개요: 최근 유럽연합(EU)에서는 유해물질 사용 제한 지침(RoHS)을 통해 전기 및 전자 부품에서 납(Pb)의 사용을 금지하고 있다. 이러한 규정으로 인해 조립 공정 시 납을 사용하지 않아야 한다(Pb-free). DS2502 플립 칩 다이는 RoHS 규정에서 제외되지만, Pb-free 리플로우 공정에서 성공적으로 조립되고 있다. 이 애플리케이션 노트에서는 사용되는 Pb-free 조립 공정 및 조립 후 거치는 신뢰성 테스트(reliability stress)에 대해 자세히 설명한다. 테스트 데이터를 바탕으로 DS2502 플립 칩 다이가 본문에서 제공된 파라미터를 사용하여 Pb-Free 리플로우 조립 공정에 사용하기 적합하다는 결론을 내릴 수 있다.
머리말
유럽연합(EU)의 최근 규정은 전기 및 전자 부품에서 납(Pb)의 사용을 제한하고 있다. 이 규정의 공식 명칭은 Directive 2002/95/EC이지만, 흔히 유해물질 사용 제한 지침(RoHS)으로 알려져 있다. RoHS 지침과 예외 항목이 수록된 부록(5 페이지 참조)이 포함되어 있다. 부록의 7항은 "고온에서 용융하는 납땜에 사용되는 납(즉, 85% 이상의 납이 함유된 주석-납 납땜 합금)"이라고 명시하고 있다. 7항에 따라 보통 "플립 칩"으로 알려진 Maxim의 범프 기술은 높은 녹는점(95% Pb)과 솔더 범프 구성으로 RoHS에서 제외된다. DS2502에 대한 위험물질 정보는 부록 A에 나와 있다.
납이 환경에 미치는 영향
미국에서는 1998년, 전자제품 솔더링에 약 10,900톤의 납이 사용되었다. 이 납은 사실상 다른 전자 폐기물과 함께 쓰레기 매립장으로 보내진다. 2006년에 4백6십만 톤이 넘는 전자 폐기물이 매립장에서 처리되었다. 솔더링 전자 부품에 소비되는 납과 폐기물로 최종 파괴되는 납은 RoHS 지침이 널리 시행될 경우 줄어들 수 있다.
RoHS 지침 준수를 위해 많은 제조 공장들은 Pb-free 조립 공정으로 이동했다. 이 조립 공정을 통해 매립장에서 처리되는 납량을 줄이고 궁극적으로는 환경 보호에 일조할 수 있다.
RoHS 지침으로 인해 많은 조립 공정이 Pb-free 리플로우 공정에서 Pb-free 솔더를 사용해야만 한다. 플립 칩 다이는 RoHS 지침에서 제외되더라도 Maxim은 250°C 피크 리플로우 온도 조립 공정을 통해 396개 이상의 플립 칩을 조립하였다. 조립 후 플립 칩들은 업계 표준 신뢰성 테스트를 거친다. DS2502 플립 칩 다이는 치명적인 불량은 단 한 건도 없이 성공적으로 신뢰성 테스트를 통과했다. 본문에서 사용된 리플로우 공정과 관련 신뢰성 테스트에 대해 설명하고 있다.
Pb-free, 보드 조립 리플로우 공정
DS2502 플립 칩 보드는 170°C 이상의 Tg에서 고온의 FR4 PCB를 사용하여 조립되었다. 이 보드에 대한 CAD 도면은 부록 B에 있다. 플립 칩은 Indium Corporation of America®의 Indium5.1 Pb-Free 솔더 페이스트를 사용하여 부착되었다(Indium5.1LS 제품 데이터 시트 참조). DS2502 보드는 조립을 위해 5-zone BTU 모델 SSA 70 리플로우 오븐을 통해 다음 공정으로 보내졌다. 오븐의 컨베이어는 분당 25인치씩, Zone 1 ~ 5는 각각 185°C, 200°C, 215°C, 270°C, 300°C로 설정되었다. 피크 리플로우 온도는 250°C이다. 리플로우 프로파일은 아래의 그림 1 및 부록 C에서 볼 수 있다.
그림 1. DS2502 리플로우 프로파일
DS2502 신뢰성 테스트
조립된 396개 보드는 Pb-free 조립 공정 후 업계 표준 신뢰성 테스트를 거쳤다. 이 테스트에는 동작 수명, 저장 수명, 온도 사이클, 온도 습도 바이어스 및 비편향 습도 저항이 포함된다. DS2502 플립 칩 다이는 모든 테스트를 완료한 후 치명적 불량 발견되지 않았다. 수행된 모든 테스트 및 결과에 대한 신뢰성 보고서는 온라인에서 확인할 수 있다.
요약
Maxim의 DS2502 플립 칩 다이는 RoHS 부록 7항에 명시된 대로 RoHS 지침에서 면제된다. 그러나 환경의 중요성을 고려하여 이 다이는 Pb-free 리플로우 조립 공정을 이용하여 조립할 수도 있다. Maxim은 250°C 피크 리플로우 온도 조립 공정을 통해 396개가 넘는 플립 칩 보드를 이미 조립하였다. 조립 후 보드는 업계 표준 신뢰성 테스트를 거쳤다. DS2502 플립 칩 다이는 치명적 불량률이 제로였으며, 신뢰성 평가를 통과했다. 따라서, DS2502 플립 칩 다이는 본문에 제시된 파라미터를 사용하여 Pb-free 리플로우 조립 공정에 사용하기에 적합하다고 볼 수 있다.
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