반도체용 인쇄회로기판 이른바 ‘PCB(Printed Circuit Board)’는 기본적으로 ‘기판’입니다. 기판 자체는 별다른 기능을 발휘하지 못합니다. 여기에 각종 ‘전자부품’을 장착(조립)하면서 비로소 상품으로서의 부가가치가 올라갑니다. 이처럼 PCB에 전자제품을 장착하기 위해선 ‘표면실장기술(SMT·Surface Mount Technology)’이 필요합니다. 전자부품 공정 기술의 꽃이라고도 불리는 SMT에 대해 알아보겠습니다.
0.1mm 이하 간격으로 전자부품 납땜해야
PCB 공정의 마지막 단계는 조립입니다. 다만 일반적으로 생각하는 제조 분야의 조립과는 달리 고도로 전문적인 영역입니다. 즉, SMT를 바탕으로 하는 PCB 조립은 기판 위에 반도체나 다이오드, 칩 등을 다수 장비로 실장하고 경량화하는 작업입니다. 구슬이 서말이라도 꿰어야 보석이듯, PCB의 발전은 SMT와 궤를 같이 한다 해도 과언이 아닙니다.
SMT는 한 마디로 ‘전자부품을 PCB 위에 올리고 납땜을 이용해 부착하는 과정’이라고 할 수 있습니다. 이렇게 보면 사실 별거 아닌 것 같기도 합니다. 단순히 ‘표면실장소자(SMD·Surface Mount Device)’를 이용해 자동으로 부품을 올리면 되는데 이게 무슨 기술이냐고 쉽게 생각할 수도 있습니다. 하지만 일반적인 제품 조립과 달리 PCB 조립시엔 부품간 거리가 '매우' 좁다는 점을 고려해야 합니다.
소형 기기의 경우 부품 간 거리가 0.1mm 수준입니다. 초소형화를 필요로 하는 경우에는 더욱 거리가 좁아집니다. 이렇게 빼곡한 간격을 두고 수많은 부품들이 올라갑니다. 저항, 축전기 등 수동소자(passive element)의 사이즈도 보편적인 1005(1.0mm x 0.5mm) 타입에서 0402(04mm x 0.2mm) 타입까지 다양하게 상용화가 이뤄지고 있습니다. 여러모로 조립이 복잡해질 수밖에 없는 상황입니다. 이런 가운데 SMT는 보다 싼 가격에 제품의 소형화, 고성능화를 지향하고 있습니다.
'솔더 페이스트' 도포→'리플로우'→'언더필'
PCB 기판의 표면을 덮는 초록색 층을 ‘솔더 마스크(Solder Mask)’라고 부릅니다. SMT 작업은 이 솔더 마스크 레벨에서 이뤄집니다. 부품을 부착할 땐 주로 납땜(solder)을 활용합니다.
납땜의 종류는 바(Bar), 와이어(Wire), 크림(Cream) 등으로 나뉩니다. 재료의 경우 주석과 납을 혼합해 조성(Roughness)하거나, 주석과 은으로만 만드는 등 다양한 편입니다.
‘소형화·고성능화’ 저가로 구현
일반적으로 크림 타입의 납땜을 주로 사용합니다. PCB 위에 납땜을 할 때 사용하는 납땜용 합금을 솔더 페이스트(Paste)라고 합니다. PCB 표면에 솔더 페이스트를 도포한 뒤 소형(R·L·C), 대형(IC·BGA·Connector) 순으로 부품을 올립니다.
이어서 납땜을 녹여 기판에 이어붙이는 ‘리플로우(Reflow)’ 작업을 시작합니다. 리플로우는 도포한 솔더 페이스트가 보글보글 녹으면서 제자리를 찾는 과정입니다. 전기적 접속을 가능하게 만드는 작업이기도 합니다.
단 1, 2초 사이에 온도를 120℃까지 올린 뒤 2분 내로 200℃ 이상으로 달굽니다. 녹은 납은 부품과 붙으면서 냉각됩니다. 설정 온도에 따라 양품과 불량품으로 운명이 갈립니다.
리플로우 작업이 끝났다면 이어서 부품 주변에 액체 고분자(riquid polymer)와 같은 수지를 채워 넣습니다. 이를 ‘언더필(underfill)’ 공정이라고 합니다. 이는 PCB 연결부 사이에 강력한 기계적 결합을 가능하게 하고, 물리적 보호막을 형성해 줍니다. 특히 스트레스를 많이 받는 휴대용 기기 또는 온도 변화에 민감한 옥외 설치 제품 등에 주로 적용됩니다.
오장착, 단선 여부 등 검사 거친 뒤 출하
이처럼 SMT 공정은 기판 인쇄부터 언더필까지 다양한 과정을 거칩니다. 이후 각종 검사 과정을 거친 뒤 양품(良品)이 탄생합니다. 이렇게 만들어진 PCB는 우리 눈에는 잘 보이지 않지만 일상 속 다양한 제품 속에서 제 역할을 해내고 있습니다. 물론 양품일 경우에만 가능한 얘기입니다. 불량품으로 판정되면 실제 제품에 사용되지 못합니다. SMT 불량 유형 및 판정 기준은 아래와 같습니다.
| 불량명 | 용어 정의 |
| Short | 회로 연결이 안된 부품의 Lead간 또는 부품간 연결이 되어 있음 |
| 냉땜 | 부품과 PCB간 접합 상태가 불안하거나 떨어져 있음 |
| 오장착 | PCB의 정해진 위치에 부품이 없음 |
| 역장착 | 극성이 반대로 장착되어 있음 |
| 맨하탄 | 2개의 단자 중 한 쪽이 접착되지 않고 뜬 상태 |
| 들뜸 | 부품 또는 IC류의 Lead가 PCB와 밀착이 안됨 |
| 단선 | PCB 회로 연결이 끊어짐 |
| 파손 | 외부 충격에 의해 부품의 용량 값이 안 나옴 |
| 위치 이격 | 부품이 PCB Land 정위치에서 벗어나 장착되어 있음 |
지금까지 SMT 공정의 대략적인 과정을 살펴봤습니다. 이 밖에 PCB에 장착되는 주요 부품 및 기능을 간단히 소개합니다.
저항기: 전력을 열로 발산해 전류의 흐름에 저항 생성
커패시터: 더 많은 전력이 회로의 다른 곳에 필요할 때마다 방출
인덕터: 전류가 자기장을 통과할 때 발생하는 자기장의 형태로 에너지를 저장
전위차계: 전압을 나누는 목적으로 만들어진 가변저항
트랜스포머: 전압의 증가 또는 감소와 함께 한 회로에서 다른 회로로 전기 에너지를 전달
다이오드: 일방통행처럼 양극(+)에서 음극(-) 방향으로 전류를 흐르게 함
트랜지스터: 증폭기 및 전자 스위치
실리콘 제어 정류기: 전력 시스템에서 전류 및 전압의 제어에 사용되는 전력반도체 소자
집적 회로: 전기 회로 내에서 특정한 기능을 수행하도록 만든 회로 부품들의 집합체
크리스탈 발진기: 물리적으로 압전 재료인 결정체를 발진시켜 주기적인 전자 신호를 생성
스위치 및 릴레이: 스위치 역할을하며 작은 전류를 큰 전류로 증폭
센서: 환경 조건의 변화를 감지하고 변화에 해당하는 전기 신호를 생성하고 전달
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