다음 분야의 전문가들 인쇄회로기판(PCB) 업계의 전문가들은 툼스톤(tombstoning )이나 헤드-인-필로우(head-in-pillow)와 같은 일반적인 납땜 결함에 대해 너무나도 잘 알고 있습니다. 이러한 결함은 영향을 받은 부품과 기판 자체의 성능 모두에 상당한 위험을 초래합니다.
고객들과 대화를 나누다 보니, 이러한 결함 유형에 대한 용어가 종종 오해되고 있다는 사실을 알게 되었습니다. 사람들은 이 두 가지를 하나의 포괄적인 범주로 묶어 생각하는 경우가 많습니다. 심지어 고객들이 '머리를 베개에 파묻은 상태' 결함을 ‘툼스톤 현상’이라고 부르는 경우도 있었습니다. 이러한 결함들은 원인이 서로 다르고 문제 해결 방법도 다르기 때문에, 이러한 혼동은 큰 혼란을 야기합니다.
두 결함 모두 조립체의 두 표면 간에 접촉 및 납땜이 제대로 이루어지지 않아 이러한 오해로 이어집니다. 이 글에서는 각 결함의 특징을 명확히 설명하여, 여러분이 결함을 효과적이고 정확하게 진단할 수 있는 유익한 기초 지식을 제공하고자 합니다.
툼스톤링이란 무엇인가요?
툼스톤 현상 툼스톤 현상은 PCB 제조 과정에서 가장 눈에 띄는 결함 중 하나로 꼽힙니다. 이 결함을 관찰하면 부품이 끝부분을 세운 채 수직으로 서 있는 모습을 볼 수 있는데, 마치 묘지의 묘비석과 비슷합니다.
주로 소형 수동 부품에서 발생하는 이 현상의 주된 원인은 솔더 패드의 불균일한 습윤 현상입니다. 한쪽 패드가 다른 쪽보다 먼저 습윤되면, 습윤된 패드의 표면 장력에 의해 부품이 당겨집니다. 이 힘으로 인해 부품이 들뜨게 되어 반대쪽 패드에 완전한 솔더 접합부가 형성되지 못하게 됩니다.
(참고: 『인쇄 회로 조립공을 위한 납땜 결함 가이드』의 그림 4.1과 4.2가 이를 잘 보여줍니다.)
툼스톤 현상 문제 해결
당사는 툼스톤 현상을 해결하기 위해 다양한 문제 해결 방법을 활용합니다. 패드 설계는 조사 과정에서 가장 먼저 고려하는 요소 중 하나입니다. 문제가 발생한 부품의 패드 크기와 모양이 서로 다르면, 부품에 가해지는 표면 장력이 고르지 않게 될 수 있습니다. 당사는 이러한 상반된 힘을 최소화하기 위해 패드의 크기와 모양을 비슷하게 유지할 것을 종종 권장합니다.
리플로우 공정을 조정하는 것도 툼스톤 현상의 발생 빈도를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 숄더 프로파일이나 짧은 유지 시간을 도입하면 문제가 되는 부품과 관련된 두 패드가 동시에 용융된 솔더에 적셔지도록 할 수 있습니다.
'헤드-인-필로우'란 무엇인가요?
툼스톤 결함과 달리, ‘베개 속 머리’ 결함은 육안으로 발견하기가 매우 어렵기로 악명이 높습니다. 정확한 위치를 파악하려면 대개 X선 검사나 단면 절단이 필요합니다.
주로 BGA에서 발생하는 이 결함은 BGA의 솔더 볼이 PCB상의 솔더 페이스트 침착물과 융합되지 못할 때 나타납니다. BGA 뒤틀림 이 주요 원인입니다. 리플로우 과정에서 BGA가 가열되어 뒤틀리면, BGA 솔더 볼과 솔더 페이스트 침착물 사이에 분리 현상이 발생할 수 있습니다.
리플로우 공정이 완료되고 BGA가 식으면 뒤틀림 정도가 줄어듭니다. 솔더 볼과 솔더 페이스트 침착물은 결국 다시 접촉하게 됩니다. 그러나 리플로우 과정에서 솔더가 녹았음에도 불구하고, 두 표면이 다시 만나면 납땜 표면에 과도한 산화가 발생한 경우가 많습니다. 이로 인해 솔더가 융합되지 못해 충분한 납땜 접합부가 형성되지 못합니다. 그 결과, 솔더 볼과 솔더 페이스트 침착물 사이에 틈이 생기는데, 이는 마치 사람이 베개에 머리를 얹은 모습을 연상시킵니다.
(참고: 『인쇄 회로 조립공을 위한 납땜 결함 가이드』의 그림 3.1이 이 부분에서 유용한 참고 자료가 됩니다.)
'Head-in-Pillow' 문제 해결
‘헤드-인-필로우(head-in-pillow)’ 결함을 완화하기 위한 문제 해결 방안은 BGA 솔더 볼과 PCB상의 솔더 페이스트 침착물 사이의 거리를 줄이는 데 중점을 둡니다.
- 인쇄 효율: 인쇄 시 효과적인 전사 효율을 확보하면 리플로우 전 솔더 볼과 솔더 페이스트 사이에 큰 간격이 생기지 않도록 할 수 있습니다.
- 리플로우 최적화: 또 다른 방법은 리플로우 프로파일을 최적화하여 BGA의 뒤틀림을 최소화하는 것입니다. 리플로우 단계에서 부품이 과도하게 가열되는 것을 방지하기 위해 열량과 액상 유지 시간(TAL) 을 줄임으로써 이를 달성할 수 있습니다.
- 재료 선정: 또한, Indium Corporation®의 Indium10.8HF와 같은 특정 솔더 페이스트는 ‘헤드-인-필로우(head-in-pillow)’ 결함 발생 빈도를 줄일 수 있는 특성을 갖도록 개발되었습니다.
발견하기는 어렵지만, 특정 공정 및 재료 변경을 통해 베개 속 머리 부분의 결함을 개선할 수 있습니다.
결론
‘헤드-인-필로우(Head-in-Pillow) ’와 ‘툼스톤(tombstoning)’ 결함은 종종 같은 의미로 혼용되곤 하지만, 이는 PCB에서 발생하는 두 가지 매우 다른 현상으로, 각각 별개의 문제 해결 절차가 필요합니다. 툼스톤은 일반적으로 불균일한 습윤력을 받는 소형 부품에서 나타나는 반면, 헤드-인-필로우는 주로 리플로우 공정 중 뒤틀림 현상이 발생하는 BGA에서 발생합니다.
이 두 가지 결함 범주의 차이점을 이해하면 고객과 제조업체 간의 의사소통을 원활하게 할 수 있습니다. 양측이 동일한 인식을 공유하도록 함으로써 이러한 문제를 가능한 한 빨리 성공적으로 해결할 수 있습니다. 더 자세한 내용을 알고 싶으시다면, 인듐 코퍼레이션(Indium Corporation)의 『인쇄 회로 기판 조립의 납땜 및 제조 결함 제거를 위한 그린 라이트 가이드』를 디지털로 확인하거나 아마존에서 구매해 보시기 바랍니다.
