변형된 기판의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정·분석하는 방법

기판의 열 변형 배경

전자 부품 실장 기판의 다층화 및 소형화 그리고 실장의 고밀도화가 진행되어 리플로우 방식을 이용한 부품 실장 방식을 사용하게 되었습니다. 리플로우 공정은 기판의 필요한 부분에 땜납 페이스트(솔더 페이스트)를 인쇄하고 부품 고정용 본드를 도포해 마운터로 전자 부품을 기판에 배치하는 공정이며, 그것을 용괄로에 넣어 열 땜납이나 본드를 경화시킴으로써 효율적으로 부품을 실장할 수 있습니다.
리플로우 공정에서는 친환경 무연 땜납의 도입을 배경으로 땜납의 용융에 기존보다 높은 온도가 필요합니다. 리플로우 용광로의 온도를 올리면 열에 의한 기판의 스트레스가 증가합니다. 이로 인해 기판이 고온의 용광로에서 휘어지거나 굴곡지는 열 변형 문제가 증가했습니다.

기판의 변형에 의한 영향

기판이 변형되면, 위치 어긋남 등에 의해 올바르게 납땜 있지 않거나 땜납 부분에 응력이 가해져 접속 불량이 발생하는 경우가 있으며, 크게 변형된 경우에는 케이스와의 조립 감합 정도가 저하해 버리는 등의 문제로 연결됩니다. 이러한 문제는 수율을 크게 줄일 수 있습니다.
또한 기판의 부분 혹은 전체의 미묘한 변형을 눈치채지 못하고 케이스에 조립해 출하했을 경우, 이후에 전자 부품의 접속 불량에 의한 제품의 고장이 발생하여 클레임으로 연결될 가능성이 있습니다.특히 자동차나 항공기 등의 제어 기판에 있어서는 고장이 사고로 이어질 가능성이 있기 때문에 기판의 형상은 리드 들뜸이나 솔더 필렛의 형상과 마찬가지로 중요한 체크 항목이라고 할 수 있습니다.

소프트웨어를 사용한 변형 시뮬레이션 분석

기판 설계 단계에서는 CAD 데이터를 사용한 시뮬레이션 분석을 사용할 수 있습니다. 물체가 변형하는 동작을 시뮬레이션하고 평가하는 데 사용되는 기법 중 하나는 「유한 요소법(FEM: Finite Method Element)」입니다.

유한 요소법이란?

유한 요소법(FEM)이란 복잡한 형상이더라도 단순한 형상의 집합체(요소)가 될 때까지 분할(이산화)하고 우선 그 단순한 형상들의 마다 응력이나 변형을 구하는 시뮬레이션 해석법입니다. 각각의 단순한 구조를 쌓아 원래의 전체 구조까지 쌓음으로써 각부의 응력이나 변형을 전체적으로 예상합니다. 이것을 컴퓨터의 소프트웨어상에서 대상이 되는 제품의 CAD 데이터를 이용해 실시하는 것으로 강성·강도·내진동성·소성 변형·파괴·열 변형 등의 시뮬레이션 해석을 실시할 수 있습니다.
요소는 형상에 따라 다음과 같은 분류·종류가 있습니다.

0차원 요소 (스칼라)
1차원 요소 (바)
2차원 요소 (쉘)
3차원 요소 (솔리드)

• 0차원 요소(스칼라): 형상이 없는 점.
• 1차원 요소(바): 선형: 막대나 기둥, 보 등을 선으로 할 때에 사용됩니다.
• 2차원 요소(쉘): 면. 얇은 판재 등에 사용됩니다.
• 3차원 요소(솔리드): 표의 왼쪽부터 순서대로 삼각뿔의 테트라 요소, 삼각 기둥의 펜타 요소, 직육면체의 헥사 요소로 불리며 이 3종류가 사용됩니다. 헥사 요소를 많이 사용함으로써 두께가 있는 물체의 해석 정밀도를 높일 수 있지만 난이도가 높으며 계산 시간이 많이 필요합니다. 한편 테트라 요소를 이용하여 자동으로 3차원 요소의 메시를 작성하는 기술이 진행되고 계산 시간도 짧기 때문에 높은 정도보다 시간 단축을 우선하는 경우에는 가장 적합합니다.

시뮬레이션 해석의 주요 특징과 흐름

차원이 낮을수록 형상을 생략하고 있기 때문에 해석 처리에 걸리는 시간이 짧고, 차원이 늘어날수록 많은 시간이 필요하지만 보다 정밀도가 높은 데이터를 얻을 수 있습니다. 3차원 요소 기판의 변형 시뮬레이션에 대한 일반적인 흐름은 기판의 설계 데이터를 우선 메시 모양의 요소로 분할하는 것입니다. 기판의 설계 데이터는 대부분 2D이지만 소프트웨어에 따라 3D CAD 형식으로 변환해야 할 수도 있습니다. 메시화한 각 요소에 리플로우 공정에서의 온도 프로파일에 나타난 가열 온도대로 온도를 상승시켰을 경우, 가해질 것으로 추정되는 응력을 부여하여 예상 데이터를 취득합니다.

기판의 가열 시험과 실측·평가에서의 요구

시뮬레이션을 거친 기판을 리플로우 용광로에 실제로 넣어 가정된 온도 프로파일에서 시뮬레이션대로 되는지 검증하고 평가해야 합니다.
크기에 따라 다르지만 유한 요소법을 적용하여 기판을 3차원 요소로 분할하면 요소의 수는 약 5만점에 달하는 경우가 있다고 합니다. 즉, 기판 전면의 형상을 빠짐없이 고정도로 측정할 수 없다면 시뮬레이션 해석을 아무리 치밀하게 하더라도 올바른 검증 결과를 얻을 수 없습니다. 설계 단계에서 개선해야 할 포인트를 놓치지 않으려면 실측은 매우 중요한 프로세스입니다.

다음으로 기존의 측정 기기를 이용한 측정 과제나 컴퓨터를 사용한 고정도의 시뮬레이션과의 비교·평가에 대응할 수 있는 최신 측정 방법에 대해 설명합니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 변형의 측정·평가 과제

윤곽 형상 측정기란 스타일러스라고 하는 프로브를 이용하여 대상 물체의 표면을 추적함으로써 그 윤곽 형상을 측정, 기록하는 장치입니다.
최근에는 프로브 대신 레이저를 이용하여 비접촉으로 윤곽을 스캔함으로써 복잡한 형상의 측정에 대응할 수 있는 기종도 있습니다. 또한 기종에 따라서는 상하 양면의 측정이 가능한 것도 있습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 기판 변형의 측정·평가에서는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

• 선을 따라 대상 물체를 측정하기 때문에 광범위한 변형을 측정·평가하기 것은 어렵습니다.
• 대상 물체 표면의 전체 형상은 파악할 수 없습니다.
• 표면 실장 후의 기판과 같이 본래 측정하고 싶은 면 이외에 요철(실장 부품)이 있으면 기판 자체의 변형 여부를 측정하는 것이 어렵습니다.
• 선의 기준면 설정이 어렵기 때문에 측정 오차가 발생할 수 있습니다(그림).

3차원 측정기를 이용한 변형의 측정·평가 과제

일반적으로 3차원 측정기로 기판의 변형을 측정하기 위해서는 측정하고자 하는 대상 물체 면의 모서리 4개 이상에 프로브 선단의 접촉자를 맞추어야 합니다.
예를 들어 플레이트 부재의 경우 6~8점을 측정하는 것이 일반적입니다. 측정 범위가 넓을 경우 측정 포인트를 늘려 더 많은 부분의 측정값을 얻음으로써 측정 정도를 향상시킬 수 있습니다.

기판의 변형 측정·평가에서는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

• 제한된 지점에서 접촉하여 측정해야 하기 때문에 전체 형상을 얻을 수 없습니다.
• 보다 많은 측정값을 얻기 위해 다점 측정을 할 경우, 많은 시간이 걸리며 전체 형상과 요철이 생긴 부분 등 상세한 형상을 파악할 수 없습니다.

장점 1: 최고 속도 1초. 「면」으로 대상 물체 전체의 3D 형상을 일괄 취득.

「VR시리즈」는 최고 속도 1초만에 비접촉·원 샷으로 실장 기판에 있는 80만점의「면」데이터를 취득할 수 있습니다. 취득한 3D 형상의 최대·최소의 요철(높이·깊이)을 컬러 맵으로 표현할 수 있으므로 대상 물체 전체에서 변형된 부분을 「가시화」할 수 있습니다.

또한 직관적인 조작으로 스캔한 데이터의 임의의 부분에 원주·직선·평행선·수직선 등 다채로운 프로파일 선을 그릴 수 있습니다. 정확하게 프로파일 측정할 수 있으므로 변형된 부분의 상세한 데이터도 신속하게 취득할 수 있습니다. 측정 후에도 대상 물체를 다시 설정하지 않고 과거에 3D 스캔했던 광범위한 데이터를 기반으로 다른 부분을 프로파일 측정할 수도 있습니다.

또한 설계 데이터 또는 가열 전의 기판 스캔 데이터와의 형상 교도 가능하며, 다른 가열 조건을 여러 복수의 기판의 측정 데이터의 형상 비교 및 여러 개의 데이터에 측정 항목을 일괄 적용할 수 있습니다.
이에 따라 정확한 측정·비교·평가는 물론 비약적인 공수 삭감, 업무 효율의 향상이 실현됩니다.

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장점 2: 간단한 조작으로 누가 측정해도 측정값의 편차 없음

대상 물체를 스테이지 위에 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작으로 3D 형상을 측정할 수 있습니다.
저배율/고배율 카메라를 전환함으로써 작은 기판이라도 기판의 전체적인 부분이나 상세한 부분을 단 1대로 정확하게 측정할 수 있습니다.

또한 대상 물체의 특징 데이터로부터 자동으로 위치 보정을 할 수 있기 때문에 엄격한 레벨링이나 위치 결정은 불필요합니다. 대상 물체의 크기를 판단하여 측정 범위를 자동 설정·스테이지 이동하는 「Smart Measurement 기능」을 업계에서 처음으로 탑재해 측정 길이나 Z 범위 등을 설정하는 수고를 일절 배제했습니다.

또한 풍부한 보조 툴을 사용하여 원하는 측정 내용을 직관적으로 설정할 수 있습니다.
간단한 설정은 물론 초보자도 조작하기 쉽기 때문에 측정에 익숙하지 않은 사람이라도 최고 속도 1초만에 정확하게 측정할 수 있습니다.H 이로 인해 설계나 시뮬레이션의 실증 실험·평가는 물론 양산 시의 측정·검사에서의 N수 증가나 경향 분석도 간단하게 실현합니다.

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