금 와이어 본딩과 표면장착 기술을 결합한 설계는 PCB 제조에서 불편한 중간 지대를 차지합니다. 와이어 본딩은 신뢰할 수 있는 열초음 또는 초음파 연결을 위해 순수하고 부드러운 귀금속 표면을 요구합니다. 납땜은 습윤을 촉진하고 주석 기반 합금과의 금속 간 화합물을 형성하는 표면이 필요합니다. 이 요구사항들은 상충됩니다. 대부분의 재료 시스템에서 기본적으로 반대입니다.
수년간, 엔지니어들은 이 문제를 타협으로 해결해 왔습니다: 니켈 위에 두꺼운 금, 다른 영역에 다른 마감, 또는 한 공정의 성능 저하를 받아들이고 다른 공정을 가능하게 하는 방법 등입니다. 각 해결책은 복잡성, 비용 또는 신뢰성 위험을 증가시켰습니다. ENEPIG, 즉 무전해 니켈 무전해 팔라듐 침지 금은 두 공정을 모두 만족시키는 표면 마감으로 타협을 제거합니다. 이는 각 층의 독특한 특성을 활용하는 특정 재료 적층을 통해 달성됩니다.
이것은 간단한 선택이 아닙니다. ENEPIG는 플레이트 도중 “블랙 패드” 위험과 니켈 부식에 대한 lingering 질문 등 자체적인 도전을 제시합니다. Bester PCBA에서는 잘못된 공정 제어로 인한 실패와 올바르게 수행했을 때의 뛰어난 신뢰성을 모두 목격했습니다. 이 마감은 작동하지만, 플레이트 공정과 조립 파라미터가 절대적으로 정밀하게 관리될 때만 효과적입니다. 혼합 조립에서 ENEPIG가 어떻게 작동하며, 어떤 점을 피해야 하는지에 관한 이야기입니다.
혼합 기술 조립에서의 표면 마감 충돌
와이어 본딩은 열, 압력, 초음파 에너지를 사용하여 얇은 금 또는 알루미늄 와이어와 본딩 패드 간에 금속적 접속을 만드는 공정입니다. 이 결합은 기계적 변형과 원자 간 확산의 결합을 통해 형성됩니다. 이 공정을 신뢰할 수 있게 하려면, 패드 표면은 화학적으로 순수하고 산화물이 없으며, 압력하에서 깨지지 않고 변형할 수 있을 만큼 부드러워야 합니다. 금이 이상적입니다. 산화되지 않으며, 부드럽고 인성이 뛰어나며, 초음파 본딩 동안 일관된 에너지 전달을 가능하게 합니다. 이 공정은 RF 모듈, 전력 반도체, 그리고 다이와 기판을 연결해야 하는 하이브리드 조립에 필수적입니다.
납땜은 전혀 다른 원리로 작동합니다. 납땜 연결은 접착제가 아니라, 납땜과 패드 간의 계면에서 금속간 화합물을 생성하여 형성된 금속적 결합입니다. 용융된 주석 기반 납땜이 구리 패드에 닿으면, 주석과 구리 원자가 서로 확산하여 Cu₆Sn₅와 Cu₃Sn 계면화합물 층을 형성합니다. 이 층들은 제공하는 들은
입니다.
혼합 조립 작업을 하는 디자이너는 금 와이어가 낮은 저항과 높은 인장 강도로 본딩될 수 있으며, 납땜 페이스트가 강력한 결합을 형성할 수 있는 마감재를 필요로 합니다. 표준 단일층 마감재는 두 가지 모두를 수행할 수 없습니다. ENEPIG는 가능하게 합니다.
ENEPIG가 호환되지 않는 요구사항을 해결하는 방법
ENEPIG는 구리 패드에 순차적으로 증착되는 세 가지 뚜렷한 금속 층으로 구성된 다층 표면 마감입니다: 무전해 니켈, 무전해 팔라듐, 침지 금. 각 층은 특정 기능을 수행하며, 마감의 성능은 세 가지 모두의 두께와 성분을 정밀하게 제어하는 데 달려 있습니다.
층 구조와 재료 특성
기초는 일반적으로 3에서 6 마이크로미터 두께의 화학적 도금 니켈 층으로, 확산 방벽 역할을 합니다. 이 니켈은 순수하지 않으며, 6~9%의 인이 무게 기준으로 포함된 합금으로, 자가 촉매 화학 환원 방법으로 증착됩니다. 이 인 함량은 절대 양보할 수 없는 부분입니다. 인이 너무 적으면, 니켈이 부식을 초래하는 블랙 패드의 원인인 부식 공격에 취약해지고, 너무 많으면 부서지기 쉬워져 납땜 접합의 기계적 무결성을 저해하게 됩니다.
다음은 ENEPIG의 이중 기능성의 핵심인 팔라듐의 얇은 층입니다. 일반적으로 0.05~0.15 마이크로미터입니다. 비록 얇지만 역할은 매우 크며, 가치 있는 금속인 팔라듐은 산화와 변색을 저항하여 인산 기반 납땜과 강력한 금속적 결합을 위해 Sn₂Pd 및 PdSn 상금속화를 형성합니다. 리플로우 과정에서 이 팔라듐 층은 납땜 접합에 용해되어 상금속 구조의 일부가 되며, 중요한 점은 이 층이 밑의 니켈을 산화로부터 보호하여, 베어 니켈이나 니켈-금 시스템보다 훨씬 긴 저장 수명을 가집니다.
마지막 표면은 일반적으로 0.03~0.08 마이크로미터에 불과한 초박막의 침지 금입니다. 주요 역할은 저장 및 취급 중 팔라듐을 산화와 오염으로부터 보호하는 것입니다. 이 금 층은 매우 얇아, 리플로우 시 빠르고 무해하게 납땜에 용해되어, 주로 팔라듐과의 접합을 가능하게 합니다. 그러나 와이어 본딩에는 이 초박막 금이 초음파 에너지를 위해 요구되는 순수하고 연한 인터페이스를 제공합니다.
왜 팔라듐이 이중 호환성을 가능하게 하는가
팔라듐은 핵심입니다. 이것은 납땜과 와이어 본딩의 모순된 요구를 해결합니다.
납땜을 위해 완벽하게 젖음이 잘 되는 표면 역할을 하며, 산화가 쉽게 일어나지 않아 플럭스는 심한 산화물 층 대신 미세한 오염물 제거에 집중할 수 있습니다. 이 층이 형성하는 상금속 화합물은 안정적이고 기계적으로 견고합니다. 팔라듐 층이 매우 얇아 접합 내로 용해되기 때문에, 다른 마감의 두꺼운 금을 사용할 때 발생하는 취성 문제를 피할 수 있습니다.
와이어 본딩을 위해 팔라듐 층은 사실상 투명에 가깝습니다. 접합은 침지 금 표면에서 형성되고, 초음파 에너지는 아주 얇은 금과 팔라듐을 통과하여 방해받지 않습니다. 팔라듐은 접합을 방해하지 않으며, 오히려 그 상대적 경도는 더 안정된 하부 구조 제공으로 인장 강도를 향상시킬 수 있습니다. 그 결과, 납땜 접합부와 와이어 본딩 모두 최대 성능에 도달하며, 타협이 없습니다.
왜 일반적인 대안들은 혼합 조립 테스트에 실패하는가
ENEPIG가 필요한 이유를 이해하려면 더 일반적인 표면 마감이 이와 같이 까다로운 응용 분야에 불충분한 이유를 살펴봐야 합니다. 각 대안은 두 가지 핵심 요구 사항 중 하나를 충족하지 못합니다.
ENIG와 본딩 가능성 문제
수년간, 무도금 니켈 침지 금(ENIG)은 고신뢰성 응용 분야의 기본 마감이었습니다. ENEPIG와 동일한 무전해 니켈 장벽을 사용하지만, 더 두꺼운 침지 금층(일반적으로 0.05~0.15 마이크로미터 이상)으로 덮여 있습니다. 이 표면은 와이어 본딩에 뛰어나지만, 납땜에 심각한 문제를 일으킵니다.
더 두꺼운 금층은 리플로우 동안 납땜 접합부에 용해됩니다. 금 농도가 너무 높아지면, 부서지기 쉬운 AuSn₄ 상금속이 형성됩니다. 이 딱딱한 화합물은 열 사이클 또는 기계적 스트레스에 취약하여, 피로 수명이 짧고 현장 실패 위험이 높아집니다. 일부 설계자는 ENIG의 금 두께를 취약성을 피할 수 있는 수준 이하로 유지하려 하지만, 이는 공정 변동성과 위험을 초래합니다. 더군다나 ENIG는 ENEPIG와 같은 블랙 패드 위험을 가지고 있으며, 납땜 성능에서도 이점이 없습니다. 혼합 조립에서는 단순히 한 문제를 다른 문제로 바꾸는 셈입니다.
침지 은과 주석: 와이어 본딩에 부적합
침지 은(ImAg)과 침지 주석(ImSn)은 납이 없는 일반적인 마감으로, 납땜에 최적화되어 있습니다. ImAg는 우수한 습윤성을 제공하며 구리 인터페이스에서 강한 Cu-Sn 상금속화를 형성합니다. ImSn은 비용 효과적인 대안으로, 신뢰할 수 있는 납땜 접합도 형성합니다.
둘 다 와이어 본딩에는 적합하지 않습니다. 은은 많은 산업 환경에서 흔히 존재하는 황과 접촉하여 변색되고, 이 변색층은 본딩에 필요한 정밀한 금속 간 접촉을 방해합니다. 침지 주석은 금보다 강하며, 본래 산화층을 형성하여 본딩 과정을 방해합니다. 더 나쁘게는, 주석은 날개(filament)가 성장하여 전기 쇼트를 야기하는 위커(가늘고 결정질 필라멘트) 형성에 취약하며, 이는 고신뢰성 응용에 적합하지 않습니다.
유기 솔더러빌리티 유지제(OSP) 코팅은 얇은 유기 플럭스 층으로, 결합 표면을 전혀 제공하지 않습니다. 이들 단일 레이어 마감은 한 과정을 최적화하면서 다른 과정을 희생하며, ENEPIG는 이러한 절충을 제거하기 위해 설계되었습니다.
블랙 패드: 위험과 예방
ENEPIG의 가장 큰 위험은 블랙 패드로, 니켈과 금 층 사이의 접착력이 약하거나 존재하지 않아 납땜 접합 실패로 이어지는 실패 모드입니다. 이름은 금이 떨어져 나간 후의 니켈 표면이 검고 변색된 모습에서 유래합니다. 이는 이론적 문제가 아니라, 치명적인 현장 실패를 야기했으며, 어떤 ENEPIG 업체에게든 가장 큰 공정 제어 과제입니다.
고장 메커니즘
 함량이 높거나(10-11% 이상) 또는 금 도금 욕조가 온도, 금 농도, pH가 낮아 과도하게 공격적일 때 니켈 표면이 금 보다 더 빠르게 부식될 수 있습니다. 이는 인터페이스에 니켈 산화물이나 인화물 층을 남깁니다. 이 층은 접착력이 약합니다. 솔더를 적용하면, 이는 금과 팔라듐을 적시지만 부식된 니켈 아래와는 결합하지 못합니다. 이 조인트는 겉보기엔 양호하지만 사실상 기계적 강도가 없으며 거의 무리 없이 파손될 수 있습니다.
비협상적 공정 제어
블랙 패드 방지는 엄격한 공정 제어의 문제입니다. 세 가지 변수만이 중요합니다: 니켈의 인 함량, 금욕 조제, 팔라듐 층의 품질.
첫째, 니켈의 인 함량은 6%에서 9% 사이로 유지해야 합니다. 이 범위 이하에서는 니켈이 덜 균일하며, 범위 이상에서는 니켈이 더 반응성이 높아지고 금 욕조 내에서 취약해집니다. 도금 업체는 니켈 이온, 환원제, 안정제 등을 포함한 니켈 욕조 화학성을 지속적으로 모니터링하고 제어해야 합니다.
둘째, 침지금 욕조는 니켈 공격을 최소화하도록 운영해야 합니다. 이는 pH(4.5~5.5)를 조절하고, 금 이온 농도를 낮추며, 욕조 온도를 70°C 이하로 유지하는 것을 의미합니다. 현대의 금욕 조제에는 니켈 보호를 위한 부식 방지제가 포함되어 있으며, 사용이 필수적입니다.
셋째, 팔라듐 층은 조밀하고 균일해야 합니다. 이는 보호 장벽 역할을 하며, 니켈의 금 욕조 노출을 줄여줍니다. 팔라듐다 포장 또는 불완전하면 금 욕조가 침투하여 국부 부식을 일으킬 수 있습니다. 마지막으로, ENEPIG는 매우 얇은 금 층을 사용하므로 침지 시간도 짧아, 두꺼운 ENIG 마감에 비해 니켈 공격 기회가 본질적으로 줄어듭니다.
이런 제어는 선택사항이 아닙니다. 이러한 변수에 대해 일관된 제어 능력을 입증하지 못하는 도금 업체는 ENEPIG 보드를 제조해서는 안 됩니다. Bester PCBA에서는 공급업체의 공정 능력 증거(예: 미세절편 분석 및 접착력 시험 데이터)를 요구합니다. 블랙 패드는 예방 가능하지만, 예방에는 규율이 필요합니다.
니켈 부식: 관리 가능한 문제
ENEPIG의 이차적 우려는 니켈과 금 층 간의 동작 중 갈바닉 부식 가능성입니다. 금이 니켈보다 훨씬 더 귀족이기 때문에, 이론적으로 전해질이 존재하는 환경에서 노출된 니켈이 부식할 수 있다고 합니다. 이로 인해 일부는 가혹한 환경에서 ENEPIG 채택을 주저하기도 합니다.
근거가 없는 것은 아니지만, 현장 증거는 잘 제작된 조립체에서는 이 우려가 과장됐음을 시사합니다. 팔라듐 층은 핵심 보호 요소로, 니켈이 금과 직접 접촉하는 것을 차단하여 갈바닉 쌍을 완화합니다. 납땜 과정에서 팔라듐은 조인트에 용해되고, 니켈은 안정된 금속간 구조 아래에 밀봉되어 외부 환경으로부터 차단됩니다.
자동차, 통신, 산업용 응용 분야의 ENEPIG 장기 신뢰성 연구는 다른 고성능 마감과 비교해 실패율이 비슷하거나 더 우수합니다. 니켈 부식으로 인한 실패는 드물며, 대개는 설계 결함(예: 납땜 마스크 커버 미흡으로 인한 보드 가장자리의 노출 니켈 또는 풀스 잔류물 오염)에서 비롯되며, 마감 자체보다는 더 많이 나타납니다.
표준 설계 관행은 이미 낮은 위험을 더 줄일 수 있습니다. 컨포멀 코팅은 습기 차단 역할을 하며, 적절한 솔더 마스크 설계는 니켈 노출을 방지합니다. 공정 제어를 유지하고 기본 설계 규칙을 따르면, ENEPIG는 견고하고 장기적인 신뢰성을 제공합니다.
ENEPIG로 신뢰할 수 있는 납땜 보장
이중 호환성을 위해 설계되었지만, ENEPIG의 납땜 성능은 여전히 잘 관리된 조립 공정에 달려 있습니다. 마감은 관대하지만, 최적화는 일관된 고수율 결과를 보장합니다.
솔더 페이스트 및 플럭스 화학
ENEPIG는 SAC305과 같은 표준 주석 은납-은-구리(SAC) 무연 납땜 합금과 호환됩니다. 결과로 형성되는 금속간 상, 주로 Pd₂Sn과 PdSn은 안정적이며 뛰어난 기계적 강도와 열 순환 성능을 제공합니다.
ENEPIG 표면은 산화에 매우 강하기 때문에 공격적인 플럭스가 필요하지 않습니다. 일반적으로 적당한 활성도(ROL1 또는 유사)의 무세척 플럭스로 충분합니다. 더 강한 플럭스를 사용할 수도 있지만, 부식성 잔류물을 제거하기 위해 재흐름 후 세척이 필요할 수 있습니다.
리플로우 프로파일 및 유통 기한
표준 무연 리플로우 프로파일은 ENEPIG와 잘 작동하며, 최대 온도는 240-250°C이고, 액상 상태 이상 시간은 60-90초입니다. 리플로우 동안 얇은 금과 팔라듐 층이 납과 완전히 용해되며, 조인트는 주로 니켈 인터페이스에서 형성됩니다. 전체 금 두께가 매우 낮기 때문에, ENIG에 만연하는 금 내깨짐 위험이 제거됩니다.
ENEPIG 마감 된 보드의 유통 기한은 뛰어납니다. 금과 팔라듐 층은 기저 니켈을 산화로부터 보호하며, 제어된 환경에서 12개월 이상 저장해도 납땜성능에 아무런 손상이 되지 않습니다. 이는 티타늄 은 또는 주석보다 더 쉽게 변색하는 것보다 중요한 이점입니다.
와이어 본딩과 SMT 납땜을 모두 필요로 하는 설계에 대해, ENEPIG는 단순히 실행 가능한 옵션일 뿐만 아니라, 두 공정 모두에서 성능 저하 없이 완전한 성능을 제공하는 유일한 주류 마감입니다.
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