솔더 볼 접합(Solder Ball Attach, SBA)공정, 불량 현상

솔더 볼 접함 공정(Solder Ball Attach, SBA)은 PCB 스트립을 대상으로 골드 패드 위에 플럭스를 도포한 후 그 부위에 솔더 볼을 녹이고 굳게 하여 PCB와 솔더볼을 일체화시켜 주는 공정입니다.  본 포스팅에서는 솔더 볼 접합공정과 그에 따라 발생하는 여러 불량들에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

솔더 볼 접합(Solder Ball Attach, SBA) 공정

솔더 볼 접합 공정은 전자제품을 구현하기 위해 반도체 부품을 PCB에 실장 하는 공정으로 솔더를 바르는 스크린 프린팅, 원하는 반도체 부품을 PCB위에 위치시키는 칩 마운팅, 반도체 부품과 PCB를 솔더를 통해 고정시키기 위해 온도를 가하는 리플로우 공정으로 진행됩니다.

 

1. 스크린 프린팅 공정
스크린 프린터에 PCB를 넣고, 솔더를 바를 위치와 모양대로 구멍을 만든 금속 마스크를 위치시킨 후 교반기를 혼합한 솔더 페이스트를 마스크 위에 바르고 스퀴즈라는 말대로 솔더페이스트가 PCB에 발라지도록 합니다. 솔더 페이스트는 납땜 분말에 플럭스를 혼합하여 크림 형태로 만든 것으로 솔더 페이스트가 발라진 PCB는 칩 마운터로 이동합니다. 

2. 칩 마운팅 공정
솔더 페이스트가 발라진 PCB를 칩 마운터로 이동시켜서 부품을 PCB 위에 올리는 공정입니다. 칩 마운팅 공정은 입력한 프로그램대로 칩 마운터에 장착한 Reel 형태로 장착된 각 종류의 부품에서 원하는 부품을 찾아서 PCB 위에 위치시키는 공정입니다. PCB에 장착될 부품은 Reel이나 Tube형태로 칩마운터에 장착되어 있습니다. 

 

3. 리플로우 공정
칩마운팅이 완료된 PCB를 리플로우를 통과시켜서 PCB에 발라진 솔더가 녹았다가 굳어지는 과정을 통해 부품을 PCB에 고정시키는 공정입니다. 리플로우 장비는 초기에는 예열구간인 프리히팅 구간에서 솔더를 서서히 가열하면서 페이스트 플러스를 활성화시키고, 최대 온도구간에서 솔더를 녹인 후에는 급속히 온도를 낮추는 과정을 통해서 솔더가 굳어지도록 합니다. 리플로우 장비 내의 구간별 온도 분포는 솔더링 품질에 영향을 주게 되므로 최적의 솔더링 품질을 확보하기 위해 각 구간의 온도 분포를 잘 설정할 필요가 있습니다.

 

 

솔더 볼 접합 공정

 

 

솔더 볼 관련 불량 현상

미싱 볼

볼이 있어야 할 자리에 빈 공간으로 없는 현상을 말합니다. 어태치 툴에 볼이 2개가 있거나 자재에 볼이 묻어가는 경우, 툴의 오염으로 볼이 따라서 올라올 때 발생하며 PCB 볼 패드 부분에 볼이 없으면 무조건 불량으로 간주합니다. 

 

 

잘못된 위치의 볼

볼 패드와 볼이 어긋나 있는 현상으로 플럭스와 볼이 위치해야 할 자리가 틀어질 경우 발생합니다. 볼의 피치에 따라 불량을 판정하는 기준이 달라지며 볼 피치가 1.27mm일 때 위치가 125um 가 빗겨나가 있으면 불량으로 판정됩니다.

 

불량 볼

볼이 외부 힘에 의해 깎여 높이와 지름 값에 못 미치는 현상으로 볼이 툴과 이젝트 핀에 눌려 찌그러지거나 산화 작용불량일 때, 또는 리플로우 완료된 자재가 2장 이상 프레임과 겹칠 때 발생합니다. 외부 충격에 의해 볼의 일부가 30% 이상 떨어지면 불량입니다.

 

더블 볼/ 브리지 볼

패드 위 한 위치에 볼이 두 개가 접합되거나 볼 두 개가 하나로 연결되어 있는 현상을 말합니다. 볼 접합 시 패드에 플럭스가 기준치 이상 도포되거나 리플로우 전 볼과 볼사이가 기준치보다 근접하여 있을 때 발생됩니다. 동일한 볼 패드 간격에서 어느 하나의 볼이 인접해 있는 볼과 융착 되어 있거나 상호 연결되어 있으면 불량으로 판정됩니다.

 

 

 

라지 볼

볼과 볼이 서로 붙어서 커진 현상으로 서로 붙어있는 상태에서 리플로우에서 나오면 볼이 녹아서 서로 붙어 하나의 큰 볼이 되는 현상입니다. 볼의 직경보다 50mm 이상 크거나 작은 면 불량이 됩니다.  

 

볼 믹스

해당 패키지의 볼 규격이 아닌 다른 규격의 볼이 섞여 있는 현상으로 설비 디바이스와 다른 규격의 볼을 함께 공급할 때 발생합니다. 또한 설비 볼통이나 플레이트에 다른 볼이 잔존할 때도 발생가능하다. 이러한 볼 믹스 현상은 무조건 불량으로 판정되며 불량 중 최고 위험 수위에 해당합니다. 볼의 크기가 다를 경우 검사 시 확인이 가능하나 볼 사이즈가 같고 성분이 다를 경우에는 발견이 힘들어 각별히 주의해야 하는 불량 항목입니다.

 

볼 고드름

볼 원자재가 기형인 현상으로 입고되어 불량의 볼이 접합된 현상입니다. 솔더 볼 고드름이 50um 이상이면 불량입니다.

 

볼 구멍

솔더 볼에 구멍이 생긴 채로 입고되어 접합된 현상으로 구멍이 지름 50um이상이고 깊이가 125um 이상이면 불량입니다.

 

 

볼 스크래치

볼에 외부의 충격으로 인한 스크래치가 발생하여 접합되었을 때 나타나는 현상으로 볼의 긁힘이 폭 125um이상이고 길이가 250um이상이면 불량입니다.

 

볼 오염

솔더 볼에 이물질이 잔존해 있는 현상으로 설비에 오일이나 이물질로 인한 볼의 오염이 원인입니다.  이물질이 볼 표면에서 250um 초과 돌출 시나 유기성 오염이 볼 면적의 30% 이상이면 불량입니다.

 

볼 조각

볼과 볼 사이에 솔더 조각이 붙어 있는 현상으로 솔더 볼 원자재성 불량이지만 리플로우 에러 발생 및 온도가 정확하지 않을 때도 발생합니다. 솔더 조각이 볼에 붙은 상태로 길이 250um 이상, 인접 볼간격의 1/2 이상, 인접한 2개의 볼의 솔더 조각이 볼 간격의 1/2 이상이면 불량이 됩니다.

 

이러한 여러 종류의 솔더볼 접합 불량은 저 배율 현미경을 통해 확인이 가능하며, 불량으로 처리가 되어 다음 공정에서 문제가 없도록 전체 과정이 진행됩니다.