솔더링에기초. (a) electronic packaging : electronic pachaging 은말그대로전자제품에사용되는 device 를포장하는기술로서, wafer 조각을 BT substrate 에접착하는단계 / wafer 와 board 를연결하는 wire bonding 단계 / 완성된 chip 을 PCB 에장착하여연관되는다른소자들과연결하는단계 / module 化된 card 를 main board 에연결하는단계 / 최종적으로제품을완성ㆍ조립하는단계로나누어진다. (b) BGA(ball grid array) and CSP(chip scale packing) : 먼저 BGA 는 BT 양면판을회로가공하여표면에 Chip, 이면에 Solder Ball 을탑재한다음에몰드수지로봉합한구조로밑면의 Solder ball 이부품의 Lead 역할을하게되므로소형의부품으로도많은 Lead 의구성이가능하며각종전자기기및통신기기등제품의소형화, 경량화, 고기능회로 PC board 및부품도 소형화하여야 함에 따라고안된차세대 부품이라할수있다. (c) soldering : Soldering 이란접합부의모재금속 (Base Metal) 보다도용융점이낮은 Solder(Sn /Pb, Sn/Pb/Ag, etc) 를용해시켜모재표면에 [ Wetting ] 을일으킴과동시에 Solder 를구성하는금속원소의모재금속원소사이에확산현상에의한합금층을형성시킴에의해금속끼리견고히접합 (joint) 시키는것이다. Soldering 에서접합하기위해서는우선금속에접촉된용융 solder 가흐르면서퍼져나가야 하고, 그
퍼져나간용융 solder 가금속면에잘융합되어야한다. 이현상을확산 (diffusion) 이라한다. (d) lead-free solder( 無鉛솔더 ) 1 국내에서는처음으로희성금속이 2003 년 8 월 1 일일본의천주금속, 미국의 LOCTITE 社와각각 Sn-(3~4%)Ag-(0.5~1%)Cu 조성의 Pb-FREE 제품제조및판매에대한특허사용권계약을 단독으로체결하고국내외가전사에제조, 판매를시작하였다. 2 세계적으로자동차, 컴퓨터, VCR, TV, 캠코더, DVD, 냉장고, 전자레인지, 세탁기, 청소기등은이미 Pb-FREE 로제품화가되어있는상황이다. 또한유력완성품 MAKER 에서는친환경정책으로제품의제조, 포장등이이루어지고있으며 EU 에서는 2006 년 7 월 1 일부터유해물질 (Pb, Hg, Cd, 6 가 Cr) 의반입이금지되도록의회에서결의된바있어희성금속에서는이에, 각종전자제품을친환경제품으로제조하기위한필수사항인, PCB 의무연화를실현하여제조 MAKER 에서안전하게사용할수있는기틀을마련하였다. 3 특허실시권계약내용 1) 계약대상특허내용 1-1) 특허번호 :JP.No,3027441( 일본특허 ) & USP.No,527628( 미국특허 ) 1-2) 라이센스범위 : Pb-free Solder(SnAgCu 系 ) 제품의제조, 판매, 사용, 수입등 1-3) 제품형태 : Any types are available (Bar,Ingot,Wire,Paste,Preform,Ball & Powder etc.) 2) 대상업체명 2-1) 일본千住金屬 ( 주 )- JP.No,3027441( Sn-3.0Ag-0.5Cu) 2-2) 미국 Henkel Loctite 사 - USP.No,5527628( Sn-3.5Ag-0.7Cu ) 1 Flow / Dip Soldering Flow/Dip Soldering 은수지기판에접착제로부품을본딩하고 Lead 부품과일괄접속하는방법으로표면실장기술의확대에있어서원점이된다고말할수있다. 따라서, Flow/Dip Soldering 에서는접착제에따른문제도관심을둘필요가있다. 특히, Chip 부품이초소형화하고, 자동장착기에서의속도가증가함에따라이접착제의과제가다시관심의초점이되고있다. 여기에맞춰고밀도, 고속장착에적합한접착제의개발이이루어지고있다.
접착제는 Flow/Dip Soldering 에있어서회로기판위의소정의위치에장착된부품을 Soldering 종료까지고정시키기위한것으로, 접착제의도포에는 Screen 인쇄, Dispenser. 전사등의방법이 이용되고있고, 일반적으로 Dispenser 법이이용된다. 이접착제의도포량은부품의크기등에 의해서도양을변경할필요가있고, 적량의도포를하지않으면안된다. 양이작으면부품고정의역할을다하지못하게되고, 반면에과량일경우는 Soldering 랜드위에까지접착제가흘러 Soldering 에장애가되기도하고, 또양호한전기적접속이얻어지지못하는원인이되기도한다. 이접착제는온도에의해점도가변화하고, 그결과도포량이변화한다. 따라서, 정확한도포량의제어를할필요가있을경우는접착제온도를제어해야할필요가있다. 최근의접착제 Dispenser 에는온도제어기능이있고, 도포량도부품의대소에의해도포노즐을바꾸어사용할수있으며, 시각인식기능을넣은고정도도포기로개발되고있다. 이접착제의도포방법으로서는부품의밑에한쪽편에도포해서는안되고, 일반적으로복수개의작은도트상으로접착제를도포하고, 부품을장착하는방법이이용된다. 이경우에는, 각도트는작게되므로도포량이다소편차가있어도그영향은작게된다. 부품의크기가클경우는이도트의수를증가시키는것에의해대응이가능하다. 접착제의경화는적외선또는자외선으로하는데이것은접착제의종류에의해정된다. Flow Soldering 에의한 Soldering 은 Bridge, Solder Wetting. Solder 과다등 Reflow Soldering 에비하여실장품질이떨어지게되는것은부인할수없다. 실장품질의향상은 Soldering 장치와 Soldering 재료, 기판의패턴설계등으로부터접근하고있는데, 실장밀도의향상에한계가있다고본다면어디까지나고밀도화를추구하는실장형태에있어서는 Reflow Soldering 이단연우수하다. 2 Reflow Soldering 이방식은기판의 Land 에미리 Solder 를공급하여두고외부의열원으로이 Solder 를재용융하여 접속하는것으로포인트는 Solder 의공급과열원으로무엇을선택하느냐에있다. 기판위에 Solder 의공급은 Solder paste 를 Screen 인쇄하는방법이일반적인데, 노즐로일정량의 Solder Paste 를토출시키는 Dispenser 방식도있다. 또, Land 면에 Solder Coat 하는방법도이용되고있다. 이경우는 Solder Coat 면에 Flux 를도포하고그점착성에의해부품을고정한다. cf) Screen 인쇄
Screen 인쇄는패턴을형성한 Screen Mask 위에 Solder Paste 를 Squeegee 로일정의압력을가하면서이동시켜 Screen 의개구부에의해 Solder Paste 를압출시켜, 기판의패턴위에인쇄하는방법이다. Screen 에는스탠리스와이어, 나일론등을 Mesh 상으로직조한 Mesh Screen 과스탠리스등의 Metal 판에인쇄패턴을에칭이나레이저가공한것과도금법등에의해형성한 Metal Mask 가있다. 복잡한패턴형상, Paste 도포범위가넓은패턴에는 Mesh Screen 이적합하고, 미세한패턴에는 Metal Mask 가이용된다. 현재는거의대부분이 Metal Mask 를사용하고있다. Screen 인쇄에의한 Solder 공급은, 인쇄패턴의정도, 해상도, 인쇄된 Paste 의균일성에포인트가있고, 기판의 Fine 패턴화에의해이들이실장품질향상에점점중요해지고있다. 이때문에인쇄기메이커는 Mesh 재료의개량, Mask 개구부정도향상, 시각인식기술의도입에위한위치정도의향상등에힘을쏟고있고, Solder 메이커는입도가작고, Screen 으로부터의빠짐성이좋은 Solder Paste 개발을추진하고있다. cf) Solder Paste 인쇄시주의점 Solder Paste 인쇄불량은, Solder Paste 의성상, Screen 재질, 두께. 인쇄될기판의휨, 비틀림, 인쇄기의정도, 인쇄시속도, 인쇄압등의요인이복잡하게교차하여영향을미친다. 주요불량은인쇄의번짐, 양부족, 어긋남, 무너짐등이있고, 이들의불량은 Reflow 시에 Solder 브릿지, Chip 일어섬, 위치틀어짐, Solder 부족등으로나타난다. Solder Paste 는인쇄방식과패턴의정도에의해, 목적에따른각종제품이시판되고있다. Metal Mask 에는점도가약간높은것이필요하고, Mesh Screen 에는점도가낮고, 입경이작으며빠짐성이좋은것이사용되는등선택에유의하지않으면안된다. 기판의휨, 뒤틀림도큰요인이된다. 최근에는양면, Reflow 가주류를차지하는데, A 면에 Reflow Soldering 을하고, 반전하여 B 면에 Solder Paste 를인쇄할경우특히, 수지기판의경우가열에의한휨, 뒤틀림으로인쇄가안되는경우도다. 이러한 Solder Paste 의인쇄에서최적조건을구하는것은높은숙련이필요하고, 사람의감으로이루어진요소가많이있다. 따라서, 최근현실화되고있는 0603 Chip 부품혹은, 0.3 mm피치 QFP, 0.5mm 피치 CSP 등의실장에서는 PWB 의패턴정도, 실장기의장착정도와함께이 Solder Paste 인쇄의최적조건설정노하우가실장가능의키를쥐고있다고할수있다
cf) Reflow Soldering 의특징 : Reflow Soldering 은접합개소에미리적량의 Solder 를공급한다음, 외부로부터열원에의해 Solder 를용융시켜 Soldering 하는방법으로그특징은다음과같다. - Flow Soldering 과같이부품본체가직접용융 Solder 중에침적되지않으므로부품본체의열충격이작게된다 ( 가열방법에따라큰열스트레스가가해지기도함 ) - 필요한장소에적량의 Solder 를공급하는것이가능하므로불필요한장소에는 Solder 가묻는것을피할수있게된다 - Solder 의공급량을규제하므로브릿지등의 Soldering 불량은작게된다. - 용융한 Solder 의표면장력에의해위치틀어짐이다소발생하여도정상위치에부품을고정하는 Self Alignment 효과가있다. - 국부가열방식의가열원을이용하면동일기판상에서도다른 Soldering 조건으로 Soldering 이가능하다. - Solder 중에불순물의혼입의위험성이작게되고또 Solder Paste 를이용하는경우 Solder 의조성을정확하게유지할수있다. cf) Reflow Soldering 시주의사항 - Reflow Soldering M/C 의온도설정및관리포인트 - Reflow M/C 기종별로개별관리를한다. - 기판에 3 점측정방식의전용측정치구를이용한다. - 일일일회정시점검한다 - Reflow M/C 조건설정관리서를운용한다. 3 新 Solder 硏究材料 a) Sn-7Zn-0.003Al 계 -융점(197 도 ) b) Sn-3Ag-6Bi-2In 계 -융점(213 도 ): 저가형 Sn-Ag-Bi-In 계 c) Sn-Ag-Al 계 : 일본에서개발중 d) Sn-Bi-Ag 계 -융점(148 도 ): 일본회사에서차세대 SiP(System in Pack -age) 용으로개발중
eutectic 조성에서, Sn: 96.5wt%, Ag: 3.5wt%. eutectic 온도 : 221 cf) eutectic( 유테틱 ) point? : 하나의 liquid 가두개의固象으로바뀌는 부분 (a) Sn - Cu 이원계의온도 - 조성상태도를그리시오.
(b) 공정조성 Sn - Ag Solder 를 240 에서 Cu 기판위에 reflow 할경우 solder 와 Cu 기판계면에어떤상들이생성될것인지를예상하시오. : Sn - Ag 공정 solder 와 Cu 기판사이의계면반응은三원계 graph 에서예측할수있다. Sn - Ag 공정 solder 와 Cu 사이의계면반응에의해가장먼저생성되는상은위 graph 에서알수있듯이 η-cu 6 Sn 5 이다. 그때등온선의다른쪽에대응되는고상의조성은 57.5 at% Sn 이고, 그것은평형상태도에따라 η-cu 6 Sn 5 + Liquid solder 의두개의영역에놓여있다. 이것으로 η-cu 6 Sn 5 가 solder joint 에서가장먼저생성되기쉽다는것을알수있다. (c) 240 reflow 에의해접합된공정 Sn - Ag / Cu 확산대를 180 에서 aging 하는경우확산대에서관찰될것으로예상되는상 ( 금속간화합물 ) 들을열거하시오. : Cu 패드측에서생성되는두종류의 Cu - Sn 금속간화합물은 Cu 와 Cu 6 Sn 5 사이에서생겨난 Cu 3 Sn, Sn-3.5Ag 와의계면에서생겨난 Ag 3 Sn 인데, Cu 6 Sn 5 상과 Cu 계면사이층에서시효처리시간이지속됨에따라 Cu 3 Sn 상이계속조금씩성장한다. 이 Cu 3 Sn 상의두께변화는시효처리전의열적영향과 solder -ing 후의냉각속도가어떻게다른지에따른영향은전혀받지않으며시효처리시의시간에대해서만영향을받는다. 한편시효처리를한시편들의 SEM 미세구조에서는판상형태로관찰되던 Ag 3 Sn 상들도 조대화되고계면금속간화합물인 Cu 6 Sn 5 층과서로뒤섞이는형태를보이며, 판상의 Ag 3 Sn 상과함께 Cu 6 Sn 5 층의 scallop 들사이의채널입구근처에서미세한입자형태로석출되는 것을볼수있다. 5. Reference
http://blog.naver.com/hjo0075?redirect=log&logno=140011726046 http://www.metallurgy.nist.gov/phase/solder/cusn-w.jpg http://blog.naver.com/reballing/80024358732 http://www.hsmetal.co.kr/index.jsp http://blog.naver.com/ofiveo?redirect=log&logno=20003519009 http://www.metallurgy.nist.gov/phase/solder/agsn.html