스마트폰이나 태블릿 단말기, 웨어러블 디바이스 등의 소형화·슬림화·고성능화를 배경으로 기판 및 부품의 소형화·고밀도화·다층화가 진행되고 있습니다. 이에 따라 기판(실장 기판·PCB: Printed Circuit Board)과 프린트 기판(PWB: Printed Wired Board)의 연구 개발 및 품질 보증과 관련하여 스루 홀과 PCB(패드)의 미세한 부분 관찰, 요철 등의 3D 형상 측정·평가의 난이도가 높아졌습니다. 여기서는 프린트 기판 및 기판 실장에 관한 기초 지식부터 최신 4K 디지털 마이크로스코프를 이용한 기판의 미세한 부분 관찰·측정 사례까지 소개합니다.

프린트 기판의 스루 홀 및 PCB의 관찰·측정

프린트 기판의 종류·구조·특징

기판(실장 기판) 제조에서 부품 실장 후의 품질을 좌우하는 프린트 기판의 종류 및 각 구조와 특징, 각부의 명칭에 대해 설명합니다.

프린트 기판의 종류

프린트 기판의 대표적인 종류 및 특징, 구조 등을 그림과 함께 설명합니다.

편측 기판(1층 기판)

기판의 한쪽에만 동박을 프린트한 기판입니다. 단층이므로 1층 기판이라고도 불립니다. 부품의 리드(전극)를 삽입하는 「논 스루 홀」은 드릴 혹은 펀칭으로 기재에 홀을 뚫은 것으로, 홀 내부는 구리로 도금되지 않아 절연 상태입니다. 따라서 기판 표면의 PCB 또는 패드로 불리는 동박이 입혀진 부분이 부품과의 접점이 됩니다. 생산 비용이 저렴하기 때문에 대량 생산되는 민생용 전자 기기에 사용되는 경우가 많은 기판입니다.

A
논 스루 홀
B
기재
C
동박

양면 기판(2층 기판)

기재의 양쪽에 동박을 프린트한 기판으로 2층 기판이라고도 불립니다. 부품의 삽입 실장 시 사용하는 「스루 홀」은 홀의 내부도 구리로 도금되어 있으므로 전기 전도성이 있습니다. 1층 기판에 비해 비용이 많이 들지만 배선과 실장 공간이 배로 늘어나 기판 사이즈를 축소할 수 있기 때문에, 전자 기기에서 널리 사용됩니다.

A
스루 홀
B
기재
C
동박

다층 기판

동박과 프리프레그(prepreg)라는 절연체층을 끼워 다층화한 기판입니다. 층수에 따라 4층 기판·6층 기판·8층 기판 등으로 불립니다. 층수가 늘어나면서 구조가 복잡해지기 때문에 설계 및 제조 비용이 커집니다. 한편, 전원이나 일반 신호선 등을 내층에 넣을 수 있으므로 표면에 더욱 넓은 실장 공간이 확보되어 실장 밀도를 향상시킬 수 있다는 이점이 있습니다.

A
스루 홀
B
프리프레그(절연체층)
C
기재
D
동박

프린트 기판의 실장 방법

「프린트 기판 실장」이란 프린트 기판에 전자 부품을 땜납으로 접합하여 기판으로써 기능하게 만드는 공정입니다. 현재 기판에 대한 전자 부품의 실장 방법은 삽입 실장과 표면 실장이라는 두 가지 방식이 주류를 이루고 있습니다. 그림과 함께 각각의 특징을 설명합니다.

삽입 실장(IMT: Insertion Mount Technology)

프린트 기판의 스루 홀(구멍)에 리드(전극)를 삽입하고 땜납으로 접합하는 실장 방법입니다. 스루 홀 내부에도 땜납이 충진되므로 접속부에서 임피던스를 약간 낮출 수 있습니다. 부품을 기판 위에 배치하기 때문에 기판 사이즈가 커져 소형화가 어렵다는 문제점이 있습니다.
삽입 실장용 부품의 리드는 스루 홀에 들어가도록 패키지에서 아래쪽으로 똑바로 나와 있는 것이 특징입니다. 이러한 전자 부품을 DIP 부품이라고 합니다.

스루 홀에 리드를 삽입하고 접합합니다.
DIP 부품

표면 실장(SMT: Surface Mount Technology)

현재 기판 실장의 주류인 표면 실장입니다. 스루 홀을 사용하지 않고 기판 표면에 있는 PCB 위에 솔더 크림을 바르고, 전자 부품을 올린 뒤 가열로에서 가열하여 접합합니다. 이를 리플로 방식이라고 합니다. 삽입 실장처럼 리드(전극)를 기판에 통과시킬 필요가 없기 때문에 기판 양면의 레이아웃을 자유롭게 효율적으로 구축할 수 있습니다. 더욱 많은 전자 부품을 실장할 수 있으므로 기판을 소형화·고밀도화할 수 있다는 이점이 있습니다.
리드 선단이 PCB와 나란히 놓인 패키지 부품 및 부품의 양쪽 끝 바닥면 또는 측면이 전극으로 구성된 표면 실장 부품을 SMD(Surface Mount Device) 부품이라고 합니다.

PCB 위에 리드(전극)를 올리고 접합합니다.
SMD 부품

프린트 기판의 스루 홀 및 PCB의 관찰·측정 사례

프린트 기판의 스루 홀 및 PCB는 부품과 기판, 그리고 회로 내에서 부품 간을 연결하는 중요한 역할을 합니다. 실장 공정에서는 땜납의 인쇄 또는 납조의 상태, 리플로 오븐의 온도 프로파일 등 관리 항목이 매우 다양합니다. 하지만 아무리 각 공정과 재료에 주의를 기울여도 스루 홀이나 PCB에 불량이 있으면 기판의 전도 불량 및 동작 불량 등의 이상을 초래합니다.
게다가 프린트 기판의 스루 홀 및 PCB에는 요철 형상 또는 동박 특유의 빛 반사가 있습니다. 기존 현미경으로는 경사 관찰 시 많은 공정 수와 시간이 소요될 뿐만 아니라 요철의 일부에만 초점이 맞는 등 관찰 난이도가 높으며, 정밀한 프린트 기판의 미세·협소한 스루 홀 및 PCB의 3D 형상과 치수를 측정하기 어려웠습니다.

KEYENCE의 초고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 고해상도와 깊은 피사계 심도를 실현한 광학계와 독자적인 관찰 시스템으로 기존의 과제를 해결합니다.
원활한 경사 관찰 및 심도 합성으로 구현한 풀 포커스 4K 화상 관찰로 주사형 전자 현미경(SEM)에 가까운 높은 콘트라스트 화상의 취득, 고정도 3D 치수 측정 등 다양한 기능을 간단하게 활용할 수 있어 PCB·프린트 기판의 품질 보증 및 연구 개발과 관련된 작업의 고도화·효율화를 실현합니다. 아래에서 실제로 「VHX 시리즈」를 사용해 기판의 스루 홀 및 PCB를 관찰·측정한 예를 소개합니다.

스루 홀의 경사 관찰

스루 홀 안쪽의 구리 도금이 벗겨지면 접속 불량의 원인이 됩니다. 하지만 홀의 측면은 안쪽 깊이 존재하기 때문에 기존 현미경으로는 샘플을 기울여 지그로 고정하고, 경사 관찰을 여러 번 반복해야 하므로 난이도가 높고 많은 시간과 공정 수가 필요했습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」의 「프리 앵글 관찰 시스템」과 「고정도 X·Y·Z 전동 스테이지」를 활용하여 시야·회전축·경사축의 3가지 축을 간단하게 맞추면서 경사를 관찰할 수 있습니다. 기울이거나 회전시켜도 시야 범위에서 벗어나지 않기 때문에 경사 관찰에서도 빠르고 간편하게 고정도 4K 화상을 얻을 수 있습니다. 또한, 「심도 합성」 기능으로 스루 홀의 안쪽과 같이 깊은 부분을 고배율로 관찰할 때도 시야 전체를 풀 포커스로 선명하게 관찰할 수 있습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용한 스루 홀의 경사 관찰
링 조명(100×)
링 조명+심도 합성(100×)

또한, 기존에는 난이도가 높았던 조명의 조건 설정도 「VHX 시리즈」는 별도의 조정 없이 간단하게 관찰할 수 있습니다. 「멀티 라이팅」기능은 버튼을 누르기만 하면 전방위의 조명으로 촬상한 데이터를 자동으로 취득하고, 목적에 맞는 화상을 선택하기만 하면 되는 직감적인 조작으로 초심자도 바로 관찰 업무를 수행할 수 있습니다.
아래 화상은 조명의 빛이 도달하기 어려운 스루 홀의 안쪽을 관찰한 예입니다. 링 조명과 백라이트를 함께 사용해 홀 안쪽까지 밝고 선명한 화상으로 경사를 관찰할 수 있으며, 홀 측면의 동박 박리와 같은 미세한 불량까지 자세하게 관찰할 수 있습니다.

링 조명(150×)
링 조명+백라이트(150×)

PCB 표면의 요철 관찰(Optical Shadow Effect Mode 화상)

PCB 표면의 구리 도금에는 미세한 요철이 있지만 콘트라스트가 낮아 표면 상태를 선명하게 포착하기 어려웠습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 「Optical Shadow Effect Mode」기능으로 주사형 전자 현미경(SEM)에 가까운 콘트라스트가 높은 화상을 진공화 등의 번거로운 작업 없이 취득할 수 있습니다. 이 기능으로 PCB의 미세한 요철이 강조된 화상을 취득하여 표면 상태를 자세하게 관찰하고 평가할 수 있습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용한 PCB 표면 상태의 Optical Shadow Effect Mode 화상
왼쪽: 링 조명(150×)/오른쪽: Optical Shadow Effect Mode 화상(150×)

PCB 도금 불량의 3D 치수 측정·프로파일 측정

프린트 기판의 PCB 구리 도금이 박리되는 등의 불량이 발생하면, 부품 실장 공정에서의 이상 및 기판의 동작 불량으로 이어질 우려가 있습니다. 하지만 접촉식 측정기나 기존 현미경으로는 PCB의 미세한 3D 형상을 측정하기 어려웠습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 고해상도 관찰 화상에서 그대로 고정도 3D 치수 측정을 실행할 수 있습니다. 수직으로 촬상한 화상만으로 표면의 미세한 요철과 거칠기를 포착하여 3D 화상화 및 요철 형상 측정값을 취득할 수 있습니다.
또한, 화면을 보면서 마우스를 조작하는 것만으로 원하는 부분의 프로파일을 계측할 수도 있습니다. 불량 부분의 2D 단면 형상에서 요철 형상의 측정값을 서브미크론 단위로 취득할 수 있기 때문에 고정도 해석을 신속하게 실시할 수 있습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용한 PCB 불량 부분의 3D 치수 측정
링 조명+HDR 화상(200×)/3D 치수 측정·프로파일 측정

프린트 기판·기판의 연구 개발·품질 보증을 강력하게 지원하는 4K 디지털 마이크로스코프

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 기판의 신뢰성 향상에 반드시 필요한 프린트 기판의 스루 홀·PCB의 고도 확대 관찰 및 고정도 3D 측정을 실시할 수 있습니다. 또한, 리포트 자동 작성까지 일련의 작업을 1대로 끊김없이 완료할 수 있습니다. 간단한 조작으로 다양한 기능을 활용할 수 있으므로 기존에는 어려웠던 업무를 쉽게 만들어 작업 시간 단축을 통해 업무 효율을 향상시킵니다.

전자 디바이스 업계에 요구되는 다양한 관찰 및 측정에 활용할 수 있는 「VHX 시리즈」는 여기서 소개한 내용 외에도 다양한 기능을 많이 탑재했습니다. 자세한 내용을 알아보시려면 아래의 버튼을 클릭하여 카탈로그를 다운로드하시거나 부담 없이 상담·문의해 주시기 바랍니다.