스텐실(Metal Mask) 기술의 진화...

초기 SMT 업계에서는 간극 설계와 스텐실 두께가 적당한 페이스트 이송을 제공할 지 판단하는 설계 지침으로서 종횡비가
사용되었다. 그러나 패키지 및 부품의 크기가 점차 작아지면서 간극 면적을 간극 벽의 면적으로 나눈 용적률이 새로운 지침으로
등장했다. 본고에서는 설계의 변화와 함께 스텐실의 발전과정과 최적 용적률에 대해 살펴본다.

William E. Coleman, Ph.D.

지난 20여 년 동안 I/O 납 농도의 증가에 따라 반도체 패키지
의 크기는 지속적으로 축소되어 왔다. 인쇄용 솔더 페이스트에
대한 요구사항 역시 이 기간 동안 변화했다. 80년대 중반 두꺼운
필름 스크린은 SMT 장치를 위한 인쇄용 솔더 페이스트에 있어
서 만족할 만한 성능을 제공했다. 인쇄에 대한 요건이 성능 향상
을 좌우함에 따라 스텐실 기술은 캠 에칭, 레이저 컷, 전기 주조
포일로 진화했다. 또한 모든 스텐실 기술에 대해 다층적인 절차
를 사용하는 것이 권장되었다.

스텐실의 발전 과정

최초에는 두꺼운 필름 스크린이 사용되었다. 그러나 간극들을
가로지르는 와이어 메쉬는 페이스트의 이송을 가로막았다. 캠
에칭 스텐실은 더 나은 간극 공간을 제공함으로써 납 피치가
0.8mm까지 줄어든 SMT 장비에 보다 잘 맞았다. 캠 에칭의 사
다리꼴 간극과 더불어 가능해진 전자 연마 및 니켈 도금 후처리
는 매끄러운 간극 측벽이 만들어지도록 도와줌으로써 페이스트
의 이송이 개선되도록 해 주었다. 캠 에칭 간극에 있어서 한 가
지 프로세스 상의 문제는 작은 간극에 대한 에칭 속도가 큰 간극
에 대비해서 상대적으로 차이가 있다는 점이다. 밴드 에칭이 이
문제에 대해 해결책을 제공하지만, 작은 간극에 대해서는 제약
이 따른다.
레이저컷 스텐실은 90년대 초 0.65mm 피치의 SMT 장비에
대한 인쇄 요구에 발맞추어 등장했다. 작은 레이저 빔이 동일한
정밀도로 다양한 크기의 간극을 만든다. 전자 연마 후처리 프로
세스와 니켈 도금은 매끄러운 간극 측벽이 만들어지도록 도와
준다. 초기의 레이저 컷 속도는 느려서 큰 간극은 캠 에칭, 작은
간극은 레이저 컷을 사용하는 하이브리드 스텐실이 널리 이용
되었다.
고무 스퀴지 블레이드는 스크린에 효과적이지만 큰 간극으로
부터 페이스트를 퍼냄으로써 이동되는 페이스트 양을 감소시킨
다. 금속 스퀴지 블레이드는 이러한 문제를 해결하고 빠른 기간내에
인기를 얻게 되었다. 페이스트를 포함한 헤드 전달 시스템
들도 도입되었다. 이 시스템들은 압력을 이용하여 페이스트를
간극에 밀어 넣으면 와이퍼 블레이드가 페이스트를 헤드에 담고
간극을 지나간 다음, 이를 닦아낸다.
전기주조 스텐실은 90년대 중반에 등장했다. 캠 에칭과 레이
저 컷 스텐실이 감쇄식인 반면 (즉, 고형 금속 포일로부터 에칭
또는 커팅을 통해 간극이 생성됨), 전기주조 스텐실은 부가식 프
로세스를 이용한다. 이 프로세스에서는 표면에 포토레지스트 기
둥의 모양이 있는 임시로 만들어진 굴대에 니켈을 전기주조하여
간극을 만든다. 원하는 스텐실 두께로 니켈이 도금되면 각 기둥
은 간극을 만든다. 포토레지스트는 용해되고 굴대로부터 스텐실
이 벗겨져 나간다. 간극 벽은 비파괴 모드로 한 번에 하나의 분
자를 만들기 때문에 대단히 매끄럽다. 매끄러운 간극 벽으로 인
해 전자 연마, 니켈 도금와 같이 간극 크기를 바꿀 수 있는 후처
리 작업은 필요하지 않다. 전기주조 스텐실은 0201 및 01005 부
품 뿐 아니라 0.5 및 0.4mm 피치의 마이크로 BGAs, 0.4mm 피
치 QFP, 0.5 및 0.4mm QFN과 같은 작은 반도체 패키지에 효
과적이다.
두께가 단계적이거나 여러 두께를 가진 스텐실은 일부 애플리
케이션에 대해 유용하다. CBGA에는 정상적인 리플로우 온도에
서 녹지 않는 솔더 볼이 있다. 따라서 약간의 비평탄성이 문제가
될 수 있다. 이 문제를 풀기 위해서 CBGA의 경우 스텐실의 두께
는 0.2mm까지 점차 증가시키고 나머지 SMT 간극에 대해서는
0.125mm를 유지한다. 여러 두께를 가진 포일(foil)을 위해 캠 에
칭이 사용되며, 각 레벨의 간극을 만들기 위해 레이저 컷이 사용
된다. 여러 두께로 전기 주조된 스텐실은 단계 부분을 더 두껍게
전기 주조(도금) 함으로써 만들어진다.
주입식 리플로우는 SMT와 쓰루홀 장비에 대해 솔더 페이스
트를 인쇄하는 프로세스이다. 두 장비 모두 동시에 위치를 잡고
리플로우가 됨으로써 웨이브 솔더링이 필요하지 않다. 쓰루홀은
일반 SMT 장비보다 많은 양의 솔더를 필요로 하고, 따라서 단계
적 스텐실이 사용된다. 쓰루홀이 0.300mm 두께 이상의 스텐실
을 요구하는 경우 2-인쇄 스텐실이 알맞은 해결책이 된다. 일반
적인 0.125mm 두께의 스텐실은 모든 SMT 간극 인쇄에 사용된
다. 두꺼운 스텐실(보통 0.4mm)은 쓰루홀 간극 인쇄에 사용된
다. 이 스텐실은 접촉면(기판 양면)에 릴리프 포켓이 에칭되어 있
어서 SMT 스텐실로 이전에 인쇄된 SMT 페이스트와의 간격을
제공한다. 릴리프 포켓은 SMT 스텐실 보다 보통 0.1mm 더 두
껍다.

결론

초기 SMT 시대에는 간극 설계와 스텐실 두께가 적당한 페이
스트 이송을 제공할 지 판단하는 설계 지침으로서 종횡비가 일
반적으로 사용되었다. 간극의 폭(W)을 스텐실 두께(T)로 나눈 종
횡비가 1.5 보다 큰 경우 페이스트 이송이 잘 이루어질 것으로
예측되었다. 종횡비는 간극 길이가 폭보다 (최소 5배) 클 경우 유
용한 지침이 된다. 그러나 BGA나 QFN의 도입 이후 이는 더 이
상 적용되지 않게 되었다. 간극 면적을 간극 벽의 면적으로 나눈
용적률이 새로운 지침으로 등장했다. 간극 벽은 간극 안에서 페
이스트를 유지하려는 성질이 있고, 간극 아래의 패드는 페이스
트를 밀어내는 성질이 있다. 초기에는 양호한 인쇄 성능을 위한
용적률이 0.66으로 알려졌지만 시험 결과, 전기주조 스텐실에
적합한 용적률은 0.5로 나타났다. 용적률 계산 툴은 한계 폐이스
트 이송 성능을 예측하고 스텐실 설계 수행 전에 이를 수정할 수
있도록 해 준다.

일반적인 0.125mm 두께의 스텐실은 모든 SMT 간극 인쇄에 사용된다. 두꺼운 스텐실(보통 0.4mm)은 쓰루홀 간극 인쇄에
사용된다. 이 스텐실은 접촉면(기판 양면)에 릴리프 포켓이 에칭되어 있어서 SMT 스텐실로 이전에 인쇄된 SMT 페이스트와
의 간격을 제공한다. 릴리프 포켓은 SMT 스텐실 보다 보통 0.1mm 더 두껍다.