본 조사는 고온 SnAgCu 솔더링 합금과 현재 생산에 사용 중인 장비들을 이용하여 매우 복잡한 통신네트워크용 서버 제품군을 기본으로 한 무연 SMT 프로세스의 발전에 초점을 두고 있다. 새로운 무연 프로세싱 기술들과 현재 적용 중인 장비들의 호환성은 프로세스 개발을 시작하기 이전에 평가되었다. DOE(design of experiment)는 무연 프로세스로 만들어진 2번째 레벨 상호접합의 장기적인 신뢰성에 관한 몇 가지 프로세스와 재료 요소의 영향을 측정하기 위해 실시되었다.

전자가전 어셈블리에서 납(Pb)을 없애는 요구는 제조 프로세스의 생산성을 자세하게 재검토하는 작업과 함께 진행되어 왔다. 무연 솔더링이 기술적으로 실현 가능하지만 제조시설 내에서 이를 구현하기 이전에 해결되어야 할 핵심 제품의 사양에 문제가 있음이 이미 오래전부터 논의되어 왔다. 새로운 솔더링 기술과 함께한 회로기판 어셈블리 제조업체들은 일반 납 함유 솔더링 프로세스를 이용한 보드 어셈블리보다 더 높은 프로세스 온도를 경험하고 있을 것이다. 불행히도, 고온 무연 어셈블리 프로세스가 접합 공정, 최종 전자제품의 품질 및 장기적인 관점에서의 신뢰성 등과 밀접하게 관련된 재료들의 무결성(integrity) 영향에 관해서는 한정된 데이터만 있었다.
또한, 고온 무연 솔더들을 사용해서 고도의 복잡한 전자제품 어셈블리에 맞춰진 현재의 장비 성능에 관해서는 잘 알려져 있지 않다. 12×18인치 이상의 사이즈, 93㎜ 이상의 두께의 제품들을 이들 제품군에 해당되며, 1,300개 이상의 I/O count 패키지도 포함시킬 수 있다. 그래서 모든 제조 프로세스 및 해당 장비들은 무연 어셈블리의 품질과 장기적인 관점의 신뢰성을 확보하기 위해 재평가되어야 할 필요가 있다. 여기에는 SMT, AOI, 웨이브 솔더링, AXI, 전자동/수동 리페어/리워크 등이 포함된다.
본 조사는 고온 SnAgCu 솔더링 합금과 현재 생산에 사용 중인 장비들을 이용하여 매우 복잡한 통신네트워크용 서버 제품군을 기본으로 한 무연 SMT 프로세스의 발전에 초점을 두고 있다. 새로운 무연 프로세싱 기술들과 현재 적용 중인 장비들의 호환성은 프로세스 개발을 시작하기 이전에 평가되었다. DOE(design of experiment)는 무연 프로세스로 만들어진 2번째 레벨 상호접합의 장기적인 신뢰성에 관한 몇 가지 프로세스와 재료 요소의 영향을 측정하기 위해 실시되었다. DOE 내에 포함된 요소들로는, PCB 두께(63㎜, 92㎜, 135㎜), PCB 표면마감재(OSP & 전기 니켈/금 도금), 상호접합 재료들(비슷한 합금 조성의 서로 다른 공급업체로부터 제공받은 솔더 페이스트) 및 가변성과 관련된 열 프로파일(가열 유지, 피크 온도 및 휴지 타임)들이 있다. 부품 마감재와 같은 또 다른 변수들 또한 본 실험에 감안하였다.
프로세스 평가 보고서에서는 이전의 SnPb 어셈블리 프로세스 대비 무연 합금을 이용한 어셈블리의 제조 과정이 매우 차별화됨을 지적하고 있다. 이러한 차이는 주로 작동 프로세스 윈도우 감소와 관계가 있으며, 리플로우 온도는 신뢰할만한 2번째 레벨 상호접합을 생성하기 위해 요구된다는 점에서 그러하다. 가속 열사이클링 테스트(0℃~100℃)는 상호접합의 신뢰성을 측정하기 위해 실행되었다. 신뢰성 연구의 결과에 따르면, 신뢰할 수 있는 매우 복잡한 전자기기 어셈블리가 무연 SMT 프로세스와 현재의 장비들을 이용해 성취할 수 있다는 결론을 유추할 수 있다. 무연 어셈블리 프로세스와 관련된 요구는 여전히 연구 중이다. 게다가 프로세스 특성과 향상은 최종 가전기기의 품질, 신뢰성 및 성능을 보증하기 위해 요구되고 있다.

서론             

전자산업계 어셈블리 내에 사용되었던 납 함유 합금을 대체하는 재질의 개발 노력은 지속적으로 증가해 왔다. 이러한 노력은 전자기기 디바이스 내의 납(Pb) 사용을 금지하거나 규제하는 국제적인 법안에 대응하기 위해 시작되어 왔다. EC에서는  RoHS 법안을 2006년 6월1일부터 시행했으며, 일본에서는 2001년부터 자국내의 폐가전회수처리 법안을 적용하고 있다. 유럽의 RoHS 규제는 OEM 및 EMS 업체들에게 만약 무연 제조 프로세스가 제시간에 발전, 품질확보 및 이행되지 않는다면, 국제 상업시장에서 막강한 진입장벽으로 대두되었을 것이다. 마이크로전자 산업계는 무연 프로세스에 호환이 가능하도록 자사의 제품들을 변경하는 커다란 도전에 직면했었다. 전자기기 디바이스의 어셈블리를 위한 기존의 장비 설정과 공정 중의 요구사항들은 SnPb 솔더 특성에 최적화되어 있었다.
무연 어셈블리 프로세스에 최적화된 복잡한 통신네트워크용 서버 제품군들의 변화는 이들 제품군들 어셈블리에 사용된 기존 장비 설정의 생산성과 고온 프로세스(잠재적으로 255℃ 이상)가 재료의 보존성, 자체 품질, 신뢰성 및 장기적인 성능에 영향을 미칠 수도 있다. 이러한 데이터의 부족을 포함한 다양한 기술적인 이슈들이 나타난다. 특히, 한정된 데이터는 무연 솔더접합의 기계적 강도 및 열피로저항에서의 상호접합 재질, PCB 표면 마감, PCB 두께 및 리플로우 프로파일 온도와 같은 중요한 프로세스 변수의 상호작용에 적용될 수 있다.
본고에서는 복잡한 무연 보드 어셈블리가 가능한 생산장비 설정의 생산성을 측정하려는 목적으로 실행한 평가를 설명한다. 비-세척 무연 솔더페이스트(95.5Sn3.8Ag0.7Cu) 및 호환 부품을 적용한 복잡한 네트워크용 서버 보드와 같은 테스트 보드의 어셈블리 공정에 주로 초점을 두고 진행했다. 더 자세하게는 어셈블리 향상을 위해 적용된 부분실시 DOE(fractional factorial DOE)에 관해 증명했다. 결과는 어셈블리의 시각 및 X-Ray 라미노그래피 검사기를 통해 나타냈다. 지속적인 모니터링 ATC(0~100℃) 테스트에 관해 자세하게 하기 위해 에어리어 어레이를 거의 3014 사이클까지 실시했고, 무연 접합 자체의 열 피로 저항을 측정하기 위해 걸-윙(gull-wing) 리드 패키지를 포함시켰다. 불량 유닛은 종단면 및 염색침투(dye-penetrant) 기술을 이용해 분석하였다. 결과적으로, 서로 다른 검사기 및 테스트로부터 얻어진 모든 결과는 복잡한 PCA를 위한 무연 어셈블리 프로세스의 확실한 실증 목적을 위해 통계적으로 분석되었다.

테스트 방법      

무연 어셈블리 프로세스 평가             
무연 솔더를 적용한 고밀도의 복잡한 PCA 어셈블리에서 가장 큰 우려 중 하나는 새로운 프로세스 기술에 대한 이전 장비들 설정의 잠재적인 비호환성이었다. 대부분의 마이크로-일렉트로닉 산업계는 SnPb 솔더를 대체하는 SnAgCu 계열의 합금을 지원한다. 비록 SAC 계열의 합금이 많이 긍정적인 상태를 가지고 있다고 하더라도 217~224℃의 자체 고온 융점과 관련된 여러 가지 문제가 있다. 이는 SnPb 합금대비 융점이 약 34~41℃ 높아졌음을 의미한다.
SAC 합금에서 요구되는 고융점은 피크 프로세싱 온도가 신뢰할만한 접합이 이뤄지는 260℃에 근접한 온도에서 이행될 수 있다. 프로세싱 온도의 상승은 PCA 어셈블리에 적용된 재료의 특성뿐만 아니라 더욱이 이전 프로세스와 생산장비의 반복정밀도 및 신뢰성에 관한 우려를 높였다.



중간급 네트워크 서버 애플리케이션용으로 디자인된 기능성 시스템 보드는 SMT 무연 어셈블리 프로세스 전환에 잠재적인 장애물이 있는지를 확인하기 위해 초창기에 적용되었다. 그림 1a와 그림 1b에서는 중간급과 고도로 복잡한 PCA를 비교하여 보여주고 있다. 이들 특성에 관해서는 표 1에서 설명해 주고 있다.



최종 목표는 전체 제조프로세스에서 새로운 테크놀로지의 영향을 측정하기 위해 어셈블리 프로세스의 SMT 일부분에 소수의 보드를 실행시키는 것이다. 두 개의 보드는 이전의 재료들을 사용해서 어셈블리되었다. 어셈블리 프로세스 진행 순은 그림 2에서 설명한 대로 진행했다.



SnAgCu 무연 상호접합 재료만 프로세스에서 소개되었다. 모든 프로세스 표준은 신규 솔더 합금의 요구에 수용하도록 수정된 리플로우 프로파일을 예외 없이 남겨놓았다. 테스트 보드들은 어셈블리되었고 프로세스 사이의 매 스테이션마다 검사되었다. 이전의 프로세스 파라미터는 스텐실 프린팅이 적용되었다. 비-세척 무연 타입 Ⅲ 솔더 페이스트가 동일한 공정에서 적용되었다. 솔더 페이스트 브릭 정의(Solder paste brick definition)는 각별히 0.020 in. 피치 부품에서 관찰되었고, SnPb 솔더 페이스트를 이용한 동일한 랜드-패턴 디자인과 비교되었다. 그림 3에서 보는 바와 같이 특이한 차이점을 찾을 수 없었다.

표준 실장머신은 부품을 자동 적재하기 위해 사용되었다. 자동광학 검사기 설비는 실장 프로세스 이후 부품을 검사하기 위해 사용되었다. 어떠한 불량도 나타나지 않았다. 리플로우 프로파일은 PCB의 복잡성만큼 새로운 상호접합 재료의 특성을 고려하여 향상되었다.
솔더페이스트 공급업체의 권장사항에 따라, 보드 위에서 열 문제에 가장 민감한 부품의 접합을 250℃의 피크 온도까지 가열하는 일직선의 히팅방법이 열 프로파일 향상을 위해 이용되었다. 합금 용융 온도 이상으로 75sec의 지속시간을 가졌다. 열 프로파일의 특성 곡선을 그림 4에 나타냈다.  


 

테스트 보드들은 10개의 히팅 존으로 구성된 오븐으로 리플로우되었고, 그런 후에 시각 검사가 이뤄졌다. 플라스틱 패키지 위의 과다하게 초과된 플럭스 잔사 및 일정 수준의 변색을 관찰할 수 있었다. 솔더 접합 형상은 SnPb 접합과 다른 크기를 보였다. 무연 솔더접합은 탁하고 거칠어 보였다. 이를 통해서 또한 그림 5에서 보는 바와 같이 무연 솔더 페이스트의 젖음성이 크게 감소됨을 알 수 있었다.
초창기 조사에서 이전 SMT 장비들 자체가 단기적인 특성의 변화 없이 중간급 및 고도의 복잡한 PCA 어셈블리에 이용될 수도 있다는 점이 판명되었다.

실험 재질들 및 과정들           

테스트 보드 디자인             
무연 SMT 프로세스 향상 실험은 중간 및 고도로 복잡한 PCA의 특성(복잡성, 열 량, 부품 기술, 부품 간격유지 등)을 모의실험하기 위해 특별히 디자인된 테스트 보드를 이용해 실행되었다. ‘Yunque’ 테스트 보드의 사양은 표 2에서 요약하여 보여주고 있다.
테스트 보드의 양면에 복잡한 부품들이 어셈블리된 것을 그림 6a와 그림 6b에서 보여주고 있다.





이번 조사에 적용된 PCB 레진 시스템은 SnPb 어셈블리와 동일한 high Tg용 FR-4을 사용하였다. 고온에서의 여러 번 왕복운동 이후 이 재료의 동작에 관한 우려가 있었으나, 동일한 조던에서 품질을 확보할 수 있는 대체 재질이 없다.

부품들                 
부품들은 기능성 보드에 사용된 부품들과 동일한 폼팩터로 선택했다. 부품 공급업체에 대한 요구는 무연 프로세스뿐만 아니라 데이지 체인과 호환이 되도록 했다. 부품들은 평균 60초 동안 260℃의 온도를 견디도록 제작되고 있다. 표 3에 이번 실험에 적용된 부품들과 피치 간격 그리고 마감재질들을 요약하여 보여주고 있다.



상호접합 재질                
초창기 여러 개의 비-세척 플럭스 테스트 보드는 문헌 검색에 기반해 조사되었다. 잠재적인 플럭스 후보군들의 수를 간추리기 위해 플럭스 등급, 플럭스 활성도 및 저-할라이드 함유의 제품이 사용된 것과 같은 이전에 규정된 범주를 적용하였다. 단지 두 개의 플럭스 테스트에서만 서로 다른 솔더 페이스트 공급업체의 것을 선택했다. 타입 Ⅲ 솔더 페이스트 샘플은 총 금속 함유량이 89.5%이면서 95.5Sn3.8Ag0.7Cu 합금 조성의 양쪽 공급업체의 제품이 포함되었다. 

프로세스 증진                      
실험 디자인                
본 연구의 주된 목적은 HP의 신뢰성 특성을 충족시키는 무연 솔더 접합을 지원할 수 있는 제조 공정 상의 장비들을 정의하는 것이다. 이러한 제조 공정 조건은 제조 환경(부품 타입 BGA, CSP, leaded package 등), PCB 두께 및 PCB 표면 마감에서 항상 발생할 수 있는 여러 가지 통제할 수 없는 요인의 영향을 미리 예측하기 위해 테스트되어야만 한다. 합금 선택을 위한 페이스트 공급업체 선택을 위한 명백한 근거가 없기 때문에, 두 제품 간의 커다란 차이점을 테스트하기 위해 두 개의 페이스트 공급업체를 선정하였다. 접합의 신뢰성에서 이들 요인들의 영향을 측정하기 위해서, 앞의 다양한 통제불능(PCB 두께, PCB 표면마감 금속성 및 유사한 SnAgCu 합금조성의 상호접합 재질들을 포함한 실험요인과 같은)들을 내포하여 부분요인실험이 설계되었다.
솔더 접합 신뢰성 증진에 관련된 주요 프로세스는 열 프로파일이다. 그래서 강제대류방식 오븐에서 제어 가능한 주요 3가지 연속적인 변수가 실험 요인으로 선정되었다. 그것은 바로 히팅 상승, 피크 온도, 지속 시간이다. 실험 변수의 자세한 사항은 표 4에 요약했다.



마침내, 26-2 레졸루션 Ⅳ DOE는 총 32번의 실험 조건에 16 면심입방 포인트로 실행되었다. 실험 조건당 하나의 보드를 생성하고, 열 사이클의 멀티 프로파일을 통해 이들 32개의 보드가 양품이 되도록 진행했다.

프린팅 프로세스                  
MPM의 스크린프린터인 Ultraprint 3000 시리즈가 테스트 보드 위에 무연 솔더페이스트를 도포하기 위해 이용되었다. 표준 프로세스 레시피는 기존의 향상된 프로세스 파라미터를 이용했다. 솔더 페이스트 체적은 모든 패키징 테크놀로지에 맞는 기존 스텐실 개구 디자인으로 유지되었다. 프로세스 설정은 표 5에서 보여주고 있다.