군용 및 항공우주 애플리케이션에
주석-납 BGA μModule 제품 적용하기

글: Steve Munns / Mil-Aero 마케팅 매니저
리니어 테크놀로지 / www.linear.com

 

μModule 스위칭 레귤레이터에 원래 선택한 패키징 기술은 LGA(land grid array)로서 이 패키징이 다양한 시장 분야에 널리 사용되고 있다. 하지만 매우 혹독한 환경으로 동작해야 하는 일부 애플리케이션에서는 BGA(ball grid array) 인터커넥트를 더 선호함으로써 리니어 테크놀로지는 이러한 요구를 충족하는 패키징을 개발하게 되었다. 이 글에서는 LGA와 BGA 패키징의 성능을 비교해서 살펴보고 금 또는 주석-납(SnPb) 합금과 무연(Pb-free) 소재의 이점에 대해서 설명한다.

 

군용 및 항공우주 분야는 갈수록 더 낮은 비용으로 더 높은 속도와 정확도를 달성하는 시스템을 요구하고 있다. 크기, 무게, 전력 상의 제약이 갈수록 한계에 다다르고 대형 FPGA의 까다로운 전원 요구를 충족하기 위해서 POL(point of load) 전원장치 아키텍처로 과감히 전환하는 움직임이 일어나고 있다.
이러한 모든 요구를 충족할 수 있는 솔루션으로서 현재 시장에서 폭넓게 채택되고 있는 기술이 리니어 테크놀로지(Linear Technology)의 μModule? 기술이다. 이 기술은 설계를 간소화하고 외부 부품을 최소화할 수 있는 포괄적인 SiP(system-in-a-package) 솔루션을 제공한다.


그림 1. NFC WSN 블록 다이어그램

μModule 스위칭 레귤레이터에 원래 선택한 패키징 기술은 LGA(land grid array)로서 이 패키징이 다양한 시장 분야에 널리 사용되고 있다. 하지만 매우 혹독한 환경으로 동작해야 하는 일부 애플리케이션에서는 BGA(ball grid array) 인터커넥트를 더 선호함으로써 리니어 테크놀로지는 이러한 요구를 충족하는 패키징을 개발하게 되었다.
이 글에서는 LGA와 BGA 패키징의 성능을 비교해서 살펴보고 금 또는 주석-납(SnPb) 합금과 무연(Pb-free) 소재의 이점에 대해서 설명한다.




그림 2. LGA 및 BGA 패키지 인터커넥트


단자 마감재

유럽 지역의 군용 및 항공우주 시장은 부품 단자 마감재와 관련해서 요구사항들이 상당히 분열적이라고 할 수 있다. 어떤 업체들은 전적으로 무연(Pb-free) 소재를 채택하고 있고 또 어떤 업체들은 이를 전면적으로 회피하고 있기도 한다. 대체적으로는 특정 프로젝트의 필요에 따라서 적합한 소재를 채택하는 것이 일반적이다.
이것은 군용 및 항공우주 장비가 RoHS II(유해 물질의 사용 금지) 규정에서 계속해서 제외되고 있기 때문이다. 그러므로 특정한 기한 없이 SnPb 소재를 사용할 수 있는 것이다. 이들 분야에서 가장 염려되는 문제는 순수 주석 도금 상에 주석 휘스커가 형성됨으로써 인접 미세 피치 도체간의 단락회로로 인한 장비 결함이 발생할 수 있으므로 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 그러므로 주석 도금에 납(Pb)을 추가하는 방법이 이 휘스커 형성을 완화하기 위한 업계의 표준적인 방법으로서 계속해서 이용되고 있다.
SnPb 소재를 사용할 때의 불리한 점은 부품 구입이 용이하지 않고, 사용할 수 있는 부품 목록이 제한적이고, 납기가 길어진다는 것이다. 또한 SnPb 마감재를 사용할 것을 요구하는 업체들은 다양하게 나와 있는 새로운 완전 무연 부품들을 이용할 수 있는 기회를 놓치게 된다. 이러한 문제는 스트립 및 re-plating 또는 re-balling 프로세스를 제공하는 써드파티 업체들을 이용해서 해결할 수 있으나 이 방법은 추가적인 히트 사이클과 재시험의 어려움, 그에 따른 비용 때문에 그렇게 바람직한 방법이 되지 못하고 있다.
무연 부품을 이용할 때 흔히 채택되고 있는 또 다른 주석 휘스커 완화 방법은 Parylene 또는 Arathane? 같이 수년 동안 주석 휘스커의 침투를 견딜 수 있는 것으로 입증된 폴리머 컨포멀 코팅을 이용하는 것이다.

인터커넥트 고려사항

위에서 언급했듯이 혼합적인 요구를 충족할 수 있도록 하기 위해서 리니어 테크놀로지의 LGA 패키지 μModule 제품은 범용 솔루션을 제공한다. 금 도금 패드는 군용 및 항공우주 시스템에 장기적으로 사용되어 왔으며 RoHS 규정 또한 준수한다는 이점이 있다.
하지만 금 도금 부품의 문제점은 금 취성(embrittlement)을 일으킨다는 것으로서 이 문제는 혹독한 환경 조건으로 동작하는 대형 BTC(bottom termination component)의 경우에 특히 더 염려스러운 것이다. 리플로우 시에 금이 솔더 접합부로 용해되어서 결정 구조로 취약한 인터페이스를 발생시킬 수 있으며 금-주석 IMC(intermetallic compound) 판과 솔더 체적 사이의 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion) 차이로 인해서 솔더 접합부 균열이 발생함으로써 어셈블리를 반복적으로 온도 사이클링을 실시했을 때 결국에는 개방 회로를 일으킬 수 있다. 오래된 업계의 경험적 원칙은 접합부 내로 함유되는 금이 3wt%를 초과하지 않도록 하는 것이다. 리니어 테크놀로지의 LGA μModule 제품은 SnPb 및 SAC305 페이스트 모두로 이 기준을 충족한다. 이와 관련해서 업체들에 따라서는 BTC에 대해서 특정 PCB 및 동작 조건과 특수한 데이지 체인 인터커넥트 샘플을 이용해서 자체적인 시험을 실시하기도 한다.
접합부의 솔더 양과 PCB에 대한 스탠드오프를 높임으로써 접합부를 더 견고하게 하고 인터커넥트 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 군용 및 항공우주 업계의 시험 결과를 보면 특히 공중 시스템(airborne system)과 같이 혹독한 환경 조건으로 동작해야 할 경우에 대체적으로 LGA보다 BGA 패키지를 더 선호하는 것으로 나타나고 있다. BGA 패키지의 또 다른 이점은 세정이 더 용이하므로 오염으로 인한 문제를 줄일 수 있다는 것이다.
이러한 이유들에서 리니어 테크놀로지는 이제 LGA뿐만 아니라 BGA 패키징의 μModule 제품을 공급하게 되었다. BGA 패키지의 단점은 열 효율이 약 0.5℃/Watt 감소하고 전반적인 부품 높이가 0.6mm 증가한다는 것이다. 리니어 테크놀로지의 BGA μModule 레귤레이터는 표준적으로 SAC305 무연 구성으로 제공되며 주문에 따라서는 주석-납 Sn63Pb37 볼을 이용한 제품을 이용할 수 있다.

신뢰성 테스트 및 특성분석

리니어 테크놀로지는 LGA 및 BGA 구성의 μModule 제품에 대해서 포괄적인 인터커넥트 신뢰성 시험을 실시하였다.
초기 검증에는 부품 차원의 테스트를 이용하였으며, 이후의 신뢰성 모니터링 및 인터커넥트 테스트에서는 특정한 PCB 구성, 어셈블리 프로세스, 온도 사이클 파라미터를 이용한 실제적인 성능 분석을 실시하였다.
부품 차원의 포괄적인 μModule 제품 테스트에서는 0.72 FITS(1 FIT = 10억 디바이스 시간에 1회 결함)라고 하는 극히 뛰어난 신뢰성을 나타내고 있다. 다만 지면상 이 글에서는 인터커넥트 레벨 테스트에 대해서만 살펴보도록 하겠다.
세 가지 인터커넥트 테스트를 실시하였다:
1) 데이지 체인 테스트: 이 테스트에서는 μModule 레귤레이터의 각 패드를 다음 패드와 연결해서 전체적인 회로를 구성하고 IPC-9701 및 JESD22-A104에 따라서 온도 사이클링을 실시하고 실시간으로 모니터링 하였다. 이 테스트는 각각의 패드를 테스트할 수 있으며 다수 패드를 병렬로 연결할 수 있으므로 기능적 테스트에 비해서 선호된다.


 비고 (1): 이 표에서 5회 결함을 와이블 분포(Weibull distribution) 곡선을 이용해서 분석해 보면 1퍼센트 결함 지점을 1780 사이클로 예측할 수 있다.
비고 (2): LGA 제품에 SAC305(무연) 페이스트를 이용해서 6000 사이클로 시험한 이후의 추가적인 테스트에서는 총 240개 샘플이 아무런 결함을 나타내지 않았다.
비고 (3): 모든 BGA 패키지는 SAC305 솔더 볼을 채택하였다.
 

2) 기능적 테스트: μModule 레귤레이터를 온도 사이클링을 실시하고 평가 보드로 적절히 동작하는지 테스트하였다. 이 테스트는 거의 대부분이 LGA μModule 레귤레이터로 실시하였으며 무연 SnAgCu 페이스트와 SnPb 페이스트를 비교하기 위한 것이었다. 이 테스트는 최대 2000 사이클로 제한적이었으나 어떠한 솔더 결함을 나타내지 않았다.
3) 랜덤 진동 테스트: MIL-STD-202G method 214A에 따라서 50Hz~2000Hz 주파수 대역에 걸쳐서 실시하는 매우 엄격한 테스트이다. LGA-133 구성의 LTM4601A는 9.26g RMS의 C 테스트를 통과했으나 20.71g RMS의 F 테스트에서는 Z 축으로 결함을 일으켰다. BGA 패키지의 LTM4601A에 대한 테스트 결과는 표 2와 같다. SnPb와 SAC305(무연) 솔더 모두 우수한 결과를 달성하고 있으며 20.71g RMS 테스트를 통과하였다.

 
 

결론 
군용 및 항공우주 시장은 당분간은 계속해서 혼합적인 마감재 소재를 요구할 것이다. 그러므로 이 시장으로 제품을 공급하는 회사들은 SnPb 마감재 소재를 계속해서 지원해야 한다.
리니어 테크놀로지의 금 도금 LGA 패키징 μModule 제품 같은 BTC 제품은 신뢰성을 입증하고 있으며 업계에서 폭넓게 사용되고 있다. 이제 혹독한 환경으로 동작하는 애플리케이션에서는 LGA 대신에 이용할 수 있도록 BGA 버전 제품을 제공하게 되었다.
RoHS 준수 SAC305(무연) 볼을 채택한 BGA는 SAC305 및 SnPb 솔더 페이스트를 이용해서 매우 신뢰성이 뛰어난 것으로 나타났으며 6000 사이클 이상의 온도 사이클링 시에 결함을 일으키지 않았다. 이제 SnPb를 요구하는 애플리케이션에 SnPb BGA 제품을 이용할 수 있게 되었다.
이 글에서는 신뢰성 테스트 결과의 일부만을 보여주고 있다. 상세한 테스트 결과에 대해서는 리니어 테크놀로지 웹사이트에서 볼 수 있다.

 


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