전자제품에서 반도체 부품의 협피치화가 진행됨에 따라 PCB의 회로와 회로 사이의 간격 혹은 Hole과 Hole간의 목차 1.Migration 관련된 불량에는 어떤 것들이 있는가? 9.그림 17의 Hole 구조에서 어느 것이 CAF 발생 위험성이 가장 큰가? 이 글에서는 Ion Migration의 발생 메커니즘을 살펴보고 PCB의 원자재의 특성과 어떤 관계가 있고 습도, 외부 오염 및 인가전압 등 사용 환경에 따라 불량이 어떻게 증가하는지 살펴본다. 또한 현재 산업체에서 시행하고 있는 Test 방법과 Conformal Coating 등 불량 방지책을 고찰해 본다. 1. Migration 관련된 불량에는 어떤 것들이 있는가? 그림 1. Corrosion 및 Migration 발생
메커니즘 반응이 심해지면 Anode(+극)쪽 회로가 부식돼 끊어져 Open이 되고 Cathode(-극)쪽에서부터 성장한 Dendrite가 Anode에 닿게 되어 Short가 발생된다. 또한 그때 발생한 열로 인해 Short 부위가 타버린다. 2. Migration이 발생하려면 어떤 여건이 갖추어져야 하나? 그림 2. 전기화학적 불량 다이어그램 또한 Migration이 진행될 수 있는 ‘Conductive Path’라는 길이 열려있어야 한다. 그림 3. Migration에 영향을 미치는
요인 이 외에 원판의 종류에도 영향을 받으며 PCB 표면의 오염, Solder Mask 상태 및 Flux 잔사 등에도 영향을 받는다. 3. ECM과 CAF는 어떻게 다른가? 표 1. ECM과 CAF 비교
그림 4. Migration 결과 형성된 Dendrite(Source : KETI 홍원식) 그림 5. CAF에 의해 형성된 동 Filament(Source : Unknown)
그림 6. ECM 메커니즘 그림 7. Cu Ion Migration 다이어그램
그림 8. 솔더 마스크 Edge에 발생한 Cu Corrosion 또한 부식되며 형성된 Copper Ion들이 Solder Mask를 뚫고 나오는 모습을 볼 수가 있다. 그림 9. Conformal Coating 아래 발생한 Copper Corrosion 380 Volt의 고압이 걸린 제품에서 발생된 불량형태이다. Corrosion으로 인해 Open 불량이 발생됐다.
그림 10. CAF 발생 부위(Source : Nanya Plastic) PCB의 집적도가 증가해 Hole과 Hole간의 간격 좁아짐, 층간 두께 얇아짐 및 회로와 회로 간 간격 좁아짐에 따라 발생 가능성이 높아졌다. 이러한 Glass Fiber와
Epoxy 수지 간 Crack은 Drill 등 기계적인 충격과 열충격 시 Glass와 Epoxy와의 Dimension Mismatch에 의해 발생된다. 일반적으로 Glass의 팽창계수는 5.5이며 Epoxy 수지는 60ppm 정도이다. 그림 11. Glass Fiber와 Epoxy간 Crack이 발생돼 그 틈으로 Migration이 발생된 사례(Source : Unknown) 그림 12. CAF 불량이 발생되는 기타 원인(Source : DFR Solutions)
그림 13. Drill 쏠림에 의해 절연층이 감소된 상태에서 Drill 시 기계적인 충격 에 의해 Epoxy와 Glass의 접착이 깨져 CAF가 발생돼 제품이 타버린 사례(Source : Cisco)
그림 14. Toughener를 사용함으로써 Drill 시 발생한 Damage와 Wicking이 개선되는 사례(Source : Dow
Chemical) 물론 CAF 불량 방지에도 도움이 된다. 이러한 Toughener는 Dry Film Solder Mask나 ABF Film에서 사용되는데 원판에서는 어느 정도 사용하는지 파악 중이다. 6. Anti CAF 자재란 무엇인가 ? 7. 원판재질, BIas Voltage, Hole간 Pitch가 CAF 불량에 끼치는 영향은? 그림 15. Dicy와 Phenolic 경화제 원판의 Anti CAF 특성(Source : Isola)
8. 습도가 CAF 불량에 어느 정도 영향을 끼치는가? 그림 16. 전압과 습도의 Time to Failure에 대한 영향(Source : DFR Solutions) 그림 16-(b)는 온도/습도/Bias 변화에 따른 Time to Failure를 나타낸다. 9. 그림 17의 Hole 구조에서 어느 것이 CAF 발생 위험성이 가장 큰가? 그림 17. Hole 근처의 CAF Failures(Source : Naya Plastic)
그림 18. Glass Bundle옆의 CAF(Source : Unknown) 10. CAF Test 조건과 판정 기준은? 표 2. CAF Test 조건(Source: Samsung Electronics and Nelco)
그림 19. CAF Test 결과 Test 전과 완료 후 실온 조건에서 저항값이 올라가며, 원판특성이 나쁘거나 PCB가 불량일 때는 저항값이 떨어진다. 그림을 보면 Burnt가 발생했다는 것을 알 수 있는데 이 정도면 고객에 따라 합격이라 판단할 수도 있고 불합격이라 판단할 수 있다. 저항값이 떨어지지 않았으면 합격이라 볼 수도 있지만, 고객사의 기준에 따라 다른 부분이다. 11. CAF Test 전 precondition 조건은? 12. E-Corrosion Test와 SIR Test는? 표 3. E-Corrosion Test 조건 13. HAST란 무엇이며, 언제 하는가? 그림 20. Presser Cooker Test and HAST Test 조건
그림
21. HAST Test 결과
그림 22. Creep Corrosion vs ECM(Source : Dr.
Randy Scheller) 또한 오염물질(Ionic Contaminent)이 없어도 발생한다. 즉 Moisture, Sulphur, Silver만 있으면 발생하며 Bias 전압으로 발생되는 것이 아니기 때문에 방향성이 없다. Creep Corrosion은 Silver에서 잘 발생하지만 다른 Finish에서도 발생 가능성이 있다. 그림 23. Creep Corrosion과 Photos의 메커니즘 표 4. Creep Corrosion vs Dendrite vs CAF(Source : IST) 15.
Migration을 방지하기 위해 어떤 기술이 사용되는가? 표 5. Conformal Coating 재료(Source :
IPC-CC-830B)
그림 24. Conformal Coating을 위한 Spray Coater
그림 25. Dendrite 성장 시 플럭스 잔사의 역할(Source : CALCE)
그림 26. Conformal Coating 아래의 ECM 그림 26-(a)는 Conformal Coating이 PSR면에서 들떠있는 것이며, 그림 26-(b)는 회로 Edge의 PSR 두께가 얇아 동이 Corrosion되고 동이온이 빠져나간 모습을 나타내고 있다. 마지막으로 그림 26-(c)는 PSR과 Conformal Coating 사이 들뜬 면으로 Copper Migration이 진행된 모습을 나타낸다. 상기 불량의 발생 Mechanism은 그림 27과 같다. 그림 27. Conformal Coating 아래의 ECM 메커니즘 더불어 표 6은 상기 불량에 대한 Corrective Action을 정리한 것으로 참고하기 바란다. 표 6. ECM을 피하기 위한 Corrective Action 정리 결론 현재 산업 현장에선 CAF와 HAST Test를 하는데, 전자는 PCB의 경우고 후자는 Package 관련제품에서 시행하고 있다. 과거에는 E-Corrosion Test, Electrochemical Migration Test, SIR Test 등 여러 가지 Test를 했지만, 현재는 모든 Test가 CAF에 의해 통합되고 있다. CAF는 PCB 내부에서 Migration에 의해 발생되는 불량이지만 CAF Test 시 외부에 Comb이나 Dasy Chain 형태의 쿠폰을 만들어 표면의 ECM도 함께 Test한다. 이진호 기술위원 전자부품연구원 PCB산업혁신센터 |