BGA Solder Printing 에대한기술정보 BGA Solder Printing 에대한기술정보 BGA Solder Printing 에대한기술정보 페이지 1
작업공정흐름도 Quick Stencil BGA 수리 PCB 세척 Best PCB Land Ball 일치하여접착 Solder Paste Manual 프린팅 BGA Device Manual Place 작업 Hot Air Gun or Reflow Oven 본상기작업은그간의 BGA.CSP 작업시 Vision capture 가아니면 Placer 가불가능작업을어떠한작업자 도 Reball 작업에서 BGA s Manual 실장 0% Error 실현가능한제품을하기와같이소개드리오니참고하시기 바랍니다. 문의내용에대하여당사 Web Site 를방문혹은 Email 로연락주시기바랍니다. 목적 : BGA s. ubga s. CSP.s Rework 작업시 Solder paste 또는 Paste flux & BGA s etc Device s Rework를사용한다. 고온의 Solder ball 작업을필요로하는 BGA를 Rework 할때는 PCB의 Land 와 Package Ball 사이작업을위해반드시 Solder Paste를사용해야한다. 저온의 Solder Ball 작업을하는 BGA s Rework 에는 Solder Paste, Paste Flux 둘다사용가능하다. Solder Paste 접착형태가접착량보다품질및안정성에더큰 Device 보호에대한신뢰성효과에본제품이기여한다. 작업상태및효율 : Solder paste를사용하게되면 BGA Rework 공정생산량을증대시킬수있다. Coplanatiry ( 동일평면 ) 은 Rework 공정에있어중요한사항으로 Coplanarity에영향을미치는많은요소가있다. BGA S Solder Balls 가동일수평평면상에놓이지않으면 Open Connection 이라는접촉이제대로되지않는상태가된다. 작업후다양한 BGA s Device 표면의높이, Board 의휘어짐, 그리고부품자체의휘어진정도등이문제를일으키는원인이된다. 페이지 2
Solder Ball 수평도 Solder Paste를사용하면 Solder Ball 높이를일정하게유지할수있다. Solder Paste는 Ball과 Paste, Land와 Paste 사이의접착면을더크게해주며, Flux만사용할때보다찌꺼기가거의없다. 신기술로제조된 PCB 위에서의 BGA 중심부 Laser Centering Placer 작업을위해서는 Solder ball volume 의손실을줄여주는 Solder paste가꼭필요하다. Solder Paste 작업의중요성이러한사실로미루어보아 Solder Paste 사용이 BGA s Rework 작업효과를증진시켜주는것은사실이지만, Paste Flux가 BGA s Rework 작업에더편리하게이용될때도많다. 전통적으로 Solder Paste를놓는작업은 Flux 보다더많은노력과기술이필요하다. 쉽고빠르게 Solder Paste 하는방법이가장필요하다. 그간 BGA Re-ball & Rework 사례를아래와같이서술하고자한다. 1) Stencil Printing 방법 Array BGA s Device를 Rework 후제자리에놓는방법에는 Flux, Solder paste, Solder bumps 등여러가지있지만다음 4가지가가장흔히사용된다. 단점 : 1. 고밀도에대하여 Short 발생. 2. 모든 Device BGA s Fixture가보유. Figure 2 2) Dispensing ( 크림솔더토출 ) Solder Paste Dispensing 기술이많은발전을거듭해오면서전자동시스템개발되었고, 노즐 (tip) 모양, Pump 장치및프로그램에많은변화를가져왔다. 주사기와노즐만으로 Dispensing의수동작업이가능하지만, 정확도가떨어지고시간이이많이소요되는단점이있다. 반-자동 Dispensing은공기와시간을설정하여 Paste 양을조절할수있지만, 정확도를높여주지는않는다. 페이지 3
Full Automatic Dispensing은 X-Y Table과 Computer로제어되는 Dispense Head로구성되어있으며, Solder Paste할위치가프로그램되어있어 Dispensing 연속작업이가능하다. 이 Full Automatic Dispensing은연속작업에정확도가뛰어나지만, 금속이필요이상으로많이함유되어있지않아야한다. 87% 이상의금속이함유되었을경우 Nozzle 고장이자주발생한다. 이에비해그이하로함유되면 paste 작업은점도가떨어져뚝뚝흘러내리게된다. Board마다같은위치에적용시키는 paste 작업은 PCB 고정및시스템이프로그램되어있어훨씬쉽다. Full Automatic Dispensing의주요단점은작업처리량에있다. Pin 수가훨씬많은 BGA 경우, Cycle Time이 Pump의최대속도로한정되어있어세팅시간을포함하여 5분이상소요될수있다. Rework point로부터프로그램및 Set-up시간은 BGA 각공정에포함시켜야한다. 3) Metal Stencils Metal stencil을이용한 Solder paste 작업은수십년동안사용되어왔으며, 특정 Device의선택적인 Metal stencil 작업또한오랫동안사용되었다. 원형 SMT 제조에대한전 PCB Stencil 과 Rework 을위해 Selective Solder paste 도포를위한특정 Stencil 작업은모두그공정과정이동일하다. Figure 3 다른점이라면 Process control 양이다르다. Original solder paste stenciling 공정에는 Squeegee 속도, 압력, Snap-off 거리, Board에서 Stencil 제거및 Stencil alignment 등이제어된다. Selective solder pate stenciling 공정은수동으로작업하는작업자의기술에따라다르다. Metal Stencil Printing 공정은먼저 PCB 패턴에맞추어작업하며, Squeegee로 Stencil 구멍안으로밀어넣는다. 그러면 Stencil을 PCB 표면에서들어올린다. 다음작업을위해 Stencil을조심해서 Cleaning 한다. Metal stencil 공정에있어다른점은 PCB에 BGA land 대신 Solder ball에바로 Solder paste를프린트하는점이다. 이는 Board 위에 Stencil 작업이불가능한곳에 Solder paste printing 작업을할수있다는장점이있다. 페이지 4
3) 반. 영구적 Stencils 본제품은제작비용이매우저념하며반영구적으로사용할수있다. 단숙련된작업자및 Solder Ball 밀도가낮은것은작업이가능하나. 고. 밀도 PCB의경우작업이어렵다. PCB의 Solder ball Land와일치후흔들림이없이 Squeegee을한후정교하게다시 Stencil을제거하여야한다. Figure 4 4) Flexible Removable Stencils ( NEW ) Solder Paste 도포작업을위해 Flexible solder paste stencil이라는새로운방법이다. 그간의 Stencil을정상적으로작업을하였다고해도 Reflow상태에서 Short되는사례가발생되어다시 Rework을하여야하는사례를완전해결한제품이다. 특징은 Easy BGA s Squeegee Easy BGA s Placer 0 % Error Solder Short방지 Polymer File 두께로미세 Ball 부품도불량률극소. 고밀도부품및 PCB작업가능 별도의 Vision Placerment 불. 필요 Figure 5 Polymer 필름을 Laser cut한 Stencil로뒷부분에쉽게제거할수있다. 페이지 5
작업순서 1. 먼저뒷면접착부종이를제거한다. 2. Stencil을 PCB Pattern에맟추어붙인후표면을문지른다. 3. Squeegee로 Stencil 틈새에 solder paste 를문질러넣은다음 4. Stencil을 PCB 표면에서조심스럽게떼어낸다. 이때 Stencil은버리는것이므로 cleaning 할필요가없다 5. BGA s Device를 Place 한다. 6. Hot Air Gun 혹은 Oven. Rework Soldering 장비를사용하여 SMD 를 Reflow Soldering 하여준다 PCB에 Solder paste stencil 하는또다른방법으로 PCB 위에 Stencil을그대로남겨놓고부품을놓는방법이있다. 재질은 Polyimide film으로뒷면이종이로되어있고접착부분은고온처리되어있다. Removable stencil 처럼반-영구적 stencil 또한 Laser cutting 되어다양한 SMD Device 형 300여종류의 Quick Stencil Model이있다. Quick Stencil 사용시뒷면종이부분은떼어내고 PCB Land Pattern에맞추어붙인후문지른 Stencil 틈새에 solder paste가잘들어가도록 Squeegee로다시한번잘밀어준다. Stencil은제거할필요없으며 Cleaning 또한필요없다. 페이지 6
특징 1) Ease Alignment for BGA s 위에서언급된 stencil type은모두수작업하며 Align하여 Placement가쉽다. Fine pitch stencil Alignment에확대경이사용되기도한다. align이잘못되었을경우, 재작업하는데 Metal stencil을사용하는것이 Removable 이나반영구 Stencil 보다더효율적이다. 반영구 stencil도떼어내서다시붙일수있다. Removable 및반영구 Stencil의큰장점은 Metal Stencil로는못하는매우작은영역의작업이가능하다는것이다. 적용사례 : Mobile Phone, MP3. CCTV. 의료용전자장비. PC. 반도체공정. 중계기. 등적용중 2) Non-Planar Surfaces Rework시 PCB가휘어져있거나 Solder가고르게작업이되어있지않았을경우, Metal Stencil로 Stencil Printing 작업은매우어렵다. 특히스텐레스로만들어진 Metal Stencil일경우 Rework할위치를맞추기가쉽지않다. Removable 및반영구 Stencil 재질및접착제는 PCB 표면형태에상관없이 Rework 부분에잘맞게작업할수있다. 방법 : 본 Plate Solder Paste가묻은곳을 BGA s Device를밀어 Holder을맞추어주면된다. 3) Multiple Squeegee passes BGA Rework Stencil 작업시 Stencil의모든 Hole을 Squeegee로한번으로다채울수없다. Squeegee로 Metal Stencil 위를여러번밀면 Land 패턴을따라 Solder paste가제대로도포된다. 본제품 =Removeable & 반영구 stencil을메우기위해서도 Print에 Paste를전혀묻히지않고 Squeegee로밀면 Solder printing이완료된다. 페이지 7
4) Maintain Print Alignment 최상의 Paste Print를만들기위해서는 Metal Stencil과 Removable stencil을 PCB에서재빨리제거해야한다. 여기서 Solder Paste를번지게하지않고 Stencil을깨끗하게제거해야하므로약간의기술이필요하다. 본재품 = 반면반-영구 Stencil은 Squeegee 작업이후에도떼어내지않아도되므로도포된 Solder paste 상태를그대로유지할수있다. Figure 6 5) Paste Release Full size 제품의 Stencil hole에있는 Solder paste release 작업도매우중요하다. Solder paste를떼어내는데는 Stencil 디자인이큰비중을차지하지만, 아무리잘만들어진 stencil도완벽한 release 작업에몇가지조심해야할점이있다. 한가지는 stencil hole의내부벽을부드럽게만드는것으로, 많은 Metal Stencil Release 효과를증대하기위해 Hole의내부벽을닦아내는단계를 거쳐야한다. 또하나는 Hole 벽의점점작아지거나사다리꼴모양이다. Hole의가로세로비는가장큰효과를나타낸다. 만약이모양으로된 Stencil 이지정된위치에없다면 Stencil 제거가제대로되지않아구멍을막아버리게된다. 이럴경우도포된 Paste를제거하여깨끗이세척한후 paste printing을다시해야한다. 본제품 = 반면, 반영구 stencil 경우에는 PCB에그대로붙어있기때문에따로 Paste Release 작업이필요없다. Holes 에서 Paste 가깨끗이제거되지않은모습 Figure 7 일반스텐실제품 페이지 8
6) Stand Off ( 막힘, 교착상태 ) Reflow 공정후 BGA device에많은양의 Solder Ball 이떨어져있는경우가있다. 이는 Land디자인때문일수도있고 BGA 무게때문에생길수도있다. 지나치게많이떨어지게되면 Short가발생한다. 일반적으로적절한 Solder Volume과모양과관련하여 stand-off 높이가높을수록 Solder joint 의신뢰성을높여준다. 본제품 = 반영구 stencil은 Solder ball이지나치게많이떨어지지않게하여 stand-off 높이를최소화시켜준다. 7) Solder Shorts BGA device에서 Solder short가발생하는데는여러가지이유가있지만, 대부분이지나치게많은양이흘러 Ball 주위로퍼진다는것이다. 본제품 = 반영구 Stencil은 solder short 발생을막아주는물리적장벽역할을한다는점에서뛰어난제품이다. 젖지않는 polyimide film으로 stencil hole에있는 solder paste를넣어서녹여 stencil 밖으로나갈수없게한다. Figure 8. X-Ray 검사상태 8) Ease BGA Placement BGA device placement 작업에는 Metal Stencil, Removable stencil 보다는반영구 stencil이훨씬효과적이다. 본제품 = Polyimide film의 4면끝이고르게분포되어있어정확하게 placement 할수있다. BGA device를직접놓을수도있으며, 약간의연습 Kit를통하여 stencil hole을잘맞출수있다. Figure 9 페이지 9
[Paste Flux Application] Solder paste 대신 flux를사용하여 BGA를부착하는데반영구 Stencil이매우적절하다. BGA land 패턴에 Flux를보통적용하는것은 Land에주걱을사용하여넓게바르기위해서이다. 이때 Flux는 Land와연속적인 Layer안에 Solder Resist를골고루퍼지게한다. 많은양의 Flux BGA Land에뿌려지더라도 PCB 표면온도는모든 Flux 성분을충분히활성화시킬수있다. 본제품 = 반면, 반영구 Stencil 사용시필요한곳에만 Flux를사용하면되고, Flux가흘러나가는것을막아주어사용하기편리하다. [ COST 대비 ] 1. Stencil 자재가격 Stainless steel Stencil은 Removable 및반영구 Stencil보다훨신비싼편이지만, 이런 Metal stencil은버리기전에여러번사용할수있기때문에많이사용되고있다. 하지만무거운 Frame 으로고정되지않기때문에조심성없이다루게될경우손상되기쉽다. 또 Stencil 표면이구부러지거나움푹파이게되면 PCB와 stencil 사이 Solder printing 작업이제대로안된다. Metal stencil 의수명은대략 70 회정도로이 점만따진다면 Metal stencil 이훨씬비용면에서효율적으로사용할수있다. Quick Stencil Figure 10 2. Cleaning 비용 여러번사용되도록고안된 Stencil 은반드시 cleaning 을해야하며, Metal stencil 은필수적 이다. 그렇지않으면도포된 solder paste 가표 면이고르지않거나, Solder short 가발생할수 있다. Metal stencil 을조그만통에넣어세척할 수도있지만모든 hole 까지골고루손으로직접세척하는것이좋다. Figure 11 Quick Stencil 페이지 10
3. BGA Alignment 비용 Metal stencil 이나 Removable stencil로 BGA 작업할때에는 Vision system이필요하다. Vision system 없이 Solder paste 작업을하면이물질이묻는경우가많아 short가발생하게된다. 자동화장비나고도의기술을가지고있더라도 Vision system이없다면 Alignment하는데시간이다소걸린다. 반면반영구 stencil을사용하게되면 Alignment에많은시간을절약할수있다. 4. Cost of Improper Rework Metal stencil / Removable stencil을이용한 BGA Rework 작업시불량원인 Stenciling 공정이나지나치게많은양을작업함으로써 solder short이발생 Solder paste 도포가제대로되어있지않은 open된상태일때 이렇게불량이발생했을경우, 떼어낸후 BGA Reball 작업을다시한다. 불량이자주발생하면할수록비용은그만큼더들게된다. 여러가지사항을고려해보았을때, 반영구 stencil을사용하는것이비용을더절감시킬수있다. 다른 stenciling 방법에비해반영구 Stencil이비교적자재비용이적게들고품질개선이높다. Quick Stencil Quick Stencil Figure 12 Figure 13 본내용은남아전자산업 SMT 기술지원팀에서서술된자료이며, 상업적으로사용시저작물법에적용됩니다. - END - 페이지 11