많은 대체 low/no Ag 합금 솔더페이스트가 오늘날 시장에 존재해 있다. 일반적으로 대체 low/no Ag 솔더페이스트는 더 높은 액상 온도를 지니고 있으며, SAC305 솔더페이스트보다 더 높은 리플로우 프로파일을 요구한다. 그래서 low/no Ag 합금 솔더페이스트의 프로세스 윈도우는 SAC305 솔더의 프로세스 윈도우에 비해 더욱 좁다. 많은 대체 무연 솔더페이스트 재료들은 좋은 프린팅성과 젖음성을 가지고 있다. 그러나 low/no Ag 합금 솔더페이스트는 솔더 볼링, 보이드(특히 QFN 부품에서) 및 솔더 브릿지와 같은 더 많은 불량을 초래할 수도 있다.

들어가는 글

제조 프로세스에서 사용되고 있는 다양한 무연 합금 중에서 Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)는 가장 대중적인 솔더이다. 그러나 지난 몇 년 동안 Ag의 가격이 급격하게 올라가고 있어서, Ag 함유량을 더 낮추어서 대체하고자 하는 요구가 커지고 있다.
결과적으로, 최근 산업계에서는 다수의 가용한 low/no Ag 무연 솔더 합금 대체재가 급격하게 늘어나고 있다. 본고에서는 다양한 low/no Ag 합금 솔더페이스트의 성능과 프로세스 능력을 보여줄 것이다. 프린트성, 젖음성 테스트, 슬럼프(slump) 테스트, 솔더 볼 테스트, 보이드 등의 데이터를 통해 SAC305 솔더페이스트와 비교하여 논의할 것이다. Low/no Ag 합금 솔더페이스트 재료를 사용함으로써의 이점도 설명할 것이다.

서문

Sn3.0Ag0.5Cu 솔더페이스트는 현재 산업계에서 사용되고 있는 무연 솔더페이스트 중 가장 대중적인 합금이다. 그러나 Ag의 가격이 여러 해에 걸쳐 지속적으로 상승하고 있다. 그림 1에서는 지난 5년간의 Ag 가격변동 차트를 보여주고 있다. 이러한 현상은 low/no Ag 합금 대체재에 대한 요구를 키우는 역할을 했으며, 많은 대체재의 성능 향상을 유도하였다. 최근 많은 low/no Ag 합금 솔더페이스트를 시장에서 사용할 수 있다. 더불어 이들 대체 무연 합금에 관한 다양한 보고서가 많이 발행되어 있다. 그러나 대부분의 보고서에서는 대체 합금의 BGA 솔더 볼과 이들의 신뢰성에 초점을 두고 있다. Low/no Ag 합금 솔더페이스트의 성능을 언급한 보고서는 매우 제한적이다. 본고에서는 low/no Ag 합금 솔더페이스트의 프로세스 실현 가능성과 그 문제들에 대해 논의할 것이다.

Low/no Ag 합금 솔더페이스트 대체재

본고에서는 11개의 서로 다른 대체 합금을 평가하고 이들의 성능을 SAC305 솔더페이스트와 비교하였다(표 1 참조). Type 3의 솔더페이스트로 평가했다. Sn3.0Ag0.5Cu 합금은 일반적으로 ~217℃에서 녹는다. Low/no Ag 합금 대체재들은 SAC305 솔더페이스트 보다 약 10℃ 융점이 더 높다. 액상 범위는 225℃에서부터 228℃이다.

시편
  
플렉트로닉스 다기능 시편을 이번 평가에 사용하였다(그림 2 참조). 보드 치수는 225㎜ × 150㎜ × 1.67㎜이고, 보드 표면은 OSP로 마감처리되었다. 시편에는 BGA(0.8㎜ 및 1.0㎜ 피치), CSP(0.5㎜ 피치, 0.4㎜, 0.3㎜), QFN 부품(0.5㎜ 피치 및 0.4㎜ 피치), leaded 부품들(SOIC, QFN100, QFN208 등), 칩 부품(0201, 0402, 0603, 0805), 쓰루홀 부품 등과 같은 매우 다른 타입의 SMD 부품들이 장착되었다. 게다가 시편에는 프린트성 테스트, 슬럼프 테스트, 젖음성 테스트, 솔더 볼 테스트, 핀 테스트성 등을 위해 서로 다른 에어리어로 디자인되었다. 플렉트로닉스 다기능 시편의 모습은 그림 2에서 보여주고 있다.

평가 방법과 진행과정
          
프린트성 테스트                     
프린트성 테스트를 위해 솔더 페이스트는 스텐실 수명 0hr 및 4hr에서 최적화된 프린팅 파라미터를 이용하여 프린트했다. 그런 후에 솔더페이스트 체적과 자체 표준 편차를 기록하고, 분석했다. 솔더페이스트 체적 및 표준 편차 이외에도, 또한 프린팅 속도 및 솔더 유실(missing solder)과 같은 또 다른 프린트성 측면을 고려하였다. 일반적으로, 느려진 프린팅 속도가 더 우수한 페이스트 체적과 더 적은 표준 편차를 보이는 경향이 있음을 확인했다. 그러나 대량 제조공정의 경우, 우수한 솔더페이스트 재료는 느린 프린팅 속도가 아니라 빠른 프린팅 속도가 탁월한 성능으로 여겨지고 있다. 프린팅 속도가 생산제품의 복잡성에 따라 달라질 수 있지만, 우수한 솔더페이스트는 50~70㎜/s 혹은 이 이상의 속도로 프린트가 잘 되어야 한다.
0.3에서부터 0.8까지의 서로 다른 에어리어 ratio 범주는 솔더 유실 측정을 위해 사용되었다(그림 3 참조). 미납 혹은 솔더 유실을 분석했다. 패드 상에 5개의 솔더 파티클보다 적은 경우, 솔더 유실로 정의했다.

슬럼프 테스트
IPA-A-20 스텐실 패턴을 이용하여 냉각 및 가열의 슬럼프 테스트를 0hr 및 4hr에 진행했다(그림 4 참조). 서로 다른 영역에서 솔더 브릿지의 수를 분석하였다. 냉각 슬럼프 테스트의 경우, 솔더 브릿지는 실온에서 세었다. 가열 슬럼프 테스트의 경우, 시편은 125~150℃에서 약 20분간 구웠다. 그런 후에 솔더 브릿지를 기록하고 분석했다.

솔더 볼 테스트
솔더페이스트를 솔더 마스크 상에 프린트하고 리플로우하였다(그림 5 참조). 솔더 볼, 자체 외형과 플럭스 잔사를 분석했다. 솔더 볼링을 위한 정량 테스트는 당초 디자인된 위치에서 솔더 볼의 수를 셈으로써 진행하였다.

젖음성 테스트
솔더 젖음성 테스트는 0hr과 4hr의 스텐실 대기시간에 프린트된 솔더페이스트를 리플로우하면서 실시하였다. 2개의 젖음성 테스트는 초기 평가에 사용되었다. 젖음 테스트 1에서, 솔더 퍼짐(직경)을 측정하였고, 비교하였다(그림 6 참조). 젖음 테스트 2에서, 솔더페이스트는 서로 다른 개구부로 프린트하고 리플로우하였다. 무연 솔더페이스트는 대게 SnPb만큼 잘 젖어들지 않아서 총 패드 평균을 얻을 수 있도록 오버된 패드 프린트를 요구한다. 젖음 테스트 2의 경우, 패드의 100% 솔더 평균을 얻기 위한 최소한의 프린트 에어리어를 조사하고 분석하였다(그림 7 참조).

리플로우 및 프로세스 안정성 테스트
솔더페이스트 재료의 프로세스 안정성을 확인하기 위해, 테스트는 스크리닝 테스트에서 행해진 솔더페이스트 상부에서 실행하였다. 실제생산 환경과 비슷하고 최적화하기 위해 실제 부품들을 사용하였다. 3개의 서로 다른 리플로우 프로파일들(낮음, 중간, 높음)이 low/no Ag 솔더페이스트 평가에 사용되었다. 표 2에는 프로파일 간의 차이점이 요약되어 있다. 모든 보드들은 대기 환경에서 리플로우 되었다. 그런 후에 프린트 품질(체적 및 표준 편차), 솔더 볼, 젖음, 보이드, 플럭스 잔사 및 솔더링 형상들을 측정했다. 우수한 솔더 페이스트는 모든 테스트에 걸쳐 우수한 성능을 제공해야 하며, 품질 측면은 폭 넓은 프로세스 윈도우 내에서 충족시켜야만 한다.

테스트 결과들

프린트성
대체 low/no Ag 합금 솔더페이스트는 t=0에서 SAC305 만큼 우수하게 프린트할 수 있다(그림 8 참조). 그러나 일부 low/no Ag 합금 솔더페이스트 재료들(A, D, E, F, K와 같은)은 SAC305 솔더페이스트와 달리 4hr 이후 대기시간에서 솔더링되지 않았다. 솔더페이스트 내의 플럭스 화학재가 프린팅 성능 재료에 있어서 중요한 역할을 담당하고 있음을 알 수 있었다.

젖음성
젖음성 항목에서, 많은 low/no Ag 합금 솔더는 이 카테고리 내에서 우수한 성능을 보였다. 그림 9에서는 SAC305, SAC0307 및 SN100C의 젖음 테스트 1의 이미지를 보여주고 있다. 평균적으로 이들 3개의 솔더페이스트는 비슷한 퍼짐 직경을 보였다. 또 다시 플럭스 화학재가 합금 성분보다 재료의 성능에 더 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.

솔더 볼링 테스트
일부 대체 솔더페이스트 합금은 솔더 볼링 테스트에서 우수한 성능을 보였다(그림 10 참조). 그러나 많은 대체 low/no Ag 합금 솔더 페이스트는 초과된 솔더 볼을 보였다(그림 11 참조). 이전 SAC305 솔더페이스트 측정 동안, 거의 모든 재료들은 이 솔더 볼링 테스트에서 우수한 성능을 나타냈고, 초과된 솔더 볼은 보이지 않았다.

보이드
SAC305 솔더페이스트로 리플로우된 BGA 솔더 접합부의 X-Ray 이미지를 그림 12에서 보여주고 있다. SAC0307과 SN100C 솔더페이스트로 리플로우된 BGA 솔더 접합부의 X-Ray 이미지는 그림 13 그리고 그림 14에서 각각 보여주고 있다. 일반적으로 많은 대체 low/no Ag 합금 솔더페이스트는 SAC305 솔더페이스트보다 더 많은 보이드가 나타났다. 일부 대체 솔더페이스트 합금이 BGA 솔더 접합부에서 SAC305 솔더페이스트와 비슷한 수준의 보이드를 나타냈다(그림 13a 및 그림 14a 참조). QFN 부품의 경우, 보이드 수준은 low/no Ag 솔더페이스트로 리플로우된 샘플의 경우 급격하게 증가되었다. 그림 15에서 이를 보여주고 있다.

프로세스 윈도우
대체 low/no Ag 합금 솔더페이스트는 SAC305보다 더 좁은 프로세스 윈도우를 가지고 있다. 많은 대체 합금들은 낮은 무연 프로파일에서 완벽하게 리플로우되지 않았다(그림 16 참조). 대체 low/no Ag 합금 솔더페이스트가 사용될 때 중간 혹은 높은 프로파일이 필요할 수도 있다. 프로파일 온도가 부품의 열적 한계에 미치는 영향에 관한 관심을 가져야 할 필요가 있다.

결론

많은 대체 low/no Ag 합금 솔더페이스트가 오늘날 시장에 존재해 있다. 일반적으로 대체 low/no Ag 솔더페이스트는 더 높은 액상 온도를 지니고 있으며, SAC305 솔더페이스트보다 더 높은 리플로우 프로파일을 요구한다. 그래서 low/no Ag 합금 솔더페이스트의 프로세스 윈도우는 SAC305 솔더의 프로세스 윈도우에 비해 더욱 좁다. 많은 대체 무연 솔더페이스트 재료들은 좋은 프린팅성과 젖음성을 가지고 있다. 그러나 low/no Ag 합금 솔더페이스트는 솔더 볼링, 보이드(특히 QFN 부품에서) 및 솔더 브릿지와 같은 더 많은 불량을 초래할 수도 있다. 플럭스 화학재와 제공업체가 대체 무연 솔더페이스트 재료의 성능에 중요한 역할을 담당하고 있다. 프로세스 조건이 최적화되었을 때 좋은 low/no Ag 솔더 선택은 많은 부문에서 SAC305 솔더와 비슷한 성능을 얻을 수 있다.
대체 low/no Ag 합금 솔더페이스트와 관련된 더 높아진 리플로우 프로파일은 부품의 프로세스 온도와 자체 한계성에 관한 관심을 기울어야 한다. 대체 low/no Ag 솔더페이스트가 적용될 때, 리플로우 프로파일에서 생존할 수 있도록 확실하게 만들어주는 부품의 온도 한계성을 리뷰해보길 권장한다. 게다가 대체 low/no Ag 솔더페이스트로 어셈블리된 무연 솔더 접합의 신뢰성 작업도 권장한다.