해당 공정의 특성을 정확히 이해해야      
플럭스 개발자와 장비업체간의 파트너십이 중요

셀렉티브 솔더링 애플리케이션은 웨이브 솔더링 애플리케이션용으로 설계된 전통적인 액상 플럭스가 완충시킬 수 없는 성능 특성의 조합을 필요로 하고 있다. 첫째, 보드 상의 플럭스 침적(flux deposition)은 신중하게 제어해야 한다. 플럭스 잔사의 열 히스토리(실온에서부터 솔더 액상에 이르기까지)가 핵심 성능의 동력이다. 마지막으로, 플럭스 특성과 셀렉티브 공정 친화 사이의 관계를 개선시키기 위해 산업용 셀렉티브 솔더링 머신에 대한 통계적으로 설계된 실험을 수행해야 할 필요가 있다. 플럭스 설계자와 장비 제조업체 간의 끈끈한 파트너십 관계는 셀렉티브 솔더링용 플럭스 설계에 있어서 매우 강력한 핵심 요소로 여겨지고 있다.

추상

셀렉티브 솔더링 애플리케이션은 웨이브 솔더링 애플리케이션용으로 설계된 전통적인 액상 플럭스가 완충시킬 수 없는 성능 특성의 조합을 필요로 하고 있다. 첫째, 보드 상의 플럭스 침적(flux deposition)은 신중하게 제어해야 한다. 솔더링 성능과 신뢰성 사이의 올바른 균형을 잡기 위해서는 공정 최적화와 결부하여 플럭스의 물리 화학적 특성에 대한 적절한 미세 조정이 필수적이다. 그러나 드롭-젯트 공정을 이용한 플럭스 잔사의 국부화는 예상 성능 수준을 보장하기에 충분하지 않다. 플럭스는 피할 수 없는 퍼짐 및 튀는 현상의 영향을 최소화하도록 설계되어야 한다. 이러한 관점에서 조성과 신뢰성 사이의 관계에 대한 근본적인 이해가 중요하다.
셀렉티브 솔더링 애플리케이션에서, 플럭스 잔사의 열 히스토리(실온에서부터 솔더 액상에 이르기까지)가 핵심 성능의 동력이다. 마지막으로, 플럭스 특성과 셀렉티브 공정 친화 사이의 관계를 개선시키기 위해 산업용 셀렉티브 솔더링 머신에 대한 통계적으로 설계된 실험을 수행해야 할 필요가 있다. 이 영역에서, 드롭-젯트 디스펜싱(막힘 효과, 클리닝 빈도 및 종속 형성(satellite formation))과의 호환성, 퍼짐(여러 가지 솔더 레지스트 유형으로 실제 프로세싱 조건에서) 그리고 새로운 열적 조건에서의 배럴 충진과 생산 결함으로 측정되는 솔더링 성능이 고려될 것이다. 따라서 플럭스 설계자와 장비 제조업체 간의 끈끈한 파트너십 관계는 셀렉티브 솔더링용 플럭스 설계에 있어서 매우 강력한 핵심 요소로 여겨지고 있다.

서문

셀렉티브 솔더링 애플리케이션 전용 플럭스의 설계는 국부적인 솔더링 공정이라는 특성 때문에 독특한 문제가 제기되고 있다. 솔더 웨이브에 의한 플럭스 잔사의 열처리와 세정 동작 모두가 솔더링된 영역으로 국한된다. 이러한 특정 문제를 해결하기 위해 플럭스 조성에는 두 가지 보완 전략을 수립하였다.
첫째, 플럭스의 물리적 특성은 보드 상의 자체 풋 프린트를 최소화하기 위한 애플리케이션 프로세스와 시너지를 내기 위해 최적화되었다. 플럭스는 전체 작동 중에 원활하게 플로우(예 : 막힘이 없는)되도록 드롭-젯트 디스펜스 헤드와 함께 작동해야 하고, 침적에 국한되어야만 하고, 마지막으로 제 위치에 있어야 한다. 디스펜싱 프로세스 파라미터(개방 시간, 주파수, 로봇 속도)와 보드 예열 온도가 중요한 파라미터이며, 최적의 설정은 플럭스의 특성(점도, 표면 장력, 고형물 함량, 솔벤트)에 따라 다르다.
어셈블리 재료도 중요한 역할을 한다. 침적 이후 보드 상에 과도한 플럭스 방출을 예방하기 위해 솔더 마스크의 최적 표면 에너지가 기존의 웨이브 솔더링 공정(35mN/m vs >50mN/m)의 그것보다 일반적으로 낮기 때문이다. 따라서 셀렉티브 솔더링 플럭스의 설계는 설계 프로세스의 초기 단계부터 형성기, 설비 그리고 어셈블리 재료 제조업체 간의 협력이 필수적이다. 산업계 대표적인 PCB 재료와 레이아웃에 적합한 공정 친화적인 플럭스를 설계하기 위해 tier-1 셀렉티브 웨이브 솔더링 장비 제조업체와 파트너 관계를 맺었다.
두 번째로, 플럭스 화학재 패키지는 피할 수 없는 퍼짐 및 튀는 현상의 영향을 최소화하도록 조성되어 있다. 이들은 부분적으로 가열된 플럭스 잔사를 초래할 것이고, 이 플럭스 잔사는 솔더의 세척 동작에 의해 제거되지 않을 수 있다. 이러한 이온성 잔사는 전기 화학적 이동, 부식 및 저항 손실을 유발할 수 있으므로 어셈블리의 신뢰성에 심각한 위협을 가하고 있다. 습한 환경에 노출되었을 때 어셈블리 생산현장의 불량이 항상 나타날 것이다. 따라서 잔사의 신뢰성과 플럭스의 열 히스토리의 상관관계를 확립하는 것이 가장 중요하다. 이러한 관점에서 활성제 패키지 시리즈는 부분적으로 가열될 때 최적의 신뢰성을 보장하도록 특별히 설계되어야 한다. 셀렉티브 솔더링 애플리케이션용으로 설계된 플럭스의 신뢰성은 잘 알려진 업계 표준을 사용하여 평가되었다. 플럭스가 다양한 열 컨디셔닝 조건으로 나열되어 있다(표 1 참조).

통계적 주요 실험 프로토콜에서는 재료 및 공정 파라미터(디스펜싱 성능(막힘 및 종속), 플럭스 퍼짐, 솔더링 성능)의 영향을 측정하기 위해 산업계 셀렉티브 솔더링 장비로 수행되었다. 이들 실험의 내용은 하부에서 설명한다.

플럭스 퍼짐성
퍼짐성은 플럭스의 표면 장력뿐만 아니라 자체 온도에 영향을 받는다. 알코올계 플럭스는 수용성 기반의 VOC-free 플럭스보다 훨씬 낮은 표면 장력을 가질 것이다(25℃에서 22mN/m vs 72mN/m). 또한, 디스펜싱 온도는 플럭스 점도를 낮춤으로써 퍼짐성을 유리하게 하는 경향이 있다. 반면에 보드 예열의 영향은 플럭스의 특성에 따라 달라질 수 있다: VOC-free 플럭스는 더 데워진 보드에서 더 많이 퍼지는 경향이 있는 반면 알코올계 플럭스는 정반대의 모습을 보일 수 있다. 마지막으로, 솔더 마스크의 표면 에너지는 또 다른 중요한 파라미터이다. 기존 웨이브 솔더링 플럭스와 비교하여 기판 상 플럭스의 접촉각을 높이기 위해 낮아진 표면 에너지가 셀렉티브 솔더링 플럭스에서 선호된다(35mN/m vs >50mN/m). 이는 Young`s 공식인 γSG=γSL+γLGcosθ으로 모델링된 표면 장력의 밸런스에 대입해 볼 때 쉽게 이해할 수 있다. 보드의 예열이 솔더 마스크의 표면 에너지에 영향을 미칠 수 있음을 유의해야 한다.
다양한 솔더 마스크 타입을 가지고 있는 대표적인 PCB 세트 상의 침적에 따른 해당 애플리케이션용으로 개발한 플럭스의 본질적인 확산성을 평가했다. 반대로, 플럭스 확산의 공정 최적화는 유사한 표면에너지를 지닌 알루미늄 호일의 반짝이는 면에 다이렉팅 드롭-젯트에 의해 실시하였고, 그림 1에서와 같이 예열 이후 건조된 침적을 측정하였다.

드롭 젯트 디스펜스: 막힘과 종속

고주파 드롭-젯트 테크놀로지는 분무형 에어로졸 스프레이 헤드 또는 초음파 스프레이 플럭서와 비교해 스프레이 패턴을 좁히기 위해 개발되어 왔다. 작은 플럭스 방울의 편차는 최소화되었지만 종속 발생 가능성은 항상 존재해 있다. 크기가 변하는 이들 매우 작은 플럭스 방울은 플럭스 직접 침적 코로나의 바깥쪽에서 임의의 방향으로 나타난다. 종속의 형성은 플럭스의 물리화학적 특성(칙소성, 표면장력)에 따라 달라진다. 이런 이유로 형성 자체는 젯팅 프로세스와 밀접한 관계가 있다. 종속 형성 경감이 매우 중요하다. 이들 측면 침적이 동일한 열 사이클과 솔더 세정 메커니즘(solder scrubbing mechanism)에 노출되지 않아서 습한 환경 상황에서 전기 화학적 이동이라는 심각한 위협을 가하기 때문이다. 디스펜싱 동안 자주 발생하는 또 다른 프로세싱 문제는 드롭-젯트 플럭서의 막힘 현상이다. 알코올계 셀렉티브 솔더링 플럭스의 고휘발성과 결합한 스프레이 헤드의 좁은 채널(일반적으로 130㎛) 구조가 큰 이유이다.
셀렉티브 솔더링 설비 상의 플럭스 조성 효율성을 확인하기 위해 동일한 실험 세트에서 막힘과 종속 형성 모두를 평가하였다. 팩스 페이퍼는 드롭-젯트 침전물의 위치와 형상을 식별하기 위해 사용되었다. 기판의 패브릭 내부 속으로의 흡수되는 플럭스가 플럭스 퍼짐 데이터의 부정확한 표현을 초래할 수 있기 때문에 공정 중의 퍼짐 측정을 위해 팩스 페이퍼를 일반 방식으로 적용하지 않았음을 유의해야 한다. 테스트는 진행되는 시간 간격별로 연속적인 침적 사이클 수행하면서 진행했다. 하나의 사이클에서 2초 간격으로 20번 도트하였다. 이러한 시퀀스를 4번 반복하였고, 각 사이클 간 30초의 멈춤 시간을 가졌다. 그런 후에 이러한 전체 과정을 4번 반복했고, 이번에는 15분 동안 멈췄다. 이미지 분석 소프트웨어를 이용하여 총 500개의 도트에 대한 도트 형성과 종속 위치를 계산하였다. 시퀀스 동안의 연속적인 멈춤은 테스트 진행을 특별히 적극적으로 만들기에 충분했다. 경험한 바에 의하면, 드롭-젯트 유닛을 통한 플럭스의 연속적인 플로우는 헤드를 스스로 재생시킨다.
멈춤 시간은 침적이 누적되고 완숙되며, 해당 영역에서 침적이 굳어지는 시간적 여유를 준다. 시퀀스를 재시작할 때 제거하기가 매우 어렵기 때문에 굳어지기 위한 충분한 시간을 주는 것이다. 결과적으로, 플럭스는 이번 실험 프로토콜을 통해 효율적이라는 점을 알 수 있었다. 그림 2는 다양한 플럭스로 얻은 침적 패턴의 대표적인 세트를 보여주고 있다. Flux #2 침적 조건은 거의 완벽한 반면, Flux #10, Flux #6 및 Flux #13은 다양한 결함을 나타냈다. 최대의 침적이 보인 곳의 시퀀스 시작 부분에서 종속 및 침적의 표면적 변화가 종종 일어나는 것을 관찰할 수 있는데, 이 효과는 디스펜싱 실패의 주요 근본 원인임을 보여주고 있다.

결과적으로, 이러한 복잡한 침전 시퀀스 동안 생성된 통계상의 중요한 데이터 세트를 사용하여 15개의 식으로 도출하였다. 침적 패턴 분석의 결과는 그림 3에서 보여주고 있다. 침적의 균일성 관점에서, 전체 침적 시퀀스(도트 영역 및 도트 서클) 뿐만 아니라 종속의 발생과 공간 분포에 걸친 플럭스 간의 커다란 차이가 관찰됨에 따라 이 방법의 효율성을 확인할 수 있었다. Flux #1, Flux #2, Flux #3 및 Flux #4는 최상의 디스펜스 성능을 나타내며 최종 솔더링 성능 평가를 위해 선정하였다.

솔더링 성능 
성능 평가는 산업용 셀렉티브 웨이브 솔더링 머신(그림 4 참조)에서 수행하였다. 93mils FR-4 재질의 4층 동박(1/2/2/1 온스) 구조로, 베어 동박 상 솔더 마스크와 OSP 마감처리(그림 4 참조)된 보드를 사용하였다(그림 5 참조). 해당 보드에는 IC 칩을 포함한 16핀의 DIP(dual in-line package)과 96핀 유로카드 커넥터가 장착되어 있다.

플럭스의 솔더링 성능을 결정하기 위해 표 2의 데이터를 참조하였다.

반응 계수는 플럭스 퍼짐(측정된 영역), % 홀 충전(X-선 회절에 의해 측정), 솔더 브리지 및 솔더 볼의 수량이었다. 결과의 통계 분석은 그림 6에 나타냈다. 2차 상호작용이 통계적으로 대수롭지 않다고 판명됨에 따라 주요 효과만 표시했다. 모든 플럭스는 비슷한 퍼짐 결과를 나타내었고, 영향력 있는 유일한 공정 매개 변수는 디스펜스된 부피였다. 홀 충진 성능은 플럭스 간 비교될 수 있음이 판명되었고, 반면, 해당 보드 예열 온도에 특히 주의를 기울일 필요가 있었다. 이 결과는 우리의 배경 지식과 매우 일치한다. 예열 시간은 포인트-투-포인트 셀렉티브 솔더링 애플리케이션에서 상대적으로 길기 때문에 활성제 패키지의 열적 안정성에 문제가 있다. 이와 관련해서, 110℃의 예열 온도에 있어서 모든 플럭스가 매우 만족스러운 성능을 보이고 있음을 발견하였다. 솔더링 불량을 고려할 때 더 많은 플럭스 차이를 확인할 수 있었다. Flux #1은 다른 3가지 플럭스와 비교하여 모든 조건에서 최소의 결함 비율로 관찰되었다. 결함에 미치는 보드 예열 온도의 강력한 영향은 활성제 열 안정성 엔벨로프에 대한 초기 해석을 확인할 수 있었다.

결론

셀렉티브 솔더링 애플리케이션용 고성능의 플럭스 설계를 위해서는 플럭스 조성, 애플리케이션 그리고 설비 전문 지식이 요구된다. 플럭스 설계자와 장비 제조업체 간의 강력한 파트너십이 필요하다. 다양한 성능 측면이 고려되어야만 한다.
플럭스 자체는 다양한 열 노출 조건 하에서, 특히 부분적으로만 활성화될 때 입증된 신뢰성 (부식, 전기화학 마이그레이션)을 가져야 한다. 이러한 요구 사항을 충족하는 일련의 플럭스를 선정했다면, 플럭스 특성과 셀렉티브 공정 친화 사이의 관계를 개선하기 위해 산업용 웨이브 솔더링 머신에 대해 통계적으로 설계된 실험을 수행해야 한다. 이 영역에서는 다양한 성능들이 고려되어야 한다: 배럴 충진과 불량 생산으로 측정될 수 있는 드롭-젯트 디스펜싱(막힘 효과, 클리닝 빈도 및 위성 형성)와의 호환성, 보드 상에 퍼짐(실제 공정 조건, 다중 솔더 레지스트 유형 포함) 및 솔더링 성능(플럭스 활성, 열적 안정성)이 바로 그것이다.