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1. PCB 와 주변기술 PCB(Printed Circuit Board) 란 절연판 위와 그 내부에 회로를 형성시켜 그 위에 실장된 부품을 전기적으로 연결시켜 전기적으로 동작을 시켜주는 기판을 말한다 . 처음 PCB 가 제작될 당시 Ink 를 Screen 으로 인쇄해 회로를 형성시켰기에 Print 란 말이 따라온 것인데

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1. PCB와 주변기술

PCB(Printed Circuit Board)란 절연판 위와 그 내부에 회로를 형성시켜 그 위에 실장된 부품을 전기적으로 연결시켜 전기적으로 동작을 시켜주는 기판을 말한다.

처음 PCB가 제작될 당시 Ink를 Screen으로 인쇄해 회로를 형성시켰기에 Print란 말이 따라온 것인데

지금은 회로 형성시 단면기판은 인쇄용 Ink를 사용하나 양면 이상은 감광성 Film이나 감광성 Liquid를 사용해 Pattern을 형성한다. 최근에는 ED(Electro Deposit)라 해 전착도장과 같이 감광성 유제를 도금 방식으로 기판 위에 코팅시켜 회로를 형성시키는 방법도 있다. 동남아 쪽에서는 PCB란 말을 많이 사용하나 구미에서는 PWB(Printed Wiring Board)란 말도 많이 사용되고 있다. 즉 부품과 부품들을 연결시켜 준다는 의미가 더 잘 나타나 있는 용어이다.


PCB는 위에서 말한 바와 같이 부품의 전기적 연결 기능 외에 부품들을 기계적으로 고정시켜주는 역할도 한다.

따라서 기계적 강도를 높여야 하기에 산업용 PCB의 원자재 속에는 보강재인 유리섬유(Glass Fiber)가 약 50% 들어 있다. 부품과 PCB의 연결은 Soldering에 의해 수행되는데

이 때 Board는 휘어서도 안되고 또 230~260℃ 열에 변형되어도 안 된다. 즉, 기판은 내열성도 갖고 있어야 한다. 근래에는 컴퓨터와 통신기술의 발전으로 전자기기의 Speed가 빨라졌기에 PCB 위 또는 내부에 있는 회로들이 단순히 전기를 통해주는 연결기능 외에도 부품들과 잘 매칭될 수 있는 특성 임피던스(Characteristic Impedance)의 전기적 특성도 나와주어야 하므로 회로 자체가 부품의 역할까지 하게 되었다.

이러한 기능은 고주파(RF: Radio Frequency)용 PCB에서는 더욱 크게 요구되고 있다.


앞서 언급했듯이 PCB는 반도체와는 달리 수동부품(Passive Component)이다. 따라서 주로 능동 소자(Active Component)인 반도체와 경박 단소화가 특징인 전자제품의 기술 발전에 따라 그 것을 수용하는 방향으로 발전해 왔다. 반도체의 집적도가 증가함에 따라 PCB의 집적도(Density)가 올라가고 HDI(High Density Interconnection) Technology라는 말이 첨단 PCB를 일컫는 대명사가 되었다.

이러한 집적도는PCB에서 회로의 細線化(Fine Pattern), 小經化(Small Hole), 高多層化(High Layer) 그리고 최근에는 Laser 등을 이용 Hole을 가공하고 층을 연속적으로 형성시켜 PCB를 제조하는 Micro Via와 Build Up Technology로 인해 가능하게 되었다


무엇보다 PCB 기술에 영향을 크게 주는 제품은 Internet 관련

제품. Hand Held Product,

그리고 반도체Package에 소요되는 Substrate를 들 수가 있다.

표1-1.


몇 년 전만 해도 한국의 PCB 산업의 기술 수준은 세계 평균 수준에 머물러 있었다. 그러나 국내의 CDMA의 개발 성공으로 휴대폰이 국내 및 해외 수출 수요가 폭발적으로 증가해

금년 현재(2000년) 한국은 휴대폰용 PCB의 세계 2위 생산국(1위는 일본)이 되고 내년(2001년)에는 1위국이 될 것으로 내다보고 있다. 이 휴대폰용 PCB는 Laser로 Micro Via가 가공되고 Build up에 의해 층이 쌓여져 가는 첨단 제조공법인 것이다.

또한 Package용 Substrate인 BGA(Ball Grid Array)와 CSP(Chip Scale Package) 기판도 세계 최대 조립업체인 아남반도체 및 Chipac이 한국에 있기에 이 분야도 일본에 이어 세계 2위 생산국이 되었다. 이 제품은 반도체가 실장되기에 고도의 신뢰성이 요구되고, 회로폭이100μ 이하인 고밀도 제품인 것이다.


2. PCB 종류와 기본기술

PCB를 이해하기 위해 접근하는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있으나 종류와 분류에 의한 방법은 편리하고 효율적인 방법이 될 수 있음을 느꼈다.

PCB는 그 제조방법과 쓰임새에 따라 다양한 변화가 가능하고 그 특징들을 잘 이해해야 올바른 시스템을 설계할 수 있다 하겠다. 필자는 본 고에서 PCB를 잘 모르는 비전문가나 명확히 알고 있지 못하는 독자를 위해 여러 가지 각도에서 접근하여 전체적으로 PCB를 조명해 보고 올바로 이해할 수 있도록 신경을 썼다.


본 장에서는 아래와 같이 10가지로 PCB를 분류해 보았다. 분류에 따른 기본 기술도 살펴보기 바란다.

1. 용도별 분류

2. IPC에 의한 분류

3. 외관 재질별 분류

4. BASE MATERIAL별 분류

5. 층수별 분류

6. PCB 두께별 분류

7. 회로밀도(LPC)별 분류

8. HOLE에 의한 분류

9. 회로 형성법에 의한 분류

10. 외관처리(FINISH)별 분류


2-1. 용도별 분류

주로 일본 사람들에 의해 분류되던 방식으로 처음에는 아래 도표와 같이 분류 사용돼 왔으나 이제는 민생용과 산업용의 구분이 불명확해져 분류에 의미가 점점 없어지고 있다.


Game기, 휴대폰 전화기, 캠코더, 소형카세트 등은 용도별로 보면 분명 민생용이나 PCB로 보면 산업용 Grade인 것이다.

특히 캠코더, 휴대형 전화기와 같이 Hand Held 제품에서 요구되는 PCB의 사양은 산업용에서도 첨단 제품에 속하는 사양의 난해도가 높고 고도의 제조기술을 요구하는 제품들인 것이다.

Multi Media의 개막으로 컴퓨터도 민생용 제품이 되어 가는 시대를 맞아 더욱 그러하다.

좀 더 구체적인 용도인 Market별로 구분하면, Consumer Electronics, Computer와 Business 장비, 자동차, 통신, Industrial Electronics and Instrument, 군사항공의 6분야로 나눌 수도 있겠다.


2-2. IPC에 의한 분류

미국에 본부를 둔 PCB, Connector, Cable, Package, Assembly에 관한 규격을 제정하고 기술 자료를 공급하는 국제기구로서 정식 명칭은 The Institute for Interconnecting and Packaging Electronics Circuits 이다.

IPC에서는 검사기준에 차등을 두기 위해 전자제품을 아래와 같이 4등급으로 나누고 있다. PCB 또한 쓰임새에 따라 그와 같이 구분된다.


2-3. 외관 재질별구분

PCB는 재질의 물리적 특성상 세 가지로 구분된다. 즉 일반 PCB인 Rigid Type과 구부러지거나 접힐 수 있는 Flexible Type과 상기 2가지 형태를 하나로 결합시킨 Rigid-Flexible Type 이다.

Rigid는 우리가 흔히 아는 PCB이기에 별다른 설명이 필요 없고 Flexible은 카메라 같이 외형이 직육면체인 전자제품에서 4각형의 Rigid Type PCB로는 공간 제약상 문제가 있어 휘거나 접혀 들어가게 유리하게 되는 제품에서 사용된다. 또한 Printer head와 같이 구동되는 부분에서 전기적 연결이 필요할 때 일종의 Connector의 역할로 사용된다.

Rigid-Flex는 보다 Compact하고 전기적 접속 횟수를 줄여 고도의 신뢰성을 요구하는 항공우주, 군사용 장비에서 채용되며 NEC 에서는 Note PC에, SONY 에서는 DVC에서도 그 기술을 사용하고 있는데, 재질의 특성상 Assembly의 효율이 떨어지고 제조에 특수 기술이 요구되어 섣불리 접근을 안하고 있다. 하지만 전자제품의 기능이 복잡하고 소형화가 요구되는 Hand held Product에서는 사용이 늘 것으로 예상된다.


위와 같은 구분 이외에도 Rogers에서는 Bend Flex라는 재질이 있어 Rigid와 Flex 중간쯤 되는 특성으로 PCB를 ASSY 후 접거나 휘어서 기구물에 장착시키는 제품도 있다.

또한 TCP(Tape Carrier Package)도 일종의 Flexible 자재인 Polyimide를 이용하고 있고 근래에는 COF(Chip On Flex)라 하여 Flex Board 위에 Bare Chip을 Direct로 얹혀 실장도를 높이는 제품도 개발되고 있다.


Tessera社에서는 개발된 μBGA도 Flexible Substrate를 이용, Bare Chip을 장착하는 CSP(Chip Scaled Package)로서 Flexible 자재 고유의 특성을 이용 Silicon과 Substrate의 Dimensional Mismaching의 문제를 해결 신뢰성을 높이고 있다.

이와 같이 Flexible은 그 말 자체와 같이 무한한 이용 가능을 지니고 있어 System Design Engineer는 염두에 두어야 할 분야로 생각된다.


2-4. BASE MATERIAL별 분류

PCB에 있어 재질의 선택은 대단히 중요하다. 그것은 전기적 특성, 내열성, 가격 등을 좌우하는 것이 원판 재질이기 때문이다. 특히 양면 SMC 실장의 등장으로 수 차례 Reflow 공정이 요구되고 CPU의 Clock Herz증가 이동체 전자제품의 출현으로 RF(Radio Frequency)의 사용이 우리 가까이에 와 있기에 중요하다 하겠다.

원판을 그 기능면에서 크게 3가지로 분류해 보면 다음과 같다.


상기 표에서 보는 바와 같이 Tg(유리 전이온도)가 150℃ 이상인 High Performance 제품이 늘고 있다. 또한 무선통신의 발달로 Teflon 재질의 수요도 높은 성장률을 보이고 있다.

일반적으로 1MHz~1GHz에는 FR-4와 Polyimide가 사용되며, 3MHz~3GHz에는 유전율이 4.2~4.4인 BT가, 30MHz~10GHz 영역에는 유전율이3.7~3.9인 BT, Cyanate Ester, PPO, Polyester, PPE 재질이 사용된다.

300MHz~300GHz 영역에는 PTEE가 통상적으로 사용되고 있다.


2-5. 층수별분류

PCB는 민생용에서는 단면 기판이 주로 쓰이고 그 밖에 산업용에서는 층수가 올라가는 경향이 있다. 특히 Note PC, 캠코더, 휴대용 전화기, PDA와 같은 Hand Held Product에서는 회로와 실장의 고집적화를 위해 그런 경향이 있다. 하지만 현재 PCB 제조기술과 제조경비 때문 8층 이내에서 해결하려는 경향이 있다.

앞서 말했듯이 단면은 비디오, 오디오 제품에서 주로 쓰이고 양면은 FAX, 복사기, 워드프로세서와 같은 사무용기기와 교환기에서 쓰인다.


4층은 데스크톱용 컴퓨터, 모뎀, 코드레스폰에 쓰이고, 휴대용 전화기는 6층, Note PC나 PDA, Workstation은 8층으로 설계된다.

CDMA용 교환기나 TYCOM과 같은 Mini Computer는 10층, 12층으로 설계되고 교환기의 Back Panel 이나 IC Test Probe 등은 12층에서 18층,

그리고 40층과 같이 초고다층은 주로 Main Frame 컴퓨터에 사용되고 있다.


2-6. PCB의 두께별 분류

PCB는 1.6mm 두께가 주종을 이루고 있었으나 전자제품이 경박단소화 됨에 따라 박판화 되는 경향이 있다.

그 대표적인 제품이 IC Card, 전자수첩,

Pager, Note PC 등이라 할 수 있겠다.

반면에 특수 용도에서 고다층화 되어 두꺼워지는 것도 있다.

표2-5.


박판화가 되면 동시에 4~8층의 다층을 유지해야기에 층간 절연층이0.1mm 이하로 내려가게 되었다. Prepreg 1장으로 그 층은 통상 이루어지며 이러한 박판화의 추세로 내열성, 절연성이 향상되는 원판이 소요되고 있다.

또한 SLC와 같은 Build up 방법에 의해 제조되는 PCB는 절연층을 Prepreg로 형성치 않고 절연물질을 코팅하거나 라미네이션에 의해 입히기에 박판다층 제조에 용이하다. 이 방법은 광범위하게 확산되리라 예상된다.

미국에서의 Data를 보면 다층 중 0.8t 이하가 5.3%, 0.81~1.6t가 74.6%, 1.61~2.30t가 12.5%, 2.3t 이상이 7.6%의 Share를 보이고 있다.


2-7. 회로밀도(LPC)별 분류

지금은 SMT로 인해 의미가 없어졌지만 DIP Type Package를 사용할 때 Pin과 Pin 사이의 간격이 0.1 인치(100 Mil)이고, 그 사이로 회로 몇 개가 지나가느냐(Line Per Channel)에 따라 회로의 집적도를 가늠할 수 있었다. LPC에 따른 실제 회로폭 크기와 사용 제품을 알아보면 다음과 같다.

표2-7. 회로폭 크기와 사용제품


2-8. HOLE에 의한 분류

회로폭과 함께 전자회로의 집적도를 높이기 위해 Hole 크기도 계속 줄어들고 있다.

특히 SMT 도입 후 Hole은 부품 삽입용이 아니라 단순한 전기 도통인 Via의 역할만 하면 되기에 제한 없이 줄어들고 있는 것이다.

IPC의 Technology Roadmap에서 발표한 연도별 Hole Size 감소 경향을 보면

아래와 같다.


근래 PCB의 기술은 Hole의 다양한 종류를 응용하며 발전하고 있다고 보아도 과언이 아니다. 종래의 관통 Hole은 PCB 회로면의 사용면적을 줄여주기에 점차 Blind 혹은 Buried Hole을 사용하려는 추세이다.

대부분의 고기능 휴대폰 제품은 이 기술을 이용하고, Via를 이용하면 Via 위에도 부품을 실장할 수 있게 되어 실장밀도를 올릴 수 있는 것이다.


또한 Hole의 가공 방법도 다양해지고 있다. 이는 종래의 Hole 가공이 텅스텐 카바이트의Drill Bit로 Hole을 하나하나 뚫어 생산성이 아주 낮고 또한 층간 두께가 얇은 Blind Hole 등이 사용되기에 다른 Hole 가공 방법이 가능해졌기 때문이다.

PCB에 있어서 Hole 수는 점점 증가되고, PCB 가격에서 Hole 가공비가 차지하는 비중이 커져 특히 다른 방법이 모색되고 있는 것이다. 일례로 BGA 기판을 제조하는데 제일 Cost가 높은 부분이 Drill 가공비고, 다음이 Solder Mask비, 그 다음이 원판 비용이라면 놀랄만 한 것이다.

더군다나 위에 표에서 본 바와 같이 해마다 Hole 구경이 줄어듦에 따라 기계적인 가공은 Bit가 부러지는 확률이 점점 높아져 불가능해지고 있는 것이다.


근래에 와서 Laser로 Hole 가공하는 기술이 ESL社와 SUMITOMO(LUMONICS)社에서 개발되어 점차로 사용이 확대되고 있다. MATSUSHITA 또한 ALIVH란 제조공법을 개발, CO2Laser를 사용하고 있다.

대체로 0.20mm 쯤 되면 Laser 가공이 Bit 가공보다 싸지게 되는 구경이다.

Laser 이외에도 IBM에서 SLC(Surface Laminar Circuit) 공법으로 개발한 Photo Via 가공 또한 CYCONEX社에서 DYCOSTRATE라 명명한 Plasma에 의한 Hole 가공이 Buried나 Blind Hole 가공에 큰 장점을 갖고 있다. 이러한 가공 방법은 Build up에 의해 제조되는 PCB에 주로 사용되는데 Bit와는 달리 한꺼번에 다수의 Hole을 가공할 수 있기에 획기적인 방법이라 할 수 있겠다.


2-9. 회로 형성법에 의한 분류

PCB의 회로 형성에는 여러 가지 공법들이 이용되고 있으나, 크게 둘로 나눠 Substractive와 Additive로 설명할 수 있겠다.

Substractive는 원판 절연층 위에 동박이 접착된 상태를 원자재로 공급 받은 뒤 PCB 회사에서 불필요한 성분을 Etching에 의해 녹여 버리고 필요한 회로만 남기는 제조기술을 말하며, Additive는 말 그대로 원판회사에서 절연 재질만 공급 받은 뒤 PCB 회사에서 필요한 회로만 그 위에 도금으로 입히는 제조공정을 말한다.

상기 설명한 대원칙을 적당히 변화시켜 Semi-Additive 등 다양한 Process들이 나온다.

Additive는 보다 효율적인 제조공정으로 각광을 받았으나 화학도금에 의해 형성된 동도금의 물성이 전기도금만 못해 신뢰성 측면에서 천대를 받아오다가 근래 약품이 개선돼 물성이 전기도금과 대등해져 다시 관심을 갖게 되었다. 특히 Fine Pattern에 유리하기에 그렇다고 하겠다.


현재 도금은 Direct Plate 또는 Short Process라 해서 상기 언급한 포르말린 촉매로 쓰지 않고 유기 폴리머나 카본, 팔라디움을 직접 Hole 속에 흡착시켜 전도체를 만든 뒤 Panel 도금을 생략한 상태에서 직접 Pattern 도금을 이루는 쪽으로 움직이고 있다. 특히 그 공정은 콘베이어에 의한 자동화가 되기에 매력이 더욱 크다.


2-10. 외관처리(FINISH)별 분류

PCB에 있어 외관처리는 대단히 중요하다. 그것은 부품들을 실장시킨 뒤 Solder 방법의 결정과 Solderability의 신뢰성 보증, 또 Bare Board는 보관하는 Shelf Life에 영향을 주기 때문이다.

일본은 Etching Resist로 Tin/Lead를 사용치 않고 25μ 동도금 후 Dry Film으로 Tenting/Etching 하는 Process가 발달해 일찍부터 Flux Coating 방법이 보편화 되었었다. Pre Flux로 일컬어지는 유기용제 타입인 로진 베이스가 주로 사용되어 왔었다.

이에 비해 미국은 SMOBC(Solder Mask On Bare Copper) 출현 후로는 Tin/Lead Reflow가 죽고 HAL(Hot Air Leveler)이 주종을 이루어 왔다. 그러던 중 HAL에서는 20mil pitch 이하인 Fine Pitch의 SMC Pad 위에서 Solder Coating 두께의 균일성을 확보하기 어렵게 되어 OSP(Organic Solderability Preservative)라는 Organic Finish가 각광 받게 되었다. 특히 환경 규제로 납을 몰아내려는 움직임에 발 맞추어 그 사용이 확대되고 있다.


이러한 배경은 또한 내열성이 대폭적으로 향상되어 2회 이상 Reflow에도 견딜 수 있는 Benzimidazole Type의 Organic Finish 제품이 일본의 TAMURA, SANWA, SHIKOKU 등에서 개발되어, 그 일부가 라이선스(TAMURA)를 통해 미국 ENTHONE社에 들어가 ENTEK 106 PLUS란 상표로 시장을 파고 드는데 성공했기 때문이다.

OSP를 채택했을 때 PCB 업체와 Set 업체가 얻을 수 있는 장점은 아래와 같다.


향상되어 2-10. Process Benefits Comparison


상기 향상되어 Table에서 보인 Immersion Gold는 Copper와 치환되는 치환금으로 도금 두께가 0.05μ 이하로서 LCD 제품이라든가 캠코더, Solder Mask 처리 후 도금액에 담금으로써 처리되는 일종의 화학도금이다.

COB(Chip On Board)라든가 BGA(Ball Grid Array)에서 Wire Bonding에 사용되는 금은 전기금도금(Pure Gold)이라든가, Autocatalytic Type의 화학도금을 사용해야 하고 0.3μ 이상의 금도금 두께를 요구하고 있다.


  • 3. PCB 향상되어 제조에 필요한 원부자재

  • PCB 재료에는 최종제품의 일부가 되는 주재료와 제조과정에서 사용하는 보조 재료가 있다. 주요 재료를 들어 보면

  • 주재료:

  • * 원판 (PCB의 기초재)

  • Paper/Phenol재, Glass/Epoxy재, Composite재, Polyimide film 등

  • * Solder resist (납땜시 도체끼리의 단락(Short) 방지용 Coating(도료))

  • 부재료:

  • * Photo resist (도체'패턴'이나 Solder Resist '패턴'에 사용)

  • 인쇄'잉크' (용도는 위와 같음. Screen'잉크'용)

  • Drill bit (Via'홀', 부품'홀'의 Drill 가공용 공구)

  • Router bit (외형 가공용 공구)

  • 이하 가장 중요한 재료인 원판에 대하여 살펴본다. 기타 재료에 관해서는 그때 그때의 공정 설명에서 언급하기로 한다.


동박은 향상되어 통상 전해 동박이 사용된다. 수지와의 접착력을 올리기 위하여 편면(片面)이 5㎛ 정도 조화(粗化) 되어 적층시에 수지 속으로 파고들어 가도록 되어 있다.

동박면을 조화함으로써 수지와의 접착력을 1cm 폭에서 1.4kg 정도로 높일 수 있다. 조화하지 않을 경우는 1cm 폭 당 500g에도 못 미친다. 이것은 0.2mm 폭의 도체로 환산한다면 10g에도 못 미치는 접착력으로 약간의 힘만 걸려도 곧 떨어진다.

특히 납땜 등의 고온상태에서는 수지가 물려져 접착력은 훨씬 적어진다. 밀착력 향상은 원판, 다층판 생산기술의 큰 과제중의 하나였으나 목하 개발중의 최신 공정에서도 큰 과제의 하나가 되고 있다.

Flexible PCB용의 절연기판에는 동박을 붙인 Polyimide Film가 주로 사용된다

(그림3-1-2). Polyimide Film과 동박의 접착을 위하여 접착제를 물리는 3층 구조가 일반적이나 접착성을갖게하는 다른 방법을 고안함으로써 접착층을 생략하는 2층 구조가 개발돼 있다. 엷게 할 수 있으므로 굴곡성이 뛰어나고 또 굴곡이 많은 용도에서는 동박도내굴곡성이 높은 압연동박이 사용된다.


3-1. 향상되어 원판(CCL)의 구조

그림3-1-1은 Rigid(굳은) 원판의 구조를 나타낸 것이며 기초재료는 섬유로 보강한 수지판이 사용된다. 일반적으로 수지는 전기적인 특성은 뛰어나지만 기계적 강도가 불충분하고 또 온도에 의한 치수변화가 크다는 (금속의 10배 정도) 결점이 있다.

이들 결점을 보완하는 것이 강화기재이며 종이(paper), 유리직포(Glass Cloth) 및 유리 부직포들이 이 목적으로 사용된다.

여기서 유리 부직포라는 것은 가로세로 모양으로 얽어 짠 직포가 아니라 짧은 유리 섬유 조각을 얽어 sheet상으로 한 것이다. 이들 기재에 의하여 수지판의 종횡방향(XY방향)의 강도와 치수안정성은 대폭 개선된다.

단, 두께방향(Z방향)에는 기재가 겹쳐있을 뿐이므로 치수 안정성은 수지만일 때와 같고 온도에 의한 신축은 XY방향의 10배 정도나 된다.


3-3-1. Glass/Epoxy 향상되어 원판 (1)

A. 일반제품

Glass/epoxy 원판은 Glass포에 Epoxy 수지(수지, 경화제를 주성분으로 하는 배합물)를 함침시킨 기재와 동박으로 구성됨.

- 기재의 Grade로는 FR-4 (NEMA규격)가 일반적이며 근래에는 수지의 高 Tg화와 고온에

서의 만곡(구부림)강도 등 제특성을 향상시킨 FR-5(또는 FR-5 상당)의 수요가 높음.

- 또한 비난연(非難燃) Grade도 있지만(G-10, G-11), 최근에는 생산량이 적어 한정된 용도

밖에 사용되지 않음.

Glass/Epoxy 원판에는 편면・양면판 및 다층판 용도가 있지만 최근의 PCB 저가화 영향도 있어, 특히 편면・양면판 용도에서는 Paper/Phenol재나 CEM-3재 등으로 전환 진행.

한편 반도체 등 실장부품의 고밀도화에 의한 전자기기의 경박단소화에 따라 PCB에 대한 요구 특성은 엄격해지고 있으며 특히 다층판용도를 중심으로 고신뢰성 요구에 대응한 기술개발 추진중.


종전의 향상되어 고신뢰성이 요구되는 용도, 특히 대형 Computer 등의 용도로 Glass/Polyimide 원판이 사용되어 왔지만 최근에는 저가화 요구가 강해져

일부에서는 高 Tg Epoxy 원판이 사용되기 시작.

또 반도체 Package 기판 용도로 종전의 Ceramic 기판과의 치환용으로 검토되고 있으며 앞으로도 Glass/Epoxy 원판의 수요는 계속 증가할 것으로 예상.


향상되어 3-3-4. MCL-E-679의 일반특성


동박은 향상되어 통상 전해 동박이 사용된다. 수지와의 접착력을 올리기 위하여 편면(片面)이 5㎛ 정도 조화(粗化) 되어 적층시에 수지 속으로 파고들어 가도록 되어 있다. 동박면을 조화함으로써 수지와의 접착력을 1cm 폭에서 1.4kg 정도로 높일 수 있다. 조화하지 않을 경우는 1cm 폭 당 500g에도 못 미친다. 이것은 0.2mm 폭의 도체로 환산한다면 10g에도 못 미치는 접착력으로 약간의 힘만 걸려도 곧 떨어진다. 특히 납땜 등의 고온상태에서는 수지가 물려져 접착력은 훨씬 적어진다. 밀착력 향상은 원판, 다층판 생산기술의 큰 과제중의 하나였으나 목하 개발중의 최신 공정에서도 큰 과제의 하나가 되고 있다.

Flexible PCB용의 절연기판에는 동박을 붙인 Polyimide Film가 주로 사용된다(그림3-1-2). Polyimide Film과 동박의 접착을 위하여 접착제를 물리는 3층 구조가 일반적이나 접착성을갖게하는 다른 방법을 고안함으로써 접착층을 생략하는 2층 구조가 개발돼 있다. 엷게 할 수 있으므로 굴곡성이 뛰어나고 또 굴곡이 많은 용도에서는 동박도내굴곡성이 높은 압연동박이 사용된다


3-2. 향상되어 원판의 제조공정

원판은 수지를 함침시킨 종이나 직물을 여러 장 겹쳐 놓고, 그 위에 동박을 올려 적층함으로써 제조한다. 그림3-2는 그 공정을 나타낸 것이다.

종이, 유리포 또는 유리부직포의 Roll을 수지액 속에 담그고 스며들게(함침/含浸)한 다음 건조시킨다. 이것을 Prepreg라 한다. Prepreg단계에서는 수지중의 경화제가 아직 반응하지 않고 있으므로 반경화 상태라 할 수 있다. 이러한 상태를 B-stage라 한다.

이러한 Prepreg를 여러 장 겹쳐 그 앞뒤 면에다 동박을 두고 stainless판 사이에 끼워 고온(180℃ 정도)으로 가열하면 경화제가 반응해 완전 경화함으로써 원판이 완성된다. 이 상태를 C-stage라 한다.

B-stage에 있는 Prepreg는 경화가 완료되지 않은 상태이므로 취급시에는 온도를 올리지 않고, 흡습시키지 않으며 보관기한을 준수하는 등의 주의를 요한다.


그림 향상되어 3-2-1. 동장적층판, Prepreg, Shield판의 제조공정

다층판 제조에서는 내부에 들어가는 배선층(내층)을 '패턴'형성, '에칭'으로 작성한 후 외층용의 원판과 겹쳐 Prepreg를 사용해 접착한다. 적층판 업체는 다층판 업체용으로 이 목적에 사용하는 Prepreg를 공급하고 있다.

적층판업체는 또 일부 양산 다층판에 대하여 내층 '패턴' 형성부터 적층까지 가공하여 적층 완료상태로 납입하는 수주형태도 취하고 있다 (그림3-2-1). 이것을 Mass Lamination 혹은 Premulti라 하지만

일본에서는 통상 Shield 판이라 하고 있다. 어느 용어에도 역사적 배경이 있으나 내용을 충분히 표현하고 있지는 않다.


3-3. 향상되어 사 양

주 원판 사양을 표3-1에 표시한다.

표 3-3-1. 원판 사양


향상되어 3-3-2. 원판의 종류


향상되어 3-3-3. 보강제의 종류


  • B. 향상되어 사용상 유의점

  • 1). 다층화 Press 조건

  • 다층화 Press의 경계에는 수지의 종류에 의해 경화특성이 약간 다른 경우가

  • 있으므로 Maker의 권장조건을 참고하여 충분한 예비검사 필요.

  • 기본적으로는 Epoxy계 수지의 경우 가열온도 175~185℃에서 90~120분,

  • 압력 20~40kgf/㎠ 정도, 진공탈기(脫氣)가 있는 조건.

  • 또 기판의 Tg가 소정치인가를 점검해서 수지 경화정도를 눈대중으로 하는 경우가 많음.

  • 2). 재료구성에 의한 기판 특성차

  • - 최근 특히 4~6층판에서0.2㎜ 정도의 두꺼운 유리포(布)를 많이 사용.

  • 예를 들면 0.2㎜ 두께부분을 종전에는 0.1㎜×2장을 사용했지만, 0.2㎜×1장으로

  • 바꿔 놓는 식(Single Ply).

  • 이러한 방법은 Cost Down을 목적으로 한 것이지만, 종전 구성과 비교해 내열성,

  • Drill 가공성, 표면조도(거칠음), 耐전식성 등이 악화되는 수가 있어 적용 전에

  • 충분한 검토 필요. 있음.


  • 3). 향상되어 시장동향/수요

  • 편면・양면판 용도가 거의 한계점에 도달한데 비해 다층판 분야의 수요확대가

  • 금후 지속될 듯.

  • 4, 6층 정도의 低다층 수요가 변함없이 많지만 이 중에는 박형화 기판이

  • 많아지고있음.

  • 또 10층이상의高다층품이 증가하고 있으며 PCB의 신뢰성 확보관점에서 종전의

  • FR-4재 에 비해 FR-5(또는 FR-5 상당)재의 요구도 높아지고


  • 3-3-2. 향상되어 특수 Glass/Epoxy 다층재(2)

  • 제품개요

  • 다층 PCB에 사용되는 중요한 기판재로서 20층 이상의 고다층에 최적인 Glass/Polyimide 재료와 범용 Glass/Epoxy(FR-4)材 등이 있으나 고기능성과 경제성의 양립 요구에 따라 FR-4材를 base로 고내열성, 저열팽창성을 향상시킨 상품 개발이 진전하여 그 시장이 점차 확대중임. 또 이들 기능 향상과 함께 지구환경을 배려한 제품설계도 중요한 요소임.

  • 환경대응 FR-4

  • 종전부터 FR-4 材에서는 UL94V-0의 난연화(難燃化)때문에 Brom化

  • BisphenolA형 Epoxy 수지를 주요 원재(原材)로 사용.

  • 한편 Europe에서는 연소때 다이옥신 유도체나 Dibenzolane유도체 등

  • 유해물 생성이 의심스러운 Halogen 화합물과 유해성이 있는

  • Antimon화합물 사용을 규제할 움직임이 있음.

  • Matsushita 電工 개발상품 R-1566은 이러한 움직임에 대응한 실용성과

  • 안전성 높은 환경대응 Glass/Epoxy 다층재임.

  • 일반적으로 연소 구조에서 보면 Plastic 난연화 방법으로는

  • 열 전파(傳播)억제, 산화반응 억제, 분해반응 억제, 가열성 휘발성분 확산

  • 억제가 있음.


  • 구체적으로는 향상되어 표1의 효과를 달성하기 위해 다음 방법 등을 실시함.

  • 1) 염소와 Brom등 Halogen 원소를 수지 중에 섞는 방법,

  • 2) Antimon화합물 첨가에 의한 상승효과,

  • 3) Phosphorus (인/燐) 화합물,

  • 4) 질소 화합물,

  • 5) 무기 화합물 단독 또는 조합으로 수지에 첨가하는 방법

  • - Matsushita 電工에서는 Halogen과 Antimon화합물을 사용하지 않고 다른 난연화기술을 효과적으로 조합하여 실현한 것.


  • 2) 향상되어 저열팽창 FR-4

  • 자동차용 PCB의 최근 설계는 실내에서 engine 실로 이동시키는 경우가

  • 증가하여 PCB에 표면실장된각 Chip과 부품의 접속신뢰성이 과제.

  • 가혹한 Cycle시험결과, 기판과 표면실장부품의 열팽창률 차이가

  • 땜납 접속부분의 Crack을 발생시켜 신뢰성을 잃게 됨.

  • 마쓰시다제품 R-1766M은 저열팽창 특성이 뛰어난 재료로 자동차 제어용

  • 기판이나 TSOP 등 고밀도 표면실장 및 Flip Chip 실장기판에 적합한 재료임.

  • 또 Drill 가공성은 종전품과 차가 있으나 Package 용도로서 열팽창률

  • 8~9ppm 급 재료를 개발 중.


  • 3) 향상되어 고내열성FR-4

  • 고밀도, 고다층판에서는Drill 가공시 小徑 Land의 높은 접착력,

  • 다층화 성형시의 높은 칫 수 안정성 및 실장부품 수리성, 게다가

  • 고밀도 미세 배선에서의 절연신뢰성(CAF), 고 Aspect比를 갖는

  • Through Hole 신뢰성 등 뛰어난 재료가 필요함.

  • 여기에다가 170℃부근의 Tg를 갖는 고내열성FR-4 재료가 고밀도,

  • 고다층PCB용 재료로 사용됨.

  • 제품 R-1766T는 가공성, 내열성 및 신뢰성이 뛰어난 재료이며

  • 저 Bow (휨)성이므로 실장성에도 뛰어남.


  • [Keyword 향상되어 ]

  • Brom化 Epoxy 수지

  • 난연성UL94V-0을 얻기 위해 TBBA(Tetra Bromo-Bisphenyel A)와

  • Bisphenol A형 epoxy 수지를 반응시킨 수지.

  • 이미 Deca-Bromo-Diphenyl-Ether등 난연제는 업계 자율규제에 의해

  • 대체가 진행중이나 더 한층 TBBA Brom을 사용하지 않는 기술이

  • 환경 대응면에서 현재 요구됨.

  • 저열팽창성

  • 표면실장 신뢰성에는 부품 팽창율과의Matching면에서 재료의 X,Y방향에 대한 팽창율이 중요.

  • 고밀도 표면실장/chip on board용에는 열팽창률12ppm형 (R1766M)이

  • 적합하며 금후 9ppm 재가 package용으로 기대됨.


  • 고내열성 향상되어

  • 내열성에는 Tg로 대표되는 열환경시의 기계강도, 칫수 안정성, 접착성외에

  • 흡습후내열성이나 장기열처리에 견디는 열분해 내열성 등이 있음.

  • Brom化 epoxy 수지에서는 고온시에 수지구조에서 Brom이 유리되기

  • 때문에 장기 내열 온도에 한계가 있음.

  • Non-Halogen화함으로써 환경대응 외에 장기 열처리에서의 열화 및

  • 부식작용에 대한 신뢰성 향상이 기대됨.


  • 3-3-3. Composite 향상되어 원판 (1)

  • A. 제품개요

  • Composite 원판은 2종류 이상 기판을 복합 형성한 재료이며 CEM-1과

  • CEM-3이 주류.

  • 표3-3-5에 이들의 구성을 표시.

  • CEM-1은 중간재가 종이 성분으로 이루어졌으며 한편 CEM-3은 glass 부직포에 의해 구성됨.

  • 구미에서는 CEM-1이 압도적인 지분을 점하고 있으나 일본에서는

  • 반대로 CEM-3이 중심임.

  • 구미에서는 CEM-1이 Paper/Phenol 기재 (FR-1) 보다 고강도이며 냄새가 적다는

  • 이유로 주로 단면판으로 사용.

  • 그러나 일본에서는 보다 저가인 FR-1이 많이 사용되고 CEM-1은 그다지

  • 사용되지 않음.

  • CEM-3은 CEM-1과 비교하면 압도적으로 Glass/Epoxy원판(FR-4)에 가까워

  • 일본에서는 FR-4의 염가판으로서 양면판에 사용되는 경우가 많음.

  • 중간재용 종이와 glass 부직포의 차이는 특성에 크게 영향을 미침.

  • CEM-3의 through hole간 전기절연 신뢰성은 높고 FR-4 대체품으로

  • 충분한 기능을 달성하고 있음.


CEM-1 향상되어 의 사용도는 전원기판, Tuner 기판 등에 한정되었으나

CEM-3은 양면판 용도의 모든 분야에서 사용됨. 그러나 CEM-3도 기판을 얇게 하면 그 특징인 가격 merit가 적어지므로 실제 판 두께는 0.8㎜까지 밖에 없고 0.6㎜ 이하는 FR-4 영역이 됨.

CEM-1, CEM-3은 다같이 이미 성숙제품으로 저가화로 치닫고 있지만 최근 MLB나 build-up 재료에 CEM-3이 core재로 사용되는 경우도 볼 수 있음.


  • B. 향상되어 사용상의 유의점

  • CEM-3은 전술한대로 FR-4 양면판 대체품으로 많이 사용되므로 FR-4에 가능한 한 가까운 조건으로 가공되는 것이 이상적이나 기판을 구성하는 glass 布가 적기 때문에 기판 강도가 낮고 이 때문에 FR-4와 다른 관리를 요함.

  • 첫째는 기판 휨(Bow)으로 휨이 너무 크면 그 후공정에 지장을 초래함.

  • 따라서 휨을 극력 억제하여야만 함.

  • 휨 요인은 재료, Pattern 설계, 가공공정 등 여러 가지 휨 방지를 위해

  • 다음 방법을 강구하고 있음

  • 1) 필요 이상 열을 주지 말 것.

  • 2) 기판 앞뒤구성을 가급적 동일하게 할 것(銅잔존율, SR막 두께 등).

  • - 둘째는 칫수 보정을 들 수 있음. 일반적으로 CEM-3의 칫수 수축률은FR-4 칫수수축률에 비해 약 2배정도 커지기 때문에 scale factor를 변경할 필요가 있음. 또 공정이나 열에 의한 수축률이 다르기 때문에 미리 확인해 둘 필요가 있음.


  • C. 향상되어 시장동향/수요

  • 일본내CEM-3 동향을 보면 전술한대로 용도는 거의 FR-4와 동등하고 OA, FA 기기, 가전제품, 통신관련기기, game 기기 등 범용 민생재료에 사용.

  • CEM-3은 FR-4와 거의 동등한 신뢰성을 가졌으며 더구나 저가이기 때문에 FR-4 대체 용도로 확대중.

  • 일본내의 glass epoxy 기재 판매량은 88년에 FR-4:CEM-3/68:32%에서

  • 91~92년에 걸쳐CEM-3의 판매량이 FR-4를 상회하기 시작,

  • 97년에는 거이 역전하여 매년 그 수량은 증가 일로의 경향임.

  • FR-4가 극박화, 다층화로 변천하기 때문에 박물기판인 0.6㎜ 이하를 제외하고는

  • 더 한층CEM-3으로 전환이 진전중.

  • 또 CEM-3은 신뢰성이 높은 silver paste TH 기판, 銅 paste TH 기판으로도

  • 사용 확대 중.


향상되어 3-3-5. Composite 기재의 구성


  • 3-3-4. Flexible 향상되어 원판

  • 제품개요

  • Flexible PCB(이하 FPC)는 유연성, 가벼움, 얇음을 겸비하고 있어

  • 최근 민생기기 소형 정밀화 요구와 함께 수요 증대. 또 용도 확대에 따라 내열성,

  • 전기특성 등 FPC 소재 기본 성능에 대한 요구도 고도화되고 있음.

  • FPC 기판은 polyester(이하 PET) 또는 polyimide film(이하 PI)와 동박을 접착제로

  • 마주 붙인 것을 사용하는 것이 일반적.

  • 동박은제조방법에 따라 전해박과압연박(壓延箔)으로 나눠져 FPC 사용도에따라

  • 구분 사용됨.

  • 예를 들어 고굴곡(高屈曲)이 요구되는 용도에서는 압연박이,

  • 그 외 굴곡성을 그다지 요하지 않는 용도에서는 가격면에서유리한

  • 전해박이 사용됨.

  • 게다가 최근에는 용도에 대응하는 동박종류가 차별화 돼 TAB(Tape Automated

  • Bonding) 등과 같은 fine pattern 용도에는 조화(粗化)면의 low profile화

  • (낮은 요철)를 도모하고 있음.

  • 또 fine pattern 증가에 따라 경박화 경향이 거세지고 있기 때문에

  • 동박두께도 18, 12, 9㎛으로 극박형(極薄型)이 적용되고 있음..


  • 회로가공면의 향상되어 표면을 보호하기 위한 cover lay는 base film처럼 PI, PET를 사용한 film형과 Solder Resist와 같은 ink형으로 분류됨.

  • 이 두 가지 형도 내절성(耐折性: 부러짐에 견디는 내성)과

  • 가격면에 차이를 볼 수 있으므로 제품용도, 사양에 알맞는 사용으로

  • 구분됨.

  • 이상과 같이 용도에 맞추어 특징을 갖게 한 base film, 접착제, 동박으로

  • 구성된 3층 구조의 FPC가 주류임. 그러나 시장요구가 여러 갈래로

  • 나뉘어져 그 요구에 응하기 위해 동박층의 접착제를 없앤

  • 2층 FPC 사용량도 확대되고 있음


B. 향상되어 사용상 유의점

- 민생기기 소형화로 FPC도 보다 고기능화, 고밀도화, 다층화가 진전되고 있음. 그리고 다양한 용도에 따라 고굴곡・고칫수 안정, 유연성이 요구되어 제품 용도 사양에 맞는 기재선정이 필요하게 됨. 예를 들어 고굴곡, 유연성을 지니기 위해서는 엷고 유연한 기재의 FPC 적용이 필요함.

- 또 LCD 기술발전에 따라 이방성도전film부착 FPC 사용이 확대되고 있음. 최근 LCD 고화질화에 따른 화면 해상도 향상을 위해 FPC 회로 pitch도 매우 가늘어지고 있음. 그리고LCD 대형화와 함께 이방성도전film부착 FPC도 큰 것이 필요해 졌음. 이 때문에 PI 低열팽장화, 低열수축화 개발이 진전하여 제품사양에 맞는 재료선정이 필요함.


  • 설계 향상되어 면에서 보면 소형화에 의한 배선상의 문제, 고밀도실장 LSI 등에 따른

  • 전자부품의 고기능화, 사용신호의 고주파화 등으로 발생하는 갖가지 전기특성,

  • 전송특성상의 문제를 해결하기 위해, 다층화가 요구되고 있음.

  • 예를 들면 방사전자계 등에 대한 noise 대책으로 noise를 shield하기 위하여

  • ground층을 마련하는 구조와 반사 noise 발생 억제로 신호파형의 distortion을

  • 방지하기 위하여 strip 구성)으로 만들어 impedance를 control함으로써

  • 부하 측과의 정합을 취할 필요가 있음.


  • C. 향상되어 시장동향/수요

  • FPC는 당초 Camera, FDD, Thermal Head 등의 용도에 이용되기 시작했음.

  • 이 중에서도 高굴곡성이 요구되는 HDD・FDD・printer용도, 내열성이 필요한

  • 자동차 엔진주위 배선이나, 내약품성이 요구되는 Oil 침지부품 등에 적용됨.

  • 또 유연성과 얇음을 살려 작은 공간에 다수부품이나 기판를 삽입한다는 배치가

  • 가능해 소형정밀기기의 배선 등에도 적용됨. 그리고 Pattern의 Fine화,

  • Through Hole의 소경(小徑)화 기술이 진전하여

  • 배선밀도 향상도 도모할 수 있기 때문에 LCD 등의 고화질화, 대형화에

  • 크게 공헌함.

  • 이와 같이 민생기기의 발전과 함께 FPC는 그 용도를 확대해 오고 있으며 이후

  • 경향으로는경박단소화시대의 흐름과 함께 FPC의 고기능화, 고밀도화,

  • 다층화가 진전돼 경량화・경박화에 박차가 가해질 듯.


  • 3-3-5. 향상되어 저유전율 재료

  • 제품개요

  • Computer등 정보처리분야에서는 보다 많은 정보를 보다 고속으로 처리하기를

  • 요구하고 있음.

  • 이 요구에 부응하기 위한 하나의 수단으로 저유전율재를 사용한

  • PCB를 사용하여 신호 전 파(傳播)속도를 고속화하는 방안을 들 수 있음.

  • 이는 식(1)으로 표시된바와 같이 PCB상의 신호전파속도는 재료 유전율이

  • 적을수록 빠르게 됨.

신호전파속도(V: m/s)=KC/√ε ……… (1)

(K: 정수, C: 광속, ε: 실효 유전율)


  • 한편 향상되어 저유전율재로서 요구되는 재료는 저유전율이어야 하고

  • 또한 저유전정접인 재료를 지칭 경우가 많음.

  • 현재 급속히 보급되고 있는 휴대전화 또는 무선통신 분야에서는

  • 사용주파수가㎒대에서 ㎓대로 고주파화가 진전중임.

  • 고주파 대에서는 신호의 전송손실이 문제이며, 이것은 특히 재료의 유전손실

  • 영향이 큼.

  • 유전손실은 식(2)와 같이 주파수가 높을수록 커지기 때문에 고주파에

  • 이를수록 저유전율・저유전정접인 것이 중요해 짐.

유전손실 = 27.3f/C√εtanδ ……… (2)

(f: 주파수, C: 광속, ε: 실효유전율, tanδ: 유전정접)


  • B. 향상되어 시장 동향/수요

  • 지금까지도 저유전율재의 요구는 높았지만 가격면 또는 다층 성형성과 가공성이라는 면에서 실제로 사용되는 분야는 한정되어 있었음.

  • 이것은 다층판으로서의 사용이 주가 되는 정보처리분야에서는

  • 다층화 설계기술에 FR-4라도 대응 가능했다는 점,

  • 또 무선통신분야에서도 고성능 고주파 device를 사용하는 것으로

  • FR-4 유전특성이라도 필요 최저한의 수준으로 그런 대로 사용 가능했다

  • 는 점에도 기인함.

  • 그러나 정보처리량의 증대에 따른 처리속도의 보다 고속화, 또

  • 무선 통신분야의 고주파화 흐름이 점차 커지고 있다는 점을 생각하면

  • mother board로는 FR-4가 주체가 되겠지만 고주파Device 등의

  • 부품으로서 저유전율材의 수요는 증대해 나아갈 것으로 생각됨


  • 3-3-6. 향상되어 Prepreg

  • 제품개요

  • Prepreg는 절연성 수지와 보강기재로 구성된 절연성 접착재료이며

  • bonding sheet라고도 함.

  • 이 prepreg와 core재라 불리우는 원판을 적층press 성형하는

  • 제조방법이 현재 다층 PCB 제조의 주류임.

  • 따라서 prepreg에는 적층 press 성형시의 치수정도 안정성이나 core재와의

  • 접착강도 확보,또 층간・Through hole간 전기절연성 확보라는

  • 여러 가지 특성이 요구됨.

  • 특수 용도에서는 이밖에 via hole이나 금속 core에 대한 수지 매입(埋入)성,

  • 저열팽창,저유전율・저유전정접 특성이 더 요구되는 수도 있음.

  • 또 휴대용 PC와 반도체 package 용도로 사용되는 PCB는 고밀도・소형화에

  • 수반되는 Fine Line화가 급속히 진전되고 있어 이 용도에 사용되는 재료에는

  • 고수준의 신뢰성이 강력히 요구됨.


  • 다층 향상되어 PCB Prepreg는 Glass Cloth를 기재로 용도에 따른 특성을 갖는 수지와

  • 조합하여 제조는 것이 일반적이며 그 종류는 기재의 두께, 수지량, 수지의 유동성(용해시) 등에 따라 세분화됨.

  • 한편 최근 고밀도 다층 PCB 제조법의 하나로 주목되는 Build-up법에서는 절연층에 감광성 수지를 사용하는 것이 주류를 이루지만 수지付동박이나유기섬유포를기재로한Prepreg도 다수 개발되고 있음.

  • - 유기 섬유포를기재로한Prepreg는 경량, Laser 가공성이 우수한 잇점을 지님.

  • 또 감광성 수지, 수지부동박과는 달리 보강기재를 사용하고 있기 때문에

  • 통상 Prepreg와 같은 취급이 가능함.


  • B. 향상되어 시장동향/수요

  • PCB의 고밀도 배선을 실현하기 위한 수단으로서 fine line화와 다층화가

  • 중심이 되고 있음.

  • 다층화에 있어서는 소형・경량화에 따라 1-ply(한겹) 구성의 다층판이 금후

  • 증가해갈 것으 로 예상되며 prepreg품질향상 요구와 함께 수요는

  • 확대해 나아갈 듯.

  • 특히 PC 보급에 따라 수요가 커진 반도체 package 용도, 또 최근 고다층화가

  • 가능한 재료가 요구되고 있는 고주파 분야에서의 수요 신장이 금후 기대됨.


  • [Keyword] 향상되어

  • 점도특성

  • 다층 PCB 성능은 구성수지의 기본성능으로 거의 결정되지만 적층Press 조건이 적절하지 않으면 Tg, 절연층 두께, 층간 접착력, 흡습시의 내열성 등 특성에

  • 문제가 생기는 경우가 있음.

  • Prepreg에 도포된 수지는 반경화 상태이기 때문에 적층 Press에 의하여

  • 가열되었을 때 한꺼번에 용융하고 경화하는 거동을 취함(그림3-3-3).

  • 이 점도(粘度)특성은 수지의 용융 점도와 경화시간(Gel Time)에 의하여 결정됨.

  • 따라서 용융 점도와 경화시간을 적절하게 설정하는 일이 중요함. 또 점도 특성에 맞춘Press 조건을 설정하는 일도 수지의 성능을 충분히 끌어 내기 위하여

  • 중요한 일임.


  • 유기섬유 기재 향상되어

  • Build-up용 재료로 개발한 유기섬유 부직포를 기재로한 각종 prepreg특성을

  • 표3-3-6에 정리함.

  • - GMPL-255는 epoxy 수지를 base로 단시간 성형에 대응한 prepreg임.

  • CCL-ML195는 BT resin을 base로 한것이며BT resin이 갖는 고내열,

  • 耐migration성에 탁월한 특징을 갖고 있음.

  • - 어느 것이나 유기섬유의 비중이 적기 때문에 경량화 관점에서도 유용함.


  • 3-3-7. PCB 향상되어 용 동박

  • 제품개요

  • 동박과수지붙임동박의 주요 형, 특성 및 용도를표3-3-7~표3-3-8에 표시.

  • PCB용 동박은 통상 양면판, 다층판, FPC에서 Chip을 직접 접속하는 TAB, BGA, CSP에 이르까지 사용되고 있으며 형성될 회로폭도 150㎛에서

  • 가장 fine한 것으로 20㎛까지 다양함.

  • 여러 용도에 따라 가열시신장율이 높고, 열 충격에 의한 foil crack 발생을

  • 막는 HTE 동박(3EC-Ⅲ), 저온(170℃) 가열냉각(anneal)이 가능한

  • Super HTE(3EC-HTE), Etching성이 뛰어난 Low Profile 동박(VLP)이나,

  • 두께 9㎛ 이하의 극박동박(UTC)을 공급하고 있음.

  • 또한 동박에 절연성, 접착성이 양호한 수지를 입힌 수지붙임

  • 동박(MR500, MR600)이 휴대전화를 위시하여 휴대기기용에 사용되고 있음.


  • 수지붙임 향상되어 동박은 다음과 같은 뛰어난 특징 때문에 차세대 기판재료로서

  • 주목을 받고 있음.

  • 수지중에무기물을 함유하고 있지 않기 때문에 Laser에 의한 고속 소경

  • Hole Drill가공이 용이하고 또한 경량임.

  • 2) 진공 press기로 용이하게 성형할 수 있고 절연 신뢰성이 높음.

  • 3) 동박과수지 접착이 견고하여 내구성이 높음.

  • - 신뢰성을 높이기 위하여 고 Tg화가 과제이지만, Mitsui 금속에서는

  • Tg200℃ 이상의 수지붙임동박을 개발하였음.


  • B. 향상되어 사용상 유의점

  • 12㎛ 이하 두께의 동박은 주름살이 발생하기 쉬어 취급에는 주의와 숙련을 요하지만 VLP는 항장력이 높아 9㎛까지는 사람 손에 의한 취급이 가능함. 그러나 9㎛ 미만 동박은Carrier(반송체)붙임을 요함.

  • 수지붙임동박은 半경화 Epoxy 수지를 Film상으로 동박처리면에 입힌 재료임. Prepreg처럼 저온 보관이 바람직함.

  • C. 시장동향/수요

  • 휴대전화, Note PC로 대표되는 휴대전자기기용의 Fine BVH기판 양산과 BGA, CSP 등의 Plastic Package에 대한 동박 사용으로 박막화가 급속히 진전되고 있음.

  • 이미 상기 용도에서는 12㎛의 사용이 일반화되고 있으나 금후는 9㎛ 이하의 극박동박 사용이 증가될 듯.

  • 한편 수지붙임동박을 사용한 Laser에 의한 micro via 기판 생산은 종전의 PCB 공법을 그대로 적용할 수 있어 안정된 성능을 확보할 수 있는 이점이 있음.

  • 금후 많은 PCB 專業 maker가 micro via 생산에 참가할 것으로 예상돼

  • 수지붙임동박 시장은 급속하게 확대될 것으로 예상됨.


[Keyword 향상되어 ]

* Micro via

IPC에서는 구경 150㎛ 이하의 소경 via hole을 micro via라 호칭. Hole drilling 방법으로 photo법, Laser, Plasma 등·이 실용화되고 있으나 현재로는 Laser를 이용한 방법이 주류를 이룸. 일본 내에 이미 130대 이상의 PCB용 Laser기가 설치돼 가동 중.

* Tg

Glass 전이점(轉移点). 수지 내열성에 대한 간이 지표. 고밀도 기판에서는 단위면적당 Chip 밀도가 높기 때문에 높은 Tg재료가 바람직하나 高 Tg재는 통상 깨지기 쉬운 경향이 있어 수지를 film상으로 공급해야만 하는

수지붙임동박에는 적용할 수 없었음. Mitsui에서는 독자적인 수지 조제 (blend) 기술에 의하여 高 Tg이면서 유연성이 풍부한 수지 개발에 성공함.

* UTC-극박동박

종전에는 고다층용으로 사용되어 왔으나 회로 폭이 30㎛ 이하가 되는 package 관련 용도에서는 동박 두께를 극력 억제하는 것이 중요해 졌기 때문에 최근 다시 평가되고 있음. Mitsui에서는 이미 두께 5㎛의 UTC를 제조, 판매하고 있으며 더 한층 얇은 UTC 개발을 추진 중.


  • 3-3-8. Glass Cloth 향상되어 기재

  • 제품개요

  • Glass cloth 기재는 PCB 기본특성인 전기 절연성, 기계적 강도, 강성(剛性) 및 치수 안정성을 보전 유지하기 위한 필수 특성임.

  • Glass cloth 기재 구성은 E-glass 조성인 5~9㎛경 단섬유(單纖維)로 이루어진 섬유다발(絲)을 종사(縱絲), 횡사(橫絲)로 이용한 평직(平織) 구성으로 되어 있음.

  • 그리고 이 Cloth 기재에 열경화성 수지를 도포하여 반경화 상태인

  • Prepreg라 불리는 Sheet상으로 만들어 동박, 내층 회로기판 등과 조합해

  • 열press로 다층 PCB의 성형을 행함. 통상 Cloth 기재 품종은 두께로 구별되며

  • 대표적인 품종으로 두께 60, 100, 200㎛의 기재가 사용됨.

  • 그리고 이들 두께가 다른 기재는 각각의 단섬유경(單纖維徑), 실의 두께가

  • 다른 glass 섬유의 품종으로 구성됨. 통상 100㎛ 이하를

  • 박물기재(薄物基材), 200㎛을 후물(厚物)기재라 호칭.


  • Glass 향상되어 섬유에서 glass cloth 기재까지 제조하는 독특한 일관 maker이므로 이러한 특징을 살려 구체적으로는 glass 섬유에 있어서 범용 E-glass와는 다른 PCB용 특수 저열팽창, 저유전율 glass 섬유를 제조하고 있음.

  • 그리고 cloth 기재에 있어서 세계 최초로 Water Jet을 이용하여 cloth 기재를

  • 구성하는 실을 단섬유 단계까지 균일하게 개섬(開纖)하고 동시에

  • 최적 표면처리한 개섬glass cloth 기재를개발함.

  • 이 개섬 glass cloth는 수지의 함침성, 밀착성 등의 특성이 대폭 향상된 것임.


  • B. 향상되어 시장동향/수요

  • 일본의 생산량은 3~4%의 성장율이 예상되어 率은 그다지 높지 않으나 생산되는 Cloth 기재 내용이 변화할 것으로 예상됨.

  • 구체적으로 일본에서 생산되는 PCB는 Note Book PC, 소형 Video Camera로

  • 대표되는 경박 단소화가 진전될 것으로 예상되여Cloth 기재는

  • 범용의 厚物cloth부터 박물 Cloth로 불리는 고부가가치품으로 옮겨가고

  • 또한 품질적으로도 엄격한 요구를 받게 될 듯.

  • 일본 이외에서 유일하게 큰 신장을 나타내고 있는 곳은 동남 아시아 지역,

  • 특히 그 중심은 대만으로 금후에도 큰 신장이 예상됨. 그 이유로 대만이

  • 세계의 PC 공급기지를 이루고 있는 점과 관련된 것으로 추정됨.

  • 세계에서의 Glass Cloth 기재의 전 생산량은 10% 이상 급격한 성장률로

  • 신장하고 있음


  • [Keyword] 향상되어

  • 저유전대응 신 Glass 섬유포기재

  • 전자부품의 고주파, 고속화에 대응하기 위해서 PCB의 低유전율,

  • 低유전정접화의 필요성이 거세지고 있음. 이를 위해서는 수지와 기재

  • 양방의 대응을 생각할 수 있지만 glass cloth 기재에서는 glass 조성에 의한

  • 대응이 필요함.

  • 종전의 저유전 특성 glass 섬유에는 보강재료용 고강도 glass 섬유인

  • T-glass 섬유와 glass 제품에서 출발한 D-glass 섬유가 있지만 이들은 본래

  • 전자재료의 PCB 용도를 목표로 개발한 것이 아니기 때문에 실(絲)과 직포(cloth)로

  • 하기 어려운 점과 PCB 가공성이 좋지 않다는 문제점이 있었음.

  • 이상의 결점을 극복하고 PCB용 저유전특성glass 섬유기재 개발이라는 관점에서

  • 새로이 glass 조성의 개발, 섬유화, 직포 제조기술개발을 종합적으로 착수해 왔음.

  • 그 결과 획기적인 전자재료용 저유전특성glass인 NE-glass 개발에 성공함.

  • 타 기재와 비교해 유전율은 낮고 게다가 수지를 포함해 종전 기재에서는

  • 저유전정접이어려웠던 것도 NE-glass에서는 제법 낮출 수 있게 되었음.

  • 나아가 유기섬유인 aramid와 비교하면 무기섬유인 NE-glass는 내수성,

  • 기계 특성에서는 매우 뛰어난 특성을 갖고 있음.


4.PCB 향상되어 제조방법

4-1. Solder Resist, Symbol Mark(부품 기호), 단자 도금

앞서 PCB는

1)도체'패턴'의 형성,

2)Via 형성,

3)다층화 라는 세가지 기본기술의 조합으로 제조된다고 언급했다.

그러나 실용적인 PCB를 만들기 위해서는 다음과 같은 가공 들이 더 필요하다.

4) Solder resist 인쇄

5) Symbol mark 인쇄

6) 단자 도금

PCB 제조방법을 설명하기 전에 간단히 이들 내용을 살펴 본다.


4-1-1. Solder Resist 향상되어 (그림4-1-1)

"Solder"는 "납땜"이라는 영어로 양쪽 다 사용되고 있다. "Resist"는 "저항한다, 가로막다"라는 의미를 갖는 영어다.

Resist는 "어떤 처리나 반응이 미치지 않도록 보호하는 피막"이라는 의미로 사용된다. "Etching resist"는 '에칭'에 대한 보호막 ('에칭'후에 남기고 싶은 도체부분을 덮는다), "도금 레지스트는 똑같이 도금에 대한 보호막을 말한다.

PCB에는 많은 도체'패턴'이 좁은 간격으로 형성되고 있으나 여기서 형성되는 도체는 전면 동박을 '에칭'해 만들기 때문에 원리적으로는 절연 피복이 없는 "나선/裸線"이 된다.

나선을 좁은 간격으로 배열하여 사용하면 위험하다는 것은 다리미나 전열기의 경우와 같다.

특히 PCB에 IC, 기타의 전자부품(이하 부품)을 얹어 납땜할 때는 PCB 표면에 녹은 납이 흐르며 이때 납은 노출한 동부분 어디라도 부착한다.

두 가닥의 도체가 근접하고 있으면 납은 때때로 양쪽에 걸친채 굳어 전기적으로 단락한다(이를 Solder bridge라 함). 단락은 전자기기를 정상적으로 동작시키지 못할 뿐만이 아니라 화재원인도 되는 중대한 결함이다.

부품실장 때는 solder bridge의 발생을 방지하고 나선을 피복할 목적으로, 부품 납땜에 필요한 Land(부품 설치점) 주변을 제외하고 Mask(차폐)하는 resist를 solder resist 또는 solder mask라 한다.


4-1-2 Symbol Mark( 향상되어 부품 기호) 인쇄 (그림4-1-2)

'심벌 마크'는 부품실장이나 수리 때 편리하도록 PCB상에 인쇄하는 부품명, 부품위치 등을 표시하는 문자나 '심벌'을 말한다.

4-1-3 단자 도금 (그림4-1-3)

PCB에 부품을 탑재한 것만으로는 PCB는 동작하지 않는다. PCB에 전력을 공급하거나, 외부장치나 타 PCB간에 신호를 주고 받을 필요가 생긴다.

이 전원, 신호의 외부간 출입구를 단자(Terminal)라 한다. 단자부에는접속기를 삽입하여 접속하지만 빼고 끼기 위하여 안정한 전기접촉을 얻을 수 있게

일반적으로 金도금 처리를 하고 있다. 도체'패턴'은 동으로 이루워지고 있으므로 단자부에만 금도금을 하기 위해서는 별도의 공정이 필요하다.


4-2. 향상되어 패널(Panel)

PCB 치수는 가지각색이며 작은 것은 10mm×10mm,

큰 것은 500mm×500mm 크기 근처까지 있다.

그러나 이것은 제조할 때 설비마다 정해진 표준치수의 재료에서 출발할 필요가 있다.

각 공정을 통과하는 이 표준치수의 중간 가공물을 '패널'이라 한다.

한 장의 '패널'내에 제각기 다른 치수의 최종제품을 1개 내지 복수개를

넣어 한몫에 가공한 다음 마지막에 개개 제품으로 분할한다.

가급적 재료의 낭비가 없도록 '패널'내를 연배시키는 것이 저가화의

한 수단이 된다.

원판의 표준치수는 1,000mm×1,000mm나 1,000mm×1,200mm중 어느 하나가 일반적으로 사용된다

(통산 양측 다같이 20mm 정도 좀 크게 재단하어 공급된다).

이것을 원판의 표준치수라 한다. 표준적인 '패널'치수에는 표준치수를 가로-세로 1/2, 1/3, 1/4로 분할한 치수인 510×610, 510×510, 510×405, 510×340(단위는 mm×mm) 등이 사용된다.


4-3 향상되어 단면 PCB 제작방법

그림4-3-1은 단면 PCB 기판의 제조공정이다. 이 중 중심이 되는 것은 "도체'패턴'의 형성"이다. 가장 일반적인 방법은 '에칭'법이다. 그 개략도를 그림4-3-2에 표시했다. 원판의 표면에 '에칭레지스트'를 형성하고 '에칭'액을 분무(spray)하여 불필요한 동을 용해 제거한다. '레지스트 패턴'의 형성방법에는 '스크린'인쇄법과 사진법이 있다. 이 방법의 더 상세한 설명은 후에 기술한다.

도체'패턴'의 형성에는 이 외에 'Additive법'이 있다. '에칭'법은 전면의 동박에서 불필요한 영역의 동박을 제거하여 도체'패턴'을 남기는데 비하여 Additive법에서는 동박이 붙어있지 않은 절연판의 표면에 도체를 얹혀가는 방법이다. Additive의 "add"는 덧셈을 의미한다. 절연재의 표면에 도체를 형성하려면 도체금속을 도금으로 붙이는 방법 (Additive 도금법)이나 도전성의 Paste를 Screen 인쇄하는 방법이 사용된다.


그림 향상되어 4-3-1. 단자도금


' 향상되어 에칭'법은 여분의 동을 제거해 도체'패턴'을 형성하므로 Subtractive법이라 한다(Subtractive의 subtract는 뺄셈의 뜻).

Fine pattern의 '에칭'에서 주의해야 될 점은 Side etching에 의한 잠식현상이다(그림4-3-2).

Side etching은 도체측면에서의 etching으로 목표하는 resist폭보다 더 잠식하여 좁아진 것이다.

Etching 하려는 동박의 두께가 두터울수록 도체잠식은 커진다.


4-4. 향상되어 양면 PCB 제작방법

그림4-4-1은 양면 PCB의 제조공정이다. 단면판의 공정과 다른 것은 재료로 양면에 동박을 붙인 원판을 사용하는 점과 양면의 도체'패턴'을 잇는 via의 형성공정이 추가된다는 점이다


Via 향상되어 형성방법에는 plated through hole/도금 관통공(이하 PTH)법이 가장 널리 채용되고 있다.

PTH는 구멍의 벽에 동도금하여 앞/뒤면의 도체를 연결하는방법이다.

그 공정은 via를 만들고 싶은 곳에 먼저 구멍을 가공하고 그 구멍벽에도금법으로 동을 석출시켜 앞뒤를 연결하는 도체로 한다.

다층판의경우, 적측판의 내부에도 도체층을 넣지만 내층도체와 외층도체간의 접속에도 PTH를 이용한다.

적층판내부의 절연물 위에는 전기도금을 할 수 없기 때문에

무전해동도금법을 사용한다.


PTH 향상되어 이외의 via 형성법으로는 최근에 보급한 것으로 "도전 paste"를 구멍안에 충전하여 via를 형성하는 방법이다.

도전 paste는 금속입자를 수지중에 혼합시킨 paste이며 이것을 screen 인쇄법으로via 구멍에 충전하여 경화 시키면 금속입자끼리 접촉하여 앞뒤면의 전기적 도통을 이룩한다.

이와같이형성한 via로서 도전 paste에 銀입자를 사용한 것을 "Silver through hole" 이라 한다.

최근에는 銅입자를 사용한 도전 pasate도 사용되기 시작했다.


' 향상되어 패턴'형성의 목적은 etching resist의 형성으로, 이것은 단면판과 같으나,

다른 점은 via의 보호이다.

PTH가 etching으로 제거되지 않도록 보호하는 방법에는 몇가지 있으나

가장 간단한 방법은 "텐팅/Tenting 법" 이다.

'텐팅'법에서는 etching resist막에 "dry film"을 사용한다.

Dry film은 감광성의 resist막이며 이름 그대로 '필름'상으로 되어 있다.

이 '필름'을 PTH가 형성된 '패널'표면에 붙여 resist pattern을 형성한 다음 etching 한다.

이때 via 구멍 위에는 dry film이 쳐있기 때문에 구멍벽의 도금이 보호된다.

이와같은양면판의 제법을 '텐팅'법이라 한다(천막 치는 모양과 같음).


그림 향상되어 4-4-2. Via 형성 (PTH 법)


4-5. 향상되어 다층판의제작방법

그림4-5-1은 다층 PCB(이하 MLB: Multi-Layer Board)의 제조공정이다. 양면판의 공정과 다른 점은 재료에 박판 원판(T/C:Thin Core)판을 사용하는 점과, 내층 도체'패턴'(복수)의 형성, 이들과 외층용동박을prepreg로 접착하는 적층공정이 추가되는 점이다.


MLB 향상되어 에서는 각층의 도체'패턴'을 via로 연결하게 되지만 각각의 도체 '패턴'을 잘 겹쳐 적층하지 않으면 층간 접속이 되지 않거나 인접 도체와 단락하게 된다.

이 정합(맞춤)정도를 "Registration"이라 한다.

Registration은 양면판에서도 중요한 품질항목이지만 MLB에서는 엷은 재료를 사용하고,prepreg가 녹아 굳어(경화) 질 때 신축응력이 작용하는 등 치수가 변하기 쉬어 그 안정화는 MLB 기술의 중요한 과제가 된다.

층간 정합방법에는 pin lamination법과 mass lamination법이 있다.

Pin lamination법에서는 그림4-5-2와 같이 내층재에 미리 기준 구멍 (기준홀)을 가공해 두고 도체'패턴' 형성후적층용금형위에 쌓아 올릴 때 금형에 마련한 pin에 각 내층재를 삽입해 나감으로써 내층재끼리의 위치를 결정하는 방법이다.

한편 mass lamination법에서는 위치 결정용 pin을 사용치 않고, 기준홀도 가공치 않으면서 도체'패턴'을 형성해, 내층끼리의 위치 결정은 다른 방법으로 한다.

Through hole 이나 외층'패턴'과의 위치 정합이 필요해지며 pin lamination에서는 적층에 사용한 기준공을 사용하고,

Mass lamination에서는 적층 후에 X선 등을 사용해 내층'패턴'의 위치를 측정해서 기준홀을 가공한다.


그림 향상되어 4-5-2. 다층판(MLB) 적층 공정


4-6. 향상되어 층간 연결 (Via 형성)

4-6-1. Via의 종류 (Through via, Blind via, Buried via)

인쇄회로기판에서 via hole은 2층 이상의 도체층을 상호간에 전기적으로 연결하는 기능을 한다.

빌딩에 비유할 때 인쇄회로기판의 도체층은 빌딩의 각층을 연결하는 계단에 해당된다.

그러나 빌딩의 계단과 인쇄회로기판의 via에는 그 성격에 차이가 있다.

빌딩의 경우는 그림 4-6-1(a) 의 1층 방 #1에서 방 #2로 이동하려면

계단 A 또는 B를 이용할 수 있다.

방 #3에서 방 #4로 이동할 경우에도 계단 A 또는 B를 사용한다.

즉 계단은 누구든지 이용할 수 있는 공용 설비이다.

한편 인쇄회로기판에서는 via는 하나의 신호선에 전속되어 하나의 via를 타고 타 신호와 공용할 수 없다.

이 그림에서 말하자면 방 #1에서 방 #2로 가는 신호는 1층에서 4층까지 직통 사다리 a를 사용해 갈 수 있으며 또 방 #3에서 방 #4로 가는 신호는 3개의 사다리 b, c, d를 거쳐서 가야만 한다.

이와 같이 인쇄회로기판에서는 via가 신호선 마다 전용되기 때문에 인쇄회로기판에 수용하는 신호선이 늘어나면 필요한 via의 수는 급증하여 큰 공간을 차지하게 된다.


인쇄회로기판의 향상되어 via에는 그림 4-6-1(b) 와 같이 3종류가 있다. 이 그림은 4층 기판의 단면을 나타낸 것이다.

Via P는 제 1층(L1)과 제 2층(L2)의 도체를 연결하는 via이나 hole은 1층부터 4층까지 가공되어 있다.

이것을 관통 홀(through hole, through via)라고 한다.

Via Q는 L1-L2간의 via이지만 hole은 L1에서 L2까지만 가공되어 있다.

L1은 외층이므로 via를 표면에서 볼 수 있으나 반대면에서는via를 볼 수 없다.

이와 같은 via를 “Blind via"라 한다.

Via R은 L2와 L3를 연결한 via이지만 4층의 어느 곳에서도 외부에서 보이지

않는다.

이러한 형태의 via를 ”Buried via"라고 한다.


그림 향상되어 4-6-1(a)에서 말하면 사다리 a는 관통 홀, 사다리 b, d는 blind via, 사다리 c는 buried via라고 할 수 있다.

관통 홀의 경우에는 접속할 도체층 이외의 층의 배선 영역에서도 hole 공간을 점유하고 있음을 알 수 있다 (그림4-6-1(b)의 via P에서는

L3, L4는 via접속에는 관계하지 않으나 via 공간 때문에 배선 영역이 좁아져 있음).


그림 향상되어 4-6-1. 빌딩 계단과 인쇄회로기판에서의 via


4-6-2. Land, Land 향상되어 폭, Land 절단

일반적으로 via 주변에는 via보다 조금 큰 도체를 배치하여 울타리처럼 via 둘레를 포위한다.

이것을 land라고 한다.

이를 그림 4-6-2에 나타내었다.

Via 둘레에 land를 배치하는 것은 인쇄회로기판의 제조 공정에서

via의 위치와 상, 하층의 도체 패턴의 위치를 정확하게 일치시킬 수 없기 때문에 다소 위치가 벗어나도 via에 의한 접속이 상실되지 않도록 하기 위함이다.

이 위치 정렬을 registration이라고 한다. Via 주위의 도체 부분을

'Annular ring"이라고 한다.

최종적으로 인쇄회로기판에 annular ring이 남아 있으면 도체의 via의 접송은 온전한 것이며 via와 인접한 도체와 접촉할 우려도 없다 (주 1).


참고적으로 향상되어 annular ring의 용어는 태양 둘레에 있는 환상적으로 빛나는 부분을 지정하는 단어에서 유래한 것이다.

제작된 인쇄회로기판의 annular ring 폭의 최소치 (최소 land 폭)에 관해서는 인쇄회로기판마다 규격이 정해져 있다 (주 2).

편차가 커지면 annular ring이 일부 절단되어 via 접속이 불완전하게 된다.

층과 층, 층과 via자리의 맞춤 정도가 낮을 경우는 큰 land를 마련해 둘 필요가 있다.

주 1. 단 photo tool상에서는 도체 간격이 확보되어 있다고 가정한다.

주 2. 일반적인 단면 기판에서는 양면, 다층 기판보다 큰 land폭이 요구된다.

주요한 이유로는 단면판에서는via 자체로는 탑재되어 있는 부품을 지지할 힘이

없으며 land와의 접촉만으로 지탱해야만 하기 때문이다.


그림 향상되어 4-6-2. Via와 Land


4-6-3. Via 향상되어 치수와 인쇄회로기판의 실장 밀도

인쇄회로기판의 배선 밀도를 높히는 방법은 다음과 같다.

1) 배선의 pitch를 높인다 (Fine pitch, 주 3).

2) via의 지름을 축소한다 (Small via)

3) 관통 홀을 blind via, buried via로 설계 변경을 한다.

4) 다층화한다.


고밀도화를 위해서는 이러한 수단 모두가 사용되지만 이 중 어떤 방법이든지

기판의 가격 상승의 요인이 되기 때문에 고밀도화에 의한 가격 상승을 최소한으로 억제하기 위해서는 가격 대비 성능을 고려하여 어디에 비중을 둘 것인가의 선택이 중요해진다. 또한 각 요소 기술의 추진 방법에 따라서도 달라진다.

금후 더욱 고밀도화가 요구되기 때문에 패턴의 fine화로 via의 소경화, blind via, buried via화를 추진하는 것이 효과적이다.

또한 landless through hole라 하여 via 주변에 land를 설계하지 않는

설계 기준이 채용될 때가 있다. Land가 없는 만큼 배선간의 공간도 넓어지는 것은 분명하지만 via가 벗어나면 즉 도체 간격이 작아지므로 도체층과 via의 registration 능력의 충분한 상승이 따르지 않는다면 신뢰성 저하에 이어지는 위험이 있다.

주 3. Fine pitch의 수준으로 line/space라는 용어가 있다.

이것은 도체 선폭과 선과 선 사이의 간격을 나타내는 치수로서

line/space 100㎛은 선폭과 선간 간격이 100㎛의 설계 기준이라는 것을 의미한다.


4-6-4. Via hole 사용되지만 이 중 어떤 방법이든지 의 가공

Via 형성 공정은 via hole의 가공 공정과 그 via hole에 도전성을 부여하는 공정의 두 가지로 구분할 수 있다. 그림 4-6-3은 여러 가지 hole 가공법을 나타낸 것으로 punching 가공 이외는 via hole 가공에 사용되고 있다. 이들 각 공정의 특징을 표4-6-1에 나타내었다.

표 4-6-1. Via hole 가공법 비교


Punching 사용되지만 이 중 어떤 방법이든지 가공은 양산성이 높은 hole 가공법이지만 hole pitch를 작게 할 수 없다는 점과 hole 벽이 거칠게 가공된다는 점 등으로 via hole 가공에는 거의 사용되지 않는다.

Drill 가공은 가장 일반적인 via hole 가공법이다. Via를 필요로 하는 양면 기판, 다층 기판용에는 glass 섬유 기재의 원판이 사용되지만 이 재료는 절삭이 용이하지 않아 drill bit에는 경도, 내구성이 높은 tungsten carbide 합금이 사용된다. 또 가공시의 발열로 원판의 수지가 녹아 도체층의 절단면에서 녹아 붙는 경우가 있다. 수지는 전기를 차단하므로 이후 관통 홀 도금을 하여도 via 접속이 불량하게 된다. 이것을 resin smear라 하여 다층판에서 큰 결함중의 하나이다.

Hole 크기가 작아지면 drill 가공 능률은 대폭 저하되므로 소경 via 가공에는 능률 좋은 새로운 가공법의 실용화가 기대되고 있다. Photo via와 laser via 가공은 최근 등장한 방법으로 0.1mm 정도위via hole 가공용으로 사용되고 있다. Buried/blind via를 용이하게 가공할 수 있다는 점이 이들 방법의 잇점 중의 하나이다.


그림 사용되지만 이 중 어떤 방법이든지 4-6-3. 각종 via 가공법


4-6-5. Via hole 사용되지만 이 중 어떤 방법이든지 의 전도성 부여

그림4-6-4에 via hole에 도전성을 부여하는 방법을 나타내었다. 이것으로 via hole은 도체층과 도체층을 전기적으로 연결하는 도전 통로가 된다. 가장 널리 채용되고 있는 방법은 동도금 관통 홀 방법이다. 도금이라 하면 보통은 전류를 가해야 하는 전해 도금을 말하지만 via는 절연층내에 만들기 때문에 처음부터 전기 도금을 할 수는 없다. 이러한 이유로 처음에는 전기를 사용하지 않아도 전도층을 형성할 수 있는 무전해동도금 기술을 사용하여 via hole 벽면에 얇은 도전층을 만든 다음 전기를 가함으로서 원하는 두께까지 전기 도금을 실시한다. 이와 같이 형성된 via가 도금 through hole이다.

도금 through hole의 공정 흐름을 그림4-6-4(a)에 표시하고 가공 완료한 through hole 단면을 그림4-6-4(b)에 나타내었다. 무전해동도금 공정에서는 먼저 via hole의 벽면에 palladium 촉매를 석출시킨 다음 촉매를 핵으로 하여 동을 석출시킨다. 전기 동도금에서는 통전에 의하여 양극(동판)에서 용해되어 방출된 동 이온이 음극(인쇄회로기판)에 석출되므로서 도금이 이루어진다. 동도금의 용액(도금액)은 유산동을 base로 하여 미량의 첨가제의 의하여 도금 품질이 크게 좌우된다. 무전해동도금만으로 원하는 두께까지 도금하는 full additive도금 기술도 개발되어 사용되고 있다.


이와 다른 방법으로는 도금 기술을 사용하지 않고 via hole에 도전성 paste를 채워 넣는 방법으로 도체층을 연결하는 동 through hole이라 불리는 방법이

있다.

일본에서 개발된 기술로 그림4-6-4(c)와 같이 저가를 요하는 가전기기용으로 세계적으로 널리 사용되고 있다.

이 방법은 도전 paste를 screen 인쇄법으로via hole에 채워 넣는 방법이며 그림 (d)는 그 단면을 표시한 것이다. 공정은 간단하지만 신뢰성이 높은 via 접속을 얻기 위해서는 많은 know how가 필요하다. 도전성 paste로서 은 입자를 혼합한 은 paste 이외에 절연 신뢰성이 높은 동 입자를 사용하는 동 paste도 사용하기 시작하고 있다.


그림 않고 4-6-4. Via hole의 도전성 부여 방법


5. 않고 다층 PCB 제조기술

5-1. 적층가공

5-1-1.성형 프레스(Press)와 층가공

다층성형 프레스(Press)

이 장에서는 원판, 프리프레그(Prepreg), 동박 등을 조합하여 성형 프레스로 적층성형하는 방법을 중심으로 설명한다.

PCB용 다층성형 프레스는 '진공 프레스'가 주류이며 진공 방식은 그림5-1-1처럼 크게 Hydraulic(유압) 방식과 Autoclave(압력솥) 방식으로 나누어진다.


그림 않고 5-1-1. 진공 프레스 성형 방식


이중 않고 Hydraulic 방식을 세분하여 그림처럼 가동열반(熱盤) 전체를 철판으로 에워 싼 밀폐 방식과 철판 밀폐계 대신 열반사이를Silicon Gum으로 둘러싼 치구(治具)방식과 밀폐계 전체를 -650mmHg 이하의 진공도로 유지하여 공기나 휘발 성분을 적층판에서 제거하면서 열 경화시키는 적층 프레스 방식이 있다.

한편 Autoclave 방식은 지지판 상에 제품을 설치하여 전체를 진공흡입구가 부착된 Bag으로 둘러싼다.

이것을 대차 선반에 적재하여 원통형 가열압력용기에 넣는다. 자루 내부를 -650mmHg 이하의 진공도로 유지하고 외부에서 불활성 가스로 8~10kg/cm2 정도의 압력을 가하여 자루내부의 제품을 가열 경화시켜 적층판으로 하는 프레스 방식이다.

이들 세 가지 방식의 특징을 정리하면 표5-1-1과 같다.


않고 5-1-1. 진공 Press 방식


B. MLB 않고 의 층 설계

재료의 조합 (층구성)

MLB에 사용하는 재료는 다음과 같이 3종류로 나눌 수 있다.

(1) 편면 동장적층판 또는 양면 동장적층판

(2) Prepreg

(3) 동박

이 재료들을 사용한 층 구성의 조합의 예를 그림5-1-3과 같다.


2) 않고 원판 및 Prepreg

표5-1-2. 내층회로용 또는 외층 회로용으로 사용되는 원판 종류 예


않고 5-1-3. 기판간의 접착 및 절연확보을 위한 Prepreg의 종류 예


3) 않고 Prepreg절연층 두께 선정

MLB의 층구성 조합 예는 그림5-3과 같이 기본적으로 세 가지 방법이 있으나 어떤 prepreg로 할 것인가를 선택해야만 한다.

층간의 절연성, 내열성 등을 고려한 최저 소요 두께가 그림5-4와 같이 원칙적으로 정해지고 있다.

그림 5-1-4. Prepreg의 최저 소요 두께

가령 (b)의 경우 동 두께 A, B를 모두 70㎛로 할 경우 prepreg의 두께는 2x(0.07+0.07)=0.28mm가 되므로 prepreg의 두께는 0.28mm 이상이 되도록 선택해야 한다.

[예]0.10mm+0.18mm=0.28mm

0.15mm×2매 =0.30mm

0.10mm×3매 =0.30mm


계산상의 소요두께는 상기와 같으나 않고 prepreg의 종류 증가에 따른 자재 관리

문제나 prepreg의 종류와 매수에 의한 slipping, 외층 재료에 동박을

사용할 경우 prepreg종류에 의한 표면조화(粗化) 정도, 가격 등을 종합적으로

고려하여 prepreg를 선정해야만 한다.

C. MLB의 판두께 설계

그림5-5는 일반적인 4층 판에서 규정이상의 수지흐름(성형 가공시 기판 외부로 수지가 흘러 나오는 현상)이 없는 정상상태에서 성형된 예를 표시한 것이다.

그림5-1-5. 다층 PCB 기판 두께 계산 방법


층 구성이 동일하여도 그림 않고 5-1-6처럼 내층회로의 잔동율(殘銅率)에 따라 성형 후의 기판 두께를 달라질 수 있다. 예제 그림에서 (a)보다는 (b)의 경우 내층 동박 면적이 상대적으로 적어 적층 후 기판 두께가 보다 얇아진다. 표5-1-3의 Pepreg성형후의 두께는 원칙적으로 (a)의 상태를 표시한다.

그림5-1-6. 내층회로의 잔동률에 따른 기판두께의 변화

동일 두께의 Prepreg라도 표5-3의 수지함유율(R/C:Resin Content) 차이에 따라 성형 후 기판 두께가 달라질 수 있다. 그림5-1-7의 예로 본다면 (a)의 경우가 (b)의 경우보다 Prepreg(PP) 1매당 약 30㎛ 두터워지므로

제품두께는 약 0.12mm(=0.03×4) 두꺼워 진다.


그림 않고 5-1-7. 수지함량 차이에 따른 기판 두께의 변화

이상과 같이 MLB의 판 두께에 대해서는 변동요인이 많기 때문에 이론적인 계산만으로는 처리할 수 없는 면이 있다. 따라서 적층 성형 후의 제품(Through hole 도금, 표면 Patterning, Solder Resist 등을 하지 않은 상태)의 기판 두께 공차는 예를 들어 1.6 +0.1/-0.2mm(공차 0.3mm) 정도로 정하고 있다.


5-1-2. 않고 다층 성형기술

재료의 조합 (Build Up)

다층 PCB 성형시에 재료조합을 할 때 제품이 4층 이하인가 5층 이상인가에 따라 그림5-1-8과 그림5-1-9와 같이 층간 위치맞춤(정합) 대책의 필요성이 달라진다.

그림5-1-8. Mass Lamination과 Pin Lamination


[ 않고 주]

1) Mass Lamination은 Pin Lamination의 별칭

2) 그림5-1-3.(c)의 4층판의 경우 위치맞춤 대책 필요

위치 맞춤에는 일반적으로 Guide Pin을 제품의 4개의 구석 또는 4변의 중앙에 삽입하지만 층수가 증가하면 필요에 따라 Guide Pin 갯수도 증가시킨다.

Pin Lamination 방식의 경우 금속판, 내층재, 외층재, Prepreg, 이형(離型) Film, Dummy판 등 Cushion(완충)재를 제외한 재료에 Guide Hole이 필요해 진다.


그림 않고 5-1-9. 다층판형성시Build up의 예

제품의 층 구성상 Mass Lamination과 Pin Lamination으로 구별하였으나 Guide Pin을 사용치 않는 Mass Lamination의 경우는 다음 점에 주의가 필요하다.

1) Press 단내에 삽입하는 제품 매수가 많을 때의 Slipping(층 어긋남)

2) Resin 함유치가 높은 Prepreg를 사용했을 때의 Slipping.

이에 대하여 Slipping 방지 대책(틀, Guide Post 등)을 강구하거나 또는 3, 4층이라 해도 Pin Lamination 방식으로 하는 등의 대책이 필요하게 된다.


B. 않고 성형조건

Glass epoxy (FR-4)의 대표적인 성형조건을 그림5-10에 표시한다. 성형조건은 prepreg의 특성, 성형 매수, 조합 재료의 종류에 따라 승온 속도,

성형 온도 유지 시간, 압력, 냉각 속도 등의 program을 변경할 수 있다

그림5-1-10. Glass Epoxy 다층 기판 성형 조건


Program (Press Schedule) 않고 결정시의 점검사항은 다음과 같다.

1) 단내 균일온 상승(段內 均一溫 上昇)

수지의 용융점도는 120~130℃에 이르렀을 때가 가장 낮아지며 이것을 지나면 경화가 시작된다. 용융점도가 낮을 때에 압력을 가하여 수지가 균일하게 퍼지도록 한다.

130℃/20~30분의 유지는 열반에서 가장 떨어진 단내 중앙부의 제품 상승온도를 기다리는 상태이다.

2) 등속 승온(等速昇溫)

1.0~2.0℃/분(130→170℃)의 조작으로 실제 제품에서는 최저 용융 점도에 이르고 있어 이것을 지나면 서서히 경화가 시작된다.

3) 최종 경화(最終硬化)

FR-4의 경화조건은 160℃/30분 이상을 필요로 한다. Press내 모든 제품이 이 조건을 충족하기 위해서 170~180℃/70~90분 정도면 충분하다고 할 수 있다.


4) 않고 저압 성형(低壓成形)

5~10kg/cm2-5~10분은 본 성형 (30~40kg/cm2)을 시작하기 전의 조합 재료의 slip 방지, distortion 제거를 목적으로 한다.

5) 본 성형(本成形)

용융한 수지가 균일하게 퍼져 제품 내에 포함되는 void (기포)를 외부로 방출시켜 균일한 판 두께를 얻기 위한 조작이다.

6) 진공

제품중의 기포 제거가 주목적이며 수지의 경화 개시시점에서 진공을 종료해도 좋으나 press 내에 들어간 공기의 대류에 의한 방열을 방지하는 의미에서 성형종료까지 진공조작을 계속하거나 제품단면의 기포발생상황을 점검하면서 진공→정지→재 진공의 조작을 할 수 있다.

7) 온도 측정

Press 내에 투입한 제품의 온도이력이 중요하며, press 조건에 맞춰 programming 하기 위해서는 단내의 열반(熱盤)측, 중앙 및 각각의 단부(端部), 중앙부의 온도 profile를 작성해 두는 것이 필요함.


5-1-3. 않고 내층회로 표면처리

A. 내층회로 표면처리의 종류

Glass epoxy 등 동장 적층판의동박 접착력은 동박 표면에 형성한 혹 모양의 요철이 수지에 대한 Anchor 효과를 나타냄으로써 얻어지는 것이며 그림 5-1-11과 같이 다층 성형시의 prepreg와 접착하는 내층 회로 표면에도 이를 위한 적당한 처리가 필요해 진다.

그림5-1-11. 다층 성형시동박 접착력 향상 대책

다음 표5-1-4에 외층판용 내층회로 표면처리의 종류를 표시한다. 산화동(CuO, CuO2) 형성에 의한 epoxy 등의 접착력 향상은 흑화 처리가 가장 일반적으로 보급하고 있으나, 다층성형후의 인쇄회로 형성에서의 산처리 공정에서 Haloing(Pink ring/Red eye)이 발생할 수 있으므로 주의를 요한다.

다층성형 그 자체에는 직접 관계하지 않으나 그림5-1-12에 도금 through hole의 결함을 표시한다.


않고 5-1-4. 외층판용 내층회로 표면처리 종류


그림 않고 5-1-12. 도금 Through Hole의 결함 유형


5-2. 않고 구멍 뚫기 가공과 기계가공

5-2-1. 구멍뚫기 가공

A. 구멍뚫기 가공의 종류

PCB의 구멍뚫기 가공방법으로는 다음 5종류가 있다.

1) Drilling

기계: Drilling 기

공구: Bit

기판: 양면, 다층 PCB (산업용 전자기기)

기재: Glass Epoxy 수지 원판

가공의 유연성이 뛰어나 깊고/작은 구멍 뚫기가 가능하며 구멍질이 양호하고 난삭재의 가공도 가능.

Drill에 의한 PCB의 가공가능 한계를 표5-2-1에 표시한다.


않고 5-2-1. PCB 가공시의 기판과 적용가능 Drill경의 관계(단위:mm)

◎: 구멍뚫기 가능.

○: 구멍뚫기 가능, 단 저속으로 특수 drill 필요.

☆: 구멍뚫기 가능, 단 step 가공, 특수 drill 필요.

×: 구멍뚫기 곤란.


2) Punching 않고

기계: Press 기

공구: Punching pin (금형)

기판: 편면 PCB (민생용 전자기기)

기재: Paper/Phenol 수지 동장적층판

양산성이 좋고 가격은 저가이나 구멍 가공품질이 떨어지고 깊고/작은 구멍뚫기는 곤란.

3) Laser

기계: Laser 가공기(YAG, CO2, Eximer)

기재: Alumina, Polyimide film

복합재료로 열적특성이 상이한 재료에는 부적당하고 얕은 구멍에 한정돼

taper형 단면을 형성.

4) Etching (화학처리)

기계: 노광기, Etching 기기

기재: 감광성 수지기재

얕은 구멍에 한정되며 taper형 단면을 형성.

5) 전자 Beam, 기타

PCB의 구멍뚫기는 종전에는 거의 punching과 drilling으로 가공 되었으나, 최근 다층화 추세와 함께 Laser 방식이 많이 도입되기 시작하고 있다


(1) 않고 경제적 요인

최소비용 절삭조건(cost minimum), 최대생산성 절삭조건(production maximum), 최대이익 절삭조건(profit maximum)

(2) 요구품질에 의한 제약조건

PCB에 요구되는 품질수준과 피해야만 할 문제 등에 의한 제약.

그림5-2-1. PCB의 Hole 가공에 미치는 요인도


2) 않고 적정 절삭조건의 선택

(1) 가공준비 (Stacking: 쌓기)

가공준비로는 피가공재인동장적층판2~4매를 겹겹이 포개어 위에는 Entry Board를, 밑에는 Backup Board를 끼워 Taping(움지기지 않게 묶는 것) 하고 위치결정용 기준 Pin(Stacking Pin)을 그림5-2-2과 같이 박는다. 다층판의 경우 이 Stacking Pin Hole이 가공기준이 되므로 위치정도가 중요하다. Stacking 때 먼지 등에 의한 빈틈이 생기지 않도록 Taping과 Stacking 해야만 한다.

그림5-2-2. PCB Hole 가공을 위한 Stacking


Entry board 않고 에는 Aluminum이 가장 많이 사용되며 PCB의 동박보호, burr (조각) 발생 억제, hole 위치정도 향상, hole 품질향상을 위해 사용되지만 소경(小徑) drill의 경우 entry board 분 만큼 구멍깊이가 증가해 aspect 比가 커지기 때문에 반드시 효과적인 것만은 아니다. 특히 pi 0.1~0.2mm와 같은 극소경에는 사용하지 않는 경우가 많다. Entry board를 사용할 때는 펄럭이지 않을 정도의 엷은 것이 좋다. Aluminum 같으면 0.1~0.2mm, phenol 같으면 0.3~0.5mm 두께가 좋고 표면에는 요철이 적고 껄끄럽지 않은 것이 좋다.

(2) 회전수

Drill 회전수는spindle(회전축)의 최고회전수나 구멍의 요구품질을 감안한 것이라야 한다. 회전수=절삭속도는 drill 마모와 더불어 밀접한 관계가 있으며 고속에서는 drill 마모가 커진다. Resin smear는 절삭속도의 상승과 더불어 발생률이 많어지는 것으로 알려져 있다. 따라서 다층판에는smear의 발생이 비교적 적은 영역에서 회전수를 선택해야만 한다.

즉, Drill의 외주(外周)속도로 다층판가공시는V=160~180m/min., 양면판에서는V=200m/min.가 권장된다. 양면판의구멍뚫기에서는Smear 문제는 적고 오히려 고속가공시의 공구수명 저하나 가공능률에서 속도가 결정된다.

회전수와주속(周速)의 관계는 다음 식으로 표시된다.


(3) 않고 진도량(進度量: Chip Load)

Drill의 1회전 당의 진입량을진도량이라 하며 진도량은Drill이 구멍을 뚫고 나갈때의 절삭저항과 밀접한 관계가 있어 진도량의 증가와 함께 Torque(비트는 힘), Thrust(쑤셔넣는 힘) 다같이 비례적으로 증가해 나간다. 소경 Drill은 절손(折損)강도를 보강하기 위하여 심(芯) 두께를 두텁게하고홈폭(溝幅)비가 좁기 때문에 Thrust력(力)이 커지며 또 절삭 부스러기의 배출성이 저하되기 때문에 진도량은 그리 크게할 수는 없다.

(4) 관통 깊이

관통 깊이는 구멍뚫기 관통후의 Backup Board에서의 깊이로 PCB 밑면의 최하점에 있는 Drill 선단(先端)까지의 깊이이나 관통깊이도Entry Board와 같이 Aspect비가 커지는 요인이므로 너무 깊으면 drill의 절손사고 요인이 된다. 따라서 Drill경보다 깊어지지 않도록 할 필요가 있다.

(5) 구멍뚫기 방식

소경/깊은 구멍의 가공에는 특별한 방식으로 구멍을 가공함으로써 Drill의 절손을 적게 하고 구멍의 품질이나 위치정도 향상을 도모할 수 있다. 그 방법은 Double Drilling과 Step Drilling이다.


Double Drilling 않고 이라 함은 2종류 길이의 Drill을 사용하여 하나의 구멍 뚫기를 하는 방식으로 먼저 홈 길이가 짧고, 또한 강성이 높으며, 굽기 (만곡) 어려운 Drill을 사용하여 얕은 구멍을 안내공(Guide Hole)으로 뚫고, 다음에 소정의 홈 길이를 갖는 Drill로 남은 구멍을 뚫는 것이다.

이 방식은 최초에 굽기 어려운 Drill로 안내공을 가공하기 때문에 안내공은 주변의 얽힘에 의한 Drill의 굽기가 적어 위치정도가 좋다.

Step Drilling이라 함은 복수회의 Cycle로 구멍뚫기 가공을 완료하는 것을 말한다. 이 방법은 Drill을 몇번 구멍뚫기 도중에 끌어 올려줌으로써 절삭 부스러기에 의한 drill 절손이나 구멍의 품질저하를 억제할 수 있다.


(6) 않고 기판재료

가공물의 재질에 따라 부스러기 형상이나 절삭저항이 변하기 때문에 PCB 종류에 따라 가공조건이나 Drill의 재질이나 형상 등을 바꿔나가지 않으면 안된다.

PCB 중에서 절삭저항이 Torque, Thrust 다같이 기재에 비하여 수배 크고 절삭 부스러기 형상도 길게되는동박부분(내층부를 포함) 의 구멍뚫기가 가장 어렵다. 따라서 동박의 두께 (몇 Ounce의 동박인가)와 내층동박의 층수에 의하여 기판의 피삭성이 크게 달라진다.

즉 동박이 두터우면 두터울수록, 동박의 층수가 많으면 많을수록 가공하기 어렵다는 예기다.

PCB의 기재 차이(가령 Polyimide와 Epoxy)에 따라서도 Drill 마모와 Smear 발생률은 다르며 Glass 전이온도가 높은 Polyimide 쪽이 Drill 마모는 많으나 Smear 발생은 적다.


C. 않고 절삭공구재료

현재 일반적으로 절삭용 공구재료로 사용되고 있는 것은 그림5-2-3에 표시한바와 같이 가장 경질의 diamond에서 연질의 고속도강 (또는 공구강) 까지 다양한 종류의 것이 사용되고 있다. Drill은 가늘고 길며 또한 공구의 전단면(全斷面)이 칼날인데다가 상대적으로 중(重)절삭이기 때문에 내절손성(耐折損性), 인성(靭性: 질김성)이라는 특성이 요구된다.


PCB 않고 의 Glass Cloth Epoxy 수지의 복합재료를 가공하기 위한 공구 재료로 여러 가지 생각할 수 있으며 그림5-2-4의 내마모성 비교를 나타낸 것이나, 경도에서는 초경(超硬)보다 Ceramics(Alumina)쪽이 높아도 내마모성면에서는 오히려 뒤떨어진다. 고속도강도 Ceramics 등 보다는 훨씬 경도가 낮아도 마모는 오히려 Ceramics보다 적다.

이런 점에서 재료특성 중에서 중요한 것은 경도만이 아니라는 점을 알 수 있다.에 Glass Cloth Epoxy 수지의 복합재료를 절삭속도를 바꿔 가공했을 때의 각종공구재료


공구재료 중에서는 초경이 내마모성이 좋으며 나아가 초경 중에서도 K계열 종류가 가장 내마모성이 뛰어나다는 점을 알 수 있다.

K계열의 초경재는 복합탄화물 등의 합금성분이 적고 기계적 강도도 높아 신뢰성도 있으므로 수지-glass계의 절삭재료로는 경도와 함께 날끝(刃先)강도도 필요한 것임을 알 수 있다.


D. PCB 좋으며 나아가 초경 중에서도 가공용 Drill

그림5-2-5과 같이 PCB의 hole 가공에 사용되는 Drill은 Straight Shank부 (날부위를 제외한 몸체)의 직경이 일정한 3.175mm로 Dril만이 변하는 Roomer Type(셋방형) Drill이다. Roomer형 Drill은 Shank경이 일정하기 때문에 Drilling Machine의 콜레트(Collet: 小軸環) 등을 바꾸지 않고 공구자동교환을 쉽게 할 수 있어 NC(수치제어)의 자동 Hole Drill Machine 의 발달과 더불어 현재는 거의 모두가 이 형식의 Drill이다. 전장은 38.1mm로 Drill 전체가 초경합금제의 Solid Type이다.

Drill 사양은 용도에 따라 몇 가지 형식이 있으나 대표적인 것은 Straight Type이라는 Drill이다. 일반적으로는 Twist 각이 30度전후이며 공구강성과 절삭 부스러기 배출성에 대한 균형을 감안하고 있다. 용도로는 일반적인 단면, 양면의 Glass Epoxy PCB용으로 다층 PCB 가공에는 Smear 발생빈도가 Under-cut Type에 비하여 많기 때문에 적합치 않다.


E. Drill 좋으며 나아가 초경 중에서도 각부형상과 Hole 가공 성능에 미치는 영향

그림5-2-6에 drill 형상(Under-cut type 예시)과 각부 명칭을 표시한다. Drill을 기능면에서 크게 분류하면 drill bit를 유지하여 회전력을 전달하는 [Shank부]와 절삭부스러기를 배출해 drill 강도와 강성을 결정하는 [홈부], 절삭을 맡는 [날 선단(先端: Point)부]의 세 가지로 형성된다. 이들의 세부(細部)는 각각의 역할을 맡고 있으나 여기서는 중요한 몇 가지 형상에 대하여 기술한다.

1) Twist Angle (뒤틀림 각)

Twist 角은 절삭도에 크게 영향을 주며 Twist 각이 커지면 Torque가 감소한다.

게다가 Twist 홈은 Pump 작용을 갖고 있어 절삭 부스러기의 배출성에 영향을 준다. 절삭 부스러기의 배출성은 회전수나피삭재에 따라 최적치가 있다. 일반적으로 연질의 Aluminum 합금 등에는 Twist 각을 크게 하고, 딱딱하고 깨지기 쉬운 유리나 돌 등에는 Twist 각을 작게 한다.

2) Relief Angle (이탈각)

일반적으로 Relief Angle이 크면 Thrust(쑤셔넣는 힘)가 감소한다. 또한 Relief 면의 마모가 작아질 수도 있다. 그러나 초경(超硬) Drill과 같이 비교적 바스러지기 쉬운 공구재의 경우는 날 강도가 저하하여 날끝이 떨어져 나가기 쉽다. 일반적으로 강, 주철은 8~10度, PCB용 Drill에는 15~20度가 사용된다.


F. PCB 좋으며 나아가 초경 중에서도 용 Hole Drilling Machine의 종류

1) 탁상 볼반

어디까지나 기준 Pin hole 가공이나 보수 등의 생산 보조적 목적으로 사용된다.

동력은 전동 motor 직결형이며 기판을 수동조작과 핸들조작에 의한 Z축 구동으로 구멍뚫기를 한다. Spindle 회전수는고속형이라도12,000rpm 정도이다.

2) Z축 자동 볼반

Collet(小軸環) Jack을 바꿔 각종 Hole경의 Drill을 사용할 수 있는 기계이다. NC(수치제어) 다축(多軸) 볼반이 출현할 때까지는 이 기종이 주류였다. 현재는 구멍뚫기의 생산보조용으로서 기준 핀용Hole 가공에 사용되고 있다.


3) NC 좋으며 나아가 초경 중에서도 볼반

수치제어로 X-Y축의 위치를 결정하고 또한 spindle의 Z축 제어를 자동으로 하여 구멍뚫기를 한다. 사용 drill은 1/8inch Shank의 Roomer Type Drill이다. Spindle의 축수는 2~6축이 일반적이며 동시에 수 Set의 구멍을 뚫는다.

최근의 소경화, 고속화지향으로 고정도로 300hits/min 이상의 가공능력을 갖는 기계도 있다. Spindle의 최고 회전수가 80,000~120,000rpm, Z축 진입도가 12,000~27,000mm/min, X-Y축이 25,000mm/min로 되어 있다.

고정도를 유지하기 위하여 table의 구동 motor가 AC로, encoder에 의하여 위치를 feed back하는 closed loop 방식이 주류이다.

Drill의 chucking도 Auto Tool Changer(ATC) 방식이 주류이며 station당 20본에서 cartridge 교환형인150본의 것까지 있다. 또한 가공물의 교환속도를 높이고 볼반의 가동률을 향상시킬 목적으로 work station이라 할 수 있는 sub-table을 보유한 기계나, 피가공물의 자동교환도 여러 가지 개발돼 있다.

또 NC program 작성을 용이하고 또한 자동화하기 위하여 NC data의 자동판독기능을 갖추거나 소경/심공(深孔) 가공용으로 step 가공의 software가 붙은 볼반도 개발되어 있다.


G. Drill Hole 좋으며 나아가 초경 중에서도 가공의 품질사고

PCB의 Drill Hole 가공에서 발생하는 사고, 품질문제는 다음과 같다.

1) Epoxy Smear (가공중에내층동박에 부착한 수지)

2) Hole 만곡에 의한 Hole 위치정도

3) Hole 내벽면의거칠음

4) Pink Ring (내층동박의흑화처리면에 틈새가 생겨, 처리액으로 변색)

5) 공구수명

6) 출입구의 조각(Burr), Nail Head (못 대가리)

7) Drill의 절손

보통 경의 구멍뚫기와 비교해 소경 hole 가공에서는 상대적으로 hole의 aspect 비 (Hole 경/깊이)가 달라 Drill의 만곡강성과 강도의 저하, 홈의 협소화에 따른 절삭배출성의 어려움으로 Drill의 절손이나 Drill의 만곡에 의한 Hole 위치정도가 보다 중요한 문제로 된다.


5-2-2. 좋으며 나아가 초경 중에서도 기계가공

A. Router 가공

PCB의 외형가공에서 주로 사용되는 가공법은 Press에 의한 타공(Blanking: 외형만의 가공)과 Router를 사용한 Routing이 있다. Router를 사용한 외형가공의 장점은 면조도나치수정도가 뛰어나고 생산 Lot가 적을 경우에도 대응할 수 있는 유연성이다.

그러나 반면, 가공에 시간이 걸려 공구수명이 짧다는 점에서 가격증가요인이 생긴다.

Router Endmill의 공구강성은 적게 제한되어 피가공재의 적층판은 엷게 겹쳐 있기 때문에 가공중에 진동이 일어나기 쉽다. 따라서 Router는 판을 누르는 절삭력의 방향을 고려해 진동을 억제하도록 하여야만 된다.

또한 절삭 부스러기는 마모나 절삭열에 의하여 녹기 쉽고 이것이 Router 및 홈에 부착하기 쉬어 이를 신속히 배출할 필요가 있다. 이 때문에 절삭 부스러기를 잘게 할 수 있는 그림5-2-16과 같은 Diamond 눈 무늬 Router가 사용된다.


그림 좋으며 나아가 초경 중에서도 5-2-10. Diamond 무늬 Router Endmill

Router 가공기는 수작업이 거이 없으며 NC기에 의한 가공이 주류이다. Drilling과 공용하는 것이 있기는 하나 Radial 방향의 강성이나 소비동력도 Drill 가공에 비하여 큰 것이 필요하기 때문에 고마력, 고강성의 전용기계가 사용된다.

Spindle 선단부의 Pressure Foot는 기판을 누르는 역할과 동시에 절삭 부스러기를 빨아들이기 쉽게 고안돼 있다.


  • B. 좋으며 나아가 초경 중에서도 기타 PCB 가공용 절삭공구

  • PCB에서의 절삭공구를 사용한 주 기계가공은 ‘구멍뚫기 가공’ ‘Router(외형, 홈 가공)’ 이외에 다음과 같은 여러 가지 기계가공과 절삭공구가 있다.

  • - Slot 가공공구: Long Hole용 Drill, Router Endmill

  • 좌표가공 (다층 가열 Press화로 가려진 Register Mark를 들어내는

  • 절삭가공): 반월형 cutter, Left Twist Endmill

  • - 면고루기 가공: 우산 살무늬형Cutter (Bevel Cutter)

  • - V 홈 가공: V 홈 cutter (Side Cutter)

  • - Trimming: Trimming Cutter, Diamond 눈무늬Router Endmill

  • - 절단가공: 절단용 Cutter


C. Press ( 좋으며 나아가 초경 중에서도 타공) 가공

PCB의 외형만을 가공하는 것을 Blanking이라 하고 PCB의 Hole도 동시에 가공하는 것을 Punching이라 한다.

Press에 의한 외형가공의 장점은 가공시간이 빠르고 저가라는 점이며 동일 형상으로 다수 가공을 하는 소품종-다량형의 생산에 적합하다.

그러나 전단(剪斷) 가공인 Press는 面粗(面粗度), 치수정도상의 문제가 있다. 또한 금형의 제작이나 Step 교환 등에 시간이 소요되어 초기 투자가격이나 유연성이 떨어 진다.

Punching은 주로 Paper-Phenol이나 Paper-Epoxy 등 비교적 재료강도가 낮고 가공하기 쉬운 편면 PCB에 사용된다. 외형 Blanking 만의 경우 Glass Epoxy에도 사용된다.

판 두께는 2.0mmt가 한도이며, hole 경은 1.6mmt의 경우에서 pi 0.7mm가 최소경이 된다. 또 pin의 최소 Pitch 간격은 1.78mm 이다.


타공작업 좋으며 나아가 초경 중에서도

Press 기의 작업은 위험한 작업이므로 충분한 안전대책이 필요하다. Pattern을 맞추기 위해 미리 뚫어 놓은 안내 hole에 금형의 pin을 맞추어 (CCD Camera, X선 등으로 자동위치합치기계도 있음), Glass 기재의 경우는 상온에서, Paper-Phenol이나 Paper-Epoxy에서는 가열해 타공한다. 가열한 쪽이 마무리상태도 좋고, 능률, 수명에도 좋다. 가열온도는 60~80℃ 정도이며 온도는 10℃ 내외에서 관리하지 않으면 형상치수정도의 편차분포가 많아진다.

타공할 때 걸리는 저항을 전단저항력(응력)이라 하고 또한 이탈(뽑아 내는)할 때는 이탈저항이 걸린다. Press기의 능력으로는 전단저항력과 밀어 내리는 힘도 가산해 2배 정도 필요하게 된다.

전단저항력 = PCB의 전단응력×전단면적 (전단길이×판뚜께)

전단응력: Paper-phenol=8~12kg/㎟ (실온, 가열시는50~60%)

Glass-epoxy=40~50kg/㎟

2) Hole 경과 Hole 경 수축

PWB를 타공했을 때의 가공 Hole경은 탄성(彈性) 수축과 가열수축 때문에 Punch 경보다 80~90% 정도 작아 진다. 수축량은Punch경, 기판 두께, 재질, Punch경과 Die의 Hole경에 대한 Clearance, 가열온도에 따라 변화한다.


가공된 좋으며 나아가 초경 중에서도 Hole 단면은 그림5-2-11과 같이 입구측과 출구측이 접시모양 (Dish Hall)으로 된다. 접시모양이 됨으로써 부품의 자동삽입이 용이하다는 이점도 있으나 거칠어지기 때문에 도금의 신뢰성면에서는 문제될 수 있다.

출구측 접시모양 부문은 전단이라기 보다는 파단(破斷)에 의한 가공이라고 볼 수 있다.

타공된Hole의 단면, Hole경 精度는 Punch와 Die의 Hole徑과의 Clearance (그림5-2-12 참조)가 중요하며 0.05~0.1mm(한쪽)를 눈대중으로 하고 있으나 클수록 접시모양이 되기 쉽다.

또 금형이나Punch의 마모, 탄성수축도 다같이 영향을 미치므로 재연삭(硏削: 연마와 절삭) 등의 관리가 필요하다.


그림 좋으며 나아가 초경 중에서도 5-2-11. Punching된 Hole 단면

그림5-2-12. Punch-Die간의 Clearance


5-3. 좋으며 나아가 초경 중에서도 도금 가공

5-3-1. 도금 가공기술

PCB에 사용되는 주 가공기술로는 기계가공기술, 화상형성기술, 열처리 기술, 표면처리기술 등이 있다. 이들 가공기술 중 구멍이 뚫린 Through Hole 벽면의 절연층 기재 상에 도전성을 주기 위하여 무전해동도금을 하고, 이어 전기 동도금에 의하여 도체 배선층간을 접속하는 Through Hole 도금기술은 특히 중요하며

PCB의 품질에 크게 작용한다.

PCB 제조에 사용되는 도금으로는 납땜 접합성 및 Etching Resist로서의 납땜 도금(주석-납 합금), 접점(Bonding)용으로서의 금도금과 그 바탕에 대한 Nickel 도금 등이 있으며 모두 전기도금 또는 화학도금이 처리되고 있다.


5-3-2. 좋으며 나아가 초경 중에서도 각종 도금의 원리와 특징

금속염(金屬鹽)을 포함하는 수용액에서 금속 Ion을 환원해 素地표면에 석출시키는 도금방법에는 전기도금과 무전해 도금이 있다.

무전해 도금은 화학 도금법이라고도 하여

1)치환 도금, 2)환원 도금 으로 분류된다.

그림5-3-1은 이들 도금법의 개요를 나타낸 것이다.

그림5-3-1. 습식도금의 개요도


치환도금은 도금액 중에 용해하고 있는 금속보다도 전기 화학적으로 비(卑)금속을 도금액에 침지(浸漬)시켜 그 비금속 위에 귀금속의 도금피막을 얻는 방법이다.

이 치환도금의 경우, 素地(바탕) 금속의 용해에 따라 유리 (遊離)하는 電子에 의하여 금속 Ion이 환원되어 소지가 도금피막으로 완전히 피복 되면 반응이 정지하므로 도금 피막은 비교적 얇고 밀착성도 약하다고 말 할 수 있다.

환원도금은 공업적으로 널리 사용되고 있으며 이 도금방법을 일반적으로 무전해 도금이라고 말한다.


무전해 금속보다도 전기 화학적으로 비 도금(환원도금)은 금속염, 환원제, 착화제(錯化劑)를 포함한 도금액에 피도금물을 침지해 그 표면에만 금속 Ion을 환원시켜 석출시키는 방법이다.

무전해 도금은 電子가 환원제에서 공급되므로 도금피막은 임의 두께를 얻을 수 있어 치밀한 피막을 얻을 수 있다.

전기도금은 외부의 직류전원에서 공급되는 전자에 의하여 도금액중의 금속 Ion이 Cathode에서 환원되어 석출한다.

전기도금은 대극(對極)이나 직류전원(정류기) 등을 필요로 하지만 석출(막후)은 공급되는 전류와 시간으로 조정이 가능하여, 소정 두께의 피막을 용이하게 얻는다.

전기도금이나 무전해 도금 다같이 각각 도금액 중의 성분, 작업조건 등에 대한 관리가 중요하다. 전기도금과 무전해 도금과의 비교를 표5-3-1에 정리 했다.


금속보다도 전기 화학적으로 비5-3-1. 전기도금과 무전해 도금과의 비교


A. 금속보다도 전기 화학적으로 비전기도금

전기도금에서 도금피막에 요망되는 성질로는 다음과 같은 것들이다.

1) 소지(素地)와의 밀착이 좋을 것

2) 평활 하고 균일한 두께를 얻을 수 있을 것

3) 광택이 있을 것

4) 기계적 강도가 클 것

5) 내식성이 있을 것

전기 석출피막의 물리적, 화학적 성질 및 상태 등은 전류밀도, 금속 Ion 농도, 첨가제 농도, 浴溫 및 pH 등의 전해조건에 따라 현저히 다르다.

특히 전기 도금욕중의 첨가제는 석출피막의 형태를 개량하는 목적으로 사용되고 있다. 첨가제는 Levelling, 광택화를 위해 몇 가지 유기성분을 함유하고 있어 결정을 미세화하고 석출피막의 물성을 향상시키므로 이 첨가제 농도를 올바르게 제어, 관리할 필요가 있다.


전기도금은 양극 금속보다도 전기 화학적으로 비(Anode)에서는 금속이 용해하고 음극(Cathode)에서는 금속이 석출되지만 이 때 석출 또는 용해하는 금속량은 Faraday의 법칙에 의하여 결정된다.

이 법칙은 온도, 전류밀도 등에는 전연 무관하므로 목적하는

금속의 석출량(두께)은 전해조에 흐르는 전기량을 측정함으로써 구해진다.

1 gram 당량(當量)의 금속 또는 물질을 석출시키기 위하여 필요한 전기량은 일정하며 이 전기량을 1 Faraday(F)라 하여 96487 coulomb에 해당한다.

여기서 1 coulomb 은 1 A의 전류가 1초간에 운반하는 전기량이다.

I Ampere의 전류로 t초간 전해하면 전극에 석출하는 물질량 m(g)은

m = K・I・t

K는 1 coulomb의 전기량으로 석출하는 물질의 g 수이다.

유산동도금욕에서 동을 석출시킬 경우 1 F의 전기량을 흘리면 동 1g 당량63.57 / 2 = 31.8g의 동이 Cathode에 석출되며, 銅 Anode로부터

같은 양의 동이 Cu2+로 되어 용해한다.


B. 금속보다도 전기 화학적으로 비무전해 도금

무전해 도금은 금속착(金屬錯) Ion의 Cathode 석출과 환원제의 Anode 산화의 동시반응으로 촉매활성을 갖는 피도금물 표면에서 환원제에 의하여 금속착Ion이 금속으로서 환원 석출하는 반응이다. 무전해 도금의 특징은 다음과 같다.

1) 촉매화 처리를 함으로써 비전도체에도 도금 가능.

2) 복잡한 형상의 피도금물에도 두께를 균일하게 도금 가능.

3) Pin Hole이 적은 도금이 가능.

4) 特異한 기능을 갖는 도금 막을 얻을 수 있음.

5) 설비, 조작이 간단함.

무전해 도금은 특히 전자부품공업에서 다양한 소재, 소형, 복잡한 형상의 부품에 널리 사용되지만 여기서는 대표적인 사용에 관해서만 기술한다.

1) 동 도금

거의가 Formalin을 환원제로 하는 Alkali 浴으로 용도에 따라 욕조성이 다르나 무전해동의 반응은 같다.

무전해동도금의주반응

Cu2++2e-→Cu0

2HCHO+4OH-→2HC00-+H2+2H2O+2e-

Cu2++2HCHO+4OH-→Cu0+2HCOO-+H2+2H2O


2) Nickel 금속보다도 전기 화학적으로 비도금

산성욕, 중성욕, Alkali욕 등 많은 욕종이 있으며 환원제로 次亞燐酸(Phosphorus) Natrium및 硼(Boron)水素화합물을 사용할 경우에는 P 또는 B가 Ni와 같이 석출해 비정질합금이 된다. 주로 Ni-P막(膜)의 내식성, Ni-B막의 납땜 붙임성을 이용한 용도가 많으나 PCB도 치환 금도금의 바탕으로서 사용이 증가하고 있다.

무전해Nickel 도금의 주반응

Ni2++2e→Ni0

H2PO2-+H2O→H2PO3-+2H++2e

Ni2++H2PO2-+H2O→Ni0+H2PO3-+2H+

무전해도금욕은 표5-3-2에 표시한 것처럼 주성분은 금속염, 환원제, 착화제이나 기타 소량의 첨가제, 안정제를 포함할 경우가 있다.

도금속도를 지배하는 주요한 인자는 욕조성 외에 온도, pH, 첨가제 등의

영향도 받는다.


금속보다도 전기 화학적으로 비5-3-2. 무전해 도금욕의 구성


5-3-3.PCB 금속보다도 전기 화학적으로 비제조와 도금

PCB 제조는 공업화에 따라 많은 기술개발로 가격, 품질, 신뢰성, 환경 등에 대응한 신 공법이 개발되었다. 특히 도체간을 전기적으로 접속하는 Through Hole 도금은 도통신뢰성을 좌우하는 중요한 인자이므로 보다 고도의 도금기술이 요구된다.

Through Hole PCB 제조방법은 대별해 Subtractive법과 Additive법이 있으나 다음에 각 제조법에서의 도금가공의 위치를 개략적으로 기술한다.

Subtractive법에서는 양면 동장(銅張)적층판을 사용해 구멍 뚫기후, Through Hole 내벽의 절연물 표면에 도전성을 주기 위한 무전해동도금을 실시한다.

그 후 전기 동도금으로Through Hole내에 약 25㎛ 도금하고 Etching Resist로는 Solder 도금이나 또는 Dry Film을 Laminate(적층)하여 Etching에 의하여 회로를 형성한다.


한편 금속보다도 전기 화학적으로 비Additive법에는 Semi-Additive, Full-Additive, Partly-Additive 의 세 가지 방법이 있으며 Semi-Additive법에서는 동박이 없는 특수 적층판을 사용해, 구멍 뚫기 후 소재와 무전해동도금과의 밀착을 높이기 위한 화학처리 후, 적층판 全面에 무전해동도금을 약 2~3㎛ 올리고,

‘패턴’형성후 전기 동도금으로 회로를 형성한다.

Etching 막후가 얇으므로 fine pattern 형성에 적합하지만 도금피막과 적층판과의 밀착신뢰성에 문제가 있다.

Full-Additive법에서는 동박이 없는 특수 적층판을 사용해 구멍 뚫기후 도금 Resist를 형성해 무전해동도금으로 회로를 형성한다.

이 방법은 ‘패턴’부, Through Hole부를 무전해동도금으로 형성하므로 소경 Through Hole, Blind Hole에서도 양호한 도금을 얻을 수 있으며 또 회로표면의 석출이 평활하므로 표면실장에 적합하다는 등의 특징이 있다.

그러나 무전해동도금의 석출속도, 도금액의 경신 등에 대한 문제가 있다.


Partly-Additive 금속보다도 전기 화학적으로 비법에서는 원판을 사용해 구멍 뚫기, 촉매 부여 후 소정 회로를 Resist로 보호하고 Etching으로 회로를 형성한다.

이어 Solder Resist를 부여해 Through Hole 등의 노출 부분에 무전해동도금을 실시한다.

이 방법은 Through Hole만에 무전해동도금을 하므로 소경 Through Hole에 균일한 석출이 가능하며 ‘패턴’의 밀착성도 좋고 회로간에 촉매가 남지 않는 등의 특징이 있다.


5-3-4. 금속보다도 전기 화학적으로 비다층 PCB의 무전해동도금

PCB 제조에서 Drilling의 내벽상태는 Through Hole 도금의 품질과 접속신뢰성에 영향을 미치므로 무전해동도금의전처리공정은 중요하다.

구멍 뚫기를 위한 Drilling 조건을 잘 관리해도 Through Hole 내벽에 절삭 부스러기 등이 남는다.

이러한 상태로 도금하면 Void, Blow Hole, Through Hole 내벽 박리(이탈) 등의 원인이 되므로 Hole Cleaning 이 필요하다(표5-3-3참조).


금속보다도 전기 화학적으로 비5-3-3. 무전해동도금의전처리공정


Desmear 금속보다도 전기 화학적으로 비

다층 PCB 제조에서는 Drilling에 의한 마찰열로 용융한 수지(Smear)가 Hole내의 내층회로면에 부착하여 접속 장해를 일으키므로 Desmear가 필요하다.

PCB는 지금까지 Drilling 관리나 여러 가지 고안으로 Smear 발생을 미연에 방지하고 있으나 다층 PCB의 증가, 소경 Through Hole의 일반화에 따라 “구멍 뚫기 조건을 관리해 Smear를 발생시키지 않는다”는 대응이 어려워져 Desmear사용이 일반화되었다.

전부터 Desmear처리방법으로서 Chrome 酸법, 濃硫酸법, Plasma 법을 사용해 왔으나 현재 가장 일반적인 Desmear처리방법으로는 過 Manganate(酸鹽)를 기초로 하는 산화제 용액을 사용해 다음 3 공정으로 처리한다.

1) MLB Conditioner

용제와 가성소다가 주성분이다. Epoxy 표면에 근소하게 침투하여 수지를 팽윤(膨潤:적시어 부풀림)시킨다.

다음 처리(過망간산)에서 표면을 쉽게 처리할 수 있게 한다.


2) MLB Oxidizer(Etching) 금속보다도 전기 화학적으로 비

Alkali성의 過망간산카리(소다)용액으로 산화작용을 갖는다.

銅상에 부착된 Smear를 용해함과 아울러 약간의 銅도 용해한다. 이 처리에 의하여 수지표면은 Microporous(미소 구멍)상태가 되어 Catalyst(촉매)의 흡착을 촉진한다. 또 무전해동도금의 밀착성도 향상시킨다.

3) MLB Neutralizer(중화)

이 용액은 산성이며 환원작용으로 기판표면,Through Hole 내벽에 남은 2酸化 Manganese

나 過망간 그리고 過망간酸鹽을 제거한다.


B. 금속보다도 전기 화학적으로 비무전해동도금 전처리

도금가공에서 도금의 전 처리는 중요한 공정이며 각각의 처리 후 Through Hole 내벽의 세정(洗淨) 내층 銅面 동박면의 조화(粗化)와 무전해 동도금을 하기 위한 촉매화를 확실하게 한다.

1)Cleaner Conditioner

이 공정은 동박표면에 부착한 기름, 산화물, 지문 등의 오염을 제거하고 다음 Etching에서 동박 全面이 균일하게 Etching 될 수 있는 표면상태로 만든다.

Cleaner 공정에서는 Through Hole 내벽을 완전히 적시어 그 후의 공정에서 처리액과의 교환을 용이하게 할 수 있게 한다.

Conditioner의 목적은 Through Hole 내벽에 Catalyst가 흡착하기 쉬운 표면을 형성하기 위한 것이다.

특히 smear 처리된 Through Hole 내에서 glass 섬유는 負표면전하를 띠고 있어 負電荷의 Catalyst가 흡착하기 어려우므로 무전해 동이 석출하지 않아 Void의 발생으로 된다.

Conditioner 에는 카치온계 활성제가 사용되어 Glass 섬유부의 전하를 중화해 Catalyst 의 흡착을 용이하게 하는 작용을 한다.


2) Soft Etching 금속보다도 전기 화학적으로 비

동박 및 내층 동표면을 약간 Etching하여(약 1㎛), 동박과무전해동도금과의 밀착강도를 높인다. 또 이 공정으로 Conditioning제를 동표면 에서 확실하게 제거한다.

Etching 제로는 과유산염계, 유산-과산화수소계 등이 있으며 사용하는 약품의 종류에 의하여 동표면의 조화상태가 상이한 과유산염계를 사용할 경우 후공정에희유산(稀硫酸) 처리가 필요하다.

3) Catalyst Pre-Dip

Catalyst 용액에 넣기 직전에 Pre-Dip을 한다. 이 Pre-Dip은 Catalyst 용액의 全成分에서Catalyst를 제거한 성분으로 이루어져 염화Natrium을 주성분으로 한 低염산농도이다.

이 Pre-Dip의 주목적은 고가인 Catalyst의 오염방지에 있다.


4) Catalyst (Activation) 금속보다도 전기 화학적으로 비

완전한 무전해동도금의 피복에는 좋은 Catalyzation이 필요하다. 지금까지 모든 전 처리는 이 공정을 최적화하기 위하여 수행된다.

공업적으로 가장 많이 사용되고 있는 Catalyst는 염화 Palladium - 염화 주석의 안정한 반응 생성물의 산성 용액이다.

Colloid(아교질)의 크기는 50~300Å으로 중심부가 Pd-Sn합금이며 그 중심 핵을 Sn-rich한 Pd-Sn화합물이 둘러싸고 있다.

Colloid는 負로 체전하고 있어 고농도의 Sn화합물로 싸여 있으므로 Accelerator 처리에 의하여 처음으로 활성화된다.

다른 Catalyst로는 Palladium-유기화합물의 Alkali형 동을 사용한 중성형 등도 있다.

5) Accelerator

이 공정은 가장 널리 사용되고 있는 Pd-Sn Colloid형에 사용된다. Accelerator는 PCB 표면에 흡착한 Catalyst에서 표면의 주석을 용해해 Catalyst의 촉매활성을 높여 무전해 동도금의 초기 반응을 촉진시킴과 아울러 동박과무전해동도금과의밀착성을 향상시킨다.

Accelerator 처리는 Conditioner와 같이 무전해 동도금의피복력에 영향을 준다.


C. 금속보다도 전기 화학적으로 비무전해동도금

PCB 제조에 사용되는 무전해동도금은3종류로 분류된다.

1) Low Copper (Panel 도금용) 0.3~0.5㎛

2) Heavy Copper (一次銅 생략용) 1.5~2.0㎛

3) Heavy Copper (Additive용) 20~25㎛

그림5-3-2. Subtractive법에서의 도금공정


Through Hole 금속보다도 전기 화학적으로 비도금의 경우 무전해동도금의 물성은 도금두께가 얇을 때는 별로 중요하지 않으나 Additive용의 경우 도금피막의 물성(항장력, 연성, 내부응력)은 매우 중요하다.

Subtractive 법에 사용하는 무전해동(그림5-3-2)은 Through Hole의 신뢰성이 전기동도금의 물성에 기인하는 것으로 피막 물성은 별로 중요하지 않다. 그러나 무전해동도금은 욕(浴)의 안정성, 넓은 관리폭 이외에도 다음 사항을 만족해야만 한다.

Through Hole 내벽 (수지, Glass 섬유)에 밀착이 좋고 균일하게 도금돼야만 한다.

2) 다음의 전기 동도금전처리공정에 견딜 수 있는 두께와 치밀한 결정 (結晶)일 것.

3) 다층 PCB의 경우에는 내층 동박과의 밀착력이 양호할 것.

한편 Additive에 사용하는 Thick 무전해동도금의 신뢰성은 피막의 물성 중에 연성(延性)이 가장 중요하다. 연성에 영향을 주는 인자는 미량첨가제, 욕중의용존(溶存)산소, 수소 Gas 흡장(吸藏)이나 불순물의 공석(共析: 동시 석출) 등이 있다. 또 Additive용의 무전해 동은 설출 피막의 물성이 중요하므로 도금욕의 제어가 중요하고 사용하는 원료의 순도, 주성분의 농도 관리, 여과 등을 고정도로 제어해야만 한다.


무전해 금속보다도 전기 화학적으로 비동도금욕은 전기 동도금과 달리 동의 석출과 함께 부 생성물로서 개미酸 Soda, 탄산 Soda, 유산 Soda 등이 축적하여 이들 물질이 욕중에 일정 이상의

농도가 되면 동피막의 물성 저하나 도금 불량의 원인이 되므로 주의를 요한다.

PCB 제조에 사용하는 대표적인 무전해동도금의 조성은 표5-3-4과 같다.

어느 무전해동도금액이라도 기본 욕 조성은 같으며 금속염으로는유산동, 염화동, 산화동이 사용되며 착화제(Chelate제)로서 Rochelle 염, EDTA, クアドロ-ル, Alkali제 (pH조정제)로서 수산화 Natrium등이 사용된다.

안정제로서 무전해동도금의 분해방지, 도금욕의 안정성 향상, 도금 피막의 물성 향상 등의 목적으로 치오 尿素 등의 유황 화합물, Biphyridine등의 질소화합물이 각 용도에 따라 사용되고 있다.


5-3-5. 금속보다도 전기 화학적으로 비전기 동도금

전기 동도금의 요구성능

PCB의 신뢰성은 Through Hole 전기 동도금의 신뢰성이라고 할 수 있을 정도로 매우 중요한 공정이다.

Subtractive법은 그림5-3-2와 같이 3종류의 제조법이 있으며 電氣 동도금은Panel 도금, Pattern 도금으로서 사용되고 있다.

Through Hole 전기동에 요구되는 중요한 성능으로는 다음과 같다.

균일전착성(均一電着性: Throwing Power), 기판표면의 도금두께 분포와

Through Hole 내 및 표면간의 도금 두께 균일성

2) 석출피막의 물성 (항장력, 연성, 내부응력, 경도)

3) Levelling성

PCB 제조에 사용되는 전기 동도금은Pyrophosophate(피로 燐酸) 동도금 욕과

유산동도금욕이 있으며 1970년대는 주로 Pyrophosophate동도금이 채용돼

왔으나 1980년경부터 유산동도금욕이 보급하여 현재는 유산동도금욕이

주류이다.


Pyrophosophate 금속보다도 전기 화학적으로 비동도금욕은Alkali성 욕으로 균일 전착성과 피막물성이 뛰어나 PCB 제조의 Through Hole 도금으로 예로부터 사용되어 왔었다.

그러나 Pyrophosophate동도금욕은 첨가제의 관리, 도금 주성분의 변동 등, 욕 제어가 어렵고 또 오르산 인산의 축적에 의한 정기적인 욕 갱신, 폐수처리상의 문제, 수용액성Dry Film을 사용할 수 없는 등의 이유로 유산동 도금욕으로의 전환이

진행되었다.

또한 Pyrophosophate동도금한 기판표면에 알카리 이온이 잔류해 이것이 절연 노화를 일으킨다는 사례가 보고되고 있다.

1)균일 전착성(均一 電着性: Throwing power)

균일 전착성은 PCB의 성능, 가격에 영향을 주어 균일 전착성이 낮은 도금욕을 사용하면 Through Hole 표면의 도금 막후(膜厚)가 보다 두껍게 된다. 이 경우 과도한 동을 석출시키기 때문에 제조비가 높아지고 또 Final Etching 공정에서 Etchant의 과도 사용이나 표면막후가 엷은 기판의 중심부는 Over Etching이 되어 Fine Pattern의 결손 원인이 된다.

Pyrophosophate동도금욕은동착염(銅錯鹽)으로 부터의 전석(電析) 으로 분극이 크므로, 균일 전착성이 뛰어나다. 한편 유산 동도금욕은분극이 작으므로 균일 전착성을 향상시키기 위해서는 도금액의 전도도를 높여 욕전압을 내릴 필요가 있다. 특히 高 Asbestos(석면성) PCB의 도금에는 유산동 농도를 낮게 하여 유산 농도를 증가시켜, 도금액의 전도도(電導度)를 높여서 사용한다.


2) 금속보다도 전기 화학적으로 비석출피막의 물성

Through Hole 전기 동도금의 물성은 PCB의 도통신뢰성의 확보와 품질보증상 극히 중요하다. PCB에 반도체 부품을 실장 하는 납땜 붙임 온도에서 배선판의 적층기재와Through Hole 도금한 동과의 열팽창계수가 크게 다르기 때문에 Through Hole 도금에 큰 Stress가 걸린다. 그림5-3-3(a)에 동 및 각 기재의 Z축 열팽창률을 표시한다.

Through Hole 도금피막이 이 Stress에 견디지 못하면 접속신뢰성을 저해하는 Corner Crack 또는 Barrel(동체) Crack을 일으킨다. 그림5-3-3(b)에 Through Hole부의 접속파괴를 표시한다.

동도금 피막의 물성은 첨가제의 분해생성물의 축적, 전처리공정에서의 약품 혼입, 도금 Resist로 부터의 유기물 용출 등으로 보다 물성이 저하하므로 도금욕의 관리가 중요하다


3) 금속보다도 전기 화학적으로 비Levelling

Through Hole 도금의 Levelling성은 도금면이 소지(素地) 표면보다 평활 하게 되는 작용을 말하며 요철표면의 철부(凸部)보다 요부(凹部)에 보다 많은 금속이 석출되는 작용으로 Hole 내벽의 상태가 거칠어졌을 경우 동도금의Levelling작용으로 Hole 내벽을 평활하게 하는 것이다.

B. Pyrophosophate동(피로燐酸銅)

Pyrophosophate동도금욕 조성과 작업조건을 표5-3-5에 표시하지만 도금욕의 주성분은 Pyrophosophate동과 PyrophosophateKalium이다.

Pyrophosophate동은 물에 녹지 않으므로 PyrophosophateKalium용액에 Pyrophosophate동을 첨가하여 용해시킨다. Pyrophosophate동욕은 폐수처리의 어려움 때문에 Alkali 가용성 Resist를 사용할 수 없고, 광택제의 관리폭이 좁으며 オルソリン산염 생성에 의한 욕의 경신 등 문제점이 있다.

유산동욕과 비교해 Pyrophosophate산동욕의 특징은 약 Alkali 성이므로 장치의 부식성이 적어 Anode Bag이 불필요한 것 등이다.


5-3-6.Solder 금속보다도 전기 화학적으로 비도금

Solder 도금은 錫-鉛의 합금도금으로 Connector나 Lead Frame 등의 전자부품을 위시해 PCB의 Through Hole 도금(주로 Etching Resist)에 사용되고 있다.

PCB의 Solder 도금은 주석 60%, 납 40% 비율의 저융점 합금도금으로 광택 Solder 도금욕과무광택Solder 도금욕이 사용되고 있다.

광택 Solder는 도금 외관이나 Solder 젖임성이 좋으므로 주로 FPC에 사용되고 있다.

PCB의 Solder 도금은 1970년대 고농도 硼弗化(Boron Fluorine)욕이 주류였으나 1980년대에는 균일전착성이 뛰어난 저농도硼弗化浴으로 급속 전환되었다.


PCB 금속보다도 전기 화학적으로 비의 Through Hole Solder 도금에는 Etching Resist로서의 성능, Fusing의 용이성 등이 매우 중요하다.

이 때문에 Throwing Power가 우수하고, Pin Hole 없이 매끈하며, Sn-Pb의 석출비율 변화가 작고, 유기공석(共析)물(주로 탄소)에 의한 Outgassing이 없어야 된다는 점이 요구된다.

Etching Resist로서의 Solder 도금은 Tenting(Dry Film)이나 구멍 매입법(수지, Ink)에 비하여 피막의 경도나 취급 용이성이 뛰어나며 신뢰성은 가장 높다.

석출비율은 Fusing을 고려해 Sn60%-Pb40%의 공정 (共晶) Solder 도금이 사용되고 있으며 통상 7~10㎛ 도금돼 있다.

표5-3-7에 무광택 Solder 도금의 욕조성과 조건을 표시했다. Solder 도금 Sn(-0.130V)과 Pb(-0.126V)와는 석출전위가 접근하고 있어 평형공석 (석출한 합금중의 2금속비가 용액중의 금속 비와 같음)이므로 용이하게 공석하기 쉽다.


최근 금속보다도 전기 화학적으로 비붕불화욕(硼弗化浴)의 공해대책으로 비불화욕 Solder 도금의 채용이 증가하고 있다. 비불화욕의 첨가제 개량이 진전되어 붕불화욕 이상의 성능을 얻고 있다.

PCB의 Solder 도금은 금속 Etching Resist로서 회로형성후, Fusing을 하여 Solder Through Hole 기판의 제조에 사용되어 왔으나 최근 PCB의 고밀도화에 따라 회로형성 후, Solder 도금을 박리해 동 Through Hole기판(SMOBC)을 제조하는 방법이 주류로 되고 있다. 지구환경보호, 작업환경개선, 납의 배수처리규제 강화에 대응해 Solder 박리법으로Solder 도금에서 주석도금으로 이행하고 있다.


5-3-7. 금속보다도 전기 화학적으로 비단자도금

PCB의 단자도금은 Connector의 반복 착탈에 견디는 내마모성, 내식성, 저 접촉저항 등이 요구된다.

단자도금은 주로 Nickel 도금과 금도금이 사용되고 있다. Nickel 도금의 주목적은 素地 동의 확산을 방지하는 장벽으로 도금 두께는 Nickel 3~6㎛, 금은 1~1.5㎛이 일반적이다.

A. Nickel 도금

단자도금에 사용되는 Nickel 도금의 대표예를 표5-3-8에 표시한다.

Watt욕은 일반적으로 많이 채용되고 있는 도금욕이다. 설파민 산욕은 와트욕보다 내부응력이 작고 균일전착성이 뛰어나므로 이 욕의 사용이 증가하고 있다. 설파민 산욕에는 全 설파민 산욕과 양극의 용해를 촉진하기 위한 염화Nickel욕, 취화(臭化) Nickel욕도 있다.


B. 금속보다도 전기 화학적으로 비금도금

금은 화학적으로 매우 안정한 금속이며 내산화성, 전기특성, 접촉저항 등이 뛰어나므로 금도금은 공업적으로 널리 이용되고 있다. 현재 금도금욕은 다음과 같이 대별된다.

* Cyan Alkali 욕

중성, 약 Alkali욕

유기산을 포함하는 약산성욕

* No Cyan 욕

일반적으로 Cyan Ion은 금속과 결합하여 안정한 착(錯)화합물을 만들어 예로부터 많은 도금욕에 사용되고 있다. 이 경우 Cyan 도금은 Alkali성이다.

PCB의 단자 도금은 이 약산성욕이 주류이며 他 욕과 비교해 pin hole이 작고 내식성도 양호하다. 전류효율은 35~45%이나 높은 전류밀도에서 작업할 수 있다. 미량의 Ni나 Co의 첨가로 경도를 얻을 수 있으며 내식성, 내마모성도 뛰어나는 등 많은 특징이 있으며 이 용도에 다용되고 있다. 최근에는 고속분류(噴流)법에 의한 고속도 도금이나 pulse 전해에 의한 물성개선도 하고 있다.

Bonding용, 표면실장용에는 중성욕이 사용된다.


5-3-8. 금속보다도 전기 화학적으로 비도금기술동향

Direct Plating

일본은 1960년대부터 PCB 제조에 무전해동도금을 공업적으로 채용하여 Through Hole 전기 동도금에 대한 기술로서 고신뢰, 고밀도 PCB제조의 주류가 되었다.

그간 무전해동도금은 도금욕의 안정성 향상, 욕의 장수명화, 폐액의 감소, Full Additive 욕 등 많은 기술개발로 PCB 제조의 발달에 크게 기여했다.

그러나 근년에 이르러 환경문제, 배수처리 규제가 엄해지고 무전해동도금욕에 사용되는 Formalin은 자극적인 냄새로 인한 작업환경 악화, Chelate제로서 사용되는 EDTA는 특히 Europe에서는 물규제가 강화되고 있다.

이러한 환경상의 문제 때문에 무전해동도금을 사용치 않고 직접 전기 동도금이 가능한 Direct Plating(DP)이 개발되었다.


그 후에도 각종 금속보다도 전기 화학적으로 비DP Process가 발표되어 현재 세계중에서 13~14% 상당의 500사가 DP Process를 채용하고 있으며 특히 환경오염에 대한 규제가 엄한 Europe 에서는 DP Process가 많이 채용되고 있다는 것이다.

일본에서도 최근에 이르러 DP Process를 채용하는 PCB Maker가 증가하고 있다.

각 PCB Maker 다같이 DP Process 채용의 주요인을 환경문제, 배수처리비, Through Hole 내 도금비, 성력화, 생산성이라는 항목을 들고 있다.

DP Process는 수평 Conveyer 방식으로도 사용할 수 있으므로 보다 좋은 효과가 있다고 한다.


B. DP Process 금속보다도 전기 화학적으로 비의 종류

현재 PCB 제조에서 무전해동도금을 대신하는 Direct Plating은 Palladium계, 도전성 Polymer계, Carbon Graphite계로 분류된다.

Palladium계는 종전의 무전해동도금에서 사용된 Catalyst와 같은 Pd-Sn Colloid형과 주석을 포함하지 않는 Tin Free Pd형이 있다. 각각의 DP Process 마다 특징이 있으며 여기서는 Pd-Sn Colloid형에 대한 개요를 기술한다.

1)DP process 공정

Pd-Sn Colloid형 DP process의 대표적인 공정을 표5-3-10에 표시한다.


이 공정은 통상의 금속보다도 전기 화학적으로 비cleaner, conditioner 처리후, Pd-Sn Colloid를 흡착시킨 후, 동 Ion을 포함하는 Accelerator 처리로 Colloid 중의 Sn2+에 의한 불균화(不均化) 반응으로 동 Ion 이 환원되어 금속상의 도전성 피막을 생성시킨다. 이 공정은 전기저항이 낮으므로 전기 동도금으로 covering이 신속히 이루어지는 것이 특징이다.

2)DP process의 문제점

현재 DP Process는 많은 PCB Maker의 채용이 증가하고 있으나 무전해 동도금Process와 비교해 DP Process의 문제점으로 내장 동박과 전기 동도금의 밀착강도에 대한 점과, 또 고 Aspect 비의 Through hole에서 중심부의 동도금에 대한 Covering 등이다.

이들 DP Process의 공통점이 개량되면 많은 장점이 있으므로 금후 보다 많이 보급될 Process이다.


C. 금속보다도 전기 화학적으로 비무전해Nickel, 금도금

최근 PCB의 고밀도화, 전자부품의 소형화나 실장의 고밀도화가 진전되어 PCB의 실장방법은 SMT의 표면실장방법 뿐만 아니라 COB(Chip On Board) 방법, MCM 방법 등이 증가하고 있다.

Through hole 배선판은동표면이 용이하게 산화하여 경시적으로는 납땜붙임성이 나빠진다.

따라서 PCB 제조 후 부품실장까지 사이에 동표면의 산화를 방지할 필요가 있다.

현재 동표면의 산화방지처리로는 Hot Air Leveler(HAL) 처리, 내열 Pre-Flux, Solder Pre-Coat 처리, 무전해Nickel 금도금 처리가 사용된다.

특히 무전해Nickel 금도금처리는 독립회로 Pad상에 균일한 두께가 얻어지며 또 납땜붙임성도 뛰어나 COB 실장에도 대응할 수 있는 표면처리 방법으로 주목되고 있다


COB 금속보다도 전기 화학적으로 비실장용에는 Bonding용 전기 동도금 또는 무전해 금도금이 사용되어 왔으나 치환 금도금 (0.05~0.1㎛)의 막후에서도 Wire Bonding 전에 Plasma Cleaning 에 의한 세정을 하면 양호한 Wire Bonding을 할 수 있다는 보고가 있어

금후 이 공정은 SMT용 납땜 붙임용COB용에 대한 적용에 보급할 것으로 본다.

PCB상 무전해Nickel 금도금 처리공정을 표5-3-11에 표시한다.


5-4. Pattern 금속보다도 전기 화학적으로 비형성

5-4-1. 공정 개요

Dry Film Photo Resist(DFR)를 사용하는 사진법에 의한 화상형성공정에 관한 개요를 설명한다.

일반적인 DFR은 그림5-4-1과 같이 Cover Film/Photo Resist(고체)/Carrier Film의 3층 구조로 돼 있다.

Cover Film은 Resist 면을 보호하기 위한 것이며 Laminate 전에 벗겨진다 (박리).

Carrier Film은 Laminate~노광공정에서Resist 면에 직접 Roll이나 Mask가 접촉하지 않도록 하는 보호목적과 Laminate 시에 Resist에 Film 성을 주어 Laminate 하기 쉽게 하기 위한 것이다.

사용 Film로는 Cover Film이 Polyethylene Film, Carrier Film은 Polyester film이 일반적이다.


화상형성에 의한 도체형성공정은 ‘ 금속보다도 전기 화학적으로 비에칭’(Etching)법과 도금법으로 대별된다. 그림5-4-2에는 ‘에칭’법에 의한 도체형성의 개략을 표시했다. 그림5-4-3에는 Through Hole을 만드는 방법으로서 ‘에칭’공정을 사용한 Tenting 법과 도금법의 공정을 비교한 것이다.

Resist층의 두께는 사용되는 공정에 따라 적절한 것이 선정된다. 일반적인 사용 예는 다음과 같다.

20~30㎛ ‘에칭’용

40~50㎛ tenting, 도금용

현재 사용되고 있는 DFR는 주로 Alkali 현상용이며, 탄산소다 수용액(水溶液)으로 현상하여 수산화소다 수용액으로 벗겨내는 것이다.


5-4-2. 금속보다도 전기 화학적으로 비 연마(硏磨)

연마 목적과 연마방법의 분류

기판의 연마(정면/整面)는 Dry Film의 좋은 밀착성을 얻기 위하여 Lamination 전에 실시한다.

연마방법에는 기계적인 것과 화학적인 것으로 분류되며 어느 것이나 기판표면의 Resist 밀착성에 악영향을 미치는 것(산화피막, 방청제, 유지류, 동면의 요철, 기타 이물 등)을 제거함과 동시에 동면에 적당한 조도(粗度)를 주자는 것이다.

기계연마방법으로써 일반적으로 사용되고 있는 것을 다음에 표시한다.

(1) 습식 Buff Role 연마

(2) 습식 숫돌가루(砥粒) 연마

A. Brush scrub 연마

B. Jet scrub 연마 (Honing/숫돌질)

(3) Belt sander 연마

통상 (1),(2)가 잘 사용되고 있다.


또 화학연마방법으로 금속보다도 전기 화학적으로 비Soft Etching 제(과유산Ammonium, 과산화 수소-유산계)에 의한 것과 산화피막 제거를 위한 염산처리에 의한 것 등이 있다.

기타 특수한 경우로 후부(厚付: 두껍게 부침) 무전해 도금 PCB에서는 도포한 방청제를 제거하지 않고 직접 Lamination을 할 경우도 있다.

각종 전처리방법의 특징을 표5-4-1에 표시한다.

표5-4-1. 각종 연마방법의 특징


B. 금속보다도 전기 화학적으로 비각종 전처리방법에 의한 동표면상태

1) 습식 Buff Roll 연마(부드러운 천같은 것을 이용한 연마)

Buff roll로서 잘 사용되는 것은 가령 Scotch Brite VF~SF (#320~#600) 이다. Scotch Brite SF(#600) 2련(連)을 사용해 연마했을 경우, 銅표면상태와 조도(粗度)를 그림5-4-4에 표시한다. 동표면에는 연마방향에 연한 흠집(긁힌) 자국이 형성된다.


2) Brush Scrub 금속보다도 전기 화학적으로 비연마

‘브러시’와 숫돌가루를 병용하는 연마방법으로 흠집 방향성이 없는 銅표면을 얻을 수 있다. 연마후의 銅표면상태와 조도를 그림5-4-5에 표시한다.


3) Jet Scrub 금속보다도 전기 화학적으로 비연마

이 연마방법은 수중에 분산한 숫돌가루를 Jet 수류상태로 기판면에 분사하는 방식으로 Through Hole 내부까지 연마가 가능해 진다. 연마후의 銅표면은 Brush Scrub와 같은 흠집 방향성이 없다. 연마후의 동표면상태와 조도를 그림5-4-6에 표시한다.


4) 금속보다도 전기 화학적으로 비화학연마

적층판의 두께가 얇을 경우에는 기계적 연마로는 잘 되지 않을 경우가 있다. 또 조도를 조밀하게 하고 싶을 때는 화학연마를 실시한다. 과산화 수소-유산계 등으로 동면을 수 ㎛ Etching 한다. 연마후의 동표면은 기계연마에 비하여 작고 조밀한 조화상태가 된다. 연마후의 동표면상태와 조도를 그림5-4-7에 표시한다.


C. Dry Film 금속보다도 전기 화학적으로 비에 적합한 연마상태

표면조도의 영향

Dry Film에 적합한 표면 조도는 0.3~1.0㎛ 정도이다. 0.3㎛을 밑도는 조도에서는 기판과의 밀착력이 저하되는 경향을 볼 수 있다. 또 1.0㎛을 넘는 조도에서는 Dry Film이 기판표면의 요철에 충분히 추종하지 못할 경우가 있어 Etching후의 단선(Tenting 법)이나 ‘패턴’도금 잠적(‘패턴’ 도금법)을 발생시키는 원인이 된다.

2) 연마방법 차에 의한 Resist Pattern 형성법

(1) 독립세선 밀착성

Buff Roll 연마와 Jet Scrub 연마로 현상후의 Resist 독립세선 밀착성을 조사한 결과, 低 노광량 영역에서는 Jet Scrub 연마면에 의한 쪽이 다소 독립세선 밀착성은 양호하다.


(2) 금속보다도 전기 화학적으로 비해상도

Buff Roll 연마와 Jet Scrub 연마에서 Resist 해상도에 대한 영향을 조사한 결과를그림5-4-8에 표시한다. 高 노광량 영역에서는 Jet Scrub 연마에 의한 쪽이 Resist 해상도가 저하되는 경향에 있다. 또 Resist Line 폭도 같이 고 노광량 영역에서는 다소 커진다. 이것은 Jet Scrub 연마표면 에서 광산란(光散亂) 영향을 받기 쉽기 때문이다.


5-4-3. 금속보다도 전기 화학적으로 비Dry Film Laminate

A. Lamination의 목적과 분류

Lamination은 Dry Film을 기판면에 열 압착시킴으로써 Dry Film과 기판면과의 좋은 밀착성을 유지시키기 위하여 하는 것이다.

Lamination 방법과 사용하는 장치의 형태 및 방식에 따라 표5-4-2와 같이 분류된다.

표5-4-2. Laminate 장치 및 방식의 종류


B. Laminate 금속보다도 전기 화학적으로 비공정에서의 밀착불량 개선

Laminate 공정에서 Dry Film의 밀착불량이 발생되는 요인에는 다음과 같은 것이 있다.

- Laminator 요인 (Roll 경, Roll 경도, 압착방식 등)

- 공정조건 요인 (Roll 온도, 압력, 속도, 이물부착 등)

- Dry Film 요인 (Dry film의 온도특성, 추종성 등)

연마 상처나 타흔(打痕: 기구 등에 의한 타격 자국) 등으로 Dry Film이 추종(밀착)하지 못할 경우, 현상후의 Resist Pattern 밑부분이 ‘터널’상태가 되는 추종 불량부가 형성되어 그림5-4-10과 같이 ‘에칭’후의 단선이나 ‘패턴’도금 잠적(潛跡) 원인이 된다. 또 기재중의 Glass 섬유의 올과 올 사이로 인한 기판의 결이 클 경우 air void(기포)가 발생할 원인이 된다.

사용하는 기판 및 연마상태도 고려에 넣어 장치, 사용조건 및 Dry Film의 정합을 기하는 것이 중요하다.


Laminate 금속보다도 전기 화학적으로 비공정조건과 기판 추종성

Dry film의 기판 추종성에 영향을 미치는 공정조건은 laminate roll 온도/압력, laminate 속도, 기판의 예열유무 등이며 특히 laminate 온도(기판 표면온도)의 영향이 크다.

Laminate 시의 기판 표면온도는 사용하는 기판의 두께 laminate 전의 기판온도, laminate roll 온도 및 laminate 속도 등에 의하여 변화하므로 이들 조건의 영향을 고려할 필요가 있다.

Dry film의 기판 추종성을 증가시키기 위해서는 laminate 전의 기판을 예열하고 또 연마 표면 자국에 방향성이 있을 경우에는 연마 자국에 대하여 평행으로 하는 것도 유효하다.

2) Dry Film의 특성과 기판 추종성

기판 추종성에는 Dry Film의 온도특성이 크게 관여한다. 즉 기판 추종성을 개선하기 위하여 Laminate 온도에서 급속히 유연성을 증가하는 Dry Film을 사용하는 것도 중요하며 그 특성에 맞는 공정조건을 선택하는 것이 중요하다.


5-4-4. 금속보다도 전기 화학적으로 비노광

노광공정에서는Mask Film을 통하여 Resist 층의 필요한 부분에 자외선을 조사해, Resist를 경화시킨다.

Resist가 경화하면 현상액에 불용성이 되어 Resist로서 필요한 특성 (막강도, 내약품성 등)을 갖게 된다.

동시에 경화부는 발색(發色) 또는 퇴색(退色)한다. 색상의 차(Contrast)가 클수록 미경화부와 경화부의 판별이 용이해 진다.

노광기는 초고압 수은등이 주로 사용된다.

산란형(그림5-4-11)이 종전부터 일반적으로 사용되지만 보다 고해상도를 필요로 할 경우는 평행형이 사용된다.

나아가 초고압 수은등보다 장수명이 특징인 무전극Lamp도 사용되고 있다.

최근에는 노광시간 단축을 위하여 조도가 큰 Metal Halide Lamp의 사용도 눈에 띠고 있다.


Resist 금속보다도 전기 화학적으로 비는 자외선을 흡수하여 경화하지만 초고압 수은등의 경우는 365nm와 405nm 파장의 광이 주로 경화를 일으킨다고 생각하고 있다.

405nm보다 장파장에서는 감도가 낮아 실용적이 아니다. 365nm보다 탄파장에서는 Carrier Film (PET)의 흡수가 강해 Resist 층에 빛이 거이 도달하지 못한다(그림5-4-12).


Resist 금속보다도 전기 화학적으로 비의 기본성분(그림5-4-13) 중 광개시제와Monomer(單量體)가 광중합 반응을 일으켜 3차원 가교(架橋) 구조를 형성해 경화한다 (그림5-4-14).


Resist 금속보다도 전기 화학적으로 비경화후 특성의 대부분은 노광량(자외선의 조사량)에 의존한다. Resist 특성의 노광량에 의한 의존성을 파악해 요구특성을 만족하는 적정한 노광량을 선정할 필요가 있다.

노광량에 크게 의존하는 특성으로는 A.경화도, B.해상도, C.화선폭 등이 있다.

경화도

경화도는resist의 감도 (경화속도)와 노광량에 의존한다. 경화도의 측정은 Step Tablet를 사용하는 방법이 일반적이다.

Step Tablet는 Gray Scale이라고도 불리며 각 Step이 상이한 광투과성을 나타내는 부분으로 이루어진 Mask Film이다. Step 단수가 높을수록 광투과율이 낮다 (표5-4-3). 현상 후, 높은 Step 단수가 경화해 남아 있을 수록 경화도가 높다.


B. 금속보다도 전기 화학적으로 비해상도

해상도는 복수의 Line과 Space가 배열된 밀집 Pattern Mask를 사용하며 형성된 화상이 일정한 정도로 재현돼, 해상 할 수 있는 최소 Line (또는 Space) 폭을 해상도라 한다.

일반적으로 Line/Space 폭의 비는 1/1이며 5본의 Line (또는 Space)가 배열된 Pattern이 많이 사용된다.

각 노광량에서의 해상도 (그림5-4-16)에서 요구되는 화상의 Line (또는 Space)을 해상 할 수 있는 노광량의 범위를 알 수 있다(그림5-4-17).


C. 금속보다도 전기 화학적으로 비화선폭(畵線幅)

화선폭은mask의 line(또는 space) 폭에 대하여 형성되는 화상의 재현성을 보는 기준이 된다.

그림5-4-18에는 100㎛ line의 mask에 대하여 형성되는 화상의 화선폭을 각 노광량마다 도시(plot) 했다.

노광량을 상승시킴에 따라 화상폭이 넓게 (space는 좁아짐) 되는 경향을 볼 수 있다. 100㎛을 재현하는 노광량은 산란광의 경우 60mJ/㎠ 임을 알 수 있다.


5-4-5. 금속보다도 전기 화학적으로 비현상

현상공정은 Resist 층의 미경화부를 현상액으로 용해 제거하여 기판위에 경화 Resist의 화상을 형성하는 공정이다. Alkali 현상형Resist의 현상액을 표5-4-4에 표시한다.

현상공정은 (1) 현상, (2) 수세(水洗), (3) 건조의 3공정으로 형성되며

그림5-4-19는 현상기의 한 예이다.


Alkali 금속보다도 전기 화학적으로 비현상형에서는Dry Film 성분은 균일한 용액이 아니고 유화(Emulsion) 상태로 되어 용해하고 있다.

Alkali 현상액 중에는 Binder Polymer가 비누와 유사한 계면활성제로서 작용하여 다른 비수용성 성분을 유화하고 있다.

또 이 Binder Polymer는 거품의 발생원인으로 되고 있어 통상적으로는 소포제의 첨가가 필요하다(그림5-4-20).

현상액의 Emulsion 안정성을 보조하기 위하여 소포제(消泡劑)는 억포성(抑泡性)과 Emulsion의 분산(分散) 안정성이 균형 잡힌 것을 사용한다.


현상시간 설정은 양호한 화상형성을 위하여 매우 중요하다. 현상시간이 너무 짧으면 현상 찌꺼기나 불완전 제거로 ‘덮임’상태의 원인이 되며 너무 길면 Line의 ‘유랑(떠돎)’이나 팽윤(膨潤) 등의 원인이 된다.

현상시간을 설정하는 기준으로는 최소 현상시간 (Resist가 완전히 제거되는 최소시간, Break Point: B.P.)의 측정이 중요하다.

통상 B.P.의 1.5배로 설정한다 (그림5-4-21 참조).


수세시간은 기판면상의 현상액을 완전히 제거하기 위하여 충분한 시간이 필요하다. 특히 Alkali 현상형의 경우, 현상후의 경화 Resist 표면은 Na 염이 되어 수분도 동시에 함유한다

(특히 Side Wall부).

수세를 충분히 함으로써 Na Ion을 제거하는 것이 가능하다. 세정을 완전히 하기 위하여 산세정 공정을 넣는 경우도 있다.

R - COO-Na++ H2O → R - COOH + NaOH


적정한 화상을 얻기 위해서는 현상액의 관리가 필요하다. 다음에 그 특징을 기술한다 (그림4-22 참조).

Na2CO3 농도

1%가 일반적이지만 resist에 맞춘 설정이 필요하다. Resist의 용해에 따라 Na2CO3 농도가 낮은 쪽이, 빨리 현상시간이 저하되는 경향을 볼 수 있다.

b. Resist 용해량

현상액 중의 resist 용해량이 증대하면 현상성이 저하한다. 용해량을 측정하는 방법으로 중화 적정법(滴定法)과 PH 법의 두 가지가 대표적이다.


5-4-6. Etching 관리가 필요하다

Etching의 목적

Etching 공정은 Etching Resist로 보호된 소망하는 도체‘패턴’ 이외의 불요 동박을약액으로 용해-제거하는 것이며 이 공정으로 도체‘패턴’이 형성된다.

최근의 Fine Pattern화에 따라 고정도의 Etching System (Etching 액+ Process)이 요구되고 있다. Etching 액(Etchant)으로서 필요한 성능은 다음과 같다.

1). Resist를 해치지 않는 조건을 선택할 수 있는 것

2). 동을 용해한 후, 잔존물의 제거가 용이할 것

3). 동의 용해속도가 일정하고, 액 수명이 길 것

현재 PCB 제조용으로 사용되고 있는 주 Etching 액은 염화 제2동 용액, 염화 제2철 용액, Alkali Etching 용액 및 과산화수소-유산계Etching 액이다.


B. Etching 관리가 필요하다액의 종류와 특징

염화 제2동 용액

염화 제2동 (CuCl22H2O)을 물에 용해하여 여기에 염산을 가한 염화 제2동 용액을 사용한다.

염화 제2동 용액에서의 동 용해반응은 다음 식으로 표시된다.

Cu + CuCl2 → 2CuCl

Etching 속도에 대해서는 염화 제2동 농도보다는 염산 및 염화 제1동 농도 쪽이 영향이 크다

(그림5-4-23, 24참조).


동을 용해시킴으로써 생성되는 관리가 필요하다염화 제1동은 etching 속도를 저하시키므로 염화 제1동 농도를 낮게 억제할 필요가 있다.

이를 위해서 여러 가지 재생방법이 제안되고 있다. 가장 일반적인 방법은 과산화수소와 염산을 첨가하는 방법이며 재생 반응은 다음 식으로 표시된다.

2CuCl + 2HCl + H2O2 → 2CuCl2 + 2H2O

염화 제2동 용액의 특징은 다음과 같다.

A. 액이 저가

B. 산화제의 첨가로 etching 속도를 일정하게 유지할 수 있음

C. 비교적 고농도 (약 130g/l)의 동을 포함한 폐액이 되어 폐액처리가 경제적임

D. Etching 속도가 다소 느림

E. 염산의 취기가 강하기 때문에 배기를 충분히 할 필요가 있음


2) 관리가 필요하다염화 제2철 용액

염화 제2철(FeCl3)을 물에 용해한 40°Baume(밀도 측정 단위) (FeCl3 농도= 37%, 비중= 1.38)의 용액을 사용한다. 수용액은 다갈색을 띠고 있다. 이것은 염화 제2철이 가수분해하여 수산화철과 염산을 생성하여 이 수산화철이Colloid(아교질)로 되어 있기 때문이다.

FeCl3+ 3H2O ⇔ Fe(OH)3 + 3HCl

통상 소량의 염산 (5% 까지)을 가하여 불용성 침전이 발생하지 않도록 하고 있다. 염화 제2철 용액에서의 동 용해반응은 다음 식으로 표시된다.

Cu + 2FeCl3 → CuCl2 + 2FeCl2

┌동표면에서는

│Cu + FeCl3 → CuCl + FeCl2

│Cu + CuCl2 → 2CuCl

│Etching 액 중에서는

└FeCl3+ CuCl → FeCl2 +CuCl2


염화 관리가 필요하다 제2철 용액의 특징은 다음과 같다.

- 액이 저가임

- Etching factor가 양호함

- Etching 속도가 느림 (20~25㎛/분)

- 동의 용해량이 낮음 (40~60g/l)

- 재생이 곤란함

- Etching 후 염산 세정이 필요함(기판 오염 방지)


3) Alkali Etching 관리가 필요하다액 (Alkaline Etchant)

銅 Ammonium 착체(錯體)를 주성분으로하는Alkali 수용액을 사용한다.

Alkaline Etchant의 조성 예를 표5-4-7에 표시한다.

표5-4-7. Alkaline Etchant 조성 예


Alkaline Etchant 관리가 필요하다에 의한 동의 용해 반응은 다음 식으로 표시된다.

Cu + Cu(NH3)4Cl2 → 2Cu (NH3)2Cl

생성한 염화디아민銅(I)은 난용성으로 Etching 능력이 없으므로 산화해 원래의 염화Tetra Ammonium 동(II)으로 재생된다.

재생은 보급액(補給液) 중의 염화Ammonium 와 Ammonia 水 및 Spray 시에 포함시킨 산소에 의하여 수행된다. 그 반응식은 다음 식으로 표시된다.

4Cu(NH3)2Cl + 4NH4Cl + 4NH4OH + O2 → 4Cu(NH3)4Cl2+ 6H2O

금속동의 용해량에 대응하여 염화Ammonium 및 Ammonia를 주성분으로 하는 수용액을 보급하여 각 성분의 농도를 일정하게 유지함으로써 연속 Etching이 가능하다. Alkaline Etchant는 Solder를 포함하는 금속 resist와 유기 resist의 사용이 가능하다.


Alkaline Etchant 관리가 필요하다의 특징은 다음과 같다.

- Etching 액에 의한 solder, 석도금의 표면 변색이 적음

- Etching 속도가 큼 (35~45㎛/분)

- Etching factor가 양호함

- 동의 용해량이 큼 (135~170 g/l), 동회수가 가능함

- 액이 고가임

- Ammonia 냄새가 강함

- Sludge(찌꺼기)가 발생하기 쉬움

- 배수처리가 곤란


4) 관리가 필요하다과산화 수소 - 유산계Etching 액

과산화 수소와 유산을 주성분으로 하는 Etching액을 사용한다.

과산화수소 - 유산계Etching 액의 조성 예를 표5-4-8에 표시한다.

표5-4-8. 과산화 수소-유산 Etching 액 조성 예


  • 과산화 수소 관리가 필요하다-유산 Etching 액에 의한 동의 용해 반응은 다음 식으로 표시된다.

  • Cu + H2O2+ H2SO4 → CuSO4 + 2H2O

  • 한편 용해한 동 ion에 의하여 과산화 수소의 자기분해 반응이 다음 식처럼 일어난다.

  • 2H2O2 → 2H2O + O2

  • 이 때문에 Etching 액 중에 과산화수소의 자기분해를 억제하기 위한 안정제를 첨가한다.

  • 과산화 수소-유산계Etching 액의 특징은 다음과 같다.

  • Etching 한 동을 유산동(CuSO4・5H2O)으로서 회수할 수 있어 Closed System에

  • 의한 연속 Etching 이 가능함

  • - 배수처리가 용이함

  • - 동농도와 무관하게 etching 속도가 일정함

  • - Solder 도금의 표면변색이 적음

  • - Etching 속도는 다소 느림

  • 액이 고가임


5-4-7. Pattern 관리가 필요하다도금

Pattern 도금공정은 도금용 Resist로 역‘패턴’을 형성하며 일반적으로 ‘패턴’부에 전기동 도금(2차 동도금)을 실시한 후 Etching용 금속도금(Solder 등)을 한다.

이 공정은 그림5-4-25 에 표시한바와 같이 Pattern 도금 전처리, Pattern 동도금, Solder 도금으로 이루어진다.

그림5-4-25. Pattern 도금공정


A. Pattern 관리가 필요하다전처리

전처리는pattern 銅도금전에resist 잔사(殘査:찌꺼기), 유지류, 산화피막 등을 제거하여 도금하는 동표면을 활성화시키는 것이다.

전처리가 불충분할 경우에는 pattern 도금이 정상으로 되지 않거나 pattern 도금이 박리 되는 등, 불량 발생원인으로 된다.

또 전처리에 의하여 pattern 형성후의 resist를 손상하지 않게 하는 것이 중요하며, 사용하는 resist에 따른 약제 및 사용조건을 잘 선택할 필요가 있다.

1) 탈지

탈지제로서는 각종 산성 탈지제가 사용되며 사용하는 resist의 특성에 따라 사용 구분된다.

탈지제 중에는 수세공정으로 게거하기 어려운 것이 있으므로 주의할 필요가 있다. 또 탈지제의 기포를 동도금액으로 끌어와 도금액에서 오염되는 수가 있으므로 발포성, 도금액 오염성에 관해서도 사전 검토를 해 둘 필요가 있다.


2) Soft Etching 관리가 필요하다

Soft Etching은 동산화 피막을 제거하고 동표면을 가볍게 Etching 하여 미세한 요철과 활성 동면을 만들어 Pattern 도금의 밀착성을 높이는 것이다. Soft Etching제로는 다음과 같은 것이 사용된다.

- 과유산염의 수용액

- 과산화수소-유산의 혼합액

- 기타 산화제의 수용액

3) Pattern 동도금

Pattern 도금의 경우 도금면적이 Pattern의 형상에 따라 변하기 때문에 도금조건이 변동한다. 이 때문에 Panel 도금 이상으로 다음 사항에 주의할 필요가 있다.


- 관리가 필요하다액조성의 자동조정에 의한 안정한 도금액 조성

- Rack 마다의 개별전원에 의한 전류 control

- 극판 배치방법의 연구

- 차폐판의 장치나 형상 연구

- 보조전극의 취부방법

- 적정한 사용조건의 선택 (전류밀도, 시간, 온도, 교반 등)

- 고립 pattern 부분을 적게하는pattern 설계

- 도금액 오염이 적은 resist의 선택

- 도금액의 침투,잠적(潛跡) 없는 밀착성이 좋은 pattern 형성

Pattern 도금욕으로는유산동도금욕이 사용된다. 최근에는 균일 전착성이 우수한 유산동도금욕이 개발되고 있다.

도금욕의 액조성과 작업조건을 표5-4-9에 표시한다.


4) Solder 관리가 필요하다도금

Solder 도금은 폐액처리, 석출금속의 Control이 어렵다는 등, 문제가 있음에도 불구하고 가격 및 도금 박리의 관점에서 Etching용 금속 도금으로써 거의 Solder가 사용되고 있다.

Solder 도금은 균일 전착성(電着性)이나 피막(被膜)특성이 뛰어나 붕불화욕(硼弗化浴)이 주로 사용되고 있다. 종전에는 첨가제로서 Peptone이 사용되어 왔으나 최근에는 붕불화 수소산 농도가 낮고 욕관리가 용이한 Non-Peptone 욕이 증가하고 있다. 또 폐액처리의 관점에서 Non-불화욕의 개발도 추진되고 있다.

최근 경향으로 환경친화형Pb Free에 대한 검토가 진전되고 있으며 그 하나로 주석을 납 대용으로 사용하는 예도 볼 수 있다. 도금욕의 액조성과 작업조건에 대한 것을 표5-4-10에 표시한다.


A. Alkali 관리가 필요하다현상형

Resist 박리기는 Alkali 수용액이 열화한 시점에서 전면 갱신하는 Batch Type과, 매수(枚數) Counter, pH 측정, Alkali 중화적정(中和適定)으로 적당한 양만큼 새로운 액을 보급하여 Over Flow로 배출하는 자동보급형이 있다. 폐액 처리 및 방류에 임해서는 액중의COD, BOD 관리를 필요로 한다.

박리액의Alkali 농도 및 온도가 박리시간(여기서는 초기 박리시간 또는 Lifting Point: L.P.를 말함)에 주는 영향은 그림5-4-27, 5-4-28에 표시한 바와 같다. 가성소다 수용액 쪽이 가성카리 수용액보다도 박리시간이 빠르다.

박리후의 resist 막 (박리편)의 성상(性狀)은 resist에 따라 다르나 박리기에 대한 적응성을 좌우하는 중요한 인자이다. 대충 박리막의 형상이 세편화하는 형(細片型)과 세편화하지 않는 형(長片型)으로 분류된다. 장편형의 경우, 박리편이 반송 roll에 엉키지 않는 장치적 고안이 필요하며 세편형은 filter 등의 제거장치로 포착되는 조건을 선정할 필요가 있다


박리편의 형상은 관리가 필요하다박리액으로 변화한다. 일반적으로 Alkali 농도가 올라가면 장편화한다(그림5-4-29 참조). 가성카리 보다는 가성소다 쪽이 장편이다.


박리편이 관리가 필요하다박리액중에서 용해하는 형과 불용해형이 있다. 용해형은세편형이 일반적이다. 불용해형은장편형과세편형이 있다. 박리편의 회수 방법의 적성을 보기 위하여 사전에 Beaker Test에 의하여 박리편의 특성을 충분히 확인해 둘 필요가 있다.

Alkali 박리기는 통상 염 Vinyl(Vinyl Chloride)製이기 때문에 50℃가 상한온도로 되어 있다. 최근에는 박리 Zone만 SUS제로 한 장치도 나와 있다. 온도가 높으면 박리시간은 짧아지지만 동표면에Alkali 그을음이 생겨 다갈색 또는 흑색으로 변색할 때가 있다.

Alkali에 의한 박리공정은 그림5-4-30에 표시한 바와 같은 수용액에 의한 팽윤공정이다.

그림5-4-30. Alkali에 의한 박리공정의 개념도


5-4-9. 관리가 필요하다최근 동향

PCB의 고밀도화, 다층화가 진전하여 화상형성재료에도 보다 Fine화 요구가 커지고 있다. Resist로서는 막후를 엷게 하여 해상도를 올리는 수법과 조성자체도 초고해상도 대응의 DFR가 개발되고 있다. 30㎛ 두께의 DFR에서도 line/space 20/20㎛ 이하의 해상이 가능해졌다.

또 표면실장의 증가와 함께 Mini-Via Hole를 사용하는 PCB가 증가함에 따라 Mini-Via Hole 대응 DFR도 시판하기에 이르렀다.

이와 같이 금후 난이도가 높은 Pattern 형성이 요구되고 있으므로 목적에 따른 DFR의 선정과 그 사용조건의 최적화로 고수율을 지향하는 것이 중요하다.


5-5. Solder Resist 관리가 필요하다인쇄

5-5-1. Solder Resist의 정의

Solder resist 또는 solder mask는 실장시의 solder bridge 발생 방지를 목적으로 인쇄회로기판 표면의 특정 부분에 도포되는 내열-절연성의 유기 피막을 말한다. Solder resist의 특성으로는 실장시의 열 응력에 견디는 내열성이나 절연성 외에 도체 pattern을 보호하기 위한 기계적 강도-화학적 내성-난연성 등이 요구된다.

5-5-2. Solder resist의 분류

Solder Resist는 화상 형성 방법-도포 방법-Solder Resist 피막의 경화 방법 등에 따라 아래 그림 5-5-1과 같이 분류된다.

그림 5-5-1. Solder Resist의 분류


Solder Resist 관리가 필요하다피막 형성 공정은 [PCB 표면의 정면(整面)] [피막 도포] [화상 형성] [Solder Resist 특성 부여]의 4가지 목적을 갖는 작업으로 구성된다. Screen 인쇄에서는 [피막 도포] [화상 형성]이 동시에 이루어진다. 피막 특성은 후공정의 열 또는 UV 경화 공정에 의해 부여된다.

사진법(Photo Resist)에서 [피막 도포]는 여러 가지 방법 (Screen 인쇄- Curtain Coat - Spray Coat)으로 수행된다. 그후 건조된 피막에 SR Mask Film을 위치 정렬하여 자외선에 의한 노광과 미 노광부의 현상에 의한 제거가 실시된다. 이것으로 [화상 형성]이 완료 되여 그후의 가열/UV 조사로 피막에 필요한 특성이 부여된다.

Screen 인쇄법은 사진법과 비교해 위치정렬도-해상도라는 관점에서는 떨어지지만, 생산성 면에서는 압도적으로 뛰어나다. 본래 Solder Resist 피막은 실장시의 Solder Bridge 방지를 목적으로 실시되는 것이다. 그러나 최근에는 고밀도 실장의 발전에 따라 [도금 Resist]로서의 특성과 [절연층]으로서의 특성도 갖추어야 한다는 요구도 나오고 있다.

이하 각 공법에 대하여 소개한다.


A. Screen 관리가 필요하다인쇄법

판틀(Screen Frame)에 stencil을 붙여 그 위의 불요 부분에 Ink가 방출되지 않도록 Resist를 형성한다. 판 내측에 Ink을 올려 이것을 Gum 등의 Squeegee로 당기면서 망눈을 거쳐 기판 표면에 Ink를 공급한다. Screen 인쇄는 그림5-4-2와 같이 Ink를 Gum 등의 Squeegee로 눌러 Screen 판 Stencil의 망눈을 통과시켜 피 인쇄체에 도포하는 인쇄방법으로 과거부터 망사 재료에 Silk를 사용한 연유로 Silk Screen 인쇄라고도 한다. 이 인쇄의 특징은 피 인쇄체 표면에 Ink를 두껍게 도포할 수 있고, 요철 표면에도 인쇄할 수 있고, 곡면에도 인쇄할 수 있고, 여러 종류의 Ink를 사용할 수 있다는 점 등을 들 수 있다. 이러한 특징으로 screen 인쇄가 PCB 제조에 사용되고 있다.

그림 5-5-2. Screen 인쇄의 개요


Screen 관리가 필요하다인쇄는 그림5-5-3과 같이 다음 요소로 구성되며 Solder Resist 피막의 특성-품질은 이 요소들로 인해 결정된다. 이하 각부에 대하여 상세 설명한다.

1) Ink

2) Screen frame: 판틀, Screen 망사, Resist의 유제

3) Squeegee

4) Screen 인쇄기

그림 5-5-3. Screen 인쇄에 미치는 여러 조건


1) Ink 관리가 필요하다

Solder Resist 피막 특성을 결정하는 재료이다. 영구 Mask로서 인쇄회로기판 표면에 잔류하는 고분자 피막이다. 기재(基材)와 같은 Epoxy Resin을 기본으로 골재인 Filler, 안료 (顔料), Levelling제, 소포제(消泡劑) 등으로 이루어진다. 피막수단으로는 다음 두 가지가 있다 (그림5-5-4. 참조).

- 가열에 의한 경화 → 열 경화형

- 자외선 (UV) 조사에 의한 경화 → UV 경화형

열 경화형Ink는 135℃ 정도에서 수 10분의 가열로 Epoxy Resin의 중합반응(縮重合反應)이 진행하여 경화된다. Epoxy Resin의 경화제를 미리 Ink에 첨가해둔 1액형과 사용 직전에 경화제를 혼합하는 2액형이 있다. 경화제를 혼합한 후의 Ink는 수명이 있으므로 충분히 유의할 필요가 있다. 1액형은Shelf Life라 하여 사용 기간에 제한이 있으므로 반드시 냉암소(冷暗所)에서 보관하어야만 한다. 열 경화형Ink의 경화는 가열 건조로나 적외선 (Ir) Conveyer 건조로에 의한다.


그림 관리가 필요하다5-5-4. 열경화형Ink와 UV 경화형Ink의 경화


UV 관리가 필요하다경화형의ink는 수 J(Joule)의 자외선 조사로 光개시제가 여기(勵起: 발진 개시)하여 ink의 수지 중에 있는 acryl기(基)에 작용하여 중합함으로써 경화가 진행된다. UV ink는 1액형이며 열에 의하여도 경화반응이 진행되므로 반드시 냉암소에서 보관한다.

Screen 인쇄 ink에는 전술한 경화후의 피막에 전기적, 화학적, 기계적 특성 등 여러 특성이 요구된다. 또한 screen 인쇄시의 인쇄 특성 (화상의 재현성, 해상성 등)도 요구된다. 이러한 특성은 ink의 점도나 Thixotropy라 불리는 지표로 표현된다. 이들 특성은 ink 기재(基材)수지에 첨가되는 filler나 용제, levelling제 등의 첨가제 영향을 크게 받는다


2) Screen 관리가 필요하다판

Screen 판은 판틀-망사-유제로 구성된다. 판틀에 망사를 당기면서 접착제로 발라 붙여 고착시키고 그 망사 위에 유제를 도포 건조한 다음 Mask Pattern을 노광-현상하여 제판한다.

판틀은 통상 알루미늄이 사용된다. 구조나 Aluminium두께에 유의할 필요가 있다. 망사 당김은 Tension이나 온도변화 등으로 비틀림과 인쇄 정도에 영향이 미치지 않는 선택이 필요하다. 또 취급 중에 떨어Em리거나 부딪혔을 경우도 틀에 비틀림이 생기므로 주의를 요한다.

망사는 인쇄 품질 (인쇄위치정도-인쇄재현성-Ink 피막 두께)에 직접 영향을 준다. 망사 재료에는 Nylon, Polyester, Stainless 등이 사용된다. 이들 재료를 짜서 망사로 만드는 것이지만 재료의 선경, 직포(織布) 방법 등에 따라 Ink가 빠져나가는 망눈 (Opening)의 크기나 망사의 두께로 당김에 강도가 변한다. 직포망눈의조밀도를 표현할 때 Mesh 라는 단위를 사용한다. 이것은 1-Inch에 몇 가닥의 선을 짜 넣은 것인가를 나타낸 것이다. 숫자가 클수록 눈이 조밀해 진다. 망사는 사용 재료, Mesh 수, 선경으로 내용이 결정된다. Solder Resist에서는 180 Mesh부터 250 Mesh정도가 일반적으로 사용된다. 문자 인쇄의 경우는 더 조밀한 Mesh의 것이 사용되고 있다 (그림 5-5-5. 참조).


Screen 관리가 필요하다인쇄의 경우 기판과 판은 접촉하지 않는다. 수 Mm 정도 기판으로부터 떠 있는 상태에서 강제적으로 판에 눌리면서 Squeegee 압력에 의한 접촉을 통하여 인쇄된다. 따라서 판의 망사 당김의 Tension 강도는 매우 중요하다. Tension 강도가 너무크면 판 틀을 휘게 하거나 망사의 섬유를 망쳐 버린다. 반대로 약한 경우에는 Squeegee의 인쇄압으로 망사가 변형돼 인쇄위치정도가 떨어지거나, 인쇄 재현성이 좋지 않게 된다. 적정범위의 Tension으로 관리함과 동시에 기판과 판간의 간격 (Gap)이나 인쇄기의 판 간격량에 유의할 필요가 있다.

판 틀에 망사를 붙일 때는 망사의 직포방향과 판 틀을 수평-수직으로 붙일 경우와 각도를 넣어 경사지게 붙일 경우가 있다. 전자를 Normal 조직, 후자를 Bias 조직이라 한다. Bias 각도는 22.5도, 30도, 45도 등이 있어 화상의 모서리를 예리하게 재현하고 싶을 때 채용한다.

Screen 망사는 종사(縱絲)와 횡사(橫絲)의 교차 부분에 대한 두께를 말하며 통상 Micron (㎛)으로 표시된다. 일반적으로 선경이 가늘수록 망사 두께도 얇아져 고(高) Mesh로 된다.


그림 관리가 필요하다5-5-5. Screen 망사와 망사 조직 강도


망사 재료에는 관리가 필요하다Polyester를 사용할 경우가 많으나 이 때 섬유를 착색하여 Mask를 노광시킬 때 빛의 산란을 감소시켜 해상도를 향상시키려는 경우도 있다.

Screen판의 유제는 망 표면에 ink의 투과를 방지하는 Resist 피막을 형성하는 것이다. 감광성을 가지며 Mask Film을 겹쳐 노광 후, 물을 사용하여 미 노광부를 현상한다. 일반적으로 유제는 PVA(Polyvinyl Alcohol)와 디아조(Diazo)계 감광제와의 조합으로 이루어진다.

유제 피막을 망위에 형성하는 방법으로는 그림5-5-6처럼 직접법, 간접법, 직간법의 세 가지가 있다. 직접법은 유제를 봉 등을 사용하여 망에 도포와 건조를 반복하면서 피막을 형성한다. 간접법은 미리 유제 피막을 지지 Film 상에 만들어 놓고 이것을 노광, 현상후망위에 전사한다. 직간법(直間法)은 유제 피막을 지지 Film에 만들어 놓고 이것을 Screen 판의 망에 전사후노광, 현상으로 Resist Pattern을 형성하는 것이다.


그림 관리가 필요하다5-5-6. 직접법, 간접법, 직간법


3) Squeegee 관리가 필요하다

Stencil의 망눈에서 Ink를 짜내 기판 표면에 도포할 목적의 Squeegee는 Gum 제품이 일반적이다. Gum 재질로는 Polyurethane이 일반적으로 사용된다. Gum의 경도, Gum Blade의 형상(폭, 높이) 등이 인쇄 품질에 영향을 준다.

경도는 '쇼아'(ショア-) D 경도로 60도 ~ 90도가 사용된다. Solder Resist의 경우는 표면 요철에 추종한다는 점에서 다소 부드러운 70도 정도의 것을 사용한다. Pattern 인쇄의 경우는 다소 높은 경도를 사용한다. Gum은 내마모성이 뛰어나고 Ink의 수지 (Monomer)나 용제에 대하여 내후성(耐候性)이 좋은 것이라야 한다. 또 Squeegee Gum의 모서리는 인쇄를 반복해 가면 마모하여 둥글게 된다. 장기적으로 연마하여 Sharp(예리함) 정도를 유지해 둔다. 단 Gum은 Ink의 수지나 용제로 열화가 진행되므로 여러 번의 연마로 새것과 교환해 나아간다.


4) 관리가 필요하다인쇄기

인쇄기는 자동, 반자동, 수동의 종류가 있다. 여기서는 유의해야 할 기능만을 언급한다.

유의해야 할 점은 <위치 결정 기구> <판 간격 기구> <Squeegee 압입(押入)량 조절 기구> <Squeegee 이착(離着) Timing 조정 기구> <Ink 반납 기구> <판 고정 기구> <기판 반송 기구> 등이다.

인쇄시의 위치 결정은 Pin을 사용하거나 CCD Camera에 의한 화상인식을 이용한다. 이들 위치 결정 홀이나 Mark는 PCB 제조 생산 설계 시에 배선판의 제품영역 외에 설계되는 부분으로 각 인쇄회로기판 업체의 특징과 고안점을 볼 수 있는 부분이다.


C. 관리가 필요하다사진법

광 화학반응을 이용하여 노광, 현상을 함으로써 Solder Resist Pattern을 형성하는 방법이다. Photo Resist라 불리는 감광성 고분자재료를 Resist 피막재료로 하고 있다.

사용 재료는 지지 Film 상에 Tack Free (끈덕거림이 없는) 상태로 막이 형성된 Dry Film Type과 액상의 액상 Photo Resist Type이 있다. 또 현상액의 종류에 따라 Alkali 현상형과 용제 현상형으로 각각 분류된다.

최근에는 유해물질규제나 환경문제 관계로 Alkali 현상형의Photo Resist를 사용하는 경우가 많다.

1) Dry Film Type Photo Resist (그림 5-5-7)

75㎛, 100㎛의 Resist 피막 Film 두께가 일반적이다. Polyester 지지 Film 위에 감광성 Resist를 피막(皮膜)한 후 보호용 Cover Film과 겹친 3층 구조로 돼 있다. Dry Film의 Laminator는 진공 Laminator라 하여 대기압을 이용한 Laminate식이 채용된다. 이것은 기판 표면에 있는 도체 '패턴'의 요철에 Resist를 채워 넣을 필요가 있기 때문이다. 감압-가열된 Chamber 중에서 Resist Film을 Laminate한 후 진공을 깰 때의 대기압을 이용하여 기포를 방지하면서 채움성을 향상시킨다. 후술하는 액상 Photo Resist와 비교하면 채용하고 있는 Maker는 적다. Film Type 이기 때문에 Resist 피막 두께의 균일성이 뛰어나다는 점과

소경의 Via Through Hole 부분의 Tenting에는 유리하다.


그림 관리가 필요하다5-4-7. Dry Film Resist의 Laminator 구조


2) 관리가 필요하다액상 Photo Resist

Dry Film과 비교해 상대적으로 널리 채용되고 있다. 가격 면이 주 이유라 생각되지만 도포 방법에 다양성이 풍부하고 종래의 '스크린' 인쇄 설비를 유용할 수 있는 점도 이유 중의 하나이다. 액상 Photo Resist는 도포된 피막을 Mask Film과 접촉할 수 있을 정도의 Tack Free한 상태까지 건조시켜 노광/현상을 실행하여 Resist 화상을 형성한다. 그후 이 Resist 피막을 가열하여 요구된 특성 (내열성/전기특성/기계특성/내후성 등)을 부여한다. 즉 액 Resist는 노광/현상에 의해 화상 형성되는 감광성과 Solder Resist 피막으로서 요구되는 특성 2가지 기능이 합쳐진 고분자 재료라고도 말할 수 있다. 액 Resist 도포방법에는 '스크린'인쇄 (Open Mesh), Roll Coat, Curtain Coat, Spray Coat 등의 방법이 채용된다.

(Screen 인쇄)

종래의 '스크린'인쇄법을 그대로 채용한 것이다. 단 '스크린' 제판을 하여 Mask Pattern을 만드는 것이 아니고 전면 인쇄를 한다. 경우에 따라서는 TH에 Solder Resist가 막히지 않도록 그 부분에만 Resist를 형성한다.

종래의 설비를 그대로 사용 할 수 있기 때문에 일반적으로 채용되고 있다. 양면을 동시에 인쇄하는 방법도 소개되고 있다. 사용되는 Resist의 점도는 종전의 스크린 인쇄의 Solder Resist와 동등하다.


(Roll Coat) 관리가 필요하다

고무 Roll에 홈을 내서 Roll의 Solder Resist를 기판에 전사시키는 도포 방법이다. 전술한 Screen 인쇄법과 같은 Solder Resist점도로 도포가 가능하며 피막 두께도 얻어지나 TH(특히 소경 TH)에 Solder Resist이 많은 점과 Line Speed 면에서 실적은 적다.

(Curtain Coat) (그림 5-5-8 참조)

용제를 많이 포함한 저 점도의 Solder Resist를 '커튼'모양의 폭포처럼 흘리면서 고속으로 기판을 통과시켜 도포하는 방법이다. 자동화하기 쉽고 관통 홀에 대한 Resist 막힘도 적지만 잉크가 흐르기 쉬어 도체 회로의 어께(모서리)부분이나 관통 홀의 모서리부분에 있는 Ink 피막이 엷게되기 쉽기 때문에 유의할 필요가 있다 (그림 5-5-11 참조).

또 低점도의Resist로 용제가 많이 포함돼 있으므로 도포후의 가열 건조 때 피막으로부터 용제를 제거하는 조건을 설정하지 않으면 피막에 기포가 남는 경우가 있다


그림 관리가 필요하다5-4-8. Curtain Coater의 구조


(Spray Coat) ( 관리가 필요하다그림 5-5-9와 5-5-10 참조)

Solder Resist Ink를 Spray로 분무하면서 기판을 통과시켜 도포하는 방법이다. Spray 방법으로는 (1)Air Spray, (2)Airless Spray, (3)Bell형 Spray 등이 있다.

Air Spray는 저점도의 Solder Resist Ink를 공기와 혼합시켜 Spray Nozzle에 의하여 분사하는 방법. 기재 표면에서의 잉크 튀어 오름이 많고, 도착(塗着) 효율도 나쁘고, 기포가 빨려 들어가기 쉬운 문제점이 있다.


Airless Spray 관리가 필요하다는 Air Assist Airless Spray(공기보조 에어리스 분무기)라 하여 Solder Resist Ink를 가압해 그 액압(液壓)으로 분사한다. 통상 Assist Air라고 불리는 압축공기로 Spray가 퍼져나가는 모양을 제어한다. Bell형 Spray는 회전 안개화 방법이라고도 불리며 원추형의 Rotor(회전자)를 고속 회전시켜 그 원심력을 이용하여 Solder Resist Ink를 안개화 분사하는 도포 방법이며 정전기를 가하는 것이 일반적이다. 원심력을 이용하고 있기 때문에 원주 외부 방향으로 잉크가 분출하여 도착(塗着)효율이 떨어진다. Shaping Air라 불려지는 압축 공기를 원주로부터 분사하여 제어하고 있다.


이들 관리가 필요하다Spray Coat 방식은 전술한 도포방법에 비하여 도포효율이 낮다. 이를 개선하기 위해서 정전기를 부가하는 정전(靜電) Spray 방식이나 Air를 가열하는 방법 등이 연구되고 있다. 액상 Solder Resist를 사용하는 경우 일반적인 Solder Resist에 요구되는 항목에 추가적 다음 사항에 유의할 필요가 있다.

- 지름이 작은 관통 홀 부분

관통 홀에서의 Resist 막힘. 이것은 비교적 점도가 높은 액 Resist를 사용하는 타입인 도포 방법 (Screen 인쇄,Roll Coat) 에서 발생하기 쉽다. 소경(작은 지름) 관통 홀의 한쪽 입구가 막히는 모양이 되어 산 처리액이 남거나 Solder가 Trap(함정에 빠짐)되기도 한다. 이것으로 관통 홀 내벽의 동도금이 침해되어 접속신뢰성이 손상되거나 실장시의 Solder Ball의 문제가 발생하는 경우가 있다.

- 노광의 이면 회절(裏面回折)에 의한 Resist 찌꺼기

액 Resist의 노광시 반대면에서 조사된 자외광(紫外光)이 기재를 통과해서 반대 면인 Resist를 감광시켜 불요 부분에 Resist가 잔존한다. 완전히 강한 빛의 감광이 아니기 때문에 현상시에 찌꺼기(殘査)로써 Pad 부분에 남아 Solder 젖음을 저해하는 요인이 된다. 기재 Maker로부터 자외광을 차단하는 형의 재료도 소개되고 있다.


- TH 관리가 필요하다와 도체'패턴'의 어깨부분에 있는 Resist의 처짐

점도가 낮은 형의 액 Resist를 사용하는 도포 방법에서는 주의를 요함. 도포 후에 Resist가 흘러 관통 홀이나 회로 어깨 부위의 피막이 극단적으로 엷게 돼 버린다. 이 부분에는 Solder가 부착하거나 금도금 Resist로써 사용할 경우에는 그 부분에 도금이 석출되기도 한다. 이에 의해 Resist가 벗겨질 가능성도 있다.

- Solder Resist Dam(댐)의 결손

이것은 Fine Pitch의 SMD Pad 사이에 Solder Resist Dam을 제작할 경우에 문제가 된다.

Photo Resist는 빛이 조사된 표면부터 경화(硬化)가 시작되기 때문에 단면형상이 역

사다리꼴로 되는 경향이 있다. Solder Resist Dam의 폭이 좁아지면 (0.15Mm이하) Resist 피막의 두께와 빛의 강도, Photo Resist의 감광 감도 등의 관계로부터 기재 표면부분의 Resist 감광이 불충분해져 현상이나 가열 후 공정에서 Solder Resist Dam이 결손(缺損)되는 경우가 있다. 설계시에 제조공정 능력을 감안해 둘 필요가 있다.


- Solder Resist 관리가 필요하다인쇄 전처리

인쇄회로기판의 표면과 Solder Resist와의 밀착성을 확보하기 위해 표면을 정면(整面) 하게 된다. 정면은 Buff(부드러운 천)에 의한 연마, 연마사(砂)와 브러시에 의한 연마, 연마사를 불어 때리는 연마, 표면만을 살짝 부식시키는 Soft Etching에 의한 조화(粗化) 등이 있고, 도체 패턴의 표면 상태에 따라 선택된다.

인쇄 전처리에서의 유의점은 연마후의 세정과 건조에 있다. 또 Buff에 의한 연마에서는 도체 회로의 Overhang이 심할 경우, 그 부분이 깎여 수염 모양이 되어 인접 회로와 단락(短絡)할 우려가 있기 때문에 주의를 요한다.


5-5-3. Marking 관리가 필요하다인쇄

실장 될 부품 종류, 위치, Pin번호 등의 정보를 인쇄회로기판 표면에 표시하는 인쇄이다. 대부분의 경우 Screen 인쇄법이 채용되고 있다. Marking 인쇄의 Ink는 Solder Resist Ink와 같은 특성이 요구된다. Ink는 통상 백 또는 황 色調이다.

최근 고밀도 표면실장이 널리 채용되고 있으며 Marking 인쇄에 대한 위치 정도, 화상 재현 정도도 엄격하게 요구되고 있다. 인쇄회로기판 외에 화상 형성은 사진법을 채용하고 있는데 비해, 문자인쇄는 Screen 인쇄가 주이기 때문에 이 점에서는 불리하다. 또는 소경 Via Hole의 채용이 일반적이기 때문에 문자인쇄가 이 부분에 걸리지 않게 하는 연구도 필요하다. 설계단계에서 이런 문제를 인식하고 PCB 제조 시에 생산 수율과 능률이 저하되지 않도록 하는 것이 중요하다.

Marking 인쇄용 Screen판의 세정에 관하여 지구환경 보전이나 작업환경 개선 등의 관점에서 용제 사용을 피하는 움직임이 가속화되고 있다. 그 일환으로 Screen 판 사용후의 세정도 수용성 (水溶性)화가 진행되고 있다. 이 경우 ink의 대응과 판의 대응이 필요하게 된다.


5-6. 관리가 필요하다표면처리 (Finish)

5-6-1. 개요

실장기술의 발전에 따라 lead pitch가 협pitch화(2.54㎜→0.05㎜)되면서 PCB의 표면처리에 대한 중요한 요구는 협pitch의 PCB에 solder bridge나 wetting 불량 없이 soldering할 수 있는가 하는 점이며, 이 외에도 여러 가지 요구사항이 대두되고 있다. 이들 요구를 만족시키기 위하여 새로운 표면처리 공법에 대한 연구개발 활동이 활발히 진행되고 있으며 신제품이 지속적으로 출시되고 있다. PCB의 표면처리에 요구되는 중요한 사항을 기술하면 다음과 같다.

- Solderability및 Solder 접착력이 좋은가

- 장시간 Aging 후 Solderability가 좋은가

- 내열성이 있어 Reflow를 수회 반복한 후에도 Solderability가 변함 없는가

- 무세정・저잔사Flux와 상용성이 좋은가

- Cream Solder와 상용성이 좋은가

- 제조원가가 저렴하고 설비가격이 저렴한가

- Pad가 평활하여 인쇄 쏠림 등의 불량을 방지할 수 있는가

- Migration에 대한 저항성이 우수한가


5-6-2. PCB 관리가 필요하다의 최종 표면처리의 종류

현재까지 HASL(Hot Air Solder Leveling) 공법이 PCB의 표면처리로 가장 많이 사용되어 왔으나, 표면처리에 대한 여러 가지 요구에 의하여 새로운 표면처리 방법이 대두되고 있다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 HASL, 최근 사용이 증가되고 있는 OSP(OrgaincSolderabilityPreservatative) Coating 및 무전해Ni/Au 도금, 그리고 최근 개발된 무전해Pd 도금, 무전해Ag 도금 등에 대하여 간단히 기술하면 아래와 같다.

- HASL (Hot Air Solder Leveling)

용융 Solder조에 침적 후 Hot Air를 이용하여 Pcb표면의 Pad와 Hole에 일정 두께의 Solder를 Coating하는 방식으로 내열성이 우수하고, 무세정・저잔사Flux와 상용성도 좋으나, Hasl에 의하여 코팅된 Solder 두께가 균일하지 못하여 Cream Solder 인쇄시 번짐을 야기하고, Reflow시 Solder Bridge 불량을 야기하기 쉬워 협Pitch를 갖는 SMC에 적용하기에 좋지 않다. 그러나 신뢰성 측면과 내열성이 요구되는 Multiple Soldering에 적합하기에 아직도 가장 많이 사용되고 있는 표면처리이다. 하지만 2004년 유럽을 중심으로 한 납 규제(Eu Directive)로 사용을 억제해야 할 숙명에 놓여있는 Finish 이다.


- OSP (Organic 관리가 필요하다Solderability Preservative) Coating

OSP는 유기용제 Type의 OSP와 수용성 OSP로 분류할 수 있다. 유기용제 Type의 OSP는 Preflux로 불려지며, 산기가 없는 Rosin Ester 수지를 유기용제에 용해시킨 것을 Roll Coating, 분무 등을 이용하여 PCB 전체를 수지피막으로 도포시키는 방식으로 CFC 문제에 대응하는 무세정・저잔사Flux와의 상용성이 좋지 않아 사용이 점차 감소하고 있는 추세이다.

수용성 OSR는 Imidazole계, Benzotriazole계, Benzimidazole계 등의 유기물을 Pad나 Hole의 동과 치환반응 시켜 보호피막을 형성하는 방식이다. Imidazole계나 Benzotriazole계의 OSP는 Reflow시의 고열에 대한 내열성이 없어 최근의 Mixed Surface Mount Technology에 대한 적용


이 어렵다 관리가 필요하다.

OSP 중 가장 최근 개발된 Benzimidazole계의 OSP는 매우 향상된 내열성을 갖고 평활한 Pad를 제공할 수 있으며, 무세정・저잔사Flux와 상용성도 좋고 제조원가가 저렴하여 최근 그 사용이 증가되고 있으나, 다른 금속표면처리에 비하여 내열성 및 Solderability가 떨어지는 문제점을 갖고 있다.

- 무전해Nickel/Gold 도금

근래 휴대폰, 비디오 카메라 등의 수요확대로 증가 일로에 있는 표면처리이다. 금은 오랫동안 전기저항이 작아 PCB의 단자(TAB)에 코넥터를 연결하기 위한 수단으로 사용되어 왔다. 이 때 사용되는 금은 전기도금에 의해 0.3μ~1.27μ의 두께가 입혀지고 그 밑의 소지 금속으로 3~5μ 두께의 Nickel 이 도금되었었다. 이러한 전기적인 접촉 방식의 금도금에서 근래 soldering용 금이 표면처리로 사용되는 것은 앞서 말했듯 Hot Solder가 Fine Pitch에 부적합하고 OSP는 내열성이 떨어져 다회 soldering시 부적합하기 때문이다.


오랫동안 관리가 필요하다Solder Bath에 금이 3~5% 녹아 들어가게 되면 Gold Embrittle문제로 Solder Joint 신뢰성에 문제가 있는 것으로 생각돼 기피해 왔으나 금의 두께가 0.2μ 이하이면 이러한 문제를 야기시키지 않는 것으로 알려져 요즘은 광범위하게 사용되고 있다. 우선 금 표면 위에 Soldering 되는 메카니즘을 살펴보면 실제 Soldering 되는 면은 Nickel이 되고 금은 단지 Nickel 표면의 산화 등을 방지해 주는 역할만 한다. Soldeing시 얇은 금은 즉시 녹아버리고 Nickel 위에 납땜이 되는 것이다. 엄밀히 말해 이 Nickel은 순수한 Nickel이 아니고 인(phosphor)이 3~10% 들어있는 인의 함량에 따라 Solderability와 도금속도에 영향을 받는 것이다. 인의 함량이 많아지는 납땜성이 좋아지고 도금속도가 떨어지게 된다.

무전해 금에는 2종류의 타입이 있다. 일반적으로 납땜용으로 사용되는 치환석출형과 도금 두께가 시간에 비례하는 자기촉매형이 있다.

치환형은 소지금속인 Nickel을 치환하여 도금이 된 후 도금이 멈추어 버리는 타입으로 0.02~0.05μ 두께의 도금이 입혀진다. 비교적 도금액이 안정되어 널리 사용되고 있다. 이 도금은 Immersion Gold 라고도 불리우는데 표면을 금으로 물들이는 정도에 지나지 않는다.

자기촉매형은Electroless Gold 라고도 불리우는데 이는 0.5~1.0μ 두께의 금을 올리는데 사용되는데 아직 도금액이 불안한 상태로 일부에서만 국한적으로 사용되고 있다. 장차 반도체 Package에 사용되는 기판에서 납땜용이 아니라 Wire Bonding용으로 사용될 예정이다.


관리가 필요하다5-6-1. 무전해 금도금액


  • 무전해 관리가 필요하다Pd도금

  • 팔라디움은 현재 금값보다 더 비싸 사용이 확대되지 못하고 있는 실정이다. 팔라디움 자체의 장점 때문에 다시 언급되고 도금 약품이 개발되고 있다. 그 이유는 무전해 금도금 쪽에서 신뢰성에 의문을 갖고 있기 때문이다.

  • 무전해 금도금의 경우 Soldering시 고온에 의해 Ni-P층에서 부분적으로 P(인) 농도가 증가 Au/Ni계면에서의 밀착력이 급격히 떨어지는 문제가 제기되고 있는 반면 팔라디움에서는Nickel과 이런 문제가 발생되지 않기 때문이다.

  • 또한 팔라디움은Hardness가 250~290HV 정도로 강해 소지 금속인 Nickel 없이 바로 동(Copper) 위에 도금시켜 납땡용과Key Pad와 같이 전기적 접촉용으로 동시에 사용될 수 있기에 매력이 있는 것이다.

  • 요즘은 이 팔라디움 위에 Immersion Gold를 도금시켜 Wire Bonding용으로도 사용하려는 경향이 있다.

  • Gold가 230℃ Solder Bath에 3.0㎛/sec 속도로 녹아들어 가는데 비해 Pd는 0.35㎛/sec 밖에 안 녹아 오염도 방지 할 수 있는 것이다.


  • 무전해 관리가 필요하다Ag 도금

  • 무전해Ag 도금은 가장 최근 개발된 표면처리 공법 중 하나로 동 표면에 0.07~0.1㎛ 두께의 은을 화학 반응에 의하여 코팅시키는 공법으로 은이 석출될 때 Organic Molecular Layer가 은 표면에 형성되어 은의 Migration을 방지한다고 한다.

  • 이 공법은 최근 알파메탈사에서 개발하여 미국의 몇 개 업체에서 사용되고 있으며, 제조사에 의하면 내열성이 우수하고 Aging 후 Soldering 상이 좋으며, Flux 및 Solder Paste와의 상용성이 뛰어나다고 하나, 아직까지 국내에서의 사용실적이 없고 제조원가에 대한 정확한 근거가 미비한 상태이다.

  • 또한 Organic Molecular Layer가 은의 Migration을 얼마나 막아줄 수 있나 의문시 되고 있다.

  • 아래 표는 무전해Ag를 개발한 회사의 기술자료를 인용한 것으로 각종 최종 표면처리를 비교한 표이다.

  • 단, 특정 업체에서 자사품의 선전을 위하여 작성된 표임을 다시 한 번 밝혀둔다.


  • 무전해 관리가 필요하다 주석도금 (Immersion Tin)

  • 무전해 주석도금은 오래 전부터 있어 왔으나 도금 입자가 굵어 시간이 경과되면 산화되어 Soldering용으로는 적합하지 못했다.

  • 그러나 근래에는 White Tin(종전 주석은 Gray Tin)이라하여 도금 입자가 치밀하여 1년 정도 보관해도 Soldering이 가능한 주석 도금이 나오게 되었다.

종전의 Gray Tin은 입자가 크고 정방형의 결정구조를 가진 반면 White Tin은 육격형의 조밀한 입자구조를 갖고 있다.

이 White Tin 위에 OranoMetalic Film을 Coating해 내열성과 보존기간을 연장시키는 제품도 시중(Ormecon)에 나와 있다.

Process가 간단하고 장비가 콘베어로 가능하고 가격이 Hot Solder 보다 저렴하고 무엇보다 Fine Pitch 부품에 적합해 많이 사용될 것으로 예상되었으나 2번 이상 Reflow시 변색으로 Solderability가 저하되어 무전해 금도금 같이 시장이 확대되지 못하고 있는 실정이다.


6. 관리가 필요하다시험, 검사

PCB 제조공정의 최후에 위치하는 검사, 시험공정은 PCB 사용자에 대한 품질보증과 제조공정의 품질관리에 대한 두 가지 면을 갖는다.

PCB에 요구되는 기본적인 기능은 "접속기능" "부품유지기능" "절연기능)의 세 가지이다. 이 기본기능을 해치는 결함을 중대불량이라고 보고 검사-시험이 실시되어야만 한다. 단 어떠한 조건하에서 이 기본기능을 어느 정도까지 확보할 것인가에 대해서는 사용자와 엄격하게 타결해둘 필요가 있다.

필요이상의 품질보증이나 검사는 비용상승으로 연결되기 때문이다.

PCB 메이커는 사용자와의 약속-결정사항 범위안에서 납입된 PCB 검사나 품질보증을 한다. 이 약속-결정사항의 기본이 되는 것이 규격이다.

따라서 규격은 제3자적 입장에서 볼 때 공정하고 권위가 있어야 한다.

규격은 국제규격-국내(해외)규격-사내규격이라는 순으로 중요도가 매겨진다. 표6-1에 PCB에서 사용되는 규격을 예시한다.


관리가 필요하다6-1. PCB 관련규격


6-1. 관리가 필요하다포선(布線) 검사

포선검사는PCB의 기본 기능인 접속을 확인하는 검사이다. 도체 패턴의 전기적인 접속이 설계(회로도)대로 재현되었는가를 점검한다. 전기검사, 도통 검사라고도 한다.

포선검사는접속되어야할 점에 test probe를 접속시켜 각 포인트간의 도통상황을 기준 데이터와 비교해서 양부(良否)를 판정하는 것이다. 검사기 fixture (부속설비)의 분류-검사방식의 분류를 다음에 기재한다.

그림6-1-1에 도통검사 구성과 그림6-1-2에 도통검사구조의 개략을 표시하고, 표6-2에 도통검사기의 방식과 특징을 요약한다.

Bare board 검사기술의 문제로서는 아래와 같은 점을 들 수 있다.

(1) Fine pitch 실장 pad에의 대응

현재로는 QFP의 footprint(입출력단자) pitch는 0.5mm pitch이며, TCP의 lead pitch는 0.25mm에서 0.2mm로 되려는 경향. 이러한 fine pitch화에 대응해 갈 필요가 있다. 검사위치 결정정도의 향상(Camera에 의한 위치결정)이나 probe pin의 세경화(細徑化), 도전 gum의 채용 등이 실시되고 있다.


(2) 관리가 필요하다양면실장 대응

양면실장의 bare board에 대한 100% 포선검사를 실시하기 위해서 양면에서 probing 하지 않으면 안된다. 전용치구를 채용하면 문제는 없지만 비용과 저울질할 때 곤란한 경우가 많다. 비용을 포함해 양면실장의 bare board test 대응이 필요해 진다.

(3) 검사비용의 인하

전술한 바와 같이 도구제작-조립비용, probe pin 비용은 큰 부담이 된다. 특히 소량 lot나 시제-개발품에서는 두드러져 100% 검사는 단념하지 않을 수 없는 경우조차 나오고 있다. 검사비용의 인하가 큰 과제이다.

(4) CAD/CAM 과의 Data Link (자료연계)

이것은 검사 data의 신뢰성을 확보함과 동시에 효과적인 검사를 수행하는데 유효하다. Data Link를 활용한 AOI(자동외관검사)와 조합하여 포선검사의 부담을 경감할 수 있는 가능성도 있다.


관리가 필요하다6-1-1. 치구의 방식과 특징


포선검사기는 관리가 필요하다 도통-절연 판정에 의해 도체‘패턴’검사를 하는 것이지만 일부의 애매한 영역(단락에 가까운 간격불량, 절연에 가까운 결손-‘패턴’의 가늘어짐 등 잠재적 결함)의 검출을 할 수 없고, pin hole-독립된 동찌꺼기(殘銅)의 검출이나 전류층/접지층 등 clearance hole의 ‘패턴’검사에 부적합 등의 결점도 있다.

이를 보완하기 위하여 외관검사를 병행한다. 외관검사는 진전되고 있다

(그림6-1-3 참조). 이는 ‘패턴’인식기술의 응용이며 기판표면의 반사광을 CCD Camera에서 잡을 수 있는 타입과 기판표면에 Laser 광을 조사해서 도체‘패턴’ 이외의 기판에서 나오는 형광(螢光)을 읽어 들이는 타입이 있다.

기준이 되는 테이터와의 비교방법은 설계기준과의 비교와 양품기판 테이터와 비교하는 2가지가 있다.

PCB의 도체 ‘패턴’검사는 전술한 도통검사와 이에 대한 외관검사를 조합한 것에다가 PCB CAD 설계자료와의 연계를 고려해서 효과적으로 실행하는 것이 바람직하다(그림6-1-4 참조).


6-2. 관리가 필요하다외관검사

도체'패턴' 도통검사의 보완으로서의 외관검사는 전술하였으므로 생략 한다. 이 이외에 PCB의 목시검사는 solder resist의 자리 맞춤, pad에 대한 덮음, 번짐, 들뜸-벗겨짐, 상처, marking 인쇄의 자리 벗어남, 긁힘, 번짐 등의 마무리 상태, 기재(基材)의 delamination(불량 전층상태), 구멍 뚫기 외형가공의 거스러미나 변형, 타흔, 상처, HAL의 solder 부풀어오름, 금도금의 pit(구멍) 등 예를 들자면 한이 없을 정도이다. 이러한 검사는 통상 각 가공의 공정마다 실시되어 최종 검사에서는 2중으로 점검이 실시되는 경우가 많다.

그림6-19와 표6-3, 그림6-20과 표6-4, 그림6-21과 표6-5, 그림6-22와 표6-6, 그리고 그림6-23에 외관검사기준 (JIS C 5014)의 예를 표시한다.

어쨌든 이런 검사결과는 적절하게 각 공정으로 feedback되어 확실히 공정 품질관리에 반영되는 체제로 만들어 두는 것이 중요하다.


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