우수한 솔더링 성능 확보 위한 여러 인자들 소개 
표면 마감재에서부터 리플로우 파라미터까지 연구

모바일 제품군이 더욱 소형화, 경량화, 고속화되고 있는 상황에서, 최근에는 다기능화가 다른 무엇보다 가장 중요한 사항이 되었다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 모바일 제품군들에 점점 더 미세한 피치(피치<0.4mm 또는 16mils)의 CSP가 사용되고 있다. 미세 피치는 짧은 단자, 낮은 기계적 강도 그리고 낮은 신뢰성을 함축하고 있다. 휴대전화는 고온/저온, 습기, 화학 물질과 같은 다양한 주변 환경에 노출되어 있는데, 이러한 외부환경들이 휴대전화의 안정성에 큰 영향을 미친다. 약한 솔더 접합성으로 인한 불량 문제는 지난 몇 년 동안 휴대전화 산업계에 막대한 손실을 끼쳤다. 따라서 설계 및 제조 단계에서 높은 신뢰성을 고려해 작업을 수행해야 한다. 예를 들어, 패드 설계 고려사항, 표면 마감재 선정, 공정 최적화 등이 바로 그것이다.
 

개요

오늘날의 소비재 전자제품은 소형화, 이동성 그리고 경량화를 향해 빠르게 진화하고 있다. 대표적인 제품군은 모바일 디바이스이다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 부품의 사이즈도 줄어들고 있다. 향후 파인피치 CSP(0.4mm) 부품의 수요는 더 강해질 것으로 예상된다. 그러나 전자기기의 신뢰성 관점에서 본 파인피치 CSP는 하나의 큰 시험대라고 할 수 있다. 첫째, 파인피치 CSP는 0.25mm 직경 이하의 작은 솔더볼을 사용한다. 작은 솔더 볼과 패드 크기는 솔더 접합뿐만 아니라 패드와 기판의 접착력을 약화시켜 패드가 PCB 기판에서 쉽게 떨어질 수 있다. 또한, 소형 솔더 조인트는 기계적 진동, 열충격, 피로 파괴(fatigue failure) 등의 강도를 감소시킨다. 둘째, 스텐실 오프닝(opening)이 0.25mm 이하이므로 작은 CSP의 패드에 충분한 양의 솔더페이스트를 균일하게 침전시키기가 어렵다. 이 문제는 electroform 스텐실과 같은 하이엔드 제품을 사용하여 해결할 수 있으나, 비용 증가는 필연적이다.
본 고에서는 하부의 내용에 초점을 두고 분석하였다.
▶ 서로 다른 SMD 또는 NSMD 패드의 신뢰성 성능.
▶ 높은 접착 강도를 가진 더 커진 패드 크기
▶ IMC 두께 분석 및 결과(Ni 크랙 혹은 두꺼운 IMC)
▶ 진공 지지대를 이용하여 패드 상의 솔더페이스트 침전 개선
▶ 최적화된 리플로우 프로파일 및 신뢰성 있는 솔더 조인트  관계

소개

모바일 제품군이 더욱 소형화, 경량화, 고속화되고 있는 상황에서, 최근에는 다기능화가 다른 무엇보다 가장 중요한 사항이 되었다. 이러한 요구를 충족시키기 위해 모바일 제품군들에 점점 더 미세한 피치(피치<0.4mm 또는 16mils)의 CSP가 사용되고 있다. 미세 피치는 짧은 단자, 낮은 기계적 강도 그리고 낮은 신뢰성을 함축하고 있다. 휴대전화는 고온/저온, 습기, 화학 물질과 같은 다양한 주변 환경에 노출되어 있는데, 이러한 외부환경들이 휴대전화의 안정성에 큰 영향을 미친다. 약한 솔더 접합성으로 인한 불량 문제는 지난 몇 년 동안 휴대전화 산업계에 막대한 손실을 끼쳤다. 따라서 설계 및 제조 단계에서 높은 신뢰성을 고려해 작업을 수행해야 한다. 예를 들어, 패드 설계 고려사항, 표면 마감재 선정, 공정 최적화 등이 바로 그것이다.
업계의 여러 전문가들은 많은 연구활동을 완료하였고 불량 및 신뢰성 분석에 대한 중요한 업적을 발표하였다. 본고는 업계 전문가의 발표자료와 저자의 경험을 바탕으로 작성했다. 패드 설계, 표면 마감재, 스텐실 설계, 언더필 고려사항, 픽스쳐 설계 및 리플로우 프로파일 고려사항을 기반으로 하여 파인피치 CSP 솔더 조인트의 신뢰성 향상 방법을 설명한다. 대량 생산 시스템에 적용하기 전에 중요한 인자들은 고려되고 최적화해야만 한다.

패드 디자인

CSP 패키지용으로 솔더 랜드를 2가지 유형(SMD(Solder Mask Defined), NSMD(Non-solder Mask Defined))으로 디자인하였다. SMD 랜드는 동박 랜드 상에 중첩된(overlapping) 솔더 마스크를 가지고 있다(그림 1). NSMD 랜드는 동박 랜드 주위에 솔더 마스크 클리어런스의 존재로 정의된 구리이다(그림 2). 두 종류의 랜드 설계에는 각각 장단점이 있다.

SMD 랜드는 중첩된 솔더 마스크 때문에 NSMD와 같이 동일한 직경의 솔더 가능한 랜드를 얻기 위해서는 더 큰 직경의 금속 랜드가 필요하다; 금속 랜드는 NSMD 이상으로 기판 상에 고착할 수 있다; 두 번째로, SMD의 솔더 조인트는 더 높은 스탠드오프와 더 나은 신뢰성을 갖는다. 그러나 솔더가 솔더 마스크에 젖어들지 않을 수 있기 때문에 NSMD 랜드(그림 3 참조)와 비교해 피로 수명(fatigue life)을 단축하는 솔더 마스크 오프닝(opening) 가장자리에서 높은 응력이 생성되어 솔더 조인트의 형상에 영향을 미칠 것이다.
NSMD는 더 작은 직경의 동박 랜드가 필요하다; 솔더 랜드 주변에 솔더 마스크가 없어서 특정 영역의 응력 집중화 현상을 방지하여 솔더가 랜드의 가장자리 주변으로 흐르는 것을 가능하게 한다. 이는 솔더 조인트를 더 넓게 만들고, 잠재적으로 더 긴 피로 수명(fatigue life)을 준다. 반면에, 넓어진 솔더 조인트는 스탠드오프 높이가 낮을 것이고, 아마도 솔더 조인트 신뢰성을 낮출 것이다. 두 번째로, 기판에 부착되는 더 좁아진 동박 영역은 rework 동안 보드 랜드가 쉽게 떼어질 것이다.

랜드 내 비아는 일반적으로 권장되지 않는다. 현재, 마이크로-비아는 CSP 랜드 설계에서 더욱 보편화되기 시작했다. 대부분의 CSP 솔더 조인트는 패드 상에 마이크로-비아가 존재할 때마다 보이드를 내포하고 있다(그림 5 참조). 솔더 조인트 신뢰성에 있어서 커다란 위험군이다.
연구 결과에 따르면, 대부분의 보이드가 크랙을 유발하는 신뢰성 위험군은 아니지만 크랙이 확장될 대 조인트 영역이 감소하고 단기간에 불량을 유발한다. 따라서 패드로부터 먼 위치에 비아를 배치시키는 것을 권장한다(그림 6 참조).

패드 설계 결론 
1. NSMD 설계는 동일한 SMD 패드보다 더 높은 신뢰성의  솔더 조인트 접합성을 보여주었다.
2. 0.8mm 피치 이하의 CSP 및 높은 기계 응력에 노출된 부분 에서는 SMD를 사용해야 한다. 패드가 눌러져서 기계적 충 격이나 rework 작업 중 패드의 들어 올림현상을 방지하는 데 도움을 주기 때문이다.
3. 언더필 rework 작업이 필요하다면, 높은 rework 수율을 위 해서 SMD 사용을 권장한다.
4. 보이드를 피하기 위해 비아들은 패드 밖으로 배치되어야  한다.

표면 마감재 선정

PCB 랜드의 표면 마감재 선정은 CSP 솔더 접합 신뢰성에 중대한 역할을 차지하고 있다. 표면 처리의 목적은 납땜성 보호, 접점/스위치를 위한 전도성 표면 확보, 와이어 본딩 표면 및 솔더 조인트 계면을 위한 것이다. 가장 일반적으로 사용되는 표면 처리로는 HASL(Hot Air Solder Leveling), OSP(Organic Surface Protection), I-Sn(Immersion Tin), ENIG(Electroless Nickel/Immersion Gold), electrolytic nickel/electroplated Au 및 I-Ag(Immersion Silver) 등이 있다.
HASL(그림 7 참조)의 경우, PCB 상의 표면 마감재의 두께가 패드 위치에 따라 변하기 때문에 고르지 않은 표면은 파인피치 부품 어셈블리에 권장되지 않는다.

ENIG의 경우(그림 8 참조), 0.05~0.15um의 immersion Au 박막이 무전해 니켈 상단에 도금되었으며, 니켈 도금의 두께는 2.54~8um이다. 표면이 평탄하며 보존기간이 길며, 습윤성이 우수하다. 그러나 CSP 부품에 있어서 가장 큰 위험요소는 잠재적인 흑색 패드 및 취성 조인트(brittle joint) 문제이다. Au 층 아래의 니켈 표면은 immersion Au 도중에 영향을 받는 경향이 있다. 최근 2개의 불량 모드가 발견되었다. 첫 번째 불량 모드는 ‘블랙 패드’라 불리는 비-습윤 또는 비-습윤 조건이었다. 두 번째 불량 모드는 기계적 응력과 연관된 계면 파괴이다. 이는 영향을 받은 솔더 조인트가 PWB와 견고한 기계적인 접합을 형성할 수 없기 때문이다. 결과적으로 솔더 조인트는 솔더가 적거나 혹은 거의 남아 있지 않은 랜드가 노출되어서 상대적으로 작은 힘에도 파손된다. 랜드 상에 노출된 니켈 표면은 회색에서 검은색까지 다양하고 매끄러운 형상을 보였다(그림 9 참조).

취성 조인트(brittle joint) 혹은 ENIG의 취성 파괴(brittle failure)는 IMC와 Ni 레이어 간의 약한 접합 및 IMC 자체의 취성으로 인해 유발되었다(그림 10 참조). 취성 파괴(brittle failure)는 Ni-Cu-Sn계의 IMC 또는 IMC와 Ni 레이어 간의 계면에서 발생한다. IMC의 Young`s modulus 데이터는 재료의 상대적인 취성을 나타내고 있다(그림 11 참조). 수치가 높을수록 IMC의 취성이 더 강해진다.

OSP(그림 12 참조), OSP는 동박 위에 유기 코팅이 직접적으로 붙어 있는 0.1~0.4um의 얇은 층을 형성한다. OSP는 파인피치 CSP 어셈블리에 사용할 수 있는 평평한 표면을 제공한다. 기계적 신뢰성이 우수하며(그림 11 참조) CSP, BGA 및 LGA 타입 부품에 권장된다. OSP는 블랙 패드 또는 취성 조인트(brittle joint) 문제에서 자유롭지만, OSP 표면 처리 상에서 솔더의 IMC 성장속도가 ENIG의 경우보다 높다. IMC의 과도한 성장은 잠재적으로 취성 파괴(brittle failure)를 촉진하고, 솔더 조인트 강도를 약화시켜 장기적인 신뢰성에 영향을 미친다. OSP 패드는 열시효(thermal aging) 이후에 더 많은 취성 파괴(brittle failure)가 나타날 수도 있고, 훨씬 낮은 솔더 볼 부착 강도를 가질 수도 있다(그림 13 참조).

SENIG(selective ENIG(그림 15 참조))를 활용한 OSP는 ENIG와 OSP에서 최고의 장점만을 얻기 위한 선택적인 프로세스이다. OSP는 납땜이 필요한 패드에 표면 처리하고, ENIG 표면 처리는 키패드, 스프링 커넥터 그리고 열가소성/이방전도성 접착제에 사용되는 PCB 패드의 나머지 부분에 한다.

얇은 1~1.5um 두께의 immersion tin인 I-Sn(그림 16 참조)은 동박 패드의 상단에 도금되며, 솔더 조인트가 동박 패드에 직접 접촉되기 때문에 NiSn 금속간 층에 비해 적은 취성 CuSu 금속간 층을 가지고 있다.
평평한 표면은 파인피치 CSP 어셈블리에 좋으며, ENIG와 비교할 때 비용 효율적이다. 그러나 immersion tin으로 처리된 보드는 보관 수명 및 가열주기가 제한적이다. 주석 휘스커는 코팅에서 발생하는 잔류 응력 때문에 신뢰성에 영향을 미치는 또 다른 문제이다(그림 17 참조).

전해 니켈/금의 경우, 0.15~0.75um 두께의 박막 전해 금이 전해 니켈 상부에 도금되며, 니켈 도금 두께는 약 3~5um이다. 이 프로세스는 ENIG 프로세스보다 많은 비용이 든다. 이 공정의 장점은 블랙 패드 문제가 없고 전기-기계적 접촉이 우수하다는 점이다. 그러나 금 두께를 제어하기가 어렵다. 이 도금 프로세스를 충족시키기 위해서 특수한 디자인이 고려되어야만 하는데, CSP가 올려지는 HDI PCB에서는 매우 어렵다.

I-Ag(그림 18 참조)는 동박 패드 상부에 도금되는 0.1-0.4um 두께의 박막 immersion silver이다. NiSn 금속간 화합물 층과 비교하여 어떠한 취성 금속간 층이 발생하지 않았다. 이는 솔더 조인트가 동박 패드에 직접 접촉되기 때문이다. 평평한 표면은 파인피치 CSP 어셈블리에 적합하며 ENIG와 비교하여 비용면에서 효율적이다. 그러나 특별한 취급이 필요하다. 도금 화학재, 프로세스 제어 및 두께가 중요하다. 부식, 기계적 내구성 및 보이드에 대한 우려가 있다(그림 19 참조).

언더필
언더필은 일반적으로 칩의 열팽창계수(CTE)와 유기 다층 보드의 열팽창계수(CTE)(그림 20 참조)의 불일치를 보정하기 위한 수단이다. CSP 언더필의 주요 목적은 낙하 시험 또는 키패드 압력에서 유발되는 기계적 응력을 극복하기 위해서이다. 언더필 밀봉재(encapsulant)는 휴대용 디바이스의 충격, 낙하 및 진동으로부터 발생하는 솔더 조인트의 기계적 응력에 대한 우수한 솔루션을 제공한다(그림 21 참조). 오늘날의 전자기기의 트렌드는 CSP에 언더필을 적용하는 것이다. 특히, 전장 및 군용 전자기기의 낙하로 인해 기계적 응력이 유발될 수도 있는 휴대형 제품군에 사용되는 CSP에 적용하고 있다. 이들 제품군들은 수년간 진동 및 심각한 외부 충격에서도 제대로 작동될 수 있도록 요구되고 있다.

 
도전 과제 
2가지 유형의 불량 모드가 CSP 부품의 언더필 도중에 발생한다(그림 22 참조). 첫 번째, 언더필 재료가 부품의 바닥면을 완전하게 덮지 못하는 ‘커버리지’ 문제는 점성과 불규칙한 볼 레이아웃으로 인해 발생한다. 또 다른 문제는 ‘비경화(non-cured)’ 문제이다. 부품의 중심부에 있는 언더필 재료가 리플로우 프로세스 중에 경화되지 않는 현상이 발생하는데, 이는 플럭스 잔사가 에폭시 접착제와 호환되지 않기 때문이다. 이들 문제들은 디스펜싱 경로와 경화 프로파일 최적화를 통해 해결될 수 있다.

솔더 페이스트 프린팅
진공 지지대 블록 적용과 균등한 형태의 솔더 조인트는 접합부의 피로 수명을 늘릴 수 있다. 보드 패드에 증착된 일정하고 균일한 솔더 체적은 우수한 솔더 조인트를 보장한다. 솔더페이스트 인쇄에 영향을 미치는 요인에는 스텐실 개구, 솔더페이스트 점성, 프린팅 파라미터 그리고 PCB 지지대 툴이 포함된다. 일반적으로 Type 4 솔더페이스트가 파인피치 CSP 어셈블리에 사용되고 있다. 프로세스와 관련된 인자들이 최적화되어야만 하며, 스텐실 개구 및 지지대 툴들도 포함시켜야 한다. 진공 지지대 블록은 보드 패드에 더 좋은 솔더페이스트 인쇄 체적을 얻을 수 있도록 지원해준다. 전통적인 솔더페이스트 프린팅 공정의 경우, 지지대 핀 또는 지지대 블록이 사용되고 있는데(그림 23 참조), 스텐실 분리 중에 PCB가 약간 휘어지는 현상이 나타난다.

이것은 페이스트 프린팅 성능을 저하시킬 것이며, 우수한 솔더페이스트 인쇄 구현을 가로막을 수도 있다. 진공 지지대 블록은 우수한 솔더페이스트 인쇄 체적을 얻는데 도움을 주는데, 진공 섹션이 블록 위의 PCB 전체를 더욱 단단하게 고정시키기 때문이다(그림 24 참조). DOE(Design of experiments)는 0.4mm 피치의 CSP에서 수행되었으며 그 결과, 진공과 비-진공 지지대 방식을 적용한 경우와 그렇지 않은 경우에 상당한 차이가 있음을 보여주고 있다(그림 25 참조). 솔더페이스트 인쇄 중 평평한 PCB가 균일한 프린팅 결과를 가져온다는 점을 명심해야 한다.

스텐실 디자인

스텐실 두께와 개구 크기가 페이스트 체적을 결정하므로, 파인피치 CSP에서는 매우 중요한 요인들이다. 0.4mm 피치의 CSP 경우, 사각형과 원형의 개구 모양 간의 큰 차이가 없었지만, 모서리가 둥근 0.25mm의 사각형 개구 형상을 더 권장한다. 패드 위에 더 많은 솔더페이스트가 침전되어 큰 영역이 되기 때문에 사각형 오프닝(opening)의 솔더페이스트 체적이 원형 오프닝보다 더 높다(그림 26 참조). 더 높아진 스탠드오프 높이는 솔더 조인트 신뢰성을 향상시킬 것이다.

리플로우 프로파일
리플로우 프로파일의 4가지 영역(예열, 소크(soak), 리플로우, 냉각)을 표시했다(그림 27 참조).

예열
목표는 전체 PCB를 120~150℃의 온도로 예열하는 것이다. 이때 가열 속도가 매우 중요하다. PCB 및/또는 부품에 열 충격을 줄 수 있기 때문이다. 예열 중에 활성제는 산화를 감소시키기 시작하고 약간의 솔벤트는 증발하기 시작한다. 열 상승률은 초당 1~4℃ 사이에서 제어되었다. 

건조(Soak) 단계
60~120초 동안 150~170℃의 온도에 노출시킨다. 이 단계의 목적은 리플로우 존에 들어가기 전에 솔더페이스트를 완전히 건조시키는 것이다. 활성제는 깨끗한 부품과 패드 계면 표면에 반응한다. 또한 PCB가 리플로우 영역에 들어가기 전에 균일한 가열을 보장하기 위해 크고 작은 부품에 열적 안정화를 제공한다.

리플로우  
피크 온도는 SnAgCu 무연 솔더페이스트의 액상 온도인 217℃보다 30~40℃ 높였다. 이 단계에서 솔더 합금이 녹는다. 리플로우 단계 동안, PCB 어셈블리의 모든 납땜 가능한 부분은 피크 온도에 도달해야 한다. 이 단계 동안, 좋은 솔더 플로우(젖음)와 필렛(fillet) 형성을 보장하기 위해 완전한 액상 상태를 이룰 것이다. 대부분의 솔더페이스트의 경우, 젖음 시간(TAL, time above liquidus)은 30~60초이다. TAL 시간이 너무 길면 IMC 층이 솔더 조인트에서 더 두꺼워질 것이다. 반면, TAL 지속 시간을 최소화하면 최소 금속간 화합물 형성(Cu6Sn5, Cu3Sn 등)을 초래하고, 더 큰 솔더 접합부 무결성을 초래하는 솔더 접합부의 미세한 결정립 구조를 생성하며, 고온에 PCB 어셈블리 및 부품이 노출되는 것을 최소화한다.

냉각
해당 존은 리플로우 후에 어셈블리를 냉각시킨다. 일반적으로 냉각 속도는 초당 1~4℃로 제어된다. 지나치게 천천히 냉각시키면 큰 입자 크기의 솔더 조인트가 생성될 수 있는데, 취성있는 구조와 잠재적으로 무딘 솔더 접합을 초래할 수 있다.

프로파일 측정
우수한 솔더 조인트를 구현하기 위해서는 부품과 솔더 페이스트에 충분한 열을 가해야 한다. 플라스틱 부품의 습기와 및 열-기계적 응력으로 인한 불량을 피하기 위해 부품 본체 및 솔더 조인트 상의 온도가 측정되어야만 하고, 과도하거나 불충분한 가열 현상을 피하면서, 스펙을 초과하지 않는지 확인해야 한다. 따라서 일반적으로 리플로우 동안 온도 측정에 사용되는 열전쌍(thermocouple)이 부품의 몸체뿐만 아니라 솔더 조인트에도 부착되어야만 한다.

요약

결론적으로 다음과 같은 작업을 권장한다:
1. NSMD 타입은 0.8mm 피치 이상의 CSP에 권장하고, SMD  타입은 언더필 공정과 함께한 0.8mm 피치 미만의 CSP에  권장한다.
2. 솔더링 가능한 패드에서 멀리 떨어진 비아 홀은 솔더 조인트  내에서 발생하는 보이드를 줄여 신뢰성 향상에 도움을 준다.
3. SENIG(selective ENIG) 표면 마감을 통한 OSP는 모바일  제품군의 파인피치 CSP에 권장하며, 더 높은 솔더 조인트  신뢰성 구축에 도움이 될 것이다.
4. 모바일 제품군의 파인피치 CSP에 대한 높은 신뢰성 구축을  위해 언더필 사용을 고려하는 것도 좋다.
5. 진공 지지대 블록은 솔더페이스트 프린팅에 매우 유용하다.  보드 랜드 상에 침전된 더 균일한 솔더페이스트 체적은 솔더  조인트의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
6. 모서리가 둥근 사각형 스텐실 개구 오프닝(opening)이 파인 피치 CSP 스텐실 오프닝 디자인으로 권장된다. 보드 랜드  패드 상에 더 많은 솔더페이스트를 확보하고 더 높은 스탠드 오프 높이를 얻을 수 있다.
7. 리플로우 프로파일은 솔더 접합 신뢰성에 있어서 매우 중요 하다. 솔더페이스트 공급업체 및 CSP 부품 공급업체의 권장 사항에 기반을 둔 스펙 내에서 파라미터가 제어되어야 한다.
8. 솔더 조인트에 충분한 열이 가해지면서, 부품 본체에 과도한  열이 가해지지 않도록 열전쌍(thermocouple)이 파인피치  CSP의 부품 몸체와 솔더 조인트에 부착해야 한다.