BGA 보이드(Void)의 원인.

BGA(Ball Grid Array)는 불량률이 전반적으로 낮다는 장점 때문에 광범위하게 사용된다.
그러나 업계의 입장에서 볼 때 가장 중요한 불량이 한 가지 있는데, 그것은 보이드(void)다.
IPC 7095 ‘BGA의 설계 및 어셈블리 공정 구현’위원회는 보이드의 합격/불합격 기준을 크게 바꾸었다.
곧 발표될 예정인 개정판 IPC-7095A는 BGA 설계와 어셈블리의 모든 면에서 광범위하게 변경된 내용들을 담고 있다.
IPC 7095의 합격/불합격 기준을 확립할 때, 업계가 확보하고 있는‘보이드가 신뢰성에 미치는 영향에 관한 데이터가' 사용됐으며
위원회가 추천하는 BGA 설계와 어셈블리 공정을 따를 때 과연 특별한 이점이 있을 것인지를 놓고 상식에 의거한 판단을 내렸다.



발생 원인

보이드는 BGA에서만 발생하는 것이 아니며, X선 장치로 검사해보면 리드가 달린 부품에서도 발견된다. 그러나
리드 부품의 솔더 조인트의 보이드는 눈으로 검사해서는 결코 발견되지 않는다.
비록 현재 업계의 데이터에 의하면, 솔더 조인트 보이드는 신뢰성 면에서 우려할만한 것이 아닌것으로 판명되었지만,
보이드의 존재는 제조 매개변수의 조정이 필요함을 시사해준다.
보이드의 발생 원인은 두 가지다.

첫째, 솔더페이스트에서 방출되기에 시간이 부족해서 솔더페이스트 안에 그대로 갇히게 된 플럭스와,
둘째, 잘못 세정된 보드의 오염 때문이다.

보이드는 솔더볼 내부에서 다른 영역보다 무게가 더 가벼우며, 일반적으로 패키지 전체에 걸쳐 불규칙하게 발견된다.
X선 시스템은 보이드를 확장시킴으로써 보이드의 크기에 변화를 가져오는 경향이 있다. 보이드의 진짜 체적을 정확하게 측정하기 위해서는 X선 필름이나 감지장치(detector)의 복사 측정(radiometric calibration)에 참조할 기준이 필요하다.
보이드의 원인을 식별하고 제거하기 위해선 흔히 알려져 있는 설계, 어셈블리 재료, 공정 매개변수들을 사용할 수 있다.



보이드의 발생 위치

보이드는 BGA 솔더볼에서, 또는 솔더 조인트와 BGA와의 인터페이스에서, 또는 솔더 조인트와 PCB의 인터페이스에서 발견된다. 또, 솔더볼의 보이드가 다른 보이드를 낳을 수 있다. 보이드는 리플로우된 솔더 조인트 내부로 파급될 수 있는데,
이것은 부품 원래의 솔더볼 안에 있는 보이드에 의해서 그렇게 될 수도 있고 또는 리플로우 접합 공정 도중에
그렇게 될 수도 있다. 보이드는 또한 BGA를 PCB에 접합하는 도중에 PCB와 볼의 인터페이스 근처에서 형성될수도 있다.
이 보이드는 용해된 솔더가 고형화되는 과정에 그 안에 갇히게 된 플럭스 증기(또는 휘발성 물질)에 의해서 리플로우 솔더링 공정 도중에 형성된다.
플럭스 증기(또는 휘발성 물질)의 근원은 도포된 플럭스 자체일 수도 있고 또는 리플로우 어셈블리 공정에서 사용된 솔더페이스트의 구성성분 가운데 하나인 플럭스일 수도 있다. 보이드는 PCB의 비아(via)로부터 팽창하는 공기에 의해서 형성될 수도 있다. 랜드 밑의 비아로부터 공기가 팽창할 때도 보이드가 형성될 수 있다. 대부분의 보이드는 리플로우된 솔더 조인트의 중간 내
지 위에서(볼과 BGA의 인터페이스에서) 발견된다. 갇혀있는 공기 방울 및 PCB의 BGA 랜드에 도포된 플럭스에서 증기화된
플럭스가 리플로우 프로파일 도중에 위로 올라간다. 이 같은 현상은 도포된 솔더페이스트와 BGA의‘부서질 수 있는 공융 솔더볼(collapsible eutetic solder ball)'이 리플로우 프로파일 도중에(일반적으로 210∼230℃ 피크온도) 함께 녹을 때 발생한다.
갇혀 있는 공기든 또는 기화된 플럭스든 간에 리플로우 프로파일 사이클이 이들이 빠져나기에 충분한 시간을 허용하지 않아,
융해된 솔더가 리플로우 프로파일 도중에 차가운 영역에서 고형화될 때 보이드가 형성된다.
따라서, 리플로우 프로파일이 보이드 형성에 한 몫을 하게 된다.
‘부서지지 않는 볼(noncollapsible ball)(90%Pb/10%Sn로 구성되며 융점이 302℃인 고온 솔더)'을 사용하는 BGA 부품의
경우에는 파생되는 보이드가 거의 없거나 전혀 없다. 왜냐하면 솔더볼이 리플로우 프로파일 도중에 결코 녹지 않기 때문이다.


무연납 사용으로 보이드 증가


보이드는 무연 솔더볼이나 페이스트의 사용에 따른 영향을 받는다. 예를 들면, 만약 63Sn/37Pb BGA 볼을 무연솔더페이스트를
사용해서 납땜할 경우에는 보이드 발생 건수가 많아질 수 있다.
흔히‘전방향 호환성'이라 불리는 이 현상은 이론적으로는 가능하지 않다.
그러나, 무연납으로의 이행 과정에서 어셈블리 시설은 무연납 공정으로 탈바꿈했어도 부품에 관한 한, 납 함유 부품을 아직도
사용하고 있는 경우에 사실상 현실로서 발생하는 현상이다. 약 50℃ 정도로 낮은 온도의 공융 솔더볼은 고온 무연 솔더페이스트보다 훨씬 먼저 융해되기 때문에, 솔더페이스트에서 발생하는 많은 증기(또는 솔더페이스트의 증발성 물질)는 냉각 과정에서
결국에는 볼 안에갇히게 된다.
‘후방향 호환성'의 경우(부품은 무연납이지만, 어셈블리 시설은 여전히 63Sn/37Pb을 사용하는 경우), 보이드 발생은 문제될 것이 없다. 왜냐하면 볼이 솔더페이스트보다 훨씬 늦게 융해되기 때문이다. ‘후방향 호환성'에서의 다른 문제는 그레인(grain) 경계선에서의 납의 확산으로서, 이것은 솔더 조인트의 신뢰성에 우려를 제기한다. 이 문제는 리플로우 온도를 무연납 볼의 융점 이상으로
높임으로써문제를 완화할 수 있다.


신뢰성에 부정적인 영향

보이드는 솔더볼을 약화시키며, 또한 보이드로 인해서 솔더볼의 단면적이 작아지면서 열 이송 능력을 현재보다 더 떨어뜨린다.
때문에 기능성이 낮아진다는 점에서, 신뢰성에 부정적인 영향을 미친다.
보이드의 크기가 크면 피해도 더 크지만, 기존의 작은 보이드일지라도 리플로우 과정에 한 데 합쳐져서 큰 보이드를 형성하는 경우가 있다. 보이드의 크기가 작으면 신뢰성이 약간 나을 수 있다. 이것은 일반적으로 공정이 제대로 제어되고 있을 경우에 가
능한 이야기다.
신뢰성의 개선은 솔더 조인트의 높이를 증가시킬 때, 그리고 균열(crack)의 확장을 일시적으로 및 부분적으로 저지할 때 가능하다.


Ray P. Prasad
smtsolver@rayprasad.com
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