| 무연 리플로우, PCB 분해 및 수분 흡수의 영향 |
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| 2026-05 자료출처 : DfR Solutions |
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고온 및 수분에 따른 재료 열화와 정전용량 감소의 상관관계
PTH 및 NFP 유무에 따른 구조적 내구성 차이와 미세 균열 발생 메커니즘
본 연구는 피크 리플로우 온도와 수분 흡수 조건이 PCB의 정전용량 열화에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, 리플로우 온도가 260℃에서 280℃로 상승할 경우 열화 속도가 약 50배 가속화되었으며, 수분 노출은 층간 박리를 유발하고 열화 정도를 심화시켰다. 특히 구조적 설계 측면에서 PTH와 NFP(non-functional pad)의 존재가 미세 균열을 촉진하여 내구성을 저하시킴을 확인하였다. 이는 커패시턴스 측정이 단순 산화가 아닌 재료의 물리적 퇴화를 감지하는 데 유효함을 입증하며, 향후 보드 설계 시 구조적 최적화가 필수적임을 시사한다.
서론
리플로우 및 재작업과 같은 높은 열 노출 시 발생하는 인쇄 회로 기판(PCB)의 균열 및 박리는 전자 산업의 주요 관심사였다. 무연 어셈블리가 낮은 열용량 및 높은 복잡도 산업으로 확산됨에 따라 이러한 현상의 발생 빈도가 늘어났다.
여러 통신 및 기업 OEM(Original Equipment Manufacturer)은 SnPb에서 무연 제품으로 전환하는 과정에서 PCB의 견고성이 가장 중요한 고려 사항이라고 보고했다. PCB 내부의 균열 및 박리는 응집성 또는 점착성으로 발생할 수 있으며, 직조부 내부, 직조부를 따라 또는 구리/에폭시 계면에서 발생할 수 있다(그림 1 참조). 수분 흡수 및 평면 외 팽창과 같은 기타 PCB 재료 특성이 이러한 현상에 미치는 영향에 대해서는 논쟁이 있었다.
이러한 현상의 원인의 복잡성과 불확실성에 관한 하나의 예는 제조업체와 관련된 사례 연구에서 찾아볼 수 있다. 그림 2의 음향용 보드 이미지에서 볼 수 있듯이, CM은 회로 카드 어셈블리(CCA)를 무연 리플로우에 노출시킨 후 광범위한 박리 현상을 겪었다. CCA는 14 × 18인치(35.6 x 45.6cm) 크기에 두께 90mil이었고, 유리전이온도(Tg)가 약 180℃인 라미네이트 소재로 제작되었다. 리플로우 중 균열이나 박리는 과도한 응력에 의한 메커니즘으로, 응력 대 강직도 현상으로 설명할 수 있다. 즉, 환경 응력이 예상보다 높았거나 재료 강도가 예상보다 낮았던 것이다.
리플로우 공정 중 환경적인 스트레스는 온도 프로파일(램프 속도, 최대 온도, 열적 노화 시간(TAL)) 또는 인쇄 회로 기판 스택업(PCB) 내 휘발성 물질의 존재에 의해 결정된다. 리플로우 프로파일은 그림 3에 표시되어 있다. 리플로우 프로파일의 주요 매개변수는 다음을 포함하여 공칭 범위 내에 있었다.
▶ 램프 속도: 초당 2~3℃
▶ 액상선 온도 이상: 45~90초
▶ 최고 온도: 260℃ 미만
휘발성 물질 검사를 위해 주사기를 사용하여 박리 부위에서 화학 물질을 추출했다. 특정 추출 과정에는 용매 세척이 포함되었으며, 생성된 용액은 가스크로마토그래피/질량분석기(GCMS)를 사용하여 분석했다. H₂O나 단량체 화학 물질(monomer chemistry)과 같은 오염 물질은 검출되지 않았다. PCB 박리 후 박리된 계면에 대한 추가 표면 분석(FTIR 및 SEM/EDAX)에서도 오염 화학 물질이나 불충분한 중합 징후는 발견되지 않았다.
또한, 기판 가장자리와 중앙에 각각 하나씩, 두 개의 박리 지점이 존재한다는 점은 리플로우 직전의 수분 흡수가 응력 증가의 원인이라는 것을 배제하는 것으로 보인다. 수분은 PCB의 라우팅 또는 스코어링된 가장자리를 따라 확산되는 경향이 있기 때문이다.
인쇄 기판의 재료 강도 감소는 다음과 같은 여러 요인에 의해 발생할 수 있다.
▶ 최적화되지 않은 에폭시 배합
▶ 최적화되지 않은 유리 표면 처리
▶ 에폭시 경화 전 수분 흡수
▶ 불충분한 에폭시 경화(B 단계)
▶ 표면 오염(구리 또는 에폭시)
▶ 최적화되지 않은 산화물 처리
▶ 최적화되지 않은 적층
강도 저하의 실제 원인은 박리된 표면을 관찰함으로써 파악할 수 있다. 박리된 부위 중 하나는 에폭시와 유리 섬유 사이의 습윤이 충분하지 않다는 증거를 보였지만, 다른 부위에서는 재료 강도 저하의 원인을 찾을 수 없었다.
제어된 보관 조건, PCB 제조와 CCA 제조 사이의 비교적 짧은 시간 등을 포함한 관찰된 박리에서 수분의 영향에 대한 증거는 제한적이었지만, CM은 모든 PCB를 125℃에서 48시간 동안 베이킹한 후 박리 발생이 확실히 감소했다. 앞서 언급한 베이킹 단계에 더하여 최대 리플로우 온도를 245℃로 낮추자 박리가 완전히 제거되었다.
본 사례 연구 및 다른 사례 연구에서 나타난 불일치 또는 상충되는 증거를 고려하여, 습기와 PCB 박리 현상의 영향을 평가하기 위한 보다 통제된 연구가 시작되었다.
시편 설계
표준 및 고급 두 가지 시편 설계를 사용하여 무연 솔더 리플로우가 PCB의 열화에 미치는 영향을 조사했다. 열화는 습도 전처리 및 리플로우 시뮬레이션을 통해 유도되었으며, 정전용량 변화 및 균열 또는 박리 관찰을 통해 특성화되었다.
사용된 PCB는 0.5온스(oz), 1.0온스(oz), 2.0온스(oz)의 다양한 두께로 26레이어의 구리 호일로 구성되었다. 각 층 사이의 유전체는 IT-180 재질에 두께가 3mil, 4mil, 5mil, 14mil로 다양한 유리 섬유(106, 1080, 7628, 2116)를 한두 겹으로 첨가하여 구성되었다. 시편의 총 두께는 150mil이며, 자세한 시편 적층 구조는 그림 4에 나와 있다.
각 시편은 3개의 섹션으로 구성되었으며, 그림 5에서와 같이 총 여섯 개의 테스트 구조가 설계에 포함되었다. PCB의 3개 섹션은 모두 기본적인 차폐-상-차폐 구리 평면 설계로 구성되었지만, 도금 쓰루홀(PTH)과 NFP(non-functional pad)의 함량에서 차이가 있었다. 섹션 1은 구리 평면만으로 구성되어 차폐-상-차폐 정전용량 측정값이 가장 크게 나타났으며, 이 데이터의 명확한 추세를 관찰할 수 있었다.
섹션 2는 모든 층에 구리 평면, PTH 및 NFP를 포함하여 동일한 시편에서 차폐-상-차폐 및 PTH-차폐 추세에 대한 정전용량 측정을 모두 수행할 수 있도록 했다. 마지막으로 섹션 3은 격층마다 구리 평면, PTH 및 NFP를 포함했다. 이 설계는 전도성 양극 필라멘트(CAF) 테스트에 활용될 수 있지만, 아직 해당 데이터는 얻지 못했으며 향후 연구의 초점이 될 것이다.
PCB의 3개의 섹션 외에도 각 시편에는 6개의 테스트 구조가 존재하며, 그 레이아웃은 그림 6에 나타나 있다. 섹션 1에 위치한 테스트 구조 A는 표준 및 고급 시편 모두에서 기본적인 차폐-상-차폐 설계만을 포함하고 있다. 각 PCB의 섹션 2에 위치한 테스트 구조 B와 테스트 구조 C는 시편 유형에 따라 치수가 약간씩 다른 PTH와 내부 평면을 포함하고 있다. 표준 시편의 경우, 패드는 27-mil 직경, 78-mil 피치, 15-mil 드릴 직경 및 ‘드릴+10mil’의 여유 공간(clearance)을 갖는다. 고급 시편 설계는 테스트 구조 B 및 테스트 구조 C와 관련하여 드릴 직경과 여유 공간 파라미터에서만 차이가 있으며, 각각 12 mil과 ‘드릴+7mil’의 값을 갖는다. 시편의 섹션 3에 존재하는 테스트 구조 D, E, F는 내부 평면이 없는 PTH로 구성되어 있다. 표준 시편은 PCB의 세 번째 섹션에서 고급형과 차이가 있는데, 표준형은 40-mil 피치를 가진 반면 고급 보드는 32-mil 피치를 갖는다.
현재 이 PCB 설계는 내부 플레인 간의 정전용량과 PTH와 내부 플레인 사이의 정전용량을 측정할 수 있도록 되어 있으며, 이는 그림 7에 도식화된 방식에 따른 것이다. 표준 시편과 고급 시편에 포함된 테스트 구조는 서로 다른 치수를 가지고 있어서 PTH의 크기가 정전용량 변화와 보드의 물리적 변형으로 나타나는 보드 열화(degradation)에 어떤 영향을 미치는지 조사할 수 있도록 했다.
하지만 이번 실험에서는 몇 가지 한계가 있었다. 테스트 구조 A, B, C는 각각 A1-A2, B1-B2, C1-C2 네트를 통해 모든 레이어가 서로 단락(short)된 상태로 설계되어 있다. 이러한 설계는 모든 레이어 전체에 걸친 정전용량을 하나의 값으로 측정하는 것은 가능하게 하지만, 개별 레이어 간의 정전용량을 각각 측정하는 것은 불가능하게 한다. 따라서 단락, 크랙(cracking), 박리(delamination)와 같은 결함의 존재 여부는 확인할 수 있었지만, 정확히 어느 위치에서 문제가 발생했는지까지는 특정하기 어려웠다.
실험 절차(Experimental Procedure)
사용된 리플로우 오븐은 그림 8에 나타난 벤치탑 모델이다. 오븐의 온도는 컴퓨터 소프트웨어에 표시되는 값의 정확도를 확인하기 위해 외부 열전대(thermocouple)를 사용하여 교정되었다. 리플로우 오븐 내부 온도의 변동성을 제어하기 위해 내부 온도 센서를 시험 대상 PCB에 단단히 고정하여 PCB 표면 온도가 리플로우 사이클의 램프 속도를 결정하도록 하였다. 이 방법은 PCB가 사이클 전반에 걸쳐 목표 온도에 도달하도록 보장하며, 열전대가 매 사이클마다 동일하게 배치되지 않을 경우 발생할 수 있는 변동성을 제거한다.
본 연구에서 오븐은 PCB의 리플로우 사이클을 모사하기 위해 사용되었다. 이를 위해 두 가지 서로 다른 리플로우 프로파일을 만들었으며, 두 프로파일의 차이는 피크 온도뿐이었다. 첫 번째 리플로우 프로파일은 피크 온도 260℃(그림 9 참조)로 구성되었으며, 두 번째 프로파일은 피크 온도 280℃(그림 10 참조)로 하였다.
LCR 모델명 4263B인 정전용량 측정기가 연구 전반에 걸쳐 정전용량 측정값을 얻기 위해 사용되었다. 이 모델은 0.1%의 기본 정확도를 가지며 모든 측정은 100kHz 설정에서 수행되었다. 정전용량 측정기는 작은 정전용량 변화를 측정하기 위한 상대적 정확도를 결정하기 위해 조정되었다. 이를 위해 22pF NPO 세라믹 커패시터가 표준으로 사용되었다. 정전용량 측정기는 Cs 측정에 대해 2% 이내(22pF ±2%로 측정), Cp 측정에 대해 5% 이내(22pF ±5%로 측정)로 정확한 것으로 결정되었다. 이 연구 동안 취해진 모든 정전용량 측정은 Cp가 아닌 Cs 정전용량이었다.
1단계: 피크 리플로우 온도가 열화 속도에 미치는 영향
1단계는 표준 및 고급 보드 모두의 정전용량 측정에 대해 시뮬레이션된 무연 리플로우 사이클링의 효과를 조사하는 두 가지 테스트로 구성되었다. 첫 번째 테스트는 5개의 고급 시편을 260℃의 피크 온도로 30회 리플로우 사이클을 통해 사이클링하는 것을 포함하였다. 이 테스트는 수정되어 반복되었으며, 여기서 5개의 더 많은 고급 시편이 280℃의 피크로 12회 리플로우 사이클을 적용하였다. 테스트 구조 A의 차폐-상-차폐 정전용량은 패키지 밖에서 그리고 각 리플로우 사이클 직후에 측정되었다. 테스트 구조 A가 표준 및 고급 시편 모두에 대해 동일하다는 점과, 이들과 후속 실험들에 대한 모든 정전용량 측정은 실온(26℃ ±2℃)에서 취해졌다는 점을 유의하는 것이 중요하다.
1단계의 두 번째 테스트는 PCB에 존재하는 서로 다른 테스트 구조들에 대한 리플로우 사이클링의 효과를 조사하였다. 이 과정은 5개의 표준 시편을 260℃의 피크 온도로 15회의 리플로우 사이클을 적용하였다. 첫 번째 테스트와 마찬가지로, 차폐-상-차폐 정전용량은 테스트 구조 A, B, C에 대해 패키지 외부 그리고 각 리플로우 사이클 후에 측정되었다. 이에 더하여, 차폐-PTH 정전용량 또한 테스트 구조 B와 C에 대해 패키지 외부 그리고 각 리플로우 사이클 후에 측정되었다. 이것은 표준 및 고급 시편 모두에 존재하는 서로 다른 테스트 구조들의 충실도(fidelity)에 대한 온도 사이클링의 효과에 대한 관찰을 허용하였다.
2단계: 수분 흡수가 열화 속도에 미치는 영향
2단계는 서로 다른 테스트 시편들의 수분 민감도를 테스트하였다. 실험 조건(MSL 1, MSL 2, MSL 2a) 당 세 개의 보드가 사용되었으며, 이들은 그림 11에 개설된 것처럼 예비 베이킹 시간, 상대 습도, 온도 및 노출 길이에 따라 달랐다. 이 프로파일들은 J-STD-020C에 규정된 표준들에 기반하였다. 모든 보드는 처음에 125℃에서 건조되었고 습도 테스트가 시작되기 전 예비 베이킹으로부터 제거된 후 15분이 허용되었다.
세 개의 보드들이 각각의 서로 다른 수분 민감도 프로파일들을 통해 사이클링되었고, 그 후 무게 증가와 차폐-상-차폐 정전용량이 테스트 구조 A에서 측정되었다. 추가적으로, MSL 2a 프로파일을 적용한 보드들은 테스트 구조 B와 C에 대해 얻어진 PTH-차폐 정전용량뿐만 아니라 차폐-상-차폐 정전용량을 가졌다.
결과 (1단계-테스트 1): 피크 리플로우 온도가 테스트 구조 A의 열화 속도에 미치는 영향
데이터에서는 260℃ 프로파일을 적용한 기판에서 리플로우 사이클 횟수가 증가함에 따라 차폐-상-차폐 정전용량이 꾸준히 감소하는 것을 보여준다(그림 12 참조). 정전용량 측정값이 급격히 떨어지기(dropped-off) 시작하는 특정 리플로우 횟수는 확인되지 않았지만, 데이터의 추세는 리플로우 사이클이 증가할수록 이러한 감소가 계속될 것임을 시사한다.
리플로우 사이클의 최고 온도를 280℃로 높였을 때도 비슷한 경향이 관찰되었지만, 성능 저하는 약 50배 더 ??빠르게 진행되었다(그림 13). 이는 첫 번째 프로파일에서 30회의 리플로우 사이클이 필요했던 것과 유사한 정전용량 감소를 두 번째 프로파일에서는 단 12~13회의 리플로우 사이클만으로도 얻을 수 있다는 사실에서 확인할 수 있다. 280℃ 프로파일의 정규화된 정전용량은 4회의 리플로우 후 평균 약 0.5%의 현저한 감소를 보였고, 이후 리플로우 사이클이 추가될 때마다 점진적으로 감소했다. 1단계의 두 테스트에서 얻은 데이터는 이 두 변수 사이에 역의 관계가 존재하며, 테스트 범위 내에서 최고 리플로우 온도가 증가함에 따라 유사한 용량 감소를 유발하는 데 필요한 리플로우 횟수가 감소함을 의미한다.
결과 (1단계 - 테스트 2): 최고 리플로우 온도가 테스트 구조 A, B, C에 미치는 영향
본 연구에서는 반복적인 리플로우가 테스트 구조 A, B, C 사이의 차폐-상-차폐 정전용량에 미치는 영향을 조사했다. 또한 테스트 구조 B와 C의 차폐-PTH 정전용량 측정 데이터도 수집했다. 이를 통해 동일한 보드 상의 여러 테스트 구조에서 차폐-상-차폐 정전용량 변화와 차폐-PTH 정전용량 변화를 비교할 수 있었다. 또한 테스트 구조 B와 C에서 이러한 파라미터를 측정함으로써 동일한 테스트 구조에서 차폐-상-차폐 정전용량과 차폐-PTH 정전용량 측정값을 분석하고 비교할 수 있었다.
얻어진 결과는 그림 14에서 볼 수 있듯이 서로 다른 시험 구조물이 각기 다른 속도로 열화됨을 보여주었다. 이 결과에서 시험 구조물 B가 가장 많이 열화되었고, 그 다음으로 시험 구조물 A, 그리고 시험 구조물 C 순으로 열화 정도가 낮았다. 시험 구조물 B의 평균 열화 속도는 시험 구조물 A의 약 5배였고, 시험 구조물 C의 열화 속도는 시험 구조물 A의 약 3배였다. 이는 시험 구조물 설계상의 내재적인 차이로 인해 열화 속도가 다르게 나타났음을 시사한다.
차폐-PTH 정전용량의 전체적인 변화(그림 15)는 모든 테스트 구조에서 차폐-상-차폐 정전용량 변화(그림 14)보다 훨씬 컸다. 단 한 번의 리플로우 사이클 후, PTH-차폐 네트에서 관찰된 열화는 15번의 리플로우 사이클 후 차폐-상-차폐 정전용량 네트에서 관찰된 열화와 유사했다. 또한, PTH-차폐 정전용량은 4번의 리플로우 후 가장 급격하게 감소했으며, 리플로우 사이클 횟수가 증가함에 따라 지속적으로 감소했다. 차폐-PTH 정전용량 변화 데이터는 차폐-상-차폐 데이터에 비해 훨씬 더 큰 변동성을 보였으며, 한 보드에서는 모든 PTH-차폐 네트에서 정전용량 감소 폭이 다른 보드들에 비해 훨씬 컸다.
결과 (2단계): 수분 흡수 결과
수분 흡수율은 PCB의 무게 증가율(%)로 측정했다. 이 데이터를 이용하여 반복적인 리플로우 후 테스트 시편의 정전용량에 대한 수분 흡수 증가의 영향을 측정했다. 또한, 어떤 파라미터가 가장 많은 수분 흡수를 유발하는지 관찰하기 위해 다양한 수분 민감도 프로파일을 사용했다. 그림 16에서 볼 수 있듯이, 수분 민감도 프로파일의 상대 습도 또는 온도가 증가함에 따라 PCB의 무게 증가율도 늘어났다. 이는 MSL 1 프로파일을 적용한 PCB의 무게 증가율이 세 가지 프로파일 중 가장 높았다는 점에서 분명하게 나타난다. MSL 2 프로파일은 MSL 2a 프로파일에 비해 무게 증가율이 더 높았는데, 이 프로파일들은 수분 민감도 프로파일의 온도만 다르기 때문에 온도 증가만으로도 더 많은 수분 흡수를 얻을 수 있음을 보여준다. 세 가지 조건 중 어느 조건에 적용하더라도 PCB는 모두 동일한 거동을 보였다. 노출 시간과 무게 증가율 사이에는 선형 관계가 있었지만, 그림 16에서 볼 수 있듯이 PCB가 포화됨에 따라 이러한 관계는 평탄해지기 시작했다. 그림 16을 보면 PCB의 포화는 약 8시간 후에 시작되었음을 알 수 있다. 무게 증가율을 시간(시간)의 제곱에 대해 나타내면 그림 17에서와 같이 선형 관계가 나타난다. 이는 무게 증가율이 시간(시간)의 제곱에 비례함을 보여준다.
결과 (2단계): 수분 민감도 및 정전용량 결과
세 가지 수분 민감도 프로파일 모두 모든 PCB에서 유사한 정전용량 변화를 보였지만, 개별 테스트 구조 간의 변화를 비교했을 때는 차이가 존재했다. 차폐층 위에 차폐층만 포함된 시편 부분의 정전용량 측정값은 수분 흡수에 따른 변화가 가장 작았다. 이러한 관계는 테스트 구조 A의 데이터를 통해 확인할 수 있는데, 약 0.15%의 무게 증가까지는 정전용량에 큰 변화가 없었기 때문이다.
하지만 이 지점 이후에는 데이터가 선형화되는 것처럼 보였고, 수분 흡수율이 증가함에 따라 정전용량 측정값도 증가했다(그림 18). 테스트 구조 B와 C의 차폐-상-차폐 커패시터의 경우, 정전용량은 수분 흡수율 증가에 따라 더 크게 증가했다. 이는 그림 19에서 확인할 수 있는데, 네트 B1-B2 및 C1-C2의 정전용량 측정 그래프 두 개가 시험 구조 A에 비해 0.20% 수분 흡수에서 훨씬 더 큰 변화를 보이는 것을 나타낸다. PTH-차폐 결과는 훨씬 더 변동성이 컸으며, 수분 흡수율에 비례하여 정전용량의 변화가 더 크게 나타나는 것은 분명하지만, 이러한 시험 구조에 대해서는 명확한 추세가 나타나지 않았다(그림 19).
1단계에서 측정된 정규화된 정전용량 변화는 2단계에서 다양한 습도 프로파일에 노출된 기판의 정전용량 변화에 비해 현저히 적었다. 이는 리플로우 사이클 횟수가 더 적은 경우에도 마찬가지였다. 이 데이터 하위 집합 내에서도 이전에 관찰된 다양한 테스트 구조에 대한 동일한 경향이 나타났다. 테스트 구조 A는 정전용량 측정값의 변화가 가장 작았고, 테스트 구조 B는 가장 컸다. 이는 PTH(Public Transistor)의 존재가 열화 속도를 증가시키고, 차폐된 PTH가 차폐되지 않은 PTH보다 일관적으로 성능이 저하됨을 의미한다.
또한 이 데이터는 PCB가 노출된 습도 민감도 프로파일의 차이로 인해 정전용량 변화에 차이가 있음을 보여준다. 60℃/60%RH 프로파일은 측정된 열화 정도가 가장 작았으며, 온도와 습도 값이 가장 낮은 프로파일이기도 했다. 온도가 높은 프로파일은 리플로우 테스트를 거치기 전에 더 많은 수분을 흡수하고 정전용량 증가폭을 더 크게 만들었다. 그러나 이 데이터를 정규화했을 때, PCB는 반복적인 리플로우 후 정전용량이 더 크게 감소하는 것으로 나타났다(그림 21). 모든 조건에서 PTH-차폐 정전용량 측정값은 차폐-상-차폐 정전용량 측정값보다 더 빠르게 열화되었다(그림 20). 차폐-PTH 정전용량 테스트에서도 동일한 습도 민감도 프로파일 경향이 관찰되었으며, MSL 2a 프로파일이 다른 두 프로파일에 비해 열화가 가장 적게 나타났다. 이러한 데이터는 PTH가 존재할 경우 프로파일의 온도가 발생하는 열화 정도에 더 큰 영향을 미친다는 것을 나타낸다.
결과: 박리 현상
습기 노출 및 반복적인 리플로우로 인해 발생한 정전용량 변화 외에도, 박리는 PCB 열화의 가시적인 증거로 나타났다(그림 22). 박리는 특징이 없는 영역에서만 관찰되었으며(그림 23 참조), 습기 민감도 프로파일 MSL 1에 노출된 PCB에서만 박리 현상이 확인되었다.
이 프로파일은 최고 온도와 최고 상대 습도를 모두 포함하고 있어 PCB의 무게 증가율이 가장 높았다. MSL 2 또는 MSL 2a 프로파일이나 1단계의 ‘건조 샘플’에서는 눈에 띄는 박리가 발생하지 않았는데, 이는 수분 함량 증가가 이러한 PCB에서 박리 과정을 촉진한다는 것을 보여준다.
논의
제시된 데이터를 바탕으로 볼 때, 테스트 구조 유형과 열화 속도 사이에는 가변적인 관계가 있는 것으로 보인다.
PCB에서 관찰된 열화의 한 가지 원인은 미세 균열일 수 있으며, 만약 그렇다면 서로 다른 PCB 구조가 기판 열화 속도에 영향을 미치는 것으로 보인다. 테스트 구조 A는 PTH가 없으며 모든 실험에서 다른 모든 테스트 구조에 비해 열화가 가장 적게 발생한 것으로 보아, PTH의 존재가 미세 균열 발생을 악화시키는 것으로 추정된다. 또한 테스트 구조 B가 테스트 구조 C보다 더 빠르게 열화된 것은 NFP(non-functional pad)의 존재가 미세 균열 발생을 촉진한다는 것을 시사한다.
차폐-PTH 정전용량 변화 데이터는 매우 가변적이었으며, 한 기판에서는 모든 차폐-PTH 네트에서 정전용량 측정값이 크게 감소한 것으로 나타났다. 이러한 현상은 표면적으로는 서로 독립적인 구조인 테스트 구조 B와 C 모두에서 관찰되었다. 이러한 비정상적인 결과에 대한 몇 가지 가능한 설명이 있다. 예를 들어, 정전용량 측정이 고온에서 수행되었거나, 차폐-PTH 단락이 발생했거나, 광범위한 미세 균열로 인해 열화가 가속화되었을 수 있다. 하지만 이러한 설명들을 고려하더라도 이 결과를 완전히 설명할 수는 없다. 정전용량 측정이 고온에서 수행되었거나 광범위한 미세 균열이 발생했다면, 차폐-상-차폐 측정에도 영향을 미쳤을 것이지만, 실제로는 그렇지 않았다. 또한 PCB에서 단락이 발생하여 테스트 구조 B와 C 모두에 동시에 영향을 미치는 경우도 드물 것이다. 따라서 현재로서는 차폐-PTH 측정 결과가 명확하지 않으며, 결론을 내리기 전에 더 많은 데이터를 확보해야 한다. 현재로서는 PTH의 존재가 열화 속도를 훨씬 빠르게 한다는 결론만 내릴 수 있다.
데이터 분석 결과, 85℃/60%RH 조건에서 가장 많은 수분 흡수가 나타났지만, 정확한 원인은 아직 밝혀지지 않았다. 또한, PTH가 있는 테스트 구조는 주어진 수분 흡수량에 대해 정전용량 증가율이 더 큰 것으로 관찰되었다. 이러한 차이는 PTH를 생성하기 위한 드릴링 과정에서 발생하는 손상 때문일 수 있으며, 이로 인해 미세한 균열이나 박리가 발생하여 수분 흡수가 촉진되었을 가능성이 있다. 만약 그렇다면, 이는 PTH 자체의 존재가 아니라 PTH 생성 조립 공정이 관찰된 열화 속도 증가의 원인임을 의미한다.
차폐-PTH 정전용량과 수분 흡수량 사이의 관계는 명확한 경향성을 보이지 않았다. 그러나 동일한 수분 노출 수준에서 이 데이터를 비교했을 때 테스트 구조 B와 C 사이에는 분명한 차이가 있었다. 테스트 구조 B는 일반적으로 정전용량 증가율이 더 크고, 반복적인 리플로우 후 정전용량 감소율이 더 큰 것으로 나타났다. 또한, 수분에 노출된 기판은 수분에 노출되지 않은 기판에 비해 리플로우 사이클링 동안 열화 속도가 훨씬 빨랐다. 이는 1단계 데이터와 2단계 샘플 비교를 통해 뒷받침된다. 1단계에서는 테스트 구조 A의 정전용량이 15회 리플로우 후 약 1% 감소한 반면, 2단계 샘플에서는 약 3회 리플로우 후 정전용량이 유사하게 감소했다. 이러한 경향은 모든 차폐-상-차폐 및 차폐-PTH 네트에서도 관찰되었다. 이러한 실험 결과는 각 리플로우 후 발생하는 정전용량 변화가 산화로 인한 저항 증가가 아닌 재료 열화 때문이라는 결론을 뒷받침한다. 그러나 이를 더욱 확실히 입증하기 위해서는 다음 테스트 단계에서 ESR 측정을 통해 접촉 저항을 정량화해야 한다. 또한, NFP의 존재로 인해 테스트 구조 B와 C 간의 열화 속도 차이가 나타나는 점도 매우 흥미롭다. 이러한 차이는 향후 보드 설계에서 클리어런스 및 패드 치수에 초점을 맞춰 추가적으로 분석해야 한다. 전반적으로 본 연구는 열과 습기 노출이 다양한 PCB의 열화에 미치는 영향을 규명하는 데 성공했으며, 이 공정에 대한 몇 가지 질문에 답을 제시하는 동시에 향후 연구를 위한 새로운 질문들을 제기했다.
결론
각 리플로우 후 정전용량의 측정 가능한 변화가 기록되었다. 서로 다른 테스트 구조와 MSL 노출 간의 구별은 이 접근 방식이 산화로 인한 접촉 패드의 저항 증가가 아닌 재료 열화를 포착한다는 것을 강력하게 시사한다. 그러나 접촉 저항은 다음 테스트 단계에서 ESR 측정을 통해 정량화해야 한다. 테스트 구조 B와 C 사이의 차폐층 위 차폐층 정전용량의 큰 차이는 NFP의 존재로 인해 발생하며 매우 흥미롭고 추가적인 특성 분석이 필요하다. |
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