RoHS 이후의 생명: 납 함유 BGA의 면제 종료시기 안내

규제 환경이 바뀌었습니다. 수년간 볼 그리드 어레이(BGA) 패키지의 납 함유 솔더는 RoHS 제외 조치로 일시적으로 인정받았으며, 높은 신뢰성 부품을 무연 대체품으로 전환하는데 따른 기술적 어려움이 그 이유였습니다. 그러나 이제 이 기간이 종료됩니다. 일부 시장에서는 특정 용도에 대한 주석-납 솔더가 허용되는 면제 조치가 만료되어 하드웨어 팀들이 무연 전환을 강요받고 있습니다. 이는 먼 미래의 문제가 아닙니다. 일정이 촉박하며, 그 영향은 단순히 규정 준수 박스만 체크하는 것을 넘어섭니다.

납 함유에서 무연 BGA로의 전환은 신뢰성 사건이지 문서 작업이 아닙니다. 기본 소재 과학이 변화했습니다. 열과 기계적 스트레스 하에서의 솔더 조인트 행동, 금속간화물의 성장, 기본 실패 모드 모두 달라졌습니다. 예상 가능하고 연성있는 주석-납 유렉틱 솔더의 성능에 익숙한 팀들은 이제 더 단단하고 더 깨지기 쉬우며 고온의 SAC 합금 세계를 탐색해야 합니다. 무연이 즉시 교체 가능하다는 가정은 위험하며, 이미 설계자가 변화의 폭을 과소평가하여 현장 실패로 이어졌습니다.

기술적 도전은 운영 복잡성으로 인해 더욱 가중됩니다. 공급망은 설계와 동시에 전환되어야 하며, 재작업과 수리 절차에는 새로운 온도 프로파일과 작업자 교육이 필요합니다. 신뢰성 데이터를 단순히 이전하는 것이 불가능하기 때문에 검증 테스트 일정도 늘어납니다. 항공우주, 의료, 자동차 분야의 다년간 인증 주기를 가진 제품의 경우, 압박이 심각합니다. 전환 시작이 지연될 경우 인증 창을 놓치거나 시장 접근성을 잃게 될 수 있습니다.

Bester PCBA에서는 산업 전반에 걸쳐 이 전환을 안내했으며, 패턴은 일관됩니다. 성공은 소재 차이의 근본 이해와 설계, 공급, 제조, 검증을 병행하는 체계적 계획에 달려 있습니다. 이를 사소한 교체로 여기는 팀들은 비용이 많이 드는 재설계와 출시 지연에 직면할 수 있습니다. 반면, 이를 전체 신뢰성 엔지니어링 프로그램으로 접근하는 팀들은 위험을 통제하며 전환을 진행할 수 있습니다.

면제 기간이 종료됩니다

원래의 RoHS 지침은 대부분의 전자제품에서 납을 금지했지만, 기술적 위험이 있는 용도에 대해 특정 면제 조치를 두었습니다. 고신뢰성 BGA의 납 함유 솔더는 이 범주에 딱 들어맞았으며, 특히 통신 인프라, 의료기기, 산업 제어 장치에서 솔더 조인트 무결성이 임무에 매우 중요한 경우입니다. 이 면제는 무연 합금이 수십 년 간의 현장 데이터를 갖추지 못했다는 점을 인정한 것이었습니다.

이 면제들은 이제 만료되고 있습니다. 유럽연합은 명확한 종료 날짜를 정하고 집행 계획을 세우고 있으며, 이는 납을 함유한 부품으로 설계하는 기업에 거의 여유 시간을 남기지 않습니다. 예를 들어, 7(c)-I 면제는 2021년 대부분 품목에 대해 만료됐으며, 중국, 일본, 대한민국 등 다른 시장들도 유사한 경로를 따르고 있습니다. 일정이 다르긴 하지만, 일관된 의도는 전 세계적으로 규제 환경을 강화하는 동시에, 지속적인 납 사용에 대한 기술적 정당성이 사라지고 있다는 점입니다.

이 실질적 의미는 엄격한 마감일입니다. 면제 종료 후 시장에 출시된 제품은 무연이어야 하며, 그렇지 않으면 시장 접근 제한, 벌금 부과, 공급망 거부에 직면하게 됩니다. 하드웨어 팀은 개발 중인 모든 제품에 이 전환을 고려해야 하며, 시간이 촉박합니다.

왜 합금 조성은 사소한 디테일이 아닌가

이 마감일에 직면했을 때, 본능적으로는 전환을 단순한 재료 교환으로 간주하는 경향이 있습니다: 납 함유 BGA를 무연 등가물로 교체하고, 리플로우 프로파일을 조정한 후 넘어가는 것 말이죠. 이러한 본능은 현장에서의 제품에서 예방 가능한 실패를 초래했습니다. 주석-납의 공정과 무연 SAC 합금 사이의 차이는 데이터시트의 각주가 아니라, 납땜 조인트가 형성되고, 응력에 반응하며, 시간이 지남에 따라 열화되는 방식에 근본적인 변화를 의미합니다.

무연 합금—일반적으로 주석, 은, 구리(SAC)로 구성—은 더 단단하고 더 깨지기 쉬우며 더 높은 재플로우 온도를 요구합니다. 이는 보드, 부품 패키지, 그리고 주변 재료에 추가적인 열 스트레스를 부과합니다. 솔더와 패드 사이의 계면에서 형성되는 금속간 화합물은 더 빨리 성장하며 더 깨지기 쉬운 파괴 특성을 드러냅니다. 이는 예외적인 경우가 아니라, 가혹한 환경에서 10년 동안 솔더 조인트가 견딜지 아니면 3년 만에 실패할지를 결정하는 핵심 행동들입니다.

공급망의 영향도 즉각적입니다. 수요가 변화함에 따라 부품 제조업체들은 납 함유 BGA의 생산을 단계적으로 중단하고 있으며, 유통업체들은 재고 전환을 관리하며, 납이 함유된 부품의 리드 타임은 예측하기 어렵게 되고 있습니다. 마지막 순간까지 기다리면, 선택한 부품이 더 이상 납 함유 버전으로 제공되지 않음을 알게 될 위험이 있으며, 이는 극한의 시간 압박 속에서 계획하지 않은 재설계로 이어질 수 있습니다.

검증 일정은 최종 제약 조건을 도입합니다. 납땜이 포함된 제품은 새 테스트 없이는 동일한 신뢰성을 가질 수 없습니다. 가속 수명 테스트, 열 순환, 진동 프로토콜은 실패 모드가 동일하지 않기 때문에 반복되어야 합니다. 엄격한 인증을 요구하는 산업에서는 이는 6개월에서 12개월의 추가 검증 작업을 의미할 수 있습니다. 지연하는 팀에게는 이 일정과 시장 마감일 간의 충돌이 위기로 다가올 수 있습니다.

무연 솔더 조인트의 소재 과학

성능 차이는 합금 자체에서 시작됩니다. 수십 년 동안 업계 표준인 주석-납 공융합(63/37)은 183°C에서 녹아 유연한 조인트를 형성합니다. 납이 없는 SAC 합금인 SAC305는 약 217°C에서 녹습니다. 이 34도 차이는 재유도로 최고 온도를 240-250°C 범위로 끌어올리며, 이는 조립에 있는 모든 재료에 더 큰 열응력을 초래합니다.

이 높은 온도는 PCB 기판에 손상을 입힙니다. 표준 FR-4 적층판은 더 많이 팽창하여 뒤틀림과 분리 위험을 높이며, 밀집된 부품이나 두꺼운 구리층이 있는 보드에서는 특히 그렇습니다. 부품 패키지 자체도 더 높은 스트레스를 견뎌야 합니다. 성형 복합재와 다이 장착 재료는 설계되지 않은 열 변동에 노출됩니다.

더 높은 재흐름 온도와 기계적 스트레스

온도 상승은 직접적인 기계적 영향을 미칩니다. BGA 패키지, 납볼, PCB 패드 간의 열 팽창 차이가 더 뚜렷해집니다. 주석-납 재흐름으로 관리 가능했던 응력들이 이제는 납땜 접합을 깨거나 부품을 변형시킬 정도의 힘을 생성할 수 있습니다. 특히, 외부 행의 납볼들이 열 순환 동안 가장 높은 기계적 변형을 경험하면서 큰 BGA는 특히 취약합니다.

이로 인해 회로기판 재료 선택이 제한됩니다. 높은 온도에서 작동하는 적층판이 필요해지며, 표면 마감도 재고해야 합니다. 일반적으로 사용되는 OSP 등은 무연 프로파일에서는 다르게 작용할 수 있습니다. 전기 무광니켈 침지 금(ENIG)은 신뢰할 수 있지만, 두께 제어가 더 중요해지며 취성상금 속의 형성 방지를 위해 신경 써야 합니다. 한때 안심했던 무연 공정의 열 여유가 줄어들어, 디자이너는 재흐름 피크와 민감 부품(발진기, 커넥터 등)의 최대 허용 온도 사이의 여유를 고려해야 합니다.

금속간 화합물 형성과 장기 신뢰성

재흐름 중 납땜-구리 인터페이스에서 금속간 화합물(IMCs)이 형성되어 접합을 신뢰할 수 있게 만듭니다. 중요한 것은 IMC의 존재가 아니라, 그 조성, 성장 속도, 장기간 행동입니다. 무연 납땜은 주석-납과 다른 IMC를 형성하며, 이러한 차이점들은 장기 신뢰성에 매우 중요합니다.

주석-납 접합에서 주된 IMC는 비교적 유연한 상입니다. 무연 SAC 접합에서는 동일한 기본 IMC가 형성되지만, 높은 온도와 납이 성장 억제제로 작용하지 않기 때문에 성장 속도가 가속화됩니다. 특히, 고온 노화 또는 여러 번의 재흐름 주기 동안 두 번째로 더 부서지기 쉬운 IMC 상이 형성될 수 있습니다.

열 순환은 이 성장을 가속화합니다. 각 온도 변화는 금속간 층을 두껍게 하여 납땜패드 인터페이스에 약점 평면을 만듭니다. 순환 스트레인으로 인해 균열이 시작되어 이 부서지기 쉬운 IMC 층을 통해 퍼집니다. 이 실패 모드는 주석-납 접합에는 덜 흔하지만, 무연 납땜이 열악한 환경에서 더 짧은 열 피로 수명을 보일 수 있음을 의미합니다. 15년 또는 20년 필드 수명을 기대하는 고신뢰성 제품의 경우, 이러한 실패 분포의 변화는 이해하고 검증해야 합니다.

리워크와 수리 현실 변화

리워크는 온도 상승이 눈에 띄게 드러나는 곳입니다. 납땜이 포함된 BGA를 제거하려면 220-230°C의 최고 온도가 필요할 수 있습니다. 무연 재작업에는 SAC 납땜을 완전히 재흐름시키기 위해 260°C 또는 그 이상이 필요하며, 이 추가 30-40°C는 많은 회로기판 재료 및 인접 부품에 심각한 손상 위험에 매우 가깝게 만듭니다.

회로기판 손상 위험이 급증합니다. 박리와 패드 들림이 훨씬 빈번해지며, 구리 패드의 접착 강도는 장시간 고온 노출 하에 저하됩니다. 패드가 들리면 보드는 종종 폐기되며, 대개는 광범위한 점퍼 와이어 수리를 허용하지 않는 한 엄청난 재작업이 필요하며, 이는 고신뢰성 애플리케이션에서는 드문 일입니다.

작업자의 숙련도와 장비가 이제 더욱 중요해졌습니다. 오류 허용 범위가 매우 좁아졌으며, 과열은 손상을, 저온은 냉체 접합을 유발할 수 있습니다. 납땜이 포함된 공정에 익숙한 재작업 기술자는 재교육이 필요하며, 오래된 장비는 신뢰할 수 있는 무연 작업에 필요한 열 여유 또는 정밀도를 갖추지 못했을 수 있습니다. 현장 서비스는 또 다른 복잡성을 추가합니다. 납땜이 포함된 것과 무연 납땜을 혼합하는 것은 바람직하지 않으며, 서비스 팀은 레거시 납땜 부품을 비축하거나 보드를 위해 완전한 무연 재작업 프로세스를 인증해야 하며, 이는 결코 간단하지 않습니다.

견고한 전환 계획 세우기

연성 무독성 BGAs로의 전환은 설계, 공급망, 제조, 검증 등을 아우르는 교차 기능 프로그램입니다. 성공하려면 신제품 도입과 동일한 엄격함이 필요합니다.

설계 및 부품 선정

설계 검토는 열 여유 분석으로 시작해야 합니다. 보드가 더 높은 리플로우 온도를 견딜 수 있나요? 열 시뮬레이션은 위험 구역을 식별할 수 있지만, 기존 스택업이 불충분한 경우 더 높은 Tg 라미네이트로 재설계가 필요할 수 있습니다. 부품 선정은 강력한 무독성 혈통과 검증된 신뢰성 데이터를 가진 부품에 우선순위를 두어야 합니다. 모든 무독성 BGA가 동일하게 만들어지지는 않습니다. 마지막으로, 보드 패드 마감과 BGA 볼 합금의 조합은 가정이 아닌 테스트를 통해 확인해야 합니다.

공급망 조정 및 재고 전략

공급업체를 조기에 참여시키세요. 그들은 재고와 생산을 관리하기 위해 전환 일정에 대한 가시성을 필요로 합니다. 무독성 부품의 리드 타임은 다를 수 있으며, 공급 확보는 마지막 순간에 부족하지 않도록 하는 것이 중요합니다. 이원 공급은 더 복잡해지며, 두 공급처 모두 무독성 제품으로 재자격심사를 받아야 할 수도 있습니다. 재고 시기는 낡은 부품의 마지막 구매 주문과 부족한 주문 사이의 균형을 맞춰야 하며, 후자는 구형 재고 위험이 있습니다.

제조 공정 적격성 검사

리플로우 프로필 개발이 첫 번째 작업입니다. 프로필은 SAC 합금과 보드의 열질량에 맞게 최적화되어야 하며, 실제 어셈블리에서 온도계로 온도를 확인하여 중요 위치를 검증해야 합니다. 검사 기준도 변경되어야 합니다. X선 및 자동 광학 검사(AOI) 시스템도 재보정이 필요하며, 허용 가능한 무독성 조인트의 외모는 납땜 조인트와 다르게 보입니다. 파괴적 물리 분석이 포함된 최초 시제품 제작은 생산량에 착수하기 전에 프로세스를 조정하는 데 필수적입니다.

지연할 수 없는 검증 테스트

기존의 납제품에 대한 적격성 데이터는 무독성 버전으로 이전되지 않습니다. 재료 특성, 고장 모드, 열화 메커니즘이 모두 다르기 때문입니다. 신뢰성 테스트는 반복해야 합니다.

적용 분야에 따라 필요한 시험이 다르지만, 열 사이클링은 거의 필수입니다. IPC-9701과 같은 지침에 따라 어셈블리는 예상 필드 환경을 대표하는 수백 또는 수천 번의 온도 사이클에 노출됩니다. 진동과 기계적 충격 시험은 역동적인 환경의 제품에 매우 중요하며, 무독성 납땜은 깨지기 쉬운 특성 때문에 기계적 스트레스에 다르게 반응합니다. 고속 가속수명 시험(HALT)도 설계의 새로운 약점 위치를 빠르게 찾는 데 사용됩니다.

의료, 항공우주 또는 자동차 분야의 제품은 이 검증 및 인증 과정에 1년 이상 걸릴 수 있습니다. 마감일 이후에 이 프로세스를 시작하면 실패나 재설계를 위한 여유 시간이 없습니다. 제품이 '작동하는 것 같아서' 검증을 미루는 것은 현장 신뢰성과 시장 접근성에 대한 도박입니다.

레거시 제품과 혼합 재고 관리

이미 현장에 있는 제품은 독특한 과제를 제시합니다. 납땜 BGAs를 사용하는 시스템의 수리에는 교체 부품에 대한 계획이 필요합니다. 납땜 부품이 더 이상 제조되지 않게 되면, 신중하게 계산된 재고를 의존하거나 유산 보드를 위한 위험한 무독성 재작업 프로세스를 자격 부여해야 합니다.

제조 및 서비스 센터에서는 엄격한 재고 분리 관리를 통해 납땜 부품과 무독성 부품이 우연히 섞이는 것을 방지하는 것이 필수입니다. 일치하지 않는 부품은 예측 불가능한 행동과 신뢰성을 갖는 조립품을 만들 수 있습니다. 추적 가능성을 유지하려면 명확한 라벨링과 공정 제어가 필요합니다.

마지막으로, 단계적 철수는 제품 수명주기와 조율되어야 합니다. 수명이 다가오는 제품에 대해 마지막 구매를 하는 것이 현실적일 수 있지만, 수년의 수명이 남아있는 제품의 전환은 피할 수 없습니다. 지연은 일정만 압축시키고 위험을 배가시킬 뿐입니다.

납된 BGAs에 대한 RoHS 면제 종료는 사소한 규제 업데이트가 아닙니다. 이는 설계의 취약점, 공급망 회복력, 공정 제어의 약점을 드러내는 강제적 역할을 합니다. 조기 시작하고 전환을 신뢰성 엔지니어링 프로그램으로 처리하며 가설을 확실한 데이터로 검증하는 팀이 변화를 성공적으로 헤쳐 나갈 것입니다. 기다리는 팀은 힌지에 놓이게 되어 불완전한 정보로 압박 속에서 결정을 내릴 수밖에 없습니다. 일정은 정해졌으며, 선택은 그것을 어떻게 활용하느냐입니다.