솔더 크림의 도포 상태 관찰과 3D 치수 측정
프린트 기판 실장의 주류인 표면 실장 기술(SMT: Surface Mount Technology)에서 표면 실장 부품(SMD: Surface Mount Device)과 기판의 접속·접합 부분이기도 한 「솔더 크림」의 인쇄·도포 상태는 실장 기판의 품질에 크게 영향을 미칩니다. 여기서는 땜납의 기초 지식 및 기판 실장 공정, 그 품질 보증·연구 개발의 평가 시 중요한 솔더 크림의 관찰·측정 최신 사례를 소개합니다.
- 땜납의 기초
- 솔더 크림의 특징과 기타 땜납
- 리플로 방식의 공정과 기타 납땜 방법
- 솔더 크림의 도포 상태 관찰·3D 치수 측정 사례
- 솔더 크림의 관찰·해석을 고도화하여 업무 속도를 향상시키는 4K 디지털 마이크로스코프
땜납의 기초
땜납(솔더)이란 전자 부품을 기판에 금속 접합하기 위한 재료입니다. 일반적으로 용융점 450℃ 미만의 온도로 융해시킨 다음 굳히면 기판 측의 구리 접합부에 합금이 형성되어 접점이 접합됩니다. 땜납을 사용해 접합하는 것을 납땜(솔더링)이라고 합니다.
보통 땜납의 침투성 및 「습윤성」*을 높이기 위해 플럭스가 사용됩니다. 플럭스의 원재료로는 식물성 수지(송진 등)가 사용됩니다. 또한 플럭스에는 가열 중 산화를 방지하거나, 금속면의 산화막이나 오염을 과학적으로 제거하는 등의 효과가 있습니다.
기존의 땜납(공정 땜납·유연 땜납)에는 납이 약 40%(주석 63%/납 37%) 함유되어 있습니다. 용융점은 183℃로, 일반적으로 약 250℃로 가열하여 접합합니다. 다만 납은 산업 폐기물이 되었을 때 환경에 유해한 영향을 끼치기 때문에 2000년 전후부터는 「무연 땜납」이 주류를 이루게 되었습니다. 무연 땜납을 사용할 경우 기존보다 약 30℃ 높게 가열 온도를 설정해야 합니다. 따라서 표면 실장의 주류인 리플로 방식에서는 리플로 공정의 온도 프로파일 설정이 중요합니다. 프린트 기판이 지나친 열로 인해 휘어지면 실장 불량으로 이어질 우려가 있습니다. 또한 무연 땜납은 습윤성이 기존보다 떨어지므로, 도포한 솔더 크림의 상태 및 리플로 공정에서의 온도 제어에 따라서는 땜납 볼이라는 불량과 이로 인한 회로 이상·고장이 발생할 수 있습니다.
- Tips「습윤성」이란
- 땜납의 「습윤성」은 「땜납 습윤성」이라고도 부릅니다. 융해된 땜납이 접합하는 표면에 접합되지 않고 습윤되어 퍼지는 성질을 뜻합니다. 땜납의 습윤성은 접합 강도에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어 땜납의 습윤성이 부족하여 프린트 기판의 PCB(패드) 위에 땜납이 충분하게 퍼지지 않고 응고된 경우, 디바이스의 접합 강도 저하 및 접촉 불량, 전도 불량 등 기기 고장의 원인이 될 수 있습니다.
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- 접촉각 θ(A)가 0°에 가까워질수록 「습윤성」이 높다고 할 수 있습니다. 땜납의 경우 습윤성이 높으면 기판과 실장 부품의 접합 강도도 높아집니다. 접촉각 θ가 극단적으로 크면(습윤성이 낮으면) 실장 불량의 원인이 되며, 구 형태로 고화하면 단락의 원인이 되는 「땜납 볼」이 발생할 우려가 있습니다. 따라서 특히 리플로 공정과 같은 자동화된 실장 공정에서는 투입 전에 PCB 위 솔더 크림의 습윤성을 확인하는 것이 중요합니다.
솔더 크림의 특징과 기타 땜납
솔더 크림은 땜납 분말과 플럭스로 이루어진 크림납 상태의 땜납으로 솔더 페이스트나 땜납 페이스트라고도 불립니다.
현재 자동 실장의 주류인 표면 실장 기술(SMT)에서 사용되며, 대량 생산 시에는 주로 실크 스크린 인쇄 방식으로 프린트 기판의 PCB 위에 솔더 크림을 도포하고 가열로에서 가열하여 표면 실장 부품(SMD)을 납땜합니다.
목적에 따라서는 디스펜서 로봇이나 잉크젯 프린터를 사용해 솔더 크림을 패턴 도포하는 경우도 있습니다.
다른 대표적인 땜납의 형태
솔더 크림 외에 대표적인 땜납의 형태를 아래에 정리했습니다. 각각의 특징 및 사용 방법에 대해 설명합니다.
- 실납
- 실납이란 와이어 형태의 땜납을 말합니다. 튜브 형태인 플럭스가 함유되어 있으며 인두팁으로 실납을 직접 가열해 융해시켜 부품을 기판에 납땜합니다. 자동 제어 납땜 장비에서는 실납이 자동으로 공급됩니다.
- 봉납
- 프린트 기판의 스루 홀(구멍)에 리드(전극)를 삽입하고 납땜으로 접합하는 삽입 실장 기술(IMT: Insertion Mount Technology)에 이용됩니다. 봉납을 융해시킨 납조를 사용해 납땜합니다.
리플로 방식의 공정과 기타 납땜 방법
리플로 방식(Reflow 방식)은 표면 실장 기술(SMT)을 활용한 자동 실장 공정에서 주류인 방법입니다.
일반적으로 메탈 마스크를 사용해 스크린 인쇄함으로써 프린트 기판의 PCB 위에 솔더 크림을 패턴 도포합니다. 부품을 고정하기 위한 칩 본드도 필요한 부분에 패턴 도포한 뒤 마운터라고 불리는 장비로 표면 실장 부품(SMD)을 자동 탑재합니다. 이를 리플로 오븐이라 불리는 가열로로 반송해 가열함으로써 부품을 접합합니다. 이 공정을 리플로 공정이라고 합니다.
또한 기판을 상하 반전시켜 다시 솔더 크림을 도포하고 SMD를 마운트, 리플로 오븐에서 가열함으로써 프린트 기판 표면 양면에 실장할 수 있습니다. 이 공정을 아래 그림으로 나타냈습니다.
다른 대표적인 납땜 방법
리플로 방식 외에도 납땜에는 다양한 방법이 있습니다. 수작업 및 자동 제어, 라인에서의 자동 실장 등에 이용되는 대표적인 방법은 다음과 같습니다.
- 인두팁
- 인두팁의 끝을 니크롬선 히터나 세라믹 히터를 이용해 고온으로 가열하고, 직접 와이어 형태의 실납을 융해시켜 부품을 기판에 접합합니다. 사용하는 땜납의 융해 온도에 대응할 수 있도록 온도 조정 기능이 탑재된 제품은 매우 편리합니다. 또한, 인두팁은 수작업뿐만 아니라 자동 장비에서도 활용됩니다. 용도에 따라 도어형 장비나 로봇 암에 인두팁을 장착하고 자동 제어를 통해 프로그래밍된 좌표에 고정도로 납땜할 수 있는 장비도 이용됩니다.
- 플로 방식(Flow 방식)
- 봉납을 융해시킨 납조의 땜납 액면에 프린트 기판의 아랫면을 담그는 방식으로 납땜합니다. 이 방법은 주로 리드 타입 DIP 부품의 실장에 이용됩니다. 플로 공정에서 이용되는 납조에는 액면이 정지되어 있는 「정지조」와 땜납 액면에 물결을 일으키는 「분출식 납조」가 있습니다.
솔더 크림의 도포 상태 관찰·3D 치수 측정 사례
분체 땜납과 플럭스로 이루어진 솔더 크림은 PCB에 인쇄(도포)했을 때의 습윤성이 실장 품질 및 신뢰성을 크게 좌우합니다. 도포한 솔더 크림의 습윤성은 PCB에 대한 각도로 평가할 수 있습니다. 또한, 땜납 분체와 플럭스가 PCB에 어떻게 퍼지는지 외관을 통해 관찰하고 부피 및 형상을 조사하는 것도 중요합니다.
하지만 솔더 크림은 빛의 반사로 인한 헐레이션, 배경과의 빛 반사율 차이, 입체 형상으로 인해 전체에 초점을 맞춰 관찰하기 어려웠습니다. 또한, 리플로 전의 솔더 크림은 접촉식 측정기를 사용해 형상을 측정할 수 없습니다. 뿐만 아니라 일반 현미경으로는 정확하고 정량적으로 3D 치수를 측정하기 어렵다는 점도 과제였습니다.
KEYENCE의 초고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 깊은 피사계 심도와 고분해능을 실현한 광학계와 4K CMOS, 고기능 조명 및 고도의 화상 처리 등 독자적으로 설계된 시스템을 채택했습니다. 이에 따라 기존에는 어려웠던 조건 설정 및 입체적인 대상 물체에 대한 초점 조정이 간단한 조작만으로 이루어지므로 4K 고해상도 화상을 이용해 선명하게 관찰할 수 있습니다. 또한, 4K 고해상도 화상에서 그대로 비접촉으로 2D·3D 치수를 고정도로 측정할 수도 있습니다. 여기서는 「VHX 시리즈」를 활용해 기판의 PCB 위에 도포한 솔더 크림을 관찰·측정한 사례를 소개합니다.
솔더 크림의 4K 화상을 이용한 고해상도 관찰
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 깊은 피사계 심도를 통해 PCB 위에 입체적으로 도포된 솔더 크림 전체에서 포커스가 유지되는 선명한 화상을 취득할 수 있습니다. 또한, 「링 제거」 기능과 「헐레이션 제거」 기능을 활용하면 솔더 크림 특유의 빛 반사에 영향을 받지 않습니다. 따라서 미세한 땜납 분체 및 플럭스의 상태, PCB와 땜납의 경계 등 미세한 부분까지 선명한 4K 고해상도 화상으로 관찰할 수 있습니다.
이와 더불어 조명의 조건 설정도 버튼을 누르기만 하면 OK인 간단한 조작을 실현했습니다. 전방위 조명 조사를 이용한 촬상 데이터를 자동으로 취득하는 「멀티 라이팅」 기능을 통해 목적에 맞는 화상을 선택하기만 하면 관찰을 시작할 수 있습니다. 각 조명 조건의 화상 데이터가 저장되므로 나중에 다른 조명 조건의 화상을 불러와 다른 관점에서 관찰할 수도 있습니다. 또한 임의의 화상을 선택하는 것만으로 동일한 조건을 완전하게 재현할 수 있으므로, 다른 날·다른 개체인 샘플이라도 바로 동일한 조건에서 관찰을 다시 시작할 수 있습니다.
솔더 크림의 3D 치수 측정·프로파일 측정
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 수직으로 촬상한 선명한 4K 관찰 화상 그대로 미세한 텍스처의 변화나 표면의 거칠기까지 포착하여 3D 화상을 제공하고, 고정도 2D·3D 치수 측정도 신속하게 실행할 수 있습니다. 이를 통해 접촉식 측정기에서는 불가능했던 솔더 크림의 높이·부피를 포함한 3D 치수·형상의 비접촉 측정을 실현. 솔더 크림의 체적 및 형상을 바탕으로 납땜량 부족이나 냉땜 등 불량 원인의 정량적인 평가를 간단하게 실시할 수 있습니다.
또한, 화면을 보면서 마우스 조작으로 임의의 부분을 지정하는 것만으로 프로파일 측정을 실시할 수 있습니다. 비접촉·비파괴로 각종 형상으로 도포된 솔더 크림의 2D 단면 형상을 측정할 수 있기 때문에 예를 들어 PCB에 대한 각도를 바탕으로 습윤성을 평가할 때도 효과적입니다.
솔더 크림의 관찰·해석을 고도화하여 업무 속도를 향상시키는 4K 디지털 마이크로스코프
전 세계의 전자 디바이스 업계는 기판 및 디바이스의 소형화·고밀도화를 통한 높은 품질과 새로운 기술을 위해 경쟁하고 있습니다. 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 기존의 과제를 해결하는 기능·성능을 간단한 조작으로 신속하게 실행함으로써 전자 디바이스 업계에 높은 경쟁력을 제공합니다.
「VHX 시리즈」는 4K 화상을 이용한 선명한 고배율 관찰부터 고정도의 3D 화상화, 2D·3D 치수 측정, 프로파일 측정, 그리고 리포트 자동 작성까지 1대로 끊김없이 실행할 수 있으므로 개발 연구 및 품질 보증 시 평가의 정확성과 속도를 비약적으로 향상시킬 수 있습니다.
기판 등 전자 기기 제조와 관련된 다양한 관찰·해석 업무를 크게 개선하는 「VHX 시리즈」의 자세한 내용을 알아보시려면 아래의 버튼을 클릭하여 카탈로그를 다운로드하시거나 부담 없이 상담·문의해 주시기 바랍니다.
