그레이핑 최소화

여러분, 

이 게시물은 Indium Corporation의 인쇄 회로 조립공을 위한 솔더 결함 안내서에서 발췌한 것입니다.

서론 

개인용 전자 장치의 성장은 계속해서 더 소형의 능동 및 수동 전기 부품에 대한 요구를 끌어내고 있습니다. 이러한 소형화 추세는 RoHS 준수 무연 어셈블리에 대한 요구와 함께 그레이핑 효과를 비롯한 더 많은 문제들을 야기했습니다.

솔더 페이스트 침전물의 크기가 감소함에 따라 노출된 솔더 입자의 상대적인 표면적이 증가하고 표면 산화물을 제거하는 데 사용할 수 있는 플럭스의 양이 감소합니다. 이를 합성하면 대부분의 무연 솔더를 리플로우하는 데 필요한 추가 열이 발생하여 그래핑 현상을 낳는 데 도움이 되는 공식이 형성됩니다. 가열 공정 중에 플럭스 점도가 감소하고 아래쪽과 바깥쪽으로 퍼지기 시작하면, 솔더 입자가 솔더 페이스트 침전물의 상단에 노출됩니다. 근처에 플럭스가 없으면, 솔더 페이스트가 램프 또는 리플로우 소크 단계에 들어갈 때 이러한 솔더 입자가 산화될 수 있습니다. 이러한 산화물은 솔더가 액상 상태일 때 입자가 균일한 솔더 조인트로 완전히 유착되는 것을 억제합니다. 리플로우되지 않은 입자는 종종 그림 1에서 볼 수 있는 것처럼 포도 송이 모양을 나타냅니다.

그림 1. 그래핑 효과.

스텐실 인쇄

면적 비율(AR)은 성공적인 스텐실 인쇄의 중요한 척도입니다. 이는 스텐실 구멍 면적을 구멍 측벽의 면적으로 나눈 것입니다. 그림 2는 정사각형/직사각형 및 원형 구멍에 대한 개략도를 보여줍니다. 간단한 계산으로 AR이 원의 직경(D)을 스텐실 두께(t)의 4배로 나눈 값 즉, AR=D/4t로 간단하게 되었음을 알 수 있습니다. 다소 놀랍지만, 결과는 정사각형 구멍에 대해서는 동일하며 이제 D는 정사각형의 변과 동일합니다. 직사각형 구멍의 AR의 경우, 공식은 ab/2(a+b)t와 같이 조금 더 복잡한데, 여기서 a와 b는 직사각형의 변입니다.

그림 2. 직사각형 및 원형 구멍의 개략도.

우수한 스텐실 인쇄를 얻기 위해서는 AR이 0.66보다 커야 한다는 것이 업계의 통념입니다. AR이 0.66 미만이면 전달 효율이 낮고 불규칙할 수 있지만, 솔더 페이스트 기술의 발전으로 개선되었다고 합니다.

전달 효율성

또 다른 중요한 스텐실 인쇄 척도인 전달 효율성은 솔더 페이스트 침전물의 부피를 구멍의 부피로 나눈 값입니다. 미세한 스텐실 인쇄를 수용하기 위해 인쇄 공정을 최적화하려면, 더 미세한 분말을 함유한 솔더 페이스트를 찾는 것은 당연합니다. 하지만, 솔더 페이스트 내 분말 입자의 크기가 감소함에 따라 상대적으로 노출 표면적이 증가합니다. 이러한 표면적 증가와 함께 총 표면 산화물도 증가합니다. 이러한 표면 산화물 증가로 인해 플럭스 화학 물질은 전체 리플로우 공정 동안 산화물을 제거하고 분말, 구성 부품 및 기판 금속화의 표면을 보호하기 위해 더 강력하게 작용해야 합니다.

3mil 두께의 스텐실에서 6mil 정사각형 구멍의 AR은 6mil 원형 구멍의 AR과 동일합니다. 0.50. 그러나 두 개를 비교할 때, 정사각형 솔더 페이스트 침전물 부피는 원형 침전물 부피(85 입방 mil)보다 큽니다 (~108 입방 mil). 정사각형 구멍이 제공하는 추가 솔더 페이스트 침전물 부피는 그레이핑을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 더 중요한 것은 정사각형 구멍이 제공하는 향상된 전달 효율성입니다. 정사각형 구멍 디자인은 보다 일관된 전송 효율성을 제공하여 균일하지 않은 침전물이 더 적은 양을 의미할 수 있으므로 그레이핑 가능성을 더욱 줄입니다.

SMD 패드 대 NSMD 패드

솔더 마스킹 실험의 결과는 그래핑 효과가 솔더 마스크 한정(SMD) 패드에 대해서는 덜 널리 퍼진 것으로 나타났습니다. 솔더 마스크는 장벽(댐)을 제공하여 가열 공정 동안, 플럭스의 확산을 제한하고 플럭스의 잠재적 가용성을 증가시켜 산화물을 제거하고 추가 산화로부터 보호하는 것으로 여겨집니다. 솔더 마스크는 근접한 솔더 페이스트 분말 입자를 추가 산화로부터 보호하는 장벽 역할도 할 수 있습니다.

수용성 대 무세척

무세척 플럭스는 일반적으로 로진/수지 기반(이하 수지로만 지칭) 물질입니다. 수지는 수용성 플럭스에 사용되는 용매에 잘 녹지 않기 때문에 일반적으로 수용성 플럭스에서는 폴리머와 같은 큰 분자 화합물로 대체됩니다. 플럭스 내의 활성제는 접합 표면의 현재 산화물과 솔더 페이스트 자체 내의 솔더 페이스트 분말 입자를 제거합니다. 추가 산화/재-산화는 가열 단계에서 발생합니다. 무세척 플럭스의 수지는 우수한 산화 장벽이며 재 산화를 방지하는 반면, 수용성 플럭스는 수지 부족으로 인해 내산화성이 부족합니다.

따라서 동일한 리플로우 프로필의 경우, 수용성 플럭스가 일반적으로 더 활동적이지만 수용성 플럭스의 산화 저항이 낮기 때문에 긴 프로필 및/또는 고온 프로파일에서 더 민감하여 그레이핑 결함 발생 가능성이 높아집니다.

램프 투 피크 (Ramp-to-Peak) 대 소크 (Soak)

수년 동안 "소크 유형" 리플로우 프로필이 널리 보급되었습니다. 그러나 시간이 지남에 따라 선호하는 리플로우 프로필로서, 업계 관심이 RTP(Ramp-to-Peak)로 이동했습니다. 이러한 변화에 관심을 집중한 이유는 무연 솔더와 관련된 더 높은 리플로우 공정 온도는 물론, 더 작은 페이스트 침전물과 온도에 민감한 구성 부품 및 보드 라미네이트의 전체 열 노출을 줄여야 할 필요성 때문입니다. 소크 프로필의 또 다른 이점은 기공 발생을 줄이는 데 활용된다는 것입니다. 하지만, 무연 솔더의 증가된 표면 장력과 리플로우에 사용되는 더 높은 온도로 인해 무연 솔더에는 그다지 효과적이지 않습니다.

그레이핑을 최소화하려면 동일한 TAL(액상 온도) 및 최고 온도를 사용하는 경우, 오븐 시간을 줄이는 것이 좋습니다(그림 3 참조). 소크 프로필은 일반적으로 RTP 프로필보다 더 많은 그레이핑을 생성합니다. 그레이핑 효과는 오븐 속에 머무는 총 시간이 증가함에 따라 악화됩니다. 전체 열을 줄이면 그레이핑 효과가 크게 줄어듭니다. 일반적으로 1°C/초 램프 속도(분위기에서 피크까지)가 권장되며, 이는 245°C의 피크 온도까지 걸리는 시간, 약 3분 40초에 해당합니다.

그림 3. 일반적인 리플로우 무연 프로필.

결론

그래핑 효과를 줄이려면 최적의 인쇄 및 리플로우 공정을 보장하는 것이 중요합니다. 면적 비율과 양호한 공정/장비 설정을 위해 제공한 지침을 사용하면 좋은 전달 효율성을 보장할 수 있습니다. 원형 및 정사각형 구멍 디자인의 면적 비율은 동일할 수 있지만 원형 구멍 디자인의 경우, 페이스트 부피 감소 및 전달 효율성 감소로 인해 그레이핑 가능성이 증가합니다.

리플로우 관점에서 총 열 입력을 줄이면 그 효과 가능성이 줄어듭니다. 램프 속도가 ~1°C/초인 RTP 유형 프로필을 사용하는 것이 좋습니다.

소재 요인도 결과에 영향을 미칩니다. 솔더 페이스트 입자 크기가 감소하고 표면 산화물의 면적이 증가함에 따라 그레이핑 발생이 증가합니다. 수용성 솔더 페이스트 플럭스는 레진이 무세척 플럭스에 제공하는 산화 장벽을 제공하지 않으며 그래핑 효과를 일으킬 가능성이 더 높습니다.

감사합니다,

론 박사