기판 및 솔더 마스크 표면의 청결도가 중요
적절한 어셈블리용 플럭스 선택 필요
인쇄회로기판의 크리프 부식은 표면의 화학적 특성에 매우 민감하다. 깨끗한 FR-4도 깨끗한 솔더 마스크 표면도 크리프 부식이 보이지 않는다. 일반적으로 로진계 웨이브 솔더링 플럭스와 로진계 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트로 조립된 보드는 크리프 부식에 대한 내성도 있다. 한편, 유기산 플럭스에 의해 솔더 마스크 표면에 남은 잔류물은 '크리프 가능한' 표면을 형성하고 구리 황화물의 크리프 부식을 지원하는 데 매우 활성적이다. 어셈블리 플럭스의 적절한 선택은 부식성이 높은 글로벌 환경에서 ImAg 도금 회로 기판과 관련된 크리프 부식으로 인한 제품 고장을 제거할 수 있다.
요약
전자 산업계가 무연 어셈블리 및 미세 피치 회로로 이동함에 따라 널리 사용되는 인쇄 배선 기판(PWB) 마감재인 SnPb HASL이 OSP, ImAg, ENIG 및 ImSn과 같은 무연 PWB 마감재로 대체되었다. SnPb HASL은 두꺼운 코팅과 고유한 내부식성으로 인해 기본 구리의 우수한 부식 방지 기능을 제공하는 반면, 무연 보드 마감은 매우 얇은 코팅으로 인해 기본 구리에 대한 부식 방지 기능을 감소시킨다. ImAg의 경우 코팅 재료 자체가 더 공격적인 환경에서도 부식될 수 있다. 이는 오염 물질이 포함된 황 함량이 높은 환경에 노출된 제품에 대한 문제이기도 하다.
이러한 부식성 환경에서 크리프 부식이 관찰되어 매우 짧은 서비스 수명(1~5년)에서 제품 고장으로 이어졌다. 제품 배포 후 1년 이내에 크리프 부식 실패도 보고되었다. 이러한 현상은 크리프 부식을 이해하기 위한 업계 전반의 노력을 촉발했다.
본고에서는 PWB의 크리프 부식이 표면에 매우 민감하다는 것을 보여줄 것이다. 깨끗한 FR4나 깨끗한 솔더 마스크 표면은 크리프 부식이 나오지 않는다. 일반적으로 로진계 웨이브 솔더링 플럭스와 로진계 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트로 조립된 기판도 크리프 부식에 강하다. 그러나 유기산 플럭스에 의해 솔더 마스크 표면에 남아 있는 잔류물은 활성도가 높아 구리 황화물의 크리프 부식을 지원한다. 적절한 어셈블리용 플럭스 선택은 ImAg 도금 회로 기판과 관련된 크리프 부식으로 인한 제품 고장을 제거할 수 있다. 또한, 혼합 유동 가스 테스트(MFG)는 응축 조건 없이 실험실에서 크리프 부식을 시뮬레이션하기 위한 현실적인 가속 테스트를 보여준다.
서문
무연 PWB 최종 마감재는 전자 회로 조립 중 부품 접합을 위해 납땜 가능하고 coplanar surface를 제공하는 주요 설계 목표로 개발되었다. 보드 마감재의 단기 내식성은 납땜성(최대 12개월)의 저장 수명을 유지하기 위해 중요하지만, 장기 내식성은 요구되거나 고려되지 않았다.[1],[2],[3]
장기간의 내식성은 기존의 보드 마감인 HASL(hot air solder leveling)에서 디바이스의 수명 동안 문제가 되지 않았다. 두꺼운 코팅과 고유한 내식성으로 인해 기본 구리의 우수한 부식 방지 기능을 제공하기 때문이다. 무연 PWB 마감재에 대해 광범위한 테스트 및 신뢰성 평가가 수행되었다. 그러나 현장에 적용된 후 무연 PWB 마감재의 내식성에 대해서는 거의 관심을 기울이지 않았다.
무연 PWB 마감재의 내식성은 세계 여러 지역에서 관찰되는 현장 조기 고장으로 인해 상당한 관심을 불러일으켰다. 부식으로 인한 현장에서의 제품 고장 연구와 이를 실험실에서 시뮬레이션한 결과가 발표되었다.[4],[5],[6],[7]
‘크리프 부식’과 ‘부식 생성물의 박편(flaking)’이라는 두 가지 유형의 고장이 확인되었다.[6] 두 경우 모두 반도체-전도성 제품군의 전자기기에서 간헐적이거나 영구적인 단락을 유발하기도 한다.
H2S, SO2, NO2 및 Cl2를 포함하는 혼합 유동 가스(MFG)는 현장 환경 조건을 시뮬레이션하고 전자 디바이스에 대한 가속 테스트를 수행하는데 널리 사용되고 있다. 부식 생성물의 박편은 MFG 테스트에서 쉽게 재현될 수 있지만, 크리프 부식은 일관되게 재현되지 않았다. 예를 들어, 깨끗한 IPC-B25 comb pattern을 사용하여 준비한 샘플은 부식 제품의 심각한 박편이 관찰되었음에도 불구하고 국제적인 조건[6] 하에서 MFG에 장기간 노출 후 크리프 부식이 경미하거나 전혀 나타나지 않았다.
그림 1은 국제적인 조건 하에서 MFG에 40일 노출된 후 Cu 트레이스만 있는 샘플(오른쪽)과 ImAg 도금된 Cu 트레이스(왼쪽)가 있는 샘플을 보여준다.[6] 두꺼운 부식 생성물(주로 황화구리)과 부식 생성물의 박편이 두 경우 모두에서 관찰되었지만 두 경우 모두 트레이스 사이의 FR-4 표면을 가로질러 크리프 부식의 징후가 보이지 않았다. 그러나 표면에 특정 유형의 오염이 있는 경우 MFG 테스트에서 크리프 부식이 쉽게 발생했다.
그림 2에서는 MFG 노출 2일 후의 ImAg 도금처리된 IPC-B25 comb 쿠폰을 보여주고 있다. 대부분 영역에서 크리프 부식이 관찰되지 않았지만 ImAg 도금 트레이스에서 심각한 국부적인 부식이 관찰되었다. 흥미롭게도 쿠폰 중간에 물방울 모양의 영역 내에서 크리프 부식이 관찰되었으며 1.3kΩ의 쇼트가 측정되었다. 이 결과는 크리프 부식이 높은 표면 특성이고, 표면 화학적 특성에 민감하다는 것을 나타낸다. 깨끗한 FR-4 표면은 크리프 부식을 지원하지 않는 반면, 오염된 FR-4 표면은 크리프 부식을 지원한다. 외관상으로는, 부식 생성물이 이러한 표면에 서서히 나타나기 위해서는 특정 표면 특성이 필요하다.
PWB 조립 상에서 플럭스 잔류물은 일반적인 표면 오염 물질로 여겨진다. ‘플럭스 잔류물이 크리프 부식을 촉진합니까(특정 유형의 표면 오염의 경우에서와 같이)?’라는 의문이 들 수밖에 없다. 이게 사실이라면 현장에서 조립된 회로 기판에서 관찰된 크리프 부식과 어셈블리 플럭스에서 경험하지 못했던 LAB실 샘플의 크리프 부식에 대한 일관성 없는 현상 사이의 차이를 설명할 수 있다.
크리프 부식에 관한 플럭스 잔류물이 미치는 영향을 조사하기 위해 소비자 전자 제품에 사용되는 ImAg 도금처리된 PWB를 구입하였고, 셀렉티브 웨이브 솔더링을 적용하여 어셈블리하였다. 보드는 실험실에서 MFG에 노출시켰다.
그림 3은 국제 조건 하에서의 MFG 노출 5일 후의 결과를 보여주고 있다. 뚜렷하게 다른 세 영역이 관찰되었다. (1) 오른쪽 상단 모서리 영역, via가 셀렉티브 솔더링되었는데, 솔더에 의해 완전히 덮여졌다. 이 영역에서는 부식이 관찰되지 않았다. (2) 왼쪽 하단 모서리 영역, 납땜되지 않았고 via에 Ag 마감재가 완전하게 노출되었다. 이 영역에서 심각한 부식이 관찰됐지만, 크리프 부식은 보이지 않았다. (3) 솔더링되지 않은 영역과 웨이브 솔더링된 영역 사이의 경계 영역, 이 경계 영역에서 심한 크리프 부식이 나타났으며 크리프 부식으로 인한 쇼트도 관찰되었다. 솔더링된 부분의 부식 없음, 경계 부분의 크리프 부식, 솔더링되지 않은 부분의 크리프 없는 부식 패턴이 회로 기판 전체에 걸쳐 반복적으로 관찰되었다.
플럭스는 셀렉티브 웨이브 솔더링 동안 솔더링된 영역에서 인접한 경계 영역으로 이동하고 경계 영역에 잔류물을 남겼다. 노출된 Ag와 경계 영역의 플럭스 잔류물의 조합은 Ag를 부식시킨 후에 부식 생성물이 플럭스 잔류물로 덮인 솔더 마스크 표면에서 마이그레이션할 수 있는 이송 매체이다. 솔더링 영역에서 멀리 떨어진 영역의 Ag 도금된 via는 부식되었지만 깨끗한 솔더 마스크 표면이 부식 제품의 크리프를 지원하지 않기 때문에 크리프 부식의 징후를 보이지 않았다.
이 결과는, 크리프 부식이 매우 표면적이며 특정 유형의 표면만이 크리프 부식을 지원할 수 있음을 보여준다. 솔더 마스크, 플럭스 및 프로세스 조건의 ‘잘못된’ 조합은 ImAg 도금처리된 회로 기판의 ‘크리프 생성 가능한’ 표면으로 만든다. 크리프 부식 방지 ImAg 또는 기타 PWB 최종 마감재를 찾는 작업은 솔더 마스크와 플럭스가 있는 어셈블리된 기판에서 수행되어야 한다. MFG 테스트는 크리프 부식에 대한 실행 가능하고 현실적인 가속 노화 테스트를 제공한다.
크리프 부식을 돕는 플럭스 잔류물은 ImAg 도금 회로 기판에만 국한되지 않는다. 유사한 결과가 OSP 마감재에서도 관찰되었다.[8]
그림 4에서는 국제 조건 하에서[6] MFG 노출 후 5일이 흐른 2개 PWB를 비교하여 보여주고 있다.
2개의 PWB 모두 OSP로 최종 마감 처리가 되어 있지만 서로 다른 유형의 솔더 페이스트로 어셈블리되었다. 왼쪽 기판은 유기산 플럭스를 함유한 솔더 페이스트로 어셈블리한 반면, 오른쪽 기판은 로진계 플럭스를 함유한 솔더 페이스트를 사용하였다. MFG 노출 5일 경과 후, 유기산 플럭스를 함유한 페이스트를 사용하여 어셈블리된 기판에서 심각한 크리프 부식이 관찰되었다. 반면에 로진계 플럭스를 포함하는 페이스트를 사용한 보드에서는 심각한 크리프 부식 없이 노출된 OSP 영역에서만 국부적인 부식이 나타났다.
또한 크리프 부식의 정도는 어셈블리 후 클리닝 작업에 따라 다르며 보드의 청결도와 관련이 있다. 서로 다른 유형의 플럭스로 어셈블리된 보드 간의 이러한 급격한 차이는 플럭스 잔류물이 크리프 부식에 미치는 중요한 역할을 보여주었다. 크리프 부식에 대한 다양한 어셈블리 플럭스의 영향을 자세히 설명하기 위해 8개의 서로 다른 웨이브 솔더링 플럭스와 6개의 서로 다른 솔더 페이스트를 포함하는 체계적인 연구가 수행되었으며 그 결과가 이 문서에 보고하였다.
실험조건
테스트 보드
그림 5에서는 본 작업에 사용된 테스트 보드의 상단과 하단 이미지를 보여주고 있다. 다양한 라인 너비와 간격을 가진 9개의 트레이스 빗살(comb) 패턴(상단에 7개, 하단에 2개)이 포함되어 있다. 9개의 트레이스 패턴 중 5개는 크리프 부식에 맞게 ImAg 및 솔더 마스크 인터페이스의 최대 영역을 생성하기 위해 트레이스 전체에 솔더 마스크 스트라이프(solder mask stripes)가 있다.
4개의 빗살(comb) 패턴의 쓰루홀이 있는데, 각 측면에 2개의 SMD(solder mask defined) via와 2개의 NSMD(non-solder mask defined) via가 적용되었다. QFP 부품용 패턴도 상단에 포함되어 있다. 바닥면의 중간 영역은 셀렉티브 웨이브 솔더링을 위해 표시되었다(그림 5의 오른쪽 이미지 참조).
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