|
WEEE/RoHS 지령에 기반하여 가전업체를 중심으로 무연 솔더 제품이 시장에 확대되면서 차량용 전자기기에서도 유럽 ELV 지령을 달성하기 위한 무연화가 진행되고 있다. 후지쯔에서도 2003년부터 자동차 메이커를 위한 내비게이션 제품부터 리플로 공법을 이용한 무연 솔더의 실용화를 추진하여 2004년에는 차량 제어기기의 무연 솔더 채택을 실현, 플로 공법을 포함한 완전 무연 제품의 시장투입을 진행해 왔다. 차량용 제품의 신뢰성을 확보하기 위해서는 무연에 대응하는 납땜 공법의 확립, 부품 선정, 평가 및 교환, 설계요건의 확립이 필요하다. 이에 대한 체제 및 대책에 대해 소개한다.
WEEE/RoHS 지령이나 유럽의 ELV 지령을 비롯한 지구환경 보존을 위한 제품이 요구되고 있다. 현재 환경 대응에 관한 각종 법규가 제정되고 있고, 업계에서도 여러 가지 환경 대응을 실시하고 있다. 그 중에서도 차량용 제품의 무연화는 중요한 과제 중 하나다.
후지쯔에서는 제품의 실장형태가 양면 리플로화 됨에 따라 2003년에 내비게이션용 제품부터 무연 솔더를 이용한 리플로로 시장투입을 시작했다. 2004년부터는 차량 제어기기에 무연 리플로 납땜 실장을 하고, 내비게이션 제품으로 2005년에 리플로, 플로 공법을 포함한 완전 무연 솔더를 이용한 제품을 시장에 투입하기 시작했다.
무연화 과제
무연 솔더(Sn-Ag-Cu)는 합금 융점과 젖음성, 물성치 등이 기존의 Sn-Pb 솔더와 달라서 기존의 납땜 공법을 사용할 수 없다. 차량용 제품은 가전 제품에 비해 온도나 습도 환경이 까다롭기 때문에 기판의 고밀도화에도 대응해야 한다. 제품의 무연화를 실용화하기 위해서는 무연에 대응한 납땜 공법 확립, 부품 선정, 평가 및 교환, 설계 요건의 확립이 필요하다.
대응체제
제품의 무연화에는 사용되는 전자부품 전극의 납 플로화와 솔더 재료의 무연화 두 가지가 있다. 무연화를 실현하기 위해서는 무연화 변경 과도기에 많은 양의 부품 무연화가 필요하므로, 부품 평가를 빠짐없이 실시할 필요가 있다.
부품 정보의 일원화에 대해서는 부품 정보의 하나인 부품인정(설계평가, 실장평가, 구입처 지도 등 각 부문의 평가결과에서 채택 여부를 인정) 시스템에 무연 대응이 가능한 지를 등록할 수 있도록 변경하여 설계심사를 부품 프로젝트실에서 실시했다. 대상 부품은 현재 사용하고 있는 부품 및 채택 예정인 부품이 무연 대응하고 있는 지를 새로운 인정 기준에 근거하여 판단했다.
인정 기준에서는 부품 도금이 변하는 변화점부터 솔더 젖음성이나 부품 내열성을 재료개발 부문과 제조기술 부문에서 검토하여 기준을 재고했다. 솔더의 접합 수명에 대해서는 설계 부문의 평가해석 결과부터 새로운 선정 가이드라인을 설정했다. 인정된 부품에 대해서는 설계 부문과 조정하면서 부품을 변경하여 표준 부품을 2004년도 말부터 교환을 할 수 있었다.
부품 교환에 있어서는 재료를 교환한 경우에 접합 품질에 영향이 있으므로 부품 전극의 무연화를 실행하여 진행하고 있다.
지금까지 서술한 평가결과와 부품의 교환 상황은 사내 시스템의 부품 정보를 검색함으로써 볼 수 있도록 되어 있다. 무연 대응 상황을 부품 품번마다 확인할 수 있고, 각 설계자가 제품 설계에 반영할 수 있다.
이 활동을 통해 부품의 무연화 교환을 계기로 중복 부품의 일체화나 부품 도면 품질향상 등을 실현할 수 있었다.
표준 부품과 같이 인쇄 배선판도 공통성이 높고 제품 신뢰성에 영향도 크기 때문에 공통 부문에서 평가, 관리가 필요하여 부품 프로젝트실의 역할로 기판 인정 업무를 연구, 업무 일체화와 효율화를 도모했다.
부품 프로젝트실은 2005년 3월 말에 해산됐지만, 부품 관리 및 기판 인정에 대한 업무는 설계 관리실에서 인수받아 계속하고 있다. 이러한 대처체제로 어떻게 기술과제에 대해 해결책을 진행할 것인가에 대해 소개한다.
기술과제에 대한 대책
제품의 무연화 기술과제로 납땜 플로 공법의 확립, 플로 납땜 조건 설정, 설계요건, 부품의 평가기준, 부품 솔더 접합수명 및 기판 내열대책을 소개한다.
플로 공법의 확립
플로 솔더 재료를 Sn-Pb 솔더에서 무연 솔더로 변경함으로써 납땜 문제점이 발생한다. 이들 문제는 각각이 상반된 것도 있어서 문제의 해결에는 납땜 설계나 납땜 조건, 부품 도금의 변경 등 다방면의 접근이 필요하다.
무연 플로 납땜에서는 솔더 오름 개선에 납땜 온도의 상승이나 담금 시간의 연장이 효과적이지만, 랜드나 스루홀 부의 도금 박리나 구리 부식이 증가하여 신뢰성 저하를 초래하게 된다.
먼저, 이 솔더 오름과 구리 부식, 스루홀부 도금 박리에 대해 설명한다.
기존 플로 납땜 장치에서는 기판 전면에 분류하여 솔더를 바르는 딥(DIP) 플로 방식과 국소적으로 솔더를 바르는 노즐 방식의 두 종류가 있다. 원래는 이 두 방식에 대해 조건이 최적화된 검토를 진행했으나, 어느 방식으로든 만족스런 결과를 얻을 수 없었다.
솔더 오름과 구리 부식을 모두 낮추기 위해서 ‘기판의 열전달 효율’을 높이는 한편, 솔더 부식에 큰 영향을 미치는 ‘솔더 유속’을 억제하는 새로운 공법을 개발했다.
솔더 오름과 구리 부식량을 낮추는 공법의 개발을 통해 차량용 제품에 무연 플로 납땜을 실용화 할 수 있었다. 또 납땜 조건에 따라 스루홀부의 도금 박리가 현저하게 발생하는 것을 확인했다. 이것은 납땜 온도가 높아짐으로써 솔더 냉각 시 수축량이 커지는 것과, 솔더 재료의 물성치가 공정 솔더에 비해 단단해져 스루홀부의 도금 박리가 발생한 것으로 판단된다.
스루홀 도금 박리율을 신뢰성 결과로 판단 기준을 설정하여 납땜 조건(온도, 시간)을 관리함으로써 제품의 신뢰성을 확보하고 있다.
다음으로 솔더 재료와 부품 전극 도금 무연화에 따른 주석의 재결정화에 의한 위스커(whisker) 발생에 대해 설명한다. 전극 도금 위스커에 대해서는 현재도 연구가 진행되고 있다.
플로 납땜에서 랜드 에지 부분에 위스커가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 랜드와 기판의 경계 부분에 솔더가 얇아져 있는 부분에서 발생되었다. 위스커 발생 메커니즘으로 추정하고 랜드부를 오버레지스트화 함으로써 기판 말단 부분을 노출시키지 않는 대책을 마련했다.
부품의 솔더 젖음성과 내열성
▶ 부품의 솔더 젖음성
솔더 접합강도를 보증하기 위해서 모재와 접합면에 적절한 합금층이 형성될 필요가 있다. 단자 도금 납땜성에 대해서는 솔더 재료가 Sn-Pb 솔더에서 무연 솔더로 바뀜으로써 솔더 젖음성이 저하되는 것으로 판단된다.
그리고 부품 전극 도금의 경시 변화에서 납땜성의 저하가 우려되어 기존의 보관 관리방법 적용 가부를 확인할 필요가 있다. 또 같은 구성의 전극 도금이라도 부품 업체에 따른 차이도 있다. 이와 같이 변화를 정량적으로 파악하여 솔더 젖음성을 확보했다.
메니스코그래프(meniscograph(wetting balance))에 의한 솔더 젖음성 평가는 급가열 승온법을 이용하여 평가했다.
부품 전극 도금의 경시 열화는 표면산화막의 성장에 의한 요인이 크고 보관 한도의 상태에서도 솔더 젖음성이 변하지 않아야 한다.
평가방법으로, 우선 보관기간 한도에서의 산화막 두께를 고온고습 방치에 의해 발생시켜 그 시간을 전처리 조건으로 설정했다. 다음으로 Sn-Pb 솔더, 무연 솔더에 대해 미처리 제품과 전처리제품의 제로크로스 시간, 젖음력을 측정한다. 각각의 측정치가 기준 범위이면서 전처리 전후로 변화율이 기준 범위에 있으면 보관을 포함한 솔더 젖음성을 유지할 수 있다고 판단할 수 있다. 기준을 만족시키지 못하는 경우, 대체 부품이 없는 경우에는 부품 업체에 도금 열화 요인을 조사·해석하여 개선했다.
▶ 부품의 내열성
리플로 납땜 부품의 경우, 솔더 재료가 Sn-Pb에서 무연 솔더로 바뀜으로써 솔더 융점 상승에 의해 솔더 용융 하한 온도부터 리플로 피크 온도 폭이 좁아져 기존의 가열방식으로는 관리할 수 없다. 따라서 부품의 내열을 높일 필요가 있기 때문에 부품 업체에 요구하고 있다. 동시에 기판 내를 균일하게 가열 제어할 수 있는 리플로 오븐으로의 변경과 리플로 프로파일의 최적화를 해 왔다. 또 제품설계에서 부품 배치를 연구함으로써 기판 내 온도의 균일화를 검토하거나 부품 사이즈나 부품 구조에서 오는 열용량의 차이부터 내열 정도를 재검토함으로써 채택할 수 있는 부품을 확대해 가고 있다.
플로 납땜 부품의 경우에도 똑같이 부품 내열을 높일 필요가 있고, 커넥터에서는 하우징 수지 재료를 SPS 등의 고 내열재로 변경할 필요가 있다.
솔더 접합 수명 보증
무연화에서 신규로 채택되는 모든 부품 접합신뢰성 시험을 각각 하게 되면 많은 수고와 시간이 소요된다. 따라서 제품설계자가 접합신뢰성을 만족하는 부품을 선택하기 위한 선정 기준 맵을 작성하고 평가효율화를 꾀했다.
차량용 제품에서 솔더 접합 수명을 확보할 수 있는 부품을 확인하기 위해 제품의 사용 온도범위와 부품 사이즈를 편차로 하는 온도 사이클 시험에 의한 솔더 접합 수명평가를 실시하고 동시에 수명 예측 시뮬레이션을 실시함으로써 편차의 영향 정도를 검증했다.
그 결과 차량 내부부터 엔진룸 내 탑재에 이르는 사용환경의 변화와 차량의 사용상태에 대한 제품의 온도변화와 빈도에 의해 솔더 접합부의 신뢰성이 얼마나 열화되어 가는 지의 수명선을 얻을 수 있었다. 이 수명선으로 접합부의 성립성을 검토하는 열가속 계수와 신규 부품의 솔더 접합수명을 예측할 수 있게 되었다.
신규 부품을 평가하는 경우에는 사양서 등에서 부품 형상을 모델화 하여 시뮬레이션을 하는 시뮬레이션 값(Δε)을 구하고 수명선에 맞춤으로써 솔더 접합수명을 예측할 수 있다.
앞으로 채택될 가능성이 있는 대표 부품의 신뢰성 시험결과와 부품 형상을 편차로 한 실험계획법을 이용한 시뮬레이션으로 부품 형상에 의한 수명영향도 파악과 접합수명을 예측하고, 영향도가 큰 편차에 대해 부품 선정 기준 맵을 작성했다. 이와 같이 부품 선정의 가이드라인을 설정하고 부품 검토 단계부터 실장 품질을 만들어내고 있다.
기판의 내열성
솔더 재료의 무연화로 납땜 온도가 상승하지만, 이 온도는 기재의 Tg점보다 높은 영역이기 때문에 Sn-Pb 솔더 이상으로 기판에 열적 부하가 걸린다. 따라서 무연 솔더 열 프로파일을 고려한 기판의 각종 신뢰성 시험을 실시한 결과, 일부 기판에서 기재의 내열 부족에 의해 마이그레이션 발생이 확인됐다.
열 프로파일에 의한 글래스크로스(glass cloth)와 에폭시 수지의 계면에 간격이 발생하여 고온고습 환경 하에서 수분이 맺혀 전압인가 시, 마이그레이션이 발생하는 것으로 판단이 되었다. 기판의 인정평가에서는 열 프로파일을 고려한 시험을 추가함으로써 무연 제품의 신뢰성 확보를 할 수 있었다.
기타 방법~저융점 솔더 재료 개발
부품 내열에서는 업체와의 협력 속에서 대응해 왔지만, 아직 일부 미달인 부품도 있다. 부품의 내열 완화를 목적으로 하여 융점을 공정 솔더에 조금 가까운 저융점 솔더의 실용화에도 착수하고 있다.
무연 솔더의 저융점화에는 Bi, In을 첨가한 방법이 일반적이다. 각종 재료의 기계특성, 온도특성 및 화학적 성질면에서 In계의 저융점 솔더를 검토했다.
In계 첨가에 의한 부정적 결과로 고온 시 솔더가 변형된다는 문제가 발생하기 때문에 동작 보증 온도에 주의할 필요가 있다. 제품의 자기발열을 고려하여 차량 신뢰성을 확보할 수 있는 In계 첨가량을 구하여 합금 조성을 결정했다. 개발된 재료는 Sn-Ag-Cu계 솔더와 동등 이상의 특성을 가지고 있었다. 현재 In 자체 비용이 비싸고 부품 내열 대책 비용에 대한 효과를 얻을 수 없어서 실용화에는 이르지 못하고 있다
.
결론
지금까지 제품의 무연화 기술과제로 납땜 플로 공법의 확립, 플로 납땜 조건설정, 설계요건, 부품의 평가기준, 부품의 솔더 접합수명 및 기판 내열에 대한 대책에 대해 소개했다.
후지쯔는 리플로, 플로 공법에 의한 전 공법에서 무연화를 도입하게 되며 순차적으로 확대해 나갈 계획이다. 또 차량용 제품의 일부는 탑재 장소가 기존의 차량 내부에서 엔진룸 내부나 엔진에 직접 탑재하는 등의 고온 환경에 적용되어 부품이나 기판에 더욱 고기능화·소형화에 의한 고밀도 실장이 요구되고 있다. 이들 제품에 있어서도 무연화가 필요하기 때문에, 이 글에서 소개한 차량용 제품 신뢰성 확보에 대한 대책을 기반으로 계속적인 연구개발로 기술수준을 높여 자동차 기술 개발에 기여할 필요가 있다.
출처 : 테크월드 SMT/PCB |