최근 측정면적이 0402(0.4㎜ × 0.2㎜) 마이크로칩 보다 40% 이상 적은 새로운 03015(0.3㎜×0.15㎜) 마이크로칩의 등장은 표면실장 부품 소형화의 최첨단으로 요약할 수 있다. 본고에서는 보드 및 부품 트렌드를 알아보고, 성공적인 03015 부품 채택을 위해 플레이스먼트 기기, 어셈블리 재료들 그리고 프로세스 컨트롤의 3가지 민감한 부문을 탐구해 본다. 머신의 요구사항을 뛰어 넘어, 테이핑 사양의 중요성, 부품의 외형, 솔더 필렛, 간격 그리고 스텐실 디자인도 알아본다. 또한 어떻게 APC(Adaptive Process Control)가 생산라인의 수율을 증대할 수 있고, 패드 정보보다 솔더 포지션에 따라 부품을 실장함으로써, 대두되는 불량들을 감소할 수 있는지에 대해서도 실험해 볼 것이다.



PCB 어셈블리 산업계에서는 전자기기 디바이스의 ‘소형화, 경량화, 고속화’ 주문을 오랫동안 수용해 왔다. 특히, 유비쿼터스 모바일 디바이스에서는 이러한 요구가 더 강해져 왔다. 제조업체들이 스마트폰 기능과 성능을 높여감에 따라 디자이너들은 고밀도 패키징을 실현할 수 있는 소형 부품을 채택할 수밖에 없어졌다. 최근 측정면적이 0402(0.4㎜ × 0.2㎜) 마이크로칩 보다 40% 이상 적은 새로운 03015(0.3㎜×0.15㎜) 마이크로칩의 등장은 표면실장 부품 소형화의 최첨단으로 요약할 수 있다. 본고에서는 보드 및 부품 트렌드를 알아보고, 성공적인 03015 부품 채택을 위해 플레이스먼트 기기, 어셈블리 재료들 그리고 프로세스 컨트롤의 3가지 민감한 부문을 탐구해 본다. 머신의 요구사항을 뛰어 넘어, 테이핑 사양의 중요성, 부품의 외형, 솔더 필렛, 간격 그리고 스텐실 디자인도 알아본다. 또한 어떻게 APC(Adaptive Process Control)가 생산라인의 수율을 증대할 수 있고, 패드 정보보다 솔더 포지션에 따라 부품을 실장함으로써, 대두되는 불량들을 감소할 수 있는지에 대해서도 실험해 볼 것이다. 03015 부품 실장에 있어서 오늘날의 프로세스 고려사항을 이해하고, 미래의 성공적인 실장으로 전환하고자 하는 큰 도움이 될 것으로 기대한다.

서문

더 낮아진 가격에서 더욱 다기능화 된 소형, 경량, 고속 디바이스에 대한 산업계의 만족할 줄 모르는 요구는 전자산업 제조업체들을 장기간 견인하고 있다. 특히 모바일 디바이스 부문에서 소형화 수요는 강하게 나타났다. 초창기 삽입형(PTH) 디바이스가 등장했던 1960년대 이래로 소형 부품의 사용 증가세는 멈추지 않고 있다. PCBA 산업계는 커패시터 및 레지스터와 같은 수동소자의 크기와 무게를 지속적으로 줄여오고 있다. 현재의 0402(0.4㎜ × 0.2㎜) 부품에서부터 새롭게 떠오른 03015(0.3㎜ × 0.15㎜) 마이크로칩 부품까지 소형화 추세는 멈출 줄을 모르고 있다. 그림 1에서는 부품 크기가 지속적으로 줄어들고 있음을 한 눈에 비교해 볼 수 있도록 하였다.

소형 휴대전화, 울트라-포터블 모바일 디바이스 및 웨어러블 디바이스와 같은 소비재 기기들 내에 모듈(MCM, 하이브리드 IC, VCO, TCXO 등)의 사용 증가에 힘입어 소형화 요구가 지속되고 있다. 예를 들어, 일반적으로 스마트폰들에는 하나의 유닛당 수 백개의 레지스터가 들어간다. 0402(01005) 부품 및 03015 마이크로칩과 같은 초소형 부품들은 한정된 공간에서 더욱 향상된 디바이스 성능을 충족시키기 위해 늘어나는 부품의 수를 해결해준다. 고밀도 실장이 가능한 이들 초소형 부품은 부품 수를 제한하는데 결정적인 역할을 한다.
0402(01005) 부품 채택이 넓어지는 동안에, 마이크로칩의 차세대 물결은 이미 거세게 밀려오고 있다. 개발이 완료되어 여러 사이트에서 테스트를 하였고, 특정 모바일 디바이스에 적용되기 시작했다. 일반적으로 새로운 03015 칩의 크기는 0402(01005) 부품에 비해 길이와 폭이 44% 정도 적다. 이는 보드 에어리어를 약 50%, 보드 무게를 약 58% 절감하는 효과를 제공한다. 그림 2에서는 03015 마이크로칩의 부품 크기를 보여주고 있다.

0603(0201) 및 0402(01005) 마이크로칩이 PCBA 산업계 내에서 표준화된 부품으로 규정되었다. 03015 부품의 등장에 따라, 성공적인 03015 프로세스 채택을 위해서 핵심적인 3가지 부문에 보다 집중할 필요성이 커졌다. 실장 기기, 어셈블리 재료 그리고 프로세스 제어가 바로 그것이다.

실장 기기
0402(01005) 마이크로칩이 처음으로 시장에 등장했을 때, 많은 픽앤플레이스 기기 제공업체들은 마운터에 새로운 마이크로칩의 성공적인 실장에 필요한 몇 가지 핵심 기능들이 요구되고 있다는 점에 주목했다. 03015 마이크로칩의 등장 역시 동일한 속성 대부분이 성공적인 마운팅을 위한 핵심으로 여전히 여겨지고 있다. 예를 들면, 마운터는 정확한 구동 시스템을 지닌 매우 안정적인 프레임으로 제작되어야만 한다. 비전 시스템은 부품 제공업체 마다 차이점이 있기 때문에 다양한 채도에서 부품을 밝게 할 수 있는 기능이 필요해졌다. Integrated flow detection는 부품 픽업에서부터 실장까지를 모니터하기 위한 실장 헤드 내의 뉴메틱의 일부분이어야만 한다. 게다가, adaptive pick control 및 자동 테이프 포켓 티칭과 같은 특정 기능들은 수율 최대화에 도움을 줄 것이다. 03015 실장을 더욱 개선할 사이드 뷰 CCD 카메라를 이용하여 칩 두께 검사에 대한 추가적인 요구가 테스트를 통해 결정해 왔다. 그림 3에서는 03015 프로세스에 대한 3가지 기본적인 단계를 보여주고 있다.

필수 옵션
상향 관측 혹은 X, Y 얼라인을 위한 헤드 장착 비전 검사시스템을 사용함으로써 03015의 θ는 정확한 실장요구에 절대 조건이다. 그러나 0603(0201), 0402(01005) 그리고 특히 최근의 03015 마이크로칩과 같은 마이크로칩의 등장은 Z-축의 또 다른 검사 단계가 프로세스에 효과적으로 향상시킬 것이다.
테스트에서는 성공적인 03015 실장을 위한 문제들을 일부분으로 전제하였고, 2개의 16노즐 헤드와 상향 라인스캔카메라가 장착된 생산형 마운터를 사용하였다. 각각 부품 실장높이 변형을 위한 보드휨방지 센서, 칩 두께/유무를 측정하기 위한 사이드 뷰 카메라가 포함되었다.

보드 휨 감지
기판이 마운터에 들어가고 피지셜 시스템이 제 위치에서 등록한 후에, 헤드에 장착된 레이저 감지 시스템은 기판의 형상 측량을 책임진다. 길지 않은 기계적인 일련의 동작들이 끝나면, 첫 번째 선행 마운터는 컴파일하고, 03015와 다른 부품들의 실장 위치 개선을 위해 후속 마운터들에게 데이터를 공유시킨다. 이 단계에서는 실장 헤드가 서브스트레이트 상의 특정 구부러짐 혹은 휨을 수용하도록 실장 높이를 조정할 수 있는 실제 보드의 높이가 등록될 수 있게끔 보장한다. 서브스트레이트가 아래 방향으로 구부러졌다면, 프로그램 된 보드 높이로 부품을 실장하는 것은 이른 보드 접촉으로 인해 변경된 솔더에서 부품 크랙을 유발할 수도 있다. 서브스트레이트가 아래 방향으로 휘었다면, 솔더 미납 혹은 부품 떨어짐을 포함하여, 이것에만 국한하지 않고 발생할 수 있는 또 다른 부정적인 효과들이 있다. 그림 4에서는 픽앤플레이스 기기 내의 멀티-포인트 보드 맵핑 시스템을 보여주고 있다.

사이드 뷰 카메라
상향 카메라가 X, Y 그리고 θ 축을 검사함에 따라, 사이드 뷰 카메라는 부품의 두께, 유무 그리고 노즐 팁 상의 위치를 확인하기 위해 각 스핀들의 끝 부분을 검사한다. 이 시스템이 정확하게 위치된 부품 확인에 유용하기 때문에 부품의 두께를 부품 데이터베이스 내의 데이터 파일과 비교하여 검사한다. 그림 5는 픽앤플레이스 기기 내에 사이드 뷰 카메라가 헤드에 장착된 일반적인 콘셉트를 보여주고 있다.

보드 휨 감지 및 사이드 뷰 카메라가 결합된 기능들은 보다 향상된 실장에 기여한다. 픽앤플레이스 기기가 제조 공정 발생할 수 있는 별 다른 이슈들 없이 서브스트레이트 상에 부품을 적합하고 안정적으로 실장하는 것을 보장한다(부품 놓침, 부품 미싱, 솔더 브릿징 그리고 보드 리웍/폐기). 03015 부품에 대한 기기의 실장 특성들은 새로운 부품을 이용하여 성공적으로 제조하려는 제품이 포함된 프로세스들의 작은 일부분뿐이다. 솔더 페이스트 및 스텐실, 테이프 패키징을 포함한 어셈블리 재료들뿐만 아니라 03015 사용의 성공을 얻을 수 있는 이들 재료들의 효과도 역시 연구하였다.

어셈블리 재료들
픽앤플레이스 기기의 핵심 기능에 더해서, 제조업체들은 솔더 타입, 부품 공간 및 스텐실 디자인을 포함하여, 하지만 이것에 국한하지 않은 어셈블리 재료들의 중요성을 고려해야만 한다. 성공적인 생산 제어 및 연속성을 위해 보드 디자이너들은 서브스트레이트에 실장된 부품들 간의 솔더 필렛과 간격을 최적화해야만 한다(그림 6 참조).

솔더 브릿지 테스트를 위해, 15~25㎛의 파우더 사이즈인 생산용 무연 솔더 페이스트(Sn96.5/Ag3.0/Cu 0.5)를 이용하였다. 솔더 페이스트는 80㎛ 두께 스텐실(60㎛으로 줄어든)과 함께 사용되었다. 테스트 시료에는 0㎛, 25㎛ 및 50㎛ 상에서 여러 개의 필렛 조합(F)과 45㎛, 60㎛ 및 80㎛ 상에서의 갭(G)이 포함되었다. 그림 7에서 보여주고 있다.

초기 결과는 40㎛ 갭을 사용하여 각 테스트 시나리오에서 발생된 6~10개의 브릿지가 나타났다. 급격한 감소가 60㎛ 갭에서 나타났다. 사실상, 25 및 50㎛의 필렛은 어떠한 이슈도 없었고, 0㎛의 필렛에서 2개의 브릿지가 나왔다. 80㎛ 갭 이상의 어떠한 필렛 사이즈에는 솔더 브릿지 현상이 나오지 않았다.

테이프 패키징
제조업체들은 부품 테이핑 사양을 고려해야만 한다. 테이프 내에 패키지 된 부품이 실제로 표준화되어 있기 때문에, 테이프 포켓의 반복성은 성공적인 03015 부품 취급에 있어서 중요한 역할을 한다. 테이프의 치수와 비교해 부품 치수가 너무 경우, 03015 부품을 들어 올리는 성능은 떨어진다. 그림 10에서 이를 보여주고 있다.

테이핑 재료와 관련한 픽업 비율 의존성을 결정하기 위해 생산 테이프 피더를 이용하여 2세트의 테스트를 실시했다. 테스트 1에서는 포켓 사이즈는 0.36 × 0.22㎜이었는데, 이는 X축 상의 20% 오버사이즈와 Y축 상에서 47%의 오버사이즈로 나타났다. 이후에 5,000 piece 테스트를 실행하였고, 70㎛(3시그마)에서 X축과 53.4㎛(3시그마)에서 Y축의 픽업 위치 반복정밀도를 측정하였다. XY축 분포는 그림 11에서 보여주고 있다. 픽업 에러 결과는 1.66%이었다.
두 번째 테스트에서, 포켓 사이즈는 0.34 × 0.19㎜로 감소시켰고, 이는 X축에서 13% 오버사이즈, Y축에서 27% 오버사이즈로 나타났다. 이후에 동일한 업체로부터 공급받은 03015 부품과 테이프를 가지고 비교할만한 5,000 piece 테스트를 실행하였고, 46.9㎛(3시그마)에서 X축과 47.8㎛(3시그마)에서 Y축 상의 픽업 위치 반복정밀도를 분석하였다. XY 분포는 그림 12에서 보여주고 있으며, 픽업 에러 결과는 0.65%로 극적으로 개선되었다.

테이프 포켓 치수 테스트의 결과에서는, 부품 비율에 더 타이트한 포켓은 픽업 비율에 적합한 생산 중에서 극적으로 도움 줄 것임을 확실하게 보여주고 있다. 이는 더 낮은 미스-픽(mis-pick), 부품 폐기 절감 그리고 증가된 머신 활용을 의미한다.

APC(Adaptive Process Controls)                            
PCBA 산업계에서는 어떻게 솔더 리플로우 공정이 일반적으로 패드 위의 표면실장 부품 위치에 도움을 주고, 심지어 부품 실장이 패드 밖으로 벗어나는지에 대한 자세한 보고서 및 문서들을 대량으로 보유하고 있다. 그러나 0.3㎜ 피치 범프에서의 부품 무너짐 트렌드 혹은 03015 마이크로칩은 초기 연구단계이다. 어떻게 APC 시스템이 고밀도 실장에서 수율을 향상시킬 수 있는가에 대한 연구가 진행되고 있다. APC는 SPI 시스템으로부터 솔더 위치 데이터를 수집하고, 그런 후에 데이터를 이후의 픽앤플레이스 마운터들에게 전송한다. 그림 13에서 이를 보여주고 있다.

마운터들은 수신된 데이터를 실장 프로그램 업데이트에 이용한다; 이로 인해 부품이 서브스트레이트 패드 위보다는 솔더 침전 위에 실장되도록 도움을 준다. 이는 프린트된 솔더 상에 부품을 실장하는 방법으로, 생산 수율 증대와 불량 감소를 위해 셀프-얼라인먼트 원리를 이용하였다. 그림 14에서 보는 바와 같이, 여러 이유로 인해 솔더가 패드를 벗어나고, 프로그램 상에서 미리 지정된 실장 위치에 부품이 놓였을 때 셀프-얼라인먼트는 효과가 없다. 리플로우 동안, 부품들은 패드 밖으로 이동하거나 혹은 다른 패드들과 브릿지될 것이다. 이로 인해 리웍 혹은 폐기를 초래한다(그림 14 참조).

상대적으로 APC(Adaptive Process Control)로 컨트롤된 실장기기는 셀프-얼라인먼트 원리를 극대화할 것이다. 패드 정보 대신 솔더 상의 마이크로칩을 장착하는 APC를 활용하면 수율 및 품질 향상을 이룰 수 있다. 그림 15에서 테스트 한 세트의 결과를 보여주고 있다.

일반적으로 프린터와 마운터 간의 커뮤니케이션은 패드 위치에 비해 오히려 솔더 침전에 맞춰 자동적으로 부품 실장을 조정함으로써 프로세스 반복정밀도를 향상시킬 것이다. 이 진일보한 프로세스는 마이크로칩 실장 신뢰성을 더욱 높인다. 그림 16에서는 프린터와 마운터 간의 커뮤니케이션이 없는 전통적인 실장방법과 비교하여 제조업체가 생산라인에 APC를 적용했을 때, 5개의 서로 다른 불량 유형에 걸쳐 극적으로 개선된 결과를 보여주고 있다.

결론

소형화화 함께 경량화, 최첨단 다기능화 요구로 인해, 실제 제조공정의 향상을 반드시 나타내는 마이크로칩 채택의 증가세를 이어갈 것이다. 03015 부품을 위한 마운팅 테크놀로지는 일정부문에서 더 큰 부품인 0603(0201) 및 0402(01005)와 동일한 원리를 요구한다; 또, 특정 머신 기능은 고품질 생산라인 보장을 위해 필수적으로 되어 가고 있다. 대응 가능한 머신 구비와 함께, 부품 실장은 단지 프로세스의 일부분이다. 추가로 제조업체들은 보드 디자인, 테이프 표준, 솔더 재질 및 스텐실 디자인을 특별하게 고려해야만 한다. APC와 같은 특정 제조개선 시스템은 제조업체들에게 마이크로칩의 수율 향상에 도움을 줄 수 있다. 이 부문의 경우, 회사들은 이들의 지속적인 측정을 지향해야하고, 마이크로칩 추세가 진행됨에 따라 다른 새로운 생산품들의 생산을 보장하기 위해서 발생하기 쉬운 마운팅 문제들을 해결하기 위한 솔루션을 가지고 있다. 결국, 0201 칩 부품은 이미 설계 단계에서 고려되고 있다.