PCB 결함 지침
제조, 패키징, 유통 및 조립시에 결함이 발생할 기회는 늘 있게 마련이다. 폐기 비용을 절감하기 위해서는 폐기되는 기판 수를 최소화하는 것은 물론, 결함이 있는 PCB들을 가능한 한 공정 초기에 발견해야만 한다.
제조업체나 조립업체들이 폐기하는 결함 기판들을 검토해 보면 얼마나 많은 기판들이 단지 외관상의 이유만으로 불합격 판정을 받는지에 놀라지 않을 수 없다. 각 회로의 제조에 들인 시간과 노력을 알기에 이처럼 퇴짜율이 높은 데 저으기 실망하지 않을 수 없다.
불필요하게 불합격 판정이 내려지는 것을 피하기 위해서는 PCB의 제조 및 조립시에 발생하는 진짜 결함들에 대한 몇 가지 사실들을 반드시 알아야만 한다. 제조 단계의 결함들 가운데는 「weak knee」 도금된 공백부, 레지스트의 오정렬, 툴링 구멍 손상, 엽렬 현상, 수지상 결정의 형성, 범례 오염, 「knee」의 갈라짐, 그리고 내층의 분리가 포함된다.
■ 제조 결함
「weak knee」는 주석/납 코팅된 PCB의 조립시나 회로 제조 장비로 납땜성을 테스트할 경우에 부닥치게 된다. 땜납 편평화로 주석/납을 도포할 때 구멍 가장자리의 코팅 두께는 1㎛ 미만이 될 수 있다. 이런 일이 일어날 경우에는 납땜성 수명이 짧아진다. 납땜할 때는 땜납이 구멍을 통해 플레이트 위로 올라와「knee」를 덮으면 안된다. 땜납 편평화 시스템을 올바르게 설정하고 주석/납 두께를 2 ~ 5㎛로 함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 도금된 공백부([그림 1])들은 여러 가지 공정 단계에 의해 야기될 수 있지만, 무전해 동 침착시에 가장 흔히 발생한다. 동을 도금하기에 앞서 제대로 씌워지지 않았을 경우에는 공백부들이 생길 가능성이 높다. 이러한 결함들은 전기적 측정에 별로 영향을 미치지 않기 때문에 파괴적 테스트를 수행하지 않고서는 눈에 띄지 않는 경우가 많다.
[그림 1]조립 단계에서 납땜할 때 공백부의 도금은 기체의 탈출을 야기하여 납땜 접합부에 작은 구멍과 기포들을 만든다.
이 공백부들은 조악한 드릴링으로 표면이 거칠어지거나, 제대로 휘젓지 않아 구멍 안에 기포가 생기거나, 혹은 공정이 오염됨으로 인해 발생한다. 납땜 마스크의 중첩이나 오정렬은 종종 조악한 설계로 패드 주변에 여유를 너무 적게 둘 경우에 일어난다. 이런 경우의 지침은 포토이미지 레지스트를 사용할 때는 모든 레지스트 구경들을 패드보다 0.1 ~ 0.15㎜ 크게 유지하는 것이다. 땜납 레지스트를 스크린 인쇄할 경우에는 0.3 ~ 0.36㎜ 범위의 직경을 사용할 수 있다. 패드 디자인에 레지스트를 1:1로 사용하는 것은 권하고 싶지 않다.
제조시에 툴링 구멍들을 여러 단계들에 사용하지 말고 특정 공정에만 사용하도록 하자. 제조시에 툴링 구멍들을 확인한 후에 조립시 이들을 재사용하면 손상이 일어나 정확성에 악영향을 미칠 수 있다.
습기와 전압에 노출된 상태에서 회로를 테스트할 경우 수지상 결정이 발생할 수 있다. 수지상 결정은 회로에 전압을 가할 경우 접촉부들 사이에 형성되는 동 생장물이다. 이들이 전해시에 형성되는 이유는 기판 표면의 이온 오염 때문이다. 오염은 도금 용액 때문이거나, 혹은 회로 표면에서 리플로우, 또는 편평화 융제가 제대로 제거되지 않았기 때문이다.
범례 잉크 오염 역시 흔히 발생하는 문제이다. 이것은 보통 조악한 회로 설계 축척으로 인해 야기된다. 잉크 인쇄는 스크리닝에 의해 이루어지므로 특히 대형 패널에서는 부정확한 공정이다. 인쇄시에 이미지를 규정 짓는 스크린은 잡아 늘여진다. 그래서 부정확해지는 것이다. 설계 엔지니어들은 회로 지형 주변에 충분한 여유를 두지 않는 경우가 많기 때문에 공차 수준이 떨어지는 것이다.
■ 열 응력으로 인한 결함
납땜 편평화, 웨이브 솔더링, 또는 리플로우와 같은 납땜 공정시에 엽렬 현상을 종종 보았을지도 모르겠다. 그 원인은 기판에 찬 습기가 팽창하여 기판의 층들을 밀어내 떨어뜨리기 때문이다. 동 쓰루홀 도금의 「knee」가 갈라지는 현상은 오늘날에는 드물어졌지만 이에 대해서도 알아두어야 한다. 납땜시나 편평화에 의한 땜납 도포시에는 박판이 크게 팽창한다.
이 팽창은 Z축에서 발생하는데, 동이 유연하지 못할 경우에는 균열이 일어난다. 이 문제는 동, 도금 통에 무엇을 첨가하느냐 하는 문제와 관련이 있다.
열 응력으로 인해 발생하는 또다른 결함은 다층 기판에서 내층이 분리되는 현상이다.([그림 2]) 이것은 동 쓰루홀 도금의 점착력이 좋지 못할 때 항상 일어나는 현상이다. 이 문제를 피하기 위해서는 금속화 이전에 쓰루홀을 제대로 청소해 놓도록 해야 한다.
[그림 2]내층의 분리는 세척 공정인 얼룩 제거 작업이 제대로 수행되지 않았을 경우에 발생한다.
■조립 결함
이제는 조립 작업중 상당 부분이 표면 실장 공정이 되었기 때문에 이 점에 초점을 두도록 하자. 결함 목록에는 결정화되어 갈라진 접합부들과 접합부의 고장, 공백부, 부품의 융기, 납땜성 문제, 그리고 땜납의 구슬화 및 심지화가 포함된다.
LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier) 패키지에서 결정화된 접합부를 보게 되는 경우가 종종 있을 것이다. 이것은 납땜 접합부 상의 표면 효과로서, 접합부가 표면에 융제 없이 너무 오랫동안 액체 상태로 남아 있을 경우 야기될 수 있다. 이것은 접합부의 품질에는 영향을 미치지 않는 외관상의 결함이다.
갈라진 접합부는 기판 조립체의 굴곡으로 인해 야기된다. 이 결함들은 품질관리 직원이 리플로우 후에 점검할 때 접합부를 검사하다가, 혹은 하청 조립의 경우에는 고객의 작업 현장에서 물건을 인도받을 때 야기될 수도 있다.
검사 탐침으로 인해 발생하는 힘은 놀라울 정도로 크다. 그 크기는 800 ~ 1,000g이 훨씬 넘는데, 이는 접합부의 풀오프 측정시에 볼 수 있다.
접합부의 고장은 납땜 작업이 성공적이었다 해도 조립시에 나타날 수 있다. 고장은 접합부가 패드로부터 분리되는 원인이 될 수 있다. 이러한 문제는 제조 단계에서 도금 작업 전의 적절한 세척을 통해서만 피할 수 있다.
표면실장 접합부에서도 공백부들을 볼 수 있는데, 이는 땜납이 굳어지기 전에 휘발성 기체가 빠져나가지 못하거나 혹은 비금속 소재가 제거되지 않음으로써 야기된다.
리드 밑과 겉윙 리드의 힐 부분, 그리고 BGA 종단부에서도 종종 공백부들을 발견할 수 있다. 공백부가 지나치게 많이 생기면 접합부의 인장 강도가 떨어지지만, 반드시 그 신뢰성도 떨어진다고는 할 수 없다.
페이스트 공급업체들이 기본적인 프로파일들을 제공하지만, 그래도 공백화 현상을 피하고 접합부 표면의 외관을 개선하며 리플로우 작업 후에 남는 융제량을 줄이기 위해서는 이러한 프로파일들을 직접 조정해줄 필요가 있다.
부품의 이동과 융기([그림 3])는 납땜 공정 및 기판의 설계와 관련이 있다. 하나의 종단부가 다른 종단부보다 앞서 리플로우 및 습윤된다면 회전 또는 수직 방향의 표면 이동이 발생한다. 두 종단부의 납땜성이 서로 다를 때도 이러한 문제가 야기된다. 기상 리플로우를 사용하면 대류 방식의 경우보다 이동이 일어날 가능성이 더 높은데, 이는 기판 표면의 유체 이동 때문이다. 부품 융기 발생률이 늘어나고 있는 것은 수동형 부품들의 크기가 갈수록 줄어들고 있기 때문이다.
[그림 3]부품이 들린 이유는 납땜 마스크가 두껍기 때문이다. 리플로우시에 이것은 지렛목처럼 작용하여 부품을 패드 표면 바로 위로 들어올린다.
패드의 습윤이 제대로 안된 경우를 니켈/금 및 동 PCB에서 종종 볼 수 있다. 이들은 주석/납에 비해 비교적 새로운 코팅 방식으로서, 이 방식에 대해 충분히 알고 있는 이들은 많지 않다. 동 패드의 납땜성이 좋지 못한 것은 노화, 서투른 취급, 혹은 과도한 리플로우 온도로 인한 것일 수 있다. 이중에 어느 것도 결함의 원인이 아니라면 기판이 공급되었을 당시에 납땜성이 좋지 못했던 것이다.
리드의 납땜성이 좋지 못하면 습윤이 불충분해지는 원인이 된다. 땜납 페이스트는 리플로우시에 패드를 습윤시킬 수 있지만, 리드 위쪽으로는 흐를 수는 없다. 이런 경우에는 부품 문제이므로 공급업체와 상의해야 한다. 최저 요건으로서, 긴 납땜 수명을 제공하기 위해서는 핀들에 5㎛의 주석/납 코팅이 되어야 한다.
■ 비드와 볼의 발생 문제
접합 표면이 아니라 부품 옆에 형성되는 솔더 볼들을 솔더 비드라고 한다([그림 4]). 이렇게 구분하는 것은 단지 다른 많은 솔더 볼 현상들과 혼동되는 것을 피하기 위해서이다.
[그림 4]솔더 비드들은 종종 페이스트가 쑥 빠져나감으로 인해 야기된다. 비드 발생 원인을 찾을 때는 이런 가능성을 반드시 점검해 보도록 하자.
기판이 리플로우 오븐을 통과하여 리플로우 구역으로 들어갈 때 페이스트는 액체 상태가 된다. 이 때 모든 솔더 볼들이 한데 합쳐져 납땜 접합부를 형성한다.
솔더 비드는 조립시에 땜납 페이스트가 부품의 몸통 밑으로 들어감으로써 형성된다. 솔더 볼들이 부품 밑에서 뭉치면 땜납의 크기 증가로 인해 부품이 들려 액체가 빠져나가게 된다. 그리고나서 부품이 다시 기판 위로 내려 앉으면 솔더 비드가 남게 되는 것이다.
페이스트가 부품 밑으로 들어가는 시점이 언제인지 알기 위해서는 페이스트 인쇄 품질을 점검할 필요가 있다. 리플로우 작업 이전에 부품들을 떼어내고 페이스트를 점검하도록 한다.기판이 나가면 부품 밑의 페이스트를 점검하고 완전 적재된 기판이 리플로우 공정을 지나가도록 하고, 페이스트가 리플로우되는 것을 막기 위해 최종 구역의 온도를 바꾼다. 페이스트가 부품 밑으로 들어가는 시점을 알아냄으로써 문제를 해결할 수 있게 된다.
LCCC에서 이런 문제에 당면하게 된다면 그것은 배치 때문일 것이다. 부품이 땜납 페이스트 위에 놓이면 그것은 소자의 몸통 밑으로 들어갈 수 밖에 없다. LCCC 종단부와 세라믹 동체는 비교적 평평하므로 페이스트가 다소 빠져나오고 마는 것이다.
또다른 땜납 문제는 심지화로서, 이는 기판 표면들 가운데 하나의 납땜성이 좋지 못할 때 일어난다. 이는 땜납이 어느 한 면보다 다른 한 면으로 더 잘 흘러가도록 만든다. 심지화는 패드와 핀들의 리플로우 온도가 상당히 다를 경우에도 일어날 수 있다. 이 문제는 온도 프로파일링이 올바르면 해결된다.
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