어셈블리에서 PCB를 검사하기 위한 많은 기회는 있다. 인텔리젼트 소프트웨어와 함께한 적합하고 성능 좋은 장비의 현명한 사용은 폐기제품을 극도로 절감하고, 수율을 늘려준다. 측정 엄수는 필수적이다. 불량 호출 감소뿐만 아니라 이를 이용하려는 서드 파티(third parties)에 좋은 정보를 제공하고, 교정, 보충 혹은 진단 방법을 잠재적으로 사용된다. 각각의 검사 기회에서 이용되는 것을 다음과 같이 정리할 수 있다.
 

0201 부품과 같은 소형 수동 디바이스가 적용되는 제조 프로세스 내에서는 검사 테크놀로지의 발전이 한 층 더 강조되고 있다. 특히, 솔더 페이스트 및 부품 장착 검사는 상습적이거나 랜덤한 불량들을 크게 감소시킬 수 있고, 솔더링 된 부품 검사는 ICT 범위에서 어려운 검출을 처리할 수 있는 대안이 될 수 있다. 검사 시스템 장비가 단지 불량을 없앨 수 있을 뿐만 아니라 잠재 불량도 경고할 수 있는 분석 데이터를 모니터링 및 이를 이행할 수 있다. 중요한 SPC 데이터의 분석은 측정할 수 있는 데이터베이스이고, 적합한 툴이다. 

그림 1. 수동 디바이스 추세(자료출처 : Prismark)

서문                        

가전기기에 실장되는 0201 수동 디바이스는 표면실장 어셈블리 프로세스의 안정성 문제에 직면했었다. 0201의 등장은 어셈블리 프로세스에서 중요하게 검사되어야 할 몇 가지 형식의 검사기를 추가하게 만들고, 모든 어셈블리 프로세스 공정 단계에서 프로세스 허용오차(tolerance)를 심각하게 줄여준다. 좀 더 자세하게 살펴보면, 미세한 0201(0.5mm×0.25mm) 사이즈는 목시검사가 불가능하며, 이는 AOI가 필수장비로 여겨지고 있음을 의미한다. 많은 보고서에서는 이를 철저하게 특성화하고, 2010 프로세스를 이해하는데 초점을 두었으며, 생산 공정에서 많은 변수가 내재되어 있다고 말하고 있다. 본고에서는 0201 부품을 이용해 어셈블리할 때 발생할 수 있는 불량의 유형을 논의하는데 목표를 두고 있다. 그리고 중요한 검사 전략이 불량 레벨을 감소시키고, 높은 직행률을 유지한다는 사실을 보여줄 것이다.

신뢰성 있는 제조 설계                

생산현장 엔지니어가 습관적인 나쁜 디자인으로 불량품을 생산할 가능성이 크기 때문에 PCB 설계자가 조립 공정의 모든 사항을 이해하는 것이 더욱 중요해지고 있다. 설계자들은 다음과 같은 고려사항을 포함하고 있다.
▶ 패드 모양
▶ 패드 사이즈
▶ 동일한 부품에서의 패드 간격
▶ 인접한 부품에 근접한 패드
▶ 부품의 놓인 상태
▶ 열 밸런스
▶ 솔더 마스크 레이어 설계

불행하게도, 이것을 위해 어떠한 확실한 가이드가 없지만, 회로보드에 설계될 때 어셈블리 프로세스의 작업지식이 확실한 차이가 난다.

그림 2. 배선 밀도에서의 수동부품 풋프린트의 감소세

0102 부품 적용 보드 설계의 경우, 중대한 특징은 신뢰할 수 있는 프린팅이 가능하도록 패드 사이즈를 최소화할 수 있어야 한다는 것이며, 그렇지 않으면 가전제품 소형의 설계 목표를 힘들게 할 수 있다.

프린팅 프로세스              

0201 패드 사이즈의 프린팅은 프로세스 엔지니어에게 개구부로부터의 주도적인 페이스트 방출 규칙이 깨진 것과 비슷하다는 근본적인 문제를 만들기 시작했다. 규칙들은 페이스트 선택(플럭스 성능), 스텐실 디자인, 작동 환경, 보드-스텐실 분리 동작 등의 프린트 공정을 주의 깊게 조정해서 수정될 수 있다. 어려운 점은 이러한 프로세스 특징이 매우 세밀한 범위에서 작업되어야 한다는 것이다.
현재까지 얇은 스텐실을 적용한 단순한 동작이 표면적비율(Surface Area ratio)을 유지하기 위해 스텐실 디자이너들에게 이용되어 오고 있다. 심지어 패드 사이즈 축소에 직면해서도 사용되고 있다. 이 같은 두께 감소는 대부분의 어셈블리 현장에서 실제로 한계에 도달해 있다. 지속적인 줄어든 특정 시점, 즉 0.125mm(5mils) 이하의 감소에서는 다른 많은 부품들에 페이스트 양이 충분치 못할 것이다.
타이트한 프린팅 프로세스의 공정은 많은 사용자들로 하여금 100% 3D 페이스트 검사기로 향하도록 움직이게 하고 있다. 전체 프로세스 중 프린팅 공정에서의 에러가 다음 공정으로 전달될 가능성이 매우 크다는 단순한 이유 때문이다. 좀 더 자세하게, 전체 어셈블리에서 이 공정의 손실이 가장 낮다. 보드를 세척할 수 있으며, 최소의 손실로 보드를 재사용할 수도 있다. 2D 페이스트 검사기는 단지 에어리어 표면만을 본다. 표면상으로는 0201 부품 공정 애플리케이션에서 중요한 침전에 다른 품질에 관해서 결코 알 수가 없다.

그림 3. 프린트하기 더욱 어려워지는 사이즈

표면적 비율은 다음과 같은 공식이 발생한다: 개구 오픈 면적/스텐실 개구의 측면적. 이 비율에서 성공적인 프린트를 위해서는 0.6 보다 커야한다.

실장 프로세스                  

모든 칩 실장 머신 제조업체에서는 실제적으로 적용 비중이 높아져 가는 0201 부품의 실장 능력을 향상시키려는 공동의 목표로 시간을 보낸다. 그럼에도 불구하고, 소형 부품의 픽, 이송 및 실장 부문이 어렵기 때문에 헤아릴 수 없는 실장 불량이 발생한다. 부품의 미스-픽업, 비젼과 실장 사이의 부품 손실 그리고 미스-실장 잠재력이 매우 높다. 미스-실장의 영향은 큰 디바이스보다 훨씬 심각하다. 실제로 튬스톤 발생이 크게 증가한다. 100미크론 보다 더 큰 미스-실장은 심각한 불량을 유발한다.

그림 4. 0402 부품과 0201 부품의 면적 비교

오류/미스-실장된 부품의 증가는 어셈블리 프로세스 엔지니어링 커뮤니티 내에서 심각한 걱정을 끼치고 있다. 그 이유는 칩 실장기 후단의 AOI 장착이 유행적으로 증가했지만, 주요 목적이 전체 불량 스크리닝이 아니라 프로세스 측정 성능을 우선시하고 있기 때문이다. 위치 측정 성능은 프로세스 엔지니어에게 실장 프로세스 중 빠짐 현상을 모니터링함으로써 불량을 예방할 수 있게 한다. 더 나아가 전체 불량 발견으로 예방한다. 특정 부분에서의 잦은 위치 빠짐은 프로세스 엔지니어들을 장비 유지보수 절차와 일정을 다시 점검하는 방향으로 이끌 것이다.

그림 5. 0201 디바이스용 플레이스먼트 헤드

리플로우 프로세스                  
일반적으로, 적당한 양의 페이스트가 적절한 위치에 도포되고, 부품이 페이스트 위에 놓인 후에 작업자가 성공적으로 출중한 외형을 만들 경우, 불량 없음이라는 리플로우 결과가 나타날 것이다. 그러나 0201 부품 실장 때, 불량 발생의 가능성이 부품 품질로써 완벽하게 제거하지 않기 때문에 보드 디자인이 여전히 문제를 발생한다.
첫 번째 잠재 불량은 이전 0402 부품에서도 나타났다. 이 문제는 디바이스의 가장자리 어느 쪽이든 금속 리드의 치수의 전체 편차에 의해 튬스톤이 발생된다. 이는 디바이스의 각각 가장자리에 차별적인 젖음성의 원인이 될 것이고, 리플로우 동안 부품이 일어서도록 당길 것이다. 또 다른 잠재 불량은 PCB 디자이너가 다른 패드 이전에 하나의 패드에 리플로우 진행 범위 내의 열차폐를 고려하지 않을 때, 튬스톤이 다시 발생한다.

그림 6. 솔더링 시 캡 대칭의 영향
아래와 같은 대칭의 경우 튬스톤을 유발한다.

In-Circuit Test                                    

0201 부품의 특성의 주요 핵심은 소형화, 무게 감소의 요구 충족과 동시에 다기능화 실현 제품이 될 것이라는 것이다. 소형 부품과 같은 nodal testing의 비실효성 때문에 이들 제품은 In-Circuit Test 평균 항목에서 처음으로 어려움에 부딪힌다. 그래서 실제적으로는 단지 functional testing이 현실적이라는 것이지만 불량 가전제품 식별문제가 존재하고, 부품이 비난의 대상이 되지 않을 것이다.
그러한 이유로, 라인 후단의 AOI는 테스트 부품에 의한 홀의 충진 및 솔더 접합의 존재 유무, 위치 그리고 다른 불량 등을 검사하는 테스트 전략을 완벽하게 하는 역할을 해야 한다. 일반적으로 라인 후단의 AOI는 불량 검출 그리고 드물게 프로세스 향상 툴 역할을 주로 한다.

데이터 수집 및 SPC                 

검사기로부터 발생될 수 있는 막대한 양의 데이터는 커다란 관심사이다. 예를 들어, PCB 위 각각의 솔더 패드의 경우, 6 파라미터 이상은 저장되고, 파라미터의 수는 보드의 공정 진행에 따라 증가한다. 이는 전형적인 휴대전화 제조 라인에서 8시간 동안 약 2기가비트의 정보를 만드는 것을 의미한다.
일반적인 실수는 데스크톱 데이터베이스가 취급하는 대량의 데이터가 분석에 충분할 것이라고 추측하는 것이다. 데스크톱 데이터베이스는 보통 그들의 용량이 제한되어 있어서 기업 레벨 데이터베이스가 불가피하게 요구되고 있다. 데이터가 보여질 수 있는 중간급이 매우 중요하다. 특정의 머신에 제한적으로 적용된 SPC 데이터가 차선책이다. SPC 데이터는 웹 엑세스 가능한 차트 및 그래프의 항목이 자유롭게 적용될 수 있다.
효과적인 SPC 적용은 수율 유지, 지식 이전 가용 그리고 예방/잠재 불량 진단의 도움에 유용할 수 있다. 이전 생산 작업으로부터의 Historic data(파레토 차트 등)는 작업자에게 특정 보드 혹은 부품에서 한정적으로 발생될 수 있는 문제임을 상기시킬 수 있다. Current data는 컨트롤을 벗어나는 프로세스를 예방하기 위해 특정 조건을 경고하는데 이용될 수 있다.
차세대 검사 시스템은 파워풀한 애플리케이션 소프트웨어(불량 추세를 찾고, 개선 조치를 제공하기 위해 프로세스의 자체 지식을 이용하는 공정)로 실시간으로 정보를 피딩할 수 있는 능력을 보유할 것이다. 이 소프트웨어는 개선 조치에 해당되고, 대조 및 자체 성공을 확인할 수 있는 가상 엔지니어로 작동할 것이고, 많은 다른 미디어(e-mail, 보고서 등)를 통해 단계적으로 확대할 수 있는 능력을 보유할 것이다. 엔지니어 시간이 중요한 부분에서 가상 엔지니어는 제조 협약에 매우 귀중할 것이다.

그림 7. 첨단 프로그램의 작업 흐름도

존재한 소프트웨어의 경우, 검사 시스템 진행과정의 신뢰성 및 데이터의 퀄리티는 훌륭해야만 한다. 그중에서도, 개선 조치가 발생한 곳을 위해 상위 디바이스로 되돌아가는 특정 커뮤니케이션이 있어야 한다.
0201 부품 이용에 있어서 실장이 가장 염려스러운 부분인 탓에, AOI 시스템에서 제공하는 측정 정확도가 진단 소프트웨어의 성공에 있어서 중요해 질 것이다. 단순한 반복 가능성으로는 더 이상 충분하지 않을 것이며, 반복성 및 정확도가 필수적이 될 것이다. 0201 부품에서는 ±80㎛의 공정 허용범위를 가지고 있으며, AOI 시스템은 이 같은 측정 공정보다 10배 더 되어야만 한다. 비약적인 비전 기술인 컬러 이미징 프로세싱의 디지털 컬러 카메라의 이점으로 인해, 현재 이들이 실현 가능하다.

측정 보고서                        

측정분석시스템(MSA, Measurement System Analysis)은 측정 프로세스의 서로 다른 많은 양의 특징들을 가지고 있다. 이들 특징들에는 다음과 같은 사항이 포함되어 있다.
▶ Bias(accuracy)
▶ Repeatability
▶ Reproducibility
▶ Stability
▶ Linearity
▶ Discrimination Ratio

AOI 최종 사용자가 흥미를 가질만한 두 개의 주요 부문은 정확도와 반복성이다. 정확도는 AOI 머신 투시도법으로 풀이될 수 있다. 부품이 발견될 것으로 알려진 장소와 실제 그렇게 되는 장소의 차이를 의미한다. 반복성 또한 AOI 머신 투시도법으로 풀이될 수 있다. 여러 번 측정될 때 부품의 측정된 위치 변화를 뜻한다.
정확도는 실제 부품이 장착된 실제 PCB 상에서 확립하기 어려운 계량법이다. 보드는 지엽적인 휨, 스트레칭 그리고 장착 부품의 무게에 의한 처짐 등 제조 과정 중의 에러에 영향을 받기 쉽다. 칩 실장 보드 확인을 위해 피디셜을 이용하고, QFP 및 BGA  실장 위치를 위해 추가적으로 지엽 피디셜을 이용할 수도 있다. 실제 보드를 정확하게 측정하기 위해 보드의 ‘평탄화’는 필수적이다. 보드의 평탄화 동작(물리적 혹은 종합적이든)은 에러를 소개한다.

AOI 머신의 게이지 정확도를 위해서, 여러 번의 테스트가 실행될 수 있다. 칩 실장 머신 제조업체에서는 그들 장비의 게이지 정확도를 위해 보증된 글라스 플레이트를 사용하고, 모든 머신들은 선적되기 이전에 테스트된다. 테스트 프로세스에는 글라스 플레이트에 글라스 슬러그 실장이 되고, 그런 후에 슬러그 측정은 오프라인 측정 머신(예를 들어 CMM)을 이용한다. AOI 시스템의 정확도는 NIST 보증된 인공물(글라스 라인 크기, 글라스 플레이트 위의 피디셜, 글라스 슬러그 등)의 측정에 의해 결정된다. 이는 국내 및 국제적인 표준을 확실하게 한다.
모든 측정 시스템과 마찬가지로, 측정 대상의 영향은 측정 결과와 고려되어야만 하는 환경 하에서 측정된다. FR-4 보드들은 스트레치 및 보드의 휨과 관련 있는 습도와 온도에 영향을 받는다. 이는 실제 보드가 AOI 시스템, CMM 등에서 측정될 때 서로 다른 차이를 줄 수 있다.

Repeatability (GR&R)                 

GR&R 테스트는 다른 것들 사이에서, 많은 측정물의 차이가 측정 시스템에 의해 야기되는 방법을 테스트하기 위해 설계되었다. AOI 시스템의 실제 부품 성능의 적합한 보고서에서는 실제 부품 테스트로부터 결정되는 반복성을 요구한다. 대체로, 산업계는 시스템 반복성 표시대로 원시 백분율로 보는 경향이 있다. 그러나 이는 측정 데이터가 일반적으로 분산된 것으로 가정한다. 가능한 데이터가 그래픽 및 육안에 의한 정상성 검사(sanity-checked)가 관찰되어야 하는 장소다. 흥미로운 다른 테스트는 측정 데이터 내에서 선형성을 찾도록 시도하는 것이다. 그림 8에서 보는 바와 같이 보드를 관통한 부품의 표준편차 부분은 참여자에게 보드(측정 시스템을 이용해 잠재적인 시스템 프로그램을 표시할 수도 있는) 위에서 경향 혹은 핫스팟(hotspot)을 찾을 수 있도록 가능하게 한다.

그림 8. PCB의 표준 편차

종합                    

어셈블리에서 PCB를 검사하기 위한 많은 기회는 있다. 인텔리젼트 소프트웨어와 함께한 적합하고 성능 좋은 장비의 현명한 사용은 폐기제품을 극도로 절감하고, 수율을 늘려준다. 측정 엄수는 필수적이다. 불량 호출 감소뿐만 아니라 이를 이용하려는 서드 파티(third parties)에 좋은 정보를 제공하고, 교정, 보충 혹은 진단 방법을 잠재적으로 사용된다. 각각의 검사 기회에서 이용되는 것을 다음과 같이 정리할 수 있다.

프린트 후단               
이론적 설명 : 불량 비용 최소화 및 불량 감소를 위한 초기 어셈블리 단계에서의 스크리닝 불량.
▶ 0201 부품 프린팅은 잘 알려져 있다시피 프린팅 프로세스를 제한한다.
▶ 환경, 페이스트 유동학, 스텐실 치수, 프린터 성능 내에서는 사소한 변화는 PCB 품질을 통제하지 못할 것이다.
▶ 풀 3D 체적 측정이 0201 프린트 프로세스의 신뢰할 수 있는 컨트롤을 위해 요구되고 있다.

칩 실장기 후단              
이론적 설명 : 향후 발생할 수 있는 주요 불량 리스크를 들춰내기 위해 실장 프로세스 측정 및 불량 검출.
▶ 0201 부품의 실장의 경우, 대량의 실장 불량 위험을 지닌 실장 머신이 많다.
▶ 칩 실장은 0201 부품 프로세스에서 최고의 프로세스 리스크일 가능성이 높다.
▶ 0201 부품이 자주 포함되지 않은 튬스톤, 미싱 및 미스 실장된 부품 때문에 표준 ICT 테스트 전략은 불량을 검출하지 못할 수도 있다.
 
솔더링 후단                               
이론적 설명 : 라인 끝단의 감소하는 ICT 범위를 표시함으로써 불량 검출
▶ 만약 솔더 페이스트가 적절한 위치에 존재하고, 적당한 체적을 가지고 있다면, 부품은 예상 위치에 놓여지고, 그런 후 불량 위험은 최소한이 되어 제거되지 않는다.
▶ 미싱 부품, 잘못된 부품 및 솔더링 불량을 책임진다는 것은 공장 밖으로 내보내지 않는 것이다.

결론                          

현재 0201 부품의 적용은 점점 증가하고 있기 때문에, 제조공정 내에서 발전된 검사전략은 일반 스크리닝 검사에서 진정한 프로세스 컨트롤을 향해 이동할 필요가 있다. 솔더 페이스트의 3D 검사와 부품 실장의 정확한 측정이 최신 산업계에서 절대적으로 필요해지고 있다.