땜납 크랙·보이드 등 불량의 관찰·측정
실장 기판 및 전자 부품의 소형화·고밀도화가 진행되는 현재, 납땜에 의한 실장 품질에 대한 요구도 고도화되고 있습니다. 스마트폰 등의 단말은 물론, 전자 제어의 고도화가 두드러지는 자동차 업계에서도 안전성의 관점에서 납땜 불량의 관찰·해석은 중요시되고 있습니다.
여기에서는 대표적인 납땜 불량 「크랙」, 「보이드」의 미크로 관찰을 중심으로 새로운 4K 디지털 마이크로스코프의 최신 사례를 소개합니다.
납땜을 둘러싼 환경의 변화
급속한 보급과 동시에 고기능화·소형화·슬림화가 계속해서 진행되는 스마트폰 및 태블릿 단말, 웨어러블 디바이스 등의 기기에서는 내장된 실장 기판·전자 부품의 소형화·고밀도화·다층화가 한층 중요해졌습니다.
또한, 중요 부품의 전자 제어에 의한 자동 브레이크 및 자동 운전 기술 등에 대한 수요가 확대되는 자동차 업계에서는 차량에 탑재되는 각종 실장 기판·전자 부품에 대해 높은 내구성·신뢰성이 요구됩니다.
그 중에서도 전기적 전도 및 전자 부품의 접합이라는 중요한 역할을 지닌 「납땜」은 특히 내구성·신뢰성의 향상이 요구되고 있습니다. 또한, 2000년대에 시작된 납땜의 무연화에 따라, 재료 취성의 대책이 되는 접합 기술에도 요구가 높아지고 있습니다.
납땜의 내구성·신뢰성을 평가하기 위해 반드시 필요한 시험이 신뢰성 평가 시험입니다. 일반적으로 납땜의 평가에는 온도 사이클 시험이 이용됩니다.
고장을 일으키는 원인인 납땜 불량에는 여러 가지 종류가 있습니다. 예를 들어, 솔더 크림 등의 자동 도포 또는 인쇄 공정에서 함몰 형상의 부분 등에 「습윤성(젖음성)*」이 부족하여 PCB에 대한 접합 강도 저하 및 「보이드」등의 불량이 발생하는 경우가 있습니다. 각종 납땜 불량의 관찰·해석에 의한 원인 파악이 품질 개량·향상을 위해 반드시 필요합니다. 다음 항에서는 대표적인 납땜 불량과 그 리스크, 관찰의 필요성에 대해 설명합니다.
습윤성(젖음성)이란: 고체 표면과 그 표면에 적하된 액체(용융 상태의 땜납 등)와의 「접촉각 θ(Contact Angle)」의 크기로 습윤성을 나타낸다. 그림 내 A의 각도(접촉각θ)가 작을수록 습윤성이 높고 액체가 고체 표면에 잘 도포된 상태이다. 접촉각이 클수록 고체 표면이 액체를 튕겨 내며 습윤성이 낮다.
납땜 불량과 크랙·보이드 관찰의 중요성
제품의 고장 원인이 되는 납땜 불량으로는 납땜량 과다로 인해 인접한 접속부와 단락이 일어나는 「땜납 브릿지」·「납땜 과다」, 가열 과다에 의한 「땜납 볼(비산)」 및 「전도 불량」, 플럭스 증발 또는 가열 부족으로 일어나는 「냉땜」 등 다양한 종류가 있습니다.
그 중에서도 실장 직후의 검출이나 원인 판정이 어려운 불량으로 「크랙」과 「보이드」가 있습니다. 이런 불량 발생의 원인으로는 여러 가지를 생각할 수 있지만 실장 직후 뿐만 아니라, 실장 후의 시간 경과 및 응력에 의해 발생·성장하는 경우가 있기 때문에 현미경 등을 이용한 관찰·불량 해석이 반드시 필요합니다.
- 「크랙」의 원인과 리스크
- 크랙(균열)은 땜납 접합 후, 시간의 경과나 응력, 피로 등으로 발생하여 진행됩니다. 초기 단계에서는 미세했던 크랙이 성장하면서 접합 부분의 저항값이 상승하여 줄 열이 발생합니다. 크랙이 진행되면 접합 부분이 벌어져 고장의 원인이 됩니다. 특히 무연 납땜의 경우, 크랙이 발생하면 단번에 진행되는 경향이 있다고 합니다. 진행된 크랙은 발열·발화의 위험성이 있기 때문에 품질 보증의 관점에서 땜납의 크랙에는 세심한 주의와 대책이 필요합니다.
- 「보이드」의 원인과 리스크
- 땜납 인쇄 시 땜납 재료의 입자 사이에 틈새가 있는 상태로 실시하는 리플로 및 부품 실장 시에 발생한 가스, 함몰 형상 부분에 대한 솔더 크림 등의 습윤성(젖음성) 부족 등이 원인이 되어 땜납에 보이드가 발생합니다. 보이드는 땜납의 강도가 저하되는 원인이 됩니다. 또한, 부분적으로 강도가 저하되어 크랙의 발생 원인이 되는 경우가 있다고도 하므로 보이드 발생의 원인 파악과 대책은 매우 중요합니다.
각종 시험이나 시장 제품의 고장에서 보이는 크랙 및 보이드를 마이크로스코프 등으로 정확하게 관찰·해석·평가하는 것은 품질 보증 및 고장의 원인 파악, 공정 및 재료, 품질 개선을 위해 중요합니다.
땜납 크랙·보이드 관찰·해석의 최신 사례
실장 후의 땜납은 입체 형상이기 때문에 기존의 현미경을 이용한 고배율 관찰에서는 피사계 심도가 부족하여 일부에만 초점이 맞아 관찰 부위별로 까다로운 초점 조정이 필요했습니다.
또한, 샘플의 연마가 불충분한 경우에도 마찬가지로 표면의 요철 때문에 전체에 초점이 맞지 않았습니다. 그 밖에도 재료의 광택에 의한 반사로 불량 부분의 판정 누락이 발생하거나, 확대 배율 및 해상도 부족으로 성장 전의 미세한 크랙까지는 관찰하지 못한다는 과제가 있었습니다.
KEYENCE의 고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 깊은 피사계 심도와 고분해능을 실현한 광학계와 4K CMOS, 고기능의 조명 및 고도의 비전 시스템 등 독자적인 설계의 시스템으로 기존의 과제를 해결했습니다. 더욱 수준 높은 납땜 관찰·불량 해석·평가를 더욱 간편한 조작으로 빠르게 실현하여 작업 효율을 크게 향상시킵니다.
여기에서는 「VHX 시리즈」를 사용한 납땜 불량 관찰·해석의 최신 사례를 소개합니다.
실장 기판의 땜납 크랙 경사 관찰
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 「프리 앵글 관찰 시스템」을 활용하여 실장 기판의 입체적인 솔더 필렛을 경사 관찰할 수 있습니다.
또한, 「헐레이션 제거」, 「링 제거」 기능으로 땜납 특유의 빛 반사에 영향을 받지 않고 땜납의 크랙을 선명하게 관찰할 수 있습니다.
「VHX 시리즈」는 일반적인 현미경보다 약 20배 깊은 피사계 심도를 실현합니다. 또한, 「라이브 심도 합성」을 통해 고배율로 입체적인 물체 전체에 풀 포커스가 맞는 선명한 4K 화상을 쉽게 취득할 수 있습니다.
왼쪽: 심도 합성·헐레이션 제거·링 제거 / 오른쪽: 일반
전자 부품 단면의 땜납 크랙 관찰
실장 초기에는 작았던 땜납 크랙(균열)도 시간 경과 등에 따라 진행되어 고장이나 발열·발화의 원인이 됩니다. 지금까지 배율·해상도 부족 등으로 발생하는 미세한 크랙의 판정 누락은 심각한 과제였습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 고분해능 HR 렌즈와 전동 리볼버로 렌즈 교환 없이 배율을 자동 전환하며, 직감적인 조작으로 20~6000배까지 확대할 수 있는 「심리스 줌」을 실현했습니다. 불량 부분의 고배율 관찰에서도 화면 분할 기능을 통해 저배율 화상과 나열하여 표시함으로써 확대 부분을 항상 파악하며 원활하게 관찰할 수 있습니다.
또한, 깊은 피사계 심도와 「라이브 심도 합성」에 의해 수지를 채워 넣은 단면 샘플의 연마가 불충분하여 표면에 요철이 있는 경우에도 서브미크론 단위의 미세한 크랙까지 선명한 화상으로 관찰할 수 있습니다.
단면 샘플을 이용한 땜납 보이드 관찰
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 수지를 채워 넣은 BGA 단면의 관찰에서도 「라이브 심도 합성」으로 연마 부족에 의한 요철의 영향을 받지 않고 전체에 풀 포커스가 맞는 선명한 확대 화상을 취득할 수 있습니다. 따라서 미세한 보이드도 놓치지 않고 관찰할 수 있습니다.
기판 단면의 정량 해석
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 고해상도의 확대 화상을 사용한 고정도의 자동 면적 계산·카운트를 실현합니다. 정량적으로 해석할 수 있는 동시에 촬영 화상 및 수치 데이터를 이용한 리포트 작성까지 1대로 신속하게 완결되어 작업 공정 수를 크게 절감할 수 있습니다.
솔더 필렛의 외관에 의한 접합 강도 평가
기존에는 땜납 표면의 광택에 의한 반사로 조명 조건 추출이 어려워 관찰자에 따라 평가에 편차가 발생하거나 불량 부분의 판정 누락이 발생했습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 버튼을 누르기만 하는 간단한 조작으로 모든 방향의 조명에 의한 촬영 데이터를 자동 취득하는 「멀티 라이팅」이 탑재되었습니다.
멀티 라이팅 기능으로 촬상한 화상 중 최적의 화상을 선택하기만 하면 관찰·평가할 수 있기 때문에 지금까지 조명을 몇 번이나 조정하기 위해 걸린 시간이 크게 단축됩니다. 또한, 멀티 라이팅 화상을 선택한 후에도 다른 조명 조건의 화상 데이터가 자동 저장되므로 마우스 조작만으로 다른 조명 조건의 화상을 불러올 수 있습니다.
나아가 「헐레이션 제거」, 「링 제거」 기능을 이용하면 땜납 특유의 빛 반사를 억제할 수 있기 때문에 납땜 접합 부분의 외관을 선명한 화상으로 관찰할 수 있습니다. 용융 상태의 땜납 습윤성(젖음성)이 낮아 땜납이 PCB 표면에 충분하게 퍼지지 않는 「젖지 않는 현상」에 의한 솔더 필렛의 접합 강도 저하도 놓치지 않고 관찰할 수 있습니다.
납땜의 품질 보증에 반드시 필요한 기능을 응축한 1대의 기기
고정도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 그 밖에도 2D·3D 계측 등 여러 기능이 탑재되어 1대로 다양한 실장의 여러 가지 납땜 불량에 관한 관찰·해석·계측·평가에 대응합니다. 또한, 간단한 조작으로 선명한 4K 화상 및 계측값을 신속하게 얻을 수 있기 때문에 기존의 작업을 비약적으로 효율화 할 수 있습니다.
「VHX 시리즈」에 관한 자세한 내용을 알아보시려면 아래의 버튼을 클릭하여 카탈로그를 다운로드하시거나 부담 없이 상담·문의해 주시기 바랍니다.
