칩은 어떻게 회로 기판에 납땜할까? SMT 표면 실장과 리플로우

칩은 SMT로 회로 기판에 납땜한다. SMT는 Surface Mount Technology의 약자로, 표면 실장 기술이라 한다. 회로 기판에 솔더 페이스트를 한 겹 인쇄하고, 장비가 부품을 하나씩 올린 뒤, 기판째 리플로우 오븐에 넣으면 솔더가 녹았다가 다시 굳으면서 납땜이 끝난다. 휴대폰이나 컴퓨터 기판에 빼곡한 작은 부품은 대부분 이렇게 납땜한 것이다.

패키징한 칩은 무엇으로 납땜하나?

패키징한 칩(‘패키징이란?’ 참고)은 바닥에 작은 솔더 볼이 줄지어 있거나, 가장자리에 금속 리드가 한 줄로 나와 있다(여러 형태는 ‘칩 패키지에는 어떤 모양이 있을까?’ 참고). 회로 기판에는 리드나 솔더 볼 하나하나와 마주하는 자리에 작은 금속 면이 있는데, 이를 솔더 패드라 한다. 납땜은 솔더로 양쪽을 잇는 일이다. 전기가 통하게 되고, 부품도 고정된다.

그보다 앞선 방식은 스루홀(through-hole) 실장이다. 부품의 다리를 기판의 구멍에 끼워 뒷면에서 납땜한다. SMT는 1960년대에 이미 있었고 1980~90년대에 주류가 되었다. 구멍에 끼울 필요가 없으니 부품을 더 작게 만들 수 있고, 기판 양면에 부품을 올릴 수 있어 더 촘촘하게 배치할 수 있다.

SMT 라인에서는 단계별로 무엇을 하나?

1단계: 솔더 페이스트 인쇄

• 하는 일: 솔더 페이스트는 아주 고운 솔더 분말과 플럭스(flux)를 섞은 끈적한 페이스트다. 얇은 금속판인 스텐실(stencil)에는 솔더 패드 하나하나와 정확히 마주하는 작은 구멍이 뚫려 있다. 스퀴지(squeegee)로 솔더 페이스트를 밀어 구멍 속으로 밀어 넣고 스텐실을 떼어 내면, 솔더 패드마다 페이스트가 조금씩 남는다.
• 이유: 한 번 밀어서 기판 전체의 수천 군데를 한꺼번에 인쇄할 수 있다. 구멍 뚫린 형판을 대고 스프레이를 뿌리는 것과 같다. 스텐실의 두께는 약 0.1mm로 종이 한 장과 비슷하다.
• 하지 않으면: 납땜부의 품질은 솔더의 양에 달려 있다. 너무 적게 인쇄하면 연결되지 않고, 너무 많이 인쇄하면 옆 패드로 흘러간다.

2단계: 솔더 페이스트 검사

• 하는 일: 카메라로 솔더 페이스트가 어디에, 얼마나 인쇄됐는지 본다. 높이까지 측정해 양을 계산하는 장비도 있다.
• 이유: 아직 부품을 올리기 전이라, 인쇄가 잘못돼도 바로잡기가 훨씬 쉽다.
• 하지 않으면: 납땜한 뒤에야 발견하면 부품을 떼어 내고 다시 납땜해야 한다. 손이 많이 가고, 기판이 손상될 수도 있다.

3단계: 부품 올리기(실장)

• 하는 일: 부품은 테이프 앤 릴의 작은 칸에 담겨 온다(‘칩은 어떻게 출하할까?’ 참고). 칩 마운터(chip mounter, 픽 앤 플레이스 장비라고도 한다)의 노즐이 진공으로 부품을 집어 올리면, 카메라가 위치와 방향을 확인하고 솔더 페이스트 위에 내려놓는다. 빠른 장비는 한 시간에 만 개 넘게 올린다.
• 이유: 부품이 작고 많아서 사람 손으로는 빠르게도, 정확하게도 올릴 수 없다. 끈적한 솔더 페이스트가 부품을 먼저 붙잡아 두므로, 다음 공정으로 옮기는 동안 부품이 움직이지 않는다.
• 하지 않으면: 비뚤게 올리거나 거꾸로 올리면 그대로 잘못 납땜된다. 칩에는 ‘1번 핀’을 표시하는 마크가 있다. 장비는 테이프 앤 릴에 담긴 방향 그대로 부품을 집어, 미리 설정한 방향으로 올린다. 그래서 테이프 앤 릴 안에서 칩의 방향이 반드시 맞아야 한다(‘칩은 어떻게 출하할까?’ 참고). 반 바퀴 돌아간 채 올라가면 전원을 넣어도 동작하지 않거나, 심하면 타 버릴 수도 있다.

4단계: 리플로우

• 하는 일: 기판은 레일을 따라 긴 리플로우 오븐 안을 천천히 지나간다. 오븐은 여러 구간으로 나뉜다. 먼저 천천히 가열해 기판 전체의 온도를 고르게 맞추고, 솔더가 녹는 200°C 남짓까지 올려 잠시 유지한 뒤, 마지막으로 온도를 내려 솔더를 굳힌다. 한 번 통과하는 데 몇 분 정도 걸리며, 이 과정의 온도 변화를 그래프로 그린 것을 온도 프로파일(temperature profile)이라 한다.
• 이유: 부품은 크기가 제각각이고 큰 부품은 늦게 데워진다. 한꺼번에 가열하면 한쪽은 녹고 한쪽은 아직 녹지 않는다. 솔더는 이미 인쇄되어 있고, 가열은 그것을 ‘다시 한 번 흐르게(reflow)’ 하는 것이라 리플로우라 부른다. 녹은 솔더는 둥글게 오므라들면서, 조금 비뚤게 놓인 작은 부품을 솔더 패드 가운데로 끌어당기기도 한다.
• 하지 않으면: 온도가 너무 낮거나 시간이 너무 짧으면 납땜이 단단하지 않고, 너무 뜨겁거나 너무 길면 부품과 기판이 손상되고 납땜부도 부서지기 쉬워진다. 기판 종류마다 고유한 프로파일을 맞춰야 한다.

5단계: 납땜부 검사

• 하는 일: 카메라로 기판 전체를 찍어 기준과 비교한다. 부품이 빠지지 않았는지, 비뚤어지지 않았는지, 납땜부의 모양이 맞는지 보는데, 이를 자동 광학 검사(AOI)라 한다. 바닥에 솔더 볼이 있는 칩은 납땜부가 아래에 숨어 있으므로 X선을 비춘다. 볼끼리 붙었는지, 빠진 볼이 있는지, 안에 기포가 있는지 알 수 있다.
• 이유: 카메라는 빨라서 기판 전체를 보고, X선은 비교적 느려서 주로 카메라로 볼 수 없는 곳만 비춘다.
• 하지 않으면: 불량 기판이 제품에 조립된 뒤에야 문제가 드러나면 찾기도 더 어렵고 비용도 더 든다.

6단계: 스루홀 부품과 수정 납땜

• 하는 일: 일부 부품은 여전히 스루홀 방식을 쓰며, SMT 뒤에 납땜한다. 기판 아랫면이 녹은 솔더의 물결 위를 스치듯 지나가게 하거나, 그 몇 군데만 가열한다. 양이 적으면 손으로 납땜한다.
• 이유: 자주 꽂았다 뽑는 커넥터나 크고 무거운 부품은 구멍에 끼워 납땜하는 편이 더 튼튼하다. 그 몇 군데만 가열하면, 이미 납땜한 작은 부품이 열을 한 번 더 받지 않아도 된다.
• 하지 않으면: 힘을 많이 받는 부품을 표면의 작은 납땜부만으로 붙들면 떨어지기 쉽다.

흔한 납땜 불량에는 무엇이 있나?

• 솔더가 너무 적어 연결되지 않는다: 스텐실 구멍이 막혔거나 너무 적게 인쇄되어 솔더가 리드에 닿지 않으면 전기가 통하지 않는다.
• 솔더가 너무 많아 서로 붙는다: 두 리드 사이의 솔더가 작은 다리(브리지)처럼 이어지는데, 이를 단락(short)이라 한다. 리드가 촘촘할수록 생기기 쉽다.
• 부품 한쪽이 들린다(툼스톤 현상): 작은 저항이나 커패시터는 양 끝이 각각 솔더 페이스트 위에 놓여 있다. 양 끝의 솔더가 하나씩 차례로 녹거나 양이 크게 다르면, 먼저 녹은 쪽이 부품을 끌어당겨 반대쪽 끝이 들린다. 묘비(tombstone)가 서 있는 모양과 같다. 부품이 작을수록 생기기 쉽다.
• 부품이 습기를 머금어 리플로우 중에 벌어진다: 플라스틱 패키지는 공기 중의 수분을 흡수한다. 방습 포장을 뜯은 뒤 너무 오래 두었다가 건조(베이킹)하지 않고 리플로우를 거치면, 수분이 가열되어 수증기가 되면서 패키지와 칩을 벌려 놓는다. 이를 팝콘 현상이라 한다. 그래서 봉지를 뜯은 뒤에는 정해진 시간 안에 납땜을 마쳐야 하고, 시간을 넘기면 먼저 건조해야 한다.

SMT는 어디서 하나? 팹, 후공정 공장과는 어떤 관계인가?

칩이 제품이 되기까지는 대략 세 종류의 공장을 거친다.

1. 팹: 웨이퍼 위에 회로를 한 층씩 만든다. 이곳에는 SMT 라인이 없다.
2. 후공정 공장: 웨이퍼를 테스트하고, 자르고, 패키징하고, 다시 한 번 테스트한 뒤 테이프 앤 릴에 담아 출하한다(‘OSAT란?’ 참고).
3. 조립 공장: SMT로 칩과 다른 부품을 회로 기판에 납땜하고, 이를 휴대폰이나 컴퓨터에 조립한다. 흔히 다른 회사 제품의 조립을 전문으로 맡는 전자제품 위탁 생산 업체에 맡긴다(‘반도체 밸류체인의 상류·중류·하류는 각각 무엇을 할까?’ 참고).

플립칩이나 SiP의 부품 실장은 SMT와 같은 일인가?

모두 솔더를 녹여 양쪽을 잇는 일이지만, 무엇을 어디에 납땜하느냐가 다르다.

	플립칩	SiP 안의 부품 실장	SMT(이 글)
납땜하는 것	칩을 뒤집어서 납땜	작은 저항, 작은 커패시터	패키징한 칩, 모듈, 작은 부품
납땜하는 곳	패키지 안의 작은 기판	모듈 안의 작은 기판	제품의 회로 기판
쓰는 솔더	칩 위의 작은 범프(bump)	솔더 페이스트	솔더 페이스트
주로 하는 곳	후공정 공장	후공정 공장	조립 공장

플립칩은 패키지 안에서 칩을 패키지의 작은 기판에 납땜하는 것이고(‘플립칩이란?’ 참고), SMT는 패키지 바깥에서 패키징한 칩을 회로 기판에 납땜하는 것이다.

SiP 모듈 안의 부품 실장은 같은 종류의 일을 모듈 안에서 하는 것이다. 작은 기판에 솔더 페이스트를 인쇄하고, 저항과 커패시터를 올리고, 리플로우 오븐을 통과시킨다(‘SiP란?’ 참고). 모듈의 패키징이 끝나면, 조립 공장에서 다시 SMT로 모듈째 회로 기판에 납땜한다.

fab24hr에서는

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 11 ‘볼이 들렸다’에서 플레이어는 후공정 공장의 패키징 공정 엔지니어다. 라인장 수후이가 플레이어를 부품 실장 라인으로 데려가 말한다. “여기서 먼저 저항이랑 커패시터를 기판에 납땜하는데, 이걸 부품 실장이라고 해요. 그다음에 칩을 붙이는 게 다이 본딩이고요.” 이곳이 바로 작은 SMT 라인이다.

도감의 ‘장비 목록’에서는 부품 실장 라인도 ‘분해해 보기’가 되며, ‘작동 보기’를 누르면 솔더 페이스트를 밀어 바르고, 노즐이 릴에서 저항과 커패시터를 집어 올리고, 리플로우 오븐을 통과하는 과정을 한 단계씩 볼 수 있다.

모듈을 회로 기판에 납땜하는 것은 고객사의 조립 공장이다. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르고 좌우로 넘겨 고객 담당을 고른다(근무 시간대는 기기의 시각을 따른다). 심야 근무에는 고객사 조립 공장에서 전화가 온다. 장비로 테이프 앤 릴에서 칩을 집어 기판에 올려야 하는데, 1번 핀의 방향이 맞지 않는 것 같다고 한다. 오전 근무에는 고객사가 엔지니어링 샘플 하나를 반품한다. 봉지를 뜯은 지 3주 만에야 기판에 실장했고, 리플로우 전에 건조하지 않았다.

게임에는 직접 들어가 볼 수 있는 조립 공장이 없다. 후공정 공장, 칩 ‘Glowmere’, 고객사, 인물은 모두 가상이다. SMT의 방법은 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 온도와 속도는 대략적인 수준만 적었다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.