SMD 부품의 리워크(분리 및 재실장) 작업은 다소의 경험기술을 필요로 하는 측면이 있다. 리워크 머신 혹은 리워크 스테이션 등은 리워크 작업공정 중 가열공정을 정확하게 하기 위한 장치이다. 가열공정은 리워크 공정 중 가장 중요하면서도 어려워 전문기술이 필요한 부분이다. 높은 온도를 다룰 뿐만 아니라 극히 부분적으로 가열하기 때문이다.
리워크 머신의 제품명을 ‘spot reflow’라고 하듯이, 리워크 머신은 리플로 하고 싶은 부품만을 선택적으로 고온 가열하여 그 부분의 솔더만을 용해시켜 분리하고 부착한다. 이 과정이 어려운 것은 큰 기판 상에 있는 극히 일부의 부품만을 고온으로 가열하는 데 따른 기판 전체의 물리적인 뒤틀림 혹은 열응력, 그리고 이미 몇 차례 가열공정을 거친 부품에 대해 추가적인 가열 사이클을 가하는 데서 오는 손상 등을 최소로 억제하지 않으면 안되기 때문이다.
가장 중요한 가열공정에 대해서는 우수한 기능을 제공하는 리플로 리워크 장비가 있기 때문에 안심하고 맡길 수 있지만, 그 외 공정에 대해서는 작업자 경험과 기술에 의존하는 경우가 많다.
SMD 리워크 공정
SMD를 리워크 하는 경우의 주요 공정을 분류하면 다음과 같다.
1. 리페어 대상 기판과 부품의 확인
2. 대상 부품의 분리(그림 1a 참조)
3. 대상 부품을 분리한 후 기판 상 범프 청소(그림 1b 참조)
4. 대상 범프에 솔더 도포(그림 1b 참조)
5. 대상 부품의 재부착(그림 1c 참조)
6. 검사(그림 1c 참조)
리워크 각 공정별 세부사항
리페어 대상 기판과 부품
a) 부품을 분리할 때 기판 및 부품의 내열특성을 확인한다.
리페어 공정에서는 적어도 두 번의 가열을 한다. 이미 한 번 가열된 솔더를 재가열하여 녹이는 경우에는 그 표면이 산화되어 녹기 어렵게 된 만큼 높은 온도에서 가열할 필요가 있다. 특히 대상 부품의 주변에 고온 재가열에 대해서 문제가 되는 부품이 없는지 확인해야 한다. 기판 어셈블리 공정에서 리플로 오븐을 통과시킬 수 없는 부품은 미리 분리해 두어야 한다. 해당 부품이 작고 극히 일부인 경우에는 미리 내열처리를 함으로써 분리하지 않고 작업할 수도 있다. 또 대상 부품 주위에 기판 상 높이가 25mm 이외의 부품이 있는 경우에도 미리 그것을 분리할 필요가 있다.
b) 대상 기판의 형상 확인
대상 기판의 두께나 형태와 그 치수, 특히 리워크 장치에서 보존할 수 있는 형상인지, 기판 상에 실장되어 있는 부품류의 높이가 제안된 범위 내에 있는지 미리 확인할 필요가 있다. 기판이 XY 테이블에 평행하고 가장자리에 부품 등이 실장되어 있지 않은 상태라면 문제없다. 그렇지 않은 경우에는 기판의 유지방법을 고려할 필요가 있다. 기판이 제대로 전면에 고정되어 있는 것이 바람직하지만, 외형이 복잡한 형상인 경우에는 기판 유지집게 등을 이용한다. 기판에는 200℃가 넘는 열을 국부적으로 가하기 때문에 열응력에 의한 뒤집힘이 일어난다. 제대로 유지할 수 있도록 하는 준비가 중요하다. 특히 외형이 복잡한 경우나 기판이 얇아서 주변에서 유지가 어려운 경우는 전용 치구로 제대로 고정하지 않으면 안된다. 물론 반복 작업성도 고려해야 한다.
c) 대상 부품의 외형 규격 확인
부품을 리워크하는 경우에 그 부분에만 가열을 하기 때문에 부품 사이즈에 적합한 리플로 노즐을 준비한다(그림 3). 적합하다는 것은 대상 부품만을 노즐 내부에 넣을 수 있다는 의미이다. 노즐 내부에는 대상 부품 이외의 부품이 없어야 한다. 밀집 기판 등에서 그럴 여유가(여유 공간이) 없는 경우에는 후술하는 대응기술로 처리한다. 표면실장부품에서 그것이 납땜된 것이라면 목적 부품에 맞는 노즐을 준비함으로써 대부분의 부품을 분리할 수 있다. 아래에 그 작업 공정을 소개한다.
부품의 분리(리워크)
a) 리워크 장치에 기판을 장착할 때 다음 주의사항을 확인해야 한다.
쪾 XY 테이블에 기판이 제대로 고정되어 있을 것, 표준 XY 테이블의 경우 기판은 Z형의 레일 홈에 고정된다. 기판의 상하 뒤집힘 방지효과가 있다.
쪾 필요에 따라 기판 아래쪽을 지지핀으로 지탱하여 기판 뒤집힘을 방지한다. 기판 아래쪽에도 부품이 있는 경우에도 지지핀에 부딪히지 않도록 위치를 조정한다(그림 4 참조).
쪾 Z 홈에서의 기판 상하 고정에서는 기판 뒤집힘 방지효과를 만족하지 못하는 경우에 더욱 기판 상하에서 치구로 뒤집힘 방지를 한다.
MS9000SA의 XY 테이블은 분리가 가능하다(그림 5). 기판 아래쪽의 지지핀 위치 맞춤을 쉽게 할 수 있다.
b) 리워크 장치에서 최적의 가열온도 프로파일을 설정한다. 과거에 리워크 작업을 한 적이 있는 경우에는 이미 존재하는 온도 프로파일 설정 데이터를 불러와 적용한다(그림 6). 처음 기판 작업을 하는 경우에는 다음 수순으로 최적의 온도 프로파일 데이터를 작성한다.
쪾 대상 부품이 BGA나 CSP 혹은 QFP, SOJ 등 일반 SMD의 경우 부품 표면에 온도 센서를 부착하여 온도특성을 측정한다. 이 방법은 기판에 여러 번 가공을 하지 않고 온도측정이 가능하기 때문에 용이하다. 사용한 센서는 ST50형의 시트 타입 CA 열전대 등이 적합하다(그림 7).
쪾 대상이 이형부품인 경우에 평면 센서가 잘 붙지 않는 경우에는 되도록 좁은 열전대 소선을 부품 솔더 면의 가까운 위치에 장착하여 온도측정을 한다.
쪾 노즐은 센서를 단선시키지 않는 정도로 기판 상에 내려 작업을 개시하는데, 우선 온도조건 측정에서 센서는 1CH로 충분하다. 만약 기판 뒷면이나 대상 부품 주변에 온도관리를 하지 않으면 안되는 부품이 있는 경우에는 그것들에도 센서를 붙여 온도를 측정한다.
쪾 솔더링 온도관리 등 정확하게 온도분포를 포함한 온도특성을 측정하는 경우에는 솔더부에 정확하게 센서를 붙일 필요가 있다. BGA 등에서는 기판의 뒷면부터 정확하게 솔더볼 부분에 구멍을 뚫어 열전대 소선을 심듯이 삽입하여 내열접착제 등으로 고정하는 방법을 사용한다. 이 경우에는 필요한 몇 개의 장소(통상은 대상 부품의 네 귀퉁이와 중심부)에서 측정한다. 그러나 부품 분리에서는 1~3항의 방법으로 충분히 좋은 가열환경을 만들 수 있다. 이에 따라, 이 데이터 오차를 수 ℃ 정도 이내로 낮출 수 있다.
쪾 이상적인 센서 부착 위치는 솔더 그 자체이지만 BGA나 CSP 등의 실장에서 솔더부에 직접 센서 부착이 불가능한 경우 부품의 표면 등에서 측정할 수 있는데, 장치 측의 설정방법을 숙지하면 대부분 솔더부의 온도에 가까운 데이터를 측정할 수 있다.
구체적으로는 일반적인 기판, 예를 들어 FP4층부터 6층 정도의 경우는 장치 상하에 있는 히터 작동 데이터를 거의 30℃ 정도 차이를 둠(하측의 가열특성을 강하게 한다)으로써 부품의 표면온도와 부품의 랜드 부분과의 온도 차를 좁힐 수 있다. 이 온도차를 크게 잡음으로써 온도차를 역전시키는 것도 가능하다. 즉, 부품의 표면온도보다도 솔더부의 온도를 높게 할 수 있다. 이 설정값이 어떤 경우에 어떤 결과를 제공할 수 있을 지에 대해서는 기판의 두께나 층수, 부품의 크기 등에 열용량이 변화되기 때문에 반드시 일정한 계수를 만들 수 없다. 리워크 장치를 전자동화하기 어려운 이유가 여기에 있다.
ITTS식 자동온도 프로파일 기능
기존의 최적 온도 프로파일은 테스트용 기판을 사용하여 정했지만, ITTS형 자동 온도 프로파일 기능은 그 번거로움을 없애고 자동운전을 한다.
A점 센서로 자동 운전하는 데 결과적으로는 B점 온도가 최적온도가 되도록 운전한다. 다음 항에서 설명하겠지만, A점 온도와 B점 온도가 거의 같아지도록 제어한다. ITTS(Intelligent Thermo Trace System)가 그 환경을 자동 연산하여 제어한다.
ITTS 운전은 희망하는 온도 데이터 4개의 장소만 입력하면 그 외 데이터 설정은 자동으로 설정된다. 이들 데이터는 변경도 가능하기 때문에 보다 정밀한 온도에서 특성이 필요한 경우에는 특성을 수정할 수도 있다.
쪾 리워크 노즐은 목적 부품 사이즈에 가능한 한 적합한 것을 준비할 필요가 있다. 목적 부품이 BGA나 CSP인 경우와 QFP나 SOJ 등 리드형인 경우에 그 형상이 달라진다. BGA형인 경우에는 부품 전체를 노즐이 덮는다. 리드형 부품에 대해서는 리드 면만을 열풍으로 가열하는 구조이다. 부품을 분리하는 공정에서는 BGA용 노즐로 QFP 등의 리드형 부품을 분리할 수도 있다. 부품의 재실장 작업에서는 각각 전용 노즐이 필요하다. 이형부품용 노즐은 부품 형상에 맞춰 제작하지만, 부품 상부의 중심부에 평면 부품이 없는 경우에는 부품을 흡착 유지할 수 없기 때문에 부품은 솔더 용해 후 수작업으로 분리하도록 되어 있다. 센터 흡착 비트인 노즐은 대상이 되는 부품의 높이에 맞춰 비트 위치를 가감할 수 있다. 미리 노즐을 기판 상에 내린 경우에, 이 센터 비트가 효과적으로 부품을 흡착하도록 높이를 조정해 두는 것이 중요하다. 통상 BGA나 CSP의 경우 노즐 외벽보다도 0.5mm 정도 부품 솔더볼 면이 낮아지도록 비트 높이를 조정한다.
쪾QFP나 SOJ 등 리드형 SMD용 노즐은 리드 면 중심에 가열할 수 있는 구조의 노즐을 사용한다. 노즐은 2중 구조로 되어 있어 내측의 컵으로 부품을 유지함과 동시에 부품의 과열을 방지한다. 부품은 항상 제대로 노즐의 흡착 비트로 유지되어 있다. 특히 파인 피치의 경우에는 부품을 재부착 할 때 중요하다(그림 8, 그림 9).
대상 부품 분리 후 기판 상 범프 청소
a) 리워크 작업을 함에 있어서 기판 상의 범프를 청소하는 작업은 매우 중요하다. 이 작업을 확실히 하지 않는 경우 부품의 재부착은 실패할 수 있다. 실제 기판에서는 분리할 부품 주변에 다른 부품이 밀집해 있으므로 이 작업은 매우 어려워진다. 극히 일반적으로 행해지고 있는 쉬운 방법은 솔더 위크 등과 솔더 인두로 하는 것이다. 대상 면적이 좁은 경우 솔더 위크를 좁게 잘라서 목적 부품에 놓아 작업하면 용이하다고 한다. 이것을 툴로 한 것이 솔더링 클리너다(그림 10).
b) 솔더 클리너에는 솔더 위크 대신 스퀴지로 녹인 솔더를 모아서 진공으로 흡착한다. 가열은 비접촉 열풍식이므로 기판을 데울 필요가 없다.
c) 클리닝 대상 부품(패키지나 기판 상의 랜드 등)에 높은 온도를 가하지 않고 신속하게 클리닝하기 위한 특수한 킷이 있다(그림 11).
이것은 특수한 플럭스로 구성되어 있다. 클리닝 대상부에 특수 솔더를 가하면 용해온도가 100℃ 정도까지 낮아져서 용이하게 솔더를 취급할 수 있다. 솔더 취급은 솔더 위크를 사용한다. 사용하는 플럭스는 전용품을 사용한다. 작업에는 온도제어된 솔더 인두를 사용하면 부하를 과열하는 일이 없다. 패키지에 가열에 의한 손상 없이 용이하고 신속하게 클리닝 할 수 있다(그림 12).
솔더 페이스트 도포(인쇄)
a) 리워크 후 부품 재부착에는 솔더 페이스트 보충이 필요하다. BGA나 CSP의 경우 이 부품에 있는 솔더볼을 이용해 플럭스 도포만으로 부품을 재부착하는 경우도 있는 모양이다. 그러나 솔더 페이스트를 재도포하여 부품을 재부착하는 경우가 일반적이다.
솔더 페이스트 인쇄에는 메탈 마스크를 사용한다. 마스크 두께가 도포된 솔더 페이스트량을 결정한다. 통상 100~150마이크론 정도라고 한다. 리워크 장치의 정밀한 위지맞춤 기능을 응용하여 메탈 마스크와 기판의 패턴을 정확하게 위치맞춤하여 수작업으로 솔더 페이스트를 도포하는 방법이 있다. 이 경우 기판 상에 도포하는 방법과 부품의 솔더볼 상에 도포하는 방법을 선택할 수 있다. 기판 측에 인쇄 마스크를 내릴 수 있는 공간이 있는 경우에는 기판 측에, 없는 경우에는 부품 측에 인쇄한다.
리드 피치가 0.65mm 이상이면 정밀한 비전 위치맞춤이 필요치 않기 때문에 수작업용 인쇄 치구가 편리하다. SND형 인쇄 치구에서 패키지 측에 수작업 인쇄 후 그대로 리워크 장치의 노즐에 흡착시킨다(그림 15, 16).
리볼링
부품 측에 솔더 인쇄의 순서를 응용하여 솔더볼을 재생, 리볼링 할 수 있다. 이 경우 리워크 장치에서 재가열하고 탑재된 솔더볼을 고정한다. 물론, 이 때 사용하는 메탈 마스크는 인쇄용과 사이즈 규격이 다르다(그림 17).
리볼링에서는 패키지를 미리 클리닝하여 그 범프 상에 솔더 페이스트를 인쇄해 두고, 그 위에 솔더볼을 놓아서 고정한다.
부품 재부착
1. 부품의 재부착에서는 정확한 온도 프로파일로 가열하는 것이 중요하다. 기본적으로는 부품 분리에서의 온도 프로파일과 동일한 조건으로 작업할 수 있지만, 납땜 품질을 높이기 위해서 더욱 정확한 온도관리가 필요하다.
a. 온도 프로파일 측정은 목적 부품의 솔더부에 가능한 한 균일하게 하는 것이 중요하다. 그래서 온도측정은 여러 곳에서 한다. 또 기판이 양면 실장인 경우, 하면의 부품이 과열로 손상을 입지 않도록 하는 것도 중요하다. BGA의 경우 기판 하부에서의 가열이 중요한 데, 되도록 강력하게 가열하고 싶지만 하부에 있는 부품에 악영향이 없을 만큼의 온도에서 멈출 필요가 있다. 이 온도를 측정하여 가열장치 측의 설정을 한다. 일반적인 양면 실장 기판에서는 기판 하부에 온도 프로파일의 최대치 180℃ 이내가 기준이 된다. 그러나 기판의 두께나 층수에서 이들 조건은 여러 가지로 변한다. 당연히 BGA 솔더볼 바로 아래의 PCB 뒷면 온도는 기판 열용량에 따라서도 다르지만, 거의 솔더부 온도와 같게 하든가 혹은 그 이상으로 하는 경우도 있다. 이들 조건은 가열장치의 설정 데이터에 의해 변할 수 있다. 기판 하부에서의 가열에는 뒤집힘 방지 역할도 있다. 그래서 중요한 납땜 역할은 상부에서의 국부가열과 함께 완성시키는 것이다.
b. 노즐의 설정, BGA, CSP의 경우 노즐을 기판 상에 접지하여 가열하는 경우와, 밀집 기판 등 주변에 부품이 있기 때문에 노즐이 기판 상에 접지할 수 없어서 어느 정도 상공에서 멈춘 상태로 가열하는 경우가 있다. 일반적으로 BGA형 부품을 가열하는 경우 솔더볼이 자연스럽게 중심으로 향하는 현상, 즉 오토 센터링이 발생한다. 노즐이 BGA를 주변에서 누르고 있으면 이 현상을 기대할 수 없게 된다. 결과적으로 노즐이 방해하여 BGA의 균일한 납땜을 손상시키기 쉽다. 이로 인해 노즐은 공중에 멈춰 가열을 하도록 작업하는 것이 좋다.
이 경우 노즐은 적어도 부품 높이 이상의 위치까지 기판 상에서 올려 멈출 필요가 있다. 이 높이가 거의 0.5mm~2.5mm의 범위라면 좋은 결과를 얻을 수 있다. 노즐의 이 높이가 다르면 온도 프로파일이 변하기 때문에 작업은 반드시 정확하게 동일한 높이를 반복하여 유지하는 것이 중요하다. 리워크 장치는 이 때문에 노즐 높이 위치를 정확하게 설정할 수 있는 기능이 제공된다. 그러나 노즐을 기판 상에 접지함으로써 기판의 열에 의해 상측으로 뒤집어지는 현상을 억제하는 효과가 있다. 상황에 따라서는 이 효과를 기대하는 것도 중요하다. 이것은 BGA의 오토 센터링 기능을 손상시키는 것과 상반된다. 그래서 노즐에 주목하여 두 효과를 동시에 얻는 방법도 있다. 노즐의 사면 하부에 창을 만드는 방법, 노즐 네 귀퉁이에 지주를 붙이는 방법이 그것이다. 그러나 어느 쪽도 기판 상에 노즐이 접지할 수 있는 것이 조건이다. 밀집 기판에서 그 여유가 없는 경우에는 따로 대책(기판의 상측 뒤집힘 방지 치구 등)이 필요할 것이다. 노즐이 기판 상에 접지함으로써 주변 부품에 열영향을 가하는 효과도 있다. 따라서 이들 제조건 중에 가장 효과적인 방법을 선택하여 작업할 필요가 있다.
일반적인 노즐 사용방법은 그림 18을 추천한다. 왼쪽은 부품 실장 시, 오른쪽은 가열할 때 노즐의 위치를 나타낸다.
부품 실장 시 패키지가 노즐 내부에 조금 들어가는 상태가 안정적이고 작업성이 좋다. 가열 시 노즐 면은 패키지보다 조금 높은 위치가 가장 좋다. 패키지의 자기보정 기능을 효과적으로 하기 때문이다. 패키지가 파인 피치가 아닌 경우에는 노즐 높이를 일정하게 하여 작업하는 것도 가능하다. 이 경우 패키지는 조금 상공에서 낙하시켜 실장하게 된다.
c. 온도 프로파일이 정해지면 부품 실장이다. BGA형 부품은 정확하게 부품을 탑재하기 위해 비전 장치가 필수적이다. 부품 패턴과 기판 상의 패턴과의 위치맞춤을 모니터 상에서 한다. 위치맞춤 완료 후 부품을 기판 상에 내려 솔더링 가열 공정에 들어간다. 27mm각 이상의 BGA나 QFP 등의 부품에 대해서는 splitter 기능이 효과적이다. 화면을 그대로 확대하지 않고 대각 상의 부분 화면을 잘라서 그 부품만 확대함으로써 높은 배율로 위치맞춤을 하는 기능이다. 이 기능으로 0.4mm 파인 피치 35mm각 대형 QFP 등도 정확하게 탑재할 수 있다(그림 19).
d. 납땜 검사
▲ BGA 납땜 상황을 영상으로 외관검사 할 수 있다(그림 20). 영상배율 약 130배로 모니터 상에 솔더볼 영상을 확인할 수 있다. 영상 센서는 프리즘으로 광축을 90도 돌려서 CCD 카메라로 영상화 한다. 영상은 내장조명으로 밝게 볼 수 있지만, 조명을 뒤에서 비추면 목적 영상을 선명하게 띄울 수 있게 된다. 영상배율로 거의 130배로 한 영상을 참고로 그림 21에 제시한다. 화면은 14인치 모니터 상이다. 게다가 CCD 카메라 측에 가변 초점 기능을 부가함으로써 목적 부위의 영상을 보고 그 전후의 영상을 옅게 하여 BGA 주변뿐 아니라 내부의 솔더볼까지 들여다 볼 수 있다.
▲ BGA 솔더볼을 X선으로 보는 방법이 있다. 납은 원래 X선이 투과되지 않는 물질이기 때문에 X선의 강도를 적당하게 하면 솔더볼의 내부까지 투과 이미지로 볼 수 있다. 또한 솔더볼 단층 영상을 보는 등 여러 가지 고기능의 X선 장치가 있지만, 기능과 가격이 비례한다는 사실을 상기하기 바란다.
▲ 단면검사, 납땜을 한 소재를 절단하여 그 단면을 보는 방법이 있다. 그 나름대로 설비가 필요하지만 X선에 비해 보다 분명한 화상으로 확인할 수 있다. |
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