SMT는 기존의 솔더 페이스트 공기 리플로우 용접 캐비티 분석 및 솔루션(2023 Essence Edition)을 사용합니다. 여러분이 그럴 자격이 있습니다!
1 서론
회로 기판 조립에서는 먼저 회로 기판의 솔더 패드에 솔더 페이스트를 인쇄한 후 각종 전자 부품을 부착합니다. 마지막으로 리플로우로에서 솔더 페이스트의 주석 비드를 녹여 각종 전자 부품과 회로 기판의 솔더 패드를 용접하여 전기 서브모듈 조립을 구현합니다. 표면실장기술(sMT)은 시스템 레벨 패키지(SIP), 볼그리드어레이(BGA), 파워 베어칩(PBPC), 사각 플랫 핀리스 패키지(QFN, Quad AAT, No-lead)와 같은 고밀도 패키징 제품에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
솔더 페이스트 용접 공정 및 재료의 특성으로 인해 이러한 대형 솔더 표면 소자의 리플로우 용접 후 솔더 용접 영역에 구멍이 생기고, 이는 제품의 전기적 특성, 열적 특성 및 기계적 특성에 영향을 미치고 심지어 제품 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 솔더 페이스트 리플로우 용접 캐비티를 개선하는 것은 반드시 해결해야 할 공정 및 기술적 문제가 되었습니다. 일부 연구자들은 BGA 솔더 볼 용접 캐비티의 원인을 분석하고 연구하여 개선 솔루션을 제공했지만, 기존 솔더 페이스트 리플로우 용접 공정은 용접 면적이 10mm2 이상이거나 용접 면적이 6mm2 이상인 베어 칩 솔루션이 부족했습니다.
프리폼 솔더 용접과 진공 리플럭스로 용접을 사용하여 용접 홀을 개선합니다. 조립식 솔더는 플럭스를 포인팅하기 위한 특수 장비가 필요합니다. 예를 들어, 칩을 조립식 솔더에 직접 배치한 후 칩을 오프셋하고 심하게 기울입니다. 플럭스 마운트 칩을 리플로우한 후 포인팅하면 공정이 두 배로 늘어나고, 조립식 솔더와 플럭스 재료의 비용이 솔더 페이스트보다 훨씬 높아집니다.
진공 리플럭스 장비는 가격이 비싸고, 독립 진공 챔버의 진공 용량이 매우 낮으며, 비용 대비 성능이 좋지 않고, 주석 비산 문제가 심각하여 고밀도 및 소피치 제품 적용에 중요한 요소입니다. 본 논문에서는 기존 솔더 페이스트 리플로우 용접 공정을 기반으로 용접 캐비티를 개선하고 용접 캐비티로 인한 접합 및 플라스틱 씰 균열 문제를 해결하기 위한 새로운 2차 리플로우 용접 공정을 개발 및 소개합니다.
2 솔더 페이스트 인쇄 리플로우 용접 캐비티 및 생산 메커니즘
2.1 용접 캐비티
리플로우 용접 후 제품을 X선으로 검사했습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 용접 부위의 구멍이 더 밝은 색으로 보이는 것은 용접층의 솔더 함량이 부족했기 때문인 것으로 나타났습니다.
기포 구멍의 X선 검출
2.2 용접공동 형성 메커니즘
sAC305 솔더 페이스트를 예로 들면, 주요 구성과 기능은 표 1에 나와 있습니다. 플럭스와 주석 비드는 페이스트 형태로 접합되어 있습니다. 주석 솔더와 플럭스의 중량비는 약 9:1이고, 부피비는 약 1:1입니다.
솔더 페이스트가 인쇄되어 다양한 전자 부품에 실장된 후, 솔더 페이스트는 환류로를 통과하면서 예열, 활성화, 환류, 냉각의 네 단계를 거칩니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 솔더 페이스트의 상태는 각 단계의 온도에 따라 달라집니다.
리플로우 솔더링 각 영역에 대한 프로파일 참조
예열 및 활성화 단계에서 솔더 페이스트의 플럭스에 있는 휘발성 성분은 가열 시 가스로 휘발됩니다. 동시에 용접층 표면의 산화물이 제거되면 가스가 생성됩니다. 이러한 가스 중 일부는 휘발되어 솔더 페이스트를 떠나고 플럭스의 휘발로 인해 솔더 비드가 단단히 응축됩니다. 환류 단계에서 솔더 페이스트에 남아 있는 플럭스는 빠르게 증발하고 주석 비드는 녹으며 소량의 플럭스 휘발성 가스와 주석 비드 사이의 대부분의 공기는 제때 분산되지 않고 용융 주석의 잔여물과 용융 주석의 장력 아래 햄버거 샌드위치 구조가 되어 회로 기판 솔더 패드와 전자 부품에 걸리고 액체 주석에 싸인 가스는 위쪽 부력에 의해서만 빠져나가기 어렵습니다. 위쪽 용융 시간은 매우 짧습니다. 용융 주석이 식어서 고체 주석이 되면 용접층에 기공이 생기고 납땜 구멍이 형성됩니다(그림 3 참조).
솔더 페이스트 리플로우 용접으로 생성된 보이드의 개략도
용접 캐비티의 근본 원인은 솔더 페이스트 용융 후 솔더 페이스트에 포함된 공기 또는 휘발성 가스가 완전히 배출되지 않기 때문입니다. 영향을 미치는 요인으로는 솔더 페이스트 재질, 솔더 페이스트 인쇄 형태, 솔더 페이스트 인쇄량, 환류 온도, 환류 시간, 용접 크기, 구조 등이 있습니다.
3. 솔더 페이스트 인쇄 리플로우 용접 홀 영향 요인 검증
QFN 및 베어칩 테스트를 사용하여 리플로우 용접 보이드의 주요 원인을 확인하고 솔더 페이스트로 인쇄된 리플로우 용접 보이드를 개선하는 방법을 찾았습니다.QFN 및 베어칩 솔더 페이스트 리플로우 용접 제품 프로필은 그림 4에 나와 있습니다.QFN 용접 표면 크기는 4.4mm x 4.1mm이고 용접 표면은 주석 도금층(100% 순수 주석)입니다.베어칩의 용접 크기는 3.0mm x 2.3mm이고 용접층은 스퍼터링된 니켈-바나듐 바이메탈층이고 표면층은 바나듐입니다.기판의 용접 패드는 무전해 니켈-팔라듐 금 도금이었고 두께는 0.4μm/0.06μm/0.04μm였습니다.SAC305 솔더 페이스트를 사용했고, 솔더 페이스트 인쇄 장비는 DEK Horizon APix, 리플럭스로 장비는 BTUPyramax150N, X선 장비는 DAGExD7500VR입니다.
QFN 및 베어칩 용접 도면
시험 결과의 비교를 용이하게 하기 위해, 표 2의 조건에서 리플로우 용접을 수행하였다.
리플로우 용접 조건표
표면실장 및 리플로우용접이 완료된 후 X선으로 용접층을 검출한 결과, 그림 5와 같이 QFN 하단과 베어칩의 용접층에 큰 구멍이 있는 것을 확인하였다.
QFN 및 칩 홀로그램(X선)
주석 비드 크기, 철망 두께, 개구 면적률, 철망 형상, 환류 시간, 그리고 최고 용광로 온도는 모두 리플로우 용접 보이드에 영향을 미치므로, DOE 시험을 통해 직접 검증해야 할 여러 가지 영향 요인이 존재하며, 실험군 수가 너무 많을 수 있습니다. 상관관계 비교 시험을 통해 주요 영향 요인을 신속하게 선별하고 파악한 후, DOE를 통해 주요 영향 요인을 더욱 최적화해야 합니다.
3.1 솔더홀 및 솔더페이스트 주석비드의 치수
Type3(비드 크기 25-45μm) SAC305 솔더 페이스트 테스트에서는 다른 조건은 변경하지 않았습니다. 리플로우 후 솔더 층의 홀을 측정하여 Type4 솔더 페이스트와 비교했습니다. 솔더 층의 홀은 두 종류의 솔더 페이스트 간에 유의미한 차이가 없는 것으로 나타났습니다. 이는 비드 크기가 다른 솔더 페이스트가 솔더 층의 홀에 명확한 영향을 미치지 않음을 나타내며, 이는 그림 6에 나타난 바와 같이 영향을 미치는 요인이 아님을 나타냅니다.
입자 크기에 따른 금속 주석 분말 구멍 비교
3.2 용접공동 및 인쇄철망 두께
리플로우 후, 두께 50μm, 100μm, 125μm의 인쇄된 철망을 이용하여 용접층의 캐비티 면적을 측정하였고, 다른 조건은 변경하지 않았습니다. QFN에 대한 철망(솔더 페이스트)의 두께 차이가 미치는 영향을 두께 75μm의 인쇄된 철망과 비교하였습니다. 철망의 두께가 증가함에 따라 캐비티 면적은 서서히 감소합니다. 특정 두께(100μm)에 도달한 후에는 그림 7과 같이 캐비티 면적이 역전되어 철망의 두께가 증가함에 따라 증가하기 시작합니다.
이는 솔더 페이스트의 양을 늘리면 환류된 액상 주석이 칩에 가려져 잔류 공기 배출구가 네 면으로만 좁아짐을 보여줍니다. 솔더 페이스트의 양을 변경하면 잔류 공기 배출구도 늘어나고, 액상 주석에 싸인 공기나 휘발성 가스가 액상 주석에서 순간적으로 분출되면서 액상 주석이 QFN과 칩 주변으로 튀게 됩니다.
실험 결과, 철망의 두께가 두꺼워질수록 공기나 휘발성 가스가 빠져나가면서 발생하는 기포 터짐도 커지고, QFN과 칩 주변에 주석이 튀는 확률도 그에 비례하여 커지는 것으로 나타났다.
두께가 다른 철망의 구멍 비교
3.3 용접공동과 철망 개구부의 면적비
100%, 90%, 80%의 개방률을 갖는 인쇄된 강철 메시를 시험하였고, 다른 조건은 변경하지 않았습니다. 리플로우 후, 용접층의 공동 면적을 측정하여 100% 개방률을 갖는 인쇄된 강철 메시와 비교했습니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이, 100% 및 90%, 80% 개방률 조건에서 용접층의 공동 면적에는 유의미한 차이가 없었습니다.
다양한 철망의 개구 면적에 따른 캐비티 비교
3.4 용접 캐비티 및 인쇄된 강철 메시 모양
스트립 b와 경사 그리드 c의 솔더 페이스트 인쇄 형상 시험에서 다른 조건은 변경하지 않았습니다. 리플로우 후 용접층의 캐비티 면적을 측정하여 그리드 a의 인쇄 형상과 비교했습니다. 그림 9에서 볼 수 있듯이 그리드, 스트립, 경사 그리드 조건에서 용접층의 캐비티에 유의미한 차이가 없음을 확인했습니다.
철망의 다양한 개방모드에서의 구멍 비교
3.5 용접 캐비티 및 환류 시간
장시간 환류 시간(70초, 80초, 90초) 시험 후, 다른 조건은 변경하지 않고, 환류 후 용접층의 구멍을 측정하여 60초의 환류 시간과 비교한 결과, 환류 시간이 증가함에 따라 용접 구멍 면적은 감소하지만 감소 진폭은 그림 10과 같이 시간이 증가함에 따라 점차 감소하는 것으로 나타났습니다. 이는 환류 시간이 부족한 경우 환류 시간을 늘리면 용융된 액상 주석에 싸인 공기가 완전히 넘치지만, 환류 시간이 일정 시간까지 증가한 후에는 액상 주석에 싸인 공기가 다시 넘치기 어렵다는 것을 보여줍니다. 환류 시간은 용접 캐비티에 영향을 미치는 요인 중 하나입니다.
다양한 환류 시간 길이의 공극 비교
3.6 용접 캐비티 및 피크 용광로 온도
240℃ 및 250℃ 피크로 온도 시험 및 기타 조건은 변경하지 않고 리플로우 후 용접층의 캐비티 면적을 측정하고 260℃ 피크로 온도와 비교한 결과, 다양한 피크로 온도 조건에서 QFN과 칩의 용접층의 캐비티는 크게 변하지 않는 것으로 나타났습니다(그림 11 참조). 이는 다양한 피크로 온도가 QFN과 칩의 용접층의 구멍에 명확한 영향을 미치지 않으며, 이는 영향 요인이 아님을 보여줍니다.
다양한 피크 온도의 공극 비교
위의 실험 결과는 QFN과 칩의 용접층 공동에 영향을 미치는 주요 요인이 환류 시간과 철망 두께임을 보여줍니다.
4 솔더 페이스트 인쇄 리플로우 용접 캐비티 개선
4.1용접 캐비티 개선을 위한 DOE 테스트
QFN과 칩의 용접층의 구멍은 주요 영향 요인(환류 시간 및 철망 두께)의 최적 값을 찾아 개선되었습니다.솔더 페이스트는 SAC305 type4이고, 철망 모양은 그리드 유형(100% 개도)이고, 피크 퍼니스 온도는 260℃이고, 기타 시험 조건은 시험 장비와 동일했습니다.DOE 시험 및 결과는 표 3에 나와 있습니다.QFN 및 칩 용접 구멍에 대한 철망 두께와 환류 시간의 영향은 그림 12에 나와 있습니다.주요 영향 요인의 상호 작용 분석을 통해 100μm 철망 두께와 80초 환류 시간을 사용하면 QFN과 칩의 용접 캐비티를 크게 줄일 수 있음을 알 수 있습니다.QFN의 용접 캐비티율은 최대 27.8%에서 16.1%로 감소하고 칩의 용접 캐비티율은 최대 20.5%에서 14.5%로 감소합니다.
본 실험에서는 최적 조건(철망 두께 100μm, 환류 시간 80초)에서 1,000개의 제품을 생산하고, 100개의 QFN과 칩의 용접 캐비티율을 무작위로 측정했습니다. QFN의 평균 용접 캐비티율은 16.4%, 칩의 평균 용접 캐비티율은 14.7%로, 칩과 칩의 용접 캐비티율이 현저히 감소했습니다.
4.2 새로운 공정은 용접 캐비티를 개선합니다.
실제 생산 상황과 테스트 결과, 칩 하단의 용접 캐비티 면적이 10% 미만이면 리드 본딩 및 몰딩 과정에서 칩 캐비티 위치 균열 문제가 발생하지 않는 것으로 나타났습니다. DOE에서 최적화한 공정 변수는 기존 솔더 페이스트 리플로우 용접의 홀 분석 및 해결 요건을 충족하지 못하므로, 칩의 용접 캐비티 면적률을 더욱 낮춰야 합니다.
솔더로 덮인 칩은 솔더 내 가스 누출을 방지하므로, 솔더 코팅 가스를 제거하거나 줄임으로써 칩 하단의 홀 발생률을 더욱 낮춥니다. 두 번의 솔더 페이스트 인쇄를 사용하는 새로운 리플로우 용접 공정을 채택했습니다. 하나는 솔더 페이스트 인쇄, 다른 하나는 QFN을 덮지 않는 리플로우, 그리고 솔더 내 가스를 베어 칩에 방출하는 공정입니다. 2차 솔더 페이스트 인쇄, 패치, 2차 리플럭스의 구체적인 공정은 그림 13에 나와 있습니다.
75μm 두께의 솔더 페이스트를 처음 인쇄할 때 칩 커버가 없는 솔더의 가스 대부분이 표면에서 빠져나가고, 환류 후 두께는 약 50μm입니다. 1차 환류가 완료된 후 냉각되어 응고된 솔더 표면에 작은 사각형을 인쇄합니다(솔더 페이스트의 양을 줄이고, 가스 스필오버 양을 줄이고, 솔더 스패터를 줄이거나 없애기 위해). 두께가 50μm인 솔더 페이스트(위의 테스트 결과에서 100μm가 가장 좋으므로 2차 인쇄의 두께는 100μm입니다. 50μm=50μm)를 인쇄한 다음 칩을 장착하고 80초 동안 다시 인쇄합니다. 1차 인쇄 및 리플로우 후 솔더에 구멍이 거의 없고, 2차 인쇄의 솔더 페이스트가 작고 용접 구멍도 작습니다(그림 14 참조).
솔더 페이스트 2회 인쇄 후 중공 도면
4.3 용접공동효과 검증
2000개의 제품을 생산(첫 번째 인쇄 강철망의 두께는 75μm, 두 번째 인쇄 강철망의 두께는 50μm)하고, 다른 조건은 변경하지 않고, 500개의 QFN과 칩 용접 캐비티율을 무작위로 측정한 결과, 새로운 공정은 첫 번째 환류 후 캐비티가 없었고, 두 번째 환류 후 QFN의 최대 용접 캐비티율은 4.8%, 칩의 최대 용접 캐비티율은 4.1%였습니다. 원래의 단일 페이스트 인쇄 용접 공정 및 DOE 최적화 공정과 비교했을 때, 그림 15와 같이 용접 캐비티가 크게 감소했습니다. 모든 제품의 기능 테스트 후 칩 균열은 발견되지 않았습니다.
5 요약
솔더 페이스트 인쇄량과 환류 시간을 최적화하면 용접 캐비티 면적을 줄일 수 있지만, 용접 캐비티율은 여전히 높습니다. 두 가지 솔더 페이스트 인쇄 리플로우 용접 기술을 사용하면 용접 캐비티율을 효과적으로 극대화할 수 있습니다. QFN 회로 베어 칩의 용접 면적은 대량 생산 시 각각 4.4mm x 4.1mm와 3.0mm x 2.3mm가 될 수 있습니다. 리플로우 용접의 캐비티율은 5% 미만으로 제어되어 리플로우 용접의 품질과 신뢰성을 향상시킵니다. 본 논문의 연구는 대면적 용접 표면의 용접 캐비티 문제 개선에 중요한 참고 자료를 제공합니다.
