셀렉티브 솔더링 프로세스의 신뢰성 제고 방법

플럭스는 셀렉티브 솔더링 공정에서 중요한 요소이다. 산화된 금속 표면을 청소하고 습윤을 지원하려면 강한 플럭스가 필요하다. 그러나 강한 플럭스는 온도, 습도 및 전류에 노출될 때 수지 결정 성장으로 인해 신뢰성에 있어서 잠재적인 위험군이 되기도 한다. 플럭스가 퍼지면 신뢰성이 떨어질 수 있다. 플럭스가 너무 많이 퍼지면 잔류 고형물이 너무 적고 셀렉티브 솔더링 이후 플럭스가 완전히 활성화되지 않을 수 있다. 플럭스의 퍼짐을 제어하기 위해 솔더 마스크가 중요한 역할을 한다. 셀렉티브 솔더링 적용을 위해 더 낮은 표면 에너지를 가진 솔더 마스크를 사용하는 것이 좋다(선호되는 표면 에너지 ~35mN/m). 고주파 드롭젯은 보다 강력한 플럭싱 공정에 이바지한다. 이 장치는 전자 이동 가능성이 농후한 새틀라이트를 훨씬 적게 생성한다.

전자 디바이스의 소형화로 인해 쓰루홀(THT) 연결의 수가 감소하고 있지만 셀렉티브 솔더링 시장은 여전히 성장하고 있다. 부품 및 자재/소재의 SMD 구조로의 전환은 리플로우 솔더링을 주류 솔더링 방식으로 올려놓았다. 그럼에도 견고한 접합 강도를 구현하기 위해 또는 무연 리플로우 프로세스의 고온을 견딜 수 없는 자재 특성으로 인해 쓰루홀 연결이 필요한 경우가 아직도 존재해 있다.

두 애플리케이션 모두 솔더링 영역에만 매우 소량의 플럭스를 도포하는 드롭젯 플럭스 장치를 가지고 있다. 소량에도 불구하고 남아 있는 플럭스 잔류물은 어셈블리 과정에서 완전히 비활성화되지 않으면 전자 이동(electro-migration)을 유발할 수 있다. 이로 인해 엔지니어는 고객 클레임을 피하기 위해 다양한 플럭스 특성을 알고 있어야 한다. 특히 자동차 애플리케이션에서는 온도, 습도 및 전류와 함께 플럭스 잔류물로 인한 수상돌기의 성장(growth of dendrite)으로 인해 브리지 및 부식이 발생하는 사례가 있다. 솔더 조인트는 불활성 플럭스가 제어된 솔더링 프로세스와 함께 사용될 때 훨씬 더 안정적일 수 있다.

전기장이 가해진 눅눅한 환경하에서의 불활성이 아닌 플럭스 잔류물은 전자 이동의 잠재적 위험군으로 여겨지고 있다. 이 프로세스는 물의 박막이 형성되고 반대 전하를 띤 전극 사이에 전위가 인가될 때 시작된다. 금속 이온은 음전하를 띤 음극 쪽으로 이동하여 브릿지를 생성한다.

셀렉티브 솔더링 공정에서 만들어진 솔더 조인트는 홀의 메인 리드가 된다. 이러한 연결은 SMD 연결보다 약 20배 더 강력하다. 다시 말해서, 일단 솔더 조인트가 표준에 따라 형성되면 조인트는 매우 견고하고 진동, 온도 충격 및 기타 외부 소음을 매우 쉽게 견딜 수 있다. THT 연결은 일반적으로 제품의 신뢰성을 결정짓는 병목 구간이 아니다. 그러나 신뢰성에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 잠재적인 솔더 결함이 있다. 셀렉티브 솔더링 공정의 공정 온도는 상대적으로 높기 때문에 품질에 영향을 미칠 수 있다. 모니터링해야 할 잠재적인 결함은 다음과 같다.

이러한 모든 결함은 셀렉티브 솔더링 공정에서 발생할 수 있으며 공장에서 품질 검사를 통해 식별해야 한다. 이것은 전자 이동과는 다른 부문이다. 납땜 어셈블리에서 보이지 않는 플럭스 잔류물이 존재하고 있어서 생산현장에서의 수상돌기 성장 가능성이 여전히 존재한다. 이러한 위험을 피하려면 셀렉티브 솔더링 적절한 플럭스 선택 및 제어가 필요하다.

셀렉티브 솔더링 공정을 위한 플럭스의 선택은 신뢰성에 있어서 가장 중요한 부문이다. 유감스럽게도 높은 플럭스 인증 비용으로 인해 웨이브 솔더링 애플리케이션에 적합한 플럭스를 셀렉티브 솔더링에 그대로 사용하고 있는 경향이 강하다. 이러한 선택은 제품의 수명에 큰 영향을 미칠 수 있다. 웨이브 솔더 플럭스를 사용하지 않아야 하는 4가지 이유는 하부에 설명한다.

1. 웨이브 솔더링 애플리케이션에서 모든 플럭스는 액상 솔더와 접촉한다. 솔더의 고온은 플럭스의 모든 화학 물질을 비활성화하고 어셈블리를 안전하게 만든다. 셀렉티브 솔더링에서는 모든 플럭스가 솔더와 접촉하는 것은 아니다.

2. 웨이브 솔더 공정의 솔더 온도는 약 260℃로 셀렉티브 솔더 프로세스보다 약 30~50℃ 낮다. 웨이브용 플럭스는 높은 셀렉티브 솔더 온도를 견딜 만큼 충분히 강하지 않을 수 있으며 브릿지, 솔더 볼링 또는 웨빙(Webbing)과 같은 솔더 결함을 초래할 수 있다.

3. 웨이브 솔더링 플럭스에는 PCB의 전체 솔더 면을 덮기 위해 플럭스가 매우 쉽게 퍼지도록 하는 계면 활성제가 있다. 셀렉티브 솔더링에서는 플럭스가 광범위하게 퍼지는 것이 중요하기에 바람직하지 않다. 이러한 이유로 쉽게 퍼지지 않지만, 여전히 PCB의 구리 배럴에 침투할 수 있는 플럭스를 선택해야 한다.

4. 에어 웨이브 솔더링 머신에는 불활성(질소) 환경이 없다. 이러한 플럭스는 산화를 제거하고 웨이브의 산화물을 제거하기 위해 강해야 한다. 셀렉티브 솔더링 프로세스는 솔더 영역의 산소 수준이 1000PPM 미만일 때만 성공할 수 있다. 이러한 조건은 대기 중에 사용되는 웨이브 솔더 플럭스보다 훨씬 약한 플럭스를 처리할 수 있다.

어떠한 플럭스가 선정되든 목표는 솔더링 후 불활성 잔류물을 갖는 것이다. 열은 플럭스 잔류물을 비활성화하는 방법이다. 일부 엔지니어는 모든 활성제가 제거되었는지 확인하기 위해 솔더링 이후 어셈블리를 굽는다. 플럭스 공급업체만이 플럭스를 비활성화하기 위한 시간 및 온도 지침을 제공할 수 있다. 어셈블리를 굽는 것은 바람직하지 않은 추가 공정이다. 고신뢰성이 필요한 일부 어셈블리에서는 세척 및/또는 컨포멀 코팅이 대안이 되기도 한다.

오늘날 많은 엔지니어는 적용하는 플럭스 양을 제어하는 데 어려움을 겪고 있다. 우수한 솔더링을 위해 더 많은 플럭스가 때때로 필요하다. 더 많은 플럭스를 적용하면 플럭스가 SMD 영역으로 침투할 가능성이 크다. 이를 피하기 위해서는 플럭스와 PCB의 특성을 이해하는 것이 중요하다.

웨이브 솔더링의 경우 높은 표면 에너지(>50mN/m)를 갖는 보드가 선호된다. 이것은 플럭스가 모든 영역으로 퍼지도록 하여 Open, 브릿지, 스파이크 및 웨빙의 위험을 제거한다. 퍼짐성이 좋기 때문에 잔여물이 덜 보일 것이다. 이것은 표면상의 이점이다.

셀렉티브 솔더링 애플리케이션의 경우, 기판의 더 낮은 표면 에너지가 필요하다. 일반적으로 좋은 퍼짐성 수치는 ~35mN/m이다. 셀렉티브 솔더링 이전의 가열 공정(리플로우 솔더링과 같은)은 솔더 마스크의 표면 에너지에 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의해야 한다.

셀렉티브 솔더링 머신은 드롭젯 장치를 사용하여 PCB의 바닥(납땜) 면에 플럭스를 도포한다. 이 장치는 x/y 제어 로봇에 장착된다. PCB는 플럭싱 동안 고정된 위치에 유지되어 로봇이 공정 중에 솔더링 되는 영역에 플럭스를 적용할 수 있다. 플럭스가 적용되는 양은 프로그래밍할 수 있는 세 가지 요소에 따라 달라진다.

솔더링에 필요한 권장 플럭스 양은 플럭스 데이터시트의 플럭스 공급업체에서 규정하고 있다. 플럭스의 여러 속성에 따라 달라지며 모든 플럭스마다 고유하다. 이러한 속성에는 고체 함량, 산가(acid number), 밀도, 활성화 시스템 등이 포함되어 있다. 플럭스 공급업체는 평방 인치당 건조 플럭스의 양을 정의한다. 이는 플럭스의 양은 해당 특정 어셈블리에서 플럭스의 퍼짐에 의해 규정된다.

셀렉티브 솔더링 공정에서 어셈블리의 솔더 측에 분사되는 플럭스 양을 측정하고 모니터링할 수 있다. 열 마이크로 센서 기술은 이러한 극소량의 플럭스를 측정하는 데 사용된다. 짧은 응답 시간과 높은 정밀도로 높은 동적 플럭싱 프로세스를 정확하게 모니터링할 수 있다.

각 제품에는 어셈블리의 모든 싱글 지점에 대한 양을 확인할 수 있는 자체 플럭스 그래프가 있다. 이 데이터는 추적성이 가능하다. 이를 통해 제품의 품질 분석은 물론 솔더 결함 또는 현장 반품의 경우 플럭스 양을 확인할 수 있다.

플럭스의 양과 퍼짐은 제품의 신뢰성과 솔더링 성능에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 어셈블리에서 플럭스의 초과를 피하기 위해 평방인치당 플럭스를 계산해야 한다는 요구가 있다. 평방인치당 플럭스 양은 보드에 분사되는 플럭스와 퍼짐의 결과이다. 많이 퍼질수록 적은 수의 고체가 솔더링되어야 하는 지점에 남게 된다. 우수한 납땜을 위해서는 일반적으로 500~2000㎍/in²의 고형물(모든 용매가 증발한 후 플럭스의 나머지 재료)이 필요하다.

플럭스 양을 규정하는 공식을 결정하기 위해 Box Behnken 실험을 수행하였다. 이 실험에서 세 가지 파라미터(드롭제트 개방 시간, 주파수 및 로봇 속도)는 세 가지 수준에서 변경하였다. 전체적으로 이 실험에는 사전 정의된 설정으로 15개의 다른 실행이 필요하다.

실험에는 IF2005C 플럭스를 사용하였다. 3.3%의 고체 함량을 가진 알코올 기반 무세정 플럭스이다. PCB는 표면 에너지가 약 50mN/m인 보드를 사용하였다. 이 공식은 솔더 마스크가 플럭스의 퍼짐에 극적으로 영향을 미치고 각 플럭스가 다른 퍼짐 특성을 갖기 때문에 이 보드 재료와 함께 이 플럭스에 대해서만 적용할 수 있다.

이 시스템은 175~1250㎍/in²의 다양한 고체 농도로 0.20인치 너비의 플럭스 라인을 만들 수 있다. 엔지니어는 요구 사항을 충족하기 위해 커넥터당 하나 이상의 드래그를 플럭스하도록 플럭스 프로그램을 만들 때 결정할 수 있다. 이 데이터에서 이 애플리케이션의 플럭스 너비 공식은 다음과 같이 정의된다.

황 화합물은 물에 쉽게 용해되어 약한 황산을 생성하여 차례로 산화구리를 감소시키고 밑에 있는 구리를 침식해 노출시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.[6] 표면에 물의 박막을 형성하는 데 약 50% RH만 필요하다. 이 필름은 표면이 친수성(물을 끌어당기기 위해 극성화됨)이 있는 경우 더 두껍다.

그림 5와 그림 6에서는 0.059피치의 일렬 커넥터의 시각적인 플럭스 모양을 보여주고 있다. 그림 5에서는 솔더링이 가능하도록 요구되는 최소의 플럭스 양을 보여주고 있다. 그림 6은 고형물 농도가 높기 때문에 솔더링이 더 잘 되었지만, 수상 돌기와 관련된 잠재적 위험군이 더 높았다.

기판의 솔더링 면에 도포된 플럭스는 표류하는 경향이 있다. 플럭스가 얼마나 멀리 퍼질 것인지는 재료와 그 표면의 표면 에너지에 따라 달라진다. 다른 실험에서는 낮은 VOC 플럭스가 사용되었다. 이 플럭스는 퍼짐이 덜하는 물과 알코올을 용매로 포함하고 있다. 이 실험에서 플럭스는 퍼짐을 비교하기 위해 4가지 다른 재료에 분사하였다.

첫 번째 재료는 이전 실험에서 사용한 테스트 보드이다. 두 번째 보드는 표면 장력이 35mN/m인 셀렉티브 솔더링 전용 재료로 제작되었다. 세 번째 재료는 열에 민감한 팩스 용지입니다. 이것은 엔지니어가 퍼짐을 가시적으로 만들기 위해 자주 사용합니다. 최종 재료는 Cu 마감 패드를 시뮬레이션하는 FR4-보드 재질 상의 베어 동박이다.

실험은 3개 레벨에서 3개 요인을 포함하는 완전 요인 설계를 통해 진행하였다. 드롭젯의 개방 시간과 빈도는 이전 실험과 유사하게 하였다. 이 실험에서 로봇은 움직이지 않으므로 대기 시간을 도입하였다. 드롭젯이 한 지점에 분사되는 시간에 따라 확산 직경이 더 작거나 커진다. 가장 흥미로운 부분은 동박 재질 상에서 플럭스 흐름을 보인다는 것이다. 모든 파라미터의 효과는 모든 기판 재료에 대해 동일하지만, 동박 상의 퍼짐은 FR4 솔더 마스크보다 훨씬 더 컸다.

솔더링의 경우 플럭스가 전체 동박 영역을 덮는 경향이 있다는 점에서 우수하다. 플럭스의 주요 작업 중 하나는 젖음성을 향상시킬 산화물로부터 동박 표면을 청소하는 것이다.

드롭젯 플럭싱은 매우 적은 양의 플럭스를 정확하게 적용할 수 있는 방법 중 하나이다. 잉크젯 기술과 마찬가지로 분사하는 동안 젯팅 새틀라이트(satellite)는 액체의 성질과 분사 방식에 의해 형성된다. 이러한 새틀라이트는 분무 시작부문(머리 새틀라이트라고 함)과 플런저가 닫힐 때의 끝 부문(꼬리 새틀라이트라고 함)에 있는 매우 작은 방울이다. 이러한 플럭스 새틀라이트의 형성과 거동을 이해하기 위해 고속 카메라를 사용하여 많은 연구가 수행되었다. 크기와 방향을 통제할 수 없기 때문에 이 플럭스 입자는 원치 않는 SMD 영역에서 끝날 수 있으며 잠재적인 신뢰성 위험군이 된다.

노즐로부터 분사되어 빠르게 움직이는 각각의 메인 방울을 따라가는 새틀라이트 방울 형성은 공기 역학적 힘과 정전기력로 인해 방향을 쉽게 잡을 수 없어서 바람직하지 않다. 새틀라이트를 제거하기 위해 새로운 HF(고주파) 드롭젯을 도입하였다. 이 장치에는 사파이어 오리피스가 있으며 내부 압력 보상 블래더가 통합되어 있다. 물방울은 무결성을 더 오래 유지하고 더 멀리 이동하였다.

플럭스 패턴을 시각화하는 방법은 팩스(열에 민감한) 용지에 플럭스하는 것이다. 새틀라이트와 HF 위성이 없는 것과 일반적인 dropjet 플럭스의 차이점을 설명하기 위해 동일한 설정을 사용하여 팩스 용지에 스프레이했다. 스프레이 패턴과 새틀라이트의 수를 분석했다.

실험에서는 몇 가지 흥미로운 데이터를 확인하였다. 먼저 실험의 데이터가 신뢰할 수 있음을 나타내는 R-Sq=94%였다(>80%). 대기 시간은 새틀라이트 수에 상당한 영향을 미친다(드롭젯 스프레이가 길수록 PCB에서 더 많은 새틀라이트가 발견되었다). 드롭젯의 개방 시간과 빈도 사이에는 상호 작용이 존재했다.

주파수가 높을 때 개방 시간이 길수록 새틀라이트 수가 늘어났다. 낮은 주파수에서 dropjet의 긴 개방 시간과 짧은 개방 시간 사이에는 큰 차이가 없었다.

새틀라이트는 공정 중에 솔더링과 가열이 되지 않은 영역으로 끝날 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 이 경우 화학 물질이 활성화되지 않기 때문에 장기적인 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다.

다음 사례 연구는 솔더 마스크가 퍼짐 및 플럭스 양에 미치는 영향을 설명하는 것이다. 자동차 회사는 보드 재료를 검토하고 두 가지 다른 솔더 마스크와 셀렉티브 솔더링에 미치는 영향을 조사하도록 요청했었다. 하나의 보드는 웨이브 솔더링 라인(Mask 2)에서 가져온 것이고 다른 보드는 셀렉티브 솔더링을 위해 특별히 수정된 솔더 마스크(Mask 1)이었다.

Mask 2(웨이브 솔더 보드)의 높은 표면 에너지로 인해 플럭스가 매우 쉽게 퍼지고 평방인치당 건조된 고형물에서 매우 낮았다. 수정된 Mask는 퍼짐이 적기 때문에 플럭스 양이 양호한 솔더링 요구사항을 충족했다. 단 2개의 설정에 대해서만 고체 함량이 너무 낮았다.

플럭스는 셀렉티브 솔더링 공정에서 중요한 재료이다. 산화된 금속 표면을 청소하고 습윤을 지원하려면 강한 플럭스가 필요하다. 그러나 강한 플럭스는 온도, 습도 및 전류에 노출될 때 수지 결정 성장으로 인해 신뢰성에 있어서 잠재적인 위험군이 되기도 한다.

플럭스가 퍼지면 신뢰성이 떨어질 수 있다. 플럭스가 너무 많이 퍼지면 잔류 고형물이 너무 적고 셀렉티브 솔더링 이후 플럭스가 완전히 활성화되지 않을 수 있다. 플럭스의 퍼짐을 제어하기 위해 솔더 마스크가 중요한 역할을 한다. 셀렉티브 솔더링 적용을 위해 더 낮은 표면 에너지를 가진 솔더 마스크를 사용하는 것이 좋다(선호되는 표면 에너지 ~35mN/m). 고주파 드롭젯은 보다 강력한 플럭싱 공정에 이바지한다. 이 장치는 전자 이동 가능성이 농후한 새틀라이트를 훨씬 적게 생성한다.