메스리플로우 솔더링과 동급 이상의 품질 구현  

 

 

 

 

본 논문에서는 LCD디스플레이용 미니엘이디 백라이팅 제조를 위한 고품질·고속 레이저 솔더링 기술과 불량품 미니엘이디를 제거하고 신규 양품 미니엘이디를 부착하기 위한 완전 자동 레이저 리페어 기술을 소개한다. TV나 각종 모니터 용도로 LCD 디스플레이 기술은 빠르게 개발되고 포화되어 왔으며 신기술인 고가인 OLED 기술이 이제 빠른 속도로 이 시장을 적극적으로 침투해 들어가고 있다. 하지만 LCD 기술 시장의 수명을 연장하고 OLED의 화면품질과 경쟁하기 위한 노력을 계속해 온 LCD 기술은 이제 로컬디밍(Local Dimming) 용도로 미니엘이디 백라이팅 기술을 적극적으로 채용하고 있다. 이러한 미니엘이디 적용에 있어서 매우 얇은 플렉시블PCB 위에서 고품질 솔더링과 고생산성 솔더링 기술을 구현해야 한다는 2가지 기술적 이슈가 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해서 첨단기술로서 선택적 레이저 리플로우 (LSR; Laser Selective Reflow) 접합기술이 개발되었다. LSR기술은 기존의 매스 리플로우 오븐(Mass Reflow Oven) 또는 써멀 리플로우 오븐(Thermal Reflow Oven) 기술에 비교하여 1.5배~2배 이상의 접합강도(Shear Strength)와 우수한 접합 품질을 나타내며, PCB 색상 변화가 거의 없다는 우수한 특성을 가지고 있다. PCB 색상은 백라이팅 기판으로 사용될 때는 완전한 흑색 배경을 나타내는데 매우 중요한 파라미터가 된다. 

대형 PCB 기판에 수천 개에서 수만 개의 미니엘이디들을 고품질·고속 레이저 리플로우 기술로 접합하기 위해서 신규 개발한 첨단 플랫탑 옵틱 모듈(BSOM; Beam Shaping Optic Module)에서 출사되는 400mm 길이를 가진 라인빔과 고출력 레이저를 사용하였다. 또한, 불량 미니엘이디 칩의 식별 또는 접합위치 오류나 접합각도 오류를 가진 미니엘이디 칩이 발견되면 전체적으로 양품인 고가의 미니엘이디가 조립 완료된 백라이트기판을 폐기할 수 없으니 양산라인에서 자동 수리를 수행할 필요가 있다. 이러한 미니엘이디 기판 리웍을 위하여 이 논문에서 소개하는 전자동 레이저 리웍 기술(fully automatic laser rework technology)이 개발되었다.

 

 

지난 수년간 디스플레이 기술은 다음과 같은 6개의 신규 분류 기술로 발전해 왔다. 

 

(1) 미니엘이디 백라이팅 LCD 디스플레이

(2) 올레드(OLED) 디스플레이

(3) 퀀텀닷(Quantum-Dot) 올레드OLED 디스플레이

(4) 마이크로엘이디 디스플레이

(5) 마이크로 올레드(OLED) 디스플레이

(6) 미니엘이디 다이렉트 디스플레이

 

중국과 대만의 디스플레이 산업에선 LCD 디스플레이 양산라인에 대한 대규모 투자 때문에 주요 디스플레이 특성인 높은 다이내믹 영역(HDR; High Dynamic Range; 밝은 환경에서 밝은 물체와 어두운 물체를 선명하게 보여 주거나 어두운 환경에서 밝은 물체와 어두운 물체를 선명하게 보여 주는 능력의 척도임), 고명암비(High Contrast Ratio), 화면밝기(Brightness)를 매우 많은 로컬디밍(Local Dimming) 영역을 가진 백라이팅 기술로 개선함으로써 LCD 디스플레이 제품의 수명을 연장하려고 노력해 왔다. 로컬디밍 영역 개수의 확대를 위해서 기존의 두껍고 크고 밝은 엘이디(LED)로는 한계가 있어서 훨씬 얇고 작고 적절하게 밝은 미니엘이디(Mini LED)를 사용하게 되었다. 

올레드 디스플레이는 번인효과(Burn-In Effect)라는 약점을 가지고 있는데, 이는 일부 화소들(Pixels)이 연속적으로 켜져 있을 때 상대적으로 주변 화소보다 빨리 열화(Deterioration)되는 불량이다. 이는 매우 고가인 올레드 디스플레이를 사무용 또는 인터넷 검색용 등과 같이 메뉴바 또는 검색 키워드 입력영역을 연속적으로 켜 놓는 응용기기에서 매우 치명적이다. 따라서 올레드를 가장 강점인 직접적인 화소로 사용하기보다 청색올레드를 백라이팅 광원으로 사용하는 방식으로 퀀텀닷(Quantum-Dot) 올레드 디스플레이 기술이 발전하기도 하였다. 

미니엘이디 LCD 디스플레이는 올레드 디스플레이에 비교하여 밝기, HDR, 명암비, 시야각 등에서 종합적으로 판단할 때 대략 90%의 품질을 가지고 있으며, 모델에 따라서 다르겠지만 대략 올레드 디스플레이의 50%~60% 정도의 소비자 가격으로 판매되고 있는 것으로 인터넷검색 결과를 바탕으로 추정되고 있다. 향후 시장 성장성에 있어서는 LCD 디스플레이 시장규모는 최근 수년전부터 성장이 정체된 상태이지만 LCD 디스플레이 시장 내에서 미니엘이디 백라이팅 LCD 디스플레이의 비율은 계속 성장하고 있으며 향후 수년 내에 60% 이상까지 성장할 것으로 전망되고 있다. 이러한 현상은 미니엘이디 기술을 채용한 애플(Apple)社의 아이패드와 맥북 노트북 컴퓨터 제품 출시와 그림 1에서 알 수 있듯이 CES2022에서 출시된 미니엘이디 LCD TV 제품의 급증세에 의해서 증명되고 있다.

 

 

올레드 디스플레이 기술의 진정한 경쟁기술로 기대되고 있는 마이크로엘이디 기술은 아직 기술개발 수준이나 양산 기술이 성숙하지 않아서 생산수율이 매우 낮고 매우 고가의 가격대를 형성하고 있어서 전위제품 기술 정도로 취급되고 있으므로 실제 소비자 시장에 침투하려면 아직도 많은 시간이 소요될 것으로 판단되고 있다. 특히, 진정한 마이크로엘이디 기술이라고 할 수 있는 개별화소 크기가 5um 이하인 경우에는 10년 이상 기다려야 할 것으로 전망된다. 반면에, 미니엘이디 기술은 칩 제조 기술, 픽앤플레이싱 기술, 본딩 기술, 패키징 기술, 양산 기술들이 모두 이미 충분히 성숙하여 있으며 에너지 절감, 특수 디자인 디스플레이, 초박형 디스플레이에도 모두 적용 가능하여 기술적으로나 가격적으로나 매우 훌륭한 상태이므로 자동차 디스플레이 패널, 각종 TV, 각종 전광판/전시대(Signage), 스마트폰, 게임용 랩탑, 기타 디스플레이 등에 널리 응용되어 가고 있다. 

더욱 박형(Thinner)이고 플렉시블인 미니엘이디 백라이팅 LCD 디스플레이는 박형/플렉시블 PCB(tfPCB; Thin Flexible PCB)를 필요로 하는데, 이러한 tfPCB는 1980년대부터 등장한 기존 기술인 리플로우 오븐 공정으로는 과도한 고열 환경 노출로 생산수율이 매우 낮다는 문제가 있다. 따라서 이러한 문제점 극복을 위하여 레이저쎌에선 고유의 fLSR(플렉시블 LSR; flexible Laser Selective Reflow) 기술을 개발하였으며, 리플로우 오븐 공정보다 우수한 성능과 생산속도를 보여주고 있다. fLSR 공정기술은 공정 완료 후에 PCB 표면의 표면색상 변화와 반사율 변화가 없었으며 리플로우 오븐 공정보다 약 40% 우수한 접합강도를 나타내었다. 리플로우 오븐 공정은 공정 완료 후에 약 3% 낮은 반사율을 나타내었으며 1.0 이상의 표면 광택(Surface Gloss) 변화를 나타내었다. 함께 개발한 레이저 리웍(Laser Rework) 공정 기술은 기존 기술인 리플로우 오븐 공정 기술보다 우수한 표면색상 변화와 접합 강도(Bonding Strength)를 나타내었다.

 

 

시장조사 회사인 옴디아(Omdia)의 ‘OLED Display Market Tracker(Oct-2020)’ 시장보고서에 따른 디스플레이 시장 트렌드는 다음과 같이 요약될 수 있다. 

(1) 전체 플랫 패널(FP; Flat Panel) 디스플레이 시장의 포화 또는 성장 정체(saturation of total flat-panel display market)

(2) LCD 디스플레이 시장의 포화(saturation of LCD market)

(3) 올레드(OLED) 디스플레이 시장의 지속 성장(steady growth of OLED market)

(4) 마이크로엘이디 시장의 출현과 향후 수년간 서서히 성장(appearance, and slow growth of micro-LED market over the next several years)

 

2022년의 디스플레이 시장의 경우, 플랫 패널 디스플레이 전체 시장규모는 약 1,480억 달러(USD, $)로 추정된다. 이때 LCD 디스플레이 시장은 약 1,055억 달러(LCD/FP = 1055/1480 = 71.3%), 이 안에서 미니엘이디 디스플레이 시장은 약 324억 달러(미니/LCD = 324/1055 = 30.7%; 미니/FP = 324/1480 = 21.9%)로 추정된다. OLED 디스플레이 시장은 약 425억 달러(OLED/FP = 425/1480 = 28.7%)로 추정된다. 2025년의 디스플레이 시장에서 플랫 패널 디스플레이 전체 시장은 약간 증가한 약 1,560억 달러의 규모에 이를 것으로 전망된다. 이때 LCD 디스플레이 시장은 약간 감소한 약 1,023억 달러(LCD/FP = 1023/1560 = 65.6%), 이 안에서 미니엘이디 디스플레이 시장은 대폭 증가하여 약 654억 달러(미니/LCD = 654/1023 = 63.9%; 미니/FP = 654/1560 = 41.9%)로 전망된다. OLED 디스플레이 시장은 약 483억 달러(OLED/FP = 483/1560 = 31.0%)로 추정되며 마이크로엘이디 디스플레이 시장은 약 62억 달러(Micro/FP = 62/1560 = 3.97%)로 예측된다. 이 옴디아 시장보고서에서는 미니엘이디 TV 시장을 수량 기준으로 2019년부터 2024년까지 6년간 각각 400만대, 640만대, 1,030만대, 1,640만대, 2,110만대 그리고 2,640만대로 전망하여 2020년부터 2024년까지 5년간 연평균 성장율은 각각 62.5%, 60.9%, 59.2%, 28.7%, 25.1%로 전망하였다. 유비아이 리서치(UBI Research)社에서 2021년 1월에 발표한 ‘Mini-LED BLU Technology and Mini-LED TV Market’ 시장보고서와 옴디아(Omdia)社에서 2020년 10월에 발표한 ‘OLED Display Market Tracker’ 시장보고서를 종합분석한 결과, 표 1과 같은 올레드(OLED)와 미니엘이디(Mini-LED) 디스플레이 시장 트렌드를 도출하였다. 따라서 미니엘이디 백라이팅 디스플레이의 시장전망은 향후 10년간 매우 긍정적임을 알 수 있으며 레이저쎌의 세계 유일의 미니엘이디 디스플레이 패널용 fLSR 레이저 접합가공 장비와 레이저 리웍 장비의 시장전망도 매우 긍정적으로 전망된다. 

 

 

 

미니엘이디 패널용 fLSR 레이저 접합 공정의 실험 셋업은 그림 2에 나타나 있다. fLSR 공정의 핵심 요소들은 레이저 출력 전송용 광섬유와 QBH 커넥터를 포함한 고출력 DDL(Direct Diode Laser) 레이저, 협폭 면적빔 또는 라인빔(Narrow Area Beam or Line Beam) 생성용 플랫탑 옵틱 모듈(BSOM; Beam Shaping Optic Module), 실시간 온도측정용 적외선 카메라(IR Camera), 실시간 가시광 관측용 비전 모듈(Vision Module), 미니엘이디를 포함하는 플렉시블 박막 PCB, XYZ 구동 스테이지, 접합 프로세스 GUI(Graphic User Interface)와 컨트롤 GUI를 포함하는 토털 컨트롤 시스템(Total Control System) 등이 있다.

 

 

그림 3에서는 미니엘이디 PCB 셋업부터 플로잉 접합 공정, 접합 품질 검사, 접합 공정 후에 별도의 검사장비로 수행하는 품질 검사를 포함하는 fLSR 공정 흐름도를 보여주고 있다. 

 

 

그림 4의 (a)는 (1) 솔더 페이스트 닷팅(Dotting Solder Paste Dotting), (2) 미니엘이디칩 부착 (Mini-LED Chip Attachment), (3) 레이저 출력 출사 (Laser Output Emission), (4) 미니엘이디 솔더링 (Mini-LED Soldering)을 포함하는 실제 fLSR 레이저 접합 공정을 보여주고 있다. 그림 4의 (a) 하단부는 미니엘이디 PCB를 포함하는 스테이지를 이동시키거나 레이저빔을 이동하여 수행하게 되는 협폭 면적빔의 1차원 스캐닝을 나타내고 있다. 그림 4의 (b)는 fLSR 접합 온도에 대한 측정 및 제어 방법을 보여주고 있으며, 온도 제어는 레이저 출력, 플로잉 속도, 빔 크기를 잘 셋업하고 피드백 제어를 통하여 수행하게 된다. 

fLSR 접합 공정을 수행한 후에는 그림 5에서 볼 수 있는 것처럼 몇 개의 품질 파라미터를 검사하게 되며, 검사 결과 fLSR 레이저 접합 공정이 매우 우수한 접합 품질을 가지고 있음을 파악할 수 있었다. 비전 모듈을 사용한 외관 검사 결과 냉납 접합이 없었으며 솔더볼 형태도 양호하였으며 fPCB에 대한 손상도 없었으며 접합된 미니엘이티칩들에 대한 점등 검사(Lighting Test)도 모두 합격하였다.

 

 

fLSR 공정 전후의 fPCB 표면 품질은 표면 색조 광택(Surface Color Gloss) 파라미터인 dE* (참고: ISO/DIS 5631-1, 3.6 CIELAB Colour Space, Change of Surface Gloss dE*)와 405나노미터(nanometer, nm, 1E-9 m) 파장에서의 반사율(Reflectance at 405nm)을 검사하여 확인하였다. dE* 검사에서 사용되는 서브 파라미터들은 색조 공간에서의 밝기, 적록색 레벨, 황청색 레벨 파라미터들인데, 각각 L*는 밝기(Lightness) 레벨 파라미터, a*는 적록색 (Red-Green color) 레벨 파라미터, b*는 황청색 (Yellow-Blue) 레벨 파라미터이다. 

 

 

 

먼저 표면 색조 변화(dE*)에 대한 검사 결과를 보자면 N2 리플로우 오븐을 사용한 공정의 경우에 공정 전에 0.078이 공정 후에 1.294로서 1.216의 변화를 보여서 16.6배가 증가하여 눈에 띌 정도로 나빠졌다. fLSR 레이저 리플로우를 사용한 공정의 경우에 공정 전에 0.052가 공정 후에 0.102로서 0.050의 변화를 보여서 1.96배가 증가하였는데 눈으로는 변화를 느끼기 어려웠다. 따라서 표면 색조 변화 비율은 fLSR 레이저 공정은 N2 리플로우 오븐 공정에 비교하여 1.96/16.6 = 0.118의 변화차이 비율을 나타내어 11.8%에 불과하였다.[1] 

 

 

표면 반사율 변화에 대한 검사 결과를 보면, N2 리플로우 오븐 공정은 공정 전후의 값이 각각 90.206%와 86.994%로서 3.212%의 변화를 나타내었다. fLSR 리플로우 공정은 공정 전후의 값이 각각 90.080%와 90.072%로서 0.008%의 변화를 나타내어 N2 리플로우 오븐 공정에 비교하여 변화 비율이 0.008%/3.212% = 0.25% = 1/401.5여서 매우 작은 변화를 나타내었고 육안식별로 차이를 알 수 없는 정도였다.[2]

접합강도 검사를 위하여 N2 리플로우 공정과 fLSR 리플로우 공정으로 접합된 미니엘이디칩들에 대해서 전단강도(Shear Strength or Bonding Strength)를 검사하였다. 각각 10개의 동일한 면적(200um×300um)을 가진 칩들에 대한 접합강도 검사 결과 N2 리플로우는 평균 124.4gf(gram-force; 1.220 N)를 나타내었고, fLSR 리플로우는 2번의 접합 공정 후에 각각 171.5gf(1.682N)와 181.4gf(1.779N)를 나타냈다. 따라서 fLSR 리플로우는 N2 리플로우에 비교하여 2회 테스트 시 각각 37.9%와 45.8% 더욱 강한 접합강도를 보였다. 

 

 

* 감사의 말 (Acknowledgement)

본 연구는 재정적으로 산업통상자원부의 지원 (과제번호 20011140)을 받아서 수행되었다. 

 

 

* 참고 문헌 (References)

[1] E. C. Charter, et al. (2004), CIE 130-1998 Technical Report: Colorimetry, 3rd edition, p. 18, CIE (International Commission on Illumination), Vienna, Austria.

[2] J. Krochmann, et al. (1998), CIE 15:2004 Technical Report: Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance, CIE (International Commission on Illumination), Vienna, Austria.