부품 소재신뢰성기반기술확산사업부품 소재신뢰성기반기술확산사업부품 소재신뢰성기반기술확산사업부품 소재신뢰성기반기술확산사업····

용 인쇄회로기판의 접합부의 신뢰성 향상용 인쇄회로기판의 접합부의 신뢰성 향상용 인쇄회로기판의 접합부의 신뢰성 향상용 인쇄회로기판의 접합부의 신뢰성 향상(CCTV Solder )(CCTV Solder )(CCTV Solder )(CCTV Solder )

2007. 10. 12007. 10. 12007. 10. 12007. 10. 1

주관기관주관기관주관기관주관기관:::: 주 오리온테크놀리지주 오리온테크놀리지주 오리온테크놀리지주 오리온테크놀리지( )( )( )( )

위탁기관위탁기관위탁기관위탁기관:::: 구미전자기술연구소구미전자기술연구소구미전자기술연구소구미전자기술연구소

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하한국부품소재산업진흥원장 귀 하

본 보고서를 용 인쇄회로기판의 접합부의 신뢰성 향상본 보고서를 용 인쇄회로기판의 접합부의 신뢰성 향상본 보고서를 용 인쇄회로기판의 접합부의 신뢰성 향상본 보고서를 용 인쇄회로기판의 접합부의 신뢰성 향상“CCTV Solder ”“CCTV Solder ”“CCTV Solder ”“CCTV Solder ”

사업기간 과제의 최종보고서로 제출합사업기간 과제의 최종보고서로 제출합사업기간 과제의 최종보고서로 제출합사업기간 과제의 최종보고서로 제출합( : 2006. 08. 01~2007. 09. 30.)( : 2006. 08. 01~2007. 09. 30.)( : 2006. 08. 01~2007. 09. 30.)( : 2006. 08. 01~2007. 09. 30.)

니다니다니다니다....

2007. 10. 12007. 10. 12007. 10. 12007. 10. 1

주관기관명 오리온테크놀리지:

주관책임자 최 천 형:

연 구 원 이 숭 섭:

연 구 원 유 명 수:

위탁기관명 구미전자기술연구소:

위탁책임자 손 선 영:

연 구 원 최 규 석:

연 구 원 김 헌 곤:

연 구 원 김 용 배:

연 구 원 박 성 은:

부품소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록

관리번호관리번호관리번호관리번호 0600-RD1-0057

사 업 명사 업 명사 업 명사 업 명 용 인쇄회로기판의 접합부의 신뢰성 향상CCTV Solder

키 워 드키 워 드키 워 드키 워 드 인쇄회로기판 솔더링 표면실장 무연솔더/BGA/ / /

사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용

최종 목표최종 목표최종 목표최종 목표1.1.1.1.

더링 공정에서의 냉납 불량 관련 신뢰성 향상을 목적으로 불량 원BGA pakagedmlthf

인 규명 및 공정개선을 통한 신뢰성 향상 즉 솔더링 공정 불량률 기존, BGA ( 5% 1%→

미만 저하를 목표로 하여 품질 비용 절감 및 제품에 대한 고객 신뢰도 확보가 목표)

임

고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과2.2.2.2.

의 표면실장 솔더링 공정에서의 불량은 공정에서 가해지는BGA pakage ( ) reflow

로 인한 솔더 크랙 또는 로 분석되며 이에 대해서 휨 메탈마스stress come off , PCB ,

크 구조 개선 공정 변경 등을 통하여 개선을 실시함mesh , reflow .

신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교3. ( · )3. ( · )3. ( · )3. ( · )

냉땜불량 발생률BGA

사업 전 평균 수준- : 5%

사업 후 평균 미만 수준으로 발생되고 있어 개선효과가 나타나고 있음- : 1% .

기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과4. ( )4. ( )4. ( )4. ( )

품질 신뢰성 검증-soldering .

를 위한 구조 표준화:BGA solder Metal mask .

적용분야적용분야적용분야적용분야5.5.5.5.

용 인쇄회로기판 솔더링 뿐만 아니라 가 적용되는 전자제-CCTV BGA packagegudxo

품의 에는 광범위하게 적용될 수 있음interconnection .

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론1 ····················································································································1

제 절 신뢰성 지원의 중요성 및 신뢰성 현황1 ····················································1

제 절 기대효과2 ··········································································································2

제 장 신뢰성 향상 지원목표 및 내용2 ········································································3

제 절 신뢰성 향상 지원 목표1 ················································································3

제 절 신뢰성 향상 지원 방법2 ················································································5

제 장 결 과3 ······················································································································8

제 절 불량 현상 및 불량 원인 규명1 ····································································8

제 절 솔더 페이스트 특성 평가 결과2 ································································15

제 절 신뢰성 향상을 윟나 공정 개선 테스트3 ··················································20

제 절 공정 품질 현황4 ····························································································40

제 장 결 론4 ····················································································································42

- 1 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 신뢰성 지원의 중요성 및 신뢰성 현황제 절 신뢰성 지원의 중요성 및 신뢰성 현황제 절 신뢰성 지원의 중요성 및 신뢰성 현황제 절 신뢰성 지원의 중요성 및 신뢰성 현황1111

유럽의 환경유해물질 사용 규제로 인해 도입된 무연솔더 를 사(lead-free solder)

용하는 표면실장에 있어서 문제점은 기존 유연 솔더를 사용할 때보다 젖음(leaded)

성 부족과 이상 융점온도 상승 등으로 인하여 기술적인 어려움이 있다 특히20 . ,℃

현재 발생하고 있는 솔더 접합불량에 대해서는 원인이 불분명한 경우가 많고 이로,

인한 비용손실 및 고객 불만 등이 가중되고 있어 이에 대한 불량원인 분석 및 기술

지원이 필요한 상황이다 양산 중인 에 적용중인. CCTV monitor BGA(Ball Grid

형태의 의 무연솔더링 관련 신뢰성 확보에 대한 필요가 대두되고Array) IC package

있다.

최근 국내외 전자 반도체업계에서 이슈화되고 있는 무연 실장기술은 미국 일본· · ·

유럽의 경우 기술 확산 단계에 돌입했으며 국내에서도 수출부문은 종래의 Sn-Pb

공정 솔더 를 이용한 전자부품의 실장체계로 전환중이며 이를 위해(eutectic solder) ,

선 솔더의 조성 변경과 의 표면처리 및 부품 리드의 도금에 대한 소재 변경과PCB

더불어 제조 공정기술의 변경이 요구되고 있다 또한 솔더링 온도의 상승에 따른.

설계의 최적화 부품의 내열성 향상과 솔더링 온도의 균일화를 위한 솔더링 프PCB ,

로세스 및 장비의 최적화도 요구된다 이와 같이 무연솔더링 기술의 적용에 따라.

솔더와 부품단자의 도금과의 상합성 부품의 열적 손상 및 기존 생산 인프라의대응,

여부 등이 기술적 과제로 대두되고 있다 현재 당사에서 주로 적용되고 있는 무연.

솔더는 Sn-Ag-Cu (96.5-3.0-0.5) cream solder, Sn-Cu-P (99.29-0.7-0.1) wire

및 Sn-Cu-P

- 2 -

가 사용되고 있으며 이들 무연(99.79-0.2-0.1) bar type, Sn-Cu (99.3-0.7) wire ,

로 제작된 제품의 발생 불량 데이터를 분석해보면 접합 불량률이solder solder 5%

수준으로 이는 전체불량의 대부분을 점유하고 있다 그러나 형태의, . , BGA IC

의 경우 또는 와 같package DIP(Dual In-line Package) QFD(Quad Flat Package)

은 리드프레임 제품과 달리 솔더링 후 접합상태에 대한 검사가 불가능하여 불량 유

출로 인한 품질 비용 및 고객 불만의 요소를 갖고 있으나 이에 대한 정확한 원인,

규명이나 문제 해결이 되지 않고 있다 이와 더불어 무연솔더 적용에 따른 용융 온.

도 상승으로 인한 기판의 휨 에 의한 불량이 증가하고 있는 실정이PCB (warpage)

다.

현재 문제에 기인한 제조공정 불량이 정도이며 공정 및 출하검사Soldering 5% ,

후 에서도 본 문제 관련한 유출불량이 발생되고 위와 같은 문제로 인한 품질Field ,

비용 및 고객신뢰도 하락 등 많은 부정적 영향이 있으며 이를 해결하기 위해서는,

불량모드 분석 및 원인 규명을 위한 분석기술 지원이 필요하다.

제 절 기대 효과제 절 기대 효과제 절 기대 효과제 절 기대 효과2222

무연 실장기술에 대한 신뢰성 향상으로 인하여 공정 불량을 획기적으로 줄여

접합의 품질을 지금의 수준보다 현저히 향상시킬 수 있을 것으로 기대되며solder ,

불량률 저하로 품질의 신뢰도와 가격 경쟁력의 확보가 가능하다고 예상된다.

- 3 -

제 장 신뢰성 향상 지원목표 및 내용제 장 신뢰성 향상 지원목표 및 내용제 장 신뢰성 향상 지원목표 및 내용제 장 신뢰성 향상 지원목표 및 내용2222

제 절 신뢰성 향상 지원 목표제 절 신뢰성 향상 지원 목표제 절 신뢰성 향상 지원 목표제 절 신뢰성 향상 지원 목표1111

불량제품에 대한 공정별 요인별 분석을 통하여 원인을 분석하고 대책내요엥 대

한 신뢰성 검증을 통하여 제품의 신뢰성을 확보한다.

목표 목 표 달성방법

신뢰

도

접o Solder

불량률 미만(1% )

불량률 미만 이 되도록 공정o 1% (ppm)

불량 원인분석 및 해결

신뢰

성분

석

접합상태o solder

수명평가o soldering

성분분석o silder

산화막 분석o BGA

분석o PCB warp

고장분석 고장모드영향분석을 통한o ,

불량원인 및 접합신뢰성 향상 방안 모색

점착성시험 유동성시험 솔더볼시험o , , ,

퍼짐성 시험을 통한 고장메카니즘 규명

전단시험 열싸이클 시험 기판굽힘시o , ,

험을 통한 접합부의 신뢰성 평가

기업

지원

접합불량 원인 규명o solder

솔더링 공정조건 진단 및 불량유형 분o

석

휨유형에 의한 접합 영향o PCB solder

평가

솔더볼과 접합부의 전단시험을o paste

통한 계면 접합확인

교육 및 표준화o불량원인에 대한 불량방지 기술교육o

불량 해당 공정 제개정o FMEA ,

장비 활용o

접합불량 부분 표면 성분 분석 지원o

고온돌더링 관찰장치(SEM-EDS, XRF,

등)

연계

활동품질혁신 활동o

주관기관 참여기업간 품질현황 분석o -

월 회 정기협의- 1

표 신뢰성 향상 최종목표1.

- 4 -

표 과제 종료 후 평가항목별 최종목표 도달 결과2.

- 5 -

제 절 신뢰성 향상 지원 방법제 절 신뢰성 향상 지원 방법제 절 신뢰성 향상 지원 방법제 절 신뢰성 향상 지원 방법2222

신뢰성 지원 방법신뢰성 지원 방법신뢰성 지원 방법신뢰성 지원 방법1.1.1.1.

가 현장에서 발생하는 불량 데이터를 집계 유형 분류하여 발생빈도가 많은 불. ,

량 형태를 파악 분석, .

나 수명평가를 통한 접합부의 신뢰성 평가. Soldering

다 고장메커니즘을 재현하여 공정진단에서 고장메커니즘을 추정.

라 불량 발생 유형에 대한 원인 분석 불량 분석 및 공정진단. ( )

접합상태(1) solder

납뿔 납고드름 납 젖음성 백색반점 기름 등에 의한 접합 상태: , , bridge, , ,

를 점검

(2) PCB warp

과정에서 열변형에 의한 휨으로 에 미치는 영향을 평가: Reflow soldering

양면 다층기판에 적용X: , (-.5~1.5%)

단면 기판에 적용Y: (0.8~2.0%)

위의 사항에 제외되는 나머지 기판Z: (1.0~3.5%)

의 신뢰성 평가와 산화막 분석(3) BGA solder ball

가 분리되는 패턴과 원인 규명 공정과정에서 발생할 수 있는: solder ,

의 산화막에 의한 의 접합 불량 평가 및 산화막 제거solder ball solder

방법제시

마 성분 분석. solder

점착성시험 유동성시험 솔더볼시험 퍼짐성시험을 통한 고장메커니즘 규명(1) , , ,

볼과 합부의 전단시험을 통한 계면 접합확인(2) solder pastewjq (JIS Z 3198)

- 6 -

열싸이클 시험 기판 굽힘시험을 통한 접합부의 신뢰성 평가(3) ,

기법을 활용(4) FMEA

사업추진 체계사업추진 체계사업추진 체계사업추진 체계2.2.2.2.

수행 주체별 역할수행 주체별 역할수행 주체별 역할수행 주체별 역할3.3.3.3.

가 주관기관의 역할.

공정 및 필드 불량의 현상파악(1)

자 수삽 조립 검사 및 에서의 불량현상을 요인별로 파악(2) SMT, · , , field

요인별 불량 원인 파악을 위한 공정분석(3)

시료제작(4)

대책내용의 신뢰성 검증을 위한 검토 및 제작: PCB set

신뢰성 시험실시(5)

대책사항별 시험을 실시하여 신뢰성을 확보한다: .

- 7 -

나 위탁기관이 역할.

불량 현상에 대한 분석 및 메커니즘 규명(1)

불량원인 공정 진단(2)

솔더 불량 상태 파악 및 원인규명:

점착성시험 유동성시험 솔더볼시험 퍼짐성시험을 통한 고장메카니즘 규명(3) , , ,

솔더볼과 합부의 전단시험을 통한 계면 접합확인(4) pastewjq

열싸이클 시험 기판 굽힘시험을 통한 접합부의 신뢰성 평가(5) ,

공정에서 발생하는 이 접합에 미치는 영향 분석: Reflow PCB warp solder

솔더 접합 신뢰성 향상 방안 및 불량 방지 대책 제안(6)

개선 제안 시료 평가(7)

추진 일정추진 일정추진 일정추진 일정4.4.4.4.

- 8 -

제 장 결 과제 장 결 과제 장 결 과제 장 결 과3333

제 절 불량 현상 및 불량 원인 규명제 절 불량 현상 및 불량 원인 규명제 절 불량 현상 및 불량 원인 규명제 절 불량 현상 및 불량 원인 규명1111

용 인쇄회로기판의 실장공정 완료 후 제품 검사를 위하여 모니터 화면 연결CTV

시 부분의 불량은 화면상으로 아래 그림 와 같은 형태로 나타나고BGA package 1.

있다.

그림 로 인한 불량 화면 상태1. BGA package

위 그림과 같은 불량이 일어나는 원인은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 첫째

로 협력업체로부터 공급받는 의 불량 즉 부품 상태의 특성 불량으, BGA package ,

로 인한 원인이 있으며 둘째로 의 실장 공정 의 냉땜 냉납 불량, BGA package (SMT) ( )

으로 인한 화면 불량이 있다 이러한 두 가지 불량은 공정 완료 후 화면상으로 위.

와 같이 다양한 형태의 불량 형태로 나타나게 되고 제조 현장에서는 특성불량 원, (

자재 불량 과 냉땜불량 공정 불량 과 구분이 되지 않고 있었다) ( ) .

- 9 -

우선 직접적으로 당사 오리온테크놀리지 실장공정과 관련있는, ( ) BGA package

냉땜불량 기전을 위하여 특성불량과 분류하는 기준과 정의가 필요하였다.

불량 제품에 대하여 부분 분리 후 하여 재작업BGA package re-balling SMT

실시하여 양품으로 판정되는 경우 냉땜불량 재작업 후에도 불량이고 동일 제품에, ,

대하여 다른 로 대체 사용하여 양품인 경우를 특성 불량으로 정의하BGA package

였다.

그림 불량 판단 및 정의를 위한2. BGA Flow Chart

냉땜 불량에 대하여 원인 분석을 위해 불량 제품에 대하여 와BGA package

부분을 절단하여 몰딩 후 단면 분석을 실시하였다board (Cross-section) .

- 10 -

그림 분석 및 분석 방향3. Cross-sectiion ; (a) BGA sold side ,

에 의한 각 위치별 결과(b) FE-SEM Mapping

불량 발생위치에 대한 정보가 없기 때문에 그림 과 같이 솔더 접합된3. BGA

의 각 단면을 일일이 에 의해 이미지로 에서의package cross-section FE-SEM BGA

위치별 접합 상태 및 불량 상태를 확인하였다Ball .

- 11 -

그림 불량 발생 위치 및 발생 현상4.

결과 그림 와 같이 면 상에서 위치는 주로 상에서 가Mapping 4. BGA sold BGA

장자리 발생 현상은 또는 와 같은 형태로 나타나는 것으로, Non-wetting Come-off

확인 되었다.

이와 같은 불량 현상에 대하여 추정되는 불량 메카니즘은 그림 과 같이 두5, 6

가지로 나타내었다.

- 12 -

- 13 -

그림 차이로 인한 불량 메커니즘5. CTE ; (a) Stress on solder ball by CTE, (b)

Strain distribution, (c) Schematic view of crack on solder joint by stress

그림 공정시 기판의 휨에 의한 불량 발생 메카니즘6. Reflow BGA

그림 는 솔더링 실장을 위한 공정시에 발생하는 이종 재료간 열팽5 Reflow CTE(

창계수 차이로 인해 발생하는 에 대한 을 나타낸 것이다) stress scheme . BGA

의 가장자리에 가장 많은 가 걸리게 되고 이러한package side ball land stress ,

가 또는 로 나타나게 된다 또 하나 다른 메카니stress interface crack come-off .

즘은 그림 에서와 같이 공정시 보다 상대적으로 얇은6. Reflow Board PCB BGA

기판의 휨으로 인해 의 접합된 솔더에 가 가해지는substrate BGA package stress

경우이다 물론 뿐만 아니라. BGA substrate

- 14 -

의 휨에 의해서 받는 도 존재한다고 할 수 있다Board BCB stress .

이러한 불량 발생 메카니즘에 대하여 당사에서 실행 및 개선 가능한 공Reflow

정시의 휨 인쇄 공정 및 사용 중인 솔더 페이스트에PCB , Screen , Reflow profile

대한 평가 및 실험을 진행하였다.

- 15 -

제 절 솔더 페이스트 특성 평가 결과제 절 솔더 페이스트 특성 평가 결과제 절 솔더 페이스트 특성 평가 결과제 절 솔더 페이스트 특성 평가 결과2222

현재 공정에서 주 에서 공급받아 사용중인 무연( )Nihon handa (Sn-3.0Ag-0.5Cu)

솔더 페이스트 모델명 에 대하여 신뢰성 평가 기준에 의하여 특성( : PF305 series)

평가를 진행하였고 평가는 포항산업 과학연구원 신뢰성평가센터에 의뢰하였다.

솔더페이스트 플럭스 함유량 측정솔더페이스트 플럭스 함유량 측정솔더페이스트 플럭스 함유량 측정솔더페이스트 플럭스 함유량 측정1. (flux)1. (flux)1. (flux)1. (flux)

가 평가 방법.

균일하게 교반된 솔더 페이스트에서 을 채취하여 이것의 무게를30G , W1이라

한다 이어서 채위된 시료를. KS M 2708KS M 2708KS M 2708KS M 2708에 규정된 글리세린 속에 넣어 가열

용융시켜 솔더와 플럭스가 완전분리된 후 공냉하여 응고시킨다 응고된 솔더, .

는 세척하고 건조시킨 후 무게를 측정하여 이 무게를, W2으로 한다 솔더 페.

이스트 중의 플럭스의 함유량은 식 을 이용하여 계산한다(1) .

나 평가 결과.

전체 솔더페이스트 무게 합금무게(W1)= 30g, (W2)= 26.59g

플럭스 함유량(%)=

×

솔더페이스트 슬럼프 테스트솔더페이스트 슬럼프 테스트솔더페이스트 슬럼프 테스트솔더페이스트 슬럼프 테스트2. (slump)2. (slump)2. (slump)2. (slump)

가 평가 방법 및 기준.

인쇄 후 건조시 또는 가열 후 솔더 페이스트의 형상변화를

- 16 -

측정하여 JIS Z 3284JIS Z 3284JIS Z 3284JIS Z 3284의 규격 또는 KS D 6773KS D 6773KS D 6773KS D 6773에 준하여 시행한다 가열시에.

는 시험할 페이스트의 고상선 온도 에서 분간 가열한다 합격 기준은-40 1 .℃

인쇄 및 가열 후에 무너짐이 없어야 하며 관찰은 고온용 관찰0.3mm pitch ,

장치 를 사용하였다(SP-5000Ds) .

나 평가 결과.

관찰결과 무너짐 등 특이사항 없음

그림 솔더페이스트 테스트 결과7. slump

솔더페이스트 솔더볼 테스트솔더페이스트 솔더볼 테스트솔더페이스트 솔더볼 테스트솔더페이스트 솔더볼 테스트3. (solder ball)3. (solder ball)3. (solder ball)3. (solder ball)

가 평가 방법 및 기준.

솔더 페이스트를 솔더가 젖지 않는 기판 알루미나 등 상에 용융시켜 솔더 페( ) ,

이스트 중의 솔더 입자가 응집하는 성능을 특정 조건하에서 측정하는 시험으

로 JIS Z 3284JIS Z 3284JIS Z 3284JIS Z 3284 규격에 준하여 시행하되 시험은 인쇄 후 시간 이내에 실시하1

는 것을 조건으로 한다 시험후에 이하의 솔더스패터 가. 75 (solder spatter) 3㎛

개 이하이어야 한다.

나 평가 결과.

기판 인쇄 후 시간 이내에는 솔더스패터가 발생하지 않았고 시간 방치 후1 , 24

에는 솔더스패터 개가 발겨되었으나 시2

- 17 -

험 기준상으로는 양호한 것으로 판단됨.

그림 솔더페이시트 솔더볼 테스트 결과8.

젖음성 테스트젖음성 테스트젖음성 테스트젖음성 테스트4. (Wettability)4. (Wettability)4. (Wettability)4. (Wettability)

가 평가 방법.

솔더페이스를 동판에 인쇄하고 고온현미경 장비의 온도를 융점온도 +50℃

가 되도록 승온 유지한다 시험 전 후 이미지 촬영 및 면적을 계산한(270 ) , . ,℃

다 면적기준은 와 가장 유사한 값을 선택한다. screen metal mask .

나 평가 결과.

- 18 -

그림 젖음성 테스트 결과9.

젖음성 면적비= S2/S1×100=35.831/34,199×100= 104.77%

플럭스 잔사 에 의한 부식성 테스트플럭스 잔사 에 의한 부식성 테스트플럭스 잔사 에 의한 부식성 테스트플럭스 잔사 에 의한 부식성 테스트5. (Flux residue) (Corrosivity)5. (Flux residue) (Corrosivity)5. (Flux residue) (Corrosivity)5. (Flux residue) (Corrosivity)

가 평가 방법.

동판상에 무연솔더 페이스트를 리플로우 시켜서 시험편을 온도 습(40±2) ,℃

도 시간 유지하는 가습 조건에 방치하고 플럭스 찌꺼기의 변색(90~95)%, 72 ,

에 따라 구리의 부식유무를 육안으로 평가한다 구체적인 시험방법은. KS DKS DKS DKS D

6773677367736773 부속서 에 준하여 시행하되 사용되는 솔더조의 온도는 시험할 페이스4

트의 액상선 온도 로 한다 항온항습기를 이용하여 평가하며 기준+(48~52) . ,℃

은 시험 후 동판의 청록색 변색이 없어야 하고 잔사의 흰색변색이 없어야 한,

다.

나 평가 결과.

부식성 시험 이후 육안 확인결과 변색 등의 특이사항 발견되지 않음

- 19 -

그림 부식성 테스트 결과10.

- 20 -

제 절 신뢰성 향상을 위한 공정 개선 테스트제 절 신뢰성 향상을 위한 공정 개선 테스트제 절 신뢰성 향상을 위한 공정 개선 테스트제 절 신뢰성 향상을 위한 공정 개선 테스트3333

휨 검증 및 개선 테스트휨 검증 및 개선 테스트휨 검증 및 개선 테스트휨 검증 및 개선 테스트1. PCB (warpage)1. PCB (warpage)1. PCB (warpage)1. PCB (warpage)

기판의 휨은 솔더링 접합에 있어서 기계적인 의 큰 원인이라고 할 수 있stress

다 공정 진행시에 발생하는 에 의한 기판 휨에 대한 현상. Reflow thermal damage

파악 및 이에 대한 개선을 실시하기로 하였다.

그림 의 휨 현상11. Bare Board PCB (warpage)

우선 의 는 납물 넘침 방지 및 자동납땜기 투입을 용이하게 하거나, PCB dummy

커넥터 등과 같은 수삽 부품을 삽입하기 위한 상 작업 공간 확보 측면에서 삽입PCB

되는 부분으로서 패턴 형태에 따라 실장공정시 휨과 관련이 있는 것으로 알려, PCB

져 있다 이와 같은 이유로 휨과 관련하여 가지 패턴 형태의 를. PCB 3 dummy PCB

제작하여 공정 후 휨에 대하여 테스트를 진행하였다reflow .

- 21 -

가 그림. Full pattern type( 13)

나 그림. Without pattern type( 14)

다 그림. Matrix(modified) pattern type( 15)

그림 13. Full pattern type

- 22 -

그림 14. Without pattern type

그림 15. Matrix pattern type

- 23 -

공정 전에 틈새게이지 를 이용하여 휨 상태를 먼저 특Reflow Clearance gauge( )

정하고 공정 진행 후 제품에 대하여 휨 상태를 측정하였다 는 협. Bare board PCB

력업체로부터 입고시부터 약간씩 휨을 가진 상태로 입고되는 경우가 많다 그러므.

로 이번 평가에서는 휨 정도가 이하인 경우의 개를 골라, 1mm Bare board PCB 50

측정하여 을 통한 분산분석 을 이용한 공정Manitab (ANOVA, ANalysis Of VAriance)

전 후간 유의차 분석을 실시하였다, .

그림 에 대한 공정 전 후의 휨 분석16. Full pattern type Reflow ,

그림 의 차트에서와 같이 형태가 인 경우16. Box Plot dummy pattern Full pattern

공정 전 후 기판에 대한 휨을 측정하여 분석 결과reflow (before), (after) ANOVA

가P-value 0.810( 로서 유의차가 없음으로 분석 되었0.05, 95% confidence level)≥

다.

- 24 -

그림 에 대한 공전 전 후의 휨 분석17. Without pattern type Reflow ,

그림 의 차트에서와 같이 형태가 인 경17. Box plot dummy pattern without pattern

우 공정 전 후 기판에 대한 휨을 측정하여 분석 결과reflow (before), (after) ANOVA

가 로서 유의차가 없음으로 분석 되었다P-value 0.282 ( 0.05) .≥

그림 에 대한 공정 전 후의 휨 분석18. Matrixt pattern type Reflow ,

- 25 -

그림 각 패턴 형태별 휨 비교19.

그림 의 차트에서와 같이 형태가 인 경18 Box Plot dummy pattern wtthout pattern

우 공정 전 후 기판에 대한 휨 측정하여 분석 결과reflow (before), (after) ANOVA

가 로서 유의차가 있는 것으로 분석 되었으며 휨에 대한 평균P-value 0.000 ( 0.05) ,≤

값이 이상에서 정도로 낮아짐으로써 형태의 패턴 형태가0.5mm 0.2mm , Matrix dummy

휨에 대하여 개선효과가 있음을 알 수 있다 이러한 개선 효과에 대한 이유는 의. , PCB

휨에 영향을 주는 동박의 불균형 즉 일부에는 전면 동박 패턴이 있고 일부에는 패턴, ,

형성을 위한 에칭 공정으로 인한 동박 부족 부분이 열적 데미지를 받을 때 동박과FR-4

재료간 열팽창계수 차이로 휨을 유발한다 이러한 현상에 대한 보정 방법으로(C.T.E) .

그림 과 같은 형태의 패턴을 일정 모양의 격자 형태로 형성 시켜 기판의 잔20 dummy ,

존 동박 불균형 현상에 대해 개선을 꾀하였다.

- 26 -

그림 패턴 디자인 적용 방법 및 예19. PCB dummy

휨에 대하여 로 나타낼 경우 아래와 같은 정의를 이용하여 나타낼 수 있다% .

현재 그림 과 같은 의 경우 길이 는 로 그림 에서와 같이13 Board PCB L( ) 225mm 14.

최대값 인 경우 로 계산될 수 있다0.05mm 0.5/225×100=0.2(%) .

위와 같은 결과에 따라 현재 공정에서는 에 을 삽입Bare Board PCB dummy design

한 을 사용하고 있다PCB .

- 27 -

그림 형태의 패턴이 삽입된20. Matrix dummy PCB

인쇄 공정의 모양 변경 테스트인쇄 공정의 모양 변경 테스트인쇄 공정의 모양 변경 테스트인쇄 공정의 모양 변경 테스트2. Screen Metal mask mesh2. Screen Metal mask mesh2. Screen Metal mask mesh2. Screen Metal mask mesh

기존 솔더페이스트 공정에서 사용하는 인쇄용 의 모양은Screen Metal mask mesh

그림 에서와 같이 와 동일한 원형의 크기의 를 사용하고 있다 솔21. Ball land 1:1 mesh .

더 접합력 향상을 위하여 그림 의 에 외접하는 사각형 모양의15. Ball land (square)

를 사용할 경우 인쇄공정시 기판으로 빠지는 솔더페이스트의 양이 많아mesh Screen

져 값이 낮아지고 납부족으로 인한 냉땜 불량을 줄이으로써 접합력 향상Aspect ratio ,

이 기대되어 이에 대한 평가를 진행하였다.

- 28 -

그림 모양 변경 개략도21. Metal mask mesh

우선 각 형태별 솔더 접합된 상태에 대해 에 대한 측정 및 분석을mesh aspect ratio

실시하였다 는 그림 과 같이 접합된 상태에서의 폭과 높이의 비로 나. Aspect ratio 22.

타낸다.

그림 솔더 접합된 상태에서의22. Aspect ratio

최근 고객사에서는 위와 같은 값에 대하여 접합 강도 향상을 위하여aspect ratio

값을 이하로 해야한다는 요구를 하고 있다 이를 위하여 각 형aspect ratio 1.2 . mesh

태별 을 통하여 접합면 형태를 분석하고 이에 대한 통계적 분석을 실시cross-section ,

하였다.

- 29 -

그림 형태별 솔더 접합상태의 결과23. Mesh cross-section

그림 형태별 계산된 값의 유의차 분석24. Mesh Aspect ratio

그림 에서와 같이 솔더 접합된 모양이 사각형 를 사용하였을 때가 접합된23. mesh

모양이 가로 값이 상대적으로 더 크게 나옴으로써 값은 상대적으로 낮(a) Aspect ratio

아지는 결과를 나타내었다 을 통해 측정된 가로 높이 의 값으로. Cross-section (a), (h)

을 이용하여 통계적으로 분석하였다 그림 에서와 같이 값이Minitab . 24. Aspect ratio

평균값 정도로 낮아졌음을 알 수 있다1.3 1.0 .→

- 30 -

이에 대한 실제 강도 평가를 위해 인쇄 후 에 대해 또는BGA package shear pull

로 평가하여 하나 직접적으로 솔더 접합된 에 대해 평가를 할 방strength BGA package

법이 없기 때문에 의 리드 를 이용한 테스트로 대체하기 위하여QFP (lead) pull strength

아래와 같은 방법으로 실험을 실시하였다.

사각형 를 사용하는 경우 의 면적 즉 솔더가 인쇄되는 면적은mesh , mesh , ball land

면적보다 배 넓은 면적을 갖는다1.27 .

그림 모양 원형 사각형25. Metal mask mesh ; (a) , (b)

- 31 -

따라서 기존 리드프레임이 접합되는 의 면적을 배 넓혀서, QFP PCB land 1.27 pull

를 측정하기로 하였다 기존 가로 세로strength . ( mesh dimension : = 0.25mm: 2.5mm

0.31mm: 2.56mm→

그림 와 같은 방법으로 의 솔더 접합된 리드 에 대26. QFP(Quad Flat Package) (lead)

해 테스트 진행하였다pull .

그림 에서와 같이 를 측정하는 경우 파단 은 두 곳에26. pull strength (fracture) ,① ②

서 일어난다 리드가 절단되는 의 경우는 제외하고 와 리드 즉 솔더 접합면에서. PCB ,②

파단이 나는 의 경우의 값만 데이터로 취하였다.①

- 32 -

그림 측정 결과27. Pull strength

그림 에서와 같이 원형 를 사용한 경우 평균값이 사각형 를27. mesh 856.2gf, mesh

사용한 경우 로 나타나 값 기준으로 향상효과를 보였다1077.9gf 25% .

공정 조건 테스트공정 조건 테스트공정 조건 테스트공정 조건 테스트3. Reflow3. Reflow3. Reflow3. Reflow

공정 조건 관련 테스트에 앞서 의 의 산화가 냉땜불Reflow BGA package solder ball

량에 미치는 영향을 우려하여 진공포장을 개봉한 후 작업시까지의 방치시간에 대한 산

화막 발생에 대한 검증을 실시하였다 통상 제조업체에서는 개봉 후. BGA package 24

시간 이내의 시간 구간동안 의 산화가 어느 정도 진행되는지 평가하였다 방solder ball .

치시간에 대한 구간은 진공포장 개봉 직후 및 시간으로 정하고3, 6, 12, 24

를 통해 산소 을 통해 검증하였다 표 은 각 방치시간별 발생한 산FE-SEM/EDS peak . 3.

화막에 대하여 검증한 결과를 나타내었다.

- 33 -

개봉 직후 3h 6h 12h 24h

산소검출량(%) 4.40 3.46 5.18 3.73 3.36

표 의 공기 중 방치시간별 산화막 발생 결과3. BGA package

- 34 -

그림 의 방치시간 별 산화막 분석 결과 개봉직후28. BGA package solder ball ; (a) ,

방치 후 방치 후 방치 후 시간 방치 후(b) 3h (c) 6h , (d) 12h , (e) 24

방치시간 별 산화막 발생 정도에 대한 분석 결과 상대적으로 거의 차이가 없는EDS

정도로 나타났으며 상기 방치 샘플을 동일한 공정 조건으로 작업하, Reflow soldering

였을 때 불량 수는 차이가 없는 것으로 나타났다 표 는 각 방치시간별, . 4. BGA

를 이용하여 각 씩을 제조하여 불량 수를 집계한 것이다package 50set .

표 의 방치시간별 조립 후 불량수 발생결과4. BGA package 50set

개봉 직후 3h 6h 12h 24h

불량 수 대( ) 1 0 0 1 0

위의 결과와 같이 에 대한 산화는 방치 시간과 크게 연관, BGA package solder ball

이 없으며 공정 이후 발생하는 불량과도 관계가 없음을 알 수 있었다 위의 결과, SMT .

로 미루어 약간이 에 발생하는 산화막은 에 포함된 에 의해, solder ball solder paste flux

제거될 수 있는 아주 적은 양이기 때문으로 판단된다.

- 35 -

냉땜 불량과 관련하여 당사에서 조건 변경하여 진행할 수 있는 조건reflow profile

변경에 대한 테스트를 진행하였다 실장 공정에서의 은 매우 중요한 요소. reflow profile

이다 안정된 온도 을 얻기 위해서는 최소 이상 통상 이상을 사용. profile 5zone , 8zone

한다 일반적으로 온도 냉각 등이 개 영역으로 나뉘어지며 각각의온. pre-heat, peak , 3 ,

도 및 유지시간 등이 변수로 작용하게 되는데 관련 업계에서는 이에 대한 것을 기술 및

노하우로서 보통은 공개를 하지 않으며 특히 무연솔더에 대해서는 어떤 형태의, profile

이 정답이다라고 하는 이 없는 상태이다profile .

영역에서는 시간을 길게 하는 경우 의 솔더볼 표면에서 산화 또는 솔Pre-heat BGA

더 페이스트의산화가 발생할 수 있어 젖음성 저하를 유발 할 수 있으며 플럭스 과다,

활성화로 인한 냉납 불량을 일으킬 수 있다 이와 반대로 시간을 짧게 하는 경우 기판.

에 열전달이 충분하지 않아 냉납 불량이 일어날 수 있다.

당사 공정에 대하여 변경을 통한 공정 불량 최소화 목적으로reflow profile Reflow

변경 테스트를 진행하고 아래 표 와 같이 실험계획을 실시하였으며 각 별profile 4. , leg

개선 여부에 대한 평가는 각각을 모니터에 실장하여 냉땜불량 발생 수량을 집계하는

것으로 평가하였다.

가 차 실험. 1

년 월 일 입고분(1) BGA package Lot No. S0628 (2006 9 7 )

년 월 일 입고분(2) Board PCB: PWB-L1711L (2006 10 17 )

테스트 수(3) Reflow zone : 6

테스트 수량 각 별 세트(4) : Leg 200

실험 조건 표 참조(5) ( 5. )

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최초 Leg 1 Leg 2 Leg 3

Pre-heat

시간(sec)150 120 120 160

온도Peak

유지시간(sec)20 40 31 40

표 5. DOE Matrix for Reflow Profile Test

그림 공정에 대한 테스트 목적의29. Reflow profile

각 별 공정 진행 결과 차 시험에서 에 대한 불량 발생 수량이 가장leg Reflow 1 Leg. 3

적었으며 차 재현 실험에서도 불량 수준, 2 1%

- 37 -

의 불량이 검출되어 현제 시간 및 온도 유지시간을 당초 조건과 비교하Pre-heat peak

여 초 늘린 조건으로 공정 진행하고 있다10~20 .

최초 Leg 1 leg 2 leg 3

불량 수 11 8 7 5

비율(%) 5.5 4 3.5 2.5

표 각 별 불량 발생 수 및 비율 차 시험6. Leg (1 )

최초 Leg 1 leg 2 leg 3

불량 수 13 7 8 2

비율(%) 6.5 4 3.5 1

표 각 별 불량 발생 수 및 비율 차 시험7. Leg (2 )

가속수명시험 평가가속수명시험 평가가속수명시험 평가가속수명시험 평가4.4.4.4.

전압 온도 진동 압력 등 제품의 수명에 큰 영향을 미치는 변수의 스트레스 수준을, ,

실제 사용조건 보다 열악한 수준으로 시험하여 빠른 기간 내에 제품이 고장자료를 얻

고 실제 사용조건에서의 수명 관련 품질 특성치를 추정하는 방법으로 가속 수명 시험,

을 실시하였다.

- 38 -

가 시험조건.

구분 온도 습도 on/off 전압 시험수량 시험시간

사용조건 25 60 1 1

가속조건 65 60 2 1.5 20/27 540

그림 시간별 수명평가 결과30. check sheet

나 결과.

개선전(1)

시험편 개 개: 20 (fail 1 )

복합가속복합가속복합가속복합가속

시험시험시험시험

Stress

인자가속계수

총

사용시간(hr)

수량시간( * *

가속계수)

시간 당

고장율

연간

고장율

년(%/ )

비고

온도( )℃ 10.01

622654.5

23.25E-06 2.845152.845152.845152.84515

년1

사용시간

8760hr

습도(%RH) 1.00

On/Off 4.00

전압 1.440

Total 57.65

가속계수: QQQQ**** 로 계산로 계산로 계산로 계산=0.5, n=2=0.5, n=2=0.5, n=2=0.5, n=2

*

- 39 -

개선 후(2)

시험편 개 개:27 (fail 0 )

복합가속복합가속복합가속복합가속

시험시험시험시험

Stress

인자가속계수

총

사용시간(hr)

수량시간( * *

가속계수)

시간 당

고장율

연간

고장율

년(%/ )

비고

온도( )℃ 10.01

84583.60 1.09E-06 0.954900.954900.954900.95490

년1

사용시간

8760hr

습도(%RH) 1.00

On/Off 4.00

전압 1.440

Total 57.65

개선 전 시간당 고장률은 로 비교적 높은 값을 나타내었으나 공정개선을3.25E-06 ,

거친 후의시간당 고장률은 로 연간 고장률도 로 낮아졌으며 최종목표1.09E-06 0.95%

치에 근사한 값을 나타내었다.

그림 은 시간별 수명평가 로 가속수명시험의 유무를 판단하는 자30. check sheet fail

료로 활용되었다.

연간 사용시간 산출근거 및 연간 사용시간 산출근거는 다음과 같이 계산하SET UNIT

였다.

24Hr/Day*365Days/Year=8760Hr/Year

- 40 -

제 절 공정 품질 현황제 절 공정 품질 현황제 절 공정 품질 현황제 절 공정 품질 현황4444

아래 표 과 에 당사의 용 모델에 대하여 월별 땜 접촉불량8. 9 CCTV MDIN-180 BGA

및 불량 수에 대한 집계 현황을 나타내었으며 그림 에는 월별 불량점유율을BGA , 29.

도식으로 나타내었다.

년 월부터 월까지 과제 기간 초기에는 정도의 불량률을 나타2006 8 11 6~11% BGA

내었으나 과제 말기의 월에는 불량원인을 파악하여 개선함에 따라 불량률이, 3, 4 1%

미만으로 감소함을 알 수있다.

표 과제 기간 중 월별 땜 접촉불량 항목 집계 현황8. BGA

- 41 -

표 제품 모델에 대한 불량 수 집계 현황9. MDIN-180 BGA

그림 과제 기간 중 월별 불량 점유 현황31. BGA

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론4444

솔더링 불량에 대한 원인 규명솔더링 불량에 대한 원인 규명솔더링 불량에 대한 원인 규명솔더링 불량에 대한 원인 규명1. BGA package1. BGA package1. BGA package1. BGA package

의 실장 공정에서의 냉납 불량에 대한 원인 규명을 위하여 불량분석BGA package

을 진행하였고 공정에서의 이를 통한 현상 파악을 통하여 발생 메카니즘을reflow

추정하고 공정 및 원부자재에 대한 개선 및 평가에 대한 접근을 실시하였다.

냉납불량 개선을 위한 테스트 진행 및 효과 분석냉납불량 개선을 위한 테스트 진행 및 효과 분석냉납불량 개선을 위한 테스트 진행 및 효과 분석냉납불량 개선을 위한 테스트 진행 및 효과 분석2. BGA2. BGA2. BGA2. BGA

불량 원인 추정을 통한 개선 접근을 다양한 방법 즉 휨 디자인, PCB , Metal mask

변경을 통한 솔더량 증가 변경으로 불량 감소 솔더 페이스트에 대, Reflow profile ,

한 기본 신뢰성 및 물성 평가 등을 통하여 공정 개선과 원부자재 치공구 등의 개선,

을 도출하였다

각 실행 예에 대하여 품질 현황 불량률 을 분석하여 공정을 개선한 결과 냉( ) , BGA

납관련 불량률이 대에서 미만으로 감소하였다5% 1% .

기대 효과기대 효과기대 효과기대 효과3.3.3.3.

무연 실장기술에 있어서 냉땜불량에 대한 개선을 통한 신뢰성 향상으로 인하여 공

정 불량률 미만으로 획기적으로 줄여 솔더 접합의 품질을 지금의 수준보다 현저1%

히 향상시킬 수 있었으며 불량률 저하로 품질의 신뢰도와 비용 및 가격경쟁력의,

확보가 가능하며 고객사에 대한 품질 만족을 통하여 최소 억 이상의 매출 증대, 30

에 기여할 것으로 기대 된다.

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주 의

이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재신뢰성기반기술확산사업의 최종보1. ·

고서이다.

이 신뢰성기반기술확산사업 내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시 산업자원2.

부에서 시행한 부품 소재신뢰성기반기술확산사업의 지원결과임을 밝혀야 한다· .