저온 솔더를 사용한 이유

저온 솔더를 사용한 이유
과거에는 유럽 연합의 유해물질 제한 지침 2002/95/EC, RoHS에 따라 PCBA 공정의 솔더를 주석-납(SnPb)에서 주석-은-구리(SAC) 합금으로 변경했지만, 솔더의 용접 온도가 상대적으로 높아졌습니다. 에너지 절약 및 탄소 저감이라는 일반적인 추세에 따라 SAC 고온 공정을 저온 공정으로 전환하려는 기업이 늘고 있는 것으로 보입니다.
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    가장 인기있는 저온 솔더의 종류

    가장 인기있는 저온 솔더의 종류

    실제로 납땜 공정이 SAC 합금으로 이전 된 후 SMT 생산 라인의 피크 리플 로우 온도도 원래 220˚C에서 약 250˚C로 상승했으며 납땜 온도의 상승은 재료 및 생산 비용의 일부가 감소 함을 의미하기도합니다. 더 많은 고온 내성 재료를 사용해야하는 가장 큰 변화는 엔지니어링 플라스틱 재료가 고온에서 변형 될 가능성이 더 높고 용접 불량과 같은 고온으로 인해 생산 품질이 저하된다는 것입니다.

    현재 가장 잘 알려진 저온 납땜 은 주석(Sn)에 비스무트(Bi)를 첨가한 주석-비스무트(SnBi) 및 주석-비스무트-은(SnBiAg)의 합금입니다.

    저온 납땜 공정의 장점

    에너지 절약 및 탄소 감축

    저온 솔더 공정에서는 녹는점이 낮은 솔더 합금을 사용하기 때문에 온도, 시간 및 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

    고온 소재에 대한 수요 감소

    상온보다 내열성이 낮은 재료를 사용하면 일반적으로 저온 납땜 공정에서 재료 비용이 절감됩니다.

    프로세스 임계값을 낮추고 생산 수율 향상

    솔더 합금을 SAC에서 SnBi로 변경하면 리플로우로 내 최고 온도가 250˚C에서 약 175˚C로 낮아지고, 이에 따라 고온에서 회로 기판의 변형률도 약 50% 감소하여 BGA, LGA 등 대형 무연 부품의 HIP/HoP 납땜 및 MLCC 파열의 주요 원인 중 하나가 감소됩니다.

     

    BGA 및 LGA와 같은 무연 부품

    저온 납땜 공정의 단점

    솔더 조인트의 장기적인 신뢰성이 떨어집니다.

    저온 솔더의 가장 큰 단점은 솔더 조인트가 상대적으로 부서지기 쉽고 응력으로 인해 주석 균열이 발생하기 쉽다는 것입니다. SnPb 및 SAC 합금 솔더에 비해 SnBi 합금의 솔더 강도는 열 충격 및 충격 강하에 매우 약합니다.

    리플로우 공정에서 핫 티어링 결함이 발생하기 쉽습니다.

    특히 사전 납땜된 부품 솔더 조인트가 있는 BGA에서 SAC 솔더 볼, SnBi 솔더 페이스트 무연 및 주석 납의 하이브리드 솔더링 공정에서 PCB 패드 표면에 핫 티어링이 나타나는 경향이 있습니다. 이는 솔더링 공정에서 SAC 솔더 볼의 융점이 높고 녹기 쉽지 않기 때문입니다. 

    용융 후에도 냉각 과정에서 더 빨리 굳어지는 반면, SnBi 솔더 페이스트는 리플로우 공정 중에 확실히 녹아 냉각됩니다. 또한 SAC보다 경화 속도가 더 느립니다. 리플로우 용광로의 냉각 과정에서 BGA 솔더 볼이 응고되었거나 전혀 녹지 않아서 SnBi 솔더의 일부만 슬러리 상태로 남았다고 상상해 보십시오. 

    이때 PCB와 BGA 캐리어 보드도 고온 변형에서 점차적으로 회복됩니다. BGA 캐리어 보드와 PCB 사이의 간격이 고온에서 작은 변형이고 온도로 돌아온 후 간격이 커지면 (변형 회복) 아직 완전히 경화되지 않은 슬러리 SnBi 솔더를 당겨서 찢어진 핫-찢김 균열을 형성합니다.

    SAC 합금의 BGA 솔더 볼을 저온 솔더 페이스트와 혼합할 때 어떤 종류의 온도 프로파일을 사용해야 합니까?

    실제로 저온 솔더 페이스트, 저온 솔더 볼 및 저온 프로파일을 동시에 결합하여 저온 솔더 페이스트의 모든 이점과 최상의 솔더링 효과 및 품질을 얻는 것이 도움이됩니다. 그러나 시중에 저온 솔더 볼이 장착 된 BGA가 부족하기 때문에 PCB 제조 저온 솔더 페이스트와 SAC 합금 BGA 솔더 볼을 사용해야 합니다.

    저온 솔더 페이스트와 혼합 된 SAC의 최상의 품질 효과를 얻으려면 핫 티어링의 영향을 줄이는 방법을 찾아야하며, 최상의 리플 로우 프로파일은 고온 프로파일이 녹을 수 있기 때문에 SAC의 온도 프로파일을 따르는 것이며 동시에 SAC와 SnBi 합금이 SAC가 SnBi 합금 영역으로 확산되도록 허용합니다.

    SAC 합금

    따라서 SnBi 공식의 합금 비율을 변경하여 SnBi 영역의 응고 온도를 약간 높일 수 있으며, 최고 온도 후 냉각 속도, 특히 217°C(SAC305)와 138°C(Sn42Bi58) 사이의 속도를 가속화하는 것이 좋으며, 목적은 SAC 솔더 영역이 최단 시간에 응고된 직후에 SnBi 솔더 영역이 응고되도록 하는 것입니다. 그러나 이렇게하면 LTS 사용의 모든 장점이 손실되고 납땜 강도가 SAC 합금만큼 좋지 않으므로 SAC 솔더 페이스트를 직접 사용하는 것이 좋습니다.

    저온 솔더 페이스트가 사용되는 대부분의 경우는 부품이 SAC의 고온 프로파일을 견딜 수 없기 때문입니다. 이 경우 저온 솔더 페이스트의 저온 프로파일만 사용할 수 있습니다. 전문가들은 납땜 품질에 영향을 주지 않으면서 리플로우의 피크 온도를 가능한 한 낮춰야 한다고 제안합니다. 그 목적은 PCB의 열을 줄이고 리플로우 캐리어 보드를 리플로우합니다.

    동시에 리플로우의 최고 온도 이후에는 냉각 속도를 가속화할 필요가 있습니다. 그 목적은 기판의 변형이 회복되기 전에 저온 솔더를 응고시키는 것입니다. 그러나 냉각 속도를 지나치게 가속화하면 BGA 솔더의 균열이 악화될 위험이 있습니다. 평가를 위해 신뢰성 테스트 및 비교 후 더 나은 온도 및 냉각 속도를 선택하며, 온도가 높을수록 PCB 및 BGA 캐리어의 변형이 커지기 때문에 피크 리플 로우 온도를 높이는 것은 권장하지 않습니다.

    저온 페이스트의 기계적 강도를 강화하는 방법

    에폭시 수지 접착제

    현재 더 실현 가능한 저온 솔더 조인트 보강 솔루션은 언더필을 사용하는 것입니다. 이 솔루션은 실제로 CSP와 플립칩이 등장했을 때 존재했으며 나중에 BGA에 적용되었습니다. 에폭시 수지 접착제를 사용하여 BGA 또는 유사한 부품의 가장자리를 가리키고 모세관 작용 원리를 사용하여 접착제가 부품 바닥을 관통하여 채운 다음 가열 및 응고하여 틈새를 채우고 솔더 조인트를 강화하는 목적을 달성합니다. 일부는 상대적으로 점도가 높은 접착제를 사용하여 BGA의 네 모서리(콘 본드) 또는 BGA의 네 모서리(에지 본드)를 선택적으로 가리켜 고정을 강화합니다.

    이제 언더필름이 시작됩니다. 솔더 페이스트로 기판을 인쇄한 후 SMT 배치 기계(솔더 조인트 피하기)를 통해 PCB의 BGA 위치에 배치한 다음 그 위에 BGA를 배치했습니다. 리플 로우 퍼니스의 고온은 필름을 녹여 간격을 채우고 냉각 후 응고시키는 데 사용됩니다. 그러나 언더필은 보드 조립 및 기능 테스트 후에 만 작동하고 언더필은 SMT 공정 중에 추가된다는 점에 유의해야합니다. 제품의 수율이 높지 않으면 재작업이 매우 번거로울 것입니다.

    또한 저온 솔더의 적용이 증가함에 따라 시대에 따라 소위 에폭시 페이스트와 에폭시 플럭스도 만들어지고 있습니다. 에폭시 페이스트는 솔더 페이스트에 에폭시를 첨가하고 솔더 페이스트를 직접 인쇄하고 리플 로우 후 가열하는 것이지만 솔더 페이스트에 첨가되기 때문에 그 양이 너무 많을 수없고 BGA 부품의 솔더 강도에 제한이있을 수 있습니다. 그러나 칩 구성 요소 또는 LED 라이트 보드 전용 인 경우에도 여전히 어느 정도 효과가있을 것입니다.

    LED 조명 보드 

    에폭시 플럭스는 실장 전에 솔더 페이스트 인쇄 및 디스펜싱을 사용하며, 이는 언더필름과 약간 유사합니다. 위의 두 가지 에폭시 추가 공정의 효과는 아직 추가로 확인되지 않았으며, 두 공정 모두 테스트 전에 완료되었습니다. 언더필을 추가하면 실제로 스트레스에 저항하는 BGA의 능력을 강화할 수 있지만 스트레스로 인한 솔더의 균열을 지연시킬 수 있지만 완전히 치료할 수는 없습니다. 즉, 일정 기간 사용 후에도 문제가 있는 솔더 조인트는 여전히 문제를 일으킬 수 있습니다. 

    따라서 벨을 풀려면납땜 조인트에 영향을 미치는 응력의 원인을 최소화하는 방법을 찾아야합니다.

    저온 납땜 공정을 채택할 수 있는 제품 종류

    이제 전자 제품의 사용 상황이 심한 열 스트레스(고온 및 저온 사이클) 변화 또는 기계적 스트레스(낙하 충격)를 받지 않는 한 저온 솔더 공정 제품의 솔더 조인트는 상대적으로 부서지기 쉽고 스트레스에 강하지 않다는 것을 알게 되었습니다. 장기 수명 설계 보장이 필요하지 않은 경우 저온 페이스트 공정을 사용하는 것을 고려해야합니다. 결국 에너지와 비용을 절약할 수 있습니다. 다음은 저온 솔더 인용에 대한 업계 가이드라인 참고 자료입니다:

    제품 설계 수명은 5년 이내가 바람직합니다. MTBF(평균 무고장 시간) 평가를 수행하는 것이 좋습니다.

    주요 부품에 디스펜싱 또는 코킹과 같은 납땜 조인트에 대한 추가 보호 메커니즘이 있으면 더 좋습니다.

    납땜 조인트

    IO 부품에 삽입 방지, 흔들림 방지 및 기타 메커니즘 설계와 같은 추가 삽입 방지 스트레스 메커니즘 설계가 있으면 더 좋습니다.

    제품의 작동 조건은 40˚C 이하가 가장 좋으며, 최대 작동 온도는 85˚C를 넘지 않아야 합니다.

    일반적으로 고온 및 저온 변동이 심하지 않은 실내 환경에서 사용합니다. 차량이나 실외 환경에서는 사용하지 않는 것이 좋습니다.

    현재 LED 조명에는 저온 솔더가 주로 사용되고 있으며, 미니 LED도 일부 사용되고 있으며 일부 PC 산업에서도 평가중인 것으로 보입니다.

    결론

    에너지 절약 및 탄소 저감의 관점에서 볼 때 저온 솔더 페이스트 공정은 실제로 더 많은 에너지를 절약하고 고온 플라스틱 재료의 부품 요구 사항을 줄이고 비용을 절감 할 수 있습니다. 그러나 현재의 저온 솔더 페이스트에는 신뢰성이 떨어진다는 치명적인 단점이 있습니다. 

    솔더 조인트는 상대적으로 부서지기 쉬우며 일부 소형 부품에는 큰 영향을 미치지 않을 수 있지만, I/O 부품과 같이 응력을 견뎌야 하는 일부 부품이나 외력을 받은 후 회로 기판이 휘어질 수 있는 제품 또는 진동이나 열 응력을 받는 제품은 저온 솔더 공정에 적합하지 않은 경우가 종종 있습니다. 

    저온 솔더 페이스트가 에너지 절약 및 탄소 저감 요구를 충족시킬 수 있지만 아직 갈 길이 멀고 결국 저온 솔더가 완전히 대체 할 수 없을 수도 있다고 말할 수 있습니다. SAC와 병행하여 저온 솔더가 될 가능성이 더 높습니다.

    자주 묻는 질문

    현재 가장 잘 알려진 저온 땜납은 주석(Sn)을 기반으로 비스무트(Bi)를 첨가한 주석-비스무트(SnBi) 및 주석-비스무트-은(SnBiAg)의 합금입니다.
    에너지 절약 및 탄소 감축 고온 소재에 대한 수요 감소 공정 임계값을 낮추고 생산 수율 향상
    솔더 조인트의 장기적인 신뢰성은 좋지 않습니다. 리플로우 공정에서 핫 테어링 결함이 발생하기 쉽습니다.

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