나는 여전히 나로 하여금 표면 마감 처리를 싫어하게 만든 첫 번째 보드를 기억하고 있다. 고객사의 미세 피치 BGA 레이아웃 — 0.5 mm 피치 네트워킹 ASIC 주변에 0402 패시브 부품들이 고리 모양으로 배치된 설계 — 가 SMT 조립 공정을 거쳐 돌아왔다. 그러나 전체 패널의 14%가 접합 불량을 일으켰다. 모든 결함은 동일한 위치에서 발생했는데, 즉 0.3 mm 간격으로 설계된 BGA 패드 사이에 솔더 브리지가 형성된 것이다. X선 사진을 보면 마치 누군가 전체 BGA 영역 위에 솔더를 흘려부은 듯한 모습이었다.
보드 제조사의 첫 번째 반응은 스텐실 탓이라고 여겼다. 그다음에는 솔더 페이스트, 그리고 리플로우 공정을 의심했다. 우리는 이 모든 요소를 점검했고, 모두 완벽했다.
그러던 중 누군가 주문 당시 아무도 묻지 않았던 질문을 던졌다: 과연 표면 코팅은 무엇인가? ? 해결책은 HASL -- 핫에어 솔더링 공정이었다. 저비용, 고속이었지만 이 기판에는 완전히 부적합했다. 고객사는 마감 처리 비용을 기판당 0.11달러 절감했으나, 해당 생산 라운드에서의 재작업 및 폐기 비용은 단순히 1만 9천 달러 미만이었다.
파인피치 기판에서 HASL이 실패하는 이유를 이해하려면 이 공정을 알아야 한다. 베어 보드는 액체 상태의 솔더 용기에 담그게 되는데, 대부분의 현대 팹에서는 납프리 SAC305 솔더를 사용한다. 그런 다음 핫에어 나이프를 통과시켜 표면의 과잉 솔더를 불어내는 방식이다. 목표는 노출된 모든 구리 패드 위에 얇고 균일한 코팅을 형성하는 것이다.
그것이 이론상의 개념이다. 실제 물리적 현상은 훨씬 덜 협조적이다.
HASL 두께 단일 기판 전체에서 매우 다양함. 패드 형상, 기판 방향, 에어 블레이드의 충격 각도에 따라 납 도금층 두께는 1마이크론에서 40마이크론까지 달라질 수 있음. 일부 패드는 거의 평탄하게 마무리되며, 다른 패드는 눈에 띄는 납 돔 형태로 마무리됨. 이는 정밀 제조 시설에서는 문제가 되지 않음—이는 공정 자체의 근본적인 특성임. 전 세계 모든 HASL 기판이 이 특성을 가짐.
1mm 패드와 넓은 간격을 가진 조잡한 기판에서는 인접 패드 간 20마이크론의 높이 차이가 무의미함. 솔더 마스크가 제 기능을 하며, 부품 크기도 크고, 모든 것이 정상 작동함.
책상 위에 두거나 미세 피치 BGA 영향을 살펴보면, 수치는 다양한 이야기를 전달한다. 0.5 mm 피치 BGA의 패드 크기는 약 0.25 mm이다. 소비재 및 산업용 제품에서 훨씬 흔히 쓰이는 0.4 mm 피치 BGA의 경우, 패드 크기는 약 0.2 mm에 가깝다. 이제 계산을 해 보자: 200 마이크론 크기의 패드 위에 25–40 마이크론 높이의 솔더 돔이 형성되면, 패드 표면 높이의 변동 폭은 12–20%에 달한다. 단일 BGA 아래 수백 개의 패드 전체를 고려하면, 착륙 면이 아니라 작은 산맥처럼 울퉁불퉁한 표면이 만들어진다.
BGA 솔더 구체는 언덕을 무시하지 않는다. 이들은 평탄한 면을 필요로 한다.
불규칙한 HASL 표면은 전통적인 두 가지 BGA 결함을 유발한다: 솔더 연결 이며 단락된 회로 이 둘은 반대처럼 보이지만, 같은 근원을 공유한다—볼이 설계 시 예상된 위치에 더 이상 정확히 착지하지 않기 때문이다.
솔더 브리징은 가장자리에서 발생한다. hASL 돔이 가장 높은 곳에서는 납땜층이 패드의 명목상 경계를 가로질러 측면으로 확장된다. 0.3mm 간격에서는 이 정도 확장만으로도 주변 패드 사이의 간격을 상당히 줄일 수 있다. BGA 볼이 리플로우될 때 납땜 페이스트 납땜이 녹으면 HASL 마감층에서 추가된 납땜과 좁아진 간격이 함께 작용해 브리지가 형성되기 쉬운 조건이 된다. 납땜이 심하게 어긋날 필요는 없으며, 코팅으로 이미 좁아진 틈새를 단지 가로질러 이동하기만 하면 된다.
회로 개방 결함은 정반대 극단에서 발생한다. BGA 패키지의 솔더 볼은 공급업체에서 출하될 때 수 마이크로미터 이내로 공면을 이룹니다. 기판의 패드도 공면을 이루어야 하며, 이것이 '랜드 패턴'이라는 용어에서 '랜드'가 갖는 전부의 의미입니다. 일부 패드가 인접한 패드보다 30마이크로미터 높게 위치해 있을 경우, BGA 볼이 위치 설정 및 리플로우 과정에서 먼저 높은 패드에 접촉하게 됩니다. 낮은 패드는 약한 접합, 부분적 접합, 혹은 아예 접합되지 않는 상태로 남을 수 있습니다. 이러한 결함은 간단한 시각 검사에서는 통과하지만, 이후 기능 테스트 단계에서 주기적으로 문제가 드러나거나, 더 나쁜 경우 현장에서 수 개월 후에야 발견됩니다.
그 외에도 제3의, 덜 눈에 띄는 문제도 존재합니다. 용접 페이스트 인쇄 이는 평탄한 표면을 전제로 합니다. 스텐실 개구부는 각 패드 위에 정확한 양의 페이스트를 도포하도록 설계되어 있습니다. 그러나 HASL 돔 표면에서는 페이스트가 고르지 않게 퍼지고, 상부에서는 얇아지며 측면에서는 뭉쳐집니다. 브리징이 발생하지 않는 기판이라도 접합 품질이 불균일해질 수 있습니다. 솔더 접합 bGA 전반에 걸친 볼륨 — 이는 향후 무효화 및 무결성 문제를 야기함.
누구도 기판을 개발하면서 "저는 솔더 브리지가 좀 생겼으면 좋겠습니다."라고 말하지 않는다. HASL은 세 가지 이유로 채택되며, 그 모든 이유는 쉽게 이해할 수 있다.
비용 hASL은 제조 과정에서 가장 비용 효율적인 표면 코팅이며, 대량 생산 시 ENIG(electroless nickel immersion gold) 대비 단위 기판당 가격 차이가 커진다. ENIG 세밀한 피치 부품이 없는 기판이라면 이러한 비용 절감은 타당하다. 문제는 동일한 가격 논리가 BGA 하나만 포함된 기판에도 적용될 때 발생한다. 0.4 mm 피치 부품 하나만으로도 전체 기판에 대한 HASL 사용이 무효화되지만, 조달 결정 과정에서는 이 연결고리를 항상 인식하지 못한다.
익숙함 . HASL은 사실 수년 전부터 사용되어 왔습니다. 오래된 엔지니어들과 조달 팀은 지금까지 제작한 모든 기판에 이를 적용해 왔으며, 그 어떤 문제도 발생하지 않았습니다. 그러나 그들이 항상 인지하지 못하는 점은, 과거의 설계가 0.8 mm 또는 1.0 mm 피치 부품을 기준으로 했다는 사실입니다. 산업 전반의 표준 피치는 지난 5년간 크게 줄어들었고, 이전 기판에서 잘 작동하던 마감 처리 방식이 현재에는 적용되지 않습니다.
공장 기본 설정 . 이것이 저를 가장 좌절하게 만드는 경우입니다. 고객이 코팅 방식을 명시하지 않을 때, 많은 기판 제조사가 자사에서 가장 비용이 적게 들고 생산 속도가 빠른 라인인 HASL을 기본으로 설정합니다. 주문 시 서페이스 핀иш 항목이 공백으로 남겨지고, HASL이 자동으로 적용됩니다. 그런데 누구도 해당 기판에 파인피치 부품이 포함되어 있는지 확인하지 않습니다. 고객은 최초 조립 작업에서야 이 문제를 발견하게 됩니다.
여기 제시된 조언은 논란의 여지가 없으며, 모든 주요 인쇄회로기판 제조업체 및 표준 문서가 동일한 내용을 명시하고 있다. 미세 피치 BGA 실장 (0.5mm 피치 이하)의 경우, ENIG 는 전통적인 선택이다. 니켈 층(보통 3~6마이크로미터)은 연쇄 반응에 의해 도금되므로, 핫에어로 분사하는 방식이 아니라 패드 형상에 원자 단위로 정확히 부합한다. 침지 금(0.05~0.1마이크로미터)은 니켈을 보호하고 평탄하며 납땜 가능한 표면을 제공한다. 그 결과: 패드 공면도 가 마이크로미터 단위로 측정되며, 수십 마이크로미터 단위가 아니다.
오스프 -- 자연스러운 납땜성 화학 처리법--은 평탄하고 저비용의 대안이다. 유기 필름 두께는 단지 0.2~0.5마이크로미터로, 패드 높이를 전혀 변화시키지 않는다. 그러나 타협점도 분명하다: OSP는 저장 기간이 짧다(보통 6~12개월), 신중한 취급이 필요하며, 초기 리플로우 과정에서 필름이 소멸하여 순수 구리 표면이 노출된다.
HASL이 여전히 적절한 전화 통화가 되는 상황이 있습니다: 홀-스루 중심의 기판, 거친 피치 설계, 그리고 미세 특징의 일관성보다 다수의 리플로우 사이클과 긴 보관 기간이 더 중요한 제품들입니다. 핵심은 실제 부품 구성에 근거해 의도적으로 그 선택을 내리는 것입니다—기본값에 따라 양보하는 것이 아닙니다.
숫자를 나란히 놓고 비교해 봅시다. 바로 여기서 진정한 선택이 이루어집니다.
5,000개 기판 생산 시, 그 금액은 약 500달러에서 2,500달러 사이입니다. 의미 있는 수치이긴 하나, 이후 발생하는 금액에 비하면 작습니다.
단일 BGA 솔더 브리지 결함이 검사 과정에서 놓치면 최종 제품에 치명적입니다. 제가 이 짧은 기사에서 언급한 14%의 패널 불량률은 리워크 인건비, 교체 부품비, 긴급 운송비, 생산 능력 상실 비용을 초래합니다. 해당 고객 사례에서는 HASL 선택으로 인한 절감액이 주문당 약 550달러였지만, 총 비용은 1만 9천 달러였습니다. 이 비율은 양산 규모가 커질수록 개선되지 않으며, 오히려 악화됩니다. 왜냐하면 현장에서의 결함은 제품 출하 후에야 드러나기 때문입니다.
당신이 PCB 표면 코팅 방식을 지정하고 설계에 미세 피치 BGA가 포함되어 있다면, 기판 제조사에 한 가지 질문을 해 보세요: '이 마감 처리 방식에서 패드 공면성 사양은 어떻게 되나요?' 그들이 구체적인 수치로 대답하지 못하거나, '공기 블레이드가 어디에 닿았느냐에 따라 달라집니다'라고 답한다면, 이미 당신은 정답을 얻은 셈입니다.
평탄한 표면은 BGA 기판에서 고급 사양이 아닙니다. 그것은 전부입니다.
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