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더 많은 커넥터 옵션을 위한 솔더 스텐실 애퍼처 최적화 방법


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글/데이비드 데커(David Decker), Director, Interconnect Processing Group, Samtec, Inc.


전자 시스템의 부품 밀도가 높아짐에 따라, PCB 상으로 공면(co-planarity) 요구가 0.10mm를 넘지 않는 미세한 커넥터로 0.10mm 두께의 솔더 페이스트 스텐실을 사용하고자 하는 설계자들이 점점 늘어날 것이다. 많은 경우에 0.15mm의 커넥터 공면 값이 사용되고 있으며, 0.10mm 공면을 달성하기는 훨씬 더 어렵다. 특히나 커넥터 핀 수가 증가하고 직각 커넥터 같은 진화된 형태가 사용되고 있기 때문에 더 그렇다. 더 엄밀한 공면 요구를 달성하기 위해서는 설계자가 사용할 수 있는 커넥터 옵션이 제한되고, 단일 커넥터가 바람직한데도 다중의 커넥터를 사용해야 하거나 스텝 스텐실을 사용해야 할 수 있다. 결국 시스템을 설계하고 생산하는데 있어 더욱 복잡해지고 비용이 늘어나게 된다. 
그런데 Samtec과 Phoenix Contact가 실시한 한 시험 결과를 보면, 솔더 스텐실 애퍼처를 최적화함으로써 좀더 널리 사용되고 가격이 덜 비싼 0.15mm의 공면 커넥터에 미세한 0.10mm 스텐실을 사용할 수 있는 것은 물론, 동시에 100% 수율로 IPC-J-STD-001 Class 2 요건을 충족할 수 있는 것으로 나타났다.
이 글에서는 스텐실과 커넥터 공면 사이의 관계와 설계 상의 절충점 및 제한점에 대해서 설명한다. 시험 결과를 살펴보고, 이러한 시험 결과가 비용, 공간, 성능, 신뢰성 측면에서 어떤 의미를 갖는지 살펴본다.

스텐실과 커넥터 공면의 관계

정밀 스텐실 장비를 사용해서 어렵지 않게 미세한 양의 솔더 페이스트를 정밀하게 프린트할 수 있다. 하지만 커넥터 핀 수가 증가하고 커넥터 핀을 직각 형태 같은 일정한 형태로 접속해야 함에 따라서, 커넥터를 이렇게 미세한 솔더 스텐실과 매칭시키기가 점점 어려워지고 있다. 이와 관련해서 가장 어려운 문제가 커넥터 핀의 공면성이다.
‘공면성’이라는 것은 커넥터를 평평한 표면 위에 놓았을 때 리드나 핀이 가장 높은 것과 가장 낮은 것 사이에 최대 차이를 말한다. 이것은 광학적 측정 장비를 사용해서 측정할 수 있다(그림 1, 왼쪽).

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[그림 1] 공면성은 평평한 표면으로부터 리드의 최대 높이 차이를 말하는 것으로서, SMT 디바이스 리드로 접합부 결함을 방지하기 위해서는 이 차이를 최소화하는 것이 중요하다. (출처: Samtec)

우수한 솔더 접합부를 달성하기 위해서는 우수한 공면성이 중요하다. 어떤 핀이나 리드가 너무 높게 자리잡고 있으면 솔더 페이스트와 충분히 접촉하지 못함으로써 접합부의 전기적 접속이 취약하거나 아니면 접속이 아예 안될 수 있다. 대부분의 경우에 요구되는 공면 값은 0.10mm에서 0.15mm 사이다.
적합한 프로세스와 장비를 사용해서 대다수 애플리케이션으로 0.15mm 공면으로 커넥터들을 일관되게 제조할 수 있다. 하지만 핀 수가 증가하고 있고 특히 이중 열 직각 같이 커넥터 핀을 특정한 각도로 고도화된 형태로 제조함에 따라서 0.10mm 공면은 달성하기가 훨씬 어렵다. 이처럼 더 낮은 공면을 달성하기 위해서는 커넥터 비용이 증가한다.
대형 보드는 3천 개 이상의 부품을 탑재할 수도 있으며, 전자 기기들이 갈수록 더 작은 크기로 더 많은 기능을 집어넣음에 따라서 공간적인 제약이 갈수록 심해지고 있으며, 갈수록 더 미세한 피치의 부품들이 등장하고 있다. 이에 따라서 0.10mm 두께 스텐실을 사용하고자 원하는 설계자들이 점점 늘어나고 있다. 스텐실을 더 두껍게 만들면 리드나 패드 사이에 솔더 브리징이 발생될 위험성이 높아진다. 그런데 문제는, 충분한 핀 수와 적합한 폼팩터로 0.10mm 대의 공면 요건을 충족하는 커넥터를 찾기가 쉽지 않다는 것이다.
이에 대한 한 가지 대안은, 스텝 스텐실을 사용하는 것이다. 미세 피치 부품들로는 더 얇은 스텐실을 사용하고 커넥터로는 더 큰 스텐실을 사용하는 것이다. 이렇게 해서 문제를 해결할 수는 있으나, 스텐실 비용이 증가할 수 있으며 어느 쪽 스텝으로든 부품들 사이에 공간이 충분하지 않은 경우에는 맞지 않을 수 있다. 경험상으로는 스텝 스텐실 애퍼처들 사이의 거리가 스텝 두께의 36배가 되어야 한다.
또 다른 방법은 다중 커넥터를 사용하는 것이다. 핀 수가 적어지면 커넥터로 엄밀한 공면 요건을 충족하기가 더 쉬워진다. 하지만 커넥터 수가 증가하면 비용이 증가할 뿐만 아니라 레이아웃이 복잡해지고 신뢰성과 관련한 문제가 발생될 수 있다. 또 커넥터로 0.10mm 공면 요구는 충족할 수 있으나, 0.10mm 스텐실을 사용하면 솔더 양이 줄어들고 그러면 접합부 접속이 약하게 될 수 있다.

스텐실 애퍼처 최적화

어떻게 하면 이러한 절충을 최소화할 수 있을지 알아보기 위해서, Samtec과 Phoenix Contact는 3개 커넥터 제품으로 스텐실 애퍼처를 다르게 했을 때 어떻게 영향을 미치는지 시험했다. 가장 먼저 0.15mm 스텐실에 1:1 애퍼처를 사용했다. 다시 말해서 증착되는 솔더가 구리 패드와 같은 크기 및 형태라는 뜻이다. 그런 다음에는 0.10mm 스텐실에 더 넓은 애퍼처를 사용해서 두 가지 변화를 가했다. 커넥터를 제조하고 0.10mm ~ 0.15mm의 공면 값으로 결과를 살펴보았다.
솔더 양을 늘려서 접속을 잘 할 수 있도록 하면서 보드 표면으로 브리징이나 솔더 볼을 형성하지는 않을 정도로 애퍼처 크기를 패드 크기보다 크게 했다(오버프린팅). 이를 달성하기 위해서 리플로우를 할 때 액상 온도에 도달했을 때 솔더가 가열된 패드로 융화하는 경향성을 활용했다. 이런 식으로 각각의 커넥터 타입으로 적합한 크기의 애퍼처를 결정할 수 있다(그림 2).

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[그림 2] 주황색 상자는 FTSH 커넥터로 최적의 애퍼처 크기를 보여준다. (출처: Samtec)

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[그림 3] 샘플 FTSH 커넥터로 0.152mm 공면 값과 0.10mm 두께 스텐실을 사용해서 최적화된 애퍼처 크기로 프린트했을 때 안쪽(왼쪽)과 바깥쪽(오른쪽) 열 모두로 우수한 품질의 접합부를 달성하고 있다. (출처: Samtec)

예를 들어서 샘플 FTSH 커넥터로 0.152mm 공면 값과 0.10mm 스텐실을 사용해 우수한 솔더 접합을 달성하는데 최적의 애퍼처는 2.84mm x 0.97mm인 것으로 나타났다. 이 애퍼처 크기를 사용함으로써 100% 수율로 IPC-J-STD-001 Class 2 요건을 충족하는 우수한 품질의 접합부를 달성할 수 있다.
이 시험 결과를 통해 0.10mm 스텐실을 사용하는 설계자들이 최대 공면 값이 0.15mm인 커넥터를 사용하는 것을 고려해 볼 수 있다는 것을 알 수 있다. 이 조합으로 최적의 스텐실 애퍼처를 사용함으로써, 기성품으로 나와 있는 커넥터 옵션의 선택폭을 넓힐 수 있으며 제한적이거나 비싼 방법을 사용하는 것을 피할 수 있다. 최적의 애퍼처를 알 수 없거나 결정할 수 없으면 되도록 설계 작업의 조기 단계에 커넥터 제조업체에 문의해서 특정 애플리케이션으로 최적의 애퍼처를 결정하거나 좀더 적합한 솔루션을 찾을 수 있다.
핵심은 되도록 조기 단계에 서두르는 것이다. 설계가 진행되고 나중으로 갈수록 선택할 수 있는 옵션들이 제한되기 때문이다.

맺음말

설계자들의 고충을 이해하고 더 미세한 스텐실과 더 엄밀한 공면 값을 바라는 고객들의 요구를 듣고 Samtec과 Phoenix Contact의 연구개발 팀이 협력해서 스텐실 애퍼처를 최적화함으로써 0.15mm 공면 커넥터에 0.10mm 스텐실을 사용할 수 있다는 것을 알아냈다. 미세한 0.10mm 스텐실을 사용할 수 있고, 더 많은 커넥터 옵션을 사용할 수 있으며, 비용과 복잡성을 낮춤과 동시에 IPC-J-STD-001 Class 2 요건을 충족하는 견고한 접합부를 달성할 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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