표면 실장 기술

표면 실장 기술 (表面實裝技術, , SMT)은 인쇄 회로 기판 (PCB)의 표면에 직접 실장할 수 있는 표면 실장 부품 (, SMC)을 전자 회로에 부착시키는 방법이다. 이렇게 만들어진 전자 소자는 "표면 실장 소자"(, SMD)라고 한다. 전자 산업에서, 표면 실장 기술은 소자핀을 인쇄 회로 기판의 구멍에 끼우는 부품을 사용한 스루홀 기술 부착 방식을 대체했다.
일반적으로 표면 실장 부품은 동일한 스루홀 부품보다 작다. 왜냐하면 표면 실장 부품의 핀은 더 짧거나 전혀 없을 수 있기 때문이다. 표면 실장 부품은 핀이 더 짧으면서, 평면 접촉, 볼 배열 (BGA), 부품의 패키지 위로 나온 핀같이 다양한 종류의 패키지가 있다.
역사.
표면 실장 기술은 1960년대에 개발되었고 1980년대 후반부터 널리 사용되었다. 표면 실장 기술에서 가장 큰 업적을 남긴 기업은 IBM이다. 부품은 인쇄 회로 기판의 표면에 직접 납땜할 수 있도록 작은 금속핀을 지니도록 기계적으로 다시 설계되었다. 부품은 무척 작아졌고 기판 양면의 부품 배치는 스루홀 실장보다 더 많은 부품을 실장할 수 있게 되어서, 높은 수준의 회로설계를 가능하게 했다. 경우에 따라서 땜납만으로 부품을 기판에 고정하고, 기판의 아래면이나 "두 번째" 면에 있는 부품은 잘 접착된 한곳을 임시적으로 고정시킨다. 일반적으로 표면 실장 소자는 물리적으로 작게 제조하기 때문에 가볍다. 자동화된 고온 표면 실장 부착은 노동비용을 감소시키고 양품의 비율이 크게 증가한다. 표면 실장 소자는 동일한 스루홀 부품을 사용한 기판의 크기와 무게를 1/4에서 1/10까지 줄일 수 있고 비용은 1/2에서 1/4까지 감소시킬 수 있다.
조립 기술.
부품은 평평한 인쇄 회로 기판에 배치된다. 일반적으로 부품의 주석핀은 "납땜 패드"라고 불리며 구멍이 없고 은이나 금도금된 구리 패드에 위치한다. 끈적거리는 융제와 땜납 가루를 섞은, 땜납풀은 최초에 스테인레스강 틀판을 사용하여 기판의 모든 납땜 패드에 공급된다. 만약 부품이 반대면에 부착되어 있으면, 수치 제어 장비는 적은 양의 접착 용액점을 반대면 부품의 모든 위치에 칠한다. 그러면 집어서 배치하는 장비는 컨베이어 벨트에서 제공되는 부품을 기판에 배치하는 작업을 한다. 일반적으로 작은 표면 실장 소자는 종이테입이나 플라스틱테입에 부착된 상태로 릴에 감겨서 제공된다. 수치 제어로 집어서 배치하는 장비는 릴이나 튜브에서 부품을 떼어서 인쇄 회로 기판에 배치시킨다. 두 번째면 부품은 최초에 배치하고, 접착점은 낮은 가열기나 자외선 방사 기구로 빠르게 처리한다. 기판은 빠르게 움직이고 첫 번째면 부품은 추가적인 수치 제어 장비가 배치한다.
기판은 리플로우 납땜 오븐으로 운반된다. 처음에는 살짝 가열하는 구역에 들어가고, 기판과 모든 부품의 온도는 점차 균일하게 상승한다. 리플로우 납땜 오븐은 납땜한 이후에 조립된 기판을 냉각시킬때 온도 스트레스를 최소로 줄여주는 역할을 한다. 기판이 들어간 구역의 온도는 땜납풀에 있는 땜납 가루가 녹을 수 있도록 충분히 상승하여, 부품핀을 인쇄 회로 기판의 패드에 결합시킨다. 녹은 땜납의 표면 장력은 적절한 곳에 부품이 위치하도록 한다. 즉, 땜납 패드 평면이 정확하게 설계되었다면 표면 장력은 부품을 정확한 패드에 자동으로 정렬시킨다. 리플로우 납땜은 다양한 기술이 있다. 그중에 적외선 램프를 사용하는 방법이 있다; 적외선 랩프를 사용한 리플로우 땜납 기술은 적외선 리플로우라고 불린다. 또다른 방법으로 뜨거운 가스를 사용하는 방법이 있다. 한번에 특별한 플루오르화탄소 액체를 기상 리플로우 방법을 사용하여 높은 끓는점까지 가열시킨다. 환경적인 문제로 인하여, 기상 리플로우 방법은 인기가 떨어지고 있다. 오늘날, 리플로우 납땜은 대류 오븐에 질소 가스나 농축된 질소 가스를 사용한 방법이 더 일반적으로 사용된다. 각각의 방법은 장점과 단점이 있다. 적외선 리플로우 방법을 사용할 경우에, 기판 설계자는 반드시 작은 부품이 큰 부품의 그림자에 가려지지 않도록 기판을 설계해야 한다. 만약 설계자가 기상 리플로우나 대류 납땜 방법을 알고 있어서 이런 방법으로 제품을 생산하면, 부품 배치는 덜 제한된다. 명확히 불규칙적이거나 열에 민감한 부품의 리플로우 납땜은 수작업으로 부착하여 납땜되거나, 초점을 맞추는 적외선 빔 (focused infrared beam) 장비를 사용하여 큰 기판을 자동으로 납땜할 수 있다.
납땜이 끝난후에, 기판은 근접한 부품 핀끼리 단락을 발생시킬 수 있는 융제와 땜납 가루 잔여물을 제거하도록 세척한다. 송진 융제는 플루오르화탄소 솔벤트, 높은 인화점 탄화수소나 오렌지 껍질에서 유래된 리모넨으로 제거할 수 있다. 수성 융제는 중성수와 세제를 공기 분사하여 잔여물을 빠르게 제거할 수 있다. 미학이 중요하지 않고 융제가 인쇄 회로 기판을 단락시키거나 부식시키지 않을 경우에, 융제 잔여물은 세척되지 않은 채로 기판에 남겨질 경우도 있다. 왜냐하면 기판 세척과 폐기물 제거의 비용을 줄일 수 있기 때문이다.
마지막으로, 기판은 광학적으로 빠지거나 잘못 배치된 부품이 없는지 납땜이 잘 됐는지를 검사한다. 필요할 경우에, 잘못된 인쇄 회로 기판은 재납땜 사업장으로 보내지고 수작업 기술자는 문제점을 찾아서 고친다. 고친 기판은 다시 검사 사업장으로 보내져서 잘 작동하는지 검사한다.
주요 장점.
오래된 스루홀 기술과 비교해서 표면 실장 기술의 주요 장점은 다음과 같다:
불량 표면 실장 부품 재부착.
불량 표면 실장 부품은 재작업 시스템을 사용하여 고칠 수 있다. 일반적으로 재작업 과정은 기술자나 재작업 장비가 아래와 같은 단계를 통하여 오류의 종류를 찾아서 고친다:
인쇄 회로 기판을 고치기 위해서 동일한 부품의 수백개에서 수천개가 필요한 경우도 있다. 조립으로 인한 오류는 공정 중에 발견할 수 있다. 그러나 부품불량으로 발생되는 완전히 새로운 단계의 재작업은 발견하는 데 너무 오래 걸리고, 경우에 따라서 실사용자가 오류를 경험하기 전까지 제조사가 발견하지 못하기도 한다. 재작업은 고가치 제품을 만드는 데 필요한 리비전이나 부품기반의 펌웨어를 변경하여 낡은 제품을 새롭게하는 리엔지니어링에도 사용될 수 있다. 이런 작업은 제품의 부품을 수리/교체하도록 특별하게 설계된 곳의 재작업 과정이 필요하다.
공융점 땜납은 소형 재작업에 사용되기도 한다.
패키지 크기.
일반적으로 표면 실장 부품은 핀번호를 세는 방법이 비슷하고 사람보다 기계가 취급하기 쉽게 설계되어 있다. 전자 산업은 패키지 모양과 크기가 표준화되어 있다. (표준화를 선도하는 단체로 JEDEC가 있다.) 패키지의 종류는 다음과 같다:
비패키지 소자는 제조사에 따라서 신기한 종류의 다양한 패키지가 있으며 표준화 명칭으로 사용되기도 한다. 인쇄 회로 기판을 설계할때, 설계자는 도면을 확인할 필요가 있다.