6 2014 전기전자 세미나 1주제(납땜공정의 void 대처 방안)-140813

Ⅰ. VOID란Ⅱ. 발생 경로Ⅲ. VOID 감소 방안Ⅳ. 신 공법 적용 사례

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납땜공정의VOID 대처방안


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● Solder 된 상태의 내부에 공동 현상이 나타나는 것을말하며, 눈으로 보아서는 발견되지 않으며 X-RAY 등의검사 과정에서 나타나며, 일반적인 부품 LEAD에서도나타난다

Ⅰ. VOID란

Ⅰ. VOID란

● 중공은 Solder연결부의 단면을 절단하거나 X-Ray로 보통발견된다.

● 중공은 Solder 접합부 내에작은 풍선의 모양을 하고 있다.이러한 결함은 공기나 Flux가 갇혀서 나타날 수 있다중공은 보통 세 개의 Profile Error중 하나에 의하여 발생한다① 불충분한 최고온도② 불충분한 시간,③ 온도 증가구간에서의 과도한 온도


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발생 메카니즘

Ⅱ. VOID발생 경로

PCB는 제조후 공기중 산소와 반응하여기본적으로 미세한 산화막이 존재하며, 솔더하고자 하는 부위에 도포한 FLUX 내부의 –COOH(카르복실기)와 고온에서상호 반응하여 수증기 형태의 수분이 발생된다

Cu or Sn

SOLDER + FLUX [-COOH]

O²부품 산화막

[ Cu2O ][ SnO ]

H20고온 분위기O²

O²

1) Solder Paste에서 용융 되면서 외부로 방출되는 Flux가시간이 부족하여 그대로 Solder Paste에 갇히면서발생되며, 용해된 솔더가 고형화 되는 과정에 그 안에갇히게 된 증기에 의해 형성☞리플로우 프로파일 사이클이 이들이 빠져나가기에충분한 시간을 허용하지 않아

발생 원인


2) 청결 유지가 안된 보드의 오염에 의해 발생☞ 공기와 많이 노출 되어 있거나 오염된 것은 화학적

반응에 의해 증기 형성

발생 원인


3) PCB VIA HOLE로 부터 팽창되는 공기에 의해 형성

4) 자동차 부품의 발열・냉각에 따른 팽창,수축으로

5)산화가 많이 일어 나는 환경에서의 작업FLUX량이 많거나솔더 PASTE의 입자가 작으면, 공기와 노출 되는 표면적이커져서

발생 원인



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VOID의 해결 방법

GAS 발생 최소화

산화,오염 방지

REFLOW 조건 설정

질소 분위기 유지

진공 납땜

FLUXLESS 적용

수소,포름산 적용(환원)

해결과제 방안

1. REFLOW 조건 설정

Ⅲ. VOID감소 방안

가급적 산화가 적게 일어나도록HEATING 구간을 최소화 한다(일반적으로 5초 이내)

Preheating zone 온도를 약간 높고 길게유지하여 Flux 활성이 충분히 이루어 지도록 한다

SPEED를 가급적 빨리 한다

산화가 적게 일어나도록 질소량도

중요하지만 질소풍량도 관리

1. REFLOW 조건 설정


ZONE

1 2 3 4 5 6 7 8 9Speed (min)

1차 200 200 180 180 180 210 210 240 290 75

2차 200 200 180 180 180 210 210 250 290 80

3차 205 205 190 190 190 210 210 250 295 80

4차 195 195 180 180 180 200 200 240 285 80

5차 190 190 180 180 180 210 210 245 290 85

6차 210 210 185 185 180 205 220 240 290 80

7차 205 205 180 180 180 210 210 250 290 75

프로파일의 조건을 변화 시켜서 최적상태를 찾아야 한다

VOID 많다

２２０℃

VOID 적다


BGA의 경우BGA Ball 과 Cream Solder가 동시에 녹으면 Cream Solder에서 발생한 GAS가 안에 갇혀버린다。

PCB측 Cream Solder가 빨리 녹으면GAS가 빠져나가기 쉽다

２００℃

Solder의 용융시간을 길게해서 Void를 외부로 보내도록 한다


PACKAGE(BALL)에 존재하고 있던VOID가 많이 있다

개선 사례


예열구간 : 110초 전/후유지 관리

구간 폭 조절

개선 사례


질소 BLOWER를고속 운용


● PCB Land의 산화 최소화● 납땜 접합 강도향상● 납 젖음성 향상 및 불량 방지● 열 Stress에 의한 2차 산화감소● 산화납(DROSS) 감소● Fine Pitch부품 신뢰성 향상● Solder ball감소

N2 사용 효과

2. N2 분위기 SOLDERING

Soldering 되는 시간 동안 산소와 결합하는 분위기를적게 하기 위하여 질소농도를 높여주어 납땜 되게 한다


N2 사용상태 (젖음성)

출처 인용: SMT KOREA

산소농도 30PPM산소농도 5%

대기중 산소농도 10%


FILLET의 변화

출처 인용: SMT KOREA

산소농도 30PPM산소농도 5%

대기중 산소농도 10%


산소농도 2,000ppm산소농도 10,000ppm이상

산소농도 1,000ppm 산소농도 500ppm

CHIP의 납땜 변화


● N2 Gas 투입량이 많다고 산소 농도가 낮은것이아니다→ 작업 효율 측면에서 N2 Gas 투입량에 따른

산소농도를 측정하여야 한다

● 미세 Chip 부품의 경우 맨하탄 불량 발생이 커질수 있으므로 조건을 잘 설정하여야 한다

→ 1005 Chip의 경우 Solder 용융 시 인장력이커져서 오히려 맨하탄 현상을 발생 시키기 좋은조건이 될 수 있다

주의점

3. PCB 산화(오염) 최소화


1) 공정에서 사용 후 PCB 잔량은 진공 포장기로 포장하여보관 후 사용한다.

2) 개봉하지 않은 PCB는 6개월이 경과한 것은 가급적 사용하지 않고 재처리 후 사용 여부를 결정한다


3) PCB 제조사는 각 공정 별로 완벽한 건조를 실시하며,제품에 함습이 안되도록원천 조치를 취한다

4) PCB 제조사는 건조로 등의 공정에서 이물이 PCB에낙하되지 않도록 정기적인청소 상태를 유지 하여야 한다

4. FLUXLESS SOLDERING


FLUX는 온도가 올라가면 고점도상태로 변화하며,고점도상태로 납의 용융 표면에 코팅 되는 역할을 함으로써GAS의 이탈을 방지하는 역할을 하여 VOID에 취약하다

따라서, 최근에는 FLUX를 사용하지 않고 납땜을 함으로써VOID의 발생을 원천적으로 최소화 시키는 공법이 나오고있다

기본적으로 진공상태에서 SOLDERING하는 것과, FLUX가포함되지 않은 납을 사용하여 효과를 극대화 시킨다

장비 라인 업Ⅲ. VOID감소 방안

적용 사례

N2

예열 진공 냉각

투입

일본 “T” 자동차

출처 인용:SHINKO SEIKI

Ⅰ. VOID란Ⅱ. 발생 경로Ⅲ. VOID 감소 방안Ⅳ. 신공법 적용 사례

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Power Module Application•Automotive（HEV/EV）

Ⅳ. 신 공법 적용 사례

출처 인용:YAMAHA MOTOR CO., LTD.


파워 모듈은 다수의 스위칭 소자（IGBT）와 다이오드（FRD),Pt센서를 실장 하는 Package임소형의 제품을 생산 하는 것과, 태양관 교류 전환용으로도 사용됨


Si Chip

패턴기판

방열 방열판

1. POWER MODULE의 납땜 접합Power Module Application

Automotive（HEV/EV）

Si칩

솔더기판


2. POWER MODULE의 접합면

《기능 : 전력제어/공급을 주로 한다》

높은 히트사이클・접합면적이 넓음

→ 납땜 접합시 여러 문제가 발생하며

특히 VOID 발생에 취약함

Power Module ApplicationAutomotive（HEV/EV）


3. VOID 발생 억제 공법

SOLDER PASTE

SOLDER FREE FORM

SOLDER REEL

SOLDER PASTE 인쇄 후 CHIP을 탑재하는방식에서 형상을 갖춘 SOLDER를 사용


방열판에 솔더 판과 기판을 올리고,다시 그 위에 솔더판과 Si칩을 탑재한다.이때 카본 JIG로 위치를 결정한다

기판

Chip

솔더판

방열판


3. VOID 발생 억제 공법Power Module Application


리본형상의 솔더 릴(폭２ｍｍ～１５ｍｍ 대응)

솔더 커팅 유니트

리본 형상의 솔더릴에 의해 필요 크기로 절단 공급


적용 사례




4. 진공을 이용한 VOID 제거

진공으로 보이드를 제거 하는 방법

1) 탈포법 (脱泡法)☞ 솔더를 용융후에 압력을 가해 가스를

강제로 배출하는 방법

2) 압축법(圧縮法)☞ 솔더가 용융하기 전에 압력을 가하고 솔더 용융후

압력을 되돌려서 압력차를 이용한 가스 배출 방법



전도성/전열성을 악화시키는납땜 층내의 기포 감소

진공 상태에서 납땜 용해

기포감소화



환원 분위기 내의 공정으로젖음성 보장

질소,수소,포름산 분위기의 납땜 용해

플럭스레스


Ｈ２

기 포

기포제거

젖음성 보장

H2O

산화방지･제거

H2O

Chip

땜납

기판

환 원 용 해 기포 제거

공정 메카니즘

Ⅳ. 신 공법 적용 사례Power Module Application


진공처리 없음 진공처리2분간진공처리1분간

약 25％ 약5％ 기포율 약0.5％ 기포율


진공 상태에서 납땜 (PASTE) 변화

X-RAY 투시 사진


질소 분위기 수소 분위기

기포・수축공 발생 양호

FLUX 레스 납땜 변화

Ⅳ. 신 공법 적용 사례Power Module Application



포름산의 화학식은 HCOOH으로 상온에서는 액체의물질이다포름산은 알데히드에 상당하는 토대를 가지고 있으므로, 환원력이 있으며 더욱 가열하면 열 분해하여 수소와 이산화 탄소로 분해하지만 드물게 수소와 일산화탄소로 분해된다. 포름산 처리는 알데히드기에 의한 환원 작용과 가열분해 때에 드물게 발생하는 수소 라디칼의 환원력을이용한 처리이다

포름산 처리Power Module Application


포름산 처리


포름산：ＨＣＯＯＨ

◎ 알데히드基（-ＣＨＯ）에 의한 환원 작용

◎ 가열분해에 의한 환원물질의 생성（160℃이상）

nＨＣＯＯＨ → Ｈ２，ＣＯ２，（Ｈ＊，ＣＯ，Ｈ２Ｏ）

알데히드基에 의한 환원작용과 포름산을 가열하여, 형성이어려운 Ｈ＊（수소 라디칼）의 강한 환원력으로 산화물을 환원 함



1)포름산처리기포 율：0.6％

Ｎｉ板

Ｎi板（10mm2）Sn-3.0Ag-0.5Cu

◎ 10mm□의 Ni판을 무연 합금에서 전면 납땜한 후의X 선 투시(동일한 온도의 프로파일로 처리)



포름산 처리는 수소 처리에 비해 보이드율이 낮고1% 이하로 되며, 이 결과 알데히드기는 수소 처리에비해 환원력이 높고 공간이 없이 꽉 찬 접합에 유리한것을 알 수 있음

2) 수소처리기포 율：2.4％



1) BATCH식 진공 납땜 장비▶ Ｒ＆Ｄ 소량 생산용

2) 연속식 Ｎ２진공 납땜 장비▶ Paste Solder 양산용

3) 연속식 Ｈ２（포름산）진공 납땜 장비▶ 플럭스 레스 양산용

앞의 여러가지 기술적인 결과를 토대로 최근에 새로운진공 납땜 장치가 개발되어 생산 공정에 활용 되고 있다

5. 진공을 이용한 납땜 장비류Power Module Application



1) BATCH식 진공 납땜 장비

단위 제품을 진공 상태에서 작업 하도록 함

수소 반응, 포름산 반응, 산소 농도, 이슬점 계측등 REFLOW 중의 관찰이 가능




2) 연속식 N2진공 납땜 장비

N2

예열 진공 냉각

투입




3) 연속식 H2(포름산)진공 납땜 장비

예열실 용해실 냉각실



수삽 자재의 SMT 적용





[효과]BULK 자재의 SMT화 사례

→ 역삽, 설삽 등 방지 하고 오장착에 의한 ERROR를 방지하며, 2차적으로 납땜 품질의 균일화 도모

● 시작 공정등 필요 수 만큼 봉지에 부품을 공급받는 경우● 트레이 공급장치에 탑재가 어려운 사이즈나 Soft Tray에 부품이

공급되는 경우● 부품형태에 맞춘 Bowl Feeder나 전용 트레이 제작이 어려운 경우

[기능]

● 부품의 뒤집힘을 체크

● 부품의 위치를 체크

● Patten Maching실시

6. 수삽 자재의 SMT화 사례


1. 부품투입

부품이 겹치지 않게 팔레트에 올려놈

2. 부품검색・인식

팔레트가 배출되는 순간에 상부카메라로 인식하고, 부품놓여진 모양, 위치를 확인

3. 부품흡착

흡착가능 부품은 픽업하고、

흡착불가한 부품은 그위치에 그대로둔다.

Camera

수삽 자재의 SMT 적용1) 동작순서



200㎜

원점위치

매칭 화면


2) 화면



상면부 카메라

X軸과헤드

ATS 파레트




수삽 자재의 SMT 적용3) 노즐 상태

수평

수직



수삽 자재의 SMT 적용4) 실제 작업 화면

6 2014 전기전자 세미나 1주제(납땜공정의 void 대처 방안)-140813

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