LED SMT 리플로우 납땜 결함 엑스레이 검사 평가.

LED SMT 리플로 솔더링 결함 엑스레이 검사 평가는 광학 검사로는 보이지 않는 보이드, 균열, 솔더 부족 또는 잘못 정렬된 부품과 같은 숨겨진 솔더 접합 결함을 감지하기 때문에 매우 중요합니다. 적절한 납땜 연결을 보장함으로써 LED 신뢰성을 개선하고 조기 고장을 방지하며 조명 및 디스플레이 애플리케이션에서 일관된 성능을 유지합니다. 이 비파괴 검사 방법은 제조 품질을 향상시키고 비용이 많이 드는 재작업을 줄이며 전자 어셈블리에 대한 산업 표준을 충족하는 데 도움이 됩니다. 이 장에서는 일반적인 LED SMT 납땜 결함에 대해 자세히 살펴보고 간략하게 설명하고자 합니다.

첫 번째 결함은 납땜 보이드의 비율입니다. 이러한 보이드는 종종 LED 칩의 납땜 층에 형성됩니다. 이는 리플로우 오븐의 가열 과정에서 솔더에 갇힌 공기 또는 플럭스 화합물의 팽창으로 인해 발생합니다. 솔더 조인트의 신뢰성은 솔더 합금뿐만 아니라 LED 디바이스 및 PCB의 금속 도금에 따라 달라집니다. 또한 리플로우 솔더링 공정의 시간과 온도 프로파일은 솔더 조인트의 습윤 특성 및 미세 구조에 영향을 미치기 때문에 무연 솔더 조인트의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 주석-납 솔더에 비해 무연 솔더는 온도 순환으로 인한 열 응력 및 피로 균열로 인해 조인트에서 부서지기 쉬운 고장이 발생하기 쉽습니다. NX-EF와 같은 Nectec의 X-선 검사기는 비파괴 검사 방법을 사용하여 SMT 리플로우 솔더링 후 솔더 조인트의 보이드 비율을 테스트하고 결함 제품을 제거하며 램프 비드의 열이 알루미늄 기판으로 완벽하게 전도되는지 확인하여 램프의 수명이 설계 요건을 충족하는지 보장할 수 있습니다. 

솔더링 보이드의 원인 중 하나는 지나치게 높은 보이드 비율입니다. 열충격 테스트 환경에서 기포의 열팽창과 수축으로 인해 솔더 균열이 발생하여 LED 칩의 신뢰성이 저하될 수 있습니다. 이는 높은 보이드 비율로 인한 열 저항 증가 및 열 전도성 감소와 같은 문제로 직접적으로 이어집니다. 패드가 큰 LED 칩의 경우 높은 보이드 비율은 열 방출에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 보이드 비율이 높을수록 열 저항이 커지고 방열 성능이 저하됩니다.

두 번째 결함은 솔더 볼입니다. 전자 회로 기판은 부품 밀도가 높고 간격이 좁기 때문에 사용 중에 솔더 볼이 떨어질 수 있습니다. 그 이유는 과도한 솔더 페이스트, 부적절한 리플로 프로파일 또는 오염으로 인해 의도하지 않은 작은 솔더 구가 형성될 수 있기 때문입니다. 이러한 스트레이 솔더 볼은 특히 고밀도 PCB 설계에서 인접한 전도성 트레이스 또는 핀을 연결하여 단락을 일으킬 수 있으므로 칩 구성 요소에 심각한 위험을 초래할 수 있습니다. 또한 작동 중에 이동하면 전기 누설, 신호 간섭 또는 부품 고장으로 이어질 수 있습니다. LED 또는 IC 패키지와 같이 미세 피치 또는 소형화된 어셈블리에서 솔더 볼은 기계적 응력을 발생시키거나 적절한 열 방출을 방해하여 신뢰성을 더욱 떨어뜨릴 수 있습니다. 솔더볼의 존재는 종종 공정 제어가 제대로 이루어지지 않았음을 나타내므로 장기적인 성능 문제를 방지하기 위해 스텐실 설계, 솔더 페이스트 적용 또는 리플로 매개변수에서 수정 조치가 필요합니다. 다른 한편으로는 작업자의 안전에 대한 관심도 필요합니다.

솔더 볼은 PCB 취급 및 조립 시 작업자에게 심각한 위험을 초래할 수 있습니다. 이 작은 금속 구가 작업 공간에 흩어지면 실수로 흡입하거나 피부에 닿아 납이나 플럭스 잔류물로 인해 호흡기 자극이나 알레르기 반응을 일으킬 수 있습니다. 또한 바닥에 납땜 볼이 있으면 미끄러질 위험이 있고, 장비에 갇히면 전기 합선이나 스파크가 발생하여 화상이나 화재의 위험이 높아질 수 있습니다. 대량 생산의 경우 납땜 튄 자국에 반복적으로 노출되면 장기적으로 작업장 안전 문제가 발생할 수도 있습니다.

세 번째 결함은 잘못된 납땜, 냉납땜, 빈 납땜 및 가상 납땜 문제로 분류됩니다. 잘못된 납땜의 경우 솔더가 연결되는 것처럼 보이지만 산화 및 플럭스 잔류물과 같은 오염 또는 불충분한 열로 인해 적절한 야금 결합이 이루어지지 않을 때 발생합니다. 그 결과 솔더 접합부는 괜찮아 보이지만 스트레스 또는 전기 테스트에서 실패할 수 있으며, 냉납땜의 경우 리플로우 중에 솔더가 완전히 녹지 않아 접합부가 둔하거나 거칠거나 균열이 생기는 경우가 발생합니다. 이는 불충분한 리플로우 온도, 고르지 않은 가열 또는 조기 냉각으로 인해 기계적 및 전기적 연결이 약해져 발생합니다. 빈 솔더링의 경우 솔더가 패드 또는 부품 리드를 제대로 적시지 못해 솔더 조인트가 없거나 불완전할 때 발생합니다. 솔더 페이스트 도포 불량, 정렬 불량 또는 패드 오염으로 인해 연결에 틈이 생길 수 있으며, 마지막으로 가상 솔더링의 경우 간헐적으로 연결이 작동했다가 실패하는 등 간헐적인 연결이 발생할 때 발생합니다. 이는 일반적으로 미세한 균열, 습윤 불량 또는 기계적 스트레스로 인해 발생합니다.

초기 테스트는 통과하지만 진동이나 열 순환에서는 실패하는 경우가 많습니다. 가납땜은 진정한 접착 없이 겉으로만 결합하는 반면, 냉납땜은 불충분한 용융으로 인해 조인트가 깨지기 쉽다는 점에서 구별할 수 있습니다. 빈 납땜은 납땜 재료가 없는 것을 의미하며, 가상 납땜은 간헐적으로 실패하는 불안정한 연결입니다. 냉납땜과 오납땜은 열이나 오염 문제와 같이 공정과 관련된 경우가 많으며, 빈 납땜은 페이스트 증착이나 배치 오류로 인해 발생합니다. 가상 납땜은 현장 장애가 발생할 때까지 감지되지 않을 수 있기 때문에 특히 위험합니다.

네 번째 결함은 콜드 솔더 조인트, 브리징 및 툼스톤 문제로 세분화할 수도 있습니다. 실제 사례 연구를 통해 이 부분에 대해 설명하겠습니다. 우선, Nectec의 이전 고객 중 한 명이 리플로우 솔더링 후 솔더 페이스트의 솔더링 결과를 관찰하기 위해 공극률 테스트를 요청했습니다. 실시간 X-레이 이미징을 사용하여 LED 패키징을 검사한 결과, 방열 패드의 보이드 비율이 모든 경우에서 30%를 초과하는 상당한 수의 솔더링 보이드가 발견되었습니다. 납 함유 솔더에 비해 무연 솔더는 온도 순환으로 인한 열 흐름 및 피로 균열로 인한 취성 조인트 고장이 발생하기 쉽습니다. 솔더 공극률이 지나치게 높으면 열충격 테스트 중 기포의 열팽창과 수축으로 인해 솔더 균열이 발생하여 LED 칩의 신뢰성이 저하됩니다. 

공교롭게도 어느 날 Nected의 다른 고객이 이메일을 통해 자신의 제품에서 38%를 초과하는 높은 확률로 데드 픽셀이 발생한다고 보고하고 분석 보고서를 제공해 달라고 요청해 왔습니다. 드라이버, 방열판 무게, 방열판 표면적, 열 접착제, 알루미늄 기판의 열 전도성, 회로 단락 여부 등 일련의 문제를 배제하고도 여전히 데드 픽셀의 원인을 파악할 수 없었습니다. 상황을 분석한 결과, 리플로우 납땜 공정의 솔더 레이어가 테스트되지 않았다는 사실을 발견했습니다. 그 후 비파괴 X-레이 검사를 실시한 결과, 소손된 LED 뒤의 솔더 레이어에 보이드가 있으며, 보이드 영역이 일반적으로 패드 면적의 25% 이상을 차지한다는 사실을 발견했습니다. 또 다른 사례는 LED 방열 문제가 여전히 해결되지 않았다고 보고한 Nectec의 조명 고객과 관련된 것이었습니다. 엑스레이 검사를 실시한 결과, 해당 제품의 용접 공극률이 40%에 달했으며 테스트한 모든 샘플의 공극률이 10%를 초과하는 것으로 나타났습니다. 샘플 중 37%는 공극률이 20%에서 30% 사이, 42%는 공극률이 30%에서 40% 사이, 12%는 공극률이 40% 이상으로 상당히 우려할 만한 수준이었습니다. 개선 계획을 실행한 후 리플로우 솔더링 시 10% 이하의 보이드 비율을 유지했고, 고객은 매우 만족했습니다.