SMT제조공정에 대한 소개(Reflow,Mounting, Curing, Dispencer..)

SMT제조공정

1. PCB Ass`y 작업

 정해진 작업지도서에 의하여 정해진 기판에 부품을 삽입/장착하고 납땜을 하여 정해진 회로특성이 나오게 끔 하는 일련의 공정.

2. PCB Ass`y 공정 설명

  2.1 Reflow 공법

  주로 PCB 부품면에 장착되는SMT 부품을 납땜하는 공법. 상기 그림에서 보는 바와 같이 Reflow공법은 일반 Wave Soldering과는 달리 Solder Paste(납크림 = Solder Cream)을 사용하여 소자의 납땜을 행하는 공법이다.

  (1) Printing 공정

  정해진 SMT 소자의 Pad에 준하여 얇은 스테인레스 판을 사용하여 만들어진 Stencil이란 치구를 사용하여 정해진 Pad에 Solder Paste를 도포하는 공정

  (2) Mounting 공정

  SMT Machine을 이용하여 정해진 위치에 SMT 소자를 올려 놓는 공정

  (3) Reflow Soldering 공정

  Reflow Soldering Machine을 이용하여 열을 가해 Solder Paste가 녹으면 Lead에 납땜이 되게 하는 공정

  2.2 Flow 공법

  주로 PCB 납땜면에 장착되는 SMT 부품을 Soldering하는 공법으로 Wave Soldering에 의해 납땜한다.

  (1) Dispencing 공정

  Chip Land 사이에 접착제(Adhesive)를 찍는 공정.

  (2) Mounting 공정

  SMT Machine을 이용하여 Chip을 PCB에 얹는 공정으로 Reflow 공법과 같은 M/C를 쓴다.

  (3) Curing 공정

  접착제를 경화시키는 공정으로 Reflow Soldering Machine을 이용하여 경화시킨다.

3 SMT 설비 및 응용기술

  3.1 디스펜서(Dispencer)

  디스펜서는 본드의 도포방식에 따라 디스펜싱방식, 핀 전사방식, 스크린 인쇄방식의 3가지로 나뉘게 된다.

  (1) 접착제(Bond)

  접착제는 열경화형과 자외선 경화가 있다. 일반적으로 전자는 에폭시계 수지, 후자는 아크릴계 수지이다. 부품에의 영향면으로는 자외선 경화가 바람직하나, 자외선의 그림자가 되는 부분은 충분히 경화가 되지 않는 문제가 있어 열과 자외선 병용으로 경화시키는 방법이 주목받고 있다.

  (2) SMT용 접착제의 필요 조건

    ① 접착강도를 강하게하여 실장공정 중에 부품의 낙하가 없을 것.

    ② 납땜온도에 충분히 강도를 유지할 것.

    ③ 경화시간이 짧을 것.

    ④ 도포성능이 좋을 것.

    ⑤ 도포후 보형성이 좋을 것.

    ⑥ 일액성으로 포트 수명이 길 것.

    ⑦ 부식성, 절연성의 저하가 없을 것.

    ⑧ 인체에 무해할 것.

  3.2 스크린 프린터(Screen Printer)

  (1) 설비종류 및 특징

  스크린 프린터는 크게 디스펜서 방식과 인쇄방식의 두가지로 구분되나 고정도인쇄를 위한 화상 보정 방식의 쇄기가 보편화되어가고 있는추세이다.

     ① 수동 인쇄기 : 모든 작업이 수동으로 이루어 진다. 가격은 저렴하지만 작업자의         숙련도에 따라 품질이 민감하다.연구용, 소량생산에 사용된다.

     ② 반자동 인쇄기 : 인쇄는 자동화되었으나 인쇄 속도, 압력 등의 조절기능이 미약         하다. 가격적인 이점은 있으나 역시 작업자의 숙련도에 따라 품질이 좌우된다.         소량생산용에 적합하다.

     ③ 전자동 인쇄기 : 모든 기능이 자동화되어 In-Line화가 가능하다. 인쇄속도, 압         력, 스퀴지 각도 등 일반적인 조정기능이 아날로 그화 되어있어 미세조정은 어         렵다. 또한 유압을 이용하는 경우 속도 조절이 불가능하고 모터드라이브 방식은         컨트롤이 가능하다. 가격은 중.상에 걸쳐 다양하다.

     ④ 화상인식 전자동 인쇄기 : 전기능의 디지털제어가 가능하며, 각 생산 조건별 메         모리가 되어 프로그램에 의한 기종 변경이 가능 하다. PCB 및 메탈마스크의 인         식마크를 사용하여 보정을 하므로 고정도 인쇄가 가능하여 0.3mm피치도 대응이         가능하다.

  최근에는 크리닝페이퍼 및 진공 등을 종합적으로 이용한 크리닝 기능과 설비 내부의 항온항습 기능에 역점을 두는 경향이 두드러지고 있다. 가격이 비싼 단점이 있다.

  (2) 메탈마스크

  메탈마스크는 PCB상의 랜드 위치에 따라 솔더 크림을 도포할 수 있게 홀을 가공한 치구를 말한다.

     ① 구성 : 프레임, 메시(Mesh), 마스크.

     ② 마스크 재질 : SUS 304, Ni, 테프론(Ni-Cu-Ni의 삼중 합금), 각종 코팅제.

     ③ 주요 Check Point : - Land 대비 홀 사이즈,

       - Mesh Tension,

       - 홀 형상,

       - Mask 원판 상태,

       - 홀의 내부면 가공 상태,

  (3) 메탈마스크의 홀 가공 방법에 따른 분류

  (4) 솔더 페이스트 (솔더크림, 크림솔터)

  SMT용 PCB상에 납땜을 위해 사용되는 납으로 솔더 파우더와 플럭스를 믹싱시켜 제조한 크림상태의 특수한 납을 말한다.

   (a) 솔더 파우더

     1) 부정형 : 일정치 못한 납분말의 형태를 가짐.

       - 0.8피치 이하의 IC에서의 사용은 메탈 마스크의 납빠짐성이 나쁨.

     2) 구 형 : Powder의 입자 형태가 구형.

       - 솔더의 메탈 마스크 홀 빠짐성이 부정형에 비해 우수함.

   (b) 제조 방법 분류

     1) Atomized 방식 : 불활성 기체 속에서 Atomization(분무)방식에 의해 제조.

     2) 원심 분리 방식 : 불활성 기체 환경에서 회전하는 원반위에 납성분을 떨어 뜨리         는 방식에 의해 제조(구형 분말 제조에 유리)

   (c) 솔더의 성분에 따른 특성 변화

  공정 솔더에서 고상선 온도의 변화는 거의 없으나, 액상선의 온도는 Sn이 적어지면 용융점이 상승한다. Bi(비스므스) 첨가용 솔더크림의 경우 전자부품의 열 충격을 최소화하기 위한 첨가물로 용융점을 낮추어 주어, 납땜 신뢰성이 높은 반면 접합 강도가 떨어지는 단점을 가진다. Ag(은) 성분의 경우 기계적 강도가 우수하며, Ag-Pb 전극의 Ag 용출 및 확산에 의한 마이그레션 현상을 방지 할 수 있는 효과를 가지는 반면 연신율이 낮아 비틀림이나 횡성 등에 약한 단점을 가진다.

   (d) 플럭스

  플럭스는 자체 부식성은 없으며 PCB에 따라 세척과 무세척을 선택하여 사용할 수 있는 Rosin계 플럭스와 부식성이 있어 세척공정이 필요한 수용성계 플럭스가 있다. 플러스는 여러가지의 성질을 갖는데 먼저 솔더 Land 표면의 더러움을 제거하는 크리닝 성질이있다. 또한 Wetting성을 촉진시키며, 리플로우 Heartion 동안 재산화를 방지한다. 플럭스는 솔더의 표면장력보다 작아야 하며, 솔더의 퍼짐시 솔더의 퍼짐이 충분히 퍼져야 한다. 플럭스는 솔더의 완전한 응집에 작용한다.

  천연 송진(Rosin) 및 합성 수지(Resin)을 사용한다. 납땜 후 납땜면에 남아 백색 혹은 짙노랑색의 빛깔을 나타내며, 칩 장착시 점착성을 부여한다. 활성제(Activator)는 일반적으로 Amine-Halogen계의 원소로 구성되며, Br 100%를 주로 사용하나 CI+Br(50:50)비율로 사용하기도한다. 활성제는 Land 및 부품의 전극표면 청정작용과 Wetting성을 증가시키는 납땜성에 있어 중요한 요소다. 칙소제(Thixotropic)는 Wax류가 사용되며, SMT 표면 실장에 있어서 인쇄후의 납의 성형성을 부여한다(인쇄납 Slump 방지). 용제는 점도 조정용으로 사용되며, 점착성 유지 효과가 있고 비점에 따라 저비점, 중비점, 고비점 용제가 있다.

  Rosin계 플럭스를 Activity에 따라 분류하면 다음과 같은 4가지의 타입으로 구분할 수 있다.

  ① R (Rosin Type) : 가장 활성도가 낮은 후락스.

  ② RMA(Rosin Middly Activated) : 중간에서 낮은 족의 활성도를 지닌 후락스.

  ③ RA(Rosin Activated) : 중간쯤의 활성도를 지닌 후락스.

  ④ OA(Organic Acid) : 중간 생성물, 물에 용해되는 후락스.활성도가 가장 높은 후락      스(군용장비 제조에는 사용 못 함).

 3.3 칩 마운터(Chip Mounter)

  (1) 선정 기준

  전자기기의 생산은 표면실장 기술의 진전에 따라 기기의 소형, 다기능화와 동시에 요구사항 들의 다양화에 부응해 다품종 소량생산 형태로 옮겨가고 있다. 현재로는 각각의 생산형태에 대응하는 장착기가 각 메이커별로 시장에 나와 있다. 그러나 기본적인 선정개념에 의거하여 품질, 가격, 가동, 장래성의 4요인을 감안한다면 작업의 내용과 목적에 따라 그 선택의 폭을 줄여 나갈 수 있을 것이다.

  (2) 설비

  속도에 따른 분류로는 중/저속 마운터와 고속 마운터로 나눌 수 있고 장착 방식에 따른 분류로는 1-By-1, Multi, In-Line의 3가지가 있다. 중/저속 마운터는 장착속도가 0.5 ~ 4.0초대이다. X-Y Table이 고정이고 Head부가 X-Y로 움직여 장착하는 방식으로 다품종 소량 생산에 적합하다. Pre-Centering 또는 Claw-Centering을 하는 Mechanical 방식이나 고급기종에는 IC류의 인식장치가 있는것도 있다. 고속 마운터 장착속도가 0.1~0.3초대이다. X-Y Table에 Rotary Head 방식으로 소품종 대량생산에 적합하다. 근래에 주류를 이루는 것은 전부 화상인식으로 통한 부품의 Centering 방식을 채택하고 있다. 최근에는 0.09~0.14초/점의 초고속 마운터들이 각 메이커별로 선보이고 있다.

  1-By-1 방식의 경우에는 Random Access 와 Sequence의 두 가지로 나뉘게 되나 모두 부품을 한점식 흡착하여(Pick Up) 순차적으로 장착하는 방식이다. 프로그램에 의한 Head Table, Nozzle의 선택이 이루어지며 기종 변경시도 간단히 프로그램과 공급부품을 바꾸어주면 된다. 일괄 장착(Mutil)방식은 벌크타입의 부품을 사용하여 PCB의 Land와 일치하는 금형 타입치구에서 부품을 일괄 흡착,일괄 장착하는방식이다. 기종 변경시에는 치구를 바꾸어 주는 것으로 모델을 바꾸게 된다. 대량생산에 접합하나 설계 및 부품에 유통성이 떨어진다.

  IN-LINE 방식은 각 스테이션별로 전담 부품을 선정하고이 부품에 맞는 전용 노즐을 채용하여 장착하는 방식이다. 부품에 대한 대응성이 가장 좋으나 생산능력면에서 타방식에 비해 열등하다.

  3.4 리플로우(Reflow)

  납땜은 용융된 납과 접합하려는 금속과의 계면에 합금층을 형성하고 그 사이를 접합하는 기술이다. 전자부품의 납땜은 전기적인 확실한 접촉을 행하고 기계적인 접속을 하여 전자부품을 소정의 위치에 고정하며, 동시에 방청의 역할을 하는 것등이 주요 목적이다. 표면실장 부품의 납땜은 종래의리드 부품과 비교하여 부품 본체에 열충격이 크고 접속의 미세화가 요구되며, 전극, 리드의 형상, 구조, 재료 등에 종류가 많아 각종의 전극 리드에 대응할 필요가 있다. 또한 기판상 패턴과의 접합강도, 접합의 신뢰성이 요구되는 등 리드 실장보다 고도의 기술이 요구된다.

  리플로우 현상과 향후 전망으로는 적외선(IR)방식에 비하여 열품(Hot Air)방식이 신장하고 있으며, 증기(VPS)방식은 산업기기용의저 레벨에 안정하고 있다. 또한 램프, 레이저방식은 급속 가열에서의 납땜성 대응이 Point가 되고 있다. 한편 질소분위기의 리플로우를 적용하려면 설비의 가격, 런닝코스트, 관련부자재 등 해결해야 할 과제가 남아있다.

  (1) 설 비

먼저 리플로우의 방식을 분류하면 그 특징을 살펴보면 다음과 같다.

  (2) VPS(Vapor Phase Solderring) 방식

  불활성 기체(제8족 원소)증기의 응축열에 의한 가열 방식으로 균일한 가열(Peak 온도 약 215 ℃)이 가능하여 부품의 열손실이 큰 대형 기판도 문제 없이 납땜 가능하고 대형, 다층 및 두꺼운 PCB의 납땜에 이용한다.

  (3) IR(Infra-Red) 방식

  원적외선을 이용한 열복사가열 방식으로 색에 의한 온도 차이 및 적외선 반사에 의한 승온속도가 저하한다. 또한 부품 그림자에 의한 주위 부품의 열량이 손실된다.

  (4) Hot Air 방식

히터로 가열 후 팬에 의한 열대류 효과를 이용하여 가열하는 방식이다. 비교적 균일한 가열이 가능하나 바람에 의한 부품 틀어짐이 발생할 수 있고, 솔더 랜드의 산화가 쉽다. Hot Air를 개선한 IR 겸용 및 질소분위기도 나와 있다