솔더 필렛 형상을 순식간에 정확하게 측정하는 방법

자동차의 통신·전자 제어부의 증가. 그리고 일상적으로 사용하는 스마트폰이나 태블릿 단말 및 스마트 워치 등 웨어러블 기계 등의 소형·고밀도화에 따라 전자 디바이스의 실장 품질 담보 및 품질 보증은 더욱 고도화되었으며 그 중요성 또한 커졌습니다.
여기에서는 기판 실장의 품질에 밀접하게 연관되어 있는 「솔더 필렛」을 소개하고, 실장 공정의 기초 지식 중 필렛의 형상 불량·실장 불량과 그 대책, 그리고 필렛 형상 측정·평가가 가진 과제와 새로운 해결 방법까지 소개합니다.

솔더 필렛이란?
표면 실장(SMT)의 공정·솔더 필렛 형상·실장 불량과 대책
기존의 솔더 필렛 형상 측정의 과제
- 윤곽 형상 측정기를 이용한 솔더 필렛 형상 측정 과제
솔더 필렛 형상 측정의 과제 해결 방법
요약: 측정이 어려웠던 솔더 필렛 형상 측정을 비약적으로 개선·효율화

솔더 필렛이란?

실장에서 말하는 「필렛(영어: solder fillet)」이란 프린트 기판에 실장된 부품 중 땜납이 되어 있는 부분을 의미합니다. 솔더 필렛의 형상 등에 따라 땜납의 질을 평가 합니다.

모범적인 솔더 필렛 형상

일반적으로 PCB와의 접합부에 용융하여 고화된 땜납 형상(필렛)을 확인하여 평가합니다. 그 모양은 후지산처럼 완만하고 오목한 곡선으로 밑단으로 갈수록 펼쳐지는 형상을 띱니다. 밑에서 그림과 함께 설명하겠지만 접촉각 θ가 작을(높은 습윤성) 수록 양호한 상태라고 봅니다.
한편 가열 부족이거나 땜납량이 많으면 물방울처럼 부풀어 오른 형상으로 고화합니다. 이것을 「냉납」이라고 하며 이는 접합 강도의 저하나 접속 불량의 원인이 됩니다.

접촉각 θ·습윤성이란?

습윤성이란 고체의 표면과 그 안에 울 모양으로 떨어트린 액체(용융 상태의 땜납 등)와의 「접촉각 θ(Contact Angle)」의 크기로 표현됩니다. 그림 내 A의 각도(접촉각 θ)가 작을수록 습윤성이 높고 액체가 고체 표면에 잘 도포된 상태이며, 접촉각이 클수록 고체 표면이 액체를 튕기고 있는 상태가 되어 습윤성이 낮다고 말합니다.

용접 비드 다리 길이의 예 — 접촉각 θ(그림에서 A)가 0°에 가까울수록 「습윤성」이 높아지고 땜납의 경우, 기판과 실장 부품의 접합 강도가 높아집니다.

표면 실장(SMT)의 공정·솔더 필렛 형상·실장 불량과 대책

표면 실장(SMT: Surface Mount Technology)의 일반적인 공정이나 표면 실장에서의 땜납량 및 필렛 형상 그리고 실장 불량에 대해 설명합니다.

표면 실장(SMT) 공정의 예

FA(Factory Automation)에서 말하는 표면 실장(SMT)의 일반적인 공정에 대해 차례대로 설명합니다.

·땜납 페이스트(솔더 크림) 인쇄 공정: 기판 위의 고해상도 메탈 마스크(판·스크린 마스크)와 스퀴지를 이용하여 땜납 페이스트(솔더 크림)를 스크린 인쇄하는 것으로, 필요한 부분에만 땜납 페이스트를 도포합니다. 시제품 제작이나 소량 생산에서는 제판이 필요 없는 잉크젯 프린터를 사용할 수 있습니다.

·칩 본드 공정: 칩 부품을 기판에 고정하기 위해 본드를 도포하는 공정입니다. 주로 플로우 납땜 공정에서 부품을 실장하는 경우 등에 있어서 「부품이 떨어지지 않도록 고정」하는 것이 목적입니다. 또한 도전성 접착제를 사용함으로써 부품의 고정과 전도를 동시에 실현하는 것도 가능합니다.
·칩 실장 공정: 릴 모양으로 감겨 있는 실장 부품의 카세트를 실장 장치(마운터)에 세팅합니다. 마운터는 프로그램을 따라 공급된 기판에 장착 부품을 목표한 위치로 자동 배치 시킵니다.
·리플로우 공정: 땜납 페이스트나 칩 본드를 도포하고 실장 부품을 올린 기판을 리플로우 용광로에 반송하여 가열합니다. 가열에 의해 땜납 페이스트는 용융되어 실장 부품과 기판의 마운트 패드에 습식 확산되고 냉각 시에 고화하여 땜납합니다. 동시에 열을 이용하여 칩 본드를 경화시켜 부품을 고정합니다.; 땜납이 용융하는 온도와 칩 본드가 경화하는 온도는 각각 다르기 때문에 공정 내에서 가열 온도나 냉각 속도를 조정할 필요가 있습니다. 또한 리플로우 공정에서는 열에 의한 기판의 휨에도 주의가 필요합니다.

솔더 필렛 형상·실장 불량과 대책

솔더 필렛은 부품의 단자 전극과 마운트 패드를 덮는 형상으로 땜납이 적당량 담겨 있어야 합니다.
예를 들어 널리 사용되는 적층 칩 커패시터의 실장에서 땜납이 적당량일 때 필렛은 좌우 단자 전극에 여덟 팔 자(八)형 슬로프를 그립니다. 그러나 땜납량이 과도한 경우 처음에 설명했던 「냉납」상태가 되고, 땜납량이 부족한 경우는 충분한 체적 및 형상을 띤 필렛을 얻을 수 없습니다. 그와 동시에 고착력이 저하되어 실장 불량이나 접속 불량의 원인이 됩니다.

또한 리플로우 공정에서는 단자 전극에 용융한 땜납에 의해 표면 장력이 작용합니다. 이때 양쪽 단자의 땜납량에 차이가 있거나 가열 온도에 편차가 있으면 양쪽 단자의 표면 장력에 차이가 생겨 칩 상승 현상이 일어납니다. 이러한 현상은 고층 빌딩에 빗대어 「맨해튼 현상」혹은 묘석에 빗대어 「툼스톤 현상」 등으로 불립니다.

불량 대책을 세울 때에는 땜납의 양이나 질은 물론 리플로우 용광로의 예열이나 온도 상승 프로파일의 적정화 등 공정에서의 조건 검토가 중요합니다.
또한 전 단계인 프린트 기판의 설계 시에도 정상적인 필렛을 형성하기 쉬운 PCB 형상이나 열에 관한 대책 등을 고려해 보아야 합니다. 또한 땜납 페이스트(솔더 크림) 를 인쇄할 때 사용되는 메탈 마스크를 개선하는 것으로도 땜납의 정도가 향상되는 경우가 있습니다.

기존의 솔더 필렛 형상 측정의 과제

필렛을 측정·평가할 때 기존의 윤곽 형상 측정기에서는 다음과 같은 측정 과제가 있었습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 솔더 필렛 형상 측정 과제

윤곽 형상 측정기란 스타일러스라고 하는 프로브를 이용하여 대상 물체의 표면을 덧그림으로써 그 윤곽 형상을 측정, 기록하는 장치입니다.
측정하기 위해서는 레벨링 작업이 요하며 대상 물체를 놓는 방법이나 지그를 이용한 위치 결정, 측정침을 떨어뜨리는 방법 등 사전에 필요한 설정이 많고 측정 난이도가 높아 번거롭고 시간이 오래 걸립니다.
또한 3차원 형상을 가지는 필렛을 「선」으로 측정하기 때문에 전체 형상을 파악할 수 없고 소형의 고밀도 실장 기판에서는 측정이 어려운 경우가 있었습니다.

솔더 필렛 형상 측정의 과제 해결 방법

지금까지는 솔더 필렛 형상을 2차원적인 그림으로 설명해 왔습니다만 실제의 필렛은 3차원 형상을 가집니다. 삽입 실장·표면 실장에서 발생하는 필렛 형상의 불량은 다양합니다.
때문에 필렛 형상의 측정이나 외관 검사에서는 면적·높이·체적·기울기 등 3차원 형상을 고정도로 측정해야 비로소 정확하게 필렛을 평가할 수 있다고 할 수 있습니다. 그러나 기존의 측정 방법은 선으로 측정하는 등의 방법을 사용했기 때문에 필렛의 형상을 정확하게 파악하는 것이 어려웠습니다.

이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다. 대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착할 수 있습니다.

대상 물체의 정밀한 위치 결정 없이 스테이지에 두고 최고 속도 1초 만에 3D로 스캔할 수 있습니다. 또한 3차원 형상과 2차원 단면 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이로 인해 측정 결과의 편차 없이 빠르고 간단하게 정량적인 측정·평가를 할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 최고 속도 1초, 비접촉. 면으로 전체 3D 형상 측정

필렛 게이지에서는 선으로 형상의 피팅 상태를 측정하며, 윤곽 형상 측정기에서는 필렛 표면을 프로브로 접촉하면서 선으로 측정하기 때문에 솔더 필렛 전체의 정확한 형상을 측정하는 것이 어려웠습니다.

반면 「VR 시리즈」를 사용하면 최고 속도 최고 속도 1초, 비접촉 방식으로 순식간에 대상 물체의 3D 형상을 면으로 스캔하여 측정할 수 있습니다.
저배율·고배율을 전환할 수 있기 때문에 실장 기판 전체는 물론 특정 부품의 미세한 솔더 필렛 형상까지 고정도로 측정할 수 있습니다.
높이를 컬러맵으로 표시함으로써 필렛이나 전자 부품의 형상을 가시화 할 수 있기 때문에 비정상적인 위치와 그 상세 값을 즉시 파악할 수 있습니다.

또한 한번 3D 스캔해 둔 데이터는 보존되어 이후 데이터에서 임의의 직선을 그어 단면의 프로파일을 측정할 수 있습니다. 상세한 형상을 알기 쉬운 데이터로 공유할 수 있기 때문에 불량 원인의 규명이나 불량의 재발 방지 대책, 비교·경향 분석 등도 원활하게 할 수 있습니다.

장점 2: 사전 설정·위치 결정 불필요, 간단하고 빠르게 솔더 필렛의 형상을 측정

「VR시리즈」는 정밀한 위치 결정이나 대상 물체의 지그 고정 작업, 측정기의 어려운 사전 설정·조작이 필요하지 않아 바로 측정을 시작할 수 있습니다.

대상 물체를 스테이지 위에 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작으로 3D 형상을 측정할 수 있습니다. 대상 물체의 특징 데이터에서 자동적으로 위치 보정이 가능하기 때문에 정밀한 위치 결정이 필요하지 않습니다. 경험이나 지식을 지식의 정도에 상관없이 사람에 의한 편차가 없는 정량적인 측정이 가능하기 때문에 N수 증가가 실현됩니다.
또한 설정 측면에 있어서도 측정 범위 자동 설정 및 스테이지 이동 기능인 「Smart Measurement 기능」을 업계 최초로 탑재하여 측정 길이나 Z 범위 등을 설정하는 데 걸렸던 수고를 완벽하게 없앴습니다.

요약: 측정이 어려웠던 솔더 필렛 형상 측정을 비약적으로 개선·효율화

「VR 시리즈」를 사용하면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉 방식을 사용하여 솔더 필렛의 형상은 물론 기판 전체의 실장 상태도 면으로 신속 정확하게 측정할 수 있습니다.

최고 속도 1초. 면으로 파악한 솔더 필렛(높이)을 컬러 맵으로 파악할 수 있어 임의로 지정한 단면의 프로파일 측정 데이터도 상세하게 받아볼 수 있습니다.
섬세한 소형 실장 부품의 전체/세부 형상도 배율을 전환하는 것으로 비접촉 방식을 사용하여 고정도 측정을 할 수 있습니다.
위치 결정 불필요. 경험과 지식에 상관 없이 대상 물체를 스테이지에 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작으로 측정이 완료됩니다.
3D 형상의 컬러맵 이미지는 물론 대상 물체의 이미지와 프로파일 데이터의 조합 등으로 자유롭게 표현 가능. 보기 쉬운 알기 쉬운 데이터를 공유할 수 있기 때문에 각 공정과의 제휴·대책도 원활하게 할 수 있습니다.
단시간에 N수 증가를 가능하게 할 뿐만 아니라 여러 측정 데이터의 정량적인 비교·분석을 간단하게 실현합니다.

여러 측정 데이터를 나란히 비교하거나 설정을 일괄 반영시켜 데이터를 분석할 수 있습니다. 3D 형상 데이터의 공유를 통해 측정 작업부터 불량 해석, 불량 대책 작업까지 비약적으로 시간을 단축할 수 있습니다.

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