, 대량 생산에서의 셀렉티브 솔더링 신뢰성 높이기

셀렉티브 솔더링을 통해 우수한 솔더 조인트를 형성하려면, 3개의 요소(솔더, 접합부의 비-산화된 금속표면, 열)가 필요하다. 3개 모두 최종 결과에 영향을 미친다. 솔더 속성은 홀 충진을 규정할 뿐만 아니라 솔더 조인트의 광택은 물론 외관에도 영향을 미친다. 홀 충진 특성을 개선하고 금속 표면을 세척하기 위해서 솔더링 전에 플럭스를 도포한다. 이 공정에서 중요한 점은 솔더가 배럴로 침투하도록 플럭스가 도와주고, 또한 플럭스가 활성화된다는 것이다. 플럭스 활성화를 위해 특정 시간 동안 지정된 온도에 도달해야 한다. 이 활성화 온도와 시간은 플럭스에 따라 다르며 플럭스 화학 물질과 관련이 있기 때문에 플럭스 공급업체에 의해 정의되어야만 한다.

회로 어셈블리 상의 쓰루홀 연결 수는 드라이브가 소형화됨에 따라 줄어들고 있다. 이러한 어셈블리를 대량으로 제조할 때 가장 편리한 방법 중 하나는 셀렉티브 솔더링 방식이다. 자동차 및 전자산업 애플리케이션에서 매우 잘 이용되고 있는 셀렉티브 솔더링은 대량 소비재 제품군 솔더링에도 매우 효율적인 방법이 될 수 있다.

핀 쓰루홀의 수는 애플리케이션마다 다르다. 휴대전화에는 Micro-USB 케이블 커넥터가 있는 예가 매우 드물지만, 면도기에는 배터리를 포함해서 약 10~15개 더 많이 들어간다. 셀렉티브 디핑 솔더링은 한 번의 디핑으로 32개의 면도기를 솔더링할 수 있는 로봇 제어 솔더링 프로세스이다. 즉, 30초의 주기마다 300개의 솔더 접합을 수행한다. 수동 솔더링에 비해 30배 더 빠른 속도이다.

셀렉티브 솔더링은 다른 솔더링 기술과 비슷하다. 우수한 솔더 조인트를 형성하기 위해서는 3개의 요소(솔더, 접합부의 비-산화된 금속표면, 열)가 필요하다. 3개 모두 최종 결과에 영향을 미친다. 솔더 속성은 홀 충진을 규정할 뿐만 아니라 솔더 조인트의 광택은 물론 외관에도 영향을 준다.

플럭스를 활성화시키고 솔더가 배럴로 흐르게 하려면 열이 필요하다. 어셈블리 도중에 열 에너지가 충분하지 않으면 공정 중에 솔더가 배럴에서 응고되고 충분한 홀 충진이 되지 않을 수도 있다(IPC-A-610E chapter 7.3.5).

홀 충진 특성을 개선하고 금속 표면을 세척하기 위해서 솔더링 전에 플럭스를 도포한다. 이 공정이 중요한 점은 솔더가 배럴로 침투하도록 플럭스가 도와주고, 또한 플럭스가 활성화되기 때문이다. 플럭스 활성화를 위해 특정 시간 동안 지정된 온도에 도달해야 한다. 활성화 온도와 시간은 플럭스에 따라 다르며 플럭스 화학 물질과 관련이 있기 때문에 플럭스 공급업체에 의해 정의되어야만 한다.

플럭스는 웨이브 솔더링 공정에서 관찰된 것과 유사한 기능이 있지만, 셀렉티브 솔더링에서 플럭스가 성공적으로 활성화되기 위해서는 다른 속성이 필요하다. 중요한 사항은 다음과 같다.

1. 퍼짐(Spreading). 셀렉티브 솔더링에서 플럭스는 너무 멀리 퍼지지 않아야 한다. 플럭스는 솔더링 영역에서만 필요하며, 이 영역 외부에 영향을 주지 않아야 한다.

퍼짐이 제한되어야 하므로 퍼짐 메커니즘을 잘 이해하는 것이 중요하다. 퍼짐은 플럭스 특성에 의존할 뿐만 아니라 보드 재료 등에 의해 영향을 받는다.

셀렉티브 솔더링 머신은 드롭젯(dropjet) 장치를 통해 PCB 하단(솔더) 면에 플럭스를 뿌린다. 이 장치는 x/y 제어 로봇 상에 장착되어 있다. PCB는 정해진 위치에서 플럭싱 동안 고정되어서 솔더가 접촉되는 영역에만 로봇이 플럭스를 도포할 수 있게 되어야 한다.

솔더링에 필요한 플럭스의 양은 플럭스 공급업체에서 제공한 플럭스 데이터시트에 규정되어 있다. 도포 양은 플럭스의 여러 속성에 따라 다르며 모든 플럭스가 고유한 특성을 지니고 있다. 이러한 속성에는 고체 함량, 산가(acid number), 밀도, 활성화 시스템 등이 포함되어 있다. 플럭스 공급업체는 평방 인치당 드라이 플럭스(dry flux)의 양을 규정하고 있다. 어셈블리에서 얼마나 많은 양의 플럭스가 필요한가는 특정 애플리케이션에서의 플럭스 퍼짐에 의해 결정된다.

그림 2에서는 솔더 마스크의 영향을 시각화 한 이미지를 보여주고 있다. 웨이브 솔더링의 경우, 표면 에너지가 높은 보드(>50mN/m)가 더 나았다. 플럭스가 모든 영역으로 퍼지게 되어 솔더 조인트 오픈, 브리징, 스파이크 또는 웨빙(spikes or webbing)의 위험이 제거되었다. 우수한 퍼짐으로 인해 잔류물도 덜 눈에 띄게 되어 외형적인 면에서도 이점이 있었다.

셀렉티브 솔더링 애플리케이션의 경우, 더 낮은 표면 에너지의 기판이 필요하다. 우수한 퍼짐을 위한 일반적인 값은 ~35mN/m이다. 셀렉티브 솔더링 이전의 히팅 공정(리플로우 솔더링과 유사)은 솔더 마스크의 표면 에너지에 영향을 미칠 수 있다는 점을 인지해야 한다.

드롭젯에 의해 PCB로 분사되는 플럭스 양은 평방 단위당 필요한 플럭스 양을 계산하기 전에 규정되어야 한다. 이를 위해 실험계획법(DOE, Design of Experiment)을 수행하였다. 오픈 시간, 주파수, 로봇 속도의 세 가지 파라미터를 Box-Behnken 설계에 포함하였다.

그림 4에 따르면, 로봇 속도(p = 0.027)와 드롭젯 주파수(p = 0.034)는 통계적으로 플럭스 양에 중대한 영향을 끼쳤다. 오픈 시간(p = 0.187)은 약간의 영향을 보였다.

견실한 솔더링 공정에 필요한 플럭스 양은 건조 플럭스 제곱 인치당 마이크로그램으로 정의된다. 실험에서 습식 플럭스의 양을 측정했다. 그런 다음에 예열했다. 예열하는 동안 용매(알코올)가 증발되고 플럭스의 고체가 보드에 남았다.

플럭스 고체 함량은 플럭스 데이터시트에 정의되어 있다. 플럭스의 퍼짐이 알려진 시점에서는 인치당 건조 플럭스의 양도 계산할 수 있다.

실험에서 플럭스 드래그 라인은 8개의 서로 다른 쓰루홀 커넥터 및 패드 설계에 맞춰 어셈블리 상에 퍼졌다. 다른 커넥터와 패드 치수를 선택하여 플럭스 퍼짐에서의 핀과 금속 랜드의 영향을 조사할 수 있었다. 표 1에서는 PCB 예열 후 습식 플럭스의 양과 건식 플럭스의 평균 퍼짐 폭을 보여주고 있다.

흥미로운 것은 예열 후 프린트 상에 남아있는 플럭스 양이었다. 실험 설정 간에는 상당한 차이가 있었다. 보드의 육안 검사를 통해 플럭스가 보드에 다른 농도의 고체를 남겼다는 분명한 증거를 확인했다.

이 실험에 사용된 플럭스는 3.3%의 고체 함량인 IF2005C였다. 남은 고체는 그림 6의 (a)에서 622μg/in²이었고 그림 6의 (b)에서 2645μg/in²이었다.

표 2에서는 설정된 일부의 고체가 500μg/in² 미만임을 보여주었다. 이러한 설정의 경우, 솔더 영역 내에서 플럭스 양이 너무 적어서 양호한 솔더링 결과를 얻을 수 없었다. 이 테스트 보드의 표면 에너지는 셀렉티브 솔더링하기에는 너무 높았으며, 이로 인해 너무 넓은 퍼짐이 발생하여 솔더링 후 비활성화된 플럭스가 잠재적 위험군이 되었다. 이 실험의 결론은 표면 에너지가 높은 웨이브 솔더링 용으로 설계된 보드는 셀렉티브 애플리케이션에 적합하지 않다는 점이다.

Dropjet 플럭싱은 아주 적은 양의 플럭스를 매우 정확한 방식으로 뿌리는 방법이다. 잉크젯 기술과 마찬가지로 분사하는 동안 젯팅 부수물은 액체의 특성과 분사 방식에 의해 형성된다. 부수물은 분사 시작(머리 부수물이라고 함)과 플런저가 닫힐 때(꼬리 부수물이라고 함)의 끝에 맺히는 매우 작은 물방울이다. 이러한 플럭스 부수물의 형성과 거동을 이해하기 위해 고속 카메라를 사용한 많은 연구가 진행되었다. 크기와 방향성을 예측할 수 없기 때문에 이러한 플럭스 입자는 원치 않는 SMD 영역에 들어갈 수 있으며 신뢰성 측면에서 잠재적인 위험군이 될 수 있다.

노즐에서 분사되는 빠르게 이동하는 각 주요 방울을 뒤따르는 부수물 방울은 공기 역학적 및 정전기력에 의해 훨씬 더 쉽게 엉뚱한 방향으로 보내기 때문에 바람직하지 않다. 부수물을 예방하기 위해 새로운 HF(고주파, High Frequency) 드롭젯이 도입되었다. 이 장치에는 사파이어 오리피스가 있으며 내부 압력 보정 블래더가 통합되어 있다. 드롭젯은 더 오랜 무결성을 유지하고 더 멀리 이동시킨다.

플럭스 패턴을 시각화하는 방법에는 팩스(열에 민감한) 용지에 플럭싱하는 것이 있다. 부수물과 HF 드롭젯과 일반 드롭젯의 차이점을 설명하기 위해 동일한 설정을 사용하여 일련의 플럭스 방울을 팩스 용지에 뿌렸다.

플럭스 퍼짐을 최소화하는 또 다른 방법은 플럭스를 뿌리기 전의 어셈블리 예열이 있다. 플럭스의 퍼짐을 확인하기 위해 뜨거운 표면에서의 플럭스 영향을 알아보기 위한 작은 실험을 수행하였다. 플럭스 퍼짐은 베어 동박 자재에서 테스트하였다. 테스트에는 3개의 플럭스를 사용하였다. 3개의 플럭스 유형은 일반적인 알코올계 플럭스, low-VOC 그리고 VOC-Free 수용성계 플럭스였다. 표 3에서는 퍼짐 영역을 보여주고 표 4에서는 평방 cm당 건조 플럭스의 양을 나타내고 있다.

동박 쿠폰에 증착된 플럭스의 양은 10μl이었다. 이는 대기 온도에서 반복되었고, 그 다음에 쿠폰을 50℃ 및 80℃로 예열했다. 차이점에 유의해야 한다.

알코올 플럭스가 안전하기 때문에 셀렉티브 솔더링 플럭스의 추세는 평방 인치당 향상된 활성화를 제공하는 더 높은 고체 함량을 갖는 알코올계 플럭스의 방향으로 흘러가는 경향이 있다.1)

온도가 상승하면 플럭스 재료는 휘발성 분획의 증발(evaporation of volatile fraction), 표면 활성도 및 용융 점도와 같은 물리적/화학적 특성의 변화를 겪는다. 솔더 플럭스의 결과는 솔더의 스크러빙 작용에 의한 조기 변위이고, 궁극적으로 재료의 열적 파괴이다. 이로 인해 보호 블랭킷으로서의 기능이 손실되고 비아 또는 쓰루홀의 배럴로 스며들 때 액상 솔더 상에의 절연 필름 기능이 손실된다.2)

소량의 플럭스로 셀렉티브 솔더링을 성공적으로 수행하려면 솔더링 도중에 불활성 환경이 조성되어야 한다. 솔더의 질소 커버리지는 플럭스 활성화가 감소하더라도 우수한 침투를 가능하게 한다. 산화물이 없으면 브리징이 줄어들고 좋은 질소 블랭킷이 있으면 솔더 조인트가 더 반짝인다.

이번 실험의 목적은 소량의 플럭스를 적용하고 어셈블리에서 일관되고 견고한 셀렉티브 딥핑 솔더링 공정을 유지하는 것에 있다. 솔더링 된 제품은 자동차 라디오용 PCB였다. 오늘날의 제조라인에서 플럭스 양은 레벨 2로 설정되어 있다. 플럭스를 15% 더 많이 적용하였고, 반대로 15% 줄여서 적용했다. 표 5에서 이를 보여주고 있다.

초점은 소량의 플럭스를 적용하는 것이지만 전자-이동 위험군을 최소화하기 위해 최소한의 퍼짐으로 솔더링하기에 충분했다는 점이다.

적용한 파라미터에는 솔더 마스크, 플럭싱 도중의 프린트 온도 그리고 예열 구배(preheating gradient)를 포함시켰다. 앞서 보여준 바와 같이 프린트 온도는 적용된 플럭스의 퍼짐에 영향을 미친다. 이 실험에서 알코올과 20% 물이 포함된 Low-VOC 플럭스를 사용했다.

플럭스는 표 5의 설정을 사용하여 보드에 적용되었다. 예열 후 보드를 셀렉티브 솔더링 머신에서 꺼냈고, 부품을 제거했다. 보드를 스캔하고 스캔한 플럭스 영역을 측정할 수 있는 소프트웨어 프로그램을 활용하여 퍼짐을 정의할 수 있었다. 그림 8에서는 다양한 설정이 퍼짐에 미치는 영향을 보여주고 있다.

실험에서는 플럭스 양과 솔더 마스크가 플럭스 퍼짐에 큰 영향을 미친다는 점을 보여주었다. 양쪽의 솔더 마스크 모두 셀렉티브 솔더링에 최적화되어 있고 표면 에너지가 낮았음에도(35mN/mm) 불구하고, 두 브랜드 사이의 플럭스 퍼짐에 있어서는 상당한 차이가 있었다.

동일한 조건에서 기판을 솔더링하여 해당 설정에서의 솔더링 품질을 확인하였다. 목적은 가장 적은 양의 플럭스로 우수한 솔더 성능을 달성하는 것이었다. 그림 9에서는 많은 양의 플럭스가 더 우수한 솔더링을 제공함을 보여주고 있다. 더 빠른 예열이 선호되고 뜨거워진(예열된) 보드의 플럭싱이 수용할 수 있는 솔더링 결과를 바꾸지 못하는 곳에서 솔더 마스크는 상당한 영향을 끼쳤다.

불활성 플럭스 시스템을 사용하고 플럭스 퍼짐을 제어하면 셀렉티브 솔더링 공정을 신뢰할 수 있다. 솔더링 도중의 질소 환경은 솔더링 성능을 향상시키고, 부가적으로 플럭스 메커니즘을 활발하게 한다. 불활성 환경에서 솔더링 산화물이 없기 때문에 현장에서 활성화되지 않은 플럭스 잔류물의 전자 이동에 대한 잠재적 위험군을 줄이는 더 부드러운 플럭스를 사용할 수 있다.