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정보통신 분야에서 디지털 네트워크 기술을 중심으로 혁신이 일어나고 있다. 하지만 한편으로는 환경에 대한 고려 또한 소홀히 할 수 없게 되었다. 이와 관련하여 실장 관련 학회나 기업 등에서 ‘무연 솔더’ 실장이 진행되고 있지만 완전한 기술 확립에는 이르지 못하고 있는 실정이다. 각 기업이 각자 대응하기에는 한계가 있고 공공기관에서 대응하기에도 경쟁업체간 공동작업을 위한 형식적인 부분도 존재하기 마련이다. 이 글에서는 일본 SMT연구회에서 공개한 무연 실장검사 자료를 소개한다.
무연 솔더 선정
무연 솔더용 원료를 선택하기 위해서는 ▲환경 상의 문제가 적을 것 ▲공급이 안정되어 있을 것 ▲전기와 열의 양도체일 것 ▲원료비용이 지나치게 높지 않을 것 ▲융점이 높지 않을 것 ▲기계적 강도를 충분히 얻을 수 있을 것 등을 고려할 필요가 있다. 따라서 현재 생산이 안정적인 Sn(주석)을 주성분으로 하여 융점과 강도 등의 특성 개선을 위한 제2, 제3의 원료를 첨가하고 있다. 현재 일반적으로 많이 사용되고 있는 첨가 원료로는 Ag(은), Bi(비스무트), Cu(구리), In(인듐) 등을 들 수 있다.
잘 알려진 무연 솔더의 문제점은 Sn-Pb 공정 솔더(Sn-37Pb: 융점 183℃)에 비해 융점이 30℃~40℃ 높다는 점이다. 이 문제의 해결을 위해서 비교적 융점이 낮은 Sn-Zn계 솔더 (Sn-9Zn: 융점 199℃)가 주목을 받고 있으며 일부 기업에서는 양산에 적용하고 있다.
그러나 Zn(아연)이 산화되기 쉬운 특성을 가지고 있기 때문에 솔더 페이스트로 사용할 경우 보존 안정성, 메탈 마스크 상에서의 수명 문제와 질소 분위기에서 솔더링해야 한다는 등의 문제점이 있어 범용으로 사용할 수 있기까지는 개선이 필요하다.
현재 무연 솔더로서 주목받고 있는 합금은 Sn-Ag-Cu계이다. 이 합금 솔더는 융점이 상승하긴 있지만, 사용 실적과 피로 특성이 양호해 실용화에 가장 가까운 무연 솔더의 하나로 평가받고 있다.
무연 솔더의 선정
솔더 융점이 납땜성에 미치는 영향을 확인하기 위해서 Sn-Ag-Cu계보다 융점이 약간 낮은 Sn-Bi-Ag계 및 Sn-In를 평가 대상으로 추가했다. 평가 솔더는 특수한 합금보다는 널리 알려져 있는 합금쪽이 결과의 비교검토가 용이하기 때문에 미국의 ITRI(International Tin Research Institute)가 개발하고 여러 기업에서 평가하고 있는 합금을 선택했다. 평가에 사용된 무연 솔더는 합금T(Sn-3.5Ag-0.5Cu, 용융 온도 약 221℃), 합금H(Sn-7.5Bi-2Ag0.5Cu, 용융 온도 183℃~212℃), 합금A (Sn-3.5Ag-3In-0.5Bi, 용융 온도 약 214℃)이다.
리플로 실장 기판의 설계
무연 평가용 실장기판은 양면에 부품을 탑재하여 열부하를 크게 했다. 리플로 온도 프로파일은 솔더링부가 솔더 용융 온도에 이르는 동시에 접합에 필요한 시간이 유지되고 있는가를 확인하는 수단으로, 실제로는 양산에 사용되는 기판에 부품이 탑재된 상태에서 접합부를 센서로 측정하는 것이 바람직한 방법이다. 그러나 탑재 부품이 없는 기판에서 측정되는 경우도 많이 있는데, 실제와 다른 온도에서의 측정은 실장 불량으로 이어질 수도 있다.
기판 온도의 편차를 평가하기 위해서는 실제 생산기판을 사용하는 것이 바람직하지만, 기판의 여러 가지 요인에 의해 조건이 달라지고 한꺼번에 평가하기도 어렵기 때문에 여기서는 리플로 장치에서의 기판 온도편차 평가 및 무연 실장용으로 새로운 기판을 설계했다.
출처 : 테크월드
탑재 부품 치수, 형태(mm)
SOP44핀 28.2×13.2
QFP240핀 32×32
CSP180핀 12×12
CSP280핀 16×16
알루미늄 전해 커패시터１ φ３
알루미늄 전해 커패시터２ φ6.3
알루미늄 전해 커패시터３ φ10
적층 세라믹 커패시터 1.0×0.5
기판에는 열부하가 큰 QFP(240핀) 2개를 나란히 하고, CSP(280핀) 및 CSP(180핀)와 SOP, ６φ 알루미늄 전해 커패시터 및 10φ 그리고 1005의 적층 세라믹 커패시터 등을 탑재하여 기판 내의 온도편차가 커지도록 했다. 또한 열부하가 큰 QFP를 나열하여 양끝의 리드부 온도가 올라가기 어려운 상태를 만들고, 1005를 중앙에 일렬로 늘어세워 양쪽에 있는 큰 부품의 영향을 어떻게 받는지 조사했다.
기판 설계는 앞뒤 양면에 동일 패턴을 설계하여 리플로 시 기판 뒤집힘을 방지했다. 그리고 기판 내 온도편차가 뚜렷해지도록 대형 부품의 레이아웃을 연구했다. 또 CSP에 대해서 실장 후 도통 시험이 가능하도록 데이지 체인(daisy chain) 대응 랜드를 사용했다. 실장시 사용하는 메탈 마스크는 첨가제(additive) 가공을 하여 두께 150미크론으로 했다.
실장 실험에 사용하는 리플로 장치는 엑셀리플로 ER-700CN으로, QFP(240핀)의 리드부 온도가 220℃, 230℃, 240℃가 되도록 리플로 조건을 설정하여 각각의 조건에서 실장 테스트를 실시했다.
무연 실장 테스트 샘플 해석
무연 실장 테스트는 리플로 조건을 QFP(240핀)의 리드부 온도 220℃, 230℃, 240℃로 하여 실시하고 그림 1과 같은 과정으로 테스트 샘플을 해석했다.
실장상태 관찰결과
실장상태 관찰 결과를 알기 쉽도록 표 1에 정리했다.
이 테스트 결과에서는 QFP(240핀)의 리드부 온도 220℃에서 접합상태가 불충분한 샘플이 많고, 실용 가능한 상태를 확보하기 위해서는 적어도 230℃가 필요하며 240℃까지 온도를 높이면 어느 크림 솔더라도 문제없이 접합할 수 있다는 것을 확인했다. 또한 저온의 경우에는 크림 솔더의 차이에 의한 접합상태의 차이가 잘 나타나고 있다. 융점을 넘은 230℃ 이상에서는 거의 같은 상태가 되는 것도 밝혀지고 있다.
흥미 있는 현상은 220℃~230℃ 영역에서 QFP(240핀) 리드부의 표면처리의 차이에 의해 접합상태가 달라지고, 현재 가장 많이 사용되고 있는 Sn-Pb 솔더 도금 처리 제품에서는 무연의 팔라듐 도금 처리 제품보다 용융 상태가 좋아지는 경향을 보인다는 점이다.
솔더 접합 상황
240핀 QFP, Sn-Pb 도금
이 테스트의 결과에 의해 저온 220℃에서는 접합상태가 불충분한 샘플이 많고, 실용 가능한 접합상태를 확보하기 위해서는 적어도 230℃가 필요하며 240℃까지 올라가면 어느 크림 솔더를 이용해도 문제없이 접합할 수 있다는 것을 확인했다. 특히 저온 영역에서는 크림 솔더의 차이에 의한 접합상태의 차이가 잘 나타나 있는데, 융점이 높은 합금T(융점 221℃)에서는 합금H(융점 212℃)나 합금A(융점 214℃)에 비해 접합상태가 나쁜 경향이 있지만 융점을 넘는 230℃ 이상에서는 거의 같은 경향을 보였다.
240핀 QFP, Sn-Pd 도금
여기서 재미있는 현상은 220℃~230℃ 영역에서 같은 QFP(240 핀)의 리드부라도 표면처리의 차이에 의해 접합상태(특히, 크림 솔더의 용융 상태)가 다르다는 것으로, 무연 Pd(파라듐) 도금 처리품보다 현재 일반적으로 사용되고 있는 Sn-Pb 솔더 도금 처리품에서 크림 솔더의 용융 상태가 좋아지는 경향을 보인다. 특히 융점이 221℃인 합금T는 220℃에서 불충분하지만 용융이 일어난다. 이것은 리드 표면의 Sn-Pb 솔더 도금에 함유된 Pb의 영향으로 크림 솔더의 고상 온도가 내려감에 따른 현상으로 판단된다.
180핀 CSP
CSP의 접합상태가 리플로 온도에 관계없이 모두 양호한 것은 단자(솔더볼) 자체가 Sn-Pb 솔더이고 인쇄된 크림 솔더보다 용량이 많으며 CSP 부분의 실제 리플로 피크 온도가 설정목표인 QFP(240핀)의 리드부보다 20℃~30℃ 높아졌기 때문으로 판단된다. 이 온도차에 의해 다른 부품과의 대등한 비교는 할 수 없지만, CSP 실장평가에서 무연 솔더볼을 사용한 샘플로 별도 테스트를 실시하고 있다.
알루미늄 전해 커패시터 Φ10
알루미늄 전해 커패시터(10π)의 접합 상태에서는 단자 표면처리가 Sn-Pb 도금임에도 불구하고 크림 솔더의 용융 상태가 비교적 나빠서 QFP(240핀)의 리드부 Pd 도금처리품과 같은 경향을 보였다. 이것은 부품 자체가 크고 솔더링부의 열효율이 나빴던 것도 있지만, 실험기판의 설계에서 커패시터 탑재 랜드의 치수가 통상의 설계보다 작았던 것도 확실하여 랜드 설계에 의한 솔더 용융 상태의 차이로 판단된다. 이로 인해 랜드 치수가 작은 만큼 크림 솔더가 녹기 어려워지는 것도 알 수 있다.
온도 사이클 시험 후 접합 상태
온도 사이클 시험(-65℃/30분~150℃/30분×300사이클) 후에 각 샘플 솔더 접합부 외관을 관찰하여 온도 사이클 시험 전과 비교한 결과를 표 2에 나타낸다.
합금H(Sn-Bi-Ag계: Sn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu 용융온도 약 183℃~212℃)를 사용한 220℃ 리플로 샘플에서 QFP(240핀)와 SOP(44핀)에 박리가 발생하고 있다. 이것은 모두 기판 위의 랜드와 솔더 필렛 사이(C모드)의 박리로 크림 솔더 중 Bi의 영향이라고 판단되는데, Bi의 편석 상태의 해석 등은 실시하지 않았으므로 박리된 곳이 리드와 솔더 필렛 사이(C모드)가 아니라 왜 솔더 필렛과 랜드 사이(C모드)인지는 불분명하다.
CSP에서 같은 조건의 샘플인 합금H(Sn-Bi-Ag계)를 사용하였지만, 볼 박리와 균열의 발생이 보이지 않았던 이유는 디바이스 사이즈가 작고 온도 사이클에 의한 응력을 잘 받지 않는 것도 있지만, 역시 부품 자체의 크기 차이에 의한 열용량 차로 인해 QFP(240핀)와 SOP(44핀)의 리드부보다 리플로 피크 온도가 20℃~30℃ 높아져 솔더의 초기 접합상태가 좋았기 때문이라고 판단된다.
온도 사이클 시험에 의한 솔더 접합부 박리
솔더 접합 강도
측정 방법은 그림 2에 나타낸 것처럼 리드부에 고리를 걸어 하중계로 장력 강도를 측정했다. 장력 강도 결과에서 온도 사이클 시험 후에 강도가 저하되는 경향이 모든 샘플에 있다는 것을 알 수 있었다. 특히 합금H(Sn-Bi-Ag) 사용시에 그 열화가 뚜렷했다. 이 때 파단 모드는 합금T(Sn-Bi-Ag)와 합금A(Sn-In)에서는 모두 C모드(기판 랜드~솔더 필렛 간 박리)인데, 앞서 설명한 크림 솔더 중의 Bi 편석이 랜드와의 접합부에 집중돼 있을 것으로 예상되지만 확실치 않다.
리드 장력 강도 시험 파괴 모드
리드 표면처리의 Pd 도금 처리품과 Sn-Pb 도금 처리품을 비교한 경우, 합금H(Sn-Bi-Ag)와 합금A(Sn-In)에서는 Sn-Pb 도금 쪽의 강도가 높은 것에 비해, 합금T(Sn-Ag-Cu)에서는 역으로 Pd 도금 쪽이 강했다. 초기 샘플 비교에서, 합금T의 파단 모드는 Pd 도금에서는 A모드(리드 파단) 또는 B모드(솔더 필렛~리드 간 박리)이었는데 반해, Sn-Pb 도금에서는 거의 C모드이다(온도 사이클 시험 후에는 모두 B모드가 된다). 특히 Sn-Pb 도금에 대해서는 합금A(Sn-In)를 사용하면 강도가 높아지는데, 일반적으로 합금A(Sn-In) 중의 In과 Pb은 조화가 잘 되는 것으로 알려져 있다.
이상과 같이 접합 강도와 박리 모드에 각각 큰 특징이 보이지만, 이 실험범위 내에서는 그 상세한 메커니즘까지 규명하고 있지 않다.
부품 손상 관찰
리플로 가열로 부품 손상이 현저했던 알루미늄 전해 커패시터의 외관을 보면, 리플로 온도의 상승이 탑재 부품에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. QFP(240핀)와 SOP(44핀)에 대해서는 실험범위 내에서 외관 변화(패키지 부풀림이나 균열)가 관찰되지 않았지만 내부 해석까지는 하지 않았다. CSP 내부 해석결과는 뒤에 정리한다.
측정기를 이용한 융점 측정
리드를 절단하여 50℃~350℃(대기중)까지 분 당 10℃씩 상승시켜 융점 측정을 실시했다.
단자 표면처리의 차이에 의한 솔더 용융성의 차이를 확인하기 위해 시차주사열분석기로 QFP(240핀)의 Sn-Pb 표면처리품 및 Pd 도금 처리품의 합금T(Sn-Bi-Ag)에 의한 리플로 솔더링 후의 리드부 융점 측정을 실시했다.
이 측정결과에서 Sn-Pb 도금 샘플이 Pd 도금 샘플에 비해 고상 온도가 10℃ 낮은 값을 보이고 있으므로 표면처리의 차이에 의해 융점에 차이가 발생한다는 것을 확인할 수 있다.
실험에 사용된 합금T(Sn-Bi-Ag)는 융점이 약 221℃인데 220℃에서 용융을 확인할 수 있었던 것은 고상 온도가 내려갔기 때문이며, Sn-Pb 도금 처리품의 Pb의 영향일 것으로 판단된다.
180핀 CSP 도통 점검
직류 연결 방식을 이용하여 온도 사이클 시험 전후의 도통 체크를 실시했다. 이 결과에서 온도 사이클 후에도 들뜸이 발생하지 않으므로 양호한 접합상태라고 판단된다.
각 테스트 샘플(초기)의 솔더볼 접합상태를 테스트한 결과, 온도 사이클 후에도 들뜸이 발생하지 않아 양호한 접속상태였다. CSP 부분의 피크 온도는 250℃ 정도로 추측되기 때문에 모든 샘플이 문제없이 접합되어 있다는 것이 확인됐다.
내부 손상 해석
이 테스트에 의해 CSP 보디에 외관적인 팽창이나 균열 등의 손상은 보이지 않았으므로 초음파주사현미경(SAT)으로 내부 박리 해석을 실시했다. 또한 이 CSP 샘플은 전처리로 30℃/ 70%RH×168h의 항온고습조 투입에 의한 흡습처리를 하였다. 관찰결과 이 리플로 조건에서는 패키지 내부에도 박리 등의 손상은 보이지 않았다.
이상의 결과로 이 리플로 조건에서 검토 샘플이었던 Pb 리플로 CSP 실장에 대해서는 실장성 및 부품의 신뢰성이 모두 양호한 상태라고 말할 수 있다.
정리
① 무연 크림 솔더 사용시 리플로 피크 온도는 적어도 230℃ 이상 필요하고 240℃까지 상승하면 문제없이 양호한 실장이 가능한 것으로 판단된다.
② 이 테스트에서 사용한 ‘크림 솔더’는 장기 실장 신뢰성면에서 합금T 및 합금A에 비해 합금H는 크게 뒤떨어지기 때문에 추천할 수 없다고 판단했다. 또 합금A는 실장강도는 우수하지만 희소 원소인 In을 함유하고 있고 Bi의 영향도 우려되기 때문에 일반적인 사용에는 적합하지 않다고 판단되어 합금T의 사용에 의한 무연 실장기술의 확립이 가장 좋을 것으로 판단된다.
③ 단자 표면처리나 기판의 랜드 설계가 솔더 용융이나 실장강도에 미치는 영향이 크기 때문에 ②의 견해는 일반적인 것이고, 종합적인 기술평가에 의한 조건설정이나 설계가 필요하다. 특히, 단자 표면처리에서 실험에 사용된 Pd 도금이 무연화 대책으로 이미 일반화돼 있지만, 현재 부품 제조업체에서는 Sn계의 무연 솔더 도금(Sn-Ag, Sn-Ｂi, Sn-Cu 등)의 개발이 진행되고 있어 앞으로 널리 양산될 것으로 전망된다. 그러나 Sn계 무연 솔더 도금은 사용 크림 솔더의 의존성이 큰 것으로 알려져 있어 최종적으로는 각각의 조건이나 설계를 끝까지 확인할 필요가 있다.
④ 이번 실험에서는 기판 상의 온도편차(실험 기판에서는 QFP 리드부의 CSP 하면과의 온도차)를 문제시 했다. 이 편차는 적은 것이 바람직하지만 가열 안정성이나 열응력을 감소시키기 위해서는 어느 정도 온도차가 있더라도 안전율이 높은 것이 바람직하다.
리플로부의 온도를 20℃~25℃ 높게 할 필요가 있기 때문에 온도차를 가능한 한 억제하는 실장조건이 요구되고 있으므로 가열 응력이 적은 리플로 장치와 내열 신뢰성이 있는 탑재 부품이 반드시 필요하다.
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