Reflow Process – 반도체 공정

반도체는 통상 동작하기 위해서 Soldering 공정을 거쳐야 한다. Soldering 이라 하면, 한국말로는 “납땜” 이라고 이해하면 된다. PCB 또는 Board 또는 Module 이라고 불리는 기판에 GPS센서, Memory IC, Capacitor, 각종 수동소자 들이 Soldering 이 된다. 이때, Soldering 하는 방식에는 여러가지가 있지만, 통상 반도체 업계에서 사용하는 방식이 Reflow Process 이다. 오늘은 그러한 Reflow Process 에 대해서 알아보고자 한다.

1. Reflow Process 개요

리플로우 공정은 말그대로 단순히 “납땜”을 하는 공정으로 이해하면 너무 얕은 지식이다. 리플로우는 이를 통한 불량매커니즘을 이해할 때, 더욱 제대로 이해하게 된다. Reflow공정 에서 발생하는 고온과 반도체가 대기에 노출되면서 흡수한 수분이 상호작용 하기에 이 두 사항이 복합적으로 발생되면서 다음과 같은 몇가지 불량을 예상해 볼 수 있다.

1) Thermo-Mechanical Stress (열에 의한 수축 팽창)
2) Hydroscopic Stress (수분을 흡수, 흡착하여 부풀어 오름)
3) Vapor Pressure (내부 수분이 기화하면서 압력 발생)
4) Material Softening (플라스틱 속성에 따른 연화작용)
5) Adhesion Degradation (접착된 물질의 접착력 약화)

이러한 불량들이 추후에 발생할지 안할지를 보기위해 실제 Reflow공정을 그대로 재현하여, 제품이 정상적인 기능을 흔지를 평가한다. 이게 Reflow평가라 할 수 있다.

1.1 IR Reflow 의 원리

IR 리플로우 공정은 적외선을 이용하여 솔더 페이스트(Solder Paste)를 가열하고 녹이는 과정을 포함한다. 적외선은 높은 에너지를 가지고 있으며, 이를 통해 솔더 페이스트를 효과적으로 녹일 수 있다. 가열된 솔더 페이스트는 액체 상태로 변하고, 이때 PCB와 전자 부품의 접합 부분에 침투하여 단단하게 결합된다.

이 과정에서 중요한 것은 적절한 온도 제어이다. 온도가 너무 높으면 전자 부품이 손상될 수 있고, 너무 낮으면 솔더 페이스트가 제대로 녹지 않을 수 있다. 따라서 IR 리플로우 공정에서는 온도 프로파일을 정확하게 설정하는 것이 필수적이다.

1.2 IR Reflow 의 장점

IR 리플로우 공정은 여러 가지 장점을 가지고 있다. 첫째, 적외선을 사용하기 때문에 빠르고 효율적으로 솔더링을 할 수 있다. 이는 생산성을 크게 향상시킨다. 둘째, IR 리플로우는 균일한 가열을 가능하게 하여 솔더링 품질을 높일 수 있다. 이는 전자 제품의 신뢰성과 성능을 보장하는 데 중요한 요소이다.

또한, IR 리플로우는 환경 친화적인 공정으로도 평가받고 있다. 적외선을 사용하기 때문에 화학 물질을 사용하지 않으며, 이는 환경 오염을 줄이는 데 기여한다. 또한, 공정 중 발생하는 열이 재사용 가능하기 때문에 에너지 효율성 측면에서도 우수하다.

2. IR Reflow 공정의 단계

IR 리플로우공정은 크게 네 가지 단계로 나눌 수 있다. 첫째, 예열 단계이다. 이 단계에서는 PCB와 전자 부품을 서서히 가열하여 솔더 페이스트가 균일하게 녹도록 준비한다. 둘째, 소킹 단계로, 이 단계에서는 솔더 페이스트의 플럭스(Flux)가 활성화되어 산화물을 제거하고 접합을 돕는다. 셋째, 리플로우 단계로, 이때 최고 온도에 도달하여 솔더 페이스트가 완전히 녹아 접합된다. 마지막으로, 냉각 단계이다. 이 단계에서는 가열된 PCB와 전자 부품을 서서히 식혀 솔더가 견고하게 굳도록 한다.

3. Moisture Storage – 흡습

대기에 있는 수분들이 패키지 내부로 침투하는데 통상 이러한 침투는 Joint 부분이나 Mold 의 계면이다.

4. Moisture 에 의한 Reflow 불량 메커니즘

리플로우를 통과하면서 Package 내부 수분들이 기화하면서 압력발생

증기압력이 세지면, 각 접합 계면이 분리되고, 분리된 공간에 수증기가 확산되어Delamination 발생.

증기압이 너무 커지면 결국 Package 에 Crack 발생

5. Reflow Temperature

통상 반도체 Package 를 만들때 Solder 로 SAC (SnAgCu) Solder 를 많이 이용하는데, 이것들은 보통 217 ~ 227’C 구간에서 녹는다. 그렇기에 납땜을 하기 위해서는 235~245’C 정도 가해지도록 리플로우를 설정한다. Package 의 크기에 따라 이 온도 설정은 달리 될 수 있다.

이러한 온도 설정에 따라, 리플로우 Profile 이 만들어 지고, 그 Profile 대로 리플로우 공정 또는 시험을 거치 된다. 통상의 Profile 은 아래와 같다.

5.1 JEDEC 에서 요구하는 온도 프로파일 요구사항

IR 리플로우 공정에서 가장 중요한 요소 중 하나는 바로 온도 프로파일이다. JEDEC는 온도 프로파일을 설정할 때 다음과 같은 요소들을 고려하도록 요구한다.

예열 구간 (Preheat Zone): 이 단계에서는 PCB와 부품을 서서히 가열하여 솔더 페이스트가 균일하게 녹도록 준비한다. JEDEC는 예열 구간의 온도를 150°C에서 200°C 사이로 유지하고, 이 단계가 60~120초 정도 지속되도록 권장한다.
소킹 구간 (Soak Zone): 이 구간에서는 솔더 페이스트의 플럭스가 활성화되어 산화물을 제거한다. JEDEC는 이 구간의 온도를 150°C에서 200°C 사이로 유지하고, 60~120초 동안 유지할 것을 권장한다.
피크 구간 (Peak Zone): 리플로우 공정의 핵심 단계로, 솔더 페이스트가 완전히 녹아 접합된다. JEDEC는 피크 온도를 235°C에서 260°C 사이로 설정하고, 이 온도를 10~40초 동안 유지할 것을 권장한다.
냉각 구간 (Cooling Zone): 마지막 단계로, 가열된 PCB와 부품을 서서히 식혀 솔더가 견고하게 굳도록 한다. 냉각 속도는 4°C에서 6°C/초로 설정하는 것이 이상적이다.

5.2 JEDEC 에서 요구하는 습도 관리 요구사항

JEDEC는 전자 부품의 습도 민감성도 다루고 있다. J-STD-033 표준은 습도 민감성 레벨(Moisture Sensitivity Level, MSL)을 정의하여, 부품이 흡수할 수 있는 최대 습도를 명시한다. 이는 부품의 손상 방지와 리플로우 공정 중 발생할 수 있는 결함을 줄이는 데 중요하다.

부품은 습도 민감성 레벨에 따라 적절한 저장 및 취급 조건을 유지해야 한다. 예를 들어, MSL 3 레벨의 부품은 개봉 후 168시간 이내에 리플로우 공정을 완료해야 하며, 그렇지 않으면 재건조가 필요하다.

5.3 JEDEC 에서 권장하는 습도 관리 요구사항

JEDEC는 또한 환경 친화적인 리플로우 공정을 권장하고 있다. 이는 RoHS(Restriction of Hazardous Substances) 규제를 준수하여 유해 물질의 사용을 제한하는 것이다. 납(Pb)과 같은 유해 물질을 사용하지 않는 무연 솔더링 공정이 그 예이다.

6. 정리

IR 리플로우 공정은 반도체 제조에서 필수적인 단계로, 적외선을 사용하여 솔더링을 효과적으로 수행한다. 이 공정은 빠르고 효율적이며, 환경 친화적이라는 장점을 가지고 있다. 또한, 정확한 온도 제어를 통해 높은 품질의 솔더링을 가능하게 한다. 이러한 이유로 IR 리플로우 공정은 전자 제품 제조에서 널리 사용되고 있으며, 앞으로도 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

JEDEC의 표준은 IR 리플로우공정에서 온도, 습도 및 환경 조건을 명확히 규정하여 제품의 신뢰성과 품질을 보장하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 표준을 준수함으로써 반도체 제조업체는 보다 안정적이고 신뢰할 수 있는 전자 제품을 생산할 수 있다. IR 리플로우 공정에서 JEDEC의 요구 사항을 철저히 따르는 것이 중요하며, 이는 궁극적으로 소비자에게 더 나은 품질의 제품을 제공하는 데 기여할 것이다.