실험을 통해 알아 본 최적의 프린팅 품질 솔루션
다양한 각도에서 테스트 보드 제작, 적용
높은 수준의 제조 공정을 위해 여러 요구사항들이 나오고 있다. 확실한 것은 확보된 측정 데이터 없이 프로세스를 충분하게 컨트롤하기란 불가능하다는 점이다. 또한 분명한 것은 이들을 수동적으로 수행하는 것은 실용적이지 못하고, 신뢰할 수도 없게 되고 있다는 점이다. 그래서 자동 검사 설비 즉, 자동 솔더 페이스트 검사기(SPI, Solder Paste Inspection)를 사용하는 게 필요하다. 또 다른 부문은 확보된 데이터와 자동 검사 지원이 동일하게 중요하다는 점이다. 이는 축적된 데이터가 발전 및 지속적인 향상 목적을 위해 유기적으로 활용될 수 있고, 그것으로 인해 원하는 품질 수준을 보장할 수 있기 때문이다.
솔더 페이스트 프린팅은 전자기기 제조공정 중 품질을 보증하기에 매우 어려운 프로세스 중 하나로 잘 알려져 있다. 커다랗고 고밀집도의 PCB 상에 대형 모듈과 소형 칩 부품들이 혼합적으로 사용되는 테크놀로지의 추세에 따라 도전과제들이 늘어났다. 솔더 페이스트 인쇄 품질을 보장하기 위한 전용 프로세스가 빠르게 필수적으로 자리 잡기 시작하고 있다. 본고에서는 전자산업 어셈블리 제조 라인에서의 솔더 페이스트 프린터와 검사기 양쪽에서 확보한 안전한 데이터를 토대로 인쇄품질을 보증하는 방법을 설명한다. 이 정보는 솔더 페이스트 프린팅 프로세스를 향상시키기 위한 피드팩으로 사용될 것이라고 믿는다.
서문
본고는 전자산업 제조라인에서 체적과 품질 수준의 향상 요구에 근간을 두고 있다. 제조 제품의 기술 수준의 최신 발전으로 프로세스에 많은 새로운 요구가 접목됨에 따라 솔더 페이스트 프린팅 공정은 확실하게 보장될 필요가 있는 영역으로 처음부터 규정되었다.
솔더 페이스트 인쇄 공정
솔더 페이스트 인쇄 작업은 전자기기 제조라인에서 가장 중요한 공정 중 하나이다. 인쇄 공정의 주 목적은 정확한 위치에서, 정확한 형태로, 정확한 양의 솔더를 적용하는 것이다. 그리고 이러한 작업이 항상 유지되어야 하는 것이 핵심이다. 프로세스가 상대적으로 단순하다고 여겨질 수 있음에도 불구하고, PCB와 관련한 인쇄 품질 결과는 나머지 SMT 프로세스의 기반이라고 할 수 있다. 우수한 인쇄 결과는 우수한 솔더링 결과를 이끌어 내는 필요조건이다. 반면 안 좋은 인쇄는 제조공정 체인을 통해 생산품이 이동됨에 따라 부가적인 공정 문제들을 유발할 것이다.
인쇄 공정은 하부의 요청사항 및 특성을 가지고 있다:
▶ 솔더 페이스트 특성 : 페이스트가 취급될 때 점착물질의 떨 어짐.
▶ 스텐실 표면 마찰 : 스키드 대신 페이스트를 굴리는(roll)의 힘이 상대적으로 높아야만 한다.
▶ 스퀴지 표면 마찰 : 페이스트 굴리기(roll)가 가능하고, 이동 중에 적당하게 배출하기 위해 상대적으로 낮아야 할 것이다.
PCB가 스텐실로부터 떼어질 때, 페이스트는 보드의 솔더 패드에 붙어야 하고, 스텐실 개구 내부 벽에 들러붙으면 안 된다. 이상적으로 채워질 수 있는 페이스트의 양과 관련해서 솔더 패드에 미치는 페이스트의 양은 이송 효율로 잘 알려져 있다. 80%의 이송 효율이 허용 가능한 수치로 일반적으로 받아들여지지만, 이 수치가 매번 충분하거나 혹은 요구되지 않을 수도 있다. 특정 상황의 경우, 100% 보다 더 큰 이송 효율이 필요할 수도 있다.
인쇄 공정이 매우 민감한 이유들 중 하나는, 이 공정 내에 기계적인 허용요차, 소프트웨어 설정, 화학재 특성 그리고 작업자 지식이 포함되어있어야 하기 때문이다. 가장 중요한 파라미터의 일부는 다음과 같다:
▶ 프린터의 유지보수 상태
▶ 스텐실의 상태
▶ 스텐실 내 개구 디자인
▶ 솔더 페이스트 특성
▶ 스퀴지(밀폐된 프린팅 헤드) 상태
▶ 스퀴지 압력, 속도 및 각도뿐만 아니라 PCB와 스텐실 사이 의 분리 속도와 같은 프로그램 파라미터들.
특정 도전과제들
앞서 설명한 파라미터들에 추가해서, 본고에서 언급한 특정 제조현장에서 생산된 특수한 제품 타입은 좀 더 도전적인 솔더 페이스트 인쇄를 필요로 하는 여러 가지 특성을 지니고 있다. 모든 보드의 첫 번째는 물리적 사이즈가 크다는 점이다. 길이와 폭이 450mm를 초과하는 것과 심지어 일부 500mm까지 늘어난 제품을 접하는 일은 이제 더 이상 드물지 않다.
거대한 인쇄 영역은 프로세스 윈도우를 감소시킨다. 대부분의 프린터에서 작업할 인쇄 영역의 중간 부문과 스퀴지 엣지에 밀접한 부문 양쪽에서 신뢰할만한 결과를 얻기가 매우 어렵기 때문이다.
두 번째로, 생산제품에는 수많은 부품들이 장착되고 있다. 30.000개 이상의 솔더 패드를 가지고 있는 보드를 보는 것은 드문 일이 아니다. 대량의 패드들이 수동 검사를 통해 페이스트 편차를 알아내기가 사실상 불가능함에 따라, 인쇄 공정과 검사 공정 양쪽을 충족시키려는 요구들이 커지고 있다. 마지막으로, 보드들은 0201(imperial) 수동소자 및 하이엔드 프로세서에서부터 Pin-In-Paste 커넥터에 이르는 넓은 범주의 다양한 패키지 타입의 많은 부품들이 실장된다. 이러한 부품 패키지의 거대한 범주는 솔더 페이스트 인쇄 공정에서 스트레스로 작용하고 있다. 패키지의 타입에 따라 요구하는 페이스트 양이 천차만별이고, 더욱 많은 소형 부품들이 대형 패키지 타입에 인접해서 놓이는 것 역시 일반적인 사항이 되었기 때문이다. 이러한 추세는 더 많은 도전과제를 만들어내고 있다. 초소형 부품에서 페이스트 침전의 저하가 발생하지 않도록 하기 위해 단계별 솔루션과 함께 스텐실이 주의 깊게 평가되어야만 한다.
니즈들
앞서 언급한 도전과제들은 높은 수준의 제조 공정을 위해 여러 요구사항들이 나오고 있다. 확실한 것은 확보된 측정 데이터 없이 프로세스를 충분하게 컨트롤하기란 불가능하다는 점이다. 또한 분명한 것은 이들을 수동적으로 수행하는 것은 실용적이지 못하고, 신뢰할 수도 없게 되고 있다는 점이다. 그래서 자동 검사 설비 즉, 자동 솔더페이스트 검사기(SPI, Solder Paste Inspection)를 사용하는 게 필요하다. 또 다른 부문은 확보된 데이터와 자동 검사 지원이 동일하게 중요하다는 점이다. 이는 축적된 데이터가 발전 및 지속적인 향상 목적을 위해 유기적으로 활용될 수 있고, 그것으로 인해 원하는 품질 수준을 보장할 수 있기 때문이다.
앞선 이유들은 다음과 같은 질문들을 유발한다: ‘솔더 페이스트 침전을 보장하기 위해 생산라인에서 사용하고 있는 분석 장비를 어떻게 신뢰할 수 있도록 하게 하는 것 일까?’이다. 이 질문이 방법론이 되기 시작한 프로젝트를 차례로 만들어냈다.
방법론
프로젝트의 목표는 구체화된 방법으로 솔더 페이스트 인쇄 공정을 최적화시키고 확인하는 것이다. 이행된 프로젝트는 그래서 다음과 같은 전략을 수립하여 넣었다:
▶ 솔더 페이스트 검사기 반복정밀도와 분석 정확도 입증.
▶ 솔더 페이스트 인쇄 공정 최적화.
▶ 하이-레벨에서 솔더 페이스트 인쇄 공정 캐파빌리티 확보 및 향상을 보장하기 위한 루틴 개발.
생산 능력 개선에 필요하고 발생할 캐파빌리티를 위해 모두 충족되어야 할 필요가 있는 3개의 주요 사항을 기본으로 둔 방법론이 확실하다.
솔더 인쇄 검사 측정 보증
목표는 솔더 페이스트 인쇄 공정의 결과를 컨트롤하는 것으로 즉, 높은 품질의 솔더 접합을 얻기 위한 최상의 컨디션을 제공하는 것이다. 그러나 리플로우 공정이 진행되고 그 이후까지 기다려서 검사하는 것은 솔더 침전의 품질을 확인을 하기 위한 시간과 리워크 관점에서 보면 느리고 값 비싼 방법이다. 반면 즉각적으로 피드백하여 허용 가능한 시간 내에 인쇄 공정을 컨트롤하는 기능을 부여해서 인쇄 공정 이후 바로 검사하는 것이 매우 유용하다. 전자기기 제조에서 다수의 솔더 침전을 컨트롤하기 위한 하나의 효과적인 방법이 있다. 솔더 페이스트 검사설비(SPI)를 사용하는 것이다. 물론, 전자기기 제조에서 가장 중요한 공정 변수 중 하나를 보장하는 유일한 수단으로 SPI를 사용하기 위해서는 설비가 정확한 정보를 제공해줌으로써 실제 작업자가 의지할 수 있어야 한다는 점이 매우 중요하다. 그래서 방법은 검사 설비 자체적으로 신뢰할 수 있고 정밀한 정확도를 가지고 있다는 점을 확인함으로써 시작했다. 이는 매번 동일한 결과를 제공하는 것을 보장하기 위한 SPI의 Gauge R&R(gauge repeatability and reproducibility) 분석을 실행함으로써 수행되었다. Gauge R&R 측면에서 2개의 중요한 항목이 있다:
▶ 반복정밀도 : 동일하거나 혹은 반복된 아이템 그리고 동일 한 조건 하에서 단일 작업자 혹은 기기에 의해 나타난 측정 치의 변화.
▶ 재현성 : 서로 다른 작업자, 기기 혹은 실험실에서 동일하거 나 반복된 표본을 측정했을 때 야기되는 변화.
이들 2가지 항목은 생산라인에서 다른 시간에 2명의 다른 작업자가 검사 작업을 수행함으로써 설명되었다. GR&R는 자체 정확도가 아니라 분석 시스템의 정밀함만을 설명하기 때문에, 이미 잘 알려진 침전 측정을 위해 필수적이다. 이러한 목적의 경우, 솔더 페이스트가 인쇄된 보드를 사용하는 것이 바람직하지 않을 수도 있다. 페이스트 자체가 시간, 온도, 습도 등에 따라 형태 및 특성이 변할 것이다. 대신에 솔더 페이스트가 인쇄된 보드에 가능한 많은 특징들이 포함되어 있는 레퍼런스를 제작했다. 2단계의 에칭 공정을 거친 황동 메탈 시트(brass metal sheet)로부터 제작한 레퍼런스에 부합했다. 일반 PCB에 존재해 있는 솔더 마스크 및 동박 트레이스의 패턴을 재생성하기 위해 만들어졌다. 패드들은 그런 후에 솔더 페이스트와 유사한 동박으로 도금했다. 동박 침식으로부터 표면 처리를 보호하기 위해서는 pure 주석으로 도금되었다.
인쇄된 제품과 유사한 레퍼런스 보드를 만들었고, 솔더 페이스트 검사기의 성능을 확인하기 위해 사용될 수 있다. 결론적으로, 레퍼런스 보드는 다음과 같은 특징을 가지고 있다:
▶ Resistant : 시간, 일반 온도와 습도 레벨 혹은 또 다른 환 경적 요인 때문에 변질되지 않는 금속으로 만들어졌다.
▶ 실제 PCB의 Reflect : 레퍼런스 보드는 서로 다른 레이어 내에 에칭되었기 때문에, 그림자 효과가 시연되었고, PCB 트레이스, 비아 등을 가지고 있다. 그래서 실제 제품의 top 레이어와 유사하게 하였다.
▶ 전체 SPI 분석 영역 테스트 : 커다란 사이즈의 레퍼런스 보 드로 인해 보드의 중앙뿐만 아니라 외부 영역에 대한 SPI의 성능을 가능한 측정하였다.
레퍼런스 보드는 그림 1과 같다. 레퍼런스 보드에는 9개의 다른 측정 섹션으로 구분하였다. 각 측정 섹션은 동일한 외관으로 하였으며, 의도적으로 하나의 형태를 카피해서 제작했다. 그러나 제조업자의 프로세스 다양성 때문에 다른 위치에 금속의 양을 약간 다르게 하였다. 그래서 각각의 침전을 개별적으로 측정하는 것이 필수적이다. 각 섹션 내에는 10개의 다른 측정 포인트들(패드들)이 존재하고 이를 분석했다.
그림 2에서는 레퍼런스 보드 상의 ‘솔더 침전’을 클로즈업한 모습을 보여주고 있다. 그림 2의 좌측에서는 트레이스들이 위치한 곳을 위에서 관찰한 침전 모습을 나타내고 있으며, 인조 비아 홀 또한 확실하게 볼 수 있었다. 우측 사진은 도금된 동박(‘페이스트’의 주요 높이를 빌드하는데 사용되는)도 볼 수 있는 각도에서 본 ‘침전들’의 모습을 모여주고 있다. 또한 Sn 표면처리를 분명하게 볼 수 있다.
전체 레퍼런스 보드는 레퍼런스 침전의 높이와 체적을 확인하기 위해 분석실로 보내졌다. 10개의 다른 패드들의 높이와 체적을 10번 분석하였고, 평균값을 도출하였다. 정확한 결과를 얻기 위해 레퍼런스의 ‘트레이스’를 활용하여 높이가 측정되어야만 한다. ‘패드’ 주위의 ditch를 활용하지 않았다. 확인되고 분석된 레퍼런스 보드를 이용하여, SPI 정확도가 알맞고, 인쇄 공정을 최적화하려는 생산라인에서 사용될 수 있는 품질 보장이 가능하다.
인쇄 공정 최적화
솔더 페이스트 프린터를 거치는 우수한 컨트롤은 생산라인의 낮은 불량률 결과를 달성하기 위해 필수적이다. 이 캐파빌리티 평가 루틴은, 신뢰할만하고 높은 품질의 솔더 페이스트 인쇄를 달성하기 위한 목적으로 컨트롤된 방식 속에서 솔더 페이스트 프린터의 다른 파라미터들을 컨트롤하기 위해 특정 재질의 키트가 어떻게 활용되는지를 설명할 것이다.
이러한 캐파빌리티 평가의 목적은 인쇄 파라미터들을 규정하고 최적화시킨 솔더 페이스트 프린터를 제조 현장에서 사용 가능하게 하는 것이다. 이는 속도, 압력, 클리닝 사이클 등과 같은 설비 파라미터들을 실제화 하였다. 뿐만 아니라 보드 및 스텐실 지지대, 솔더 페이스트의 반죽(kneading), 생산라인 중단, 스퀴지 품질, 습도, 온도, 유지보수 간격 등과 같이 인쇄 결과에 깊게 영향을 미칠 수 있는 부가적인 파라미터들도 적용하였다.
솔더 페이스트 인쇄 공정을 최적화할 때, 일반화 혹은 조만간 일반화될 것으로 알려진 생산 물종과 관련해서 테스트가 수행되었는지 확인하는게 유리하다. 이러한 측면에서 생산품 분석은 제품 물리적 사이즈, 요구된 스퀴지 너비, 개구 수, 개구 사이즈 및 개구 위치를 포함한 다른 항목들과 더불어 진행했다. 이를 고려하여 PCB 테스트 패턴을 만들었고, 그림 3과 같이 패턴을 반영한 스텐실을 제작했다. 결론적으로, 다른 영역에 비해 가장 나쁘게 작업된 솔더 페이스트 프린터 내부에 특별한 영역이 존재하는지 확인하는게 가능할 것이다. 또한 다른 영역에서 프로세스가 취급될 수 있는 개구의 사이즈를 조사하는 것도 가능할 것이다.
프린트 보드 상의 테스트 패턴은 모든 침전에서 수용할만한 결과를 이뤄내기 매우 어려울 것과 같은 방식으로 설계했다. 사실, 솔더 페이스트는 AR(area ratio)에 따라 더 작아진 개구를 통과해서 침전되는게 물리적으로 어려울 수 있다.
기본 테스트 패턴 블록은 부품 실장 다양성에 대응하기 위해 별형 구조로 배치되었다. 보드 가장자리에서 프린터가 어떻게 수행하는지를 평가하기 위해 이들 에어리어에 또한 부차적인 테스트 패턴들을 추가했다. 테스트 보드는 300mm, 400mm 및 500mm 폭의 인쇄를 대응할 수 있도록 설계되었다. 테스트 보드의 중앙 부분은 스텐실에 셋업 에어리어 가능성을 평가하는데 활용할 수 있는 패턴으로 했다. 스텐실은 127㎛의 두께이고 미세-결정립 스틸(fine-grain steel)로 제작했다. 테스트는 에칭 및 레이저-컷 스텐실 버전 모두 실시했다. 각 별형 ‘arm’ 내부 안에, 그림 4에서 보이는 바와 같이 블록에는 굴곡진 코너, 원 그리고 직사각형 개부들을 포함시켰다.
PCB 상 개구의 정밀한 사이즈가 AR(area ratio) 및 피치와 함께 표 1에 나타내고 있다. 각 개별 사이즈에는 다음의 블록에 시작하기 전에 5번 반복되었다. 사각형, 원형 등의 각 개구 타입은 머신 내 다른 위치에서의 사이즈를 평가하기 위해 180° 회전시켰다. 레퍼런스 보드와 스텐실의 논의를 이어가기 전에 스텐실 개구의 기본 규칙들 일부와 패드 에어리어와 어떻게 관련되어 있는지를 재검토하는게 가치가 있다. 패드에 최적화된 솔더 페이스트의 체적은 적용된 부품의 타입에 주로 의존한다. 침전된 페이스트 체적은 개구 사이즈와 스텐실의 두께에 의해 기형학적으로 결정된다. 사이클 동안 보드와 스텐실이 서로 분리됨에 따라, 솔더 페이스트에 가해지는 다른 힘(force)의 데이터가 있을 것이다. 솔더 페이스트는 보드의 패드로 이송되거나 혹은 스텐실 개구 벽에 들러붙을 것이다. 다음과 같은 요인들과 밀접하게 관련하여 무슨 현상이 발생하는지 알아봤다:
▶ 보드-스텐실 분리 속도
▶ 개구 에어리어 및 aspect ratio
▶ 개구 사이드 벽 지형구조
▶ 개구 사이드 벽 마감처리
보드/스텐실 분리 속도는 설비의 파라미터로 설정되었고, 스텐실 설계와 직접적으로 관련이 없다. 그러나 다른 3개는 재질, 제조 방식 및 스텐실 개부의 설계와 직접적으로 관련이 있다.
일반적으로, 스텐실 개부를 설계할 때, 수용할 만한 공정 결과를 얻기 위해 충족시켜야만 하는 많은 조건이 있다:
1) 부품 및 패드에 맞게 조정된 개구
2) 페이스트에 맞게 조정된 개구
3) 1.5보다 큰 Aspect ratio
4) 0.66보다 큰 Area ratio
우수한 솔더 페이스트 배출과 적합한 솔더링 결과 모두를 얻을 수 있게 실행하는데 앞서 언급한 모든 조건들을 충족시키는게 일반적으로 필요하다.
Aspect ratio는 개구의 폭을 스텐실 두께로 나눈 비율이다. 1.5보다 적다면, 스텐실 개구 벽으로부터의 견인력이 너무 커질 것이고, 페이스트는 완벽하게 배출되지 않을 것이다. 결론적으로, 페이스트가 보드 랜드에 의도했던 것보다 적게 존재할 것이고, 솔더 결과는 허용하지 못하는 수준이 될 것이다. 개구의 area ratio이 너무 적다면 동일한 결론이 또한 발생할 것이다. 다음과 같은 공식을 사용함으로써 에어리어 및 area ratio를 계산하는게 가능하다:
표 1에서 보여주는 바와 같이, 0.67보다 더 작은 개구 ratio를 지닌 개구 사이즈의 경우, 보드 패드 상에 충분한 양의 페이스트를 얻는 것이 가장 큰 도전과제가 될 것이다. 많은 양의 페이스트가 스텐실 개구의 내부 벽에 잔존할 가능성이 크기 때문이다.
보드 상에 존재해 있는 엣지 패턴은 그림 5에서 보여주고 있다. 이 패턴의 경우, 오직 직사각형 개구만을 활용했다. 이러한 민감한 영역 내에서의 프린터의 성능을 평가하기 위해 구성하였다.
1열에서는 자체적으로 빈약하고/낮은 area ratio로 인해서 만족스러운 결과가 나오리라고 기대하지 않았다. 그러나 다른 개구들에서는 수용할만한 프린트 결과를 얻어야만 했다. 또한 그림 5의 패턴은 테스트 보드의 바로 그 엣지에 초소형 개구를 위치함으로써 프린터가 더욱 어려움을 겪을 수 있도록 180° 회전시켰다.
