다양한 조건의 실험을 통해 최적 조건 찾기
10psi 압력, 3inch/sec 스퀴지 속도 권장

1206 부품에서부터 최근의 01005 부품까지 수동소자의 크기 감소는 이어져 오고 있다. 산업계의 요구 급증에 따라 다양한 이종의 대형 부품을 포함하고 있는 회로 보드에 소형 수동소자를 수용해야 할 필요성이 대두되었다. 01005와 같은 부품은 회로 보드의 공간을 줄이는 동시에 전기적 거리를 줄이고 밀집도를 증가시켜 전기적 성능을 향상시키는 데 도움이 된다. 그러나 대형 부품과 소형 수동소자가 함께 장착된 보드에 대응하는 개선된 견고한 프린팅 및 리플로우 프로세스를 개발한다는 것은 다양한 견해와 도전이 필요하다는 의미로 전자산업계를 괴롭히고 있는 주요 도전 과제가 되었다. 본고는 필요한 경우 모든 부품의 성능 지표를 수용하는 견고한 어셈블리 프로세스를 이해하고 만드는 첫 번째 단계이다.
 

SMT 산업계는 PCB 위에 마이크로 BGA, 0.3mm CSP 및 01005 수동소자 등과 같은 ‘소형부품 실장’ 국면에 접어들었다. 이들 부품의 실장은 초창기 휴대전화와 다른 핸드헬드 가전기기 업계가 이끌었다. 완성제품 크기의 소형화와 기능의 다양화를 요구하는 소비자의 입맛을 충족시키기 위한 목적에서 출발했다. 국방 및 의료 업종과 같은 다른 산업계에서도 또한 근시일 내에 소형 부품이 적용되기 시작할 것으로 기대되고 있다.
이들 소형 부품들이 동일한 회로 기판 위에 존재하는 다른 부품들(QFP, PLCC 등)에 비해 상당히 작은 솔더 침전을 필요로 하기 때문에 SMT 어셈블리에서는 PCB의 모든 부품에 솔더 페이스트를 만족스럽게 침전해야 한다는 문제에 직면해 있다. 그래서 ‘하나의 크기에서 모든 것에 적합한’ 프로세서를 설명하는데 사용된 용어가 산업계에서 떠올랐는데, 그것이 바로 ‘Broadband Printing’이다. Broadband Printing은 단일 어셈블리에서 가장 작은 패드에서부터 가장 큰 패드까지 똑같이 만족스러운 결과를 인쇄할 수 있는 안정적인 프로세스 파라미터를 제공하는 강력한 프린팅 프로세스를 일컫는다.
본고에서는 01005에서부터 QFP까지 다양한 부품을 포함한 테스트 시료를 활용한 프린팅 연구 결과를 보여준다. 최근 보고서에서는 01005 프린팅에만 초점을 둔 연구 결과가 나오고 있다. 이 프린팅 프로세스는 01005 어셈블리에 적합하도록 결정되었으며, 또한 통계 성능에 기반을 두고 분석하였다. 본고에서는 이 프로세스에서 동일한 테스트 보드 위에 놓인 커다란 부품에도 충분한 솔더 페이스트 침전을 제공할 수 있는지를 밝혀내기 위해 상세한 추가 결과를 제시할 것이다. 향후에 SMT 산업계에서는 소형 및 대형부품 모두를 충족시키기 위해 듀얼 스텐실 혹은 stepped stencil printing 기술을 대체하는 ‘Broadband Printing’ 방향으로 나갈 수도 있다.

서문

1206 부품에서부터 최근의 01005 부품까지 수동소자의 크기 감소는 이어져 오고 있다. 산업계의 요구 급증에 따라 다양한 이종의 대형 부품을 포함하고 있는 회로 보드에 소형 수동소자를 수용해야 할 필요성이 대두되었다. 01005와 같은 부품은 회로 보드의 공간을 줄이는 동시에 전기적 거리를 줄이고 밀집도를 증가시켜 전기적 성능을 향상시키는 데 도움이 된다. 그러나 대형 부품과 소형 수동소자가 함께 장착된 보드에 대응하는 개선된 견고한 프린팅 및 리플로우 프로세스를 개발한다는 것은 다양한 견해와 도전이 필요하다는 의미로 전자산업계를 괴롭히고 있는 주요 도전 과제가 되었다. 본고는 필요한 경우 모든 부품의 성능 지표를 수용하는 견고한 어셈블리 프로세스를 이해하고 만드는 첫 번째 단계이다.

방법론

본고는 이미 여러 곳에서 제공하고 있는 이전 연구에서 그 기초를 도출했다. 이 섹션은 이번 분석에서 적용된 테스트 디자인, Gage R&R, 실험적 디자인 및 처리 조합을 간단하게 언급할 것이다. 분석에 적용된 데이터는 4가지 DOE 실행부터 시작했다. 실험을 위해 스텐실, 적용 페이스트 Type을 동일하게 설정하였고, 적용 프로세스는 스퀴지 속도, wipe 방법 및 스퀴지 압력을 포함해 다양하게 적용하였다.
이전 DOE의 초점은 페이스트 전사효율(TE, transfer efficiency)을 이해하기 위한 것이기 때문에, 단지 체적 전송 효율데이터만 분석을 위해 수집되었다. 전사효율 데이터에서는 대형 부품용 TE 효율이 소형 부품만큼 좋을 지를 확실하게 말하고 있으나 부품의 기계적 무결성에 대해서는 어떠한 것도 알려주지 않았다. 다시 말해서, 대형 부품에 전달되는 페이스트의 체적이 부품을 제 위치에 고정할 만큼 충분한 기계적 강도를 제공하는지에 대한 여부를 보여주지 않는다. 이 같은 프로세스 측면을 이해하기 위해, 소형 및 대형 부품 모두의 결합 강도를 평가하기 위해 전통적인 절단 테스트 방법이 채용되었다. 부품들은 DAGE 4000 절단 테스터로 절단되어 테스트 되었고, 리플로우 이후 솔더 접합의 절대 성능을 이해하기 위한 기본으로 제공했다.

테스트 시료

연구에 적용된 테스트 보드는 Ni-Au 패드 표면마감 처리된 10″(L)×8″(W)×0.062″(T) 사이즈의 4층 FR-4 재질의 보드였다. 이 보드를 그림 1에서 보여주고 있다. 전자산업계에서 폭 넓게 이용되고 있는 대형 부품 패드뿐만 아니라 서로 다른 유형의 소형 부품 패드(0201, 01005 부품들이 포함된)들이 함께 실장되어 있다. 본고에서는 노란색으로 박스처리된 부품들을 참고했다.

스텐실 및 패드 형상   
분석에 적용된 서로 다른 패드들은 1:1 비율의 스텐실 개구부를 가지고 있다. 그래서 이론상으로 패드로 이송되는 체적은 스텐실 두께에 패드를 곱한 면적이어야 한다. 표 1에서는 이번 분석에 적용된 부품 사이즈, 패드 방위/치수 및 면적비율에 대해 자세하게 묘사하고 있다. 그림 1에서 알 수 있듯이, 본고에서는 보드의 한 쪽 모서리에 위치한 보드 위의 부품들로 한정했다.

기본 실험에서는 스텐실 인증의 허용 가능한 방법으로써, 스텐실 공급자의 COA(Certificate of Authentication)를 채택해 왔다. 그래서 스텐실 개구부 및 치수는 제조업체에서 정의한 동일한 수준으로 추정된다.

Gage R&R
본고에서는 페이스트 전사 효율성을 확인하기 위해 Agilent SP50 솔더 페이스트 검사기를 적용했다. 다양한 부품의 P/T(Precision to Tolerance) 비율은 표 2에서 보여주고 있다. P/T 비율은 150%의 USL과 50%의 LSL로 산출되었다. 표 2에서 보는 바와 같이, 01005 부품을 제외한 모든 부품들은 P/T<10%를 보여주고 있다. 이 같은 결과는 Agilent SP50이 매우 반복정밀도가 우수하다는 것을 보여주고 있다. 심지어 01005 부품이 P/T>10%을 나타낸다고 하더라도, 여전히 30% 미만이고 이는 허용 가능한 수치라고 간주된다.

실험용 디자인

기본적인 실험은 두 가지 레벨에서 6개의 요인으로 진행되었다. 각 테스트에서 4개의 보드로 총 16회 실행되었다. 현재의 broadband printing 분석에 사용될 테스트는 최초 4번 실행했다. 최초 4번의 테스트는 스텐실 타입 및 페이스트의 동일한 설정으로 구성되었다(즉, Type 4 페이스트 및 3mm 스텐실). 그러나 이들은 프로세스 파라미터 변수는 다양성을 가지고 있다.

데이터 분석 및 추론
프로세스 데이터는 자체적인 기본 결론을 내리기 위해 각 실행 순서에 대한 총 4개의 보드 데이터를 사용하였다. 이상적인 프로세스는 이론적인 볼륨 100%가 중앙에 집중될 것으로 예상되며, 공정 능력 계산에 사용되는 허용오차는 중앙의 양쪽 끝 40% 정도(USL=140%, LSL=60%)였다. 시스템은 매 테스트마다 각각의 부품 불량 수량을 파악하려고 시도했고, 모든 부품 성능 전체에 대해 가능한 최상의 트레이드-오프를 제공하여 최상의 조건으로 테스트하려고 노력했다. 또한 프로세스 캐퍼빌리티는 스펙트럼 가장자리 어느 쪽에서 너무 빈약한 페이스트 전사 혹은 너무 과한 페이스트 전사로 초래되는 불량이 존재하는지를 지켜보았다.

Run 1 - 분석
Run 1을 분석한 결과, 인쇄 압력이 낮고 솔벤트가 없는 느린 속도(1.5inch/s, 10psi)는 스펙트럼의 가장 끝자리에서 발생하는 불량을 유발한다는 점을 명확히 보여주고 있다. 즉, 대부분의 부품이 USL을 넘어섰다. 파라미터는 공정 능력 측면에서 우수하지만 시스템의 상한선으로의 이동이 나타났다. 0201 부품은 과도한 솔더 페이스트 전사를 지닌 대부분의 패드로, 이를 수행했을 때 평균적인 성능을 보였다. 이 어셈블리에서 사이즈 측면에서 보면 두 번째로 중요한 부품이기 때문에 그 결과는 중요하다(중요한 부품은 프로세스 내 미세한 변화에도 패드로의 페이스트 전사 항목에 빠르게 영향을 주는 것 중 하나로 정의될 수 있다. 그래서 우리는 이들 부품을 충족시키는 프로세스를 항상 확립하였고, 0805와 같은 최소의 페이스트 전사 변형을 가질 수 있는 부품으로 작업하였다). 그러나 0603, LQFP 및 BGA와 같은 더 큰 부품은 하부 영역에서 ‘0’ 불량에 거의 관련 없이 그리고 낮은 프로세스 성능으로 수행되었다. 또 다른 발견은 전기 접촉이나 기계적 성능이 페이스트 부족으로 고통 받지 않을 수도 있다는 이해를 도울 수 있는 전사효율 60% 이하의 부품이 없다는 것이다.
 

Run 2 - 분석
가장 빠른 속도와 가장 높은 압력(3 inch/s, 15 psi)으로 적용한 Run 2의 분석에서는 모든 실행 중 최악의 성능이 나타났다. 전체 프로세스는 매우 낮은 Cpk 값을 가지고 있었다. 이 값은 특정 부품 상의 페이스트 전사가 너무 적거나 혹은 특정 부품 상의 페이스트 전사가 너무 많아서 발생할 수 있다. 이는 프로세스가 최소한의 페이스트 전사로 0201 부품을 인쇄하는 기능이 부족하다는 점을 분명하게 보여주고 있다. 상위 공정능력(upper process capability, Cpu) 값이 매우 우수하게 보이며 프로세스를 판단하는데 사용될 경우 큰 오해가 될 수 있음을 이해해야 한다. Run 2 분석에서의 결함 수는 Run 1보다 적었다. 그러나 모든 패드 위치에서 0201 부품은 페이스트 전사가 열악하여 보드 인쇄에 이 프로세스를 사용하면 오류가 발생할 수 있다.

Run 3 - 분석
이전 01005 실험에서 가장 권장되는 설정으로, Run 3의 결과에 큰 관심을 가졌다. 이번 실행에서는 또한 모든 실행 중에서 가장 빠른 인새 속도와 분리 속도를 제공한다(따라서 처리량 측면에서 비교가 불가함). 또한 솔벤트 닦기가 필요로 하지 않는 측면에서 비용 절감 효과가 있다. 이 시나리오에서 프로세스는 0201 공정 능력(패드의 방향에 관계없이)과 관련해 모든 실행 중에서 최상의 성능을 발휘했다.

이 공정은 불행히도 PLCC, LQFP 및 BGA와 같은 대형 패드의 경우, 공정 능력 측면에서 최악의 성능을 가지고 있다. 그러나 이 실행은 모든 실행 중에서 가장 낮은 PPM 값(모든 부품의 누적)을 가지고 있다. 부품 오류 및 성능은 대답하기에 매우 어려운 질문이다. 그러나 어떠한 부품에도 기계적 또는 전기적 불량이 없거나 혹은 성능이 좋지 않은 패턴을 지니지 않는 프로세스가 안정적인 프로세스로 간주되어야 한다는 점에 일반적으로 동의한다.

Run 4 - 분석
이 실행에서는 프로세스의 모든 실행 중에서 인쇄 속도와 인쇄 압력이 가장 낮았다. 0201 부품의 성능은 모든 실행 중에서 두 번째로 우수했다. PPM의 관점에서 결함은 Run 3의 그것보다 더 높다. Run 3와 같이, Run 4는 큰 패드와 관련해 바람직하지 않은 성능을 보였다. 이 프로세스는 거의 모든 성능 측면에서 Run 3과 유사했다(0201 부품 제외). 그러나 스텐실에 가해지는 매우 높은 압력은 인쇄에 사용할 수 있는 보드의 장시간 성능이나 보드 수에 심각한 영향을 줄 수 있음을 이해해야 한다.

실행의 누적
누적 공정능력을 나타내고 있는 표 9에서는 Run 3이 모든 실행 중에서 가장 좋은 전체 Cp 및 Cpk 값을 가지고 있음을 확실하게 보여주고 있다. 그러나 표 9를 누적 방식(실행 내의 모든 보드의 모든 부품에 대해)으로 보았을 때 평균 전사 효율이 최상의 Run을 식별할 수 없음을 알 수 있다. 평균 전사 효율 값은 동일한 ‘볼 파크’에 있는 것으로 보인다. 그러나 누적 공정능력지수 값은 Run 3과 실행 4(3.5 시그마)와 비교할 때 Run 1과 Run 2가 더 낮은 값(3 시그마)임을 보여주었다. 표 10은 수율 중요성을 보여주고 있다.
모든 테스트에서 다양한 부품 전반에 걸친 성능에서 리드 패키지가 수동소자에 비해 전사 효율이 높다는 점을 분명히 보여주었다. 0201 수동소자 성능은 또한 전체 전사 효율이 항상 개구 오프닝(aperture opening)에 근접하거나 모든 테스트에 걸쳐 적었음을 분명히 보여주었다. 따라서 과도한 페이스트로 유발될 수 있는 결함(브리징, 단락 등)은 가장 작은 수동소자에서 발생하지 않았다.

실행 내의 부품 성능은 과도한 페이스트 전사가 항상 대형 부품에 의해 유발된다는 것을 명확하게 보여주었다. 이 연구에서 LQFP 및 PLCC와 같은 리드 패키지는 이번 연구의 모든 실행 및 설정에서 성능이 좋지 않았다.

부품의 기계적 테스트
표준 전단 시험 공정에 기반을 두고 부품들의 기계적 강도를 테스트하였다. 전단 시험 결과는 무연 페이스트로 인쇄된 여러 부품에 대한 일부 문헌들의 결과와 비교하였다. 이 분석의 가장 큰 문제점은 다양한 소형 부품(0201)에 대한 전단 시험 결과가 제공되지 않는다는 것이다. 실험은 400g의 시험 하중 요구와 10kg에 가까운 요구가 필요한 부품들이 존재하기 때문에 다양한 시험 하중조건으로 수행하였다. 대형 부품 및 소형 부품에 사용된 시험 하중의 요약은 표 11에 나타내고 있다. 오류는 주로 부품과 납땜 사이의 계면에서 발생했다. 즉, 대부분의 경우 납땜이 보드 상에 대부분 남아 있었다.
DAGE 4000에 대한 표준 작동 절차에 따라 20개의 부품을 전단하였다. 전단력에 저항하는 부품의 최대 영향력 또는 기회를 제공하기 위해 부품 전체에 걸쳐 항상 부품을 전단하였다. Run 3의 전단 시험 결과는 표 12에서 나타내고 있다.

결론

전단 시험 결과에서는 0805 및 0603과 같은 대형 부품이 NIST 솔더 페이스트 데이터베이스 및 다른 보고서에 보고된 데이터와 유사한 접착 강도를 확인할 수 있었다. 이 결과는 하나의 스텐실 두께가 제 위치에 대형 부품을 안착시킬 수 있는 충분한 기계적 강도를 제공하는데 필요한 페이스트를 전달하기에 충분할 수 있음을 나타내기 때문에 매우 고무적이다. 이 결론을 완전히 이해하고 확인하려면 추가 실험 및 분석이 필요하다.
프린팅 요구사항과 관련하여 모든 실행 중 최고의 실행은 10psi의 압력으로 3inch/sec의 스퀴지 속도로 구동했을 때라는 것을 발견하였다. 이 실행은 이전 자료에서 보고한 01005 실험의 최상의 설정이었다. 따라서 연구의 패드 매트릭스가 01005 또는 0201 부품과 비교해 매우 많은 수의 패드를 가지고 있다면, 앞서 수행한 Run 3의 설정을 고려하는 편이 좋다. ‘Broadband printing’ 프로세스의 실제 결정 요인은 프로세스 자체이다. 다양한 실행에서 전반적인 성능을 조사한 결과, 큰 부품에는 100% 이상의 페이스트 전사가 있었지만 작은 부품에서는 100% 미만의 페이스트 전사가 있었음을 분명히 알 수 있었다. 대형 및 소형 부품 페이스트 요구사항 모두를 만족시킬 수 있는 잠재성이 있기 때문에 바람직할 수도 있다.
이번 연구는 부품이 혼재된 보드의 요구사항을 이해하는데 있어서 ‘빙산의 일각’에 불과하다. Broadband printing 및 기타 인쇄 방법을 통해 소형 및 대형 부품의 전기적 및 기계적 요구 사항을 완전히 이해하려면 추가 연구가 필요하다.