여러분,
이 게시물은 인디엄코퍼레이션의인쇄 회로 어셈블러 솔더 결함 가이드에서 그레이핑에 관한 내용을 발췌한 것입니다.
소개
개인용 전자 기기의 성장으로 인해 더욱 소형화된 능동 및 수동 전기 부품에 대한 수요가 계속 증가하고 있습니다. 이러한 소형화 추세는 RoHS를 준수하는 무연 조립에 대한 요구와 함께 그레이핑 효과를 비롯한 더 많은 문제를 야기하고 있습니다.
솔더 페이스트 침전물의 크기가 감소함에 따라 노출된 솔더 입자의 상대적인 표면적이 증가하고 표면 산화물을 제거하는 데 사용할 수 있는 플럭스의 양이 감소합니다. 여기에 대부분의 무연 솔더를 리플로우하는 데 필요한 추가 열이 더해져 포도송이 현상이 발생하는 데 도움이 되는 공식이 만들어집니다. 가열 공정 중에 플럭스 점도가 감소하고 아래쪽과 바깥쪽으로 퍼지기 시작하면 솔더 입자가 솔더 페이스트 침전물의 상단에 노출됩니다. 근처에 플럭스가 없으면 솔더 페이스트가 리플로우의 램프 또는 담금 단계에 진입할 때 이러한 솔더 입자가 산화될 수 있습니다. 이러한 산화물은 솔더가 액체 상태일 때 입자가 균일한 솔더 조인트로 완전히 합쳐지는 것을 억제합니다. 리플로우되지 않은 입자는 그림 1에서 볼 수 있듯이 포도송이 모양을 띠는 경우가 많습니다.
그림 1. 그래핑 효과.
스텐실 인쇄
면적 비율(AR)은 성공적인 스텐실 인쇄에 있어 매우 중요한 지표입니다. 이는 스텐실 조리개 개구부의 면적을 조리개 측벽의 면적으로 나눈 값으로 정의됩니다. 그림 2는 정사각형/직사각형 및 원형 조리개의 개략도를 보여줍니다. 간단한 계산을 통해 AR을 원의 직경(D)을 스텐실 두께(t)의 4배로 나눈 값, 즉 AR=D/4t로 단순화할 수 있음을 알 수 있습니다. 놀랍게도 정사각형 조리개에서도 결과는 동일하며, D는 이제 정사각형의 변과 같습니다. 직사각형 조리개의 AR의 경우, 공식이 조금 더 복잡해집니다: ab/2(a+b)t, 여기서 a와 b는 직사각형의 변입니다.
그림 2.직사각형 및 원형 조리개의 조리개 회로도.
It is widely accepted in the industry that in order to get good stencil printing, the AR must be greater than 0.66. Experience has shown that if the AR <0.66, the transfer efficiency could be low and erratic, although this has gotten better with advances in solder paste technology.
전송 효율성
또 다른 중요한 스텐실 인쇄 지표인 전사 효율은 솔더 페이스트 침전물의 부피를 조리개 부피로 나눈 값으로 정의됩니다. 미세 피처 스텐실 인쇄를 위해 인쇄 공정을 최적화하기 위해 더 미세한 파우더가 포함된 솔더 페이스트를 사용하는 경우가 많습니다. 그러나 솔더 페이스트 내의 파우더 입자 크기가 작아지면 노출되는 표면적의 상대적인 양이 증가합니다. 표면적이 증가함에 따라 총 표면 산화물도 증가합니다. 이러한 표면 산화물의 증가는 전체 리플로우 공정 동안 산화물을 제거하고 파우더, 부품 및 기판 금속화의 표면을 보호하기 위해 플럭스 화학 물질이 더욱 열심히 작동해야 한다는 것을 의미합니다.
3mil 두께 스텐실에서 6mil 정사각형 조리개에 대한 AR은 6mil 원형 조리개에 대한 AR과 동일합니다: 0.50. 그러나 두 가지를 비교할 때 정사각형 솔더 페이스트 증착물의 부피가 원형 증착물(85입방밀리)보다 더 큽니다(~108입방밀리). 사각형 애퍼처가 제공하는 추가 솔더 페이스트 부피는 그레이프핑을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 하지만 더 중요한 것은 사각형 조리개가 제공하는 향상된 전사 효율입니다. 사각형 조리개 설계는 보다 일관된 전사 효율을 제공하여 일관되지 않은 증착은 적은 양을 의미할 수 있으므로 그레이핑의 가능성을 더욱 줄여줍니다.
SMD 패드와 NSMD 패드
솔더 마스킹 실험 결과에 따르면 솔더 마스크 정의(SMD) 패드의 경우 그레이핑 효과가 덜 발생하는 것으로 나타났습니다. 솔더 마스크는 장벽(댐)을 제공하여 가열 공정 중에 플럭스의 확산을 제한하고 산화물을 제거하고 추가 산화로부터 보호하기 위해 플럭스의 잠재적 가용성을 증가시키는 것으로 여겨집니다. 솔더 마스크는 또한 근접한 솔더 페이스트 파우더 입자를 추가 산화로부터 보호하는 장벽 역할을 할 수 있습니다.
수용성 대 비수용성
노클린 플럭스 화학은 일반적으로 로진/레진 기반(이하 레진으로만 지칭) 포뮬러입니다. 수지는 수용성 플럭스 화학에 사용되는 용매에 잘 녹지 않기 때문에 일반적으로 수용성 플럭스에서는 폴리머와 같은 고분자 화합물로 대체됩니다. 플럭스 화학에 포함된 활성제는 접합 표면의 현재 산화물과 솔더 페이스트 자체 내의 솔더 페이스트 분말 입자를 제거합니다. 가열 단계에서 추가 산화/재산화가 발생합니다. 무세정 플럭스의 수지는 산화 장벽이 우수하고 재산화를 방지하는 반면, 수용성 화학 물질의 수지는 산화 저항성이 부족하기 때문에 내 산화성이 떨어집니다.
따라서 동일한 리플로 프로파일의 경우(일반적으로 수용성 화학 물질이 더 활발하지만) 수용성 화학 물질의 낮은 산화 저항성으로 인해 길거나 뜨거운 프로파일에서 더 민감해져 그레이프 결함이 발생할 가능성이 높아집니다.
램프-투-피크 대 담금질
수년 동안 '담금형' 리플로우 프로파일이 널리 사용되었습니다. 그러나 시간이 지남에 따라 선호하는 리플로우 프로파일로 램프 투 피크(RTP)로 초점이 이동했습니다. 이러한 변화의 원인은 무연 솔더와 관련된 더 높은 리플로 공정 온도와 더 작은 페이스트 증착물과 온도에 민감한 부품 및 기판 적층의 총 열 노출을 줄여야 할 필요성 때문입니다. 소크 프로파일의 또 다른 이점은 보이드 감소에 활용된다는 점입니다. 그러나 무연 솔더의 표면 장력이 증가하고 리플로우에 사용되는 온도가 더 높기 때문에 무연 솔더에서는 그다지 효과적이지 않습니다.
그레이프핑을 최소화하려면 동일한 액체 위 시간(TAL)과 최고 온도를 사용하는 경우 오븐 시간을 줄이는 것이 좋습니다(그림 3 참조). 담금 프로파일은 일반적으로 RTP 프로파일보다 더 많은 그레이핑을 생성합니다. 그라핑 효과는 오븐에 머무는 총 시간이 길어질수록 더 심해집니다. 총 열을 낮추면 그레이핑 효과가 급격히 감소합니다. 일반적으로 1°C/초의 램프 속도(주변 온도에서 최고 온도까지)가 권장되며, 이는 최고 온도 245°C까지 약 3분 40초에 해당합니다.
그림 3.일반적인 무연 리플로우 프로파일.
결론
그레이핑 효과를 줄이려면 최적의 인쇄 및 리플로우 프로세스를 보장하는 것이 중요합니다. 면적 비율에 대해 제공된 지침을 사용하고 공정/장비 설정을 올바르게 하면 우수한 전사 효율을 보장할 수 있습니다. 원형 조리개와 사각 조리개 디자인의 면적 비율이 동일하더라도 원형 조리개 디자인에서는 페이스트 부피가 감소하고 전사 효율이 감소하기 때문에 그레이핑 가능성이 높아집니다.
리플로우 관점에서 총 열 입력량을 줄이면 효과의 가능성을 줄일 수 있습니다. 램프 속도가 초당 ~1°C인 RTP 유형 프로파일을 사용하는 것이 좋습니다.
재료적 요인도 결과에 영향을 미칩니다. 솔더 페이스트 입자 크기가 감소하고 표면 산화물의 면적이 증가함에 따라 그레이프핑의 관찰이 증가합니다. 수용성 솔더 페이스트 화학 물질은 수지가 노클린 화학 물질에 제공하는 산화 장벽을 제공하지 않으며 그레이핑 효과가 발생하기 쉽습니다.
건배,
론 박사
