고신뢰성 구축 위한 솔더링 프로세스 수립이 중요
무연 재질 특성에 맞는 프로세스 필요 

최근 일부 Lead-Free 자동차 실장 제품이 일반 승객룸 부문에서 고온 동작 조건에 노출되어 있는 엔진룸 혹은 엔진에 직접 실장되는 부문으로 적용처가 이동하고 있다. 부품 및 회로보드 모두 고집적 실장을 요구하는 다기능 및 경박단소화가 필요지고 있다. 이러한 제품들에서도 Lead-Free 구조를 또한 원하고 있다. 자동차 실장 제품용의 신뢰성 확보 방법을 지속적으로 연구 및 개발하는 노력이 이어져 왔다. 가전기기보다 훨씬 더 높은 신뢰성을 구축하기 위해서는 확실한 솔더링 프로세스 수립이 필요하다.
 

지구 환경 보호 목적의 WEEE/RoHS 법안이 등장하고 난 후, 가전기기 제조업체들을 중심으로 Lead-Free 솔더를 적용한 생활 가전기기들이 대세를 이루고 있다. 유럽의 ELV 법안의 이슈로 자동차 전장업종에서도 Lead-Free 솔더로의 전환 노력이 이어져 왔었다.
리플로우 솔더링 프로세스 관점에서 본다면, 자동차 제조업체들은 2003년부터 Lead-Free 솔더를 내비게이션 제품군 내에 적용하여 실용화시켰으며, 자동차 컨트롤러 제품군 내에서는 2004년에 Lead-Free 솔더가 채택되기 시작했다. Fujitsu에서는 자체 플로우 프로세스를 포함하여 시장에 완전한 Lead-Free 제품군 소개를 성공적으로 마쳤다.
자동차 내 제품군의 신뢰성 확보를 위해 Lead-Free에 적합한 솔더링 프로세스 구축, 부품 선택, 평가/컨버젼 및 디자인 요구가 필요했었다. 그래서 본고에서는 이러한 관점에서의 작업 시스템과 문제 해결 솔루션을 소개한다.

서론

최근 WEEE/RoHS 및 유럽 ELV와 같은 법안들은 환경 친환적인 제품들의 공급을 요구하고 있다. 그림 1에서는 환경 보호에 따른 규제사항을 보여주고 있다. Fujitsu Ten은 다양한 친환경적인 문제들을 자체적으로 연구해 왔으며, 하나의 주요 이슈는 자동차 전장 제품군의 Lead-Free 전환이다.

그림 2에서는 Fujitsu Ten에서의 Lead-Free 제품군 로그맵을 보여주고 있다. 양면 리플로우 프로세스는 Fujitsu Ten에서 부품 실장의 주류가 되었으며, 2003년부터 내비게이션 제품군을 기점으로 시장에 Lead-Free 솔더를 적용한 리플로우 프로세스를 소개하기 시작했다. 2004년부터는 자동차 컨트롤러 제품군용의 Lead-Free 리플로우를 실행했고, 2005년에 완전한 Lead-Free 솔더를 가지고 리플로우 및 플로우 납땜된 내비게이션 제품군을 소개할 수 있었다.

Lead-Free 솔더 전환에 있어서의 이슈들 

Lead-Free 솔더(Sn-Ag-Cu)는 합금의 융점, 젖음성 그리고 또 다른 다른 기계적 특성이 일반 Sn-Pb 솔더와 다르고, 기존 용융 솔더링 프로세스의 적용이 불가능하다. 가정용 가전기기 제품군과 비교하면, 자동차용 제품군들은 극적으로 대기 상의 온도와 습도를 포함한 가혹한 환경적인 요구에 직면해 있다. 또한 자체 회로 보드에 고밀도의 실장이 요구되고 있다. 따라서 Lead-Free 제품군을 생산하기 위해서는 Lead-Free 솔더에 대응하는 솔더링 프로세스와 부품 선택 설정, 평가 및 전환 수행 그리고 디자인 파라미터 수립이 필수적이다.
그림 3에서는 Lead-Free 제품군의 대량생산용 테크니컬 측정 이슈들을 보여주고 있으며, 이후 본문에서 이들 이슈들을 향한 조직과 측정을 설명한다.

무연 솔더링 전담 조직 구성

Lead-Free 제품을 생산하기 위해서는 2가지 관점에서 접근해야만 한다. 부품 전극 도금이 Leda-Free로 제작되어야만 하고, 솔더링 재료도 또한 Pb가 제외되어야만 한다. 대량의 부품 전극 도금은 전환 시기에 맞춰 Lead-Free로 제작되어야만 하고, 실패 없이 원활하게 각 부품을 평가할 필요가 있다. 이러한 목적을 실천하기 위해 Fujitsu Ten에서는 회사 내에 광범위한 조직인 ‘Common parts project section(이하, common parts pro.)’이라는 새로운 조직을 설립했다. 부품구입, 엔지니어링 제조, 생산 및 디자인 영역 등을 포함한 중앙 집중식 관리와 부품 전환의 안내서를 위한 목적으로 조직되었다.
그림 4에서 보는 바와 같이, Common parts pro.는 Lead-Free 프로모션 프로젝트 조직 내에 새롭게 설립되었다.

부품 정보 중앙관리 부문에서는, 부품 정식승인시스템(디자인, 실장 및 공급자 지시사항 등의 평가 결과에 따라 승인이 이뤄지는)이 Lead-Free 호환 여부를 등록할 수 있도록 변경되었고, 디자인 조사는 Common parts pro. 내에서 수행되었다. 현재 사용 중인 부품들과 향후 사용 계획 중인 부품들을 대상 부품들로 했고, 이들 부품들의 Lead-Free 호환 여부에 대해서는 새로운 승인 표준에 기반으로 결정되었다. 부품 전극 도금 내에서 변할 수 있기 때문에, 승인 표준화 작업은 부품의 젖음성과 내열성 부분에서 재료 발전 부문과 제조 엔지니어링 부문에 의해 재검토되었다. 새로운 섹션 가이드라인은 솔더 접합 신뢰성의 분석 결과 평가를 이용해 디자인 부문에 의해 설정되었다. 승인된 부품으로의 전환은 디자인 부문과 조정하여 이뤄진다. 일련의 작업을 통해 Fujitsu Ten은 2004년 말에 완벽하게 전환할 수 있었다.
부품 전환의 경우, 솔더 재료가 바뀔 때 접합 품질에 영향이 있다. 그래서 부품 전극 도금을 Lead-Free화 하는 것을 맨 처음 진행했었다.

평가 결과와 부품 내의 변화의 상태를 회사 시스템 내의 부품 정보 검색에 통해 검출할 수 있도록 했다. 부품 정보 시스템 검색의 예는 그림 5에서 볼 수 있다. 부품 번호 당 Lead-Free 호환 상태를 확인할 수 있으며, 엔지니어들은 생산 디자인에 이 정보를 반영할 수 있다. Lead-Free 제품 변화를 향한 이러한 일련의 활동을 통해, 중복된 부품들은 통합 정리되는 동시에 부품 설계품질을 매우 향상시킬 수 있었다.

표준 부품과 마찬가지로 PCB는 다양하며, 그들은 관련 부서에서 평가와 유지관리가 요구되는 생산 신뢰성에 커다란 영향을 끼친다. 그래서 회로보드 승인 작업은 통합 관리와 최적화를 위해 Common parts pro 역할로써 통합되었다. Common parts pro는 2005년 3월말에 해산되었지만 부품 관리와 회로보드 승인의 이 형태는 디자인 메니지먼트 그룹에서 지속되고 있다.
다음으로, 이러한 조직 구성을 통해 기술적인 이슈에 어떠한 솔루션을 제공하는지를 설명하겠다. 

기술 이슈들 분석 

Lead-Free 제품들과 관련된 기술적 이슈들로는 ▶ 솔더링 플로우 프로세스의 수립, ▶ 플로우 솔더링 상태 설정, ▶ 디자인 파라미터, ▶ 부품 평가 표준, ▶ 부품 솔더 접합 신뢰성, ▶ 회로보드의 내열성 평가 등이 있다.

플로우 솔더링 프로세스 수립
SnPb에서 Lead-Free 솔더로 플로우 솔더 재료가 변화함에 따라, 그림 6에서 나타내는 것과 같은 솔더링 문제가 발생했다. 이들 문제들은 서로가 모순적이고, 이를 해결하기 위해서는 솔더링 설비, 솔더링 조건, 부품 전극 도금의 변화 등과 같은 다양한 측면에서의 접근이 요구된다.

Lead-Free 플로우 솔더링 내에서, 솔더링 온도의 상승과 잠김 시간(dipping time)의 증가는 솔더 올라옴 향상에 효과적이지만, 그렇게 함으로써 랜드 리프팅과 동박 침식 증가 등의 신뢰성 감소현상이 나타난다. 솔더 올라섬과 동박 침식 그리고 쓰루홀 도금의 박리를 먼저 설명할 것이다.
일반적으로 플로우 솔더링 장비는 두 가지 타입이 있다. 하나는 전체 회로보드를 웨이브로 흘림으로써 솔더가 적용되는 방식이다. ‘딥 플로우 방식’이라고 불린다. 또 하나는 솔더가 국부적으로 적용되는 노즐 방식이다. 당초에 이들 두 가지 방식을 최적화시키기 위해 평가가 진행되었지만 양쪽 어느 쪽에서도 만족할만한 결과를 얻을 수 없었다.
솔더 올라섬과 동박 침식의 감소 균형을 맞추기 위해 솔더의 플로우 속도 억제(솔더 침식에 큰 영향을 미치는) 동안에 회로 보드에 효과적인 열 전달이 이뤄지는 새로운 프로세스가 개발되었다.
신규 프로세스와 일반적인 2가지 방식의 솔더 올라섬과 동박 침식의 관계는 그림 7에서 보여주고 있다.

솔더 올라섬과 동박 침식의 감소를 균형 맞추려는 프로세스가 발전함에 따라, 자동차 실장 제품 내에서 Lead-Free 플로우 솔더링 적용이 가능해지기 시작했다. 또한 쓰루홀에서 도금 박리가 솔더 조건에 의존해 가혹해질 수 있음을 확신하게 되었다. 그림 8에서 이를 설명하고 있다.

쓰루홀에서 도금의 박리는 더 높아진 솔더링 온도 때문에 냉각 동안 늘어난 솔더의 수축에 의해 유발되는 것으로 사료되며, Lead-Free 솔더링 재료의 물리적인 경도가 SnPb 대비 높아졌기 때문이다. 평가기준은 신뢰성 결과를 통해서 쓰루홀 도금 박리 비율을 설정하였고, 솔더링 조건(온도, 시간)을 적용함으로써, 제품의 신뢰성을 확보하였다. 
다음으로, Lead-Free 솔더링 재료 및 부품 단자 도금의 변화로 발생할 수 있는 Sn의 재-결정화로 인한 휘스커 발생을 이후 설명한다.
단자 도금의 휘스커는 여전히 연구되고 있다. 그림 9에서 보는 바와 같이, 플로우 솔더링의 경우, 휘스커의 발생은 랜드 가장자리에서 발견된다. 그림 9에서는 휘스커의 발생 위치를 보여주고 있으며, 솔더가 얇게 된 랜드 및 서브스트레이트의 가장자리 부분에서 발생함을 볼 수 있다. 그림 10에서는 보는 바와 같이 휘스커 발생 메커니즘이 추정됨에 따라, 랜드 끝 부분이 노출되지 않도록 보완 목적으로 over-resist 커버링이 랜드 부분에 적용되었다.