Type 5 솔더 + 폴리머 나노-코팅 스텐실 권장
비-코팅 스텐실보다 30% 향상된 전사 효율 제공
본고는 01005 Imperial(0402 metric), 소형 03015(metric) / 0201(metric) 칩 부품, 0.3mm / 0.4mm 피치 마이크로BGA를 포함한 부품 설계에 있어서 소형 면적 프린팅과 관련한 데이터를 제공하는데 목적을 두었다. 개구 면적 비율은 1.06에서 0.30까지의 범위에서 연구하였다. 스텐실 나노-코팅의 효과를 연구하였고, 동시에 비-코팅, 레이저 컷, 미세 입자 steel 스텐실과 비교하였다. 스텐실 두께는 0.003인치(75μm), 0.004인치(100μm) 그리고 0.005인치(125μm)까지 다양하게 하였다. IPC 기준 Type 3, Type 4 및 Type 5를 포함한 다양한 크기의 솔더페이스트 파우더를 적용하였다. 소형 개구 면적 비율과 관련하여 이러한 모든 변수의 영향을 조사하였다.
특정한 타입의 나노-코팅 스텐실은 페이스트 프린팅 중 솔더페이스트의 전사 효율을 크게 향상시킨다. 나노-코팅은 솔더페이스트 브릭 모양(brick shape)을 개선하여 향상된 프린팅 품질을 제공한다. 이들 두 가지 장점의 조합은 솔더페이스트 프린팅 공정에서 회로 기판 패드 상의 올바른 위치에 적절한 양의 솔더페이스트를 생성하는데 큰 도움을 준다. 오늘날, 0.66에서 0.40로 줄어든 스텐실 개구 면적 비율이 일반적으로 사용되고 있는데, 이와 관련해 페이스트 프린팅 도전과제가 나오고 있다.
본고는 01005 Imperial(0402 metric), 소형 03015(metric) / 0201(metric) 칩 부품, 0.3mm / 0.4mm 피치 마이크로BGA를 포함한 부품 설계에 있어서 소형 면적 프린팅과 관련한 데이터를 제공하는데 목적을 두었다. 개구 면적 비율은 1.06에서 0.30까지의 범위에서 연구하였다. 스텐실 나노-코팅의 효과를 연구하였고, 동시에 비-코팅, 레이저 컷, 미세 입자 steel 스텐실과 비교하였다. 스텐실 두께는 0.003인치(75μm), 0.004인치(100μm) 그리고 0.005인치(125μm)까지 다양하게 하였다. IPC 기준 Type 3, Type 4 및 Type 5를 포함한 다양한 크기의 솔더페이스트 파우더를 적용하였다. 소형 개구 면적 비율과 관련하여 이러한 모든 변수의 영향을 조사하였다. 이러한 조사를 바탕으로 우수한 솔더페이스트 프린팅 결과를 얻을 수 있도록 스텐실 두께, 스텐실 나노-코팅 및 솔더페이스트 Type에 대한 일련의 가이드라인을 제시하였다.
서문
지속적인 전자기기의 소형화 추세로 인해 01005 Imperial (0402 metric - 0.4mm × 0.2mm) 부품과 이 보다 더 작은 부품 보급이 예상된다. 03015 metric(0.30mm × 0.15mm) 부품이 고려되고 있으며, 0201 metric(0.20mm × 0.10 mm) 부품도 그 수평선 상에 놓여 있다. 솔더페이스트 프린팅 프로세스는 CSP의 경우처럼, 부품의 피치가 0.3mm로 줄어들 때뿐만 아니라 이러한 초소형 크기의 부품이 사용될 때 제한 요소가 되기 시작했다. 본 연구의 목적은 마이크로BGA, 01005 Imperial(0402 metric) 그리고 더 작은 부품을 적용할 수 있도록 스텐실 디자인, 나노-코팅 및 솔더페이스트 Type에 대한 최상의 옵션을 결정하는 것이다. 더불어 이러한 유형의 부품을 사용하기 위한 일련의 일반 가이드라인을 제시하려고 한다.
이번 조사는 이전 연구의 연속성 상에 있다[1]. 이전 연구에서는 0.30에서 0.80까지의 스텐실 개구 면적 비율에 대한 프린팅 연구를 포함시켰다. 솔더페이스트의 다양성과 폴리머 나노-코팅의 효과를 연구했다. 01005 Imperial(0402 metric) 부품 레이아웃은 일부 초기 데이터를 수집하기 위해 포함시켰다. 이전 연구에서는 01005 Imperial보다 작은 레이아웃은 포함시키지 않았다. 이번 조사에서는 프린팅 프로세스에서 최적의 개구 디자인을 결정하기 위해 01005 Imperial(0402 metric) 부품 레이아웃을 변경하였다. 03015(metric)과 0201(metric) 부품 레이아웃도 포함시켰다.
방법 / 실험
소형 부품의 표준 부품 레이아웃을 사용하는 도전적인 스텐실 디자인들을 생성하였다. 솔더페이스트 프린팅 연구는 다양한 스텐실 두께와 솔더페이스트 Type으로 수행하였다. 폴리머 타입 나노-코팅의 효과를 평가하였다. 솔더페이스트 양을 측정하고 결과를 요약하고 통계적으로 비교했다.
활용 설비
클리닝 시스템이 없는 반자동 스크린프린터를 사용하였다. 적용한 프린팅 파라미터는 다음과 같다.
▶ 인쇄 속도 = 20mm / sec
▶ 블레이드 길이 = 300mm (11.8 in)
▶ 블레이드 재질 = 304 SS polished steel
▶ 인쇄 압력 = 0.18kg / cm (1lb / inch)
▶ 분리 속도 = 1.5mm / sec
▶ 청소주기 : 인쇄 연구 동안 하부면 클리닝 수행하지 않음.
반자동 SPI를 사용하였고, 프린트된 솔더페이스트 체적은 각 인쇄 연구를 위해 측정하였고, 데이터는 통계 분석 소프트웨어를 사용하여 평가하였다.
01005 Imperial 테스트 스텐실
01005 Imperial 테스트용 스텐실(그림 1 참조)에는 몇 가지 해결해야 하는 부품 레이아웃을 가지고 있다. 0.3mm, 0.4mm 및 0.5mm 피치의 3개의 마이크로BGA 부품들을 포함시켰다. 마이크로BGA 개구는 둥근 사각형(RSQ) 모양으로 설계했으며, 200μm(8mil), 250μm(10mil) 및 300μm(12mil)의 크기로 다양하게 변경하였다. 3개의 다른 RSQ 구경 크기(150μm(6 il), 175μm(7mil) 및 190μm(7.5mil))를 가진 3개의 01005 Imperial(0402 metric) 부품 설계를 포함하였다. 1개의 0201 Imperial(0603 metric) 부품 설계를 280μm × 380μm(11mil × 15mil)의 RSQ 개구 크기와 비교하기 위해 포함하였다. 0.3mm 피치 CSP 디바이스에 대해 연구 발표한 Whitmore[2]의 보고서에서는 비슷한 개구 크기를 적용하였다.
75μm(3mil), 100μm(4mil) 및 125μm(5mil)의 3가지 스텐실 두께를 이번 연구에 사용하였다. 입자 크기가 8~9μm인 미세 입자 304 stainless steel 재질 스텐실을 이번 연구에서 사용하였다. 각각의 두께로 2세트의 스텐실를 만들었고, 한 세트는 폴리머 타입의 나노-코팅재로 코팅했다. 스텐실 표면과 개구에서 쉽게 볼 수 있는 열 경화 폴리머를 나노-코팅재로 사용하였다. 그림 2에서는 steel 스텐실 상의 폴리머 나노-코팅(노란색)의 예를 보여주고 있다.
개구 크기는 각 스텐실 두께에 맞춰 일정하게 유지하였으므로, 면적 비율(AR, area ratio)이 스텐실 두께에 따라 달라졌다. 01005 Imperial 스텐실 디자인용 부품 레이아웃, 개구 사이즈 그리고 면적 비율의 전체 목록은 표 1에 기재하였다.
이번 조사에서는 01005 Imperial 스텐실 디자인을 위해 3개의 다른 회사에서 생산한 솔더페이스트를 사용하였다. 3개 제품 모두 동일한 플럭스 조성으로 제작되었으나 솔더 파우더의 사이즈는 다르게 하였다. 솔더페이스트는 모두 비-세척, 무연 제품이었고, SAC305 합금으로 제조되었다. 사용된 솔더 파우더 사이즈는 IPC 표준 Type 3(직경 25~45μm), Type 4(직경 20~38μm) 그리고 Type 5(직경 15~25μm)이었다. IPC 표준에서는 솔더 파우더의 80%가 해당 입자 크기 내에 있어야 한다고 규정하고 있다.
03015 metric 테스트 스텐실
두 번째 스텐실은 03015 metric(0.30mm × 0.15mm), 0201 metric(0.20mm × 0.10mm) 부품용으로 개구 사이즈를 설계하였다. 03015 metric 테스트용 스텐실을 그림 3에서 보여주고 있다.
서로 다른 4개의 개구 사이즈(125μm(0.005") 사각형, 125μm × 150μm(0.005" × 0.006") 직사각형, 150μm(0.006") 사각형 그리고 150μm × 180μm(0.006" × 0.007") 직사각형)를 사용하였다. 스텐실은 8~9μm 입자 크기의 미세 입자 304 stainless steel로 제작했으며, 스텐실 두께는 75μm(0.003")과 100μm(0.004")으로 하였다. 각각의 두께로 2세트의 스텐실을 제작하였고, 한 세트에는 폴리머 나노-코팅재로 코팅했다. 03015 metric 스텐실 디자인에 관한 프린트 연구는 비-세척 SAC305 Type 4(20~38μm)와 01005 Imperial 테스트 스텐실용과 동일한 성분의 솔더페이스트인 Type 5(15~25μm)를 활용해 진행했다.
개구 사이즈는 각 스텐실 두께에 맞게 일정하게 유지되었으므로 면적 비율(AR)은 스텐실 두께에 따라 달라졌다. Harter[3]는 03015 metric 부품을 위해 비슷한 면적 비율 범위를 사용하였다. 03015 metric 스텐실 디자인의 부품 레이아웃, 개구 사이즈 및 면적 비율의 전체 목록은 표 2에 기재하였다.
양쪽 스텐실 디자인에 대한 프린트 연구 세부사항
사용된 회로기판은 FR-4 소재의 동박적층판으로 제작했다. 보드 패드 사이즈와 보드 패드 오-등록(mis-registration)으로 인한 잠재적인 변수를 없애기 위해 기저 동박판 소재를 선택하였다. 기저 동박에 솔더페이스트를 직접 인쇄하였고, 그 후 SPI 시스템을 이용해 솔더페이스트 체적을 측정하였다. 10개의 보드 인쇄 연구에서는 각각의 스텐실과 각각의 솔더페이스트를 적용하였고, 모든 부품 레이아웃에 대한 결과를 요약하였다. 인쇄 연구 동안 어떠한 하면 클리닝도 수행하지 않았다. 전사 효율 평균과 표준 편차를 계산하고, Tukey-Kramer Honest Significant Difference(HSD) 통계 분석을 수행하여 데이터 세트를 비교하였다.
결과 및 논의
01005 Imperial 테스트 스텐실 결과
모든 미세 입자 비-코팅(F) 및 미세 입자 나노-코팅(FPN) 스텐실과 Type 3 솔더페이스트에 대한 전사 효율 평균과 표준 편차를 표 3에 기재하였다.
각각의 스텐실에 코드명을 부여하였는데, 하부에서는 이를 설명하고 있다.
▶ F 3 = Fine grain steel, 3mil thick
▶ F 4 = Fine grain steel, 4mil thick
▶ F 5 = Fine grain steel, 5mil thick
▶ FPN 3 = Fine grain steel, Polymer Nano-coating, 3mil thick
▶ FPN 4 = Fine grain steel, Polymer Nano-coating, 4mil thick
▶ FPN 5 = Fine grain steel, Polymer Nano-coating, 5mil thick
전사 효율의 높은 평균(TE%)과 평균 전사 효율의 낮은 편차를 갖는 것이 바람직하다. 스텐실 개구 사이즈와 스텐실 두께 차이로 인해 면적 비율이 0.30에서 1.06으로 매우 다양하기 때문에 본고에 나타난 넓게 확대된 전사 효율의 범위를 보여주고 있다.
일반적으로 면적 비율이 0.67이하에서 0.40으로 감소함에 따라 3개의 스텐실에 Type 3 솔더페이스트를 적용할 경우, 비-코팅 스텐실 대비 나노-코팅 스텐실의 전사 효율이 10%에서 24%까지 증가했다. Type 4 솔더페이스트에 대한 데이터는 표 4에 나와 있다.
일반적으로 면적 비율이 0.67이하에서 0.40으로 감소함에 따라 3개의 스텐실에 Type 4 솔더페이스트를 적용할 경우, 비-코팅 스텐실 대비 나노-코팅 스텐실의 전사 효율이 5%에서 23%까지 증가했다. Type 5 솔더페이스트에 대한 데이터는 표 5에 나와 있다.
일반적으로 면적 비율이 0.67이하에서 0.40으로 감소함에 따라 3개의 스텐실에 Type 5 솔더페이스트를 적용할 경우, 비-코팅 스텐실 대비 나노-코팅 스텐실의 전사 효율이 10%에서 30%까지 증가했다.
차트 및 통계 분석의 도움 없이 절대적인 추세 혹은 보다 명확하게 이들 데이터 세트들을 비교하기가 어렵다. 비-코팅(F) 및 나노-코팅된 스텐실(FPN) 사이의 TE% 차이를 보여주는 막대형 차트는 그림 4, 그림 5 그리고 그림 6에 나타나 있다. 이들 그림에서는 모든 솔더페이스트 Type(Type 3, Type 4 그리고 Type 5)에서 획득한 데이터의 평균을 보여주고 있다.
일반적으로 3mil 스텐실의 전사 효율은 4mil 스텐실보다 높고, 4mil 스텐실은 5mil 스텐실보다 전사 효율이 높다. 이는 3mil 스텐실(0.50 ~ 1.06)의 면적 비율이 4mil 스텐실(0.38 ~ 0.79)의 면적 비율보다 높다는 점 때문이라고 예상된다. 4mil 스텐실의 면적 비율은 5mil 스텐실(0.30 ~ 0.63)의 그것보다 더 높다. 폴리머 나노-코팅의 사용으로 인해 0.5mm 피치 BGA와 0201 Imperial 부품이 있는 3mil 두께의 스텐실을 제외한 모든 부품 레이아웃에 있어서 전사 효율 증대가 나타났다. Harter[3]의 연구서에서는 폴리머 타입 나노-코팅의 사용에 따른 유사한 전사 효율 증대를 보고하였다. 비-코팅 스텐실은 나노-코팅된 스텐실보다 2개의 부품에서 더 높은 TE%를 나타냈다. 이는 3mil 두께 스텐실에서 이들 두 개 부품(0.5mm BGA(1.00AR) 및 0201 Imperial(1.06AR))의 면적 비율이 높기 때문이다. 솔더페이스트 방출은 이들 높은 면적 비율에 문제가 되지 않았다.
이 데이터의 막대형 차트에서는 비-코팅 스텐실(그림 7)과 폴리머 나노-코팅된 스텐실(그림 8)을 두께별로 분류하였다. 이들 차트는 스텐실 두께가 전사 효율에 미치는 영향을 보여준다. 이 차트에서 다시 모든 솔더페이스트 Type 3, Type 4 그리고 Type 5)의 평균을 냈다.
3mil 두께의 스텐실은 더 높은 면적 비율 때문에 4mil 및 5mil 두께의 스텐실보다 높은 TE%를 생성하였다. 비-코팅 스텐실에 비해 폴리머 나노-코팅재가 사용되었을 때 3mil, 4mil 그리고 5mil 두께의 스텐실 간의 TE% 차이는 더 작았다. 특히, 더 큰 부품 면적 비율(예 : 0201 Imperial 부품)에서 두드러졌다. 폴리머 나노-코팅은 4mil와 5mil 두께의 스텐실에 있어서 전사 효율을 증대시켜서 3mil 두께 스텐실의 전사 효율에 더 가깝게 만들었다.
3mil(그림 9), 4mil(그림 10) 그리고 5mil(그림 11) 두께의 스텐실에 대한 솔더페이스트 Type의 영향을 나타냈다.
일반적으로 Type 3 솔더페이스트(파란색)의 전사 효율은 Type 4(빨간색)과 Type 5 솔더페이스트(녹색)보다 낮았다. 이는 3개의 모든 스텐실 두께에 해당된다. Gray[4]의 연구에서는 Type 5 솔더페이스트를 레이저-컷, 미세 입자, 나노-코팅 스텐실에 사용했을 때 유사한 전사 효율 결과가 나옴을 보고했다. 이 데이터의 한 가지 예외사항은 3mil 두께의 비-코팅(F) 스텐실에 Type 3 솔더페이스트를 투입한 경우이다. 이 경우 Type 3 솔더페이스트는 면적 비율 0.70에서 0.75에 대해 Type 4와 Type 5보다 훨씬 높은 TE%를 나타냈다. 이러한 면적 비율은 인쇄 공정에 있어 큰 문제가 아니므로 3가지 Type의 솔더페이스트 모두 수용할만한 결과가 산출되었다.
마이크로BGA 및 01005 부품의 사용에 적합한 전사 효율 데이터에서는 가시적인 몇 가지 경향을 확인할 수 있었다. 일부에서는 전사 효율의 차이가 작았으나, 큰 차이가 있는지를 이해하려면 추가적인 평가가 필요했다. 어떠한 변수가 전사 효율에 중요한 영향을 미치는지를 구분하기 위해 Tukey - Kramer HSD 테스트를 수행했다. 비-코팅된 스텐실과 폴리머 나노-코팅된 스텐실을 단순히 비교함으로써 데이터를 분석하였을 때 그림 12와 같은 결과를 발견했다. 다른 모든 변수는 이 분석에서 평균을 냈다.
이 비교를 위한 통계 보고서에서는 미립자 고분자 나노-코팅(FPN) 스텐실이 미세 입자 비-코팅 스텐실(F)보다 통계적으로 매우 높은 전달 효율을 나타냄을 보여주었다. 스텐실 분석을 다른 각각의 변수와 분리했을 때도 이와 동일한 분석 결과가 나타났다. 솔더페이스트 Type의 비교는 그림 13에 나타냈다. 솔더페이스트의 효과를 강조하기 위해 다른 모든 변수를 평균내고, 단순화했다.
이 비교에 대한 통계 보고서에서는 솔더페이스트 Type 간의 중요한 차이점을 보여준다. Type 5 솔더페이스트는 나노-코팅 스텐실의 경우, Type 4 및 Type 3보다 통계적으로 매우 높은 전사 효율을 제공했다. Type 4 솔더페이스트는 Type 3보다 약간 높은 전송 효율을 제공하지만 통계적으로 크지는 않았다. 이러한 동일한 분석 결과는 솔더페이스트 Type이 각각의 다른 변수들과 분리될 때 나타났다. Tukey - Kramer HSD 통계의 요약을 표 6에 나타냈다.
(0) 표시는 전사 효율 데이터 세트 간의 통계적 차이가 없음을 나타내거나 각 변수 카테고리의 기준 조건이다. (+) 표시는 기준선 (0) 조건보다 전사 효율이 통계적으로 두드러지게 증가함을 나타낸다. (++) 표시는 (+) 및 (0) 표시 항목보다 전사 효율이 통계적으로 크게 증가함을 의미한다. 각 카테고리의 변수는 표 6에서 개별적으로 비교하였다. 하나의 카테고리에서의 (+) 등급은 다른 카테고리에서의 (++) 등급보다 낮은 전달 효율을 나타내기 위한 것이 아니다. 평점은 각 카테고리 내에서만 비교하기 위한 것이다. 일반적으로 Tukey - Kramer HSD 테스트에서 다음 결론을 도출할 수 있었다.
▶ 폴리머 나노-코팅 스텐실은 코팅되지 않은 스텐실에 비해 전달 효율이 통계적으로 두드러지게 증가한다.
▶ 전체 Type 4 솔더페이스트는 Type 3 솔더페이스트에 비해 전사 효율이 통계적으로 두드러지게 증가한다.
▶ 전체 Type 5 솔더페이스트는 Type 4 및 Type 3 솔더페이 스트에 비해 전사 효율이 통계적으로 두드러지게 증가한다.
▶ 비-코팅 스텐실을 사용하면, Type 4 솔더페이스트는 Type 3 솔더페이스트에 비해 전사 효율이 통계적으로 두드러지게 증가한다.
▶ 비-코팅 스텐실을 사용하는 경우, Type 5 솔더페이스트는 Type 4 및 Type 3 솔더페이스트에 비해 전사 효율이 통계 적으로 두드러지게 증가한다.
▶ 폴리머 나노-코팅 스텐실을 사용한 경우, Type 3 및 Type 4 솔더페이스트는 통계적으로 유사한 전사 효율을 제공한다.
▶ 폴리머 나노-코팅 스텐실을 사용한 경우, Type 5 솔더페이 스트는 Type 4 및 Type 3 솔더페이스트에 비해 전사 효율 이 통계적으로 두드러지게 증가한다.
선정한 솔더페이스트 프린팅의 3D 이미지(그림 14 참조)는 Area Ratio(AR) 기준으로 봤을 때 일부 차이점들을 보여주고 있다.
3D 솔더페이스트 이미지는 폴리머 나노-코팅 스텐실을 사용하여 솔더 브릭 정의(brick definition)가 어떻게 향상되는지를 보여준다. 솔더 브릭 정의는 솔더페이스트를 Type 3에서 Type 5로 변경했을 때에도 비-코팅(F) 스텐실과 나노-코팅(FPN) 스텐실 모두에서 향상된 모습을 보였다.
03015 Metric용 테스트 스텐실 결과
3mil 및 4mil 두께의 미세 입자 비-코팅(F)과 미세 입자 나노-코팅(FPN) 스텐실에 Type 4 솔더페이스트를 적용했을 경우의 전사 효율 평균 및 표준 편차를 표 7에 나타냈다.
3mil 두께의 스텐실과 함께한 Type 4 솔더페이스트는 높은 전사 효율을 보였다. 이는 03015 metric 및 0201 metric 부품에 사용할 수 있음을 의미하는데, 특히 폴리머 나노-코팅(FPN3)을 적용할 때 전사 효율이 좋았다. 전사 효율은 Type 4 솔더페이스트의 경우를 의미하였고, 4mil 두께의 비-코팅 스텐실(F 4)의 경우에는 낮았다. 이 조합의 경우에는 많은 솔더 미싱 현상이 관찰되었다.
3mil 및 4mil 두께의 미세 입자 비-코팅(F)과 미세 입자 나노-코팅(FPN) 스텐실에 Type 5 솔더페이스트를 적용했을 경우의 전사 효율 평균 및 표준 편차를 표 8에 나타냈다.
일반적으로 Type 5 솔더페이스트는 Type 4 솔더페이스트보다 높은 전사 효율 평균을 나타냈다. Type 5 솔더페이스트와 Type 4 솔더페이스트로 더 낮은 전사 효율 평균을 제공하는 4mil 두께의 비-코팅 스텐실(F 4)의 경우는 예외로 하였다. 폴리머 나노-코팅된 4mil 두께의 스텐실(FPN 4)은 Type 4 솔더페이스트보다 Type 5 솔더페이스트의 경우 더 높은 전사 효율 평균을 보였다. 폴리머 나노-코팅된 스텐실은 양쪽의 스텐실 두께에서 비-코팅 스텐실보다 높은 전달 효율을 나타냈다. 비-코팅 스텐실과 비교하여 나노-코팅된 스텐실의 전사 효율이 늘어났는데, 양쪽의 스텐실 두께에서 Type 4 솔더페이스트는 7%에서 18%로 향상되었고, Type 5 솔더페이스트는 14%에서 28%까지 올랐다.
그림 15에서는 Type 5 솔더페이스트를 3mil 두께의 비-코팅(F) 스텐실과 폴리머 나노-코팅(FPN) 스텐실에 적용했을 때의 평균 TE% 대 개구 사이즈의 막대형 차트를 보여주고 있다.
전사 효율의 전체 평균은 3mil 두께의 스텐실과 Type 5 솔더페이스트를 통상적으로 수용 가능한 수준이었다. 특히 폴리머 나노-코팅 스텐실을 사용했을 때에는 더욱 좋은 결과를 보였다.
그림 16에서는 Type 5 솔더페이스트를 4mil 두께의 비-코팅(F) 스텐실과 폴리머 나노-코팅(FPN) 스텐실에 적용했을 때의 평균 TE%와 개구 사이즈의 막대형 차트를 보여주고 있다.
전사 효율의 전체 평균은 3mil 두께의 스텐실과 Type 5 솔더페이스트의 조합에 비해 4mil 두께의 스텐실과 Type 5 솔더페이스트의 경우가 더 낮았다. 비-코팅 4mil 두께의 스텐실(F)은 낮은 전사 효율을 보였으며, 프린팅 테스트 중 missing 솔더 침전이 많았다. 폴리머 나노-코팅(FPN)은 4 mil 두께의 스텐실과 Type 5 솔더페이스트의 조합에서 TE%를 증대시켰다. 평균 전사 효율의 증가에도 불구하고, 4mil 두께의 나노-코팅 스텐실의 경우에는 전체 TE% 수치가 일반적으로 원하는 것보다 낮았다.
비-코팅 스텐실과 폴리머 나노-코팅의 TE%에 면적 비율이 미치는 영향을 그림 17에서 보여주고 있다. 차트에서는 Type 5 솔더페이스트를 적용한 양쪽의 03015 metric 스텐실 두께에 대한 면적 비율을 나타내고 있다.
폴리머 나노-코팅에 의해 생성된 전사 효율의 증가 모습을 그림 17에서 명백하게 보여주고 있다. 작은 개구 사이즈와 적은 면적 비율을 통해서 솔더페이스트를 인쇄할 때, 적절한 Type의 솔더페이스트와 폴리머 나노-코팅 스텐실을 사용하는 것이 중요하다. 폴리머 나노-코팅에 의해 제공되는 전사 효율의 증가로 인해 솔더페이스트 프린팅 프로세스 윈도우가 증가하기 때문이다.
03015 metric 스텐실 전사 효율 데이터의 Tukey-Kramer HSD 분석에서는 나노-코팅 스텐실과 비-코팅 스텐실 간의 데이터(그림 18 참조)가 통계적으로 중대한 차이가 있음을 보여주고 있다.
폴리머 나노-코팅 스텐실(FPN)의 전사 효율은 평가된 모든 면적 비율에서 비-코팅(F) 스텐실의 전사 효율보다 통계적으로 높았다.
가이드라인
일련의 가이드라인을 수립하기 위해서, 최우선으로 선정한 과제는 ‘양호한’ 솔더 접합부를 생성하는데 필요한 이상적인 전사 효율이다. 대부분의 애플리케이션에서 70% 또는 80%의 전사 효율을 사용하고 있는 것이 일반적이다.[3], [5], [6], [7], [8], [9] 그러나 면적 비율이 적은 소형 부품에서는 적용되지 않는다. 소비재 가전기기에서는 특정한 경우 허용되는 솔더 조인트를 감안하여 40%의 전사 효율을 적용하기도 한다. 솔더 조인트의 품질 및 신뢰성에 미치는 솔더페이스트 양에 대한 영향을 판단하기 위해서는 산업계 전반에서의 테스트가 필요하다.
본고에서는 연구를 통해 일련의 일반적인 권장 사항을 만들었다. 권장 사항은 하부와 같이 부품별, 카테고리별로 나열하였다.
0.3mm pitch CSP
일반적으로 0.3mm 피치 CSP 부품 공정에서는 3mil 두께의 스텐실이 사용되는 것이 좋다. 폴리머 나노-코팅은 TE%를 향상시키나 비-코팅 스텐실도 수용 가능한 결과를 생성할 수 있다. 3개 솔더페이스트(IPC 기준, Type 3, Type 4, Type 5) 모두를 사용할 수 있으나, Type 3 솔더페이스트가 원하는 전송 효율 수준보다 낮다면, Type 4 또는 Type 5 솔더페이스트를 사용해야만 한다.
0.4mm pitch CSP
0.4mm 피치 CSP 부품은 테스트 된 모든 스텐실과 함께 사용할 수 있으나, 모든 스텐실 유형에 모든 솔더페이스트 유형을 사용할 수 있는 것은 아니다. 폴리머 나노-코팅 스텐실은 모든 솔더페이스트 Type(IPC 기준, Type 3, Type 4, Type 5)을 사용할 수 있게 해주었다. 비-코팅 스텐실이 사용되는 경우, 일반적으로 Type 4 또는 Type 5 솔더페이스트를 사용하는 것이 좋다.
0.5mm 피치 CSP
0.5mm 피치 CSP 부품은 상대적으로 높은 면적 비율 때문에 시험된 모든 스텐실과 다양한 Type의 솔더페이스트(IPC 기준, Type 3, Type 4, Type 5)와 함께 사용할 수 있다. 폴리머 나노-코팅 스텐실은 TE % 및 솔더페이스트 브릭 정의를 증대시켰다.
01005 Imperial 칩 부품(0402 metric)
Type 5 솔더페이스트 및 폴리머 나노-코팅 스텐실과 함께, 7mil 또는 7.5mil의 둥근 사각형 개구 사용이 일반적으로 권장된다. 3mil 두께의 폴리머 나노-코팅 스텐실이 일반적으로 이 부품 타입에 바람직하다.
0201 Imperial 칩 부품(0603 metric)
0201 Imperial 부품 레이아웃은 가장 큰 면적 비율을 가지고 있으며, 테스트 된 거의 모든 조합이 권장된다. 폴리머 나노-코팅 스텐실은 TE%와 솔더페이스트 브릭 정의를 향상시키기 때문에 선호된다. 모든 솔더페이스트 Type(IPC 기준, Type 3, Type 4, Type 5)은 이 부품 레이아웃으로 수용 가능한 TE%를 보였다. 모든 스텐실 두께가 수용 가능한 TE%를 나타냈으나, 해당 부품 유형에 대한 페이스트 체적 요구사항이 최적의 스텐실 두께를 결정한다.
03015 metric(0.30mm × 0.15mm) 및 0201 metric (0.20mm × 0.10mm) 칩 부품
이들 부품의 레이아웃 모두 개구 사이즈 및 면적 비율(0.31 ~ 0.54)의 하한을 설정한다. 이러한 소형 부품 타입의 솔더페이스트 프린팅은 매우 까다로운 작업이다. Type 5 솔더페이스트가 3mil 두께의 폴리머 나노-코팅 스텐실과 함께 권장된다.
스텐실 두께
얇은 스텐실이 두꺼운 스텐실보다 더 높은 TE%를 나타냈다. 면적 비율이 높기 때문에 나타난 현상이다. 4mil 또는 5mil 두께의 스텐실보다 3mil 두께의 스텐실이 더 많은 조합으로 사용하는 것이 일반적으로 권장된다. 가장 권장되는 조합의 스텐실은 폴리머 나노-코팅으로 제작된 3mil 두께이다. 솔더페이스트의 체적이 적용된 모든 부품에 적절한지를 보장하기 위해 스텐실 특정 용도에 맞게 선택해야 한다. 솔더페이스트의 체적이 너무 크면 브리징 현상이 주로 발생하는데 특히, 0.3mm 및 0.4mm 피치 부품 애플리케이션에서는 문제가 될 수 있다.
나노-코팅 스텐실 vs 비-코팅 스텐실
폴리머 나노-코팅 스텐실은 테스트된 대부분의 조합에서 전달 효율을 5% ~ 30% 향상시켰다. 솔더페이스트 브릭 정의는 폴리머 나노-코팅 스텐실을 사용하여 향상되었다.
솔더페이스트 Type
예상대로 Type 5 솔더페이스트는 Type 4 및 Type 3 솔더페이스트에 비해 솔더페이스트 인쇄 전송 효율(TE%)이 개선되었다. Type 5 솔더페이스트는 01005 Imperial(0402 metric), 03015 metric 및 0201 metric 부품 사용을 고려할 때 가장 유용할 것으로 보인다. 이것은 다른 연구에서 발표된 결과와 유사하였다[4]. Type 5 솔더페이스트는 Type 4 및 Type 3 솔더페이스트보다 솔더 파우더 입자의 표면적이 크기 때문에 그래핑(graping)과 같은 솔더 리플로우 결함에 더 취약하다. 솔더페이스트 파우더 유형의 선택은 잠재적인 솔더링 발생 문제와 개선된 TE%의 필요성 사이에서 균형을 이루어야 한다.
결론
폴리머 나노-코팅을 사용한 레이저-컷 미세 입자 stainless steel 스텐실과 다양한 솔더페이스트 Type을 가지고, 01005 Imperial(0402 metric), 03015 metric, 0201 metric 칩 부품과 미세 피치(0.3mm, 0.4mm) CSP에 대한 견고한 프린팅 프로세스를 구축하는 것이 가능하다. 0.30 이하의 개구 면적 비율을 사용할 수 있으며 적절한 솔더페이스트 전사 효율을 얻을 수 있다. 고분자 레이저-컷 나노-코팅 stainless steel 스텐실은 소형 솔더 파우더(예 : Type 4 또는 Type 5 솔더 파우더)로 제조된 솔더페이스트와 조화를 이루었을 때, 소형 칩 부품 및 미세 피치 부품에 적합하다.
통계적으로 두드러진 전사 효율의 증대는 비-코팅 스텐실보다 5%에서 30%까지 향상된 전달 효율을 갖는 스텐실에 폴리머 나노-코팅을 사용함으로써 얻을 수 있다. Type 5 솔더페이스트와 함께 폴리머 나노-코팅 스텐실을 사용하면 전체적으로 가장 높은 전사 효율을 얻을 수 있었다.
REFERENCES
[1] T. Lentz, “Performance Enhancing Nano-Coatings: Changing the Rules of Stencil Design”, Proceedings of SMTA International, 2014.
[2] M. Whitmore, J. Schake, “The Development of a 0.3mm Pitch CSP Assembly Process Part 2: Assembly & Reliability”, Proceedings of SMTA International, 2015.
[3] S. Harter, J. Franke, C. Lantzsch, “Evaluation of the Stencil Printing for Highly Miniaturized SMT Components with 03015MM in Size”, Proceedings of SMTA International, 2015.
[4] R. Gray, “Development of a Robust 03015 Process”, Proceedings of IPC Apex Expo, 2015.
[5] C. Ashmore, “Big Ideas on Miniaturisation”, Proceedings of IPC Apex Expo, 2013.
[6] E. Moen, “Advances in Stencil Technology to Facilitate Ultra-Fine Pitch Printing”, Intermountain Expo and Tech Forum, 2014.
[7] R. Bennett, E. Hanson, “Low Surface Energy Coatings, Rewrites the Area Ratio Rules”, Proceedings of IPC Apex Expo, 2013.
[8] R. Short, W. Coleman, J. Perault, “Print Performance Studies Comparing Electroform and Laser-Cut Stencils”, Proceedings of IPC Apex Expo, 2014.
[9] L. Bruno, T. Johnson, “Printing of Solder Paste - A Quality Assurance Methodology”, Proceedings of IPC Apex Expo, 2014.
