툼스토닝 최소화

여러분, 

이 게시물은 Indium Corporation의 The Printed Circuits Assemblers Guide to Solder Defects에서 발췌한 것입니다.

서론

인쇄 회로 기판(PCB) 문제는 도전이 될 수 있지만 모든 문제가 툼스토닝과 같이 PCB를 초기 무덤으로 보낼 수 있는 것은 아닙니다. 툼스토닝은 수동 부품의 반대쪽에서 솔더 페이스트가 녹는 동안 생성된 불균등한 표면 장력으로 인해 발생합니다. 이러한 불평등한 힘으로 인해 패시브 구성 요소의 한쪽 끝이 들리고 회로와의 접촉이 끊어져 묘지의 묘비와 매우 유사하게 보입니다(그림 1 참조).

그림 1: 툼스토닝된 커패시터 구성 요소입니다.

툼스토닝 메커니즘

다양한 요인이 툼스토닝에 기여합니다. 툼스토닝은 거의 항상 구성 요소 종단의 불균등한 습윤력의 결과입니다. 한쪽 끝이 다른 쪽보다 먼저 "습윤"되면 이제 솔더의 불균등한 습윤력이 구성 요소를 "당기고" 회전시켜 끝에서 서 있게 합니다. 또한 PCB 어셈블리의 불균일한 가열로 인해 툼스토닝이 발생합니다. 인쇄 배선 기판(PWB)이 리플로우 오븐을 통과할 때 패시브 부품의 앞쪽이 먼저 가열되는 경우가 많습니다(그림 2에서 패시브 부품의 왼쪽 참조). 이 불균일한 가열로 인해 열원에 가장 가까운 솔더 페이스트 침전물(그림 2의 왼쪽)이 먼저 녹습니다. 이 솔더가 녹으면서 표면 장력으로 인해 그림 1과 2에서 볼 수 있듯이 패시브가 똑바로 서게 됩니다.

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그림 2: 툼스토닝의 상세 메커니즘.

솔더 합금

툼스토닝을 최소화하는 한 가지 방법은 녹을 때 "반죽" 즉, "소성" 범위가 큰 솔더 합금을 사용하는 것입니다. 소성 범위는 솔더가 녹고 고체가 되는 온도 범위입니다. Sn63/Pb37 솔더와 같은 공정 솔더의 경우 솔더가 183°C 바로 아래에서 완전히 고체이고 183°C 바로 위에서 완전히 액체이기 때문에 소성 범위가 없습니다. Sn62 또는 Indalloy®100과 같은 SnPbAg 합금은 증대된 소성 범위로 인해 납 함유 어셈블리의 툼스토닝 문제를 제거하는 데 널리 사용되었습니다. 

무연 솔더에서, SAC3510(Sn/3.5Ag/1Cu)은 소성 범위가 좁은 반면, SAC305는 그 범위가 더 넓습니다. 따라서 SAC305의 거동은 그림 3과 같습니다. 툼스토닝을 최소화하는 측면에서 정말 더 낫습니다. 그림 3은 툼스토닝 비율을 결정하기 위한 실험 결과를 보여줍니다. SAC3510의 툼스토닝 비율은 SAC305의 6배 이상입니다. SAC305는 가장 일반적인 무연 합금 중 하나이기 때문에 무연 시대에 툼스토닝 발생이 크게 감소했습니다.

그림 3: SAC305 이외의 툼스토닝 합금 비교. 녹색 막대는 무연 합금이고 검은색 막대는 납 함유 합금입니다

보드 디자인

제조 엔지니어가 설계 엔지니어와 긴밀히 협력하여 PCB 제조의 문제와 결함을 제거하는 것이 매우 중요합니다. 툼스토닝은 적절한 설계로 문제를 제거할 수 있는 결함 중 하나입니다. 보드 설계에서 패시브 부품의 한 면 아래 또는 근처에 방열판(예: 구리 층)이 있고 다른 면은 더 멀리 떨어져 있는 경우, 방열판이 어셈블리의 열 평형에 영향을 미칠 수 있습니다. 방열판이 없는 쪽의 솔더 페이스트가 먼저 액상이 되어 툼스토닝 결함을 일으킬 수 있습니다.

스텐실 디자인

PCB 패드에 인쇄된 솔더 페이스트의 양을 최소화하면 툼스토닝도 줄어듭니다. 패시브의 끝 바로 뒤에 인쇄된 솔더의 양을 줄이는 것이 특히 도움이 되며, 이는 거의 모든 툼스토닝 현상을 제거합니다. 이 목표를 달성하는 데 도움이 되는 일반적인 스텐실 디자인이 그림 4에 나와 있습니다. 일부 실험에서 이 디자인은 툼스토닝을 완전히 제거했습니다.  

그림 4: 0402 패시브에서 툼스토닝을 최소화하는 스텐실 설계.

인쇄

인쇄 프로세스 및 이송 효율성은 툼스토닝을 포함하여 많은 최종 라인 결함의 핵심 구성 요소입니다. 패시브 부품의 한 면에 다른 면보다 더 많은 솔더 페이스트가 있는 경우, 부품은 더 높은 증착물에만 접촉하는 위치에 배치될 수 있습니다. 이로 인해 툼스토닝 결함이 발생할 가능성이 큽니다. 솔더 페이스트 검사(SPI) 장비를 사용하면 솔더 페이스트 침전물이 사양 내에 있고 한 침전물이 다른 침전물보다 높지 않은 지 확인하는 데 도움이 될 수 있습니다. 구멍 크기와 모양을 최적화하면 패드 사이의 솔더 페이스트 체적 변화를 최소화하는 데에도 도움이 됩니다.

배치

배치력 및/또는 부적절한 Z-높이는 종종 툼스토닝이 발생하는 원인이 될 수 있습니다. 배치 압력과 Z 높이가 어셈블리에 적합하고 생산 전에 최적화되었는지 확인하는 것이 중요합니다. 부품을 배치할 때 비뚤어질 수도 있습니다. 솔더는 자동 정렬되는 경향이 있지만 구성 요소가 잘못 배치되고 정렬되지 않으면 툼스토닝이 발생할 수 있습니다.

리플로우

툼스토닝을 최소화하는 한 가지 방법은 램프 속도를 점진적으로 증가시켜 리플로우 동안 총 열 입력을 줄이는 것입니다. 그러나 이 조건은 리플로우 오븐에서 달성하기 어려울 수 있습니다. 또 다른 옵션은 소크 유형 리플로우 프로필을 사용하여 두 솔더 페이스트 침전물 사이의 열 평형을 달성하여 두 침전물이 동시에 액상 상태에 들어가도록 하는 것입니다.

소성 범위가 없는 솔더를 피하는 것 외에도 리플로우 오븐의 질소 대기는 질소가 습윤 속도를 증가시키고 표면 장력이 더 빠르게 나타나도록 하기 때문에 툼스토닝을 악화시키는 경향이 있습니다. 보드에 미세 기능 솔더 페이스트 침전물 또는 PoP(Package-on-Package) 어셈블리가 없는 한, 대부분의 최신 솔더 페이스트는 공기 리플로우 상태에서 기능을 잘 발휘할 수 있으므로 질소를 사용할 이유가 없을 것입니다.

결론

이 문서에 제시된 지침을 따르면 툼스토닝을 최소화할 수 있습니다. 툼스토닝을 최소화하는 신뢰할 수 있는 방법은 Indalloy®100(납 함유) 또는 SAC305(무연)와 같이 소성 범위가 큰 솔더 합금을 사용하는 것입니다. 패시브 구성 요소의 한 면 근처 또는 아래에 방열판을 최소화하기 위해 보드 설계자와 솔직하게 대화를 계속하는 것도 중요합니다. 고상선에서 액상선으로 천천히 이동하는 리플로우 솔더링 온도 프로필을 사용하거나 담금으로 열 불일치를 최소화합니다. SPI를 통합하여 솔더 증착물이 비슷한 높이와 사양 내에 있도록 하고 특히 패시브의 두 끝에서 작은 솔더 증착물을 인쇄합니다. 배치 압력과 Z 높이가 적절하고 부품이 비스듬히 배치되지 않았는지 확인하십시오. 리플로우 오븐에서는 질소를 사용하지 마십시오. 우수한 솔더 페이스트를 사용하면 불필요하고 툼스토닝을 악화시킵니다.

감사합니다,

론 박사