더 나은 가스배출 경로 구축이 핵심 
오버프린트 방법도 검토할 가치 높아

거대한 SMT 솔더 조인트의 보이드들은 예측하기 어렵고, 제어하기 힘들 수 있다. 보이드 자체 형성에 영향을 끼칠 수 있는 입력변수의 다양성 때문이다. 솔더 페이스트 화학재, PCB 최종 마감재 그리고 리플로우 프로파일/대기 분위기는 모두 면밀히 조사되어 왔으며, 미치는 영향에 관해서는 충분히 기록되어 있다. BTC(Bottom Terminated Component) 패키지 타입의 보이드 형성을 일관적이고 반복적으로 줄이기 위해 효율적으로 사용될 수 있는 무료로 쉽게 구현된 I/O 디자인 가이드라인을 제시하고자 한다.

저비용, 소형 풋 프린트 및 전반적인 신뢰성으로 인해 BTC(Bottom Terminated Component)가 PCB 설계에 빠르게 포함되고 있다. 하부 접지면/열 패드와 리드 없는 단자의 조합은 PCB 어셈블리 업체에게 기울기, 빈약한 솔더 필렛 형성, 어려운 검사 그리고 가장 중요한 패드 중앙 보이드를 포함한 많은 도전과제를 안겨주고 있다. 거대한 SMT 솔더 조인트의 보이드들은 예측하기 어렵고, 제어하기 힘들 수 있다. 보이드 자체 형성에 영향을 끼칠 수 있는 입력변수의 다양성 때문이다. 솔더 페이스트 화학재, PCB 최종 마감재 그리고 리플로우 프로파일/대기 분위기는 모두 면밀히 조사되어 왔으며, 미치는 영향에 관해서는 충분히 기록되어 있다. 또한, 패드 중앙 보이드에 대한 많은 보고서들은 패드 중앙 풋프린터와 스텐실 개구 디자인을 최적화하는데 초점을 두어 왔다. 본 연구에서는 패드 중앙 수정보다는 I/O 패드 스텐실 수정에 중점을 두고 있다. BTC 패키지 스타일의 보이드 형성을 일관적이고 반복적으로 줄이기 위해 효율적으로 사용될 수 있는 무료로 쉽게 구현된 I/O 디자인 가이드라인을 제시하고자 한다.

서문

BTC(Bottom Terminated Component)는 패드 중앙 솔더 조인트 자체에 솔더 보이드가 형성되기 때문에 PCB 어셈블리 업체에게 특정한 문제를 안겨준다. 그림 1에서 보는 바와 같이, 패드 중앙은 전기 접지, 방열판 또는 방열을 위한 열 경로 역할을 할 수 있다. 접합부의 전기 및 열전도가 솔더 보이드로 인해 지정된 대로 동작하지 않으면 조기에 부품 오류가 발생할 수 있다.

솔더 페이스트는 금속 분말과 플럭스 매개체로 구성되어 있으며, 무게 기준 85~90%의 금속이 혼합되어 있지만 체적은 대략 50%에 불과하다. 리플로우 이후, 프린트된 침전의 50%만이 고체형 솔더로 잔존하는데, 이 고체형 솔더에는 가능한 솔더 보이드를 최소화하기 위해 최대한 많은 양의 플럭스를 휘발시키는 문제가 존재한다.
무수히 많은 그라운드 패드 솔더 마스크와 스텐실 개구 디자인들을 이용하여 휘발성 플럭스를 배출시키는 가스 배출 경로를 제공하는지를 살펴보기 위해 테스트했다. 이러한 디자인 대부분은 제한적인 실험에서 다소 변수가 있는 결과들을 나타냈다. 왜냐하면 패드스택(padstack) 디자인은 보이드 생성에 가장 큰 요인이 아니기 때문이다.
보이드 형성에서 2가지 주요 변수는 솔더 페이스트 화학재와 리플로우 프로파일이다. 열 비아(thermal via)의 영향력도 중요한 고려사항이지만 어셈블리 공정 중에 설명될 수 있는 변수가 아니기 때문에 본고에서는 평가하지 않았다. 보이드 형성 감소를 위해 활용 가능한 다른 프로세스 기술로는 진공 대기와 증기 위상 리플로우가 포함되어 있다. 하지만 이들의 경우에는 상당한 자본투자가 요구되고, 일반적인 PCB 어셈블리 업체에게 널리 가용되지 않고 있다.

배경 

심도 있는 솔더 페이스트 프린트 연구를 수행하고, 샘플 보드를 리플로우에 태우면서, 연구실 직원은 I/O 경계면 패드가 붙어있지 않은 상태로 남겨지면 솔더 보이드가 급격히 감소하는 것을 확인했다. 일반적으로 10~20%의 보이드가 존재하는 부품에서, 이 비율이 거의 0으로 떨어졌다.
엔지니어들은 I/O 상의 페이스트 부재가 용융 솔더의 표면에서 부품의 부유를 가능하게 하고, 결론적으로 플럭스 가스가 더 쉽게 배출될 수 있다는 가설을 세웠다. 그들은 용융 솔더가 최종적으로 부품의 다이 패들에 젖어들면, 부품이 내려앉고, 갇혀 있던 휘발성 물질이 더 쉽게 빠져 나간 후에 냉각을 거쳐 굳어진다고 믿었다.
반복적인 실험들에서 일관된 결과가 나타났다. 패드가 프린트되지 않고 남아 있을 때 보이드는 사실상 제거되었고, I/O 패드가 / 1:1로 인쇄되었을 때, 보이드가 다시 관찰되었다.
결과의 재현성은 더 많은 논의와 가정을 이끌어 냈다 : 용융 솔더의 표면에서 부유하는 부품의 특성을 제한하여 I/O 패드의 페이스트 침전에 뿌리를 내리는 현상이 관측된다면, 휘발성 물질의 배출 경로가 효과적으로 차단된다. 그런 후에 I/O 패드 경계 상의 늘어난 페이스트 체적은 본질적으로 부품을 받치고, 플럭스 휘발물질의 가스배출 경로와 유사한 통로를 생성한다.

가설    
I/O 패드 상의 솔더 페이스트의 체적을 늘리면 리플로우 공정에서 액상 단계에 진입할 때 부품이 일시적으로 올라간다. 그럼으로써, 패드 중앙에서 플럭스 휘발성 가스가 빠질 가능성이 높아진다.
이 가설은 I/O 패드가 패키지 가장자리 상의 위치와 패키지 자체보다 훨씬 낮은 열 질량 때문에 그라운드 패드 이전에 약간 더 높은 액상 상태에 도달한다는 개념에 기반을 두고 있다. 침전된 페이스트가 녹을 때, 솔더 패드에 합쳐져 BTC 패키지가 들린다. I/O 패드에 솔더에 의해 일시적으로 제공되는 추가 높이는 그라운드 플레인 보이드 감소를 유도하는 메커니즘이라고 예상한다. 솔더가 단자 및 다이 패들에 젖을 때, 젖음력에 의해 패키지를 뒤로 당긴다. 솔더가 젖음으로써 부품 본체를 빠르게 끌어내는 것은 패드 중앙에서 용융 솔더 밖으로 더 많은 휘발성 물질을 빼낼 수 있는 힘이 될 수도 있다(그림 2 참조).
본 연구에서, 어떠한 브릿지 혹은 쇼트가 발견되지 않았는데, 심지어 I/O 솔더 체적의 최대 증가치인 30mil 오버프린트에서도 나타나지 않았다. 그러나 너무 많은 솔더 페이스트가 적용될 때 과도한 조인트가 관찰되었다.

실험 방법
모든 테스트는 멕시코 업체의 애플리케이션 연구소에서 진행했다. 테스트는 50년 이상의 SMT 경험을 가진 두 명의 SMTA 인증 프로세스 엔지니어에 의해 수행되었다.

시험 보드
테스트 PCB는 사용 가능한 PCB에 12개의 BTC 풋프린트를 적용하였다(그림 3 참조). 8.5″ × 6″ PCB는 high Tg 적층판으로 제조되었고, ENIG 최종 마감재로 처리되었으며, 모두 전혀 사용되지 않았던 신제품들이었다.
총 20개의 테스트용 PCB를 연속적으로 어셈블리하였으며, 모두 동일한 재료와 공정 파라미터를 적용하였다.

부품 선정
본 연구에서는 3가지 패키지를 분석하였다. 그림 4에서는 연구에 사용된 패키지들을 보여주고 있다(MLF48, 7×7mm(左), MLF32, 7×7mm(中), MLF16, 5×5mm(右)). 모든 MLF는 동일 제조업체 및 해당 로트에서 생산되었으며 동박 리드프레임에 100% 무광택 주석 마감처리가 되어 PCB와 동일한 더미 부품 공급업체로부터 모두 조달받았다.

솔더 페이스트 및 프린팅
2년 이상의 생산 이력을 가진 No Clean SAC305 Type 4 페이스트를 적용하였고, 이 제품은 비교적 낮은 보이드 성능을 지속적으로 나타냈다. 사용된 스텐실은 프리미엄 stainless-steel이었으며, 불소계 고분자 나노코팅의 다이오드 레이저로 절단되었다. 테스트 영역은 25.4℃의 온도(78℉)와 54% RH 수준으로 제어하였다.

리플로우 프로파일 / 오븐   
테스트 어셈블리에서는 대기 리플로우 환경을 사용하는 상업적으로 이용 가능한 10존 대류 오븐 리플로우를 이용하였다. 그림 7에서는 선정한 리플로우 프로파일을 보여주고 있다. RTS(ramp-to-spike) 프로파일은 다음과 같은 이유로 선정하였다.
▶ 직선형 프로파일은 일반적으로 소크(soak) 프로파일보다  더 많은 보이드를 생성한다. 프로파일에서 보이드를 감소시 키기 위한 일반적인 접근법으로는 합금이 용융되기 전에  플럭스 화학 물질의 휘발을 높이는 것이고, 이를 위해 소크 (soak) 존을 통합하는 것이다. RTS 프로파일은  종종 보이드 발생의 최악의 시나리오로 간주되고 있다.
▶ 보이드 발생이 쉽고, 보이드에 민감한 많은 패키지는 종종  리플로우 공정 중 피크 온도의 열에 민감하다. 따라서 열  노출이 적은 프로파일이 일반적으로 BTC 및 이와 유사한  소형 플라스틱 패키지에 적합하다.
▶ 본 연구의 목표는 개구 디자인에 의한 효과를 떼어 내는 것 이었고, 최종 결과에서 프로파일이 끼치는 영향을 최소화 하는 것이었다.

X-Ray 검사기와 그 설정 
보이드를 특징화하기 위해 자동화된 고해상도, 트랜스미션 X-ray 검사 시스템을 사용하였다. 75Kv 및 0.075 mA 또는 5.6w로 설정하였다. 검사결과는 생산 통계 소프트웨어를 사용하여 축적하였다.

결과 및 논의
보이드 형성 :
▶ 테스트에 적용된 각 패키지 크기에 맞춰 오버프린트를 늘렸을 경우 보이드 감소를 확인할 수 있었다. 그 결과를 그림 8, 그림 9, 그림 10에서 보여주고 있다.
구성된 DOE로부터 얻은 X-ray 결과들은 이전 결과들과 비교 및 확인했다. 테스트된 3개의 보드에서, 오버프린트 증가에 따라 보이드는 감소되었다.
I/O 패드 상의 더 많은 체적의 솔더페이스트는 패드 중앙의 솔더페이스트 상부에 있는 부품을 ‘들어올려서’ 패드 중앙 페이스트가 액상 온도에 도달하기 전에 더 나은 가스배출이 가능하게 한다는 가설을 설정했다. 실제 리플로우 공정 동안 액상 침전물의 작은 높이 차이를 측정하는 것이 불가능하므로, 다음과 같은 가정을 사용하여 이론적으로 계산하였다.

▶ 솔더(금속) 체적은 솔더 페이스트 오버프린트 체적의 50% 이다.
▶ 오버프린트는 완벽하게 패드 위에 결합된다.
▶ 높이는 계산된 체적을 I/O 패드 영역으로 나누어서 결정된다.

이론상의 높이 차이는 표 2에 나와 있다.

테스트된 3개의 패키지 모두에서 오버프린트가 증가함에 따라 보이드가 감소한 것으로 조사되었다. 테스트 결과를 요약한 그림 11을 통해서, 2개의 대형 디바이스가 보이드 감소와 관련해 비슷한 경향을 나타냈지만, 소형 패키지는 오버프린트 간격이 늘어날 때 2개의 대형 디바이스와 같이 많은 양의 보이드 감소를 보이지 않았다는 것을 알 수 있다.

가장 작은 패키지에서 다른 거동이 나온 3가지 이유는 다음과 같다:

1) 소형 패키지 아웃라인과 더 낮은 열 질량으로, I/O 패드가  액상에 도달하는 시간과 패드 중앙이 액상에 도달하는 시 간 간의 가스방출 시간간격이 더 짧다. 이는 고급 프로파일 링 기술과 열 화상 카메라로 더 자세히 조사할 수 있다.
2) I/O 패드는 32핀 및 48핀 디바이스보다 16핀 디바이스에서  더 적다. 따라서 개선된 가스방출을 얻기 위해 필요한 높이 까지 패키지를 들어 올리는데 요구되는 오버프린트 양이 더  적다.
3) I/O 패드와 패드 중앙, I/O 프린트와 패드 중앙 프린트의 면 적 비율 혹은 I/O와 패드 중앙의 둘레 비율(젖음 이전에 부 력 혹은 젖음 동안의 표면 장력 기준) 간의 수학적인 관계 가 존재할 수도 있다.

이들 3가지 잠재적인 설명은 향후 프로젝트 진행을 통해 더 자세하게 조사할 것이다.

솔더 조인트 형성 
어셈블리를 거친 테스트 보드를 X-선으로 조사한 후, I/O 패드와 패드 중앙 모두의 솔더 조인트 형성을 검사하기 위해 샘플들을 횡단면으로 절단하였다. 샘플들은 최소 부품인 QFN16과 최대 부품인 QFN48의 2개 단면 사진으로 구성되어 있으며 0mil 및 30mil의 오버프린트가 실시되었다. 첫 번째 단면 사진은 여러 개의 I/O 조인트 높이를 측정하기 위해 리드의 row 축으로 관통시켜서 얻었다. 두 번째 사진은 리드와 패드 중앙을 통과하여 경계면과 솔더 조인트 중앙의 높이를 측정하였고 솔더 필렛 형성을 평가하였다. 그림 12는 MLF48의 위치를 보여주며 그림 13, 그림 14, 그림 15에서는 비교를 위한 실제 단면도를 보여주고 있다.

그림 13에서는, 솔더 페이스트 체적의 차이(오버프린트의 조인트의 솔더페이스트 체적이 1:1로 프린트된 조인트의 그것보다 약 2.5배 높음)에도 불구하고 유사한 I/O 솔더 접합 높이를 가지고 있음을 보여주고 있다. 패드 중앙을 관통하는 횡단면의 두 번째 세트에서는 외곽으로 빠져나가는 I/O 상의 추가적인 솔더를 보여주고 있다.

그림 14에서는 솔더 조인트 간의 두드러진 차이점을 보여주고 있다. 왼쪽의 이미지에서는 솔더페이스트가 I/O 패드와 1:1로 프린트된 곳에서, 중앙 조인트에 큰 보이드가 생성되었고, 조인트 경계면에 일반적인 필렛이 형성되었음을 알 수 있다. 오른쪽의 이미지에서는 솔더페이스트가 패드의 끝 부분 넘어서까지 30mil 프린트된 곳에서, 중앙 조인트에 어떠한 보이드도 보이지 않았으나 I/O 패드에서부터의 과도한 솔더는 조인트 주변 밖으로 삐져나온 것처럼 보인다.
그림 14에서 보여주는 것과 같이, 과도한 조인트는 잠재적 불량이다. 일부 BT(bottom-terminated) 패키지의 경우, 단자와 토우 필렛 측면에 젖어드는 것이 필요하지 않지만, 그렇지 않은 경우에도 많은 어셈블리 작업자들은 이들을 관찰하기를 선호하고 있다. AOI에서 그들이 검사될 경우, 단자 상의 과도한 솔더는 불량 호출을 유발할 것이다. 그들이 육안으로 검사될 경우, 그들 자체의 마이너스 젖음 각도로 인해 불량으로 설명될 수 있을 것이다. 그림 15와 그림 16에서는 QFN16에 대한 유사한 이미지를 보여주고 있다.

횡단면 분석 결과를 통해서, 조인트 형성 시 보이드 감소 밸런스를 맞추는 방법을 이해하기 위해 각 디바이스별로 적합한 오버프린트 양을 적용하는 방법도 검토할 가치가 높다는 점을 알 수 있었다. 각 파라미터 조합의 샘플들은 QFN32, QFN16, QFN48에 10mil 및 20mil 오버프린트가 추가됨으로써 완료될 것이다. 각 디바이스 오버프린팅을 위한 최적의 윈도를 정의하는데 X-ray 데이터와 결합한 시각 이미지가 도움을 줄 것이다.
I/O의 오버프린팅을 통해 보이드 제거를 획기적으로 줄이는 방법은 큰 잠재력을 지니고 있다. 특히, 쉽고 효과적이며 실제 구현에 별도의 자본 지출이 필요하지 않다.

결론  

1) 모든 부품에서 보이드가 10% 이하로 줄어들었다. QFN48 부품의 경우, I/O 상의 페이스트 오버프린트를 늘림으로써 보이드 감소를 구현하였다. +30mil 오버프린트(5.28%)는 표준 1:1 프린트에서 가장 작은 보이드로 측정(5.22%)된 사이즈와 거의 동일하였다. 횡단면 분석의 결과에서는 보이드 감소를 솔더 조인트 형성 경계면에서 보이드 감소 밸런스를 맞추는지를 이해하기 위해 모든 오버프린트에서 모든 디바이스를 재검토할 필요성이 있음을 보여주고 있다. 2) I/O 오버프린트에 의해 생성된 일시적인 스탠드오프는 부품을 솔더의 젖음 및 무너짐 전에 가스방출을 촉진시키는 높이로 상승시키는 것처럼 보인다. 이 실험의 데이터에서는 높이가 약 1~1.5mil임을 보여주고 있다. 오버프린트 및 이론상 높이를 2mil 이상으로 높이는 것은 많은 이점을 제공하지 않으며, 바람직하지 않은 결과를 초래할 수도 있다.
3) 패키지 크기에 따라 다른 결과가 나타났다. 가장 작은 패키지는 더 큰 패키지만큼 오버프린트가 오래 걸리는 것으로 보이지 않았다.
4) 리플로우 프로파일이 보이드 감소 효과에 미치는 영향은 하나의 프로파일만 테스트되었으므로 명확히 결론내릴 수 없었다. 사용된 프로파일은 보이드 감소가 가장 어렵고, 일반적으로 최악의 시나리오를 염두에 두고 적용하였다.