특화된 솔더페이스트 적용, 우선시 되어야 
지속성의 고온 플럭싱 활성제 함유 제품 추천  

헤드-인-필로우 결함은 BGA 부품이 무연 합금으로 교체됨에 따라 더욱 널리 퍼졌다. 결함은 어셈블리가 리플로우 온도에 도달함으로써 시작되는 이벤트의 연쇄 반응의 결과라고 볼 수 있다. 부품은 일반적으로 초기 실장 도중에 솔더페이스트와 접촉하고, 가열 중 유동하거나 혹은 휘어지기 시작하는데, 이는 일부 개별 솔더 구형들을 들어 올리는 원인이 될 수도 있다. 이 보호받지 못한 솔더 볼은 새로운 산화물 층을 형성한다. 열이 추가적으로 가해지면, 패키지는 차츰 평탄해질 수도 있고, 초기 솔더페이스트 침전물과 다시 접촉할 수도 있다. 솔더가 액상 단계에 도달하면, 이 새로운 산화물 층을 파괴할 만큼 플럭싱 활성도가 충분하게 남아 있지 않게 되고, 결과적으로 HiP 결함이 발생할 수 있다.

볼-앤-소켓(ball-and-socket)으로 알려진 헤드-인-필로우(HiP)는 솔더페이스트 침전이 패드에 젖어들지만 볼에 완전하게 젖어들지 않는 곳에서 발생하는 솔더 조인트 결함이다. 전기적 무결성을 지니기에 충분한 접합이 이뤄진 솔더 조인트이지만 기계적 강도 측면에서는 충분하지 않다. 낮은 솔더 조인트 강도 때문에, 이러한 유형의 부품들은 매우 낮은 기계적 혹은 열적 응력으로도 불량이 발생할 소지가 매우 크다. 잠재적으로 값 비싼 이 결함은 기능 테스트에서는 대부분 결함이 감지되지 않으며, 어셈블리 이후 생산현장에서 약간의 물리적 혹은 열적 응력에 노출되어 불량으로써 나타난다.
헤드-인-필로우 결함은 BGA 부품이 무연 합금으로 교체됨에 따라 더욱 널리 퍼졌다. 결함은 어셈블리가 리플로우 온도에 도달함으로써 시작되는 이벤트의 연쇄 반응의 결과라고 볼 수 있다. 부품은 일반적으로 초기 실장 도중에 솔더페이스트와 접촉하고, 가열 중 유동하거나 혹은 휘어지기 시작하는데, 이는 일부 개별 솔더 구형들을 들어 올리는 원인이 될 수도 있다. 이 보호받지 못한 솔더 볼은 새로운 산화물 층을 형성한다. 열이 추가적으로 가해지면, 패키지는 차츰 평탄해질 수도 있고, 초기 솔더페이스트 침전물과 다시 접촉할 수도 있다. 솔더가 액상 단계에 도달하면, 이 새로운 산화물 층을 파괴할 만큼 플럭싱 활성도가 충분하게 남아 있지 않게 되고, 결과적으로 HiP 결함이 발생할 수 있다. 부품 휘어짐을 예측할 수 없을 뿐만 아니라 일관성 또한 없기 때문에 예방의 핵심은 프로세스 변수의 상호작용에 눈을 돌려야만 하고, 이를 통해 HiP 결함의 발생률을 줄일 수 있다. 이러한 변수들에는 BGA 볼 합금, 리플로우 프로세스 타입, 리플로우 프로파일 그리고 솔더페이스트 화학재가 포함된다. 이들 변수 각각을 하부에서 연구 및 논의한다.

우수한 내낙하성이 필요하기 때문에, 많은 무연 BGA가 SAC305 이외의 합금으로 만들어지고 있다. SAC305는 Sn63/Pb37에 비해 내낙하성이 현저히 낮기 때문에 부품 제조업체는 이 합금에서 주석에 1%의 은과 0.5%의 구리로 구성된 SAC105와 같은 대체 무연 합금으로 이동하고 있다. 안티몬(Sb), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 코발트(Co) 또는 인듐(In)과 같은 도판트(dopant)로 언급되는 합금들이 SAC105의 4번째 합금 자리를 두고 경쟁하고 있다. 이들 첨가제는 보다 미세한 그레인 입자를 생성하고 은 혹은 구리와 함께한 주석의 금속간화합물 형성을 감소시켜 결과적으로 무연 합금의 더욱 균일한 그레인 형성뿐만 아니라 더욱 우수한 재현 가능한 그레인을 보여준다. 이들은 또한 어셈블리 동안 적용된 조성 및 냉각비율에 따라 서로 다른 산화물과 표면 상태를 생성한다. 이러한 상이한 산화물과 표면 상태는 솔더 젖음과 BGA의 완전한 접합 형성에 영향을 주는 플럭스 활성도에 일부 문제의 원인이 될 수 있다.

솔더 구(볼) 이슈 

그림 2는 HiP 문제를 지닌 BGA를 분석한 이미지이다. 볼은 SEM로 검사되었고, 볼 내에 매우 뚜렷한 그레인 구조 변화가 있다고 판명되었다. 이들 부품을 검사하면, 부품 상에 볼의 3가지의 뚜렷한 구분이 존재함을 알 수 있었다. 그림 3과 같이 이들을 ‘shiny’, ‘matte’, ‘spotted’로 분류하였다.

하나의 확실한 점으로써, 볼 표면 상의 커다란 딤플(dimple)들은 제조업체에 의한 부품 테스트 동안의 특정한 울퉁불퉁한 표면을 쉽게 관통하는 프로브 테스트에서 나온다. 
그림 4, 그림 5 그리고 그림 6에서 보는 바와 같이 BGA 볼의 스펙트럼 역시 서로 달랐다.
이 단일 BGA에는 3가지의 서로 다른 그레인 구조와 표면 성분이 존재했다. 한 가지 이론은 솔더 볼이 처음 형성되었을 때의 냉각 속도의 변화 때문이라고 추정되고 있다.
AIM은 이러한 요소와 특정 페이스트 화학 작용의 상호 작용을 이해하기 위한 테스트 절차를 개발했다. 일부 도판트의 반응도 수준의 분류가 가능하다. 매우 낮은 수준의 마그네슘은 30ppm 수준에서 표준 솔더페이스트 플럭스 화학제에 직접적인 영향을 미치지만 인듐은 500ppm 범위, 400ppm 수준의 니켈 및 코발트 그리고 1000ppm 수준의 안티몬이 영향을 미치는 것으로 나타났다. 결정립 구조는 모두 비슷하게 보였지만 플럭스 상호작용은 달랐다. 이러한 차이는 페이스트 매체가 앞서 언급된 성분들이 추가된 솔더 합금과 접촉하는 동안 실시된 점착성 테스트에 의해 결정되었다.

헤드-인-필로우(head-in-pillow) 문제에 영향을 미치는 것으로 보이는 다른 요소들로는 리플로우 타입, 리플로우 프로파일 및 솔더페이스트 화학제가 있다. 얻어진 일부 데이터에서는 증기상 리플로우가 대류 리플로우보다 헤드-인-필로우 결함을 초래할 확률이 높음을 시사했다. 그러나 이는 하나의 트렌드로만 보여 졌을 뿐, 확실하게 연관이 있는 없는지는 분명하지 않았다.
헤드-인-필로우 솔더 접합부 형성과 관련해 리플로우 프로파일의 영향을 측정하기 위한 실험을 수행하였다. 이 실험에서는 두 가지 리플로우 프로파일을 적용하였다. 첫 번째 프로필은 그림 7에서 볼 수 있듯이 표준 램프-소크-스파이크(ramp-soak-spike)이다.

그림 8에서와 같이, 두 번째 프로파일에는 액상에서 더 뜨거운 soak 존과 더 길어진 dwell time으로 설정했다. 사용된 프로파일에 따라 결함 비율에서 특출하게 감지된 차이점은 없었다; 테스트 부품의 헤드-인-필로우 유형을 무작위로 추출한 결과이다.
헤드-인-필로우에 미치는 영향을 확인하기 위한 다음번 테스트는 솔더페이스트 화학제였다. 실험 동안, 솔더페이스트 화학제가 단일 요소로 헤드-인-필로우 결함에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이전의 무연 솔더페이스트를 새로운 고온 활성화 페이스트로 변경할 때 대부분의 결함이 제거되었다. 반면, 제거가 더욱 어려운 경우도 나타났다. 어찌됐든, 실험에서 솔더페이스트 화학제는 헤드-인-필로우에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보인다.

헤드-인-필로우 발생에 대한 영향을 측정하기 위해 다양한 솔더페이스트 화학제를 이용한 실험을 실시하였다. 적용된 리플로우 프로파일에 관계없이 간단히 AIM NC257 솔더페이스트로 변경함으로써 헤드-인-필로우가 완전히 제거되었음을 확인할 수 있었다. 이 솔더페이스트가 할로겐-프리 제품임에도 불구하고, >0.5%의 할로겐이 함유된 솔더페이스트를 실험에 사용하였고, 결함이 제거되었음을 다시 확인하였다. 이는 지속 가능한 고온 플럭싱 활성제를 제공할 수 있는 활성화 시스템을 갖춘 솔더페이스트(예 : NC257)가 볼과 페이스트 합금 계면 너머에서 균일한 연결을 생성하고 있음을 나타낸다. 그림 9의 이미지는 더 낮은 활성화 온도 활성화 시스템을 사용하여 형성된 헤드-인-필로우의 모습이다. 그림 10의 이미지에서는 고온 활성화 시스템으로 형성된 조인트가 있는데, 헤드-인-필로우 현상이 없었음을 보여주고 있다.
상기 실험을 바탕으로, 헤드-인-필로우 문제에 기여하는 변수들의 상대적인 영향을 나타내기 위해 1~10 점수로 평가하였으며, 10점은 헤드-인-필로우를 제거할 가능성이 가장 큰 점수이다(표 1 참조).

결론

앞선 연구에 의하면, 헤드-인-필로우 발생에 있어서 가장 중요한 2가지 요인은 솔더페이스트 플럭스 화학제와 BGA 합금 볼의 젖음성이었다. 울퉁불퉁한 구조는 BGA 헤드-인-필로우에 있어서 최악의 상태를 의미한다. 솔더볼 표면 상에 금속간 영역이 존재하는 것은 당연하다. Ag/Sn과 Cu/Sn의 금속간 연결은 합금 자체에 비해 훨씬 높은 용융 온도를 지닌다. 그들은 또한 구조가 결정체 모습이고, 젖음을 방해할 수 있다. 이러한 결과를 뒷받침하기 위해 추가 연구가 필요하지만, 이 표면 구조가 헤드-인-필로우 결함의 주요 원인 중 하나이며 어셈블리 업체에게는 큰 부담이 된다는 사실은 명확하다.