며칠 전 한 친구가 처음으로 발주한 4층 기판 주문 캡처를 같이 봐줬다. 친구가问我 표면 처리를 뭘로 골라야 하냐고 했다. OSP는 추가 비용이 없고, 무전해 금은 10위안 좀 더 드는데, 돈을 더 내는 게 더 좋은 거냐고.
이 문제는 나도 예전에 멍했던 적 있다. 기판 업체가 표면 처리를 유료 옵션처럼 만들어 놓으면, 스마트폰 보호필름을 고르듯 투명 필름인지 무광 필름인지 고르는 것처럼 보인다. 하지만 실제로는 이 기판이 납땜이 잘 되는지, 얼마나 오래 보관할 수 있는지, BGA가 제대로 통과할 수 있는지를 결정한다. 이참에 흔히 쓰는 몇 가지 공정을 정리해 보자. 앞으로 주문할 때 동전 던져서 고르지 않아도 된다.
1. 먼저 이 층이 뭘 막아 주는지부터 알아보자
PCB 패드는 본체가 구리다. 구리는 꽤 활발해서 공기 중에 몇 시간만 노출돼도 변색되기 시작하고, 한두 달 지나면 표면에 산화구리와 염기성 탄산구리 층이 생겨 검거나 푸르게 변한다. 그러면 납땜 인두로 아무리 찔러도 주석이 붙지 않는다.
그래서 솔더레지스트가 덮지 못하는 패드 영역은 출하 전에 반드시 한 겹 더 씌워 구리와 공기를 차단해야 한다. 납땜할 때 이 층은 스스로 물러나야 한다. 어떤 공정은 금속을 도금하고, 어떤 공정은 유기막을 바른다. 접근 방식이 다르니 아래 같은 종류로 나뉜다.
2. OSP, 처리를 안 한 것처럼 보인다
OSP는 유기 솔더 프리저버티브의 약자다. 원리는 아졸계 유기물이 구리 면과 배위 결합해 0.2~0.5마이크로미터 두께의 투명막을 형성하는 것이다.
기판을 받아 보면 패드가 그냥 구리색이다. 내가 처음 OSP를 썼을 때는 업체가 공정을 빼먹은 줄 알고 빛에 비춰 한참을 들여다봤다.
이 막의 수명 논리는 이해해 둘 필요가 있다. 설계 목표는 기판을 리플로우 한 번 통과시키는 것이다. 플럭스와 고온이 막을 분해해 신선한 구리 면을 드러내고, 그 위에서 납땜이 이루어진다. 그래서 OSP는 리플로우를 한두 번 정도만 버틴다. 두 번째는 그럭저럭 가능하지만 세 번째는 사실상 알몸 상태다. 양면 실장 후 리워크 한 번이면 한계에 도달한다.
보관도 마찬가지로 까다롭다. 진공 포장된 상태로 개봉하지 않으면 3~6개월 보관 가능하지만, 한 번 개봉하면 24~48시간 안에 실장하는 게 좋다. 작업대에 올려놓고 먼지 먹은 지 2주가 지난 다음 납땜하려 하면 플럭스로도 못 살린다.
장점은 아주 직접적이다. 가장 싸다. 지금은 JLCPCB의 무료 등급이 전부 이것이다. 막 두께가 1마이크로미터도 안 되니 평탄도가 본질적으로 좋고, 미세 피치도 부담이 없다. 막이 투명해서 육안 검사로는 좋고 나쁨을 판단할 수 없다는 점도 장점이자 단점이다. 단점은 아직 살아 있는지 눈에 보이지 않는다는 것이다.
수작업 납땜을 하는 사람들은 OSP에 대한 체감이 극과 극이다. 내 경험상 첫 납땜은 주석이 잘 붙지 않고 젖음이 느린 편인데, 플럭스를 조금 더 보태면 정상으로 돌아온다. 핫 에어 레벨링에 익숙하던 사람이 OSP로 넘어오면 영 찝찝하게 느낄 수 있다.
3. 핫 에어 레벨링, 납땜 인두파의 백월광
핫 에어 레벨링은 정식 명칭이 HASL이다. 기판을 녹은 주석조에 잠갔다가 뜨거운 바람으로 여분의 주석을 불어 평평하게 만드는 방식으로, 패드 위에 진짜 주석 층을 남긴다.
유연 공정은 Sn63/Pb37이고 녹는점은 183도다. 무연은 SAC 같은 주석-은-구리 합금을 쓰고 녹는점은 대략 217도 전후이며, 표면은 더 무광이고 거칠다.
핫 에어 레벨링의 납땜성은 최고 수준이다. 표면 자체가 주석이라 솔더와 같은 계열이라 인두만 대면 바로 붙는다. 보관 기간은 대략 1년 정도고, 리플로우를 두세 번 견디며, 리워크에도 친화적이다. 흠집이 나도 크게 신경 쓰지 않아도 된다. 예전에는 절대적인 주류였다.
단점도 뚜렷하다. 뜨거운 바람이 완벽하게 평평하게 만들지 못하는 곳에는 주석 봉우리와 주석 구덩이가 남는다. 표면에는 육안으로 보이는 요철이 있고, 빛에 반사시켜 보면 파도처럼 보인다. 0.5mm 피치 이하의 BGA, QFN은 이 표면에서 문제가 생긴다. 양쪽 패드의 주석 양이 달라 리플로우 때 부품이 한쪽으로 기울어질 수 있다. 두께도 일정하지 않다. 얇은 곳은 1~2마이크로미터, 두꺼운 곳은 수십 마이크로미터다. 또한 기판 전체가 고온 주석조를 거치며 열 충격을 받아 대형 기판이나 얇은 기판은 휘기 쉽다.
또 하나, 유연 핫 에어 레벨링은 RoHS를 만족하지 못하니 수출용이면 고르지 말아야 한다.
직관에 반하는 사실이 하나 있다. JLCPCB는 최근 몇 년 사이 무료 샘플 제작과 일반 주문의 핫 에어 레벨링을 거의 내렸고, OSP로 전면 전환했다. 공식 이유는 핫 에어 레벨링의 주석 접착 불량 민원율이 OSP보다 훨씬 높다는 것이다. 처음에는 나도 이해가 안 갔다. 핫 에어 레벨링이 왜 납땜이 잘 안 된다는 거지? 나중에 깨달았다. 무연 핫 에어 레벨링의 주석 면 산화와 주석 찌꺼기 문제는 실장 업체의 양산 라인에서 더 자주 사고를 낸다. 손납땜에 좋다는 것과 기계 실장에 좋다는 것은 별개의 문제다. 납땜 인두파의真爱와 SMT 라인의 선호 표면이 반드시 같을 필요는 없다.
4. 무전해 금, 비싼 데는 이유가 있다
무전해 금의 정식 명칭은 ENIG, 즉 무전해 니켈/금이다. 두 겹 구조다. 먼저 3~6마이크로미터의 니켈을 화학 도금해 베이스를 만들고, 그 위에 0.05~0.1마이크로미터의 얇은 금층을 침지해 덮는다.
여기서 금의 역할은 보디가드이고, 니켈이 본체다. 금은 보관 기간 동안 산소를 막아 주고, 실제 납땜 단계에서는 금이 솔더에 녹아 들어간다. 실제로 솔더 조인트를 형성하는 것은 아래쪽의 니켈이다.
ENIG 기판은 금빛이 선명하고 평탄도가 아주 좋다. 미세 피치 부품의 표준 선택지다. 보관 기간은 12개월까지 가능하고, 리플로우를 세 번 이상 거쳐도 부담이 없다. 양면 실장 후 리워크까지도 문제없이 통과한다. JLCPCB 샘플 제작의 추가 요금 옵션이 바로 이것이다. 10x10 기판 한 장에 10위안 좀 더 내고 마음 편한 걸 사는 셈이다.
함정도 하나 있다. 블랙 패드다.
침지 금은 치환 반응이다. 금 이온이 니켈 원자를 빼내고 자기 자리를 차지한다. 약액 제어가 나쁘면 니켈 면이 과도하게 부식되어 인 함량이 높은 블랙 니켈 층이 생긴다. 이런 패드는 외관상 완전히 정상이어서 번쩍번쩍 금빛이지만, 납땜하면 바로 들통난다. 솔더 조인트가 취약해져서 살짝만 구부려도 떨어지고, 파단면이 검다. 판단 기준 중 하나는 파단면의 인 함량이 15%를 넘는 것이다.中招 확률이 아주 높지는 않지만, 이건 로트 단위로 발생한다. 한 번 망하면 한 로트가 다 망하고, 리워크도 불가능하며 전량 폐기해야 한다. 군용이나 의료처럼 도박할 수 없는 분야에서는 돈을 더 내고 ENEPIG를 써서 근본적으로 해결한다. 뒤에서 다시 설명하겠다.
고주파에서는 또 다른 계산이 필요하다. 니켈의 저항률은 구리의 네 배가 넘고, 강자성까지 있다. 스킨 깊이는 1GHz에서 대략 2마이크로미터, 10GHz에서는 0.66마이크로미터밖에 남지 않는다. 그런데 금층은 0.1마이크로미터도 안 되므로 전혀 막아 주지 못한다. RF 경로 위 패드의 전류가 대량으로 니켈 층으로 들어가며, 아무 이유 없이 0.x dB의 손실이 생긴다. 그래서 밀리미터파 기판이나 RF 테스트 지그는 오히려 ENIG를 피하고 OSP나 무전해 은을 쓴다. 가장 많은 돈을 쓰고 가장 중요한 일을 망치는 일, 이런 건 RF 분야에서 자주 일어난다.
5. 전체 표
| 항목 | OSP | 핫 에어 레벨링 HASL | 무전해 금 ENIG |
|---|---|---|---|
| 비용 | 최저 | 낮음 | 높음 |
| 평탄도 | 좋음 | 나쁨, 주석 봉우리 있음 | 매우 좋음 |
| 납땜성 | 보통, 젖음 느림 | 최고 | 좋음 |
| 보관 기간 | 3~6개월 | 6~12개월 | 약 12개월 |
| 리플로우 내성 | 1~2회 | 2~3회 | 3회 이상 |
| 미세 피치 BGA/QFN | 가능 | 불가 | 첫 선택 |
| 고주파 손실 | 낮음 | 보통 | 패드 부분에서 높음 |
| 주요 위험 | 막 열화 여부를 눈으로 확인 불가 | 불평탄, 열충격 | 블랙 패드 |
6. 주문 페이지에서는 잘 안 보이지만 마주칠 수 있는 것들
무전해 은. 0.1~0.4마이크로미터의 순수 은층을 침지한다. 은의 전기 전도도는 구리보다도 높아서, 실제 측정상 무전해 은 처리한 회로의 손실은 기준보다 1~2% 정도만 늘어난다. 여러 공정 중 가장 보기 좋다. 비용은 OSP와 ENIG 사이쯤이다. 함정은 황이다. 공기 중의 황화물이 은 면을 서서히 누랗고 검게 만든다. 대부분의 경우 납땜에는 영향이 없더라도 접촉 저항은 변할 수 있어 장기 보관은 피해야 한다. 고속 디지털 기판과 RF 기판에서 많이 쓴다.
무전해 주석. 약 1마이크로미터의 순수 주석을 침지한다. 평탄하고 저렴하며 솔더와 같은 계열이라 젖음이 아주 좋다. 백플레인의 프레스핏 커넥터처럼 특정 용도에서는 이것을 요구한다. 함정은 두 가지다. 하나는 주석 휘스커다. 순수 주석 도금층은 본질적으로 결정 수염을 잘 키우는데, 시간이 지나면 미세 피치 패드 사이를 잇고 단락을 일으킬 수 있다. 고신뢰성 제품은 이것을 매우 꺼린다. 두 번째는 주석과 구리가 지속적으로 상호 확산하며 금속간 화합물을 만들어, 순수 주석층이 서서히 소모된다는 점이다. 그래서 보관 기간도 짧고 6개월 안에 쓰는 게 좋다. 고주파 손실은 무전해 은보다 꽤 나쁘다. 주석의 저항률은 구리의 여섯 배가 넘는다.
ENEPIG, 무전해 니켈/팔라듐/금. 니켈과 금 사이에 0.1~0.2마이크로미터의 팔라듐 층을 하나 더 끼워 침지 금액과 니켈을 차단한다. 블랙 패드가 원리상 사라진다. 금층은 금선 본딩도 감당할 수 있어 COB 공정, 군용, 의료 분야의 영역이다. 단점은 하나뿐이다. 비싸다. 가정용 샘플 기판에서는 거의 볼 수 없다.
전해 경질 금. 전해 니켈/금층으로, 금에 코발트를 섞어 경도를 높인다. 두께는 3마이크로미터 이상이며, 뽑고 꽂는 마모를 견디도록 한다. 메모리 모듈과 그래픽카드의 금색 핑거가 바로 이것이다. 필요한 영역에만 도금하고, 나머지 패드는 보통 ENIG나 OSP를 쓴다. 기판 전체를 경질 금으로 도금하는 건 돈을 태우는 행위다. 내 기판에 버튼 접점, 금색 핑거, 가장자리 커넥터가 있다면 주문 비고에 꼭 적어야 한다.
7. 그럼 나는 뭘 골라야 하지
상황별로 따라 하면 된다.
| 네 상황 | 권장 공정 |
|---|---|
| BGA, 0.4mm 피치 QFN 있음 | ENIG |
| 기판을 6개월 이상 보관 후 납땜 | ENIG |
| 양면 실장 후 리워크, 리플로우 2회 초과 | ENIG |
| 양산형 소비자 전자, 단일 실장, 비용이 절대적 | OSP |
| 샘플 검증, 미세 피치 부품 없음 | OSP, 공짜로 |
| 주로 수작업 납땜, 리워크 잦음 | 핫 에어 레벨링, 이 옵션이 남아 있는 업체로 |
| 고속 RF, PCIe, DDR5, 밀리미터파 | 무전해 은 또는 OSP, 니켈 회피 |
| 금색 핑거, 버튼, 삽입부 | 경질 금 도금, 나머지 패드는 ENIG |
| COB 본딩, 고신뢰성 | ENEPIG |
| 백플레인 프레스핏 커넥터 | 무전해 주석 |
내 기본 선택은 이렇다. 2층이나 4층 샘플 기판에 BGA가 없으면 OSP로 공짜를 쓰고, BGA가 있거나 기판이 양산 라인에 들어갈 물건이면 ENIG를 쓴다. 추가되는 10위안 정도가 BGA 하나 리워크하는 비용보다 훨씬 싸다. 수작업 납땜용 기판은 아직 핫 에어 레벨링을 유지하는 작은 업체를 찾는다.
주문 페이지의 그 칸은 오늘부터 눈 감고 눌러도 된다.
참고 출처 · JLCPCB 공식 공지(무료 샘플 제작 OSP로 핫 에어 레벨링 대체) · 立創商城 무전해 금과 도금 기초 설명 · 捷配 표면 처리 신호 무결성 비교 · NCAB 표면 처리 공정 상세 설명 · 21ic ENIG 블랙 패드 고장 분석