로널드 C. 라스키 박사: 인듐 코퍼레이션의 에드 브릭스 씨가 솔더 프리폼의 다양한 응용 분야에 관한 논문을 작성하자는 훌륭한 아이디어를 냈습니다. 그는 저에게 그 논문의 편집과 검토를 부탁했는데, 논문 제목은 《다용도 프리폼》이었습니다.
프리폼은 다양한 모양을 띤 솔더 조각을 말합니다. 종종 프리폼은 솔더 플럭스로 코팅되어 있거나 금속 중심부에 플럭스가 채워져 있습니다. 이와 같이 중심부에 플럭스가 채워진 프리폼은 일반적으로 ‘플럭스 코어드(flux-cored)’라고 불립니다. 그러나 프리폼은 갈륨, 비스무트, 인듐, 주석, 납, 금 기반의 여섯 가지 솔더 계열로 나뉩니다. 프리폼으로 성형될 수 있는 합금은 200종 이상에 달합니다.
솔더 페이스트는 전자 부품 표면 실장 조립의 기본 재료로서 매우 중요하다는 점을 분명히 해두고자 합니다. 하지만 솔더 페이스트의 특성상 몇 가지 어려움이 따릅니다. 솔더 페이스트에 포함된 플럭스는 리플로우 공정 중에 산화물을 제거할 만큼 충분히 활성적이어야 하지만, 동시에 페이스트가 보관되어 있는 동안에는 솔더 분말에 영향을 미치지 않아야 합니다. 솔더 페이스트의 부피 기준 약 50%가 플럭스로 구성되어 있기 때문에, 플럭스가 모든 솔더 분말 입자를 코팅하게 되어 페이스트를 장기간 보관하는 데 어려움이 따릅니다.
이 페이스트의 보관 기간은 개월 단위로 측정됩니다. 프리폼은 고체 상태이므로, 보관 중에 소량의 프리폼 플럭스와 상호작용하는 솔더 합금의 표면적이 훨씬 적습니다. 따라서 프리폼의 보관 기간은 거의 무한합니다. 프리폼의 온도 범위는 매우 다양합니다. 주석-납 및 무연 페이스트와 같은 주석 기반 솔더 페이스트의 용융 범위는 183~229°C입니다. 프리폼의 6가지 합금 계열을 고려하면, 이 범위는 8°C에서 1,064°C에 이릅니다.
고온 응용 분야 중 일부로는 J-STD-020을 사용하여 실리콘 집적 회로 다이를 부착하는 경우가 있으며, 이때는 260~265°C에서 녹는 솔더 합금이 필요합니다. 고온 응용 분야 중 일부로는 J-STD-020을 사용하여 실리콘 집적 회로 다이를 부착하는 경우가 있으며, 이때는 260~265°C에서 녹는 솔더 합금이 필요합니다. 이 온도 범위에서 녹는 납 기반 프리폼이 여러 가지 있습니다. 마찬가지로, 이 온도 범위에서 고주파 및 밀폐 용도로 사용되는 금 기반 합금도 여러 가지가 있습니다.
SMT 조립에는 여러 가지 프리폼 적용 사례가 있습니다. 많은 전자 회로 기판에는 표면 실장 부품과 관통 구멍 부품이 모두 포함되어 있습니다. 일반적으로 이러한 회로 기판을 조립하려면 조립 라인에서 표면 실장 및 웨이브 솔더링이 필요할 것으로 예상됩니다. 그러나 관통 구멍 위에 솔더 페이스트를 도포하면 종종 표면 실장 조립만으로도 조립이 가능해집니다. 이 공정은 스루홀이 말 그대로 스루홀용 솔더 페이스트 도포층 안에 위치하고 이를 관통하기 때문에 흔히 ‘핀-인-페이스트(pin-in-paste)’라고 불리지만, 앞서 살펴본 바와 같이 솔더 페이스트는 부피 기준으로 약 50%가 플럭스로 구성되어 있습니다. 따라서 솔더 페이스트를 리플로우할 때, 스루홀 솔더 접합부에는 솔더가 부족하고 플럭스가 과다하게 남는 경우가 종종 발생합니다.
이 사진은 페이스트 내 핀(PIP) 방식으로 조립된 회로 기판의 단면입니다. 납땜이 부족하고 플럭스가 과다하게 남아 있는 점을 주목하십시오. 이 문제를 해결하는 방법은 납땜 프리폼을 사용하는 것입니다. 납땜 부위에 프리폼을 배치하면 납땜 부족 현상이 해소됩니다. 프리폼은 일반적으로 0603 저항기와 같은 수동 소자의 형태를 띱니다. 이 프리폼은 테이프 앤 릴(Tape and Reel) 형태로 포장되어 있으며, 부품 배치기를 통해 납땜 부위에 배치됩니다. 그 결과 형성된 납땜 접합부는 대개 거의 완벽합니다.
최근 출시된 고밀도 휴대폰 설계의 경우, 전기 차폐판을 인쇄 회로 기판 패드에 연결하기 위한 효과적인 납땜 접합부를 형성할 만큼 충분한 양의 납땜 페이스트를 도포하기 어려운 경우가 많습니다. 이러한 경우, 차폐판은 전자기 및 정전기 방전 보호 기능을 제대로 수행하지 못하게 됩니다.
이러한 납 부족 상황에서는 종종 납 프리폼이 사용됩니다. 이 공정을 ‘Solder Fortification®’이라고 합니다. 프리폼은 부품 배치기를 통해 배치됩니다. Solder Fortification®에 대한 자세한 내용은 Carol Gowans와 동료들이 작성한 “Applications of Solder Fortification® with Preforms”라는 제목의 논문에서 확인할 수 있습니다. 이 주제는 하루 종일 논의해도 모자랄 만큼 방대합니다. 레이저, 유도, 로봇 납땜 분야에서도 이 기술을 응용할 수 있는 사례가 많이 있습니다.
납땜 공정상의 문제 해결을 위한 프리폼 사용에 대한 자세한 내용은 당사 웹사이트( indiumstg.wpenginepowered.com)를 방문해 주십시오.
SMTAI 2016을 위해 에드(Ed)가 발표한 논문을 읽어보시면 궁금한 점을 해결하는 데 도움이 될 것이지만, 무엇보다도 인듐 코퍼레이션(Indium Corporation)의 기술 지원팀에 문의하여 프리폼 관련 질문에 대한 답변을 받으시기 바랍니다. 그리고 언제나 그렇듯이, [email protected]으로 이메일을 보내 주시면 됩니다.
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