BGA 납땜 결함: PCB X선 검사 기술 및 리웍

소개

기술의 지속적인 발전으로 인해 전자 기기는 더 스마트하고, 더 빠르며, 더욱 소형화된 방향으로 나아가고 있습니다. 이러한 제품에 대한 수요는 고밀도 기술의 개발을 촉진하였으며, 이는 빠르게 조립이 가능하고 현대 회로의 증가하는 복잡성에 신뢰성 있게 접속할 수 있습니다. 볼 그리드 어레이(BGA) 장치는 회로 밀도를 극대화하고 PCB 어셈블리에서 성능을 향상시킬 수 있는 능력 덕분에 핵심 솔루션으로 부상하였습니다.

현대의 전자 제조 분야에서는 BGA 부품이 널리 채택되고 있습니다. 이 기술은 스마트폰 및 게임 기기와 같은 소비자 전자 제품은 물론 항공우주 및 의료 전자와 같은 고급 분야에서도 활용되고 있습니다. 제조 기업들은 BGA 부품의 납땜 기술을 숙지하고, X선 검사 장비를 운영할 수 있는 역량을 갖추며, BGA 부품에 대한 고도화된 리웍(rework) 기술에 능숙해야 합니다. 이러한 전문 기술들은 프로토타입 개발 단계에서 매우 중요한 가치를 지닐 뿐 아니라 대량 생산 공정에서도 필수적입니다. 이러한 기술 체계를 종합적으로 습득함으로써 최종 제품이 성능 기준을 충족하도록 보장할 수 있습니다.

볼 그리드 어레이(Ball Grid Array, Bga ) 납땜이란?

볼 그리드 어레이: 구조와 회로 조립에의 기여

볼 그리드 어레이(BGA)는 납 볼이 BGA 소자 하부의 격자 형태로 배열된 집적 회로 패키징 기술입니다. 조립 공정 중에 이러한 볼들이 녹아서 패키지와 PCB 사이에 기계적 및 전기적 연결을 형성합니다. 기존 패키지와 달리 BGA 납 접합부는 숨겨져 있어 단순한 육안 검사가 불가능하며 X선 검사와 같은 고급 검사 기술에 대한 의존도가 높아집니다.

BGA를 PCB에 납땜하는 방법

• 1단계: 납 볼과 정확히 일치하도록 PCB 핀프린트 패드를 설계합니다.
• 2단계: 스텐실을 사용하여 각 패드에 적절한 양의 납 페이스트를 PCB에 도포합니다.
• 단계 3: 각 볼이 해당 패드와 정렬되도록 BGA 부품을 배치합니다.
• 4단계: PCB 어셈블리를 리플로우 오븐을 통과시켜 회로를 가열하면, 그리드 내 볼들이 충분히 녹아 BGA와 PCB 사이에 연결부를 형성합니다.
• 5단계: 냉각 후, BGA 납 볼은 다시 응고되어 신뢰할 수 있는 접합부를 생성합니다.

볼 그리드 어레이 납땜 접합 구조

BGA 소자의 개발 및 특징

볼 그리드 어레이 기술의 발전은 전자 어셈블리에서 I/O 밀도를 높이고 성능을 향상시킬 필요성에 의해 촉진되었다. 패키지 내부의 집적 회로가 더 많은 열을 발생시키고 더욱 견고한 연결이 요구됨에 따라 BGA는 핵심적인 기술 발전이 되었다.

BGA의 주요 특징:

• 격자 형태로 배열됨: 패키지 하단에 행과 열 형태로 배치된 납 볼은 핀 밀도를 증가시킨다.
• 향상된 전기 성능: 짧고 직접적인 납 연결은 저항과 인덕턴스를 최소화하여 고속 회로에서 중요하다.
• 열 관리: 넓은 패드 면적과 격자 분포는 집적 회로에서 발생하는 열이 더욱 효과적으로 방출되도록 한다.
• 고밀도 PCB 호환성: BGA는 미세한 볼 피치를 지원하므로 고밀도 PCB 어셈블리에 유리하다.
• 신뢰성 향상: 기하학적 구조와 형태가 응력을 균일하게 분산시켜 납 접합부의 피로 위험을 줄인다.

왜 BGA가 현대 회로 기판 설계를 주도하는가

BGA와 PCB 협업 구조로의 전환은 회로 기판의 크기를 키우지 않으면서도 고속 성능, 더 높은 전력 처리 능력 및 더 많은 연결을 지원할 수 있는 장치에 대한 필요성에서 비롯되었다. 이러한 기술적 도약으로 최신 세대의 전자제품에서는 거의 모든 프로세서, FPGA 및 고속 메모리가 BGA IC 형태로 패키징되고 있다.

BGA 납땜 기술

BGA 납땜 기술 개요

BGA 패키지 납땜은 기존 리드가 있는 패키지보다 훨씬 더 높은 기술적 요구사항을 필요로 한다. 이 공정은 납볼 배치의 완전한 일관성을 목표로 하며, 정밀한 가열 온도 제어를 달성하는 것이 핵심 목표이다. 궁극적으로는 깔끔하고 공극이 없는 납땜 접합부를 형성해야 한다.

납땜 기술에는 다음이 포함된다:

• 리플로우 공정: 표준적인 방법으로, 리플로우 오븐을 사용하여 패키지와 PCB 사이에 위치한 납볼을 전반적으로 또는 국소적으로 가열하고 녹이는 방식이다.
• 수동 납땜: BGA 리웍 또는 프로토타입 조립에 주로 사용되며, 핫에어 도구를 사용하여 BGA 부품을 국부적으로 가열하는 방식입니다.
• 핫에어 리웍 스테이션 사용: 리웍/수리 시, 제어된 핫에어 및/또는 IR 열원을 사용해 불량난 BGA 부품 주변을 가열하여 제거, 교체 또는 리플로우 작업을 수행합니다.
• 정렬 및 장착: 피크앤플레이스 장비 또는 수동 현미경을 사용해 납 볼을 PCB의 대응 패드 위에 정확하게 정렬합니다.

중요한 BGA 납땜 변수

완벽한 BGA 납땜을 위한 팁

• 부착 전 항상 솔더 페이스트 도포 상태를 점검하세요. 한 곳이라도 누락되면 해당 위치의 납땜 조인트가 형성되지 않습니다.
• 가열 중 PCB를 신중하게 지지하여 휨이 생기지 않도록 하세요. 휨은 불균일한 납땜 조인트 형성을 유발합니다.
• 프로토타입 및 BGA 리웍 작업 시, 소중한 어셈블리에 적용하기 전에 폐기용 PCB에서 시작하여 BGA 부품의 국부적 가열을 완벽하게 익히는 것이 좋습니다.

납땜 조인트 검사 기술 및 검사 장비

검사가 중요한 이유

BGA 납땜 조인트는 패키지 아래에 숨겨져 있기 때문에 시각적 단서만으로 결함을 식별하는 것은 거의 불가능합니다. 따라서 X선 검사와 더불어 기타 검사 기술(광학 검사, 전기적 테스트)이 공정의 필수적인 부분이 됩니다.

BGA를 위한 검사 기술

1. 시각 검사:

• 부품 장착, 정렬 및 패키지 주변부 볼 관찰에 사용됨.

2. 광학 검사(AOI):

• 자동 광학 검사로 패키지 가장자리에서 부품 위치 오류, 적절하지 않은 스탠드오프 및 일부 브리지 결함을 감지합니다.

3. X-레이 검사:

• 수동 및 자동 엑스선 검사(AXI) 모두 BGA 아래에 숨겨진 납땜 접합부를 검사할 수 있습니다. 엑스선 영상은 납땜 볼 결함, 브리징, 공극, 개방 회로, 헤드인필로우(head-in-pillow) 등을 검사하는 데 사용됩니다.

4. 전기적 테스트:

• 인서킷 및 플라잉 프로브 테스트를 통해 BGA와 PCB 사이의 모든 연결 상태의 연속성을 확인합니다.

5. 기타 검사 방법:

• 음향 및 적외선(IR) 검사 시스템도 박리, 공극, 열 축적과 같은 고급 결함 검출에 사용됩니다.

검사 시스템 비교

고급 검사 기술

검사 기술의 발전으로 인해 실시간 3D AXI, 고품질 엑스선 시스템, 리플로우 중 온도가 너무 낮을 때나 납 허용량 부족과 같은 결함이 발생할 가능성이 있을 때 자동으로 경고하는 소프트웨어가 등장하게 되었습니다.

고품질 납 봉접 검사를 위한 팁

• 브리징, 공극, 개방 등의 정확한 탐지를 위해 엑스선 검사 장비를 정기적으로 교정하여 최적의 이미지 선명도를 유지하세요.
• 대량 생산에서는 자동 엑스선 검사(AXI)를 사용하세요. 이는 조립 프로세스를 가속화하면서도 철저한 검사를 유지합니다.
• 시제품의 경우 엑스선 검사와 수동 광학 검사를 병행하세요. 인간의 눈은 때때로 자동화된 시스템이 놓칠 수 있는 미묘한 결함을 감지할 수 있습니다.
• BGA 소자가 제어하는 각 회로가 정지 상태뿐 아니라 부하 하에서도 제대로 작동하는지 확인하기 위해 엑스선 검사와 전기적 테스트 방법을 함께 사용하세요.

흔한 BGA 결함 및 예방 방법

우수한 PCB 및 BGA 설계가 있더라도 납땜 공정 중 또는 이후에 다양한 결함이 발생할 수 있습니다. 견고한 회로를 위해서는 원인을 이해하고 이를 예방하는 것이 중요합니다.

일반적인 BGA 납땜 결함

일반적인 증상

• 회로 기판의 간헐적 결함 (오픈 또는 콜드 조인트의 결과)
• 초기 작동 후 단락 회로 (납 브리징으로 인한 결과)
• 출력 핀에서 신호 없음 또는 고저항 (공극/헤드-인-필로우로 인한 결과)

흔한 BGA 문제를 피하는 방법

• 패드 패턴과 볼 피치를 신중하게 설계하십시오 : BGA 소자의 실장 패턴이 패키지와 정확히 일치하는지 확인하십시오.
• 납땜 온도를 제어하십시오 : 리플로우 공정 중 과열 또는 납땜 온도가 부족하지 않도록 주의하십시오.
• 페이스트 인쇄 품질 점검 : 가능한 경우 페이스트 검사 장비를 사용하여 누락되거나 과다하게 도포된 패드가 있는지 즉시 확인하고 수정하십시오.
• 납땜 전 수분 감응성 BGA IC를 베이킹하십시오 : 그리드 내 볼이 녹을 때 '팝코닝(popcorning)' 현상이나 공극 확대를 방지할 수 있습니다.
• 항상 적절한 리플로우 프로파일이 설정된 리플로우 오븐을 사용하십시오: 차가운 납땜 또는 과열 납땜 접합부를 최소화하기 위해 각 조립 공정의 최고 온도와 유지 시간을 표준화하십시오.

BGA 리웍 공정: 도구 및 기술

조립 또는 검사 과정에서 불량 납땜 접합부나 결함 있는 BGA 부품이 발견되면 BGA 리웍 공정을 수행합니다. 추가 손상을 방지하기 위해 체계적인 접근 방식이 필수적입니다.

BGA 리웍을 위한 도구 및 기술

BGA 리웍스테이션:

핵심 도구는 BGA용으로 설계된 리웍스테이션입니다.

이러한 리웍스테이션은 정밀 온도 제어 기능, 정렬을 위한 비전 시스템 및 BGA 부품을 국부적으로 가열하기 위한 특수 핫에어 노즐이나 적외선 히터를 갖추고 있습니다.

핫에어 도구 및 IR 프리히터:

핫에어 도구를 사용하면 인접한 납땜 조인트를 손상시키지 않고 불량 부품을 안전하게 제거할 수 있습니다.

IR 프리히터는 회로기판을 부드럽게 예열하여 휨이나 열 충격을 방지합니다.

비전 시스템 및 정렬:

최신 스테이션에는 카메라 또는 현미경이 포함되어 납땜 볼을 패드 위에 정밀하게 정렬할 수 있습니다.

리볼링 도구:

재사용이 필요한 BGA 장치의 경우, '리볼링(reballing)'은 오래되거나 오염된 납땜 볼을 새로운 것으로 교체하는 작업입니다.

솔더 페이스트 프린터 또는 미니 스텐실:

새로운 BGA에 적절한 양의 솔더를 도포하기 위해.

BGA 리웍 공정 (단계별)

준비

수리할 결함 및 회로를 점검하고 확인합니다.

프리베이크를 통해 PCB와 BGA로부터 수분을 제거합니다.

제거

리웍 스테이션을 사용하여 BGA 부품을 국부적으로 가열합니다.

솔더 볼이 녹은 후 진공 도구로 BGA를 들어 올립니다.

작업 부위 청소 및 패드 점검

PCB 패드에서 잔류 솔더를 제거하고, 패드 리프트 또는 PCB 손상 여부를 점검합니다.

새로운 BGA 장착

새로운 BGA의 경우, 패드에 솔더 페이스트를 도포하고 정렬 가이드를 사용하여 위치를 조정합니다.

솔더 리플로우

핫에어 공구 또는 리워크 스테이션 제어 장치를 사용하여 새로운 솔더 볼을 리플로우하고 BGA와 PCB 사이에 연결을 형성합니다.

최종 검사

엑스레이 검사, 육안 검사 및 필요 시 전기적 테스트를 수행합니다.

PCB 어셈블리, 리플로우 및 품질을 위한 모범 사례

• 모든 단계를 검증하여 결함을 방지하십시오: 페이스트 인쇄 및 피킹 앤 플레이싱부터 리플로우 및 검사까지.
• BGA 수가 많은 PCB의 경우 자동 엑스레이 검사를 사용하십시오. : 숨겨진 솔더 볼의 결함을 수작업으로 고르는 것은 대량 생산에서 실현 가능하지 않습니다.
• 용접 온도를 모니터링하십시오 : 열전대를 사용하여 특히 복잡하고 고밀도의 기판들을 프로파일링하십시오.
• 제조사의 권장 사항에 따라 BGA를 보관하십시오 : 납볼의 산화와 습기 흡수를 방지하십시오.

자주 묻는 질문

Q: BGA 소자에 수동 납땜을 사용할 수 있습니까?

A: 납땜 조인트가 숨겨져 있고 피치가 미세하기 때문에, 일반적으로 BGA 어셈블리에는 수동 납땜이 적합하지 않습니다. 그러나 특수 핫에어 노즐과 정밀한 육안 검사를 통해 리웍(rework) 시 중요한 역할을 할 수 있습니다.

Q: BGA 검사 시 항상 X선이 필요한가요?

A: 예, 양산에서는 필요합니다. 왜냐하면 납땜 조인트가 패키지 아래에 숨겨져 있어 육안 또는 광학적 방법으로는 완전한 평가가 불가능하기 때문입니다.

Q: BGA 납땜 공정이 실패했음을 나타내는 징후는 무엇입니까?

A: 신호의 간헐적 발생, 출력 없음 또는 장치 고장; X선 검사나 전기적 테스트 실패로 확인 가능합니다.

Q: 리플로우 중 흔히 발생하는 BGA 결함을 어떻게 피할 수 있습니까?

정확한 오븐 프로파일링, 철저한 스텐실 설계 및 정기적인 검사 기술을 통해 명백한 결함과 미묘한 결함 모두를 최소화할 수 있습니다.

결론

볼 그리드 어레이 패키징의 발전은 더 작고 강력하며 신뢰성 높은 전자 장치에 대한 끊임없는 수요를 충족하는 데 핵심적인 역할을 해왔습니다. 그러나 BGA 소자의 납땜 조인트는 패키지 하단에 격자 형태로 배열되어 있으며 숨겨져 있기 때문에 정교한 조립, 리웍 및 검사 기술이 요구됩니다. 리플로우 오븐과 최신 BGA 리웍 스테이션의 사용에서부터 고급 엑스선 검사의 필요성에 이르기까지 전체 공정은 모든 세부 사항에 주의를 기울여야 합니다.

일반적인 BGA 결함을 방지하려면 철저한 공정 관리와 올바른 도구 및 검사 방법 사용에 대한 헌신이 필요합니다. 우수한 설계, 전문적인 납땜 기술, 정밀한 검사 및 신중한 리웍의 조합을 통해 고밀도 회로 기판과 패키지 내 모든 집적 회로가 내구성과 성능 약속을 충족할 수 있습니다.

PCB 조립 기술의 끊임없이 변화하는 세계에서 앞서 나가기 위해 BGA 납땜 기술을 완벽히 익히고, 검사 기술을 최신 상태로 유지하며, 팀원들의 역량 강화에 투자하십시오.