두꺼운 구리 PCB의 SMT 납땜에서 본질적인 모순은 구리 기판의 열용량이 기존 FR-4 보드의 열용량보다 훨씬 높다는 사실에 있습니다. 2온스 구리 두께(70μm)의 열용량은 1온스 구리 두께(35μm)에 비해 약 1.9배로, 동일한 발열량에서 보드 표면 온도 반응 지연이 8~12초 정도 발생합니다. 표준 FR-4 리플로우 온도 프로파일이 적용되면 솔더 페이스트 플럭스가 충분한 활성화 없이 리플로우 영역에 들어갈 가능성이 높거나 솔더 용융 중 과도한 국지적 온도 차이로 인해 솔더 조인트 보이드율이 표준을 초과하게 될 가능성이 높습니다. 전력 모듈 생산 라인에 대한 현장 측정에 따르면 두꺼운 구리 보드의 실제 패드 온도가 열전쌍으로 측정한 오븐 캐비티 온도보다 14°C 낮을 때 QFN 장치의 하단 솔더 조인트의 보이드 면적 비율은 IPC-A-610H 클래스 2에서 허용하는 상한인 25%를 훨씬 초과하는 32%에 달했습니다.
IPC-J-STD-020D는 MSL3 장치의 최고 온도 상한이 260°C이고 지속 시간이 30초를 초과해서는 안 되는 MSL3 등급 이상의 장치에 대해 엄격한 최고 온도 제어를 명시적으로 요구합니다. 그러나 두꺼운 구리판의 큰 열 흡수 관성으로 인해 기존 리플로우 오븐에서는"표면이 과열되고 바닥층이 부족해지는" 현상이 자주 발생합니다. 우리는 한때 적외선 열화상 장비를 사용하여 2mm 두께의 양면 두꺼운 구리판의 온도 구배를 지속적으로 모니터링한 결과 피크 영역 끝에서 상단 패드 온도가 263°C에 도달한 반면 해당 하단 레이어 패드 온도는 241°C에 불과한 것을 발견했습니다. 이러한 온도 차이는 BGA 바닥 솔더 조인트의 젖음성 저하로 직접적으로 이어지며, 이러한 편차는 오븐 속도를 조정하여 보상할 수 없습니다. 균열 영역 시간을 연장하고 예열 램프 속도를 높여 열 균일성을 향상시켜 개선해야 합니다.
솔더 페이스트의 선택은 두꺼운 구리 보드의 열 응답 특성과 함께 설계되어야 합니다. NC-550 시리즈와 같은 무세척 솔더 페이스트는 잔류물이 적지만 로진 시스템은 상대적으로 높은 활성화 온도(초기 활성화 지점 약 150°C)를 갖고 있어 두꺼운 구리 보드의 느린 가열 과정에서 조기 탄화되기 쉽고 대신 솔더 퍼짐을 방해합니다. 우리는 2온스 구리 두께의 OSP 보드에서 세 가지 솔더 페이스트의 젖음 각도 변화를 비교 및 테스트한 결과, Kester NXG-45는 145°C에서 젖음 각도가 크게 감소하기 시작한 반면, NC-550은 158°C까지 눈에 띄는 감소를 보이지 않는 것으로 나타났습니다. 따라서 두꺼운 구리 기판의 경우 활성화 온도가 낮고 금속 함량(90.5%)이 높으며 요변성 지수가 1.8보다 큰 솔더 페이스트를 사용하는 것이 더 좋습니다. 동시에 인쇄 매개변수는 동시에 조정되어야 합니다. 스텐실 개구 면적 비율은 0.66 이상이어야 하며 스퀴지 압력은 4.2kgf±0.3kgf로 유지되어야 합니다. 그렇지 않으면 구리판의 저온 흡착 효과로 인해 솔더 페이스트 전사율이 12% 이상 감소합니다.
리플로우 온도 프로파일의 최적화는 단독으로 수행할 수 없으며, 퍼니스 구역 용량 및 열기 순환 균일성과 결합하여 종합적으로 판단해야 합니다. 국내 8존 리플로우 오븐의 공칭 온도 제어 정확도는 ±1°C이지만, 두꺼운 구리 기판을 완전히 로드한 경우 존 3~5에서 측정된 온도 변동은 ±3.7°C에 도달하여 실제 균열 구간 시간 편차가 23초 이상 발생합니다. 우리는 마침내 분할된 램프 설정 방법을 채택했습니다. 예열 구역을 1~3에서 0.8°C/s로 설정하고, 구역 4~5를 0.4°C/s로 줄여 솔더 페이스트 튀는 것을 억제했습니다. 구역 6(침지 구역)은 용매 증발을 보장하기 위해 95초 동안 150°C±2°C에서 엄격하게 유지됩니다. 리플로우 섹션은 듀얼 피크 전략을 채택합니다. 첫 번째 피크는 솔더를 활성화하기 위해 12초 동안 217°C로 유지되고, 두 번째 피크는 ≥4초의 액상 시간으로 238°C에서 260°C에 영향을 미칩니다. 이 설정은 특정 자동차 MCU 두꺼운 구리 기판의 수율을 89.7%에서 99.2%로 증가시켰으며 X선 샘플링 검사에서 솔더 조인트 보이드율은 18.3% 이하로 안정적으로 제어되었습니다.
현장 검증은 실제 PCB에 장착된 열전대를 사용해야 하며 오븐에 내장된 센서의 판독값에 의존하는 것은 엄격히 금지됩니다. 왜냐하면 후자는 보드 표면 온도가 아닌 공기 덕트 온도를 반영하기 때문입니다. 우리는 동일한 장비를 두께가 다른 구리판으로 교체한 후 오븐 디스플레이 온도와 측정된 패드 온도 사이의 최대 편차가 22°C에 도달하고 편차 방향을 예측할 수 없다는 것을 발견했습니다. 각 초도품 보드의 네 모서리와 중앙에 5개의 K형 열전대를 배치하고 고온 테이프 + 내열성 실리콘 그리스로 고정하는 것이 좋습니다. 샘플링 주파수는 2Hz 이상이어야 합니다. CurveTracer 소프트웨어로 데이터를 가져온 후 183°C 이상의 액상선 시간이 45~90초 범위에 속하는지 확인하는 데 중점을 둡니다. 45초 미만은 냉간 납땜이 발생하기 쉽고, 90초를 초과하면 구리 마이그레이션 위험이 악화됩니다. 이 범위 요구 사항은 JEDEC JESD22-A108F의 솔더 조인트 금속간 화합물의 성장 속도에 대한 가속화된 노화 제약에서 파생됩니다.
