스텝-컷 또는 할로우-그루브 방식의 핀 수정방법 제안       
최소 젖음 높이 100㎛

솔더 조인트에 대한 AOI의 성능에 있어서 웨터블 플랭크를 지닌 LF-BTC(lead-frame based bottom-termination component)의 젖음 높이의 영향을 조사하였다. 싱귤레이션 이후 핀 가장 자리의 일부에 도금이 남아 있을 수 있게 하는 스텝-컷(step-cut) 또는 할로우-그루브(hollow-groove) 타입의 변경과 같은 특정한 핀 수정을 통해 특정한 높이까지 안정적으로 젖어들게 할 수 있다. 서로 다른 검사 원리와 이미지 분석 알고리즘을 사용하는 서로 다른 브랜드의 AOI 시스템을 포함한 다양한 분석 결과, 불량유출 비율과 호출 오류 비율 모두가 낮아야 하는 고 신뢰성 전자제품의 대량 생산시스템에서 강력한 AOI를 가능하게 하기 위해 젖음성 측면에는 최소 젖음 높이가 100㎛가 되어야 한다는 것을 확인했다.
 

전자기기의 소형화, 생산비용 절감 추세에 따른 전기 및 열 성능에 대한 요구사항이 더욱 엄격해질수록 SON(small-outline no-lead), QFN(quad-flat no lead) 패키지 등과 같은 LF-BTC(lead-frame based bottom-termination component)의 사용이 늘어나고 있다. 그러나 높은 신뢰성이 필요한 애플리케이션에서 이들 패키지 사용을 주저시키는 중대한 방해요인이 존재한다. 핀의 가장자리 표면 상에 가시적인 납땜(toe) 필렛이 부족하다는 점이다. 포스트-패키지 어셈블리인 싱귤레이션 프로세스는 산화에 보호되지 않은 싱귤레이션 에지에서 베어 구리 리드프레임을 일반적으로 남겨두기 때문이다. 그래서 납땜 젖음이 쉽지 않고, 납땜 필렛(toe fillet)이 일반적으로 발생하지 않는다.
견고하게 젖어드는 싱귤레이션 엣지의 존재로 인해 솔더 접합부의 견고성이 높아지지만 이것만이 주요 이점은 아니다(열 사이클링 하에서 불량이 되는 사이클의 수는 일반적으로 아우터의 부재(가시적인 필렛)에서 약 25%까지 감소한다). 이들 부품들이 들어가기 시작한 높은 신뢰성이 필수적인 애플리케이션(예, 자동차 전장)의 대량 생산구조 작업자들은 AOI를 이용한 견고한 젖음 불량 검사가 가능하여 각 접촉면의 외부 에지에서 납땜 필렛이 보일 수 있다고 주장해 왔다. AOI를 이용한 솔더 조인트 무결성 검사 가능성은 X-Ray 검사 필요성을 피할 수 있다. X-Ray 검사기를 적용하려면, 솔더 접합부 X-Ray 이미지에서 간섭 효과를 회피하기 위해 트레이스 및 부품에 대한 일정한 영역 유지존이 필요하기 때문에 비용 추가와 레이아웃 제한이 더해져야 한다.  
패키지 공급 업체는 두 단계의 쏘잉(sawing) 혹은 전용 에칭 프로세스와 같은 싱귤레이션 프로세스 이후 단자 엣지 표면의 일부분에 도금이 남아있게 하는 다양한 핀 수정 설계를 통해 이러한 요구에 대응하고 있다. 그러나 일련의 생산 조건 하의 AOI 항목에서 이러한 핀 수정이 유용하게 사용되려면, AOI에서 젖어든 핀(우수한 솔더 접합)과 비-젖음 핀(결함 있는 솔더 접합)을 확실하게 구별하기 위해 핀 수정은 특정한 형상 요건을 충족시켜야만 한다. 전형적으로 어셈블리 관련 프로세스 변수도 고려하여 이러한 형상 요건을 본고에서 조사하였다. 대량 생산라인에서 LF-BTC의 강력한 AOI 검사가 가능한 형상 요건을 도출할 것이다.

서문

LF-BTC(Lead-frame based bottom-termination component)는 오늘날의 소비재 가전제품에 많이 편재해 있다. 이러한 구조의 부품들은 낮은 대량 생산비용, 적은 두께(< 1mm), 매우 콤팩트한 풋프린트 그리고 우수한 전기/열적 성능과 같은 다양한 이점들이 결합되어 있다. 패키지 사이즈는 대략 100개 I/O의 12mm×12mm에서부터 4개 I/O의 1mm×1mm 미만까지이며, 이들 패키지들은 마이크로컨트롤러, 컨버터, 브리지 드라이버 등과 같은 다양한 전기적 기능을 수용할 수 있다. PCB 및 스텐실 디자인에서 적절한 주의를 기울여야 한다는 점이 있지만, 이들 패키지는 또한 생산라인에서 매우 낮은 불량률을 나타내는 견실한 가공성을 지니고 있다.
이러한 유리한 특성들은 고신뢰성이 필수적인 애플리케이션에서의 활용 가능한 흥미로운 후보군이 되기에 충분했다. 특히, 소형화가 주요 설계 동력인 업종에서는 더욱 큰 관심을 기울이고 있다. 그러나 핀 엣지 표면상의 보이지 않는 솔더(toe) 필렛은 고신뢰성 애플리케이션에서 이들 패키지의 활용을 주저하는 주요 요인이 되었다. 포스트-패키지 어셈블리인 싱귤레이션 프로세스 즉, 공정을 거친 리드프레임 스트립으로부터 개별 디바이스로 쏘잉하거나 혹은 펀칭하는 프로세스는 전형적으로 싱귤레이션 에지에 베어 구리 리드프레임을 남긴다. 싱귤레이션 작업으로 인한 베어 구리는 산화로부터 보호받지 못한다. 그래서 솔더가 쉽게 젖어들지 않고, 솔더 필렛(toe fillet)이 일반적으로 생성되지 않는다. 보관 시간과 환경 조건 등과 같은 파라미터에 따라 toe에서 베어 구리의 젖음성이 핀의 90% 이상으로 발생할 수도 있다. 그러나 표준 대량 생산조건 하에서 베어 구리 표면의 견고한 젖음성은 보장되지 않는다. 실제로 연속적인 솔더 가능한 표면의 부재를 확인하는 J-STD-001에서는 LF-BTC 솔더 조인트에 대한 toe 필렛의 존재를 요구하지 않고 있다(J-STD001F의 7.5.15 Section 참조).

J-STD-001의 요구사항을 충족하는 우수한 솔더 조인트가 핀의 바닥면에서 형성될 수 있음에도 불구하고, 토우 필렛(toe fillet)은 부족할 수도 있다. 따라서 결함이 있는 솔더 조인트(젖음 불량 발생, 즉 핀이 솔더에 의해 젖어들지 않음)에서 우수한 핀 솔더 조인트를 구별하는 것이 불가능하다. 그림 1에서 그 예를 보여주고 있다. 스크랩핑 혹은 리웍하는 외측 필렛이 누락된 모든 부품을 스크랩핑 혹은 리웍하는 작업은 수용 가능한 옵션이 아니다. 부담하기 어려운 높은 비용이 초래될 수도 있기 때문이다. 충분히 않은 토우 필렛(toe fillet)은 일부 핀에서만 나타날 수 있다(상부 참조).
솔더 조인트 검사 목적으로, AOI를 대신해 전자동 X-Ray 검사기(AXI)를 사용할 수 있다. 그러나 X-Ray 검사가 가능하도록 전용 랜드 설계가 필요하고, 높은 생산량의 X-Ray 검사를 달성하기 위해서는 견고한 pass/fail 판정을 가로막는 X-선 이미지 중첩 현상을 피하기 위한 금기 영역(예, 반대편의 부품)의 존재를 일반적으로 요구한다. 따라서 AXI의 이용은 LF-BTC 부품의 크기라는 이점을 부분적으로 없애는 레이아웃 제한이 필요하다. 전기 테스트는 전기적인 연결상태를 확인하기 위해 사용될 수도 있으나, 많은 애플리케이션에서 모든 단자의 완벽한 전기 테스트가 불가능할 수도 있다. 더욱이 테스트가 수행되는 해당 온도에서 전기적 접촉은 우수한 솔더 조인트 생성을 보증하지 못한다. 솔더에 제대로 젖어있지 않은 핀임에도 불구하고 솔더가 잔존하여 핀 랜드 상에서 솔더와 전기적으로 접촉이 일어날 수 있기 때문이다. 온도가 변할 때, 디바이스 혹은 보드 휨은 전기적 불연속성을 초래할 수 있으며, 그로 인해 불량 현상이 나타날 수 있다.
검사 가능성을 감안한 설계이외에 추가적으로 고려해야 할 점은 신뢰성 측면의 설계이다. 솔더 조인트 견고성은 견고하게 젖어드는 싱귤레이션 엣지의 존재에 의해 증가한다. 열 사이클링 하에서 불량이 되는 사이클의 수는 외측 필렛의 부재의 경우에 일반적으로 약 25%까지 감소한다. 외측 필렛의 부재에 따른 신뢰성 감소는 열 사이클링 하에서 QFN 부품에 외측 필렛이 있는 경우와 없는 경우의 신뢰성을 비교한 실험 보고서에서 찾아볼 수 있다.
패키지 공급 업체는 앞서 언급한 이점들을 인지하고, 리드프레임 설계 개선 혹은 싱귤레이션 이후 외측 핀 일부 단자에 도금을 잔존시키는 것과 같은 방법으로 리드 수정을 가능하게 하는 싱귤레이션 프로세스로 개선하여 대응하였다. 이러한 핀 수정을 위한 다양한 접근방식이 대두되었으며, 하부에서 몇 가지를 논의할 것이다.

웨터블 플랭크(Wettable flank) 
기계식 싱귤레이션 프로세스 즉, 쏘잉 혹은 펀칭은 LF-BTC의 대량 생산에 요구되기 때문에, 이들 싱귤레이션 프로세스를 통해 생성된 리드프레임의 특정한 표면은 도금 없이 Cu로 구성될 것이다. 전착(electrodeposition)을 이용한 포스트-싱귤레이션 도금이 가능하지만, 특정 DFN(dual-flat no-lead) 패키지에서만 사용될 수 있다(실제로, 이들 디바이스는 모든 핀의 전기적 접촉이 가능하도록 도금할 때에 부분적으로만 싱귤레이트될 수 있다). 일반적으로 웨터블 플랭크(Wettable flank)을 생성하는 핵심은 컷팅 혹은 쏘잉의 플레인으로부터 플랭크의 일부분을 분리하여 두는 것이다. 이를 달성하기 위한 다양한 방법이 대두되었다. 본고에서 설명하는 솔더 조인트 검사 목적을 위한 다른 핀 수정을 사용할 가능성을 제외하지 않았지만, 다음 2개의 수정이 일반적으로 사용되는 예이다.

(i) 스텝-컷 리드프레임(step-cut leadframe)
그림 2에서 보는 바와 같이 스텝-컷 리드프레임은 핀 플랭크의 도금된 부분을 침범할 수 있다. 이러한 이유로 단지 부분 쏘잉(쏘잉 깊이와 관련하여) 작업의 애플리케이션을 통한 구리 단자의 끝 부분에 작은 계단 형상이 나타날 수 있다. 그 다름에 패키지 어셈블리, 몰드 그리고 경화 프로세스가 뒤 따른다. 싱귤레이션 이전의 최종 프로세스 단계는 솔더 가능한 표면 마감으로 노출된 구리 단자를 도금한다. 도금은 리플로우 솔더 접촉 프로세스 동안에 솔더 젖음을 용이하게 한다.

(ii) 할로우-그루브 리드프레임(Hollow-groove leadframe)
그림 3에서 나타내는 바와 같이, 구리 리드프레임 어레이의 화학 에칭 또는 스탬프 프로세스에 이어서, 접촉 영역 내의 바닥면을 마스크 처리하여 2차 화학 에칭 프로세스가 얕은 오목한 함몰부를 형성할 수 있게 한다(옴폭 들어가는). 최종 싱귤레이션 작업 동안 도금이 손상되지 않은 상태로 유지된다. 이 경우 싱귤레이션 프로세스는 쏘잉 혹은 펀칭 둘 중 하나를 이용할 수 있다.
앞서 언급한 형상들을 지닌 솔더 조인트의 SEM 이미지를 그림 4에서 보여주고 있다.

Toe 필렛의 검출에 기초하여 핀 젖음을 정확하게 평가하게 위해서는, 핀 엣지(플랭크)와 핀 바닥면 모두가 하나의 도금 단계에서 동일한 유형의 도금으로 증착되어야 한다는 점은 명확하다. 그렇지 않으면, toe 필렛의 검출은 핀 아래에서 또한 젖음이 발생했다는 결론을 이끌어 낼 수 없다.

자동 광학 솔더 조인트 검사(AOI) 

AOI 내의 pass/fail 판정 
솔더 조인트 AOI는 브리징, 시프트 또는 비스듬한 부품과 같은 잠재적인 솔더링 오류를 검사하기 위해 사용되는 솔더링 이후 표준화된 검사방식이다. 상이한 구조의 AOI 시스템이 시장에 존재하고 있지만, 모든 시스템의 검사방식은 비슷하다. 하나의 카메라 시스템 혹은 서로 다른 상태의 조명들로 서로 다른 방향에서 조사하는 카메라 시스템을 통해 획득된 솔더 조인트의 광학 그레이-스케일 또는 컬러 이미지는 색상, 그레이 값, 경도 등과 같은 이미지 특징을 정량화하는 화상해석방법의 대상으로 사용해 비교하는 방식이 일반적이다. 그런 후에 이러한 형상 값들은 특정 솔더 조인트에 대한 pass/fail 판정을 수행하기 위해 특정 임계 수치와 비교된다.
젖음 불량 검출 - 이상적으로 젖어든/젖어들지 않은 단자
SMD 부품의 핵심적인 검사 단계는 솔더에 의해 부품 단자의 적절한 젖음성 검출이며, 이하에서는 이 검사 단계에 초점을 두고 논의할 것이다. LF-BTC에 있어서, 이상적인 젖음성 및 비-젖음성 단자를 그림 5에서 보여주고 있다. 솔더 조인트의 이미지를 실제 솔더 조인트 모양과 일치시키고, 적용된 알고리즘(시스템의 총 에너지(솔더와 단자)를 최소화하여 솔더 표면 윤곽을 결정하는)을 통해 솔더 체적과 익히 알려진 솔더의 장력이 계산된다. 그림 5의 오른쪽 이미지는 AOI 시스템 내의 카메라에 의해 검출되는 각각의 솔더 조인트 모습이다. 이들 이미지를 얻기 위해, 광선추적 알고리즘(ray-tracing algorithm)이 사용되었다. 알고리즘에서는 카메라 위치(여기서는 일반 PCB의 반대 방향의 뷰잉(viewing)), 조명(여기서는 카메라 방향의 주광), 솔더의 표면 반사율이 고려되었다. 빛은 솔더 표면에서 반사되고, 에너지 최소화를 결정한다. 젖음과 비-젖음이 이상적인 경우, pass/fail 구분은 예를 들어 그림 5에서와 같이 검사 창에서 평균 회색 값을 결정함으로써 쉽게 구분할 수 있다.

대량 생산 체제에서, 이러한 자동 검사기는 호출 오류(즉, 불량 검출이 없더라도 검사기는 ‘fail’을 반복한다)가 매우 적어야만 한다. 호출 오류는 추가적인 폐기처리 비용(불량으로 판명되면 어셈블리 보드를 처분하는 비용) 혹은 AOI의 정확한 pass/fail 구분을 검증하기 위해 숙련된 작업자가 사후 검사를 실시해야 하는 추가적인 노력이 더해져야 한다(그림 6 참조). 수백 개의 부품과 수천 개의 솔더 조인트 그리고 어셈블리 당 불과 수십 초의 사이클 시간이 특징인 어셈블리 생산라인에서 AOI가 견고한 검사 방법으로 구축되기 위해서는 호출 오류 비율이 0.1% 미만이어야만 한다. 동시에 불량유출 비율(즉, 결함이 있더라도 검사기에서 ‘pass’로 인식)은 가능한 한 낮게 유지해야만 한다. 결국, 일반적으로 호출 오류 비율과 불량유출 비율 간의 트레이드-오프가 필요하다. 낮은 호출 오류 비율은 증가된 불량유출 비율을 초래할 것이고, 평가 임계 값만 조정하면 그 반대가 될 수 있다.

분명히 강력한 AOI의 경우, 결함이 있는 솔더 조인트는 양호한 솔더 조인트와 뚜렷하게 다르게 보일 것이다. ‘뚜렷하게 다르게 보인다’라는 개념은 다음과 같이 좀 더 기술적으로 바꾸어 말할 수 있다: 해당 검사 형상(즉, 그레이 값)의 경우, 검사 알고리즘은 양호한 솔더 조인트과 결함이 있는 솔더 조인트 양쪽에 대한 형상 값의 특정 분포를 재표시할 것이다. 이러한 분포는 부품 단자의 분산과 랜드 외형, 솔더 체적의 분산, 계측 등으로부터 나타난다(그림 7 참조). 매우 제한된 영역에서 분산이 오버랩될 경우에만 강력한 검사성능을 장담할 수 있다. 모든 오버랩은 호출 오류와 불량유출에서 필연적으로 발생하기 때문에, 이 비율은 pass/fail 임계 값의 설정에 따라 달라진다. 그림 7에서는 임계 값의 증가가 줄어든 불량유출 비율을 초래하지만, 호출 오류 비율이 늘어나는 그 반대의 경우에도 마찬가지이다.

젖음 결함 검출 - 부분적으로 젖어든 단자
LF-BTC의 경우, 그림 5의 상부 그림에서 묘사된 것 같이, 거의 완전하게 젖어든 플랭크의 이상적인 모양을 일반적으로 얻을 수 없다. 왜냐하면 앞서 논의된 핀 수정이 단자 높이(이하,  J-STD-001F에 따라 ‘H’로 표시)보다 작은 특정한 높이(h)까지 납땜 젖음을 가능하게 하기 때문이다. 분명히, 적절하게 젖어든 단자에서는 toe 필렛이 존재하지 않을 것이고, 따라서 AOI를 통한 자체 검출이 불가능하게 될 것이다(그림 1 참조). 이는 강력한 AOI 검사를 가능하게 하는 임계 값 ‘ht’를 나타내는 ‘0’과 ‘H’ 사이의 h의 값이 존재할 것임을 의미한다. ‘ht’ 값의 실험 평가는 매우 번거로울 수 있다. 서로 다른 높이의 부분적으로 젖어든 단자를 가지고 있는 부품의 가용성이 필요하기 때문이다. 이러한 부품들이 가용될 수 있다고 하더라도, 젖음 높이 결과는 핀 측면에서 베어 구리 에어리어의 젖음이 무작위적으로 발생하는 것에 영향을 받을 것이다. 그래서 젖음 높이의 정밀 제어는 불가능하다.

다행히도 대제 가능한 방법이 존재한다. 솔더 조인트의 표면 윤곽 계산을 위해 앞서 설명한 알고리즘과 이미지 계산을 위한 광선추적 알고리즘(ray-tracing algorithm)을 사용하면 AOI 시스템 내의 카메라로 그들을 얻을 수 있을 것이다. 젖음 높이 ‘h’의 영향뿐만 아니라 솔더 체적과 같은 또 다른 관련 파라미터의 영향은 쉽게 탐구될 수 있다. 통계적인 평가를 복잡하게 하는 제어할 수 없는 프로세스 변수를 대상으로 하는 비용과 시간이 소모되는 실험 조사를 참조할 필요가 없기 때문이다.
양쪽 솔더 조인트의 형상뿐만 아니라 AOI 이미지를 매칭하는 매우 높은 등급의 정도(accuracy )는 논의된 시연을 통해 얻을 수 있다. 그림 8에서는 서로 다른 브랜드의 AOI 시스템들이 시연한 이미지와 실제 이미지를 비교하여 보여주고 있다.
젖음 높이(h)의 영향에 대한 이러한 연산 결과를 그림 9에 모았다. 그림 9에서는 실제 솔더 조인트의 일부 예시적 이미지뿐만 아니라 그레이-스케일 카메라를 통한 해당 AOI 이미지를 모두를 보여주고 있다(여기에서는 일반 PCB의 표면 반대 방향의 뷰잉(viewing)). 이렇게 연산된 이미지(가능한 현실감을 높이기 위해 노이즈가 추가됨)는 형상 값을 결정하기 위해 각 AOI 시스템의 이미지 분석 소프트웨어에 제공된다.

2개 브랜드의 AOI 시스템에서의 이들 결과를 그림 10에서 보여주고 있다. AOI 브랜드 A는 그레이-스케일 카메라와 서로 다른 단색조명(monochromatic illumination)을 사용하고 있으며, 브랜드 B는 컬러 카메라와 다른 색상의 조명을 사용하고 있다. 각각 젖음 높이의 경우, 이미지-분석 알고리즘을 통해 획득한 특정 형상 값에 해당하는 각 데이터 포인트가 위치한 곳에서 데이터 포인트의 클라우드를 얻었다. 분산은 실제 프로세스 분산을 나타내는 솔더 조인트 형상의 반복적인 이미지 분석 결과이다. 실제 프로세스 분산은 솔더 체적, 형상 등의 변수로 인해 어셈블리 검사에서 발생할 것이다.
Pass/fail 구분을 위한 임계 형상 값은 충분히 낮은 불량유출 비율이 달성되도록 설정되어야만 한다. 이러한 임계 값의 경우, 100㎛의 젖음 높이는 호출 오류에서 이미 상당 부분을 차지하고 있다(75% 초과). 즉, 실제 어셈블리에서 부품의 실제 젖음 높이가 100㎛ 이상이어야 한다. 실제로, 이와 유사한 분석은 오차를 고려하더라도 100㎛ 미만의 젖음 높이는 제외되어야 한다고 제안하고 있다. 즉, 100㎛은 절대적인 최소 젖음 높이를 의미한다. 서로 다른 브랜드의 2개의 AOI 시스템의 매우 유사한 결과는 최소 젖음 높이 평가의 일반적인 타당성을 분명하게 보여준다. 100㎛ 이하의 젖음 높이(h)에서는 조명과 이미지 검출 방법에 관계없이 솔더 조인트의 양호 및 불량을 구분하기 어렵게 한다.
대량 생산시스템에서의 첫 번째 부분은 연산 평가의 정확성을 확인하는 것이다. 불량 유출이 없으면서 호출 오류 비율(<400ppm)이 낮은 설정은 일정 부분에서 이미 확인되어 왔으며, 보다 확실히 AOI 성능을 검증하기 위해 100% X-Ray 검사기에 의해 뒷받침되어 왔다.

 결론

솔더 조인트에 대한 AOI의 성능에 있어서 웨터블 플랭크를 지닌 LF-BTC의 젖음 높이의 영향을 조사하였다. 싱귤레이션 이후 핀 가장 자리의 일부에 도금이 남아 있을 수 있게 하는 스텝-컷(step-cut) 또는 hollow-groove 타입의 변경과 같은 특정한 핀 수정을 통해 특정한 높이까지 안정적으로 젖어들게 할 수 있다. AOI 성능에 젖음 높이가 미치는 영향에 대한 실험적 평가는 불가능하지 않지만 상당히 번거롭다. 시뮬레이션 기반 접근 방식은 AOI 성능 평가를 위한 철저하고 효율적인 도구가 될 것이다.
서로 다른 검사 원리와 이미지 분석 알고리즘을 사용하는 서로 다른 브랜드의 AOI 시스템을 포함한 다양한 분석 결과, 불량유출 비율과 호출 오류 비율 모두가 낮아야 하는 고 신뢰성 전자제품의 대량 생산시스템에서 강력한 AOI를 가능하게 하기 위해 젖음성 측면에는 최소 젖음 높이가 100㎛가 되어야 한다는 것을 확인했다.