리플로우 프로세스에서의 보이드 메커니즘

솔더 조인트 내 보이드는 솔더가 굳어지기 전에 빠져 나가지 못한 가스 기포의 결과물이다. 솔더 페이스트의 리플로우 동안 접합 부분에 공기가 갇힐 수 있는 가능성이 존재하지만, 기포 내 가스들은 일반적으로 금속 산화성질을 지닌 활성제 반응의 부산물로써 솔벤트의 휘발에 의한 플럭스 매체, 수지 및 다른 성분의 분해에 의해 주로 발생된다고 여겨지고 있다. 이들 가스가 솔더 조인트에서 빠져 나올지 아니면 보이드로 남아있을 지의 여부는 조인트 면적과 형상을 포함한 많은 요인에 따라 달라진다. 본고에서는 LED 모듈 내의 1차 및 2차 레벨 조인트를 각각 시연해서 소형 및 대형 면적의 솔더 조인트 내의 보이드 발생에 영향을 미치는 요인들을 리뷰할 것이고, 각 레벨에 적합한 경감 전략들을 논의할 것이다.

전기전도도가 중요 요구사항인 솔더 조인트에서 상당한 수준의 보이드가 허용될 수도 있지만, 특정 수준에서의 보이드는 열전도도에 심각한 손상을 초래한다. 예를 들면 LED 조명계 모듈은 기판에 부착된 1차 레벨 다이를 통과하는 효과적인 발열 전도와 방열판에 부착된 2차 레벨을 통과하는 성능이 매우 중요하다. 그래서 양쪽 레벨에서 솔더 조인트 내 보이드는 최소화되어야만 한다.

비-습윤성 기판의 영역이 기포의 부착점으로 활용되기 때문에 기판의 납땜 성능과 플럭스의 활동성은 솔더 조인트 내 보이드 발생에 영향을 끼치는 또 다른 요인이다. 솔더 파우더 파티클이 녹아내리고 합쳐지는 그 시간 동안에 방출되는 휘발성 물질이 기포의 주 원인이다. 그래서 리플로우 프로파일의 형태가 보이드의 발생에 큰 영향을 줄 수 있다. 본고에서는 LED 모듈 내의 1차 및 2차 레벨 조인트를 각각 시연해서 소형 및 대형 면적의 솔더 조인트 내의 보이드 발생에 영향을 미치는 요인들을 리뷰할 것이고, 각 레벨에 적합한 경감 전략들을 논의할 것이다. 또한 플럭스 매체 조성물의 보이드 발생에 대한 영향과 대부분의 휘발성 물질이 리플로우 프로파일 초기에 방출되는 것을 보장하는 열 프로파일의 최적화에 대한 연구 결과를 알아볼 것이다.

솔더 조인트 내에서 형성되는 보이드 타입은 일반적으로 2가지가 있다. 수축형 보이드(shrinkage void)와 가스형 보이드(gas void)가 그것이다. 수축형 보이드는 대부분의 솔더가 액체에서 고체로 변할 때 발생하는 부피 감소의 결과이다. 솔더가 공융으로써 거동하고 싱글 스테이지에서 등온선적으로 응고되면, 필렛 내부에서부터 응고체가 균일하게 바깥쪽으로 성장하면서 외부 표면의 부피가 모두 줄어든다. 이로 인한 결과는 내부에 어떠한 보이드도 가지고 있지 않은 액체 상태의 최종 필렛이 전형적으로 형성되는 것보다 더 작아진다는 것이다.

솔더 합금이 공융으로써 거동하지 않고, 넓은 온도 범위에 걸친 하나 이상의 응고 스테이지에서 응고된다면 상황은 복잡해진다. SAC305(Sn-3.0%Ag-0.5%Cu) 합금은 비-공융 거동을 보이는 솔더의 예이다. 응고는 약 219℃에서 초기 주석(Sn) 주상돌기의 성장과 함께 시작된다. 은(Ag)와 구리(Cu)가 많이 남아 있는 액체 상태가 공융으로써 응고할 때 주석 주상돌기는 솔더가 217℃로 냉각하는 동안 성장을 계속한다. 녹아내린 솔더의 풀은 초기 주석 주상돌기의 네트워크 내에서 격리될 수 있다. 그래서 그들이 응고할 때 줄어든 부피는 보이드로써 공간을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 보이드는 응고 경계면(solidification front)의 모양을 반영하여 불규칙한 형상을 가진다. 높은 형상비율의 수지상정 간 공간을 차지하기 때문이다. 이들 수축 보이드가 표면을 가로지르면, 그들은 균열과 유사한 수축 공동(空洞) 혹은 수축 구멍 현상이 나타날 수 있다.

가스형 보이드(gas void)는 솔더 내에 갇힌 가스 기포의 결과물이다. 모양과 사이즈 혹은 이들 보이드는 가스의 압력과 용융 솔더의 표면장력 간의 밸런스에 따라 결정된다. 그래서 가스형 보이드들은 일반적으로 부드러운 내부 표면을 지닌 거의 완벽한 구체 모양을 보이는 게 보통이다. 이 규칙에 대한 예외는, 기포가 솔더로 습윤되지 않은 조인트 기판의 한 부분에 부착될 때 그리고 평형 직경이 조인트 갭보다 더 클 때 나타난다.

보이드를 형성하는 가스는 PCB의 구리 도금 중에 갇혀있던 습기의 휘발, 전기도금 도중의 공동-증착(organics co-deposited)된 유기물의 분해 등을 포함한 다양한 원인으로부터 발생할 수 있다. 본고에서 고려한 보이드의 타입은 솔더 페이스트의 플럭스 매체에서 방출된 휘발성 물질(자체 성분에서 직접적으로 나오거나 아니면 활성제와 표면 산화제 간의 플럭스 반응의 결과로써 생성)로부터 발생하는 리플로우 솔더 조인트에서 나타나는 것으로 하였다.

용융된 솔더의 가스 기포는 열역학적으로 불안정한 상태에 놓여 있다. 기포는 솔더 내 여분의 표면을 생성한다. 즉, 시스템의 자유 에너지는 가스가 빠져 나온 경우보다 훨씬 높다는 것을 의미한다. 여분의 자유 에너지는 소형 기포를 희생시키면서 성장하고, 부피 비율 대비 더 작은 면적을 가진 더 커진 기포에 동력을 제공한다. 그러나 이것이 액상을 통한 가스 확산에 의해서만 발생한다면, 프로세스 시간은 매우 느릴 것이다. 기포들이 다른 기포들과 함께 접촉하기 위해 다른 요인이 더해진다면, 유착으로 인해 보다 빠른 성장이 발생할 수 있다. 이러한 접촉의 경우, 더 작아진 기포는 가스/솔더 계면의 영역에서 순 감소를 겪으면서 더 큰 기포에 흡수될 것이다. 솔더 페이스트를 리플로우하는 경우, 솔더 조인트 내 보이드가 상대적으로 적은 수량이면서 커다란 기포 형태로 발생하기에 충분한 움직임이 존재한다.

리플로우를 마치고 용융 솔더가 잠잠해지면, 솔더가 용융되는 시간(TAL, Time Above Liquidus)에 기포를 특정 중요한 거리까지 이동할 수 있는 유일한 힘은 중력이다. 기포에 작용하는 부력은 솔더의 무게와 같다(아르키메데스 법칙). 그 중력은 보이드 제거 요인이며, 이는 국제우주정거장의 무중력과 같은 상태로 보이드가 솔더 조인트 내에 머물러 있음을 의미한다.

부력은 위쪽으로 오직 한 방향으로만 동작하는데, 조인트의 기하학 구조가 위쪽 방향으로 빠져나갈 어떠한 경로도 없게 된다면, 기포는 조인트 내에 갇힌 채로 남아있을 것이다. 이러한 이유 때문에 큰 실리콘 칩과 기판 간의 종횡비율이 큰 조인트 내에서 보이드의 발생이 높은 편이다.

부력으로 인해 기포가 솔더 조인트의 밖으로 빠져나가는 현상을 막는 또 다른 요인은 이미 응고된 솔더가 빠져나오는 경로를 막는 것이다. 응고된 솔더에 의해 갇힌 상태로 가스 기포가 존재할 가능성이 높아지는데, 가스 기포가 리플로우 사이클 이후에 생성될 경우와 TAL을 길게 설정했을 경우에 많이 나타난다. 만약 빠지는 경로가 조인트 기하학적으로 막히지 않았다면, 솔더가 용융되기 시작하는 초기에 방출된 가스는 조인트가 응고화되기 전에 빠져나갈 것이다.

특정 기포의 경우, 함유된 가스의 질량이 고정되어 있다고 가정한다면, 해당 온도에서 기포의 사이즈는 솔더의 표면장력과 대기압에 따라 달라진다. 이러한 상황은 식 (1)에서 보여주는 Young-Laplace 방정식의 수학적으로 표현할 수 있다.

표면장력은 기포가 해당 대기압에 도달할 수 있는 크기를 제한하는 압력과 반대로 움직인다. 그래서 표면장력이 감소된다면, 일정하게 가해지는 오버 압력이 감소될 수 있고, 함유된 휘발성 물질의 해당 질량의 경우에는 기포가 사이즈 내에서 늘어날 수 있다. 실제 생산라인 조건에서, 보이드의 발생정도는 솔더 페이스트의 조성에서부터 자재 보관 및 취급 그리고 최종 리플로우 동안의 조건에 이르기까지 다양한 요인에 의해 달라진다.

완화 전략에서 보이드 최소화를 실현하는 출발점은 솔더 내부에 갇혀 있는 리플로우 프로세스 동안 생성된 가스 기포의 결과물이라는 것이다. 가스는 플럭스 매체의 구성성분에서 직접적으로 나오거나 아니면 활성제와 표면 산화 간의 플럭스 반응의 결과로써 생성된다. 가스 기포가 도달할 수 있는 크기, 솔더의 표면을 뚫고 나올 수 있는 용이성 그리고 누출은 솔더의 표면장력에 영향을 받는다. 그래서 보이드 최소화를 위해 2가지 방법으로 접근하였다;

휘발성 물질의 형성물질은 열중량분석기(TGA)로 추적할 수 있다. 예를 들면, 대기 상에서 50℃/분의 가열 속도에서 온도의 함수로써 2종류의 솔더 페이스트 매체(플럭스 A와 플럭스 B)의 중량 손실을 그림 7에 나타냈다.

표 1에 요약된 결과에서는 리플로우 프로파일 스테이지 동안 플럭스 B의 중량 손실이 플럭스 A의 그것에 비해 2배 이상이었음을 보여주고 있다. 솔더가 용융되었을 그 시간에 가스가 적게 생성되었음이 예상되고, 갇혀 있는 기포에 대한 기회가 줄어들 수밖에 없다.

용융 솔더의 낮은 표면장력은 더 커진 기포를 의미하며, 이는 갇혀 있던 가스가 빠져나갈 수 있도록 용융 솔더의 표면을 교차시키기가 더욱 쉽다는 것을 말하고 있다. 솔더링 프로세스에서, 해당 솔더에 대한 표면장력은 플럭스의 유효성에 의해 크게 좌우되며, 첫 번째의 경우에는 자체 조성에 의해 결정된다.

표면장력 최소화가 목적이면, 그것을 측정하는 방법이 필요할 것이다. 본고의 플럭스 최적화 실험의 경우, 표면장력은 웨팅 밸런스(wetting balance) 이용에 기반을 둔 방법으로 측정하였다. 이 방법은, 유리막대의 비-젖음 표면에 형성된 메니스커스(meniscus)의 크기를 웨팅 밸런스에 의해 기록된 상향력과 막대의 단순 변위로 예상되는 세기(부력)의 차이로 측정한다. 유리막대의 직경을 알고 있다면, 그 세기의 차이로부터 표면장력을 계산할 수 있다.

여기서 D는 막대의 직경이고, γ는 표면장력, θ는 접촉각, ρ는 솔더의 밀도, h는 막대의 침전 깊이 그리고 A는 막대의 종단면적이다. 비-젖음 표면 상에 접촉각이 π 라디안에 도달했을 때, 막대가 더 깊이 침전하는 동안 기록된 유일한 세기 증가는 부력에 의한 결과이다. 부력이 제로 깊이로 되돌아가는 현상을 미루어 추정한다면, πDγ 값은 표면장력을 계산한 데이터로부터 얻을 수 있다.

그림 9에서는 실험 설정을 도식화하여 보여주고 있다. 4mm 유리막대를 240℃에서 0.5mm/s 속도로 20mm 깊이까지 용융된 Sn-0.7Cu-0.05Ni+Ge 솔더 배스에 침전시켰다. 참조 표면장력은 특정 플럭스가 없는 대기 중에서 측정되었다.

플럭스 매체의 영향을 평가하기 위해 세라믹 판 위에 6.5mm 직경 0.2mm 두께로 인쇄된 플럭스 매체 침전물에 막대를 지극히 눌렀고, 이때 일정한 양의 매체가 유리막대의 끝부분에 묻도록 노력했다. 막대를 들어 올릴 때, 0.2mm 두께의 플럭스 레이어가 부착되어 있었다. 그림 10에서 보여준 결과에서는 표면장력의 현저한 감소는 재형성에 의해 이뤄지고 이는 앞서 언급한 보이드 감소에 기여할 것으로 예상된다.

낮은 보이드 플럭스 조성물을 확인하기 위한 몇 가지 테스트를 2가지 유형의 부품을 대상으로 하여 진행했다. 반도체 전력 디바이스를 시연하기 위해, 120㎛ 두께로 솔더페이스트가 인쇄된 전형적인 PCB 기판에 19mmx19mm 동박판을 올렸다(그림 11 참조). 테스트에 사용된 또 다른 부품은 300㎛ SAC305 솔더가 120㎛ 솔더페이스트로 실장된 0.5mm 피치의 CSP132 타입이었다.

솔더 페이스트 합금은 Sn-0.7Cu-0.05Ni+Ge 조성계였으며, 공융동결거동(eutectic freezing behaviour)이라는 추가 이점을 가지고 있으며, 보이드 최소화에도 기여할 수 있다. 리플로우 프로파일은 90초의 227℃ TAL로 구성하였다.

앞서 언급한 보이드 완화 노력의 결과를 그림 14에서 보여주고 있다. 양쪽의 경우, 보이드 <10%와 <5%의 목표를 구현하였다. 게다가, 저 보이드 생성을 위해 조성된 솔더 페이스트의 월등한 성능은 칩 부품을 통해서 확인할 수 있었다. 질소분위기 리플로우의 이점은 솔더 상에서 플럭스가 영향을 미치는 산화의 양을 최소화함으로써 보호 효과에 공헌한다는 것이고, 그래서 더 활발한 플럭스 활동성이 표면장력 감소에 이용할 수 있다는 점이었다.

보이드 완화 첫 번째 단계는 리플로우 프로파일 후반부까지 휘발이 시작되지 않게 하거나 혹은 가스가 생성되도록 분해되는 솔더 페이스트 플럭스 매체 성분의 제거이다. 예열 혹은 리플로우 프로파일의 초반부에 대량으로 증발하는 솔벤트를 이용함으로써 달성할 수 있다. 플럭스 매체 내 다른 성분들(수지, 활성제 그리고 점탄성조절제(thixotropic agent) 그리고 안정제(stabilizer)은 특히, 솔더가 용융되는 프로파일 후반부에 휘발성 물질을 최소한으로 방출하도록 안정적으로 남아있어야 한다. 그러나 리플로우 후반부에서 가스 방출 가능성을 완벽하게 제거하기 불가능하기 때문에(특히, 갇혀 있는 플럭스를 함유하고 있을 수도 있는 비-젖음 영역에 접촉된 보이드에서), 그 대책으로써 응고 시작 전 기포의 빠져나감이 용이하도록 해야만 한다. 보이드 최소화에 효과적일 수 있는 기술들을 결정하기 위해, 기포가 빠져나갈 수 있는 방법과 자체적인 빠짐을 예방할 수 있는 요소들을 고려하는 것이 필요하다.

솔더 조인트 내 보이드를 줄이는 방법은 보이드가 형성되는 방법을 선행적으로 고려함으로써 얻을 수 있다. 솔더 페이스트 조성 보이드의 발생정도를 줄이기 위해서는 다음의 사항을 수행해야 한다:

그러나 보이드 절감을 위한 솔더 페이스트 조성이 완전한 이점을 제공한다고 하더라도, 이는 리플로우 프로파일의 특성에 따라 매우 달라진다. 리플로우 스테이지의 지속 시간은 일반적으로 TAL(Time Above Liquidus)이라고 잘 알려져 있다.

대형 패드 내의 보이드에 미치는 리플로우 프로파일의 영향을 평가하기 위해, 10mmx10mm QFN 부품을 130㎛ 두께의 솔더 페이스트로 인쇄된 전형적인 PCB 기판 위해 실장했다. 2가지 타입의 리플로우 프로파일을 사용했는데, 하나는 짧은 TAL과 낮은 피크온도로 구성하였고, 다른 하나는 긴 TAL과 높은 피크온도로 하였다(그림 16 참조).

플럭스 A 매체가 포함된 Sn-0.7Cu-0.05Ni+Ge 합금의 결과에서는 긴 TAL 및 높은 피크온도 조건에서 보이드 발생정도가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 낮은 프로파일에서 보인 높은 보이드 발생 현상은 열악안 젖음성(기포가 부착될 수 있는 많은 비-젖음 영역이 남아 있을 수 있음)과 TAL 동안 용융된 솔더에서 갇혀 있던 기포가 빠져나가는 시간이 적었기 때문일 것이라고 생각된다. 평균적으로 가장 낮았던 보이드 발생 경우는, 낮은 프로파일과 플럭스 B의 조합에서 이뤄졌다. 플럭스 B는 예열 혹은 리플로우 초반 스테이지에서 휘발성 물질을 최대한 방출하였고, 높은 활성도(기포가 붙을 수 있는 비-젖음 영역의 발생정도를 최소화할 수 있는 월등한 젖음성을 이루기에 충분한 수준)를 보였었다. 높은 프로파일 온도와 플럭스 B의 조합은 보이드 발생비중이 높았았는데, 조인트 기판의 재산화가 발생했을 때 길어진 TAL로 플럭스 활동성이 잠잠해지면서 비-젖음 영역에서의 발생정도가 더 높아졌기 때문이라고 여겨진다.

그림 3에서와 같이 기포에 부착점을 제공할 수 있도록 어떠한 비-젖음 혹은 dewetted 영역이 존재하지 않는 기판의 우수한 젖음성이 필수적이다. BGA 및 솔더 범프와 같은 소형 솔더 조인트의 경우, 용융 솔더의 표면장력이 커서 비-젖음 영역에서 보이드를 떼어낼 정도로 부력이 충분하지 않을 수 있다.

그림 18에서는 소형 솔더 조인트에서 발생할 수 있는 이러한 현상의 예를 보여주고 있다. 비-젖음 영역에 부착된 기포가 플럭스 잔사를 포함하고 있는 모습이다. 확장된 TAL를 이용하면, 플럭스 잔사가 휘발성 물질 계속 생성하므로, 솔더가 용융된 상태에서 보이드가 성장할 것이다.

다음의 결과에서는 리플로우 프로파일에서 플럭스의 휘발성 물질의 기화를 최소화하므로, 작아진 보이드 영역은 더 짧아진 TAL로 달성할 수 있음을 보여주고 있다. RtP(Ramp to Peak)와 ‘RtP + 짧은 TAL 프로파일’의 결과는 예열이 보이드 발생을 줄이는데 효과적인 것으로 나타났다. 이는 리플로우 시작 전에 대량의 휘발성 물질이 빠져나갈 수 있기 때문이다. 따라서 소형 솔더 조인트의 경우, 더 짧아진 TAL과 낮아진 리플로우 피크온도로 설정하였을 때, 비-젖음 영역에 갇혀있던 보이드 내에서 플럭스 성분의 분해를 통해 생성되는 가스의 발생 가능성을 최소화할 수 있다(그림 19 참조).

기포 상에서 작동할 수 있는 유일한 외부 힘은 부력을 이끄는 중력이다. 기포의 크기에 따라 부력의 크기가 늘어나기 때문에, 기포의 크기가 커졌다는 것은 그만큼 빠져나올 확률이 높아진다는 것을 의미한다.

표면장력을 줄이는 것 외에도, 기포 사이즈를 늘릴 수 있는 유일한 방법은 대기압을 감소시키는 것이다. 압력과 부피의 곱이 일정하게 존재하기(보일의 법칙) 때문에, 대기압이 감소하면 일정 온도에서 가스의 부피가 늘어난다. 앞서 설명한 바와 같이, 액체 내의 가스 기포의 경우, 밸런스는 가스/기포 계면의 표면장력을 함축하고 있다. 표면장력의 영향 없이, 일반 대기압 101kPa~10kPa에서 용융 솔더 주변의 압력을 낮추면, 기포 직경이 거의 2배에 달한다는 결과가 나올 것이다. 대기압이 1kPa 줄어들면, 기포 직경은 4배 증가한다. 기포 사이즈 상의 표면장력의 제한 효과로 인해 대기압의 감소는 더 큰 결과를 보인다.

기포 크기가 늘어나면 기포의 내용물이 사라질 가능성이 높아진다는 측면에서 2가지 효과가 존재한다. 단순한 기하학적인 관점에서 보면, 더 커진 기포가 다른 기포와 합쳐져서 더 커지기 쉽다. 그리고 기포가 클수록 솔더의 외부 표면과 접촉하여 빠져 나오기가 쉽다. 부력이 기포 직경의 입방체와 함께 증가하는 솔더의 부피와 관련이 있기 때문에, 기포 제거를 위한 빠른 가속력이 존재한다. 2배의 기포 사이즈는 부피가 8배로 증가하여 부력이 생긴다. 직경을 4배로 늘리면, 부력은 64배로 증가한다.

용융 중인 솔더에 1~10kPa 범주에서 노출 압력을 낮출 수 있는 진공 리플로우 설비는 현재 상업적으로 이용 가능하다. 평가를 위해, 테스트 시료는 1608 및 2125 칩 레지스터와 커패시터로 수행하였다.

표 2의 결과에서는 TAL 동안의 진공 처리가 특히, 대형 열 영역 패드에서 보이드 레벨을 상당히 감소시킬 수 있고, 크고 작은 솔더 조인트 모두에서 보이드 레벨을 최소화할 수 있음을 보여주고 있다. 진공 리플로우 후에 남아있는 대부분의 보이드는 비-젖음 영역에 부착되기 쉽다.

보이드를 완전히 없앨 수는 없지만 보이드 발생 및 완화와 관련된 요소들을 인식하고, 체계적인 접근법을 통해서 최소화할 수는 있다. 본고의 연구 목표는 하부 요인들의 유익한 효과는 목표한 보이드 레벨을 달성하여 입증했다.