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그 누가 뿌리산업을 3D라 했던가
 
ACE(Automatic, Clean, Easy)산업으로 탈바꿈하는 용접·접합기술
 
월간 기계기술기자 | 2012.11.29 | 2012년 12월호
 
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톰 크루즈 주연의 마이너리티 리포트(Minority Report, 2002)라는 영화가 있다. 이는 2054년을 배경으로 한미스터리 범죄 영화다. 주인공이 자동차공장에서 악당과 싸우는 장면이 나오는데, 공장에 사람은 아무도 없고 레이저 용접로봇이 늘어서 있다. 로봇 팔은 빠르고 부드러운 움직임으로 자동차 구석구석을 용접한다. 뿌리산업이라고 해서 언제까지나 3D인 것은 아니다. 하루가 다르게 발전하는 용접·접합기술은영화에나 나올 법한 장면을 현실로 옮겨놓고 있다.
용접과 접합은 엄밀히 다르다
이번에는 용접·접합이다. 먼저 개념을 짚고 넘어가자. 용접·접합은두 개의 다른 물질을 녹이거나 압력을 가해 서로 붙이는 것이다. 순수한 금속은 서로 붙는 성질이 있어 열이 녹는점까지 올라가지 않아도 표면의 산화막이 제거되면 일정한 압력에도 붙는다. 용접·접 합은 바로 이 성질을 이용한 제조기술이다. 용접과 접합은 엄밀히 다른 개념인데, 접합의 범위가 용접보다 포괄적이다. 납땜의 경우 붙이려는 물질이 아니라 그 매개체인 납만 녹는 것으로, 이러한 방법이 접합에 속한다. 용접은 열과 압력을 가해 직접 결합하는 방식이다.
  용접·접합은 붙이려는 소재에 따라 방법이 나뉜다. 대표적 용접방 법으로 아크용접, 산소용접, 전기저항용접이 있다. 아크용접은 전기 스파크를 이용하는 것으로 조선 작업 현장에서 볼 수 있다. 건설현 장에서 쓰이는 산소용접은 산소와 아세틸렌이 화합했을 때 발생하는 열을 이용한다. 자동차 제조현장에서는 주로 전기저항용접을 쓰는데, 전기저항으로 발생하는 열로 용접한다. 접합의 경우 접합산업의 대부분이 솔더링, 즉 전자접합에 맞춰져 있다. 솔더링은 반도체 제조공정에 쓰이는데 이를 전자접합(전자패키징)이라고 한다. 이는 전자제품에서 사용되는 디바이스를 효율적으로 포장하는 기술로, 반도체를 미세한 영역에 정확히 접합하는 것이 핵심이다.
발전하는 용접·접합 기술
용접·접합 분야의 가장 큰 이슈는 신소재의 등장으로 인한 접합 방법의 변화다. 환경과 에너지 효율을 생각한 신소재가 등장하면서 접합방법의 변화뿐 아니라 그 신뢰도를 높이는 기술이 중요해 졌다. 용접의 경우 신소재가 등장하면서 일반적인 철강이 아닌 고강도 강판을 사용하게 되어, 철강용접에서 철이 아닌 동을 붙이거나 알루미늄을 붙이는 기술이 새롭게 나타나게 되었다. 접합 역시 부드러운 연성 소재의 수요가 증가하여 자동차, 가전, 스마트 기기 등의 기능이 다양해지며 새로운 접합기술이 요구되었다. 제품은 점점 가볍고 작아지는데 제한된 공간에 각 기능을 담당하는 다양한 칩을 많이 접합하려면 이에 맞는 새로운 기술이 필요하기 때문이다. 이에 떠오른 것이 차세대 전자접합기술로, 작은 영역에 많은 칩을 붙이기 위해 칩을 위로 스태킹(Staking, 쌓는)기술이 등장 하게 되었다.
표면실장기술(Surface Mounting Technology, SMT) 체험
이렇게 발전하고 있는 용접·접합기술을 체험하고자 한국생산기술 연구원 마이크로조이닝센터를 찾았다. 이번엔 공장이 아니라 실험 실이다. 마이크로조이닝센터에서는 중소기업에 SMT장비 작동법과그 사용에 관한 기술지원을 하고 있어, SMT에 대해 체계적이고 자세한 설명을 들을 수 있었다. 그렇다면 SMT는 무엇인가? 이는 인쇄회 로기판(Printed Circuit Board, PCB)에 반도체, 다이오드, 칩 등의 부품을 부착하는 기술·방법이다. 기존에는 PCB에 구멍을 내어 칩을 삽입(Insert Mount Technology, IMT)하는 방식이었으나, SMT는 구멍을 내지 않고 표면에 칩을 직접 부착(실장, Mounting)한다.
  이러한 특성으로 칩이 작고 가벼워졌으며 그 조립방법도 간단해졌다. SMT는 최근 스마트기기의 진화로 초소형 칩 실장을 위해 서로 다른 기능의 칩을 하나의 패키지에 구현하여 보드 면적을 줄이고 전송거리를 단축하는 기술이 중요해졌다.
SMT공정은 스크린 프린팅(Screen Printing), 칩 마운팅(Chip Mounting), 리플로우(Reflow)의 3단계로 이루어진다. 여기에서 솔더 페이스트의 양, 리플로우의 온도 프로파일 등이 공정의 신뢰도를 높이는 데 중요한 요소다.
1. 스크린 프린터(Screen Printer) SMT공정의 첫 단계는 스크린 프린팅이다. 스크린 프린터에 PCB를 넣고, 청결히 닦은 메탈 마스 크를 스크린 프린터에 정확히 위치시킨다. 메탈마스크는 PCB에서 원하는 위치에 원하는 모양의 솔더 페이스트를 인쇄하기 위한 일종의 모양자 같은 형태의 스크린이다. 그 다음 약 1시간 상온에 방치한 후 교반기로 혼합한 솔더 페이스트를 스크린 프린터에 바른다.
  솔더 페이스트는 땜납 분말에 플럭스를 혼합하여 크림 형태로 만든 것이다. 스크린 프린터에는 스퀴지라는 밀대역할을 하는 장치가 있는데 이것이 좌우로 움직여 솔더 페이스트를 끌어가 PCB에 바르게 된다. 솔더 페이스트가 인쇄된 PCB는 칩 마운터로 이동한다.

2. 칩 마운터(chiP Mounter) 두 번째는 부품을 흡착하여 기판 위에 빠르고 정밀히 장착하는 단계다. 칩 형태의 부품은 테이프 위에 붙어있는데 이것이 영화필름처럼 둥글게 감겨 있다. 칩 마운터는이 테이프에서 칩을 가져다 PCB위에 장착한다.

3. 리플로우(reflow) SMT공정의 마지막 단계는 열풍으로 땜 작업을 마무리하는 것이다. 즉 마운팅이 완료된 기판의 솔더를 경화하는 작업이다. 모니터를 통해 PCB의 위치가 표시돼 진행과정을 알수 있다. 리플로우 내부는 각 구간마다 온도가 다르다. 온도 상승구 간, 예열구간(솔더 페이스트의 플럭스를 활성화시킴), 용융구간, 냉각구간(액상의 솔더를 고상이 되도록 급속히 식힘)으로 이루어 진다. 내부온도는 솔더링 품질에 직접적 영향을 주므로 최적의 솔더링을 위해서는 리플로우 각 존의 온도 설정이 중요하다.

4. 검사 공정을 마친 PCB를 육안으로 확인 한다. 납땜 상태를 보는 것이다. 솔더 페이 스트의 유무, 간격, 위치, 모양, 높이 등을 파악한다. 하나의 칩의 중심에서 옆자리 핀 중심까지의 간격을 이르는 피치(pitch)도 확인 한다. 또한 맨하탄 현상이 일어나지 않았는가 확인한다. 맨하탄은 리플로우 단계 이후에 발생하는 것으로, 칩의 한쪽 부분이 일어선 상태를 말한다. 이는 마운터 단계에서 좌표가 틀어지거나 솔더가 활성화하지 않았을 때 발생한다. PCB 단면을 보고 솔더가 칩을 균형 있게 잡고 있나 확인한다. 육안 검사 후 정확한 평가를 위해서 전문 장비를 통해 강도, 젖음성, 점착력 등의 검사를 한다.
근본은 뿌리기술이다
공정 자체는 생각보다 어렵지 않았다. 물론 그 과정에서 어려운 용어와 원리들이 숨어있어, 기사를 작성하는 동안은 공대생이 된 기분이었다. 칩에 지네다리처럼 달려있는 리드 (Lead)가 사라져, 삽입이 아닌 인쇄회로기판 위에 솔더페이스트를 발라 접합하는 표면실장기술은 실로 획기적이었다. 솔더를 바르고,그 위에 칩을 얹고, 열풍으로 솔더를 녹였다 굳히면 접합공정이 끝난다. 빠르고 단순하다. 물론 SMT로 만들어지는 제품의 단순 화, 고기능화, 친환경에 대한 요구는 더 복잡하고 다양한 기술로의 발전을 재촉하고 있다. 이 기술의 신뢰도를 높이기 위한 신뢰성 평가 기술의 발전 또한 동반되어야 한다. 과학적이고 첨단화된 SMT공정을 체험하면서 이것이 위험하고 더럽고 힘들다는 뿌리산업 이라는 것을 떠올리지 못했다. 실제로 이러한 전자패키징 분야는 뿌리기술로 인식되기 어렵다. 이 기술은 반도체 디스플레이에 가까운 것이 아니냐고 의문을 가질 수 있으나, 궁극적으로는 납땜을 기반으로 한 것이기 때문에 그 근원은 뿌리기술에 있다. 뿌리기 술이 IT·전기전자 결합하며 발전한 대표적 사례인 것이다. 각광받는 IT 분야의 성장으로 떠오른 차세대 접합기술, 표면실장기술은 바로 뿌리기술을 기반으로 하여 발전하고 있다.

 
TAG :  용접접합  smt
 
 
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