1.BGA 용어설명
BGA는 [ ball grid array ]의 약어로 반도체 실장기술상에서 프린트배선기판의 뒷면에 구형의 납땜을 어레이상으로 줄지어 배열해 리드를 대신하는 표면 실장형 패키지의 한가지다.
BGA는 프린트기판의 표면에 고집적회로(LSI)칩을 탑재해 몰드수지 또는 포팅(potting)으로 봉지(seal)하는 반도체칩으로 일반적으로 200핀을 넘는 다핀LSI용 패키지에 활용되며 PAC(pad array carrier)라고도 부르는데 모토롤러는 수지로 봉지한 패키지를 OM PAC라고 부르고 있다.
패키지 본체의 크기는 패키지의 네개의 측변으로부터 L자상의 리드핀이 나와있는 QFP(quad flat package)보다도 작게 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 예를 들면 패드의 피치가 1.5mm인 BGA와 핀피치가 0.5mm인 QFP를 비교해 보면 360핀의 BGA는 한 변의 길이가 31mm, BGA보다 핀수가 적은 304핀의 QFP는40mm가 된다. 또 핀이 나와 있는 QFP와는 달리 리드가 변형될 염려가 없다.BGA는 모토롤러에 의해 처음 개발돼 동사의 휴대형 전화에 주로 사용되고 있으며 휴대형 퍼스널컴퓨터 및 소형제품에 널리 사용되고 있다.
2.CSP 용어설명
칩사이즈드패키지(CSP:Chip Sized Package)는 반도체부품의 실장면적을 가능한 한 칩크기로 소형화하려는 기술을 말한다. 지금까지 반도체부품을 소형화하는 기술로서는 칩을 수지나 플라스틱 패키지로 봉입하지 않고 그대로 기판에 장착하는 베어칩 기술이 있다. 그러나 패키지로 보호되지 않기 때문에 어렵고 신뢰성면에서도 문제가 되는 등 몇가지 과제가 해결되지 않고 있다. 이를 보완 할 수 있는 새로운 기술이 CSP기술.
CSP는 패키지를 사용하면서도 베어칩에 가까운 크기를 얻을 수 있다는 장점을 가진 실용기술이다. 이 기술은 일본업체들이 개발에 나서기 시작했는데, 기술이 확립된 95년 하반기부터 제품화가 추진되었고 현재에는 소형 제품에 많이 적용되고 있다.
3.솔더페이스터-보관 및 사용시 주의사항
<보관>
1.솔더페이스트가 도착 했을때, 가능한 빨리 냉장고에 보관되어야 한다.
2.이상적인 보관온도는 5～10℃이다.
3.0℃이하에서 보관하는 것은 입자의 동결이 발생할 수 있다.
<솔더 페이스트의 사용>
1.솔더페이스트를 사용할때, 용기는 솔더페이스트가 상온으로 된다음에 열어야 한다. 용기가 상온보다 낮은 온도에서 열렸을때, 페이스트에 결(바늘)이 생기고, 솔더페이스트의 기능을 저하시킨다.
2.프린팅시, 처음에 솔더페이스트를 부드럽게 섞은후 스텐실에 놓아야 한다.
3.스퀴지로 밀때 잘 구르도록 하거나 개구에 부드럽게 굴러들어가도록 하기 위해 필요한 최소량의 솔더페이스트를 스텐실에 놓는 것이 바람직하다.
4.반면에, 흡기가 많은 상태에서 강제로 솔더를 문질러 프린팅하는 것은 솔더페이스트에 손상을 준다.
그래서, 한번에 많은 솔더페이스트를 놓는 것보다 여러번 나눠서 작은 양을 놓는 것이 바람직하고,
새 솔더는 긴 시간동안 놓여지지 않는 것이 바람직하다.
<작업후 처리>
1.프린팅작업후 스텐실위에 남은 솔더페이스트를 어떻게 처리하는가?
A. 버린다. (솔더가 얼마나 손상됐는지 모르기 때문에 이것이 가장 이상적인 방법이다.)
B. 남은 솔더를 주걱으로 폴리우레탄 시트위에 모아서 종기가 통하지 않는 봉투로 봉한후 냉장고에
보관한다. 남은 솔더는 새 솔더가 남아있는 용기에 보관해서는 않된다.
2.사용된 솔더를 다시 사용할때, 솔더 Balling test & wettability test에 의해 이상이 없다는 것을
확인한후 사용되어야 한다.
<경고>
솔더페이스트는 레진이나 활성제,솔벤트,납을 포함한 파우더등의 화학적 구성물로 구성된 화학제품이다. 그래서 다음과 같이 취급에 주의해야한다.
1.솔더페이스트에 입를 갖다대어서는 안된다. 잦은 횟수 코를 너무 가까이대서 냄새를 맞는것을 피하라.
솔더페이스트로 오염된 손으로 음식을 먹거나 담배를 피워서는 안된다.
2.피부와 접촉을 시켜서는 안된다. 만약 피부가 솔더페이스트에 의해서 오염된 경우 에탄올을 묻힌 헝겊 으로 즉시 닦아야 한다. 다음 비누로 씻고, 모든 수단을 동원하여 제거해야한다.
3.솔벤트와 가스로 작업장은 쉽게 오염되므로 통기에 주의해야 한다.
4.솔더링시 발생하는 납증기와 플럭스가스의 혼합물은 리플로우의 배기관을 통해서 배출되어야한다.
5.솔벤트가 함유된 솔더페이스트의 기본물질인 레진플럭스는 불로부터 멀리해야한다.
6.디스펜서나 프린트의 청소용도구는 공기를 뺀 깨끗한 박스에 보관해야 한다
4.공정관리에 대하여
-- 기업활동의 생산성은 다음 두 가지의 요소로 측정할 수 있다.
>> 수익성(Yeild) <<
공정관리란 생산과정에 피드백(Feed Back)을 걸어줌으러써 수익을 극대화하려는 기업 목표에 기여하는 활동을 말한다. 현명하고 신속 하게 활용되기만 한다면 피드백이야말로 문제점을 해결하고, 불량 회로기판이 다음 생산 공정으로 넘어가지 못하도록 차단하며, 또 미래의 회로기판 설계에 도움이 되는 제반 공정을 개선하게 해준다. 공정관리는 실수나 불량이 항상 발생할 수 있다는 인식에서 출발, 이를 확인하고 계량화하며 개선하고 예방하는 방안을 모색하는 것이다. 수익성의 극대화 개념 안에는 시험과 측정의 의미가 함축되어 있다. 회로기판과 제조 기술이 날로 복잡해짐에 따라, 공정의 단계를 측정하고 분석하는 도구와 장비들도 더욱 복잡해지는 추세에 있다. 예컨데 생산 불량을 분석하는 전통적인 방법이란 고작 회로의 합선 부위나 아날로그 부품 불량을 가려내는데 불과하였다. 하지만 오늘날에는 더 미세한 피지와 더 작아진 패키지를 처리할 수 있다. 회사들이 수익의 최대화를 추구함에 따라, 엔지니어들은 이제 수단이 아니라 목표가 되어 버린 시험과 측정 기술 개발에 파묻히게 되었다. 이러한 추세가 마침내 기술적 사양을 계량한 수치만 가지고 장비나 공정의 효율성과 적합성을 평가하려드는, 이른바 "기술적 매트릭스 신드롬"의 단계로 접어들게 되었다. 그런데 문제는 그런 기술적 사양이란 것도 막상 혼돈스러운 실제 생산 현장에서는 그다지 중요하지 않은 것으로 드러나곤 하는데 있다.
예를 들면 자동검사장비를 만드는 공급업체 A의 In-Circuit Test(ICT, 회로 내 검사 장비)시스템이 공정 업체의 B의 검사장비보다 검사 속도 가 두배나 빠르다고 하자. 그러나 진짜 의문은 현재의 생산공정 여건 하에서 과연 ICT를 들여놓을 의미가 있느냐이다.
>> 생산량(Throughput) <<
수익성은 생산량과조화를 이루어야 한다. 특히 디스크 드라이브,PC, 셀룰러 폰과 같은 대량생산 품목의 경우에 그러하다. 공정관리 시스템은 관리자에게 공정의 각 단계별로 몇 %의 양품 회로 기판이 생산되고 있느냐를 일러줄 뿐 아니라, 단위시간당 몇 개의 양품 회로기판이 생산 되었는지도 파악할 수 있게 해주어야한다. 만일 검사, 시험, 분석 제 작업, 수리에 너무 많은 시간이 소모되면, 얻어진 수익성은 잃어버린 생산성에 상쇄되고 말 것이다.
>> 경제활동 <<
생산활동을 분석하는 전문가들은 지나치게 기술적인 면에만 초점을 맞추 려는 충동을 자제해야한다. 그 대신 한걸음 뒤로 물러서서 생산이란 결 국 경제활동의 일환임을 상기해야 한다.
경제활동의 목표는 이익을 달성하기 위하여 수익성과 생산성간에 최선의 조화를 발견하는 것이다. 모든 의사결정(공정관리 전략을 선정하는 일을 포함하는)도 경제적인 선택의 일종이다. 새로운 검사 및 시험 기법이 계속 출현하고 있어, 이를 선택하는 데에 신중한 경제적 분석이 과거 어느 때보다 중요하다.
제조 공정의 각 단계별로 이를 추적하지 않으면, 어느 분야에서도 돈이 새고 있는지알도리가 없다.
그리고 다른 경제적인 선택과 마찬가지로"올바른"전략이란 항상 움직이 는 목표물과 같다. 다시말해서 어떤 설정된 상황은 물론, 자재, 장비, 인력에 관한 원가가 수시로 변하고 있으므로, 선택할 수 있는 여러 대안 들을 수시로 검토하여야 한다는 말이다.
경제적 분석의 근간이 되는 것은 조립,검사,시험 공정의 각 단계를 보여 주는 Flow Chart(흐름도)이다.
업무 흐름도를 만들어두면 업무의 모든 과정과 또 그것들이 상호 어떻게 연결되어 있는지를 한눈에 볼 수 있다. 생산환경은 제각기 다르다.
>> 한번에 한가지 변수씩 분석하라 <<
변화가 가져다주는 경제적인 효과를 분석하려면 한번에 한가지씩의 변수 만 검토하여야 한다.
자동 검사기를 추가로 구입하려면, 맨 먼저 관련 비용을 계량화해야한다 여기서 말하는 비용이란 구입가격, 설치비,지원/유지비,프로그램비,비품 비 등을 망라한 것이다. 다음으로 향상될 수익성은 충분한지, 그리고 기판의 통과,불합격,진단에 걸리는 시간으로 생산량을 평가한 후 구입 가능성을 검토해 보아야한다. 끝으로 우에서 얻어진 결과치를 현재 검사 하고 있는 인력에 관한 데이터와 비교해 보아야 한다.
먼저 1단계의 생산과 시험 공정에 대해 분석한 후, 다음 단계별 결과를 수집해 가면서 마지막 단계까지 분석을 계속한다. 앞 단계에서 개선을 하면 아래 단계로 내려갈수록 놀라운 결과를 얻을 수 있다. 예컨데 앞 단계에서 자동장비로 검사를 실시하여 수익성을 향상하면, 나중에 기판 기능시험을 따로 할 필요가 줄어든다.
전체적인 시험-검사 전략은 각각 독립된 "영주의 봉토"가 아니라 하나의 통합체로서 고찰되어야 한다.
장비 제조업체들은 비용과 성능에 관한 여러 요소가 서로 결합될 때 어떤 효과를 얻을 수 있는지를 분석하는 경제적 모델링 소프트웨어 도구들 을 고객들에게 제공하여, 선택적인 대안들을 분석하는데 도움을 줄 수 있다.
>> 가능한 한 최상의 데이터를 활용하라 <<
경제적 분석을 실시할때, 그분석 내용의 질은 입력 데이터의 정확도와 유효성에 직결된다. 따라서 비록 어려운 일이긴 하지만, 분석과정에서 데이터의 사실여부를 확인하는 것이 최선이다. 예를 들어, 시험이나 검사장비가 불량을 검출할 수 있는 범위나 한계를 마치 괘종시계의 똑딱 이는 소리나 주파수 재현 특성처럼 하나의 독립된 변수로 잘못 여기는 사람이 적지 않다. 사실 불량 검출 범위란 "특정 생산 공정에서 시험중 인특정 회로 기판"에 대하여 불량이 발생 될 수 있는 모든"경우의 수" 가운데, 그 장비가 실제로 얼마나 많은 종류의 불량을 탐지해 낼 수 있느냐를 %로 나타낸 수치이다. 분석용으로 입력되는 데이터를 선정할때 에는 정확한 데이터를 선별하여야 한다. 시험-검사 장비가 만들어낸 데이터는 공정분석에 유용하게 사용된다.
한편, 운영상 중대한 착오가 발생한 경우에 수집한 정보를 사용하여 장비 운영자에게 이를 신속히 feed back하기 위하여 경고음을 발생시킬 수도 있다. 이 분석 소프트웨어로 공정을 "갑자기 뒤집어"놓았을 때의 효율성도 즉각 확인할 수 있고, 차후에 관련 부서에서 모든 데이터를 폭 넒게 분석하기 위하여 종합 보고서에 차곡차곡 저장해둘 수도 있다 실제로 한 공정안의 몇군데에서 데이터를 따로 수집하는 방법이 추세를 이루고 있는데, 전공정으로부터 모아진 정보를 종합적으로 볼 수 있다.
Windows NT 같은 표준 운용 시스템이 가능하므로 회사 모든 부문으로 부터의 데이터는 인터넷이나 회사의 extranet(외부회사를 포함한 사설 회사망)을 통하여, 회사 전반의 추세를 관찰하는데 사용될 수도 있다 이러한 접근법은 기존의 기간 통신망과 이와 유사한 응용소프트인 웹 브라우저를 사용하여 최소의 투자와 짧은 습득기간으로 사용자간에 신속 한 정보의 흐름을 가능하게 한다. 예를 들면 회로 기판 수리공정의 효율성을 높여주는 웹 브라우저 기반의 소프트웨어 시스템을 다양한 시험- 검사 시스템에 접속할 수 있다. 그 결과 시제품 단계,검사,공정 시험, 제품기능 시험기간 중에 기판의 불량 상태에 대한 정보를 데이터 베이스 로부터 지원 받을 수 있다. 클라이언트/서버 기술을 이용하면, 수리사들은 시험 중 불합격된 기판을 신속히 진단하고 수리하기 위한 정보에 수월하게 접근할 수 있다.
>> 새로운 접근법을 구상하라 <<
검사와 시험의 양을 줄임으로써 수익성을 회생시키지 않고 생산성을 높일 수 있는 기회를 절대 간과해서는 안된다. 예를 들어 어느 공장에서 좋은기록을 내고 있다면 시험전략을 100% 전수 검사에서 샘플링방법으로 바꾸어보아야한다. 새로운 릴(reel)이 바뀔대마다, 마지막 기판과 첫번째 기판을 시험해보는 것도 한 방법이 되겠다. 이러한 전략을 쓰면 전체기판을 일일 시험하지 않고서도 신속하게 불량부품을 찾아낼 수 있을지 모른다.
창의적인 샘플링 접근 방법으로서 바늘 방석 형태의 부속장치가 필요없는 ICT 시스템인 "flying probe"(자유자재로움직이는 탐침기)를 채택한 경우도 있다. 매 기판마다 한 가지 항목만 검사하도록 하는 것인데 4장의 기판을 하나의 그룹으로 묶어서 모든 기판을 전량 검사하는 방법이다. 충분한 양을 검사하므로 이 샘플링 방법은 통계학적으로 생산량은 적지만, 실제로 100% 전수 검사보다 원가가 훨씬 저렴하게 먹힌다.왜냐 하면 비싼 시험 부속 장치를 없앴기 때문이다.
>> 결 론 <<
제조환경이 생산성을 행상시킬 수 있으니 이는 역동적인 공정관리 전략 곧 새로운 실제상황을 신속히 반영할 수 있도록 주기적으로 updating 하는 "제조와 시험 전략"을 실행에 옮김으로써 가능한 것이다.
현재의공정과 그 비용을 알아야, 어느 분야에 변화를 줄 것인지에 대한 명확한 통찰력이 생기는 법이다. 새롭게 제시되는 대안과 현재의 공정을 비교할 때마다 아래의 세 가지 원칙들이 도움이 될 것이다. 즉 한번에 한가지의 변수만 분석하고, 최근의 시험 및 측정장비로부터 획득한 데이 터를 포함한 가능한 최상의 데이터를 활용하며, 원가의 효율을 개선하는 새로운 기법의 접근 법을 구상하라는 것이다.
-SMT KOREAN EDITION-발췌
5.마이크로 BGA 및 CSP작업 공정
PCB상의 부품 밀도 증가로 발생하는 패키지 크기와 솔더 볼 크기(solder ball pitch)의 감소에 대응하기 위한 새로운 조립 및 재작업 공정 소개. 전자 조립 기기들이 보다 작아짐에 따라 세밀한 크기의 볼 그레드 어레이 (ball gride array;마이크로 BGA)를 갖게 되고, 칩 스케일 패키지(chip scale package, CSP) 또한 보다 작고 빠르며 보다 고성능의 전자제품의 요구를 만족시킬 필요가 높아지고 있다. 이러한 저가 패키지들은 랩탑 컴퓨터, 휴대 전화 및 다른 휴대용 기기들 에 적용되고 있으며, PCB조립에서의 밀도 증가로 인한 패키지 크기와 솔더 볼(solder ball)크기의 감소로 조립 공정과 재작업(rework)공정에 새로운 문제가 대두되고 있다. 부품 간격의 조밀화로 부품 제거 및 교체에 있어 기존의 고온 가스 재작업(hot-gas rework)공정을 적용할 때 주변의 다른 부품들에 영향을 미치지 않기란 거의 불가능하다. CSP는 사이트 리드레싱(site redressing)과 정확한 부품 배치에 있어서 문제를 일으킬 수 있는 보다 세밀한 레드선 피치(lead pitch)를 제공하고, 고온 가스 흐름이 부품 위치를 변경해 버릴 수도 있기 때문에 가볍고 작은 부품들은 잘못 배치되거나 비뚤어질 수 있다. 이 글에서는 몇몇 마이크로 BGA 및 CSP 부품들의 재작업에 대해 적용될 수 있는 자동화된 고온 가스 시스템을 기반으로 하는 공정을 설명한다. 또한 재작업된 부품들에 대한 신뢰도와 재작업되지 않은 부품들의 신뢰도도 비교한다.
<>공정 검사<>
이 프로젝트는 산업계에서 대중적으로 적용되는 마이크로 BGA와 CSP패키지 에 대한 표준 표면실장 조립 공정과 재작업 공정을 고찰하는데 목적이 있다. 업계에서는 초창기 CSP 조립공정에 대한 관심이 높았던 반면 재작업에 대한 연구는 거의 발표된 적이 없었다. 기판 수준에서의 재작업 문제점은 대부분 재작업 공정 개발과 최적화가 필요한 작은 부품의 크기, 줄어든 볼(ball)크기, 보다 가까워진 다른 부품들과의 거리 때문에 발생한다. 몇몇 부품들이 이 연구를 위해 채택되었다.
표1- 리워크 연구에 사용된 패키지
-----------------------------------------------------------------
공급 피치(mm) I/O 사이즈(mm) 패키지타입
-----------------------------------------------------------------
패키지1 0.8 46 5*7 마이크로 BGA
-----------------------------------------------------------------
패키지2 0.75 40 6*7 프렉스(Flex)
-----------------------------------------------------------------
패키지3 0.8 144 12*12 프렉스(Flex)
-----------------------------------------------------------------
패키지4 0.65 48 8*6 마이크로 BGA
-----------------------------------------------------------------
(표1)이 부품들은 다양한 입/출력 개수, 피치(pitch) 및 패키지 유형을 나타낸다.
메모리 칩 패키지는 일반적으로 패키지 유형 1, 2, 4 등과 같은 적은수의 I/O를 갖는 패키지(I/O package)이다. 이 패키지들은 이중 구조(double-sided),공유 배선(shared via) 어플리케이션에 사용되는 것이 일반적이다. 144개 입출력을 가진 패키지 유형3은 일반적으로 고성능 제품에 응용된다.
모든 CSP들은 크기가 0.013~0.020인치인 주석/납(Sn/Pb)합금 솔더볼 (solder ball)이 부착된다.
모든 패키지들은 안정적인 테스팅을 위한 핀 배치를 제공한다. 조립 공정에 대해서는 두가지 테스트보드 설계를 준비했다. 하나는 전선을 다른 곳으로 연결하기 위해서 표면에서 전선을 사용하여 배선이 이루어진, 일명 "도그본" 패트 디자인("dog-bone" pad design)을 적용한 표준 FR-4PCB이었다.
다른 하나는 표면 박층 회로(Surface laminar Circuit;SLC)기술을 적용했고 첫 번째 디자인에서와는 달리 감광 처리로 배선을 형성했다. 보드들은 1mm두께를 갖는다.
<>실험 절차<>
적절하게 정의된 바이어스 베이(bias bay)로 고온 가스 재작업 장비에서 재작업 공정이 수행되었다.
이 기기는 다음가 같은 특성을 갖는다.
- BGA노즐을 통한 고온 가스 가열
- 작은 마이크로 BGA와 CSP 재작업에 적합한 낮은 공기 흐름 기능(low air flow capability)
- 사용자 정의된 바이어스 베어에서의 바닥 기판 가열(bottom board heating)
- 컴퓨터로 제어되는 온도 특성
- 조절가능한 비전(vision)시스템
- 자동화된 진공 부품 픽업(pickup) 및 배치 가능
다음의 특정 공정 흐름은 BGA 재작업에서 전형적인 한 예이다.
부품은 고온 가스 노즐로 리플로우 온도까지 가열되고 그 후 제거된다.
기판의 솔더는 그 위치가 평평해 질 때까지 솔더 진공 도구로 제거된다.
이후에 그 위치는 플럭스(flux) 처리되고 생로운 부품의 위치가 조정되고 배치되며 기판에 접착 시키기 위해서 솔더를 리플로우(reflow)한다. 가열공정은 부품 제거 및 재배치를 위해서 필요하다.
가열 특성 매개 변수들은 솔더 페이스트 제조회사가 권장한 리플로우 온도 및 흡수 정도(soak)와 일치해야 한다.
재작업 대상이 되는 부품들이 설치될 각각의 자리들은 보드의 위치별, 내부 레이어별, 근처의 부품 종류별로 열 방출 정도가 달라지므로 개별적인 특성이 지정되어야 한다.
이러한 방법으로 적정한 온도가 아닌 과열 또는 저열로 처리되거나 패드 가 일어나는 위험을 최소화할 수 있게 된다.
한번 온도 특성이 결정되면 해당 위치에 대해서는 계속 같은 온도 특성을 적용하게 된다.
부품 제거와 부품 리플로우 접착을 위해서는 별도로 독립적인 공정이 필요하다.
부품을 제거하기 위해서 기기의 바이어스 베어(bias bay)는 기판을 균일하게 가열하고 재작업 자리의 온도 변화를 최소화하기 위해 섭씨 150도로 설정한다.(온도 변화가 극심하면 기판에 국부적인 손상이 발생할수 있다.) 기판은 베어(bay)의 표면으로부터 0.250인치 위에서 정렬핀(alignment pin)에 있는 프레임에 배치된다.
가열 공정 동안의 기판이 휘는 것을 방지하기 위해서 지지 블록(support block)은 기판 재작업 위치의 뒤쪽에 닿게 되며, 기판은 135도로 예열된다.
기판으로부터 부품을 제거하기 위해서 이 재작업 기기는 힘을 가하지 않는 제거 기술을 적용하고 있다.
이 공정이 시작되면 부품의 높이를 감지하기 위해서 진공 픽업(pick up)튜브가 내려오게 되고 가열 처리를 위해서 적정한 높이로 올라가게 된다.
부품이 리플로우 온도에 도달하게 되면 진공 픽업은 미리 지정된 높이로 내려가고 진공 기능이 작동하면서 솔더 연결을 붕괴시키지 않으면서 부품이 제거된다.
제거된 부품은 버려지고 기판은 다음번 제거를 위해서 또 가열된다.
부품이 제거되고 나면 해당 위치에 대한 드레스(dress)가 시작된다.
이것은 재작업 기기에 있는 자동화된 솔더 처리 장치로 실행한다.
기판은 바이어스 베이에 위치하게 되고 대략 섭씨 130도로 예열한다.
재작업될 위치에는 이 공정 전에 플럭스를 적용한다.
솔더 처리 장치는 SLC에 대해서는 섭씨 420도로 예열되고 FR-4에 대해서는 섭씨 330도로 예열한 후, 기판 두께를 검사하고 각 패드를 위로 지나가면서 진공 튜브로 솔더를 빨아들인다.
시행착오로 인해 작은 크기의 부품 위치에 대해서는 기판 표면 위로 0.010인치 만큼의 솔더 높이 오차를 발생시키고 큰 부품 위치에 대해서는 0.012인치 오차를 발생시킨다.
각 해당 위치들은 이소프로필 알콜(isoprophyl alcohole)로 세척되고 손상 여부를 검사한다.
검사 대상이 되는 것들로는 솔더의 오염, 솔더마스크(soldermask)의 손상 등이 있다.
부품 배치 및 리플로우 단계는 다음과 같이 진행된다.
기판은 섭씨 135도로 예열되고 해당 위치는 기판 표면을 따라 보풀이 없는 천으로 닦이며 플럭스 처리된다.
이 플럭스 과정은 부품을 제 위치에 고정시키고 리플로우 직전에 패드의 표면을 세척하는 기능을 한다.
재작업 기기의 분광 기능을 이용해서 기판에 부품들을 정렬함으로써 부품 들을 위치시킨다.
부품 배치가 끝난 후 진공 픽업은 부품의 높이를 감지한 후 미리 지정된 높이로 올라간다.
이렇게 함으로써 픽업 튜브는 고온 가스 노즐 내부와 닿아 있게 되며 고온 가스 예열 절차가 시작되면 부품을 제 위치에 있도록 한다.
예열이 끝나고 나서 픽업 튜브는 솔더 리플로우 동안 부품이 망가지는 것을 방지하기 위해 0.015인치나 0.020인치 정도 더 위로 올라간다.
<>결과 및 검토<>
CSP 부품을 효과적으로 제거하고 배치하기 위해서는 공정에 대한 조정이 필요하다.
최고 온도점에서 진공 픽업 튜브가 부품 표면으로 내려가면 기판의 솔더 연결을 손상시키거나 솔더를 기판 주위로 튀어가게도 할 수 있었다.
재작업 도구가 전혀 힘을 가하지 않는 기술을 적용한다고는 하지만 부품 에 가해지는 적은 압력으로도 몇몇 연결을 망가뜨릴 수 있음을 확인했다. 기판 역시 상황을 더욱 악화시키며 위로 휘어진것을 목격했다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 제거 공정동안 진공 픽업 튜브가 연결 부위에 나쁜 영향을 주지 않도록 좀 더 높이를 높였다.
자동화된 드레스 공정(dress process)으로 인해 패드 위의 솔더가 효과적으로 평탄하게 되었다.
이 공정은 배치 단계에서 부품이 기울어지는 것을 방지하기 위해서 패드가 평탄해야 하므로 매우 중요하다. 잔류하는 솔더 코팅은 대부분의 패드에서 보통 높이가 0.001인치 이하였다.
부품 배치와 리플로우에서 가장 어려움이 많았다.
해당 위치를 플럭스 처리하고 부품을 배치한 후 해당 위치를 리플로우하면 부품이 종종 기울어지고는 했다.
부품들이 너무 가벼웠고 고온 가스 노즐 내부에서 이리저리 움직인 것이 그 이유라고 생각된다.
이러한 현상은 낮은 공기 흐름(airflow)(50SCFH)에서도 재작업 기기에 의해서 발생했다.
부품들이 움직이지 못하도록 하기 위해 배치 후에 그리고 가열 공정 중의 예열 부분 중에 진공 픽업 튜브가 부품의 바로 위에 정확히 위치하도록 재작업 기기를 프로그램했다.
진공 튜브는 리플로우 공정이 시작하면 위치가 조금 변경되어서 솔더 연결을 붕괴하지 않고 해당 품목이 패드로 흘러들어가도록 할 것이다.
이 방법은 매우 잘 작동했으나 몇가지 문제점을 안고 있었다.
리플로우 공정동안 픽업 튜브의 높이와 무게로 인해서 분리되어야 할 솔더가 연결되는 문제가 발생하기도 했다. 또한 진공 픽업 튜브는 BGA의 자체 중심 이동(selfcentering)기능을 전하 시키기도 했다.
또다른 문제점은 뒤틀림 현상(warpage)이다. 기판이 매우 얇았기 때문에 뒤틀림은 매우 중요한 문제였다.
이러한 뒤틀림을 방지하기 위해서 특수한 지지 블록(support block)을 제작하였고 기판은 뒤틀림을 일으킬 수도 있는 온도 차를 제거하기 위해서 예열을 거쳤다.
이렇게 함에도 불구하고 여전히 문제가 존재했다. 이 기판은 특정 높이를 갖는 압력하에서는 위아래로 휘고 예열공정동안에는 위로 휘는 현상을 나타내었다. 이것은 이러한 높이차이를 보상하기 위해서 각 공정별로 추가적인 높이를 고려해야 함을 의미한다. 그러나 이것만으로는 충분하지 않았다.
제거 공정 동안에는 동일한 제거변수가 부품 하나에 손상을 입혔으며 다른 기판의 동일한 위치에 있는 다른 부품을 제거하기에 적합하지 않은 높 이를 나타냈다.
또한 적용된 보드 플럭스 처리 기술은 두가지 문제를 안고 있다. 이것은 기술자별로 서로 견해가 달라 매우 주관적이었다. 너무 많은 플러스가 적용되면 CSP 부품이 리플로우 동안 움직이게 될 수 도 있는 액체 상태 레이어를 생성하게 된다.
동시에 너무적은 플럭스가 적용되면 고온 가스가 처음 적용될때 부품을 위치시킬 만한 것이 없어지게 된다.
보다 최근의 연구에서는 BGA 연결들만을 플럭스 처리하고 기판에 대해서는 처리하지 않으면 재작업 공정의 생산성이 향상된다고 보고되었다.
최종적으로 재작업을 거친 솔더 연결은 재작업을 거치지 않은 솔더 연결에 버금가는 연결 구조를 가지고 있었다.
<>신뢰성<>
조립된 테스트 보드는 섭씨 -40도에서 125도 사이, 그리고 섭씨 0도에서 100도 사이에서 가속 온도 사이클링(Accelerated Temperature Cycling;ATC)테스트는 물론,절연 저항(IR)테스트도 거친 것이다. 어떤 패키지에서도 IR 문제가 발생하지 않았다. 패키지 유형4는 이전에 ATC검사를 통과하지 못했고 (100~200 사이클, -40도~125도)이후에 이패키지 공급자가 신뢰성 문제로 인해 생산을 중단한 것 을 알게 되었다.
패키지 유형1에서 3은 0도~100도 테스트에서 잘 작동했으나(대부분 1000사이클 이상에서도 작동) -40도~125도 테스트에서는 다양한 결과가 나왔다.
이 온도 사이클링 범위는 너무 혹독하다고 할 수 있다.
재작업을 거친 패키지 유형1과 2의 부품은 재작업을 거치지 않은 부품보다 약간 낮은 사이클 수명을 가지고 있었고 이에 비해 유형3은 비슷한 수 명을 나타냈다.
<>결론<>
마이크로 BGA와 CSP부품들은 기존의 고온 가스 재작업 공정(hot gas rework process)을 사용해서 재작업이 가능하다.
높은 생산성을 얻기 위해서는 재작업 공정 변수 조정이 필수적이다. CSP 부품은 소형이고 경량이기 때문에 부품의 잘못된 정렬이나 부품 파괴 를 방지하기 위해서는 고온 가스 흐름의 정도와 진공픽업 튜브의 높이를
조절해야 한다.
최적화된 재작업 공정으로 재작업을 거친 부가적인 부품 신뢰도 테스트도 수행하였다.
이글은 APEX 2000에서의 발표를 인용한 것이다.
-SMT KOREAN EDITION-발췌
6.제조설계에 대하여
아직도 상당수 관련 업체들이 BGA (Ball Grid Array)와 CSP(Chip Scale Package)를 새로운 기술로 주목하고 있지만, 앞서가는 몇몇 전자 제조업체 들은 이미 한 두 가지의 변형된 CSP 기법을 알고 있거나 채택하고 있다. BGA패키징 기법은 기존의 납 부착기술과 양립되는 방향으로 개발되어왔다. 플라스틱과 세라믹으로 제조된 BGA는 CSP나 0.5, 0.65, 0.8mm의 격자 간격을 가진 좁은 피치 BGA에 비해서 접점 사이의 피치(1.50, 1.27, 1.0mm)가 넓다.
넓거나 좁은 피치를 막론하고 BGA 디바이스는 좁은 피치의 레드 프레임 패키지인 IC보다 회로 손상을 덜 받는다. BGA의 기술기준은 특정한 입.출력(I/O)상의 요구 조건을 충족시킬 필요가 있는 부위에서는 접점의 간격을 넓게 설계할 수 있도록 하고 있다.
패키지 설계사가 BGA 디바이스의 접점을 배치하고 핀 위치를 설계할 때에는, 다이의 크기와 외형은 물론 칩 디자인 사양도 함께 고려하여야 한다.
그밖에 핀별 기능을 지정할 때 유의해야 할 사항은 다이의 위치와 방향이다.
공급자가 칩 마운팅(삽입기) 기술을 사용하고 있는 경우에는 통상 다이의 표면이 위를 향하게하는(face-up) 배치 방법을 채택한다. 다바이스 구축 방법은 산업 표준이나 지침을 불문하여 꼭 한가지로 정의되어 있지는 않다. 그 대신 각 디바이스 제조회사는 사용자가 정의한 특정 용도에 맞추어 나름대로 독특한 배치를 시도하고 있으며, BGA를 형성하는 재료의 물성에 따라 플립 칩이나 와이어 본드 기술을 선택적으로 구사하고 있다. 부착할 다이가 단단한 재료로 되어 있으므로, 보통 다이의 접착이나 부착지점을 신호가 다이 본드 패드에서 볼 배열 매트릭스 방향으로 흘러가는 도체 통로의 정중앙에 배치하는 것이 상례이다.
격자 배열 장치의 전체적인 외곽 사양은 레드선의 피치와 접점 매트릭스의 형태, 그리고 그 구성 방법에 있어서 상당한 범위의 융통성을 허락하고 있다.
JEDECMO-151은 여러 형태의 플라스틱 BGA에 대한 기술 사양을 정의하고 있다.
4각형 모양의 크기는 7.00mm에서 50.0mm까지 범위가 넓고, 세종류의 접점피치를 (1.50, 1.27, 1.0mm)자유롭게 선택할 수 있으며, 볼 접점은 짝수나 홀수의 열과 줄로 이루어진 일정한 바둑판형식으로 배열할 수 있다.
이 볼 격장의 배치는 반드시 패키지의 전체적인 외곽 모양과 대칭을 이루어야 하지만, 접점의 위치나 일정지역안의 접점 숫자를 디바이스 제조회사가 임의로 줄여도 무방하다.
<>좁은 피치 BGA의 변형<>
전자 접합 디바이스기술 위원회(JEDEC, Joint Electronic Device Engineering Council)의 BGA 지침서를 보면, 다양한 물리적인 특성을 제시하고 있으며 패키지 공급 업체에게 "변형(variation)이라는 형태의 융통성
을 부여하고 있다.
JEDECJC-11이 좁은 피치 BGA 디바이스에 대하여 승인한 첫 번째 서류는 등록된 외곽모양을 담은 MO-195인데, 접점의 배열 피치가 0.50mm인 일정한 4각형 모양의 패키지 그룹에 관한 것이었다.
기본적으로 패키지의 크기는 4.0mm에서 21mm까지이고, 전체 높이는 장착면 으로부터 최대 1.20mm 이내로 제한되어 있었다.
<>좁은피치 BGA의 접점 배열 설계<>
볼의 간격과 크기는 회로의 전류 효율에 직접 영향을 미친다.
실제로 상당수의 회사들이 I/O가 낮은 CSP 응용분야에서는 0.50mm 피치를 채택하지 않기로 방침을 세운바 있다. 접점 간격에 다소 여유가 있는 넓은 볼 간격을 택하여 설계하는 것이, 더욱 더 복합하게 밀집된 PCB 기술만을 선호하는 소비자들의 욕구로부터 벗어나는 방법일 지도 모른다.
JEDEC이 권장하는 가장 좁은 접점 배열피치는 0.50mm이다.
지정된 접점의 직경도 0.30mm로서, 오차범위를 포함하여 0.25~0.35mm를 권장하고 있다.
그러나 지금 0.50mm피치의 변형을 채택하고 있는 대부분의 BGA응용 제품들도 장차 PCB표면에 패턴을 두는 양면 기판에 의존하게 될 것이다.
0.25mm의 패턴 간격 사이로는 0.08mm(0.003")폭의 단선 회로밖에 지나갈 수 없다.
전원과 접지용 접점들을 제한된 PCB의 외곽으로 여유 있게 배치하는 대신, 선택된 일부 지역이나 간극의 접점 숫자를 줄이다보면, 접점 격자 매트릭스의 배분에 한계를 느끼게 될 것이다.
이처럼 I/O 레벨이 높은 응용회로가 많이 포함된 경우에는 blind via나 closed via와 같은 다층 기판에 의존하게 될 것이다. 디바이스의 성능도 패키지의 크기만큼이나 중요하다. 고밀도에 높은 I/O 레벨을 가진 응용회로를 설계할 때 적용할 패키지 기술은 우선 주어진 기본 여건과 잘 맞아야 한다.
예를 들어, 세라막이나 유기질 박막으로 조립되고 삽입 구조가 단단한 형태의 패키지들은 실리콘 다이에 잘 맞지 않는다. 디바이스 외곽에 있는 레드선 본딩 지점까지 연결할 때에는, 전류가 항상 안쪽 방향으로 흐르도록 설계하여야 한다.
마이크로 BGA 패키지 구조가 갖는 한 가지 실질적인 장점은, 실리콘 다이 내부에서 모든 전기적 인터페이스가 가능하다는 점이다.
일부 마이크로 BGA는 고순도의 폴리이미드 필름을 베이스 재료로 쓰고 있으며, 다이 위의 알미늄 본드 지점과 폴리이미드 삽입장치 위의 납 볼 접점 사이를 완벽하게 상호 연결시키기 위하여 구리에 금을 도금하는 공정을 채택하고 있다.
일반 와이어 본드 공정을 사용하여 다이를 디바이스 삽입장치와 연결하는 대신에, 프렉스블한 삽입장치에 붙어 있는 도금한 구리 레드의 모양을 변경, 이를 다이에 직접 본딩하는 방법을 쓰고 있다.
유연한 재질과 절묘하게 결합함으로써, 완성된 디바이스가 결합과 분리를 반복하는 매우 열악한 환경을 거뜬히 이겨낼 수 있게 된 것이다.
이러한 패키지 기술은 이미 몇몇 제조회사들이 채택한 바 있다.
CSP의 표면을 아래로 뒤집어 놓은(face-down)형태의 BGA 디바이스는 항상 다이의 크기보다 더 크지는 않다.
다이 위에 있는 알미늄 본드 패드는 볼 접점과 PCB 표면 쪽을 향하도록 부착되어 있다.
업계에서 위와 같은 구조를 가장 폭넓게 수용하고 있는 이유는 특허로 등록된 여러 자재와 레드 설계 시스템을 부담없이 쓸수 있게 허용된다는 점 과, 아울러 실리콘 다이와 PCB라는 두 물질사이의 현저히 다른 열팽창 계수의 차이를 보상해 주는 기능상의 안정성 때문이다.
이와 같이 유연한 삽입 재질을 채택한 구조를 다소 변형시킨 형태로서, 실리콘 다이의 본드 패드가 위쪽을 향하도록 한 것이 있다.
표면이 위를 향하는 (face-up)이 다이 패키지는 face-down패키지를 제조할 때 사용된것과 동일한 탄성 중합제 재료를 다이 부착용으로 쓰고 있다.
두 개념 사이의 가장 큰 차이점은, 다이와 프렉시블 필름 삽입장치 사이의 레드를 어떻게 단말처리 하느냐에 있다.
마이크로BGA는 전기적인 인터페이스를 위하여 전통적인 방법인 골드 와이어 본드 기술을 채택하고 있다.
이 분야의 몇몇 기술이 특허로 이미 등록되어 있기는 하지만, 그간 이러한 기술을 사용한 응용분야가 주류를 이루어 오고 있다. 업체들이 좁은 피치 BGA보다 큰 피치를 요구하는 데는 두 가지 이유가 있다.
더러는 어느 정도 짐작되었던 새로운 실리콘 다이의 수축 현상이 실제로는 예상했던 것보다 훨씬 크고, 여러 응용 제품을 생산함에 있어서 제조회사들이 전류의 흐름을 원활히 하기 위하여 접점 피치가 넓은 격자 패턴을 더 선호하기 때문이다.
격자 배열 패키지 방식 기술 지침은 JEDEC이 95년에 발간 배포한 바 있다.
격자 디바이스에 관한 전반적인 기술 사양은 레드피치와 접점 매트릭스의 패턴, 그리고 구조면에 이르기까지 상당한 융통성을 허용하고 있다.
JEDEC 기준에 의하면, 다이는 인터페이스 구조의 어느쪽에 부착되어도 무방하다.
-접점 매트릭스 선택사양-
접점은 균일한 패턴으로 분포되기만 하면 되지만, 매트릭스의 모양은 패키지의 중심선을 기준으로 항상 대칭을 이루어야 한다.
접점의 숫자를 줄이는 것은 디바이스 제조회사의 임의 재량에 맡겨져 있으며, 패턴은 통상 전체(full)짝수 매트릭스나 홀수 매트릭스, perimeter매트릭스, 혹은 staggered매트릭스로 할 수 있다.
-Full매트릭스
주어진 패키지 크기안에서 짝수와 홀수, 두가지의 full매트릭스 방법을 선택할 수 있다.
주어진 패키지의 크기와 접점 피치조건하에서, 이론상 두 가지 중 어느 한 가지 방법으로 최대 숫자의 매트릭스를 구성할 수 있다.
따라서 다른 한 가지 방법은 위의 매트릭스보다 한 칸과 한 줄이 각각 더 작은 매트릭스가 되는 셈이다.
-Perimeter매트릭스-
perimeter(주변)매트릭스란 매트릭스의 중심부에 접점을 배치하지 않는 방식을 말한다.
중심부에 접점을 두지 않는다고 해서 이 매트릭스의 중심선이 바뀌는 것은 물론 아니다.
Perimeter매트릭스 중 열전도 특성을 개선한 매트릭스란, 비어 있는 가운데 일부분에 접점을 다시 배열하는 방식을 말한다.
I/O 레벨이 낮은 디바이스느 좁은 피치BGA 변형 방식을 채택하는 것이 유리하다.
이것은 0.50mm의 격자 간격을 유지한 채로, 또 필요에 따라 일정 지역에는 선택적으로 접점을 배치하지 않기도 하면서 회로 경로를 최대화하는데 더 실용적인 방법이다.
I/O 레벨이 낮은 디바이스에 접점 간격을 넓게 잡는 경우에는, 통상 패턴을 윗면에도 연결하는 양면 회로 설계 방식을 채택한다.
-Staggered매트릭스-
Staggered매트릭스란 간극(interstitial)패턴에서 접점을 하나 건너 하나씩 제거해나가는 방식을 말한다.
이 방법은 어떤 x피치의 full 매트릭스에서 접점과 접점의 중심선 간격을 효과적으로 최소화하는 기법이다.
-선별적인 접점의 축소-
위에 설명한 접점 숫자 감소방법에 덧붙여서, 선별적으로 특정 부위의 접점을 추가로 제거할 수도 있다.
이 선별적인 접점 축소방법은, 패턴의 매트릭스가 패키지 틀의 중심점으로 부터 이동되지만 않는다면, 어느 때나 적용할 수 있다.
<>부착 지점 결정<>
BGA 디비이스 권장하기 적합한 납 부착점이나 패턴의 모양은 접점의 모양은 접점의 피치와 크기에 따라
조정된 일정한 지름의 원형이다.
이 원지름은 패키지의 인터페이스 패턴 지름보다 작아야 하는데, 일반적으로 볼 접점의 지름에 비해서 10% 작은 것이 보통이다.
패턴의 배열과 모양을 최종 결정하기 전에, IPC-SM-782 제 14.0항이나 제조회사의 기술사양서를 필히 참조하기 바란다.
납 부착 부위를 결정하는 데는 두 가지 방법이 있는데, 그것은 패드나 동박면으로 지정하는 방법과 솔더마스크로 지정하는 방법이다.
-동박면으로 지정되는 패턴-
에칭된 동박면으로 패턴을 결정하는 방법이다. 이때 이웃한 솔더마스크와의 간격은 에칭된 동박면으로부터 최소한 0.075mm이상 떨어져야 한다.
-솔더마스크로 지정하는 패턴-
만일 솔더마스크로 지정된 패턴일 경우에는, 마스크의 영역이 충분히 확보될 수 있도록 패턴의 지름을 적절히 조절하여야 한다.
<>격자 디바이스의 회로경로 결정<>
아래층 PCB를 타고 전달되는 신호 채널은 아무래도 via패드 지점사이에 확보된 공간의 활용에 제약을 받기 마련이다.
회로 설계사가 PCB의 층을 늘림으로써 더 넓은 여유 공간을 확보할 수 있지만 설계상의 요구조건이 더 좁은 폭과 조밀한 간격으로 더 밀집된 회로경로를 넣는 경우라면, 이 PCB를 의 생산은 훨씬 더 어려울 뿐 아니라 전체적인 생산비용도 올란간다.
좁은 피치로 된 소형 격자 디바이스의 회로 밀도는 넓은 피치의 플라스틱 BGA에 비해서 당연히 높기 마련이다. 하지만 2층 PCB를 구성하여 아래층PCB에 회로 경로를 배치하는 방법을 대부분의 신호 통로를 설계할 때에 고려해 봐야 한다. 왜냐하면 이 방법이 더욱 복잡한 디바이스의 회로 경로를 가장 효과적으로 지원할 수 있기 때문이다.
더 미세한 패턴 굵기와 좁은 피치 간격을 채택하면 PCB를 한 층 더 추가할 필요는 없으나, 생산성의 저하로 인하여 원가가 오히려 더 비싸지게 될 것이다.
고밀도 마이크로 홀 방식으로 다층 회로 기판을 제작하는 기술이 제한된 일부 업체에서 실용화되어 있다.
복잡한 상호 연결식 구조를 가진 회로를 설계할 때에는 이러한 기법도 고려해 보아야 한다.
BGA 디바이스에 넓은 접점 피치로 회로를 설계하는 것은 한결 쉽다.
접점의 숫자가 줄어든 배열이나 넓은 피치로 된 디바이스에서는 회로 경로가 제한을 덜 받는다.
상당수 I/O 레벨이 낮은 제품의 경우에는 PCB의 상부 장착 면에도 회로경로를 추가하는 양면 PCB기법도 자주 사용될 수 있다.
<>Via홀 설계<>
CNC드릴의 속도는 최대로 올리는 한편 드릴의 파손율은 낮게 유지하기 위해, 대부분의 회로 기판 제조회사들은 가공된 홀의 크기가 최소한 PCB전체 두께의 1/3보다 큰 것을 선호한다.
PCB의 외형은 더 작으면서 회로 밀집도는 더 높은 좁은 피치 BGA 회로를 설계하려면 설계 엔지니어들은 표1에서 권장하는대로, 작은 via홀과 함께 각 홀 주위에 환상(고리모양)의 테두리(ring)를 두르는 방법을 고려하기 마련이다.
표1-홀 크기와 패드 직경의 상관 치수
----------------------------------------------------------------
도금된 홀 직경 패턴 직경 상테두리의 폭
----------------------------------------------------------------
0.50mm(0.020") 1.00mm(0.040") 0.25mm(0.010")
----------------------------------------------------------------
0.50mm(0.020") 0.89mm(0.035") 0.19mm(0.007")
----------------------------------------------------------------
0.46mm(0.018") 0.76mm(0.030") 0.15mm(0.006")
----------------------------------------------------------------
0.38mm(0.015") 0.63mm(0.025") 0.12mm(0.005")
----------------------------------------------------------------
0.33mm(0.013") 0.50mm(0.020") 0.08mm(0.003")
----------------------------------------------------------------
0.25mm(0.010") 0.50mm(0.020") 0.13mm(0.005")
----------------------------------------------------------------
0.20mm(0.008") 0.50mm(0.020") 0.15mm(0.006")
----------------------------------------------------------------
0.20mm(0.008") 0.46mm(0.018") 0.13mm(0.005")
----------------------------------------------------------------
0.20mm(0.008") 0.40mm(0.016") 0.10mm(0.004")
----------------------------------------------------------------
0.20mm(0.008") 0.35mm(0.014") 0.075mm(0.003")
----------------------------------------------------------------
<>좁은 피치 BGA 패턴/via홀 설계
많은 회로 경로들은 수용하기 위하여 안쪽 기층에 있는 via 패드의 지름을 0.25mm(0.010")로 줄이거나 4각형 모양으로 하기도 한다.
I/O 레벨이 높은 칩 형태의 BGA 응용 제품일 경우, 밀집된 회로로 인하여 전기적 특성에 손상을 주기보다는 차라리 기판을 한 층 더 늘리는 것이 더 경제적인지 여부를 저울질 해 볼 필요가 있다.
피치가 <-0.80mm인 밀집형 BGA 패키지의 경우, 패턴 배열이 디바이스 아래의 기판 면적 거의 대부분을 차지하게 되므로, 회로 경로 채널에 제약이 따른다.
이처럼 접점의 밀집도가 높은 디바이스에 있어서 대부분의 신호 경로는 메인 인터페이스 기능을 가진 다른 기판 층으로 재차 전달되어야 한다.
단단한 재질로 된 MLB를 채택한 경우, I/O 레벨이 높은 디바이스의 신호경로는 blind via 홀방법을 사용하여 최소한 한 장 이상의 다른 기층으로 전송 되어야 한다.
이상적인 방법은 성형을 한 뒤에 CNC로 blind via 홀을 뚫고 도금을 하는 것이지만, 회로의 밀집도가 매우 높은 경우에는 blind via 홀과 buried via 홀을 따로 뚫은 위에 각 층을 접합하는 방법을 사용한다.
부착면에 드러난 via 홀 구멍들은 막거나 도금으로 봉해야 한다.
만일 via 홀이 전체 회로 기판을 관통한다면, 조립과정 중에 상당한 양의 납 합금이 접점 부위로 확산되어 나올 수도 있다. 패턴의 도통 경로를 추적하고 충분한 air gap을 확보하기 위해, 설계자는 via 홀에 4각형의 패드를 사용해도 좋다. 패드가 4각형으로 되어 있으므로 패드의 네 모퉁이에는 충분한 양의 구리 가 묻게 되고, 이로써 4각형 외곽의 단면이 고리모양으로 오그라드는 현상 을 막아 준다.
필요한 경우에는 4각형의 via 패드를 더 밀착 시킬 수도 있다.
한 격자로부터, via 패드 사이에 있는 두, 세개의 도통 경로를 추적할 수 있다.
설계자는 CSP가 요구하는 더 높은 회로 집적도를 달성하기 위하여, 0.25mm (0.010")의 작은 4각형 via 패드와 solid/blind via를 사용하여 회로 경로를 원하는 내부의 다층 기판 어느 곳으로나 옮길 수 있다.
기계적으로 구멍을 뚫고 도금을 하는 방식으로 가동되는 via 홀들은, 이미 경제적인 채산성이 한계점인 지름 0.20~0.25mm에 까지 이르렀다.
이 작은 마이크로 via를 만드는 가장 보편적인 세가지 공정 방법 중 상업적으로 가장 많이 보급된 방식은 레이저 가공법이다. 레이저 가공법이 보편화된 이유는, 특수한 자재나 장비가 필요 없고 작업성이 높기때문이다. 레이저 천공법이 빠르기는 하나 회전축(spindle)방식의 천공보다는 느리다.
PCB를 다발로 한번에 천공하지 못하고, 한 장씩 뚫으므로 가공 단가는 무척 비싸다. 화학 약품이나 플라스마를 이용하여 작은 via 홀이나 마이크로 via를 가공하는 방법도 연구되고 있다.
작은 via 홀을 형성하는 가장 경제적인 방법은 사진 이미지(photo imaging)기법과 buildup(구리 첨가제) 기법이다.
기계적으로 구멍을 뚫고 도금을 하는 via 홀 PCB 조립 방법으로 제작된 다층 기판보다 마이크로 via 제품은 전체 PCB 시장 점유율이 상대적으로 적은 편이다.
<>좁은피치 BGA조립 공정의 개발<>
만일 어떤 회사가 만족할 만큼 SMT의 생산 수율을 달성했다면, 굳이 BGA 기술을 채택하려고 새로운 기술 제공처를 찾아 나설 필요는 없을 것이다.
전통적인 SMT조립 공정 다음으로 추천할 만한 유일한 방법으로 BGA의 전 단계인 "solder paste print inspection(납 도포 메탈 스크린 검사)"법이 있다.
납도포, 메탈 스크린 인쇄, 칩 장착, 오븐가열 등은 전형적인 좁은 피치 PCB의 제조공정인데, 사용자들의 보고에 따르면 BGA보다 공정 불량률이 오히려 더 적다고 한다.
BGA용 스텐실 장비는 좁은 피치 레드 프레임 응용분야에서 사용되는 많은 정보와 기술이 활용된 것으로, 조립회사의 상당수가 이 좁은 피치 디바이스를 채용하고 있다.
작은 크기의 PCB에 납물을 도포하는 방법을 개선한 기술이 tapered land pattern opening (경사진 면에 납물을 발라 패턴을 노출 시키는 방법)이다.
피치의 간격이 넓은 BGA의 패턴 노출 부위보다 작지는 않지만, 납물의 도포량만큼은 모두가 규정된 기준치이어야 한다.
스텐실 인쇄 방식에 의하여 노출시키는 부위의 크기는 패턴의 직경과 같거나, 또는 특별히 원하는 바에 따라 조정될 수 있다.
스텐실 인쇄방법으로 노출 부위를 너무 키우면, 이웃 노출부위나 패턴으로 납이 타고 넘어갈(solder bridging) 우려가 있다.
노출되는 개구부의 모양새를 원형에서 4각형으로 변경함으로써, 피치가 넓거나 좁은 BGA 응용제품 모두 유리하게 되었다. 네모난 스텐실 패턴은 두 가지 이유로 사용되는데, 첫째는 묻는 납의 양이 원형보다 많다는 점이고, 둘째는 납물의 도포량이 더 균일하다는 점이다.
스텐실상의 노출 부위의 크기는 실제 도포하려는 패턴의 크기에 비해서 0.001"에서 0.002"정도 더 크게 제작되어야 한다.
<>조립상 필요한 특성<>
BGA와 CSP에서 물납이 발라진 접점들은 오븐을 통하는 동안에 스스로 정렬 (selfalign)되므로, 접점 위치의 정밀도는 레드 프레임형 좁은피치 디바이스의 경우와 달리 그다지 중요한 문제는 아니다.
그리고 당초에 좁은 피치 SMT 시스템용으로 개발되었던 시각적인 정렬 (visual alignment)기법은 BGA 응용 제품에 더 적합하다. 접점 배치의 정밀도를 높이기 위한 방안으로서, 조립 전문가들은 주로 좁은 피치 디바이스에 권장되던 한 두 가지의 표준 특성을 기준으로 삼으려 할 것이다.
그와 같은 기준 특성이 지향하는 목적은, 접점 배열 시스템을 통하여 PCB 조립상의 공차나 표면 함몰 요소들을 보상해 주려는데 있다. 기준으로 삼는 접점의 지름은 표준이 통상 1.0mm이다.
이 기준 목표를 시스템이 확실히 인식할 수 있으려면, 먼저 솔더마스크의 접점 배열 시스템에 이 기준 값을 정확히 설정해 놓아야 한다. 만일 설정된 기준치보다 작은 지름 0.5mm제품을 생산한다면, 모든 시각 정렬 시스템들이 이 작은크기의 접점을 인식하지 못할 수 있으므로, 실제로 그인식 가능성을 확인해보아야 한다.
보다 확실한 방법으로, 가능한 한 솔더마스크의 간격도 상응하는 기준 값으로 입력해두어야 한다.
그뿐 아니라 기준 특성의 전제가 되는 전제조건도 항상 일정하게 주어져야 한다.
<>전착 납땜 공정(Reflow Solder Processing)<>
공기/가스의 강제 대류와 적외선에 의한 납땜이 BGA의 전착 납땜공정과 서로 대응되는 방법임이 입증되었다.
대부분의 납땜접합 상태는 육안으로 검사될 수 없으므로, 액체상태의 납 에 가하는 온도와 또 오븐 속에 두는 시간은 매우 중요하다.
물납의 온도를 115도~120도로 유지해 주어야만, 솔더 크림 안에 있던 플럭스가 배출되고 신뢰할만한 납땜의 전착 특성이 얻어진다.
-전착공정(Reflow Solder Process)-
BGA의 전착 절차는 좁은피치 디바이스의 납땜의 경우와 동일하다.
-디바이스 정렬-
잘못 정렬된 것으로 보이는 디바이스들도 전착 과정 중에 자동 정렬되므로, 이를 손으로 조정하려고 시도해서는 안된다.
조립 이후에 진행되는 2차적인 과정도 주의를 기울여야 한다. 레드 형태의 SMT를 시험하고 검사하는 여러 기법들 중 일부는, BGA의 조립에는 직접 적용될수 없는 항목도 있기 마련이다.
<>BGA조립상태 시험<>
개별 접점이나 망(net)별로 탐침 검사(probing)를 실시하기가 어려우므로, 새로운 고장 추적 방법과 기술이 개발되어야 한다.
-재작업 및 수리-
불량품을 가려내는 공정이 개발되어 있다.
플럭스를 제거하지 않은 상태의 신품만 검사가 가능하다.
-검사 방법-
납의 전착 상태를 X-선으로 검사할 수 있다.
100%전수검사는 불가능하며 굳이 필요하지도 않다.
<>BGA납땜 공정 확인-
BGA디바이스가 실제로 제품 생산에 사용되었을 때 납땜의 최종 접합 상태가 과연 어떠할지가 공정 개발 과정의 관심사가 아닐까한다.
제품의 특성의 만족 여부와 신뢰성을 업계가 수긍하는 검사 방법으로 확인하는 일도 주요 관심사항이다.
납땜한 접합 부위의 실측과 단면 및 외형은 비파괴 검사 뿐 아니라 파괴 검사법으로 검사할 수 있다.
파괴 검사는 납땜 접합 부위를 절단하여 단면을 검사하는 과정을 거쳐야 한다.
납땜 상태를 검사하는 또 다른 비파괴 검사법으로서 제품이 생산에 투입된 이후에 실시하는, 이를테면 X-선 검사법이 더 실질적인 효과가 있다.
조립되는 주요 부위를 실시간으로 검사하는 방법이야말로 생산공정을 감시하는 매우 효과적인 방법이다.
X-선 검사는 접점 사이에 납을 타고 넘어가는 현상 (bridging)과 디바이스 아래에 감춰진 납 찌꺼기, 납이 덜 묻은 납 부족 현상을 검출해낼 수 있다.
납이 덜 묻은 납 부족 현상을 검출해 내는 일은 정밀 검사시 납 볼의 영상이 초점을 거의 다 차지하므로, 여간 힘든 일이 아니다.
납땜 공정의 품질과 균일성을 통제하는데 가장 유리한 방법은 BGA 디바이스와는 달리, 납땜 재작업은 쉽지 않으므로, 납땜 상태가 매우 불량한 경우에는 디바이스를 새것으로 교체하는 것이 최선의 방법이다.
인쇄사양을 검사할 때에 디바이스의 두께와 작동 범위를 함께 측정해야 한다.
더 좋은 등급의 기판 재표에다 표면 마감 공정에까지 꼼꼼히 신경을 쓴다면, 조립효율을 향상시키는데 크게 기여할 것이다. PCB설계 또한 조립 효율과 제품의 신뢰성 향상에 크게 기여할 것이다.
그리고 가장 중요한 것은 균일하고 일관된 농도의 솔더크림을 사용하는것이다.
이렇게 함으로써, 엄격한 공정 모니터링과 더불어, BGA의 납땜 불량률을 비교적 I/O 레벨이 높은 좁은피치 레드 프레임형 디바이스의 불량률보다 현저하게 낮은 수준으로 저하시킬 것이다.
작은 크기의 BGA 패키지 외형이 레드 프레임 패키지 기술로는 도저히 만족시킬 수 없는 더 작은 디바이스에 대한 소비자들의 욕구를 충족시키기에 부족함이 없을 것이다.
BGA와 CSP는 전수 검사된 디바이스이며 SMT기술과 충분히 양립할 수 있는 제품이므로, 패키지를 그다지 특별한 준비과정도 거치지 않고 주생산라인 에 그대로 투입할 수 있다.
고객들은 BGA와 좁은피치 CSP 디바이스가 현저히 높은 조립 공정 수율을 올려줄 것으로 인식하고 있다.
오늘날 시장에서 거래되고 있는 대부분의 BGA 디바이스는 접점 피치가 0.8mm 이상이므로, 많은 업체들은 크기를 더 줄이거나 디바이스 사이의 경로를 더 단축해달라는 압력에 시달리고 있다.
BGA 디바이스를 좁은피치 레드 프레임 디바이스와 비교하는 경우에도, 조립 공정의 전문가들은 역시 파손되기 쉬운 레드 프레임보다는 울퉁불퉁한납볼 접점 방식을 더 선호한다.
SMT KOREA EDITION>>발췌
7.인쇄공정용어의 정의
1. 스퀴지(Squeegee) : 고무나 금속판으로 마스크 위에서 솔다페이스트를 개구부에 밀어넣어 기판상에 인쇄함과 동시에 마스크위의 솔다를 긁어내는 것이 목적이다.
양호한 인쇄상태를 얻으려먼 스퀴지의 형상, 재질, 경도, 속도, 인압등 의 선정이 중요하다.
2. 메탈 마스크(Metal Mask) : 크림솔다를 기판위의 부품랜드에 도포하기 위하여 랜드부를 뚫리게한 스크린
3. 메탈 마스크 재질 : SUS304, 니켈(Ni), 테프론(Ni-Cu-Ni의 삼중합금), 각종코팅제
4. 크림솔더(Cream Solder) : 솔다분말에 플럭스를 섞어서 적당한 정도로한 뒤 인쇄와 리플로우솔더링의 솔더로 사용한다.
5. Soder Paste의 구성요소 : 파우더(Powder (Alloys)), 플럭스(Flux)
6. 플럭스(Flux) : Flux란 송진이 주성분이고 염소, 불소 브롬등의 할로겐 이라고 하는 활성제가 소량 들어있는 것으로 납땜시에 대상물의 오염물이나 표면의 산화막을 제거해주기 위한 청정제입니다.
솔다표면의 산화막 제거기능에 필수적이지만 잔사에의한 악영향과 프레온에 의한 문제가 심각하다.
현재 RMA TYPE이나 질소 리플로우에 의한 무세정화 동향이 활성화되고 있다.
7. FLUX의 역활
1)산화물 제거
남땜하고자 하는 모제의 금속표면의 산화막을 제거함으로써 납땜이 잘되게 해주는 작용을 한다.
2)표면장력 감소
땜납은 금속표면에서 둥글게 되려는 성질이 있으며, 이것을 감소시킴으로서 모재 금속에 잘 퍼지도록 한다.
3)재 산화방지
납땜한 대상물과 이미 납땜된 납의 표면이 산소와 접촉하지 못하도록 막아주므로써 표면이 재산화되는 것을 방지해줍니다.
8. 교반기
인쇄전에 크림솔다를 골고루 섞어주기위한 장치이며, 일반적으로 솔다 의 교반은 10~20분정도 행하여야한다
8.자동인쇄기의 조건
1. 메탈마스크와 기판의 패턴위치를 맞추기가 용이할 것
2. 메탈마스크가 기판간의 갭(Gap)을 조정할 수 있을 것
3. 스퀴지의 속도를 조정할 수 있고 변동이 없을 것
4. 스키지의 압력을 조정할 수 있을 것
5. 스키지의 설치각도를 조정할 수 있을 것
6. 기판을 고정할 수 있을 것
7. 조작하기 쉬울것
8. 메탈마스크의 착탈이 용이할 것
9. 생산성이 높을 것
10. 기판의 공급과 수납이 용이할 것
>>>>>>>> 인쇄품질에 미치는 요인 <<<<<<<<<<<
항 목 |요 인 |인쇄 패턴
----------------------------------------------------------------------
1.크림솔더 |(a)점도 |퍼짐,긁힘,흐름(패턴상에서)
|(b)땜납입자의 지름 |
|(c)칙소성 |
----------------------------------------------------------------------
2. 메탈마스크 |(a)메탈두께 |막두께
|(b)패턴형상 |페이스트의 빠짐성
|(c)메탈재질 |페턴 어긋남
|(d)스크린 틀으 재질,향상 |
|(e)텐션 바란스 |
----------------------------------------------------------------------
3. 스퀴지 |(a)재질 |패턴정밀도
|(b)경도 |막두께
|(c)형상 |
----------------------------------------------------------------------
4.PCB 기판 |(a)평면도(휨,두틀림) |막두께
|(b)치수정밀도 |패턴 어긋남
----------------------------------------------------------------------
5. 스크린 프린터|(a)스퀴지 인쇄압력 |막두께, 패턴 정밀도
|(b)스퀴지 속도 |
|(c)스퀴지 각도 |
|(d)인쇄 갭(Gap) |퍼짐, 긁힘
|(e)기판고정방법 |패턴 어긋남
|(f)패턴 위치맞춤 정밀도 |
----------------------------------------------------------------------
6. 인쇄 환경 |(a)온도 |페이스트의 점도 변화
|(b)습도 |기판, 스크린 마스크의 치수
|(c)청정도 |변화, 이물혼입
----------------------------------------------------------------------
9.크림솔더보관및주의사항
▲ 크림 솔더(솔더 페이스트)의 보관
1. 크림솔더가 도착했을 때, 가능한 빨리 냉장고에 보관한다.
2. 이상적인 보관온도는 5~10°C 이다.
3. 0도씨 이하에서 보관하는 것은 입자의 동결이 발생할 수 있다.
▲ 크림솔더의 사용
1. 크림 솔더를 사용할 때, 용기는 크림 솔더가 상온으로 된 다음에 열어야한다. 용기가 상온보다 낮은 온도에서 열렸을 때, 페이스트에 결(바늘)이 생기고, 솔더페이스트의 기능을저하시킨다.
2. 인쇄시, 처음에 솔더페이스트를 부드럽게 섞은 후 스텐실에 놓아야한다.
3. 스퀴지로 밀 때 잘 구르도록 하거나 개구부에 부드럽게 굴러들어가도록 하기 위해 필요한 최소량으 솔더페이스트를 스텐실에 놓는것이 바람직하다.
4. 반면에, 흡기가 많은 상태에서 강제로 솔더를 문질러 프린팅하는 것은 솔더페이스트에 손상을 준다. 그래서, 한번에 많은 솔더페이스트를 놓는 것보다 여러번 나눠서 작은 양을 놓는 것이 바람직하고, 새 솔더는 긴 시간 동안 놓여지지 않는 것이 바람직하다.
▲ 작업 후 처리
1. 프린팅작업 후 스텐실위에 남은 솔더페이스트를 어떻게 처리하는 것인가?
A. 버린다 (솔더가 얼마나 손상됐는지 모르기 때문에 이것이 가장 이상적인 방법이다.)
B. 남은 솔더를 주걱으로 폴리우레탄 시트위에 모아서 공기가 통하지 않는 봉투로 봉한 후 냉장고에 보관 한다.
2. 사용된 솔더를 다시 사용할 때, 솔더 Balling Test & wettablility Test에 의해 이상이 없다는 것을 확인한 후 사용되어야한다.
▲ 주의 사항
솔더 페이스트는 레진이나 활성제, 솔벤트, 납을 포함한 파우더등의 화학적 구성물 로 구성된 화학제품이다. 그래서 다음과 같이 취급에 주의해야한다.
1. 솔더페이스트에 입을 갖다대어서는 안된다. 잦은 횟수 코를 가까이 대서 냄새를 맡는 것을 피하라 솔더 페이스트 오염된 손으로 음식을 먹거나 담배를 피워서는 안된다.
2. 피부와 접촉을 시켜서는 안된다. 만약 피부와 솔더페이스트에 의해서 오염된 경우 우레탄올을 묻힌 헝겊 으로 즉시 닦아야 한다. 다음 비누로 씻고, 모든 수단을 동원하여 제거해야한다.
3. 솔벤트와 그밖의 화합물의 증기와 가스로 작업장은 쉽게 오염되므로 통기에 주의해야 한다.
4. 솔더링시 발생하는 납증기와 플럭스가스의 혼합물은 리플로우의 배기관을 통해서 배출되어야한다.
5. 솔벤트가 함유된 솔더페이스트의 기본물질인 레진플럭스는 불로부터 멀리 해야 한다.
6. 디스펜서나 프린트의 청소용도구는 공기를 뺀 깨끗한 박스에 보관해야 한다.
10.플립칩이란
- 플립칩(Flip Chip)은 반도체 크기를 대폭 줄이면서 전송속도는 기존 제품보다 20~30배 빠른 기가급 이상의 메모리 반도체용 차세대 패키지 기술로 일명 「선없는 반도체」로 불리기도 한다.
반도체의 다리인 리드프레임이 없어 칩 사이즈가 곧 패키지 사이즈가 돼 세트의 소형, 경량화에 유리하며 칩 밑면에 입, 출력 단자가 있어 전송속도도 선이 있는 패키지보다 20~30배 빠르게 할 수 있다.
특히 기존 와이어 접촉법은 우수한 전기적 특성을 요구하는 대용량의 D램 이나 속도가 빠른 S램, 고속으로 동작하는 마이크로프로세서에 적용이 어려웠던 데 반해 플립 칩은 이런 단점을 모두 보완해 1천핀 이상의 입, 출력단자를 갖는 반도체 칩에도 쉽게 적용이 가능, 1기가급 이상의 D램 패키지로 적합하다.
현재 국내 반도체제조업계에서는 이렇한 FLIP CHIP 개발에 한창인것으로 알려져 있으나 아직 SMT공정에는 적용이 완전하게 안되고 있으나 곧 실용화가 될 전망이다.
11.무연솔더(lead free)에 관하여
무연(lead-free)솔더 합금을 사용한 대체공정
- 세계적으로 전자기기에 대해서 납을 포함한 합금의 사용이 금지될 전망이다. 이에따라 무연 솔더합금을 이용하여 솔더 연결을 하는 대체 공정이 개발되고 있다.여기에서는 솔더페이스트의 액상강화 신터링
(Liquid-phase enhanced sintering of solder paste)이 무연솔더 연결을 개발 하는데 필요한 대체 공정으로 적용 가능하다고 밝힌 최근의 연구 결과를 설명한다. - by마크a.팔머 -
가까운 미래에 전자기기에 대해서 납을 포함한 합금의 사용이 금지될 가능성이 크다. 일본에서는 사실상2001년까지 소비재 전자제품에 납을 사용하지 않는 솔더의 적용을 의무화한 소비재 전자제품에 대한 정책을 구체화하고 있다.
유럽에서는 2004년 까지 전기 및 전자 장비 폐기물(WEEE)에 관한 법령을 통과시킬가능성이 크다. 또한 이와 관련한 기술의 진보가 이루어지고 있고 무연 합금을 사용항 소비자 전자 제품들이 많이 생산되어 왔다.
IPC,전자 기기 커넥팅 산업 연합회도 앞으로 3년 동안 소비재 전자제품에 대해서 주석/납 합금을 제거하는 계획안을 수립했다.
미국 내에서는 무연 솔더 합금에 대한 기초적인 연구가 준비되어 왔었는데, 가장 주목할 만한 연구 프로젝트는 국립 산업 과학 센터에서 주도한 연구들이다. 이러한 연구(무연 솔더 프로젝트)중 초기 결과에서
추적된 적용 가능한 세 종류의 물질은 다음과 같다;저온 작동 소비재 어풀리케이션을 위한 Sn/Bi 공용합금,고온 작동 어풀리케이션을 위한 공용 Sn/Ag,Sn/Ag/Bi 합금이 그것이다.
최종 보고서에서는 '즉각적으로 적용할 수 있는 대체 합금이 없음'이 발표되었고,그 동안은 공용Sn/Bi가 공융 대체 합금으로 간주되어 왔었다.
환경문제에 대한 고려와 함께 자동차 및 항공 전자 기기에 적용 될 공융 용융주석/납 합금을 대체할 만한 물질도 고려 대상이었다.
Sn/Ag 및 Sn/Ag/Bi 합금보다 용융점이 훨씬 높았다.Sn/Ag/Bi 합금은 전자 제품 조립에 사용되기 충분한 액체 유동성과 기계적 특성을 가지고 있었으나 섭씨98℃에서 발생하는 이 3원 합금Sn/Ag/Bi의 문제점으로 인해 Sn/Ag/Cu에 대한 연구가 진행되었다. 마르코니 일렉트로닉스는 이 합금을 소비재 제품에 적용해 왔다.
이 세가지 합금과 이 합금들에 대란 변형은 섭씨 210℃ 이상에서 용융하기 시작한다.이러한 특성으로 리플로우 온도는 260℃ 이상이 되어야 한다.Sn/Zn및Sn/Zn/Bi합금들은 섭씨 200℃보다 낮은 온도에서 용융하기 때문에 이에 대한 연구가 진행중이다.
경제적인 이유로 Ag대신 Zn을 사용하는 추세도 있다.그러나 아연(Zn)이 산화되는 문제가 남아있으며 몇몇 실험적인 기술이 시도되었으나 아직도 원하는 정도의 결과를 얻지 못한 상태이다.산화를 막기위한 소량의 Bi를 사용하는 방법도 제시되었다. 어떤 대체 합금이 적용되던지,어떤 물질이 사용되던지 간에 실제로 대체 방법을 구현하기위해서는 필연적으로 부품,기판 마감처리,기판 및 패키지 물질,플럭스,솔더마스크에 대한 새로운 개발이 필요한 것이다. 이러한 것은 결코 쉽거나 비용이 들지 않는 일이 아니다.
따라서 제조 설비에 대한 악영향을 최소화 할수 있다는 이유로, 이러한 고온 용융 물질에 대한 저온 대체 공정기술이 각광 받고 있다.
환경에 대한 인식이 새로워 지면서부터 이 무연 솔더에 대한 개발이 활발해졌다.그러나 전자 산업계는 이와 유사한사례를 이미 겪은 바 있다;CFC 클리너에 대한 사용 규제가 바로 그것이다.1992년 이전에 플러스 잔여물질을 제거하기 위한 물질로서 산업계에서는 프레온 TSM 또는 111-트리클로로 에탄을 선호했었다.동시에 몬트리올 조약과 그 이후의 암스테르담 규정에서 1996년 1월부터 제조업에서 오존을 사용해서 화학물질을 제거하는 것을 금지하였다.
이 결과로 잔여물을 최소화하는 방법이 증가했고.곧바로 적용가능한 CFC을 대체하기 위한 클리너와 보다 적은 잔여물을 남기는 플럭스 또는 이 둘의 조합에 대한 연구에 초점이 맞춰졌다.이러한 노력에 대한 근본적인 이유는 기계설비에 대한 교체 비용의 최소화 때문이었다.
