최신형 설비 / 스텐실 재질, 공정 관리 모두가 합심해야
스텐실 레일과 테이블의 수평 조정도 중요

프린팅 테스트의 결과에서는 008004″(0201mm) 부품에 맞춰 반복적으로 프린팅할 수 있으며, 프로세스 윈도우가 공정 능력의 두 배인 곳에서 수행할 수 있음을 보여주었다. 테스트 결과에서는 또한 90도 방향의 패드가 최상의 결과를 나타냈지만, 0도 방향도 원하는 사양 내에 있음을 알려주었다. 마이크로 크기의 부품 프린팅은 각 요소들이 설비, 재료 및 공동 프로세스 작업으로 처리될 때 얻을 수 있었다. 개별적인 측면보다 협력적인 공동 작업이 우선시되어야 하면, 원하는 결과를 얻기 위해 프로세스의 바퀴가 잘 맞아야만 한다.

서문

본고에서는 008004(inch) / 0201(metric) 부품의 솔더 프린팅 소형 개구 디자인과 관련한 애플리케이션의 요구사항과 까다로운 소형 개구를 프린팅하는 DOE 결과에 역점을 두고 있다. 무어의 법칙(Moore’s law)이 부품 소형화에 계속 적용됨에 따라, 패키징 소형화의 다음 주자는 저항 및 커패시터용 008004/0201 형태에 이르렀다. 대략 모래알 크기의 부품 사이즈는 솔더 프린팅 공정에게 특정한 숙제를 내주고 있다. 이러한 과제를 해결하려면 프린팅 프로세스의 각 측면을 검토해야 할 필요가 있다. 여기에는 요구사항을 충족하는 적정의 스퀴지 블레이드, tooling 지원 및 캘리브레이션을 포함한 필수적인 설비 사항들이 들어가 있다. 재료의 올바른 매치와 설계에 관해 설명하는데, 솔더페이스트 및 클리닝 솔벤트 요구사항과 함께 스텐실 및 기판 설계에 중점을 두었다. 스크린프린터 및 솔더페이스트 검사(SPI)의 설정 및 적용 설비의 파라미터를 포함하여 언급된 설비 및 재료를 적용하여 실험을 설계하였다. 이러한 DOE의 결과를 자세하게 검토하였다.

배경

무어의 법칙에 따르면, 마이크로 칩에 포함될 수 있는 트랜지스터의 수는 2년마다 두 배가 된다. 부품의 소형화 추세에서도 이와 비슷한 경향을 적용할 수 있다. 모바일 기기, 스마트워치, 웨어러블, 군용, 의료 및 오디오 업종에서의 높은 기능성 요구는 계속해서 부품 소형화의 발전을 이끌고 있다. SMT 산업계에서는 4~7년 주기로 초소형 차세대 부품이 소개되고 있는데, 최근에서는 008004″(0201mm) 크기의 부품이 출시되었다. 01005″(0402mm) 크기의 패키지와 비교할 때 면적이 6% 줄어들었고 부피가 1.6% 작아졌다. 이에 따라 장비 제조업체는 이 차세대 부품에 빠르게 적응하고자 노력하고 있다. 그러나, 제조 공정에 마이크로 디바이스를 도입할 때, 가장 유념해야 할 영역은 프린팅 프로세스이다. 008004″(0201mm) 부품을 제조 공정에 성공적으로 도입하려면 재료, 설비 그리고 이들을 적절하게 결합한 프로세스에 중점을 두어야 한다.
프로세스의 각 요소가 함께 동작할 때, Cp 값이 2배인 008004″(0201mm)가 실장된 완성품을 생산할 수 있는 프로세스로 개선할 수 있다.
008004″(0201mm) 부품 생산을 안정시키기 위해 초소형 부품 생산 프로세스에 필요한 사항들을 해결할 수 있도록 엔지니어는 현재의 프로세스를 재평가해야 할 것이다. 클린룸 환경에서 구현이 진행될 수도 있다. 본 고에서는 매사추세츠주 홉킨턴에 있는 ITW EAE 프로세스 랩에서 수행된 프린팅 프로세스의 개별 요소와 테스트 결과에 중점을 두고 있다.

오늘날의 부품들
그림 1에서 보는 바와 같이, 대부분의 시장에서는 0402″(1005mm) 부품이 포함된 전자 완성품에 익숙해지기 시작했다. 대량 생산에서 이제 막 주류에 진입하는 01005″(0402mm)과 함께 0201″(0603mm) 부품은 최근에 더욱 일반화되고 있다. 소형 부품이 등장할 때마다, 다른 핵심 요인들을 거의 혹은 전혀 고려하지 않으면서, 우리의 디자인에 이들 소형 부품을 구현하기 위해 스텐실 디자인과 재료를 조정해 왔다. 008004″(0201mm) 부품의 성공적인 프린팅을 위해서는, 첫 번째 기판을 제작하기 전에 프로세스의 각 요인들을 검사하여 각 요인들에서 해당 부품과 관련된 문제 발생을 고려하여 설계되었는지 확인해야 한다. 마이크로 부품 프린팅 솔루션은 종합적으로 이루어지며 각 요인들은 최적의 결과를 위한 모범 사례로 사용될 수 있다. 특정 편차 혹은 특정 요인들을 무시하면, 반복성이 없는 프로세스를 초래할 것이다.

대부분의 PCB 디자인은 우리가 참여하기 오래전에 만들어졌다. 제조 고려사항을 가미한 설계에는 비용적인 측면이 대부분 가중된다. PCB 설계에서의 부족분을 충당하기 위해 조정 및 타협하는 곳과는 반대로 보드에 프로세스를 설계하는 경우에 이러한 현실에 자주 직면하고 있다. PCB 설계를 통해 반복적인 결과를 보장하는 성공을 달성하기 위해 프로세스 엔지니어는 역할을 적극적으로 수행할 필요가 있다. 지금까지의 애플리케이션에서는 다층 패널에 혼재 부품이 거의 없는 마이크로 부품에 중점을 뒀었다.
광범위한 프린팅 문제로 여겨지기도 하는 부품 혼재와 관련된 문제가 본 고의 초점이 아니지만 진행하기 전에 해결해야 한다. 현재 대부분의 애플리케이션에서는 0.030″(0.762mm) 이하 두께의 PCB를 사용하고 있다는 점을 고려해야만 한다. PCB 두께와 라우팅 양에 근거하여, 리플로우 프로세스 동안 이들을 안정시키는 것뿐만 아니라 설비에서 설비로 이송하도록 특수 캐리어가 필요할 수도 있다. PCB가 중요한 역할을 하는 성공적인 프린팅의 핵심 요소 중 하나는 일반적으로 가스켓이라고 언급되는 스텐실과 PCB 사이를 밀봉하는 성능이다. 가스켓은 스텐실 개구에서 PCB 패드로 페이스트를 효율적이고 반복적으로 이송하기 위해 공정 내에서 직접 구동한다.
PCB에서 PCB까지 마스크 두께의 편차를 제거하여 일관된 보드 두께를 유지하는 것이 가장 중요하다. 스텐실 바닥면에서 PCB의 위치가 결정되기 때문이다. 개구를 밀봉하는 성능에 큰 영향을 미치기에 패드 표면의 마스크 침식이 없어야만 한다. PCB 설계에서 명명법과 실크 스크린 방법은 피해야 한다. 실크 스크린이 부품에 인접하여 위치되는 것과 함께 적용 스텐실 두께보다 두꺼울 때 문제가 발생한다. 로고 및 식별 정보는 PCB 뒷면에 표시되거나 중요한 부품에 미치는 영향을 최소화하도록 고려사항들이 적시되어야만 한다. 바코드 라벨의 사용은 자제되어야만 한다. 덜 까다로운 부품에서 발생하는 많은 프린팅 문제의 원인이 되기 때문이다. 바코드 라벨은 가능한 프린팅 프로세스가 완료된 후에 적용해야 한다. 마이크로 부품의 프린팅 PCB를 설계할 때 가장 치명적인 실수 중 하나는 패드가 마스크 높이(mask height) 아래에서 크게 떨어지지 않도록 하는 것이다.
베어 동박 패드가 있는 보드를 설계할 때 패드는 마스크 높이 바로 아래 혹은 동등하게 있어야 한다. 패드가 마스크 아래에 있으면 페이스트가 개구를 통해 프린트될 때 페이스트가 극복해야 하는 갭(gap)이 생긴다. 페이스트가 스텐실의 바닥면 개구부 사이에서 패드 표면으로 흘러야만 하기에, 페이스트는 패드 표면에 적절하게 접착되지 않을 것이다. 결과적으로, 오픈과 체적 부족과 같은 불규칙한 프린트 결과를 초래한다. 어떤 경우에는, 스크린프린터의 불규칙한 결과가 발생한 PCB는 제조용으로 사용할 수 없을 수도 있다.
패드가 마스크 높이에 정확하게 위치하고 평평한 표면을 갖도록 하려면 무전해 니켈침지금(ENIG) 도금을 고려해야 한다. 얇은 막의 침지금으로 덮인 무전해 니켈 도금의 ENIG 도금은 니켈이 산화되는 것을 방지하여 최상의 결과를 나타낸다. 보드 설계에 있어서 마스크 규정 패드의 사용 결정은 종종 문제를 발생한다. 마스크 규정 패드를 사용할 때 사양보다 큰 크기의 패드뿐만 아니라 패드 위치의 정확도는 문제가 되어왔다. 머신 비전 시스템이 정렬을 올바르게 수행하려면, 특히 다층 업 패널을 구현할 때 피디셜 마크의 위치가 중요하다.
피디셜 마크는 아트워크의 일부여야 하며 최상의 결과를 얻으려면 PCB 이미지에 있어야 한다. 정렬 오류가 발생할 수 있으므로 브레이크아웃 패널에 피디셜 마크를 두지 말아야 한다. 0.001″(0.0254mm) 에러가 심각한 결과를 초래할 수 있는 0.005″ × 0.006″(0.127 × 0.1524mm) 크기의 권장 패드를 취급해야 하기에 스트레치, 스텝, 반복 에러는 피해야만 한다. PCB 설계 및 제조에 대한 선행투자는 앞서 설명된 문제 중 극복이 불가능하지 않은 일부를 성공으로 이끌 것이다.

스퀴지 블레이드 / 엔클로즈드 헤드(Enclosed Head)
마이크로-부품 프린팅에 있어서 가장 좋은 방법은 특별히 사용되는 스퀴지 블레이드 세트를 분리하는 것이다. 이렇게 하면 사용 중인 블레이드가 손상되지 않고 마모되지 않는다. 마이크로-부품 프린팅에 있어서 스퀴지 요구사항은 간단하며 사각형 모서리의 스프링 스틸 블레이드 만 있으면 된다. 표준 블레이드 각도가 60도로 설정된 곳에서 55도의 블레이드 각도가 권장된다. 이러한 각도의 변화는 전체 개구에 더 넓은 블레이드 표면적을 제공해 개구 충진을 개선하게 한다. 또한 이 각도에서는 페이스트 절단력이 높아지는데, 블레이드가 전체 개구를 지나갈 때 페이스트가 끌리는 현상과 불규칙한 개구 충진을 예방한다. 블레이드 너비는 X-축으로 2인치의 PCB 이내에서 가능한 PCB와 일치시켜야 한다. 이렇게 하면 스퀴지 압력이 PCB에 집중될 뿐만 아니라 스텐실의 장기적인 손상을 방지할 수 있다. 사용하기 전에 블레이드의 청결과 손상을 항상 점검해야 한다. 엔클로즈드 헤드가 요즘 시장에서 큰 성공을 거둔 미세 피치 프린팅 애플리케이션에 사용되고 있음을 유념해야 한다. 가압 챔버로부터의 압출 플로우는 마이크로 사이즈의 개구 충진에 적합하다. 일부 Type 6 페이스트는 스텐실 수명을 제한한다. 엔클로즈드 챔버로 이 문제를 해결할 수 있고, 페이스트 소비를 최소화할 수 있다. 본 테스트에서는 스퀴지 블레이드에 초점을 맞췄다. 스퀴지 블레이드가 시장에 나와 있는 대부분의 프로세스 애플리케이션을 대표하기 때문이다.

스텐실
실험에서는 29″ × 29″(736 × 736mm)의 미세 입자, 레이저-절단, 나노 코팅된 0.002″(0.0508mm) 두께의 스텐실을 사용했다. 개구 크기는 0.005″ × 0.006″(0.127 × 0.1524mm)이며, 정사각형 구조를 적용하였고, 모양의 축소 또는 변형 없이 일대일로 매치하였다. 이전 실험에 근거하여, 0.002″ 두께의 스텐실이 최고의 전송효율을 지니고 있음을 확인했다. 스텐실 두께를 지정할 때 페이스트 요구사항에 대한 스펙트럼의 두 끝을 고려하고 그 사이의 타협점을 찾았다. 지금까지 마이크로 부품 프린팅을 사용하는 대부분의 애플리케이션에서는 요구사항이 크게 차이가 없는 호환 가능한 부품들이 혼합되어 있었다. 우리가 사용한 프레임 크기는 29″ × 29″(736 × 736mm)였지만 23″ × 23″(584 × 584mm) 스텐실이 008004″(0201mm) 애플리케이션용 일반적인 평균 보드 크기 기준과 아래에 요약된 스텐실 인장 요구사항에 더 적합할 수 있다. 레이저-절단된 미세 입자 스테인리스-스틸 스텐실을 사용하는 것이 좋다. Electroform 스텐실은 개구 크기 및 포일 두께의 변동 그리고 스트레치(stretch)와 같이 알려진 문제로 인해 선호도가 낮다. 이 애플리케이션에서는 고장력 포일의 사용을 권장한다. 스텐실은 일반적으로 28 ~ 40N/㎠의 장력을 가지고 있다. 대부분의 스텐실 장력은 30-N 범위보다 낮다. 30-N 범위 이상으로 장력을 높이면 스텐실 끌림(drag)를 예방한다. 스텐실 끌림은 상당한 양의 개구부가 있는 얇은 스텐실 포일을 사용할 때 나타나는 현상이다. PCB에 부착된 페이스트의 표면 장력은 방출 도중에 스텐실 포일을 잡아당겨 페이스트 전송효율을 낮추는 결과를 초래한다. 장력이 높을수록 어떠한 전송 문제없이 더욱 균형 잡히고 깨끗한 방출을 보였다. 연구 결과 전송효율 향상을 위해 검증된 나노-코팅 제품 사용을 권장한다. 스텐실 제조업체는 제조 수명을 개선하기 위해 스텐실에 나노-코팅을 적용하였다. 그러나 활발한 플럭스와 반복적이고 잦은 와이프(wipe)는 결국 코팅을 마모시킨다. 얇은 스텐실은 쉽게 손상될 수 있으므로 주의해서 다뤄야 한다.
보관 및 운송할 때 특별한 주의가 필요하다. 낙하된 블레이드가 스텐실을 빨리 망칠 수 있으므로 설비의 스텐실에서 블레이드를 다룰 때 주의해야 한다. 프린팅 이후에 초음파 방법을 사용하여 스텐실을 세척하는 게 스텐실 수명 연장에 필수적이다. Type 6 페이스트는 세척이 어렵다. 사용 후 즉시 제거해야 한다. 불가능하지 않지만, 제거가 매우 어려워질 수 있다.

솔더 페이스트
이 개구 사이즈에 권장되는 솔더페이스트는 Type 6 파우더 크기의 제품이다. Type 6의 사양은 볼 크기가 20㎛ 미만이고 평균 10㎛인 +635 메시 크기이다. Type 4 페이스트는 현재 SMT 시장에서 사용되고 있는 일반적인 파우더 크기이다. 파우더 크기 수율이 크게 개선되어 Type 4 및 Type 5의 가격이 낮아졌다. 그러나 Type 6 가격은 현재 사용 중인 Type 4와 비교해 3배 높은 가격을 유지하고 있다.
스퀴지 속도 및 방출 파라미터는 페이스트 조성과 플럭스 유형에 따라 달라진다. Type 6 프린팅이 다른 페이스트와 유사할 것으로 예상하지만, 세부적인 요구사항도 고려해야 한다. Type 6 페이스트를 사용할 때는 페이스트를 픽앤플레이스에 맞추는 것 뿐만 아니라 리플로우 동안의 질소 사용 요구도 참작해야 한다. 0.005″ × 0.006″(0.127 × 0.1524mm) 개구의 이상적인 사례는 Type 6 페이스트이기 때문에 하이브리드인 Type 5.5 혹은 Type 5가 Type 6로 대체될 수 있는지를 확인하기 위해 앞으로 실험을 수행해야 한다.

PCB 서포트
프린팅 프로세스에서 일치된 합의 사항 중 하나는 성공적이고 반복적인 인쇄 결과를 도출하기 위해서는 툴링 서포트가 필수적이라는 점이다. 알루미늄 재질의 툴링 플레이트는 여전히 모든 다른 형태의 서포트를 테스트하는데 기준점이 되고 있다. 마이크로 부품 프린팅을 실시하고 있는 대부분의 애플리케이션에서는 0.030″(0.762mm) 이하의 PCB를 사용하기 때문에 진공  시스템이 결합된 툴링은 PCB를 평평하게 보장하고, 수평과 서포트는 최상의 결과를 줄 것이다.
플레이트는 PCB가 툴링 표면 위 PCB 표면의 오목한 포켓에 맞도록 설계되어야 한다. 스텐실의 장기적인 손상 방지를 위해 프린팅 영역의 스퀴지 바깥면을 서포트하는 서포트 윙도 권장한다. 표준 진공 시스템에서 생산된 Hg(수은주 인치)가 PCB를 평탄화하기에 충분하지 않을 수 있으므로 벤투리 진공계통(Venturi vacuum system)을 권장한다. 플레이트에 진공 개구부를 접목할 때, PCB 표면의 변형 또는 ‘오목현상(dimpling)’을 방지하기 위해 홀 크기에 대비한 PCB의 두께를 고려해야 한다. 툴링 플레이트 픽스처의 바닥 평탄도에 특별한 주의를 기울여야 한다. 이는 PCB 개스킷이 스텐실에 얼마나 잘 부착되어 있는지에 반영된다. 프린팅 프로세스 동안 PCB를 제자리에 고정시키는 방법을 설명할 때, PCB 두께가 0.030″(0.508mm) 미만인 경우, 진공은 상부 또는 측면 클램핑을 통해 평평한 표면을 보장하기 위해 선호되는 방법이다.

와이핑(Wiping)
와이핑은 결함에 대처하는 첫 번째 방어책이며, 전체 프로세스에 긍정적이면서 부정적인 영향을 모두 끼칠 수 있다. 적절한 빈도, 와이핑 순서, 호환 가능한 화학 물질 및 재료 결정은 반복성에 영향을 미쳐 잠재적 결함을 제거할 것이다. 마이크로 크기의 개구는 더욱 빈번한 와이핑이 요구된다. 하지만 솔벤트를 이용한 오버-와이핑은 언더-와이핑과 같은 부정적인 영향을 줄 수 있다. 테스트에서는 보드를 프린팅한 다음 스텐실 아래 비전 카메라를 작동시켜 개구에서 페이스트가 빠졌거나 막힌 구멍이 있는지를 검사하였다. 개구는 전사효율 및 스텐실 품질에 따라 방출되지 않은 일부 페이스트를 지니고 있을 것이다. 대부분의 경우, 이 페이스트는 다음번 프린팅 구동 시에 밀려 나갈 것이고, 와이핑이 필요하지 않으므로 적절하게 판단해야 한다. 결함이 생성되기 시작할 때까지 이 검사 프로세스를 계속했다. SPI 설비를 가용할 경우, 결과에 따라 적절한 와이핑 빈도를 결정하는 데 사용할 수 있다.
권장되는 순서는 진공-진공-건조 순이다. 결합된 진공 스트로크는 개구에서 특정 페이스트를 잡아당겨서 없애고, 그 뒤에 첫 번째로 통과한 진공의 결과를 남긴다. 솔벤트를 자주 사용해서는 안된다. 솔벤트의 사용 목적이 개구부 주위에 축적될 수 있는 플럭스를 처리하기 위한 것이기 때문이다. 솔벤트 와이핑에 권장되는 빈도는 매 4~6회 주기이다. 권장되는 솔벤트 스트로크 순서는 솔벤트 작업이 항상 먼저 시작하는 솔벤트-진공-건조 순이다. 사용된 솔벤트가 페이스트 플럭스와 호환되는지 확인하려면 페이스트 제조업체에게 적용 솔벤트의 정보를 문의하면 된다. Type 6 페이스트를 세척하기가 어렵기 때문에 고품질의 페이퍼가 사용되어야만 한다. 경제형 페이퍼는 솔더볼 잔존과 관련된 문제가 나올 수 있으며, 오염 문제를 초래할 수 있다.[1]

스크린프린터
스크린프린터는 008004″(0201mm) 부품을 성공적으로 프린팅하는 데 가장 중요한 역할을 한다. 마이크로 개구 프린팅 전에 예방 차원에서 유지보수 기능과 캘리브레이션이 최신 상태인지 확인하기를 권장한다. 설비의 얼라인먼트 기능은 소형 패드에 대응하는 데 필수적이다. 머신 비전의 반복성 및 정확성 개선은 마이크로 부품의 도입과 보조를 맞추어 진행되고 있다. 하지만, 그러나 1990년대형으로 설비가 디자인된다면, 이러한 부품 문제를 처리할 수 있는 정확도를 구축할 수 없을 것이다. 공정을 개선하기 전에 머신 비전 얼라인먼트 기능을 테스트하는 것을 권장한다. 머신 검증을 통해, 얼라인먼트 관련 문제를 보다 신속하게 구분하고 해결할 수 있다. 페이스트 침전의 정확성과 반복성을 측정하는 내장된 설비 소프트웨어를 활용한 프린트 검증 프로세스를 이용하여 수행될 수 있다. 결과물들은 비전 캘리브레이션이 필요한지를 결정할 것이다.
종종 간과되는 프린터의 또 다른 핵심 캘리브레이션은 스텐실 레일과 맞물린 테이블 수평 조정이다. 마이크로 개구를 프린팅할 때 개스킷이 가장 중요하기 때문에 PCB와 스텐실가 적절한 자리에 위치해야 하며, 이를 위해 스텐실 레일에 관한 캘리브레이션 작업에서는 4개의 테이블 모서리를 고려해야 한다. 이러한 캘리브레이션은 제조업체가 설비를 제조할 때 수행되기 가장 쉽다는 점을 간과해서는 안 되고, 설비 셋업 이후 재작업하기가 어렵다. 캘리브레이션 작업 동안 문제되는 것 중 하나는 활용 절차의 어려움이다. 필러 게이지는 인접한 스텐실 레인의 테이블에서 바닥까지의 거리를 측정하는 데 사용하였다. 4개의 포인트를 측정하기 위해 게이지가 코너에서 코너로 반복 이동되어 사양 내에서 거리를 조정한다. 이 프로세스를 수행하려면 기계를 자주 중단해야 하며 완료하는 데 몇 시간이 걸린다.
MPM에서 개발한 새로운 도구는 네 모서리를 동시에 조정하여 이 문제를 해결한다. 현재까지 테이블 스텐실 레벨링의 사양은 ±0.004″(0.1016mm) 범위에 있다. 그러나 연구 결과에 따르면 사양을 ±0.001″(0.0254mm)로 다운시켰을 때 최상의 결과를 얻을 수 있다. 테이블과 툴링 플레이트 간의 공차 문제를 없애기 위해 캘리브레이션 동안에 플레이트를 참조로 사용할 수 있다. 이 사양은 이 캘리브레이션 툴을 활용하여 달성할 수 있으며, 성공적인 마이크로 개구 프린팅에 이바지하는 역할을 한다. 이 캘리브레이션을 완료하는 데 걸리는 시간은 약 1시간으로 단축되었다. 마지막으로, 스크린프린터는 청결 상태가 철저히 검사되어야 하고, 발견된 모든 부스러기를 청소해야 한다. 많은 문제의 근본 원인은 시간의 경과에 따라 발생하는 임의의 페이스트 침전물 또는 잔사물로 추적될 수 있다.

실험 설계

008004"(0201mm) 관련 프린팅 테스트 개요
새로운 SMTA 소형화 테스트 시료를 사용하여 008004″(0201mm) 부품에 중점을 둔 마이크로-부품 프린팅 성능을 시연하였다. 앞서 설명한 모범 사례를 활용하여 Cp, CpK, Pp 및 PpK 결과를 결정하기 위해 결과들을 조사하였다. 목표는 공정 능력인 Cp를 2.0 이상으로 달성하는 것뿐만 아니라 공정이 6-시그마 품질 수준 내에 있음을 입증하는 2.0보다 큰 CpK를 달성하는 것이다. Pp 및 PpK 수치는 1.667 이상의 목표로 프로세스가 얼마나 잘 중심화되어 있는지를 검사할 것이다. 프린팅 테스트는 MPM의 Edison 플랫폼에 표준 구성을 적용하여 수행했다. DOE 설명과 사용된 설비, 재료 및 프로세스에 대한 자세한 내용과 결과 검토는 다음과 같다.

DOE(Design of Experiment)
테스트는 프로세스를 정상화하고 솔더페이스트를 작동 점도에 맞추기 위해 니드 보드(kneed board)로 사용되는 처음 4개의 PCB를 포함한 총 24개의 프린팅 PCB로 구성하였다. 데이터에서 노이즈를 없애기 위해 매 프린팅마다 와이핑을 수행하였다. 나머지 20개의 PCB는 보드  상의 SPC 패키지를 통해 해당 데이터를 분석하는 Parmi의 SPI 머신으로 검사하였다. 그런 다음 008004″(0201mm) 부품의 체적 및 높이에 대한 공정 데이터를 수집하고 표시하여 008004″(0201mm) 부품을 프린팅하는 처리 능력을 결정하였다. 사용된 모든 설비는 이 테스트를 수행하기 전에 재인증하였다.

재료
▶ PCB : 이 실험에 사용된 PCB는 새로운 SMTA 소형화  테스트 시료용으로 제작되었다(그림 2). 보드 치수는  (X)8.0″(203mm)이고 (Y)5.5″(139.7mm)이며 두께는 0.062″ (1.57mm)이었다. 보드 당 약 400개의 패드가 있으며 0도 에 200개, 90도에 200개가 있다. 008004″(0201mm) 패드 는 0.005″ × 0.006″(0.127 × 0.1524mm)이며 패드 사 이의 갭은 0.0047″(1.1938mm) 및 부품 피치는 0.00126″ (0.032mm)이었다.
▶ 스텐실 : 29″ × 29″ 프레임 크기, 높은 장력, 나노 코 팅으로 레이저 절단. 개구 크기는 0.005″ × 0.006″(0.127  × 0.1524mm) 패드 크기와 일대일로 매칭시켰다.
▶ 블레이드 : 8″(220mm) 스테인리스 스틸 블레이드, 55-도 의 어택 각도(attack angle)
▶ 페이스트 : Type 6, SAC305 무세척 플럭스
▶ 툴링 : 진공을 갖춘 전용 작업 홀더 –SMTA PCB에 맞춤  제작.

                                        
프린팅 머신
이번 테스트에 Edison 플랫폼을 사용하였다(그림 3). Edison은 중소형 보드 및 마이크로 크기의 부품 프린팅을 위해 특별히 설계되었다. 머신비전의 사양은 Cp 2.0 @ 6-시그마 기준 ±0.0003″(8μ)의 반복성, Cp @ 6-시그마 기준 wet 프린트 반복성 0.0006″(15μ)으로 제작되었다. Thin Vision 카메라 설계로 PCB를 loading하거나 releasing할 때 움직여야만 하는 z축 이동 거리를 줄였다. 시스템은 더 나은 분해능을 위해 정렬 모터가 더 멀리 떨어져 있는 X/Y/Y 정렬 방식을 사용한다. Z축은 보드의 중앙에 맞춰져 Z축이 올라올 때 PCB와 레일 어셈블리 전체가 테이블에서 분리되어 공차를 없앤다. 이를 통해 적절한 개스킷 작업을 수행하고 스텐실로부터 깨끗하게 방출할 수 있다. 고정 와이퍼는 기계 전면에 위치하고 스텐실은 셔틀을 통해 와이퍼에 제공되어 프린트 챔버 내의 특정 오염을 제거한다. 프린트 헤드는 단일 로드 셀을 사용하여 두 스퀴지를 모니터링하여 프린트 방향 변화를 방지한다. 모든 캘리브레이션은 이 기계에서 수행되었으며 CeTaQ 테스트 절차를 통해 검증받았다.

SPI(솔더 페이스트 검사)
솔더페이스트 검사에는 새로운 고해상도 검사 헤드가 장착된 SPI를 사용했다. 표준형 SPI의 검사 헤드에는 마이크로 부품용 페이스트 침전물을 처리할 수 있는 해상도가 없다. 마이크로 침전물에 대응하기 위해서는 스캔 속도가 100cm/sec에서 60cm/sec로 느려진다. 이 시스템은 듀얼 레이저 광학 삼각 측량을 사용하며 1%의 높이 및 체적 반복정밀도를 지닌 2um의 높이 정도 사양을 지니고 있다. 테스트를 수행하기 전에 Gage R&R 테스트를 수행하였다.

MPM Edison 스크린프린터 파라미터 :
▶ Squeegee force: 14 lbs. (1.35 kg)
▶ Squeegee Speed: 1.5 in/sec (38mm/sec)
▶ Slow Release Distance/Speed: Distance = 0.100  (2.54mm) Speed = 0.100 (2.54mm)
▶ Wipe Frequency; Every PCB
▶ Wipe Sequence: Vacuum / Vacuum / Dry
▶ Board clamping: Vacuum and side snugging


테스트 결과
패드 0도에서의 페이스트 체적 및 높이
체적 측정에 관해서는 그림 4를, 높이 측정에 대해서는 그림 5를 참조하면 된다. 체적의 한계는 하한선을 50%로, 상한선을 170%로 설정하였다. 분포 곡선은 중앙에 있으며 평균 페이스트 체적은 114.05%이며, 체적의 하한점은 88.74%이며 발견된 체적 상한점은 139.37%이었다. Cp 값은 2.37로 계산되었고 CpK 값은 2.21로 계산되었다. Pp는 2.37이고 PpK는 2.21이었다. 높이 제한은 하한의 경우 50%, 상한의 경우 150%로 설정하였다. 분포 곡선은 평균 높이가 114%이고 하단선이 99%이고 상단선이 129%인 상부 방향으로 이동한다. CpK는 2.32의 CpK로 3.2로 기록되었다. Pp는 3.28에서, PpK는 2.32에서 계산되었다.

결과에서는 체적이 약간 높게 나왔지만 일관성이 있음을 보여주었다. 높이는 원하는 것보다 높았으나 더 높은 Cp 수치를 반영하는 분포가 더 촘촘하였다.

패드 90도에서의 페이스트 체적 및 높이
체적 측정은 그림 6을, 높이 측정은 그림 7을 참고하면 된다. 체적의 한계는 하한선을 50%로, 상한선을 170%로 설정되었다. 분포 곡선은 중앙에 있으며 평균 페이스트 체적은 108.71%을 보였다. 체적의 하한은 82.31%, 상부 체적은 135.11%였다. Cp는 2.27, CpK는 2.24로 나타났다. Pp는 2.27이고 PpK는 2.28이었다. 높이 제한은 하한의 경우 50%, 상한의 경우 150%로 설정되었다. 분포 곡선은 평균 높이가 105.84%이며 하단이 94%이고 상단 판독 값이 117%이었다. Cp는 3.81의 CpK를 보인 4.22로 기록되었다. Pp는 4.31, PpK는 3.82로 산출되었다.

실험 결과를 통해, 90도의 경우에 체적과 높이 모두에서 더 집중된 곡선을 보이고 있음을 알 수 있었다. 체적이 중앙을 향해 약간 이동하여 원하는 위치에 더 가까워졌다. 90도 부품의 높이는 Cp가 4.22인 매우 좁은 곡선을 보였으며, 0도 부품보다 가장 크게 개선되었다. 그림 10에서는 결과를 요약한 내용을 보여주고 있다.

결과

프린팅 테스트의 결과에서는 008004″(0201mm) 부품에 맞춰 반복적으로 프린팅할 수 있으며, 프로세스 윈도우가 공정 능력의 두 배인 곳에서 수행할 수 있음을 보여주었다. 테스트 결과에서는 또한 90도 방향의 패드가 최상의 결과를 나타냈지만, 0도 방향도 원하는 사양 내에 있음을 알려주었다. 마이크로 크기의 부품 프린팅은 각 요소들이 설비, 재료 및 공동 프로세스 작업으로 처리될 때 얻을 수 있었다. 개별적인 측면보다 협력적인 공동 작업이 우선시되어야 하면, 원하는 결과를 얻기 위해 프로세스의 바퀴가 잘 맞아야만 한다.
향후 작업 : 각기 다른 파우더 크기가 008004″(0201mm) 부품 프린팅의 미치는 영향을 알아보고, Type 6 파우더 대비 비용 vs 성능을 이해하기 위한 추가 조사가 필요하다. 또 다른 테스트는 스퀴지 블레이드와 엔클로즈드 프린트 헤드의 결과를 비교하여 이 두 가지 적용 방법 간에 이점이 있는지 확인하는 것이다.