/37Pb 혹은 Sn/37Pb로 불러지고 있으며, 융점은 183℃이다. 많은 수의 Pb-Free 합금이 있더라도, 대부분 적용되는 성분들은 Sn, Ag, Cu이며, 일반적으로 SnAgCu 혹은 SAC라고 일컬어진다. SAC 솔더 계열에서 가장 대중적으로 사용되는 합금 조성은 Sn/3Ag/0.5Cu이며, 217℃~220℃ 의 융점을 가지고 있다.
개구부 사이즈는 패드 사이즈와 1:1이 될 수 있지만, 특정 부분에서는 솔더 볼 불량 감소를 위해 줄어든 개구부가 필요할 수도 있다. 커다란 패드는 망상선 오픈으로부터 이점을 얻을 수 있다. 대량의 페이스트 소비를 줄일 수 있으며, 세척을 컨트롤할 수 있다.
Pb-Free 솔더 페이스트는 SnPb 페이스트에 비해 리플로우 동안 덜 퍼질 수도 있으며, 패드 미납의 문제가 잠재적으로 존재하기도 한다. 비록 솔더가 전체 패드 덮어야 한다는 IPC-A-610의 요구사항이 아니더라도, 일부 고객들은 솔더 페이스트가 패드를 확실하게 덮도록 넓은 개구부를 선호할 것이다. 메탈 스퀴지를 사용하는 것은 세척 공정을 줄이며, 일정한 페이스트 체적 프린트를 제공한다는 이점 때문이다. SnPb 페이스트 프린트를 적용하는 장비는 특별한 수정 없이 Pb-Free 페이스트 프린트에 사용될 수 있다. 프로세스 파라미터들(스퀴즈 속도, 압력 및 분리 속도 등)은 특별한 솔더 페이스트 적용에 최적화되기만 하면 된다.
부품 실장
SnPb 보드에 적용되는 픽앤플레이스 머신들이 Pb-Free 보드에도 꽤 적용될 수 있다. 하지만 적당한 조명과 비젼 알고리즘 조절이 요구될지도 모른다. SnPb에 비해 일부 Pb-Free 솔더의 외형이 매우 다른 경우도 종종 있기 때문이다. 특히, SnPb 솔더는 거칠고 투박한 외형을 가지고 있다. 이것은 앞면 라이팅이 후면 라이팅을 대신에 적용될 때에만 적용한다. 앞면 라이팅은 BGA 볼 인식에 자주 사용된다.
리플로우 솔더링
리플로우 솔더링에서, BGA 부품의 볼을 녹이기 위해서 솔더 페이스트가 솔더의 융점 온도 이상으로 충분히 가열되어야만 하고, 완벽하게 녹아야만 한다. 신뢰할 수 있는 접합의 무너짐과 형성이 이들에 기인하기 때문이다. 리드가 부착된 부품의 경우, 솔더 페이스트는 원하는 힐 및 토우 필렛을 형성하기 위해 부품 리드에 입혀져 젖어들어야만 한다.
솔더 접합 형성은 리플로우 프로파일에 의해 반영되는 온도와 시간에 전적으로 의지한다. PCB 표면에 솔더 페이스트의 체적으로 덥힌 리드 디바이스는 부품 리드에 솔더 체적이 도금된 것 보다 매우 크다. 접합 형성에 핵심적인 부분이 된다. 그러나 부품의 BGA 볼 내에서는 접합의 솔더 체적이 주요 공헌자이다. 양쪽 모두의 경우, 적용된 페이스트 체적이 접합 형성에 매우 중요하다.
모든 보드 어셈블리에 공통으로 사용할 수 있는 최상의 리플로우 프로파일은 없다. 즉, 리플로우 프로파일은 디바이스 위, 주위에 멀티플 위치에서 써머커플을 이용해 각각의 보드 어셈블리에 맞게 특성화되어야만 한다. 솔더 페이스트 타입, 부품 및 보드 열 민감성 등이 리플로우 프로파일 발전에 고려되어야만 한다.
무연 vs SnPb 리플로우 솔더링
SnPb 리플로우와 비교해, Pb-Free 리플로우는 높은 온도를 요구한다. 일반적인 Pb-Free 솔더의 녹는 범위가 더 높기 때문이다. SnPb 솔더(Sn/37Pb)는 183℃라는 하나의 융점을 가지고 있는 반면, SAC305(Sn/3Ag/0.5Cu)와 같은 Pb-Free 솔더는 더 높아진 초기 217℃의 융점과 최종 220℃의 융점을 가지고 있다. 게다가, 더 높은 리플로우 온도가 요구되는 Pb-Free 리플로우 솔더링은 또한 더 좁아진 온도 범위를 요구한다. 부품에 피해를 입히지 않으면서 신뢰할 수 있는 접합을 생성하기 위해서이다. 이러한 더 좁아진 범위를 유지해야 하기에 SnPb 솔더링에 사용되었던 일반적인 오븐 내에 다수의 존과 정밀한 온도 컨트롤이 가능한 새로운 리플로우 오븐이 요구된다. 높아진 온도에서 발생하는 추가적인 산화 때문에, 리플로우 내부 분위기는 Pb-Free 리플로우 솔더링에 유리한 상태로 조성해야 된다. 물론, 고온은 모든 Pb-Free 부품의 고온 대응 요구로 움직이게 한다. 결과적으로 이들 온도는 또한 PCB의 휨의 원인이 될 수 있으며, 간혹 대체 PCB 재질 혹은 리플로우 동안의 캐리어 픽쳐가 필요할 수도 있다.
리플로우 프로파일 향상 고려사항들
각각의 커스터머들은 재료, 장비 및 생산품에 적합하도록 이미 사용하고 있는 리플로우 프로파일과 오븐 설정을 향상시켜야만 한다. 본장에서는 리플로우 솔더 파라미터의 조건들과 권장사항들을 포함하고 있다. 일부 리플로우 파라미터가 솔더 페이스트 조성(심지어 동일한 메탈 조성이 포함되어있다고 하더라도)과 다르기 때문에, 솔더 페이스트 제조업체들이 권장하는 향상된 프로파일이 고려되어야만 한다.
리플로우 프로파일 대비 보드
리플로우 프로파일 측정은 리플로우 솔더링 조건 설정에 아주 중요한 부분이다. 일반적인 측정은 고온 방지 리코딩 디바이스가 연결된 써머커플을 이용해 테스트 PCB로 리플로우 오븐을 관통하여 시행된다. 특별한 주의사항이라면, 원하는 지점에서 정확한 온도 측정을 위해 써머커플의 적절한 배치가 보장되어야만 한다는 것이다. 별도의 이야기가 없다면, 본장내에서 말하는 모든 온도는 부품의 몸체, PCB 표면 혹은 부품 주위의 공기 보다는 솔더 접합에서 측정한 것을 의미한다.
솔더 접합의 써머커플(TCs)은 가장 뜨겁고 가장 차가울 것으로 예상되는 접합 지점에 놓여야만 하는데, 이는 보드 위에 있는 모든 부품의 피크 온도범위가 스펙 안에 확실하게 들어오도록 하기 위해서다. 보드 위에서 가장 뜨거운 접합은 소형 수동부품에서 일반적으로 나타나기 때문에, 이들 중 하나를 프로파일 보드에서 피크 온도로 관찰되어야만 한다. 보드에서 가장 낮은 접합은 거대한 BGA 및 소켓류가 일반적이다. TC는 부품의 가장자리 중 하나의 접합에서 적용되어야만 하고, 부품의 중앙 접합 부분 혹은 가능한 부품의 중앙 근처에서 측정되어야만 한다. 엑추에이터링 메커니즘을 지닌 소켓류는 메커니즘 근처 접합에서 추가적인 TC가 요구될 수도 있다.
아울러, 부품 자체 온도, 상부 중앙 혹은 가능한 근접해서 측정된 솔더 접합도 관찰이 필요하다. 허용하는 부품의 온도를 초과하는 것을 피하기 위해서다.
BGA 혹은 소켓류의 리플로우 프로파일링에 있어서 TC의 위치변화를 그림 1에서 보여주고 있다. 그림 1에서는 대중적으로 전체 어레이된 부품과 대중적으로 일부분만 어레이된 부품을 사용했다.
SMT 접합 온도를 측정하기 위해 놓인 TC의 방법은 다음과 같다.
▶ 부품이 보드에 솔더되기 전에, 측정된 접합의 패드를 통해 소형
홀을 뚫는다.
▶ 보드의 바닥부분으로부터 써머커플을 삽입한다.
▶ 보드의 상부 표면이 발열된 써머커플 팁을 지탱한다.
▶ 접합과 접촉되지만 페이스트 프린팅을 방해하지 않은 이 위치에서
써머커플을 유지하기 위해 보드의 바닥면으로부터 에폭시를 칠한다.
▶ 솔더 페이스트가 프린트되고, 부품이 실장되고, 보드를 리플로우한다.
최소 솔더 접합 피크 온도
SAC305 혹은 SAC405 Pb-Free 솔더 페이스트를 이용할 경우, 보드의 가장 낮은 접합은 적어도 228℃에 도달하여야만 하며, 230℃가 적합하다. BGA의 경우, SAC305 혹은 SAC405 합금이 볼에 적용된다. SAC305/405의 경우, 228℃는 최초의 융점 온도(217℃)보다 적어도 11℃의 높은 가열이 필요하고, 230℃는 13℃ 더 높아야만 한다. 이들 보다 더 낮은 온도는 미접합 현상 혹은 신뢰성 감소를 초래한다.
SnAg 혹은 SAC105와 같은 다른 Pb-Free 볼 합금을 적용하는 부품은 신뢰할 수 있는 접합 형성을 위해 더 높아진 최소의 피크 온도를 요구할 수도 있다.
최대 솔더 접합 피크 온도
온도 변화가 250℃보다 낮은 부품을 제외한 보드의 모든 솔더 접합에 있어서 250℃가 최대 온도로 권장한다. 최대 솔더 접합 온도가 250℃를 초과한다면, 표준 FR4(Tg=130℃) 재질이 사용됐을 때 박리 및 휨의 PCB 피해가 나타날 수도 있다. 이 피해를 예방하기 위해 더 높아진 Tg 재질이 필요하지 않지만 반드시 안정성 테스트가 진행되어야만 한다.
부품은 자체 패키지 두께 및 체적을 기준으로 한 J-STD-020C에 따라 평가된다. 인텔의 BGA가 일반적으로 260℃로 평가되지만 다른 부품들, 특히 커다란 부품들은 250℃ 혹은 245℃로 평가될 수도 있다. 이는 250℃가 일부 부품에 있어서 최대 접합 온도로써 적합하지 않을 수도 있으며, 더 낮은 온도가 요구될 수도 있음을 의미한다. 리플로우 동안 소형 부품에 비해 큰 부품이 일반적으로 더 낮은 최대 온도에 도달(열 전송 물리현상 때문)하기 때문에, 자체 등급 이하로 유지하는 것이 어려울 수도 있다. 가능하게 긴 250℃가 소형 부품의 접합에 최대로 이용될 수 있다.
초기 액상선 상의 시간
최소 피크 온도 이상으로 소모된 접합의 시간 기간도 솔더 접합 신뢰성에 있어서 중요한 요소이다. 인텔은 냉각 동안 융점 이하로 내려갈 때까지 합금의 초기 융점(SAC305/405의 경우 217℃) 이상으로 올라가는 접합 시간이 측정되어야만 한다고 권장한다.
액상선상의 시간(Time Above Liquidus, TAL)은 자주 이 시간을 설명할 때 사용된다. 그러나 기술적으로 이야기 하면, 217℃는 SAC305의 고상선 온도이며, 솔더가 냉각 동안 완전하게 고체화되는 온도이다. 220℃는 액상선 온도이며, 가열 동안 완전하게 액체화되는 온도이다. 이들 두 온도 사이에서 솔더는 부분적으로 녹고, 부분적으로 고체화된다.
불행히도, Lead-Free 산업계에서의 일반적인 적용은 최종 융점보다 오히려 초기 융점을 참조하는 ‘액상’ 항목을 자주 부정확하게 이용해오고 있다. 이는 액상과 고상선이 모두 동일한 온도(183℃)이기 때문에 ‘액상’이 올바르게 적용되는 SnPb 솔더링 특성에 기인한 것이다. 혼란을 피하기 위해 본고에서는 ‘액상’ 및 ‘액상선 상의 시간(TAL)’의 적용을 외면할 것이다. 리플로우 시간은 TAL 보다 오히려 217℃ 이상의 시간(TA217)으로 시작될 것이다. SAC305 혹은 405 솔더 페이스트/볼에 적용되는 40~90초의 TA217를 인텔에서는 권장한다. 크거나 혹은 대량의 보드 경우에, 217℃ 이상 120초까지 가능하게 하는 예외적인 요구가 있을 수도 있다.
상승 및 하락 램프 비율
부품 피해를 피하기 위해, 제조업체들은 온도 상승 비율이 가열(상승 램프 비율) 및 냉각(하락 램프 비율) 동안 3℃/s 이하를 유지되어야 한다고 자주 권고한다. 이 사항은 가열 및 냉각 프로세스 전체에 거쳐 적용된다. 피크 온도에서 냉각이 205℃로 떨어지는 동안, 인텔은 또한 최소한의 램프 비율이 적용되어야 한다고 권장한다. 1℃/s 혹은 더 큰 냉각 비율을 거친 솔더 접합은 더 미세한 마이크로구조 특성으로 특색되어진다. 많은 보고서에서는 이러한 특색이 장시간의 신뢰성에 더 우수하다고 말하고 있다. 급속 냉각 비율은 또한 벌크 솔더 내부에 금속간화합물의 성장을 억제한다.
리플로우 장비
피크 온도 한계는 SnPb 리플로우의 경우보다 일반적으로 Pb-Free 리플로우에서 더 좁다. 비록 SnPb 솔더링용으로 설계된 리플로우 오븐이 Pb-Free 솔더링에서 요구하는 고온에 일반적으로 도달할 수 있지만, 이들 장비는 적어도 주의 깊은 리플로우 시간 연장을 지키지 못하면 더 좁아진 온도 프로파일을 생성하지 못할 수도 있다.
생산 속도를 유지하면서 협소한 온도 범위를 생성하고 컨트롤하는 것은 리플로우 오븐 내의 히팅 존의 수와 일반적으로 관계가 있다. 더 거대한 온도 컨트롤(즉, 존의 수가 더 많은)의 리플로우 장비를 지닌 임가공 업체들은 타이트한 Pb-Free 프로세스 한계, 특히 더 크고 더 복잡한 보드를 충족시키기에 더 좋게 할 것이다.
리플로우 내부 분위기
질소와 같은 내부 분위기 내에서의 리플로우 솔더링은 많은 양의 솔더 소비를 감소할 것이고, 솔더링 동안 발생할 수 있는 패드 산화를 줄인다. 이는 SMT 접합의 품질과 형상을 향상시킬 수 있으며, 웨이브 솔더링의 홀 충진과 OSP 마감처리 된 PCB로 테스트하는 동안 접촉 저항에 긍정적인 영향을 끼친다. 그러나 다른 기준들은 리플로우에서 질소 적용 없이도 비슷한 결과를 얻을 수 있다. 예를 들면 다음과 같다.
▶ 솔더 페이스트 선택
▶ PCB 표면 마감재 선택
▶ 리플로우 동안 남아 있는 솔더 페이스트가 녹는 것 보다 오히려
테스트 패드에 솔더 페이스트 프린팅.
▶ 테스트 프로브 헤드 스타일 선택.
웨이브 솔더된 보드에 적용되는 사양들의 예는 다음과 같다.
▶ 웨이브 플럭스 선택
▶ 웨이브 플럭스 적용 방법
▶ 웨이브 플럭스 양 적용
▶ 홀 내에서 웨이브 플럭스 분산 및 관통 심도
▶ 웨이브 솔더 파라미터들
- 예열 형태 쪾 예열 프로파일 쪾 웨이브 솔더 합금 선택
- 웨이브 솔더 포트 온도 쪾 솔더 웨이브 움직임
보드 휨
Pb-Free 어셈블리에서는 고온이 요구되기 때문에 SnPb 어셈블리에 비해 보드가 처지거가 휘는 경우가 더 많을 수도 있다. 이러한 현상은 모바일 애플리케이션에서 주로 사용되는 특히나 얇은 PCB에서 두드러진다. 비록 어셈블리된 보드의 휨에 대한 일반 산업계의 규정사항이 없지만, 보드 제조업체에서는 당연히 휨 감소를 선호할 것이다.
▶ 홀-다운의 픽처-프레임 스타일 팔레트는 모든 4면에서 보드를 지지하기 위해 사용될 수 있다.
▶ 채널형 지지대 레일은 솔더 프린팅 이후 리플로우 전에 보드의 앞부분과 뒤의 에지에 부착할 수 있다.
▶ 리플로우 오븐 제조업체들은 가변형 중앙 지지 와이어 혹은 체인과 같은 다양한 중앙 지지 메커니즘을 지원하고 있다. 그러나 이는 설계 시에 외부 실장 존이 필요하다.
리플로우 사이클 수만큼 PCB 사이즈/두께/박리 등의 다양한 휨이 발생한다. 인텔은 실험에서 1.0mm 및 1.2mm 두께 보드의 휨이 어떠한 성능적 문제를 유발하지 않았음을 알아 냈다.
