부품의 솔더 신뢰성 및 내열성 검토 
고집적, 경박단소화와 더불어 무연 대응력 키워  

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. 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.
 

부품 솔더 신뢰성 및 내열성
부품 솔더 젖음성
솔더 접합 강도를 보장하기 위해 기본 재질과 접합 표면 사이에 적당한 합금 레이어가 형성될 필요가 있다. 그림 1은 드롭 FTA 솔더 접합 강도를 보여주고 있다.

부품 전극 도금에 있어서 솔더링 특성에 관해서는 SnPb 솔더에서 Lead-Free 솔더로 솔더링 재질이 바뀔 때 솔더 젖음성이 반대의 효과를 내는 점은 잘 알려진 사실이다. 게다가 시간의 경과에 따른 부품 전극 도금 약화 때문에 솔더링 특성이 떨어질 가능성이 있다. 전통적인 스토어 컨트롤 방식이 충분한지 혹은 그렇지 않은지를 점검할 필요가 있다. 또한 동일한 외형의 부품 전극 도금에서 부품 제조업체들 사이에 차이가 있다. 이들 변화 유형은 솔더 젖음성 확보를 위해 양적으로 고려되었다.
메니스코프그래프(meniscograph)를 통한 솔더 젖음성 평가는 평가를 위해 빠른 히팅 온도 상승 방식을 이용했다. 그림 2에서는 빠른 히팅 온도 상승 방식을 보여주고 있다. 

그림 2의 마이크로 클루서블(micro crucible)에 보는 바와 같이, 단자 테스트 부분이 마이크로 클루서블 내에 담가졌고, 솔더 젖음성이 대량의 젖음력과 시간에 의해 측정되었다. 메니스코프그래프의 측정 예는 그림 3에서 보여주고 있다.
시간 경과에 따른 부품 전극의 악화는 표면 산화 필름의 성장에 큰 영향을 미치고, 솔더 젖음성이 스토리지의 제한 조건에서도 변하지 않는 것이 중요하다. 측정 방식으로써, 저장 유지 한계에서 형성된 산화 필름 두께는 고온/고습 노출 상태를 통해 재생성된다. 그리고 이 시간은 미리 분석한 조건으로써 설정되었다.
다음으로, SnPb 솔더 및 Lead-Free 솔더를 위해, 후처리 및 전처리 아이템을 위한 제로-크로스(zero-cross) 타임과 젖음성을 측정했다. 전처리 전후 측정 수치와 변화의 비율이 표준치 안에 있다면, 부품이 솔더 젖음성을 유지할 수 있는가가 결정된다. 표준을 충족시키지 못하고 대응 부품이 없다면, 도금의 연구분석은 부품 제조업체에서 실시되었다.

그림 4에서 표시된 ‘부품 전극 도금-원인, 솔더 비-젖음 예’에서, 부품 전극 도금의 설정에 따른 솔더 비-젖음 예를 보여주고 있다. 따라서 예방은 위의 분석을 수행함으로써 실현된다.

부품의 내열           
SnPb에서 Lead-Free 솔더로 솔더 재료가 변할 때, 리플로우 납땜된 부품의 경우, 높아진 솔더 융점만큼 한계 솔더 용융 온도에서 리플로우 피크 온도까지의 범위가 좁다. 전통적인 히팅 방법을 이용해 컨트롤하기 쉽지 않다. 이러한 이유로 부품의 내열성을 올리는 게 필요하고, 이 부분이 부품 제조업체에게 요구되었다. 동시에 고른 회로 보드의 온도 컨트롤과 최적화된 리플로우 프로파일이 가능한 새로운 리플로우 노(furnace)를 소개했다. 또한 새로운 제품 디자인 내에 부품 실장을 최적화함으로써, 회로 보드 위에 동일한 온도가 가해지는 평가가 실시되었고, 부품 사이즈 및 구조로 서로 다른 열 커패시터에 따라 내열성을 재검토함으로써, 사용할 수 있는 리스트를 확장시켰다.
부품의 플로우 납땜을 위해 동일한 방법으로 부품의 내열성을 높이는 게 필요하다. 커넥터의 경우, SPS와 같은 높은 열 저항의 레진 재질의 하우징시키는 변화가 필요하다.

솔더 접합 신뢰성 
Lead-Free 생산에 새롭게 적용된 모든 부품을 대상으로 접합 신뢰성 테스트가 개별적으로 실시된다면, 수많은 작업과 시간이 필요할 것이다. 따라서 평가를 최적화하기 위해 제품 디자이너가 만족할만한 접합 신뢰성의 부품을 가용할 수 있도록 선택 표준 맵이 만들어졌다. 
자동차 전장용 실장 제품의 경우, 솔더 접합성 평가는 열 사이클 테스트를 거쳐 실행되었다. 이 때 제품 작동 온도 범위와 부품 사이즈가 파라미터로 적용되었다. 그리고 동시에 부품 수명 시뮬레이션을 수행하여 개별적인 파라미터의 영향을 측정했다. 그 결과, 승객 룸 실장에서 엔진 룸 실장으로의 사용 환경 변화에 따라 어떻게 솔더 접합 신뢰성이 변하는지의 수명  그래프, 제품 온도 변화 및 자동차 사용 조건에 의존하는 자체 특성을 알 수 있었다. 그림 5에서 그 결과를 보여주고 있다. 수명 그래프를 토대로, 접합 지속성을 측정하기 위한 열 가속 요인과 신규 부품의 솔더 접합 신뢰성을 예측할 수 있게 되었다. 

신규 부품을 평가할 때, 부품 외형은 규격 등을 이용하여 모델화되었고, 시뮬레이션은 시뮬레이션 값(Δε)에서 도출해 실시되었다. 수명 그래프에 이 값을 적용함으로써, 솔더 접합 신뢰성 예측을 할 수 있었다. 그림 6에서는 QFP용 선택 표준 맵의 기본적인 플로우 차트를 보여주고 있다.

그림 6에서, 수명과 접합 신뢰성에 있어서 부품 외형의 영향을 예시하고 있다. 시뮬레이션에 이용된 파라미터들은 신뢰성 테스트 결과와 향후 사용될 것으로 예상되는 선도 부품의 외형이었다. 그리고 커다란 영향력을 지닌 파라미터들을 겨냥해 부품 선택 표준을 만들었다. 그림 7에서는 시뮬레이션에 적용된 시뮬레이션 모델과 종단면 간의 관계를 보여주고 있다.
앞서 설명 한 바와 같이, 부품 선택 가이드라인이 결정되고 안정된 실장 품질을 위한 노력이 부품 평가 단계에서부터 시작되었다.

회로 보드의 내열               
Lead-Free 솔더 전환으로 솔더링 온도가 올라갔다. 이 온도는 기판의 Tg 지점보다 더 높은 범위에 있기 때문에 Sn-Pb에 적용되었던 것 보다 열적인 부과가 더 많아진다. 이러한 이유로, Lead-Free 열 히스토리를 고려한 기판을 대상으로 다양한 신뢰성 테스트가 진행되었다. 그 결과, 충분하지 않은 내열 때문에 일부 회로보드 내에서 마이그레이션이 발견되었다. 그림 8에 절연체 신뢰성 테스트 결과의 예를 보여주고 있다. 테스트 조건은 85℃, 85%RH, 50V로 했다.
이는 열 히스토리 때문에 유리섬유와 에폭시 레진 사이에 발생한 갭에 의해 유발된 것으로 유추된다. 그리고 전기가 공급될 때 고온, 고습 환경 하에서, 물이 모이고, 마이그레이션을  유발한다. 그림 9에서는 마이그레이션의 발생 조건을 보여주고 있다.
회로보드의 승인과 평가의 경우, 열 히스토리가 고려된 추가적인 테스트에 의해 Lead-Free 제품의 신뢰성을 확보하는 것이 가능해졌다.

다른 평가들 - 저융점 솔더 재질의 발전      
부품의 내열성은 제조업체의 지원으로 처리되었지만, 표준치에 근접하지 못하는 일부 부품들이 여전히 존재한다. 부품의 내열 요구를 완충시키기 위해 우리는 또한 일반 용융 솔더에 근접한 융점을 지닌 저융점 솔더 개발에 치중해오고 있다. Lead-Free 솔더의 융점을 낮추기 위한 일반적인 방법은 Bi, In를 추가하는 것이다.
다양한 재질의 기계적, 온도 및 화학적 특성을 중심으로 저융점 솔더 타입이 평가되었다. 첨가되는 In의 단점은 고온에서 솔더가 변형되기에 적용 온도에 각별한 주의가 필요하다.
제품 자체 형성되는 열을 고려하여, 자동차 실장 신뢰성을 제공할 수 있는 In 추가 양을 결정했고, 합금 조정을 결정하였다. 그림 10에 연구한 재질들을 보여주고 있으며, Sn-Ag-Cu와 비슷하거나 더 우수한 성능을 확보할 수 있었다.

현재, In의 가격은 매우 높고, 부품 내열성 평가 비용에 있어서 더 좋은 비용 효율성을 확보하지 못했기 때문에 실제 애플리케이션에서는 전환되지 않고 있다.

결론

Lead-Free 제품 생산의 기술적인 이슈 입장으로써, 솔더링 플로우 프로세스 수립, 플로우 솔더링 조건 설정, 디자인 파라미터, 부품 평가 표준, 부품 솔더링 접합 신뢰성 및 기판 내열성 평가에 대해 설명했다.
지난 2006년부터 당사에서는 리플로우 및 플로우 솔더링 프로세스를 포함한 모든 프로세스에서 Lead-Free 제품 생산을 시작했고, 이후 이 애플리케이션을 확산시켜 왔다.
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 있기 때문에, 당사의 기술 수준을 높이고 향후 자동차 전장 기술 개발에 기여하기 위해 본고에서 설명한 자동차 실장 제품용의 신뢰성 확보 방법을 지속적으로 연구 및 개발할 계획이다.