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PCB표면처리 – OSP (Organic Solderability Preservative)

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6. 인쇄회로기판(PCB) – electronics-tech

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1 인쇄회로기판(PCB)란 무엇인가

2 인쇄회로기판(PCB)의 장단점

3 인쇄회로기판(PCB)의 종류

4 인쇄회로기판(PCB)의 작업공정

5 표면처리란 무엇인가

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PCB 표면 처리 공정 – 중국 KingSong PCB 기술

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여러가지 PCB 표면처리(Surface finish) 종류 > 자료실

PCB 표면처리의 종류 (Surface Finish)

1. PCB의 표면 처리를 하는 이유는 ?

PCB 기판의 회로를 연결 하는 주요 재료는 Copper(구리) 입니다. 하지만 구리의 경우에는 공기중에 노출하게 되면 산화하게 되며, 산화막으로 인해 부품의 실장을 방해하기 때문에 제대로 된 부품 실장이 되지 않습니다.

표면 처리를 하는 주요한 이유

(1) 구리의 산화 및 오염 방지

(2) 납땜 연결을 강화하여 품질 향상

(3) 부품 조립 시 불량률 감소 및 공정 수율 증가

(4) 기판의 보존 기한 증가와 보드 제작 후 동작 안정성

표면처리의 종류는 HASL, Lead-free Hasl, ENIG, Immersion silver, OSP, Immersion Tin, Agcl, soft gold, Hard gold, ENEPIG, Carbon ink 등등 특성과 비용에 따라 굉장히 많은 종류가 있습니다.

이중 많이 사용되는 주요 표면처리 재료를 설명 드리 겠습니다

2. HASL(Hot air solder leveling)

가장 일반적으로 사용하는 방식 이며, 주석/납 합금(solder)을 녹여서 기판을 넣어 도포 시키고 고온 고압의 열풍을 이용하여

납의 두께를 균일하게 하고 홀 속의 납을 제거 합니다.

저렴하고 방식이 쉽기에 가장 많이 사용되었지만, 납 성분으로 인한 환경 문제로 갈수록 사용이 적어지고 있습니다.

<장 점>

(1) 패드와 부품 사이의 납땜이 우수 하며, 저장 수명이 깁니다.

(2) 수리 및 재 작업이 편리합니다.

(3) 비용이 저렴하며, 활용범위가 넓습니다.

<단 점>

(1) 두께가 패드의 크기에 따라 다르며, 표면이 균일하지 않습니다.

(2) BGA, SMD, 미세피치, HDI PCB 등 고사양의 PCB에는 적합하지 않습니다.

3. Lead-free HASL

Sn/Ag/Cu (SAC), Sn/Cu/Co, Sn/Cu/Ni/Ge 등의 무연 합금이 사용되는 HASL의 변형으로 환경문제로 인한 RoHS 요구 사항을 만족하기 주로 사용 되고

있습니다.

<장 점>

(1) 친환경 적이며, 활용 범위가 넓습니다.

(2) 저렴하며 내구성이 높습니다.

(3) 비교적 수리 및 재 작업이 가능합니다.

<단 점>

(1) PCB보드의 열 충격으로 인해 PCB 박리등이 생길 수 있습니다.

(2) 표면이 고르지 않습니다.

(3) 솔더 브릿징 발생 될 가능성이 높으며, hole이 작아지거나 묻힐 가능성이 높습니다.

(4) BGA, SMD, 미세피치, HDI PCB 등 고사양의 PCB에는 적합하지 않습니다

4. 무전해금도금 – ENIG(Electroless nickel immersion gold)

구리 위에 3.5~7미크론의 니켈을 올리고 금을 0.03미크론 정도의 금을 도금 합니다.

일반적으로 금을 구리 위에 올리게 되면 서로 확산이 되기에 사이에 니켈을 두어 확산을 방지합니다.

공정에 100종류 이상의 화학물질이 들어 가야 하기에 별도의 환경 처리 시설이 필요하는등 제작 비용이 높지만 표면처리가 얇고

평평한 장점으로 고밀도 PCB, BGA, FPCB, 와이어 본딩등에 많이 사용 되고 있습니다.

<장 점>

(1) 얇으며 평평하고 균일한 표면으로 BGA, 고밀도 PCB 작업에 좋습니다.

(2) 납이 없기에 환경에 좋으며, 니켈층이 구리를 보호하기에 높은 온도의 무연납 사용에도 좋습니다.

(3) 견고하고 내구성이 강하며 보관 수명이 깁니다.

(4) 도금 hole(PTH) 작업에 좋습니다.

<단 점>

(1) 가격이 높으며, 수리 및 재 작업에 적합하지 않습니다.

(2) 종종 블랙패드가 발생하여 납땜이 안되거나, 패드가 떨어지는 등 잘못된 연결이 발생될 수 있습니다.

5. OSP(Organic solderability preservative)_

OSP는 유기화합물로 구리를 얇게 코팅하여 공기와 접촉이 안되도록 방지 합니다.

제조 방법이 쉽고, 저렴하며 환경 친화적 이지만 수명이 짧고, 충격, 스크레치 등에 민감하여 보관에 주의해야 됩니다.

<장 점>

(1) 무연으로 친환경 적 입니다.

(2) 비용이 저렴하여 공정이 쉽습니다.

(3) 평평한 표면과 수리 및 재 작업이 가능하며, SMT작업시에도 적합합니다.

<단 점>

(1) 매우 민감하고, 수명이 짧아 관리에 주의가 필요합니다.

(2) 두께 측정이 어렵습니다.

(3) PTH에 적합하지 않습니다.

6. ENEPIG(electroless nickel electroless palladium immersion gold)

ENEPIG 무전해 니켈 무전해 팔라듐 금도금의 경우 ENIG의 변경으로 Nickel 위에 팔라듐 코팅을 한번 더해서 니켈의 산화를 막고 다른 표면처리에 비해

높은 온도의 납땜 성을 가지고 있습니다.

비용이 높지만 거의 대부분의 다양한 기판에 적용이 가능하며, 고성능의 PCB 기판에 사용이 좋습니다

<장 점>

(1) 표면처리 방식이 쉬우며, 무연으로 RoHS를 만족합니다.

(2) 리플로우 사이클에 적합하며, Sn-Ag-Cu 솔더와 호환성이 좋습니다.

(3) 수명이 길어 보관하기에 좋으며, 다양한 패키지 및 고성능의 PCB에 사용할 수 있습니다.

<단 점>

(1) ENIG보다 블랙패드가 자주 발생 합니다.

(2) 금액이 비쌉니다.

(3) 높은 납땜 온도를 사용해야 되며, solder가 패드에 잘 안 묻을 수 있습니다.

7. Immersion tin(ImSn)

석 도금 및 주석 도금이라고 불리며, PCB 구리에 얇게 도금 합니다. 평평한 표면 처리로 미세 한 작업 BGA등에 좋으며 SMT 작업시

에도 좋습니다.

<장 점>

(1) 비용 효율 성이 높습니다.

(2) 무연이며, 평평한 표면으로 신뢰성이 높습니다.

(3) 여러 번의 재 작업에도 높은 납땜성을 유지합니다.

<단 점>

(1) 쉽게 부식되기에 유통기한 짧습니다.

(2) 전기 테스트를 위한 특수 장비가 필요하는 등 공정에 난이도가 있습니다.

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PCB 표면 처리의 이유 및 방법 > 기술자료실

본문

■ 표면 처리의 이유

인쇄 회로 기판(이후 기판이라고 표현하겠음)은 모든 전자장비에서 그 기본이 되는 필수 부품중의 하나이다. 기판은 세탁기,TV에서 부터 시작해 휴대폰에도 적용이 되며 시스템 보드인 라우터,서버 및 인공위성, 자동차에도 적용이 되는 등 그 활용분야가 대단히 높다.기판은 반제품 상태이기 때문에 실장업체 및 조립업체에서 수동소자와 능동소자가 실장이 되어야만 비로서 완제품이 될 수가 있다.기판내에 회로를 구성하는 성분 동(Copper)이다. 동은 공기중에 노출이 되게 되면 산화막이 형성되어 실장업체에서 Solder Cream을 발라 IR Reflow나 Wave Soldering을 방해하여 소자들이 기판 Pad에 제대로 실장이 되지 않게 된다. 따라서 기판 업체들은 세트업체에서 수동,능동 소자의 완벽한 실장성을 보증하기 위해 완성된 기판에 산화를 방지하기 위한 표면처리를 수행하게 된다.

■ 표면처리의 종류

1) HASL ( Hot Air Solder Levelling )

~ HAL(Hot Air Lebelling)이라고도 하는 이 방식은 많은 기판 업체에서 사용하고 있는 방식중의 하나이다. Pb/Sn 합금(Solder)을 녹여서 콘베어에 지나가는 기판에 묻혀 이후 공정에서 뜨거운 바람(Hot Air)를 가해 solder의 두께를 평탄화 시킨다. 매우 쉬운 방법이면서 가장 많이 알려진 방식이며 검증된 방식이기에 많은 업체들이 사용을 하고 있으나 최근 환경 문제로 인해 향후 점차 그 사용 범위가 축소될 것으로 보이며 기판의 회로 밀도가 증가 되면서 실장 패드와 패드간의 간격이 협소해져 Solder Bridge가 잘 형성되는 등 미세 패턴에서는 적용하기가 힘든 단점이 있다.

2) 무전해 금도금 ( Electroless Gold Plating )

~ 휴대폰등과 같이 고밀도 기판에 적용이 많이 되고 있는 방식이다. 우선 동위에 무전해 니켈을 약 5미크론 가량 도금하고 0.03미크론 가량의 금을 무전해 방식으로 니켈위에 도금을 한다. 상술하였다시피 무전해 방식으로 동위에 선택적으로 도금이 되기 때문에 고밀도 회로에서는 적합하지만 HAL 공정에 비해서 가격이 3~4배 가량 비싸며 니켈 도금조의 인(Phosper)의 농도 관리를 잘못하게 되면 니켈이 산화가 되어 Black Pad라는 현상이 생기게 되는데 블랙패드가 형성된 부위에서는 금이 안올라가 능동,수동 실장시 문제를 불러 일으킬 수가 있다. 또한 금도금 도금조에 있는 시산화 이온은 환경친화적이지 못한 물질이므로 폐수처리 장비에 별도 특수 장비를 설치해야 한다.

3) OSP (Organic Solderability Preservative)

~ Alkyl Imidazole 형태의 유기 화합물을 구리 위에 선택적으로 0.2~0.4미크론 가량의 피막을 형성시켜 동의 산화를 방지한다. 선택적으로 동위에 도포가 되기 때문에 미세 회로에 매우 적합하며 폐수등의 걱정이 없기 때문에 환경 친화적인 물질이다. 그리고 최근 많은 실장업체들이 환경친화적인 OSP 사용을 꾸준히 요구하고 있는 상태이다.그러나 유기물질로 도포가 되어 있기 때문에 제품 취급 부주의로 인해 실장 패드에 sctatch가 발생하면 OSP 도포막이 깨져 동이 그대로 노출이 되게 되어진다. 또한 실장하기전 장기 보관을 하고 있을 경우 실장 신뢰성에 문제가 있을 수도 있다.

4) 전해 소프트 골드 (Electrolytic Soft Gold Plating)

~ BGA나 CSP등의 반도체 Package 제품의 Wire Bonding하는 곳에 사용이 되는데 무전해 금도금 처럼 하지 도금은 무전해 니켈 금도금을 수행한다. 그 이후에 전기를 걸어 다공성이 높고 두께가 0.4~0.6미크론 가량 올린다.

5) 전해 하드 골드 (Electrolytic Hard Gold Plating)

~ IC Module 부위의 단자나 휴대폰 배터리 부위에 충전시킬 때 노출된 단자와 같이 소켓에 끼웠다 빼었다해도 마찰력에 견딜 수 있는 금도금이다.금도금조에 광택제(Brightner)를 가해 금도금 입자가 매우 조밀하게 만들어 금도금의 밀도도 크고 물리적으로도 강성을 가지게 된다. 보통 0.76미크론 이상의 두께를 확보해야 한다.

6) 무전해 주석 도금 (Immersion Tin Plating)

~ 미국을 중심으로 하는 세트 실장업체에서 많이 요구하고 있는 방식으로 환경친화적이고 고밀도 회로에 적합한 방식이지만 표면처리된 부위에 취급 부주의로 인하여 사람이 맨손으로 만지게 되면 산화가 일어나거나 물리적 강성이 약해 스크래치 발생시 동이 노출이 될 수가 있다. 또한 Whisker라는 불량이 생기게 되어 실장성을 저해 시키는 불량이 간혹 발생 되기도 한다.

7) 무전해 은도금 ( Immersion Silver Plating)

~ 이 방식도 미국의 실장업체에서 꾸준히 요구하고 있는 방식이다. 아직 검증되지 않은 방식이어서 많은 기판 업체에서 적절하게 대응을 하지 못하고 있는 방식이며 공정관리가 어렵다라고 알려져 있다.

PCB & FPCB 표면처리 공정 꿀팁 5!!

PCB & FPCB 제조공정 중 표면처리(Surface treatment) 공정이 있습니다. PSR이후 노출된 Cu 부분을 표면처리 종류에 따라 도금을 진행 합니다.

표면처리 종류에는 무전해 니켈도금, 전해 금도금, 무전해 금도금 등이 있습니다. FPCB Type에 따라 다양한 도금을 하고 역할에 대해 알아보겠습니다. 화학적 요소가 있어 다소 어렵게 느껴질 수 있는데요. 이번 기회에 표면처리 제조 공정에 대해 알아보도록 하겠습니다.

NAVIGATION

1. 표면처리란?

2. 표면처리 종류

3. 무전해 니켈도금

4. 전해 금도금

5. 무전해 금도금

표면처리란?

표면처리란? 영어로 Surface treatment라고 합니다. PSR 완료 후 Cu 표면에 SMT 용이성 및 산화방지를 위해 코팅하는 공정을 말합니다.

즉, 커넥터 처럼 첩촉하여 연결하거나 부품이 실장되는 표면에 코팅합니다. Cu 표면에 내열성, 내마모성, 내식성, 전기적 도통성, Soldering 등의 기능을 강화하는 목적입니다. 제품 특성에 맞게 도금 종류를 선택하여 진행 합니다.

작업 공정도(무전해 니켈 + 금도금 기준)

탈지 -> 에칭 -> 산세 -> 프리딥 -> 촉매 -> 포스트딥 -> Ni 도금 -> Au 도금

표면처리 종류

표면처리 종류는 위에서 언급하였듯이 매우 다양하다. 표면처리 종류에는 무전해 니켈도금, 전해 금도금, 무전해 금도금 등이 있습니다. PCB & FPCB 특성에 맞게 표면처리 종류를 선택하고 도금 두께를 선택하여 표면처리를 한다.

무전해 니켈도금

무전해 니켈도금방식은 균일한 도금 두께가 형성되는 장점이 있습니다. Cu 표면에 치환 방식으로 도금되기때문에 내부식성, 내마모성, 우수한 경도, 납땜성, 등의 장점이 있습니다. PCB 및 FPCB 제품 이외에 엔진부품, 피스톤, 시계, 자동차 부품등에 주로 사용되기도 합니다.

FPCB에서 무전해 니켈도금 후 다시 전해 금도금 또는 무전해 금도금을 진행 합니다.

전해 금도금

전해 금도금은 Soft Gold, Direct Soft Gold, Hard Gold 3가지로 나누어 집니다.

전기적 작용으로 도금하는 기법을 말합니다. 하나씩 알아보도록 하겠습니다.

Soft Gold

하지도금(Cu면 1차 도금)을 전해 연질 니켈도금 5~15um 올립니다. 전기를 주어 Soft Gold 두께를 0.5um 이상으로 도금을 진행 합니다. Soft Gold의 순도는 99.99% 이상으로 고 순도 작업 합니다.(도금 두께는 사양 별 상이할 수 있습니다.)

적용되는 제품으로는 BGA, COB, LED등 패키지 분야에 적용됩니다. 특히 Wire Bonding 실장을 적용하는 제품군(Camera Module)에 주로 도금합니다.

Direct Soft Gold

하지도금없이 이름 그대로 Cu표면에 Direct Soft Gold를 전기를 주어 진행 합니다. 도금 두께는 0.8um이상 올려 상당히 고비용이 라는 단점이 있습니다. Direct Soft Gold의 도금 순도 역시 99.99%이상의 고 순도를 요구합니다..(도금 두께는 사양 별 상이할 수 있습니다.)

적용되는 제품으로는 F-BGA, COF, FPCB등 Wire Bonding 실장을 적용하는 제품에 주로 도금합니다.

Hard Gold

하지도금(Cu면 1차 도금)을 전해 연질 니켈도금 4~5um 올립니다. 전기를 주어 Hard Gold 두께를 0.76um 이상으로 도금을 진행 합니다. Hard Gold의 순도는 99.97 ~ 99.99% 이상으로 순도 작업 합니다..(도금 두께는 사양 별 상이할 수 있습니다.)

적용되는 제품으로는 커넥터, 모듈 등의 분야에 적용됩니다. 특히 표면 경도가 높아 접촉 반복되는 Slot 단자에 주로 도금합니다.

무전해 금도금

ENIG(무전해니켈+치환도금) 도금과 ENEPIG(무전해니켈+무전해팔라듐+치환금)2가지로 나누어 집니다.

전기적 작용없이 화학적인 약품의 촉매 반응으로 도금하는 기법을 말합니다. 하나씩 알아보도록 하겠습니다.

ENIG(무전해니켈+치환도금) 도금

참조 사진 : 와이엠티 (<- 바로가기 클릭) ENIG은 Electroless Nickel Immersion Gold의 약자입니다. 하지도금(Cu면 1차 도금)을 무전해 고연성 니케을 1~8um 올립니다. 약품을 이용하여 Au 를 0.03um 이상으로 도금을 진행 합니다. ENIG의 순도는 99.9% 이상으로 순도 작업 합니다.(도금 두께는 사양 별 상이할 수 있습니다.) Wire Bonding 실장이 불가하며, Au 층에 의한 Ni-P 층의 침식 발생 가능성이 있는 단점이 있습니다. ENEPIG(무전해니켈+무전해팔라듐+치환금) ENEPIG 는 Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold ENAG 의 약자입니다. 하지도금(Cu면 1차 도금)을 무전해 경질 니켈을 3~8um 올립니다.(도금 두께는 사양 별 상이할 수 있습니다.) 그 위에 팔라듐 0.05~0.2um을 올립니다. 마지막으로 Au를 0.03um이상으로 도금을 진행 합니다. ENEPIG의 순도는 99.9%이상으로 순도 작업 합니다.(도금 두께는 사양 별 상이할 수 있습니다.) 단일 도금으로 Wire Bonding 과 SMT 실장 가능합니다. Lead 선 절단 및 복합도금이 불필요하기 때문에 인기가 많은 도금 종류 중 하나 입니다. PCB & FPCB 도금의 종류에 대해 알아 보았습니다. FPCB 제품 특성 즉 USB 단자 영역 처럼 삽입 횟수가 많을 경우 Hard Gold을 추천합니다. 또는 Camera Rense를 실장 해야 하는 경우 Wire Bonding 필요하므로 Soft Gold를 합니다. 하지만 Soft Gold는 순수 공업용금을 단자에 두께 도금 하는 형태라 고비용입니다. 이를 대체 할 수 있는 도금이 ENEPIG 도금입니다. 기존에 중국 고객사에서 1PCS에 Soft Gold와 무전해 금도금 2가지 사양이 접수되었습니다. 그래서 ENEPIG 단일 도금 요청을 위해 중국 출장을 다녀왔던게 생각나네요~~ FPCB 관련 소통하고 싶다면 네이버 카페로 가보자!! FPCB SCHOOL NAVER CAFE 바로가기..

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