차세대 주축산업의 기초와 핵심 ‘PCB & SMT’

[산업일보]
PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)

인쇄회로기판(Printed Circuit Board)이란 전기가 통하지 않는 표면상의 적절한 장소 사이를 전도성 재료로서 연결한 절연기판으로 관련 전자부품을 탑재하기 직전의 상태를 말한다. 인쇄회로기판의 종류에는 우리가 가장 많이 사용하는 TV, 오디오, 전화기, CD ROM, 프린터 등 일반 가전제품에서 2개 이상의 기판을 적층해 만든 PCB인 MLB(Multi Layer Board)로는 통신기기, TFT-LCD, 디지털 TV, PDP, DVD 플레이어 등 디지털 가전이 있다. 마지막으로 FPCB(Flexible PCB)라고 불리는 연성기판이 있는데 이는 일반 PCB와는 달리 가볍고 유연성을 갖춰 소형의 고기능과 유려한 디자인을 요하는 제품인 휴대폰, PDA, MP3, 디지털 카메라 등에서 사용된다.

SMT(Surface Mount Technology, 표면실장기술)

SMT란 Surface Mount Technology로서 표면실장기술이라 하며 PCB 기판 위에 Solder Paste(납)를 인쇄하고 그 위에 칩 부품을 Reflow(리플로)를 이용해 장착해 PCB와 LEAD(납) 부품간의 접합을 하는 기술을 의미한다.



표면실장기술은 크게 POB(Package on Board)와 COB(Chip on Board)의 기술로 분류된다. POB 기술에서는 각형 칩인 저항과 콘덴서 종류는 가로×세로 3.2mm×1.6mm(3216)에서 2012, 1608, 1005로 점차 미세화되어 현재는 극세 미초 칩인 0603까지 실용화됐다. QFP(Quad Flat Package)류는 LEAD 간격이 1.0mm 피치에서 0.5, 0.3 mm까지 파인 피치가 실용화됐고 펜티엄 노트북 PC에 주로 사용되는 TCP(Tape Carrier Package)기술은 LEAD 간격이 0.3, 0.25, 0.2 mm 피치까지 실용화됐다. BGA(Ball Grid Array) & CSP(Chip Size Package)는 1.27 mm 피치에서 0.8, 0.5, 0.4 mm 피치로 발전해 휴대전화나 디지털 캠코더, DVD에 실용화되고 있다.

또한 COB 기술은 Wire Bonder(와이어본더) 혼재 실장과 Flip Chip(플립칩) 혼재 실장으로 구분되며 이 기술은 휴대폰, 노트북 PC, PCMCIA 카드(PC확장카드), 메모리 모듈 등에서 사용된다.

반도체 응용분야가 급속도로 확대되면서 다양한 요구사양 대응에 필요한 반도체 패키징 또한 급증하고 있다. 최근 이러한 요구사양에 따라 반도체 패키징 부문에서 BGA, CSP, Flip Chip 패키징 및 Stacked 패키지가 보편적으로 사용되고 있다.

SMT(Surface Mount Technology) 공정



표면실장기술의 공정 단계는 인쇄기→고속기→중속기→이형기→경화로→납땜 검사기로 이루어진다. 표면실장기술에 사용되는 공정 장비는 이송장치, 인쇄 장치, 솔더링 장치, 세척 장비, 그리고 검사 장비로 구분된다.

PCB Loader는 인쇄회로기판을 자동공급하는 장치로써 Magazine Rack을 사용하는 Magazine Loader와 Vaccum(진공)을 이용하여 Bare Board를 공급하는 Vaccum Loader로 구분한다.
-Magazine Loader는 인쇄회로기판의 한 면에 부품이 실장 또는 삽입되어 있는 상태의 Board를 사용할 때 많이 사용된다.
-Vaccum Loader는 인쇄회로기판의 양면에 부품이 없는 Bare Board 상태의 PCB를 사용할 때 많이 사용되며 Bare Board를 50∼100매 적층하고 Vaccum Pad를 이용하여 1장씩 분리 공급하는 장치이다.

PCB 반전기는 전공정에서 실장 작업된 PCB를 해당공정의 작업을 위해 반전시킬 필요성이 있는 경우에 사용되며 주로 PCB 공급장치 다음 공정에 설치된다.

Screen Printer는 인쇄회로기판에서 부품이 실장 되어야 할 Land 표면에 부품을 납땜하기 위한 Cream Solder를 인쇄하는 장치로서 인쇄방법으로는 Silk Printing과 Metal Mask Printing 방법이 있으며 현 추세는 Metal Mask Printing 방식을 주로 사용한다.

Dispenser(Chip Bond 도포기)는 자삽 부품과 Chip 부품을 혼재 실장하는 공법에서 Flow 납땜시 Chip 부품을 PCB에 가고정하기 위한 접착제를 도포하는 장치이다. 도포 방식에 따라 전사방식, Screen 인쇄 방식, 그리고 Dispenser 방식으로 분류한다.
-전사 방식: PCB상에 본드를 도포해야 할 Point 만큼의 핀이 부착된 Plate(판)를 이용해 일괄적으로 도포하는 장치로서 생산성이 양호하며 Pin의 Size를 변화시켜 도포량을 조절한다.
-Screen 인쇄방식: Mesh Screen에 Bond를 도포해야 할 부분만을 제외한 나머지 부분을 유제로 코팅하고 Bond를 인쇄하는 방식으로써 Mesh의 Size나 인쇄조건을 변화시켜 도포량을 조절한다.
-Dispenser 방식: Chip 부품에 따라 Nozzle Size와 토출시간, 온도, 압력을 변화시켜 접착제의 양을 조절한다. 현재 가장 널리 응용되고 있는 도포기이다.

Chip Mounter(부품 장착기)는 Cream Solder(크림솔더) 또는 Chip Bond가 도포된 PCB상에 표면실장형 부품을 시퀸서 프로그램을 이용해 장착하는 장치이다. 사용부품 형태에 따라 표준 Mounter(또는 고속 Mounter)와 이형 Mounter(또는 다기능 Mounter)로 구분하며 장착속도별로는 고속, 중속, 저속으로 나뉜다.

마지막으로 경화장치(Hardness Curing Machine)는 인쇄회로기판에 Lead 삽입형 부품의 혼재실장 공정에서 Chip Bond에 의해 부품이 가접착된 상태를 경화시켜주는 장치로서 Chip Bond의 경화 특성에 따라 자외선 경화, 열경화, 자외선+열경화 방식 등으로 나뉘어진다.

SMT(Surface Mount Technology) 발전 추이

반도체 소자기술은 초기 삽입형 패키지인 DIP, PGA 형태에서 패키지 크기가 작고 전기적 성능이 우수한 표면 실장형(SMT) 패키지인 QFP(Quad Flat Pack) , SOP(Small Outline Package) 형태로 발전해 극세 피치 표면 실장형 TQFP(Thin-QFP), TSOP(Thin-SOP) 등으로 발전해 왔다. 이러한 경박 단소형 SMT 패키지는 1990년 중반부터 솔더 플립칩과 SMT 기술의 장점을 결합한 BGA(Ball Grid Array) 형태의 패키지로 발전하면서 새로운 솔더 볼 접속 패키지 기술의 새로운 장을 열게 됐다. 그리고 1990년대 후반에는 이러한 BGA 패키지 크기와 전기적 성능을 더욱 개선한 CSP(Chip Size Package) 형태로까지 발전했다. CSP는 칩·패키지의 크기가 80% 이상인 고집적 패키지로써 점차 소형화되어 가는 전자제품에 없어서는 안될 패키지 부품이 되어 가고 있고, 궁극적으로는 Single Chip Package는 MCM(Multi Chip Module) 형태의 시스템 패키지로 발전해 오고 있다.

최근 전자 패키징 및 어셈블리 기술 요구 조건은 급격히 변화하고 있다. 표에서 보듯 2010년에는 현재에 비해 die size 2배, 속도 4배, 전압 1/2배, pin count 4배가 된다. 이러한 경향은 전자 패키징 연구에 새로온 패러다임인 고속·고밀도 시스템 패키징을 요구하는 데에 기인한다. 미래의 전자 패키징은 극소형, 고밀도, 저전력, 다기능, 초고속 신호 처리, 영구적 신뢰성 등을 요구한다.



미디어다아라 고정태 기자(jazzful@daara.co.kr)