2003년 12월 유럽연합이 “무연”을 공식적으로 법제화한 이후 전 세계 전자 산업은 큰 충격을 받았습니다. 2006년 7월에는 폐전기전자장비(WEEE) 및 유해물질 제한(RoHS)에 관한 EU 지침이 발효되었습니다. 동시에 전자 패키징 산업에 대한 일본 전자정보기술산업협회(JEITA)와 미국 전기제조업협회(NEMA)의 무연 및 무할로겐 규정도 발효되었습니다. 이때부터 시장에 출시되는 전자 제품에는 납, 수은, 카드뮴, 6가 크롬 또는 제한된 양의 폴리브롬화 비페닐(PBB) 또는 폴리브롬화 디페닐 에테르(PBDE) 및 기타 유해 물질이 포함되지 않아야 합니다. 이러한 변화는 글로벌 공급망과 PCB 부문을 포함한 관련 산업의 발전에 영향을 미칩니다. 이 글에서는 원자재 관리, 무연 공정의 선택 및 제어, SMT 최종 조립에 걸쳐 차세대 PCB 제품이 점점 더 엄격해지는 환경 규정을 충족할 수 있는 방법을 설명합니다.
1. 원자재 선택 및 관리
수은, 카드뮴, 6가 크롬은 PCB 산업에서 거의 사용되지 않는다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 습식 공정에서 미량으로 사용되는 경우를 제외하면 PCB 제조업체는 이러한 원소를 의도적으로 사용하지 않습니다. 따라서 원자재와 공정을 선택할 때 납(Pb)과 할로겐 수준을 제한 이하로 유지하는 것이 기본 환경 규정을 충족하기 위한 주요 요건입니다. PCB 표면 금속 마감의 경우 무연(0.1% Pb 이하)이 목표입니다. 기존 PCB와 SMT 산업에서는 HASL 및 솔더 페이스트와 같은 납-주석 합금을 많이 사용했습니다. 납은 중금속 원소이며 자연계에 널리 존재합니다. 납 섭취량이 안전 수준을 초과하면 빈혈, 칼슘 결핍, 면역력 저하와 같은 증상이 나타날 수 있습니다.
1.1 무연 솔더를 사용하는 이유는 무엇인가요?
땜납의 납으로 인한 피해: 땜납에 포함된 납은 일부 규모에서는 전체 납 사용량에서 차지하는 비중이 작지만, 확산될 수 있고 완전히 회수하기 어렵습니다. 환경 오염과 납 중독에 대한 우려로 인해 납을 멀리하는 움직임이 확산되고 있습니다. PCB에서 할로겐(불소 F, 염소 Cl, 브롬 Br, 요오드 I)은 주로 라미네이트와 잉크에 사용됩니다.
1.2 자료 심사
완성된 PCB는 주로 라미네이트(기본 재료), 금속 표면 마감층, 잉크의 세 가지 그룹으로 구성됩니다.
1.2.1 기본 자료
다음과 같은 일반적인 라미네이트 FR-4 및 CEM-3에는 브롬화 에폭시 수지가 많이 포함되어 있는 경우가 많습니다. 이러한 수지에는 테트라브로모비스페놀 A, 폴리브롬화 비페닐, 폴리브롬화 디페닐 에테르가 포함될 수 있습니다. 이러한 물질이 연소하면 다이옥신(TCDD) 및 퓨란과 같은 독성이 강한 화합물을 방출할 수 있습니다. 이러한 화합물을 사람이 섭취하면 체내에서 제거하기 어렵고 건강에 심각한 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 구리 피복 라미네이트 산업은 할로겐 프리 기본 재료로 전환해야 합니다. 무할로겐이란 염소와 브롬이 모두 약 0.09% 미만인 것을 의미합니다. 브롬 함유 에폭시 수지를 대체하기 위해 인 함유 에폭시 수지를 사용합니다. 질소 함유 페놀 수지를 사용하여 기존의 디시안디아마이드 경화제를 대체합니다.
또한 친환경 라미네이트는 내열성이 강해야 합니다. 변색, 박리, 변형, 뒤틀림 없이 약 260°C의 무연 SMT 리플로우 사이클을 여러 번 견뎌내야 합니다.
1.2.2 표면 금속층
현재 업계에서는 납-주석 합금 대신 주석-은-구리 공식(예: 95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu)의 무연 HASL을 널리 사용하고 있습니다. 무연 PCB 표면 코팅은 우수한 습윤성과 흐름을 보여야 합니다. 또한 열 스트레스가 적고 고온에서 산화에 저항해야 합니다. 이는 무연 SMT 공정에 도움이 됩니다. 또한 HASL에 사용되는 플럭스는 친환경적이고 재활용이 가능해야 하며 SMT 플럭스와 호환되어 함께 리플로우할 수 있어야 합니다.
1.2.3 잉크
PCB에 남는 잉크에는 솔더 마스크 잉크, 범례 잉크 및 비아 필 잉크가 있습니다. 잉크 포뮬러는 라미네이트 포뮬러와 유사합니다. 주로 수지, 브롬화 난연제, 경화제가 포함되어 있습니다. 많은 최신 잉크 브랜드는 이미 유해 물질이 없는 잉크를 생산하고 있습니다. 잉크 선택은 환경 규정을 충족해야 하며, 반복되는 고온 무연 SMT 사이클을 견뎌내야 합니다. 잉크는 가공 후 박리, 변색, 벗겨짐, 균열이 없어야 합니다.
1.2.4 무연 재료 관리
원자재 관리는 친환경 PCB 생산을 위한 매우 중요한 연결고리입니다. 예를 들어 납이 함유된 솔더 바를 순수 주석 냄비에 실수로 첨가하면 그 결과는 치명적일 수 있습니다. 플럭스와 같은 간접 재료의 잔류물도 무시해서는 안 됩니다. 실용적인 조치에는 다음이 포함됩니다:
무할로겐 및 무납 원재료에 대한 재료 코드를 설정합니다.
외부 및 내부 포장에 컬러 마크를 사용하고 승인된 “녹색” 라벨을 인쇄합니다.
친환경 자재를 창고와 생산 현장에 별도로 보관하세요. 생산 현장에 추가할 특정 직원을 지정하세요.
“친환경 적격 공급업체” 인증 프로그램을 구현합니다.
2. 무연 공정의 선택 및 제어
PCB용 무연 표면 공정에는 전기도금 Ni/Au, 무전해 Ni/침지 Au, OSP(유기 납땜성 보존제), 침지 주석(화학 주석), 침지 은(화학 은) 등이 있습니다.
2.1 무연 공정 도입 단계
엔지니어링 설계 → 기술 개발 → 신뢰성 평가 → 자재 조달 → 프로젝트 구현 및 기술 출시의 단계를 따르세요.
2.2 프로세스 구현 및 제어
2.2.1 엔지니어링 CAM 설계
친환경 PCB를 위한 프로젝트 수준의 설계는 SMT 후처리 및 조립 후 PCB 기능에 미치는 영향을 고려해야 합니다. CAM 작업은 SMT 단계를 고려해야 합니다.
레이아웃 디자인 예시(라우팅 및 패드 모양):
웨이브 또는 선택적 납땜 중 부품의 움직임을 방지합니다. 브리징 위험을 줄이려면 일부 패드 직경을 조금 더 작게 만드세요.
웨이브 솔더링 중 QFP 리드 브리징을 방지합니다. 필요한 경우 QFP 부품을 기울이고 더미 납땜 영역을 설계합니다.
소프트멜트 칩의 경우 앞의 규칙을 유지하세요. 보호 필름 구멍을 안쪽 가장자리 근처에 배치합니다.
보드 뒤틀림 방지:
보드의 내열성을 확인합니다. 습기가 있는 상태에서 소프트멜트 최고 온도에 주의하세요.
대형 보드나 무거운 부품을 운반하는 보드의 경우 중앙에 지지대를 준비하여 뒤틀림을 줄이세요.
부품을 배치할 때는 열 질량 분포가 균일하게 이루어지도록 하세요.
얇은 다층 보드나 홈이 파인 보드는 소프트멜트 열에 의해 쉽게 휘어질 수 있습니다. 모양과 크기를 신중하게 고려하세요.
2.2.2 기술 개발
공정 개발 및 제어는 친환경 PCB 생산을 위한 핵심 영역입니다. 실제적인 조치는 다음과 같습니다:
친환경 소재와 비친환경 소재를 같은 라인에서 사용하지 마세요. 개발 및 최종 세척과 같은 공정을 분리합니다.
MI(제조 지침) 시트에 친환경 제품을 표시합니다. 무연 공정을 확인하는 서명을 요구하여 작업자에게 이를 상기시킵니다.
친환경 제품 생산 도구와 비품에 눈에 잘 띄는 라벨을 부착하세요.
잉크는 반복되는 고온 무연 SMT를 견뎌야 합니다. 전처리와 기판 건조가 매우 중요합니다. HASL 또는 무연 SMT 후에는 홀 가장자리에서 잉크가 벗겨질 수 있습니다. 이는 종종 구멍과 표면에 남아 있는 수분으로 인해 발생합니다. 고열에서는 수분이 팽창하여 잉크를 구리에서 분리합니다.
솔더 마스크 잉크에 시너를 첨가하지 마십시오. 이렇게 하면 고열에서 구멍의 용제가 빠르게 증발하여 구멍이 손상되는 것을 방지할 수 있습니다.
HASL 솔더 포트의 구리 함량을 0.85% 미만으로 유지하세요.
2.2.3 신뢰성 평가
친환경 PCB는 비친환경 PCB에 비해 더 강력한 신뢰성 테스트가 필요합니다. 이러한 테스트를 추가하세요:
납땜성 테스트. 프로덕션에서 사용하는 것과 동일한 유형의 무연 납땜을 사용합니다.
열충격 테스트. 조건: -40°C / 85°C / 125°C. 3000회 사이클 후 균열이 없어야 합니다.
열 순환 테스트. 균열 및 수축 공극이 없습니다.
습열 테스트. 조건: 60°C 및 90-95% RH에서 500시간 동안. 장기간 고온 다습한 환경에서 금속 수염과 같은 제품이 나오지 않아야 합니다.
3. SMT 최종 조립의 친환경 PCB
3.1 무연 SMT 특성
무연 땜납은 융점이 더 높습니다. 습윤성과 흐름이 낮고 열 응력이 높으며 습윤성이 떨어지고 산화가 더 잘 일어납니다. 따라서 더 엄격한 제조 조건과 품질 관리가 필요합니다.
3.1.1 SMT 라인 설계
예열 온도를 높입니다. SMT 라인 속도를 약 1.2~1.8m/min으로 제어합니다. 컨베이어 기울기를 3~5도로 설정합니다. 필요한 경우 열 보정을 제공하여 SMT 영역이 안정적인 온도를 유지하도록 합니다.
좋은 습윤을 위해 적절한 예열 온도 범위를 유지하세요.
납땜 포트 및 열 제어:
보드의 부품 표면 온도는 보장된 열 한계 이하로 유지되어야 하며, 보드 뒷면은 약 250°C에 도달할 수 있습니다. 가열 단계 사이의 거리를 짧게 하여 웨이브 사이의 온도 강하를 약 55°C 이내로 유지합니다.
Sn-Ag-Cu 솔더를 사용하는 경우 첫 번째 웨이브 사용을 중단할 수 있습니다.
3.1.2 수동 재작업 납땜
납땜 인두 온도를 약 370 ± 10°C로 설정합니다. 크롬 도금 팁을 사용합니다. 3초와 같이 짧은 접촉 시간에는 80W 다리미를 사용합니다. 기판을 50~60°C로 예열합니다. 납땜 인두를 오랫동안 사용하지 않을 경우 팁에서 오염 물질을 닦아내세요. 팁에 새 땜납을 적신 다음 전원을 꺼서 산화를 방지하세요.
3.1.3 질소 보호 사용과 그 이점
프로세스 분위기를 개선하세요.
부품 리드의 산화를 줄이고 납땜 습윤을 개선합니다.
납이 없는 조인트는 광택이 덜하므로 외관이 개선됩니다.
무연 공정에서 장시간 고온 노출로 인한 색상 변화를 줄입니다.
3.2 연구 및 특별 프로세스 참고 사항
3.2.1 특수한 경우를 위한 옵션으로 125°C 미만의 저융점 솔더를 연구하세요.
3.2.2 국부 가열 방법(스팟 가열, 적외선 또는 RF)을 사용하여 특정 부품을 240~260°C에서 납땜합니다. 부품은 40초 이상 열을 견뎌야 합니다. 국부 가열 도구에는 레이저, 제논 플래시(비접촉식), 핫 슬라이더 또는 펄스 히터(접촉식)가 포함될 수 있습니다.
3.2.3 다음과 같은 표준을 따르세요. ISO 14000 및 고객 프로세스 사양을 준수합니다. 무연 및 무할로겐 소재, 공기 정화, 약 90%의 플럭스를 필터링하고 재활용할 수 있는 플럭스 회수 시스템 등 친환경적인 관행을 실천하고 있습니다.
3.2.4 PCB에 필요한 경우 곰팡이 방지 및 진드기 방지 조치를 사용하세요.
3.2.5 재활용 및 생분해성 유기 PCB 기판을 연구하고 적용합니다.
4. 엔지니어 및 프로덕션 팀을 위한 요약 체크리스트
모든 원자재 분석 증명서(COA)를 확인합니다. 할로겐과 납 수치가 한도 이하인지 확인합니다. 감사를 위해 COA 파일을 보관하세요.
무연 및 무할로겐 재료에는 별도의 보관함과 명확한 라벨을 사용합니다. 교차 오염을 방지하기 위해 직원을 교육합니다.
무연 처리를 위한 CAD 및 CAM 규칙을 업데이트합니다. 필요에 따라 패드 크기와 솔더 마스크 개구부를 조정합니다.
시험 실행을 수행하고 납땜성, 열 충격, 열 순환 및 습열 테스트를 평가합니다. 결과를 추적하고 기준선과 비교합니다.
HASL 수조 구성을 제어하고 구리 함량을 모니터링합니다. 도금 및 세척 공정을 잘 제어하세요.
SMT 라인의 예열 구역이 안정적인지 확인합니다. 가능하면 질소를 사용하여 산화를 줄이세요.
고온 공정 전에 수분을 제거하기 위해 건조 및 베이크 아웃 단계를 개선합니다. 기판 건조에는 제어식 오븐을 사용합니다.
제품 사용이나 환경에 추가적인 습기 보호가 필요한 경우 컨포멀 코팅을 적용합니다.
공급업체 감사를 유지하고 친환경 자격을 갖춘 공급업체만 승인합니다. RoHS 및 할로겐 프리 상태에 대한 공급업체의 선언을 요구합니다.
수명이 다한 제품의 재활용을 계획합니다. 가능한 경우 분해 및 재료 회수가 가능하도록 설계합니다.
5. 최종 참고 사항
RoHS 규정을 준수하는 것은 단순한 물질적 변화가 아닙니다. 전체 공급망에 걸친 변화입니다. 재료 선택, 공장 공정 제어, 제품 설계 및 최종 조립에 영향을 미칩니다. 또한 테스트 및 장기적인 신뢰성 작업에도 변화가 생깁니다. 팀은 신중하게 계획하고 단계적으로 행동해야 합니다. 엄격한 자재 관리와 CAM 설계부터 시작하세요. 안정적인 무연 공정을 개발합니다. 철저한 신뢰성 테스트를 실행합니다. 작업자를 교육하고 명확한 기록을 유지합니다. 이러한 단계를 통해 PCB 제조업체는 고객과 환경을 위해 RoHS를 준수하고 신뢰할 수 있는 제품을 제공할 수 있습니다.
