[TECH REPORT] 이산화탄소 저감·고성능 위한 윈본드 저온 납땜법 ‘LTS’

[테크월드뉴스=김창수 기자] 

저온 납땜(Low-temperature soldering; LTS) 는 보드와 부품을 제조하는 스트레스를 줄여주며 친환경적 잇점을 제공한다. 

▶ LTS 소개

일반적인 무연 납땜 과정 에선 리플로우 오븐이 약 260°C에서 연속 작동한다. 더 낮은 온도에서 작동하는 LTS는 운영 비용과 CO₂ 배출량을 크게 줄일 수 있다. 낮은 온도에서 리플로우를 통해 회로 기판 및 구성 요소에 가해지는 열을 줄여 얻는 이점도 있다.

2017년 인텔과 레노보는 190°C에서 장착된 보드를 리플로우할 수 있는 표면 실장 어셈블리에 적합한 새로운 프로세스인 ‘저온 납땜(LTS)’을 발표했다(그림 1). 이는 무연 납땜에 필요한 온도보다 훨씬 낮다.

LTS 출시 프레젠테이션에서는 납땜 온도를 최대 70°C까지 낮춰 얻는 장점을 정리했다. 각 SMT 라인은 연간 57톤의 CO₂ 배출량을 줄일 수 있다. 이는 업계 전체가 매년 약 5만 톤의 CO₂ 배출을 줄일 수 있음을 시사한다.

▶ 윈본드의 약속

제조 환경 ‘탄소 발자국’을 줄이고 저온 납땜을 통해 어셈블리 신뢰성을 높이는 기회를 연 윈본드는 LTS 자체 연구를 시작했다. 목표는 에너지 집약도가 낮고 열 스트레스가 적은 새로운 프로세스를 사용, 윈본드 메모리 제품 조립 시 필요한 정보를 고객에게 제공하는 것이다.

이러한 움직임은 환경 탄소 발자국을 줄이려는 윈본드의 지속적 노력과 맞닿아 있다. 

윈본드는 2017년부터 2021년까지 9만 2000가구 이상 소비전력에 해당하는 116만 7000 기가줄(GJ) 이상 에너지를 절약하고 230톤의 CO₂ 배출량을 절감했다. 

이밖에 전 공장 물 재활용량 약 1100만m³ 증대, 재활용을 통한 일반폐기물 7톤 이상 감량, 휘발성 유기 화합물(VOCs) 최대 98% 제거 등을 달성했다. 

또한 윈본드는 반도체 제조 산업 지속 가능 발전을 지원하기 위해 SEMI ESG 이니셔티브에도 참여했다.

“우리 분야 산업은 LTS와 같은 프로세스를 채택해 자원 소비를 크게 줄일 수 있다. 그러나 제조업체는 프로세스 도입 전에 많은 연구와 검증을 수행해야 한다”라고 윈본드 측은 설명했다.

그러면서 “특히 신뢰성이 매우 중요하다. 제조업체는 최종 산출량이 충분한지 확인해야 한다. 제품 호환성을 검증하기 위해 당사는 고객이 공장에서 LTS를 보다 쉽고 빠르게 도입할 수 있도록 지원한다”고 밝혔다.

프로젝트 완료를 위해 윈본드 엔지니어들은 프로토타입 조립품을 테스트하고 검사해 신뢰성과 품질을 검증했다. 신뢰성 테스트는 낙하, 진동 및 온도 사이클을 포함한 국제반도체표준협의기구(JEDEC) 절차에 따라 수행됐다. 2022년 11월 JEDEC 표준으로 공식 인정됐다.

▶ LTS의 활용

LTS는 SnBi(주석-비스무트) 납땜 야금법으로 수행된다. 이는 기존의 무연(SAC: 주석-은-구리) 공식에 필요한 것보다 훨씬 낮은 온도에서 납땜하는 데 중요하다. 그러나 특히 납땜 조인트 기계적 특성 향상을 위해 몇 가지 추가 기술이 필요하다. 

납땜 접합부가 현장에서 발생하는 기계적 응력(외력을 가할 때 변형된 물체 내부에 발생하는 단위 면적당 힘)을 견디도록 하려면 연성을 높이는 것이 중요하다. 주석에 대한 비스무트 비율 최적화 외에도 구리와 니켈로 도핑하는 것을 포함하는 소위 ‘침전 강화’가 수행된다. 금속 입자 크기도 더 큰 강도를 위해 최적화한다.

LTS SnBi 솔더를 사용하면 에너지 절약뿐 아니라 공정 온도를 낮출 수 있으므로 리플로우 솔더링 시 보드가 휘어지는 열 스트레스도 완화된다. 납땜 후 냉각 시 줄어든 고유 응력으로 인해 뒤틀림이 50% 이상 감소할 수 있어 납땜 어셈블리 공평면성이 개선된다. 이는 현장 납땜 조인트 수명 연장에 도움이 된다. 

이러한 개선 효과를 제공하면서도 접착 강도는 유사한 수준이다. 실제로 데이터를 살펴보면 일반적으로 2.28kgf에서 2.40kgf로 약간 증가했다.

또한 일부 유형 어셈블리 생산을 단순화할 수 있다. 민감한 구성 요소가 포함된 경우 이러한 구성 요소는 일반적으로 리플로우 후에 추가되므로 추가 조립 공정 및 장비가 필요하다. LTS를 채택하면 리플로우 전에 제품을 완전 조립할 수 있어 생산이 쉬워진다.

또한 LTS는 칩 제조업체 기술 확장을 가속화한다. 또 더 얇고 가벼운 패키지 구성을 가능하게 해 미세한 상호 연결 피치로 전환을 쉽게 한다. 보드 뒤틀림 감소로 인해 브리징 결함 및 개방 회로 결함을 방지한다.

▶ 결론

윈본드는 메모리 제품이 LTS 어셈블리와 호환되도록 보장하고 제조업체가 현장에서 수율, 품질 및 신뢰성에 대한 높은 기준을 달성하도록 지원한다. 또한 세계 최초로 JEDEC 표준을 준수하는 기업 중 하나다. 오는 2027년까지 전자 제조업체의 20% 이상이 공장에 LTS를 도입할 것으로 예상된다.

윈본드 측은 “LTS는 전기 비용 및 CO₂ 배출량 감소뿐 아니라 칩과 어셈블리가 기존 SAC 납땜 시 높은 리플로우 온도에 노출되는 것을 방지, 신뢰성을 높이고 기술 확장을 가속화할 수 있다”라며 “글로벌 리딩 기업들이 더 친환경적이고 지속 가능한 미래를 위한 조치에 동참하기를 바란다”고 말했다.