이 글에서 여러분과 작은 비밀 하나를 공유하고자 합니다. 바로 SMT(표면 실장 기술) 프로토타입 기판의 조립은 쉬울 뿐만 아니라 장비도 거의 필요 없다는 사실입니다. 스텐실 하나만 사용하면 0.3mm 피치 IC와 0201(인치) 크기 수동 부품의 프로토타입을 수작업으로 간단하게 제작할 수 있습니다. 웨이퍼 수준의 소형 부품을 조립하는 것은 어려울 수 있지만, 일반적으로 생산되는 프로토타입의 대부분(양면 기판 포함)은 몇 시간 만에 수작업으로 생산용 품질 수준으로 조립할 수 있습니다. 현재 납땜 작업대를 활용하여 SMT 기판을 수동으로 조립하고 있다면 즉시 중단하고 대신 스텐실을 사용해 보세요!
대부분의 저가 인쇄 회로 기판 제조업체는 기판의 크기에 따라 약 5~25달러 사이의 가격에 프레임 없는 스텐실 서비스를 제공합니다. 이 글에서는 JLCPCB에서 구매한 스텐실과 기판을 사용합니다. 하지만 다른 공급업체도 비슷한 스텐실을 제공합니다. 주변 기판 공급업체에서 급하게 기판을 주문해야 했다면, 대부분의 지역에는 저렴하고 프레임이 없는 Kapton, 아세테이트 또는 스테인리스 스틸 스텐실을 판매하는 업체가 있을 겁니다. 이 글의 주제에서는 다소 벗어난 내용이지만, 만약 CO2 레이저 절단기를 가지고 있다면 아세테이트 전사 투명 시트로 스텐실을 쉽게 만들 수도 있습니다.
스텐실을 사용하면 SMT 기판 조립이 한결 수월하고 신속해지며 부품을 개별 납땜하는 것보다 훨씬 더 쉬워집니다. 납땜 인두로는 닿을 수 없는 중앙 아래의 위치에 노출된 패드가 있는 BGA 부품 또는 무연 패키지와 같은 손으로 납땜하기 어려운 부품도 스텐실을 사용해 조립할 수 있습니다. 간단한 도구를 사용하고 각 부품을 개별 납땜 하는 것보다 훨씬 적은 노력을 들여 픽 앤 플레이스 라인에서 나온 것 같은 기판을 픽 앤 플레이스 작업에 견적을 내는 데 걸리는 시간보다 더 짧은 시간 내에 제작할 수 있습니다.
전자공학 실험실이 장비를 충분히 또는 미흡하게 갖춘 것과 관계없이 기판을 조립할 때 최소한의 장비만 있으면 훌륭한 품질의 결과물을 얻을 수 있습니다. 아마 필요한 준비물을 이미 갖추고 있을 겁니다. 그렇지 않더라도 저렴하게 구할 수 있습니다. 이 프로세스는 처음 입문하는 학생과 다국적 기업에서 빠르게 프로토타입을 제작하는 전문 엔지니어 모두에게 적합합니다.
도구와 준비물 외에도 조명이 매우 밝은 작업 공간을 확보해야 합니다. 조명이 충분히 밝지 않으면 작은 부품을 작업할 때 눈이 빨리 피로해질 수 있습니다. 제 작업대에는 동영상 촬영용으로 설계된 LED 조명 패널 두 개가 설치되어 있습니다. 고품질 확대경 램프 또한 매우 유용합니다. 확대경을 사용해야 할 만큼 작은 부품으로 작업하는 것이 아니라면, 램프에서 렌즈를 빼면 입김 때문에 렌즈에 김이 서릴 일이 없어 더 잘 볼 수 있습니다!
작업을 시작하려면 솔더 페이스트가 필요합니다. Loctite/Henkel GC 10(T4 메시)은 SMT 수작업에 탁월한 솔더 페이스트입니다. 실온에서 보관할 수 있으며, SMT 수동 조립을 완료하고 기판을 효과적으로 리플로우할 수 있는 시간을 확보해 줍니다. 이 제품은 우수한 결과를 얻을 수 있는 SAC305 무연 솔더입니다.
솔더 페이스트를 취급하고 작업 후에 정리를 하기 위해서는 니트릴 장갑이 필요합니다. 이 단계에서 다소 지저분해질 수 있지만, 끈적끈적한 솔더 페이스트를 직접 닦아내는 것보다 장갑을 버리는 것이 훨씬 쉽습니다.
솔더 페이스트를 지우려면 소독용 알코올 또는 아이소프로필 알코올로도 알려진 아이소프로판올이 필요합니다. 알코올을 사용하면 스텐실을 쉽게 닦아낼 수 있습니다. 작업 후에 물건을 닦을 종이 타월도 필요합니다.
페이스트를 바르려면 스퀴지 같은 도구가 필요합니다. 저는 보통 사용하지 않는 매장 회원 카드 같은 신용 카드 크기의 플라스틱을 사용합니다. 스크레이퍼나 스패출러 같은 금속 장치는 손상 위험이 있으니 사용하지 않는 것이 좋습니다. 사용할 스퀴지는 가능하면 스텐실 소재보다 부드러워야 합니다. 이렇게 하면 쉽게 교체할 수 있는 스퀴지에는 손상이 발생하더라도 중요한 재료인 스텐실에는 손상이 발생하지 않습니다.
기판을 정확하게 장착하려면 기판과 동일한 두께의 지지대로 제자리에 고정해야 합니다. 이 글에서는 3D 프린트 서라운드를 사용했지만, 레이저로 절단한 1/16인치 아크릴이나 여분의 빈 PCB를 사용할 수도 있습니다. 3D 프린트 서라운드를 사용할 때의 장점은 외부에 립이 추가된다는 점입니다. 이를 통해 서라운드를 장착하는 데 사용하는 마스킹 테이프가 서라운드 상단보다 낮게 위치할 수 있습니다. 서라운드는 기판을 제자리에 정확하게 고정할 뿐만 아니라 스텐실을 지지해 작업 중에 회로 기판이 구부러지거나 들어 올려지지 않도록 합니다.
이 글에서는 회로 기판을 장착하기 위해 레이저 절단 아크릴 보드를 사용하지만, 이것은 순전히 제 편의를 위한 것입니다. 예전에는 항상 모든 것을 책상에 테이프로 붙이곤 했습니다! 어떤 마스킹 테이프를 사용하든 상관 없지만, 저는 1.5인치 너비의 얇은 고품질 3M 테이프를 사용합니다. 일반적인 마스킹 테이프보다 넓어서 작업이 훨씬 쉬워집니다.
페이스트를 기판에 도포한 후 부품을 배치하려면 고품질 핀셋이 필요합니다. 저는 Swanstrom 7-SAH 핀셋을 사용하는데, 패딩 처리된 그립이 있어 장시간 사용해도 편안합니다. 이 제품은 고품질 스테인리스 스틸로 제작되어 SMT 부품에서 커버 테이프를 떼어낼 때 쉽게 구부러지지 않습니다.
SMT 부품을 기판에 배치한 후에는 기판을 가열하여 솔더를 녹여야 합니다. 이 작업을 위해 대단한 도구를 사용할 필요는 없습니다. 개조한 피자/토스터용 오븐이나 전기 프라이팬이면 충분합니다. 개인적으로는 저렴한 858D 핫 에어 재작업 스테이션을 자주 사용하는데, 솔더를 녹이려면 기판 위를 이동하면서 가열해야 합니다. 덕분에 각 기판을 리플로우할 때 시간이 더 걸리기는 하지만 이미 가지고 있는 저렴한 도구를 활용하는 방법입니다. 또 ESD 매트와 작업대를 열로부터 보호하기 위해 실리콘 쿠킹 매트를 사용하기도 합니다. 기판에 아주 넓은 접지 주입 영역, 두꺼운 구리 또는 여러 개의 접지 레이어가 있는 경우에는 저렴한 전기 프라이팬이 예열판으로 아주 적당합니다. 그런 다음 핫 에어 재작업 도구를 사용하여 솔더를 최고 리플로우 온도까지 가열할 수 있습니다.
저는 작업 표면에 PCB를 구성하는 것부터 시작합니다. 서라운드가 페이스트를 도포할 기판을 완전히 고정하려면 4면이 모두 꼭 맞아야 합니다. 기판과 두께가 동일한 지지대가 모든 면에 위치해야만 스텐실을 맨 위에 놓았을 때 잘 지지할 수 있습니다.
저는 서라운드를 고정할 때 마스킹 테이프를 사용하는데, 얇아서 작업이 끝났을 때 제거하기 쉽기 때문입니다.
서라운드를 제자리에 배치한 다음에는 테이프로 SMT 스텐실을 제자리에 고정해야 합니다. 테이프를 사용하여 스텐실 뒷면에 경첩을 만듭니다. 이 경첩은 스텐실이 패드와 정확하게 정렬되도록 잡아 줍니다. 매우 작거나 미세한 피치 부품이 있는 경우 정렬이 아주 중요합니다. 스텐실 정렬이 약간이라도 어긋나면 0201 패드가 완전히 어긋나기 쉽습니다. 다행히 스텐실을 맞추는 것은 간단합니다. 스텐실의 모든 구멍에서 밝게 빛나는 금속이 보이고 솔더 마스크가 보이지 않을 때까지 조금씩 움직이기만 하면 됩니다.
SMT 스텐실의 뒷면에도 경첩으로 고정한 스텐실 뒷면이 페이스트를 도포할 PCB와 정확히 같은 높이가 되도록 지지 재료가 필요합니다. SMT 스텐실이 완벽하게 정렬되면 뒷면에 마스킹 테이프를 붙여 고정합니다. 이렇게 하면 새로 인쇄된 페이스트의 번짐 없이 기판에서 스텐실을 들어 올릴 수 있습니다.
스크린 인쇄를 해본 적이 있다면 이미 솔더 페이스트 도포 전문가라고 해도 무방합니다. 이 작업도 동일한 프로세스로 이루어지기 때문입니다. 아직 해본 적이 없어도 걱정하지 마세요. 아주 간단합니다!
먼저 스퀴지에 적당한 양의 솔더 페이스트를 묻혀 줍니다. 저는 신용카드 크기의 플라스틱을 사용해 좁은 면으로 스퀴지의 폭 전체에 일정한 압력을 유지하면서 도포합니다. 스퀴지를 사용해 묻힌 페이스트는 전체 폭을 비교적 균일하게 커버해야 합니다.
한 손으로 스텐실을 서라운드에 단단히 고정하여 완전히 평평한 상태로 기판 위에 바르게 위치하도록 합니다. 완전히 건조될 때까지 손을 들거나 움직이지 않도록 주의합니다!
먼저 스텐실에서 자신과 반대되는 쪽에 위치한 구멍 위에 스퀴지를 놓는 것으로 시작합니다. 페이스트를 처음 도포하는 영역은 스텐실 개구부가 아니라 서라운드 위의 절단되지 않은 스텐실 부분이어야 합니다. 강한 압력으로 스퀴지를 내 쪽으로 끌어당깁니다. 스퀴지에 남아 있는 솔더를 스텐실에 눌러 발라 줍니다. 이 작업을 한 다음 솔더 페이스트가 어느 정도 남아 있어도 괜찮습니다. 그러나 완전히 채워지지 않은 스텐실 개구부가 있으면 안 됩니다. 이 문제가 발생한 경우 스텐실이 움직이거나 들리지 않도록 주의하면서 다시 시도합니다.
스텐실 개구부가 모두 제대로 채워지면 스퀴지를 수직으로 잡고 마지막으로 스텐실 위를 가볍게 쓸어 줍니다. 이 단계에서는 여분의 솔더 페이스트를 정리하기만 하면 됩니다. 이렇게 하면 모든 스텐실 개구부가 솔더 페이스트로 가득 차게 됩니다. 이 단계에서 너무 세게 누르면 일부 솔더 페이스트가 구멍 밖으로 빠져나와 일부 패드에 페이스트가 부족해질 수 있습니다. 일반적으로 솔더 페이스트는 양이 너무 적은 것보다 약간 많은 것이 좋습니다.
스텐실이 비교적 깔끔해 보이면(대체로 한 번 쓸어주면 충분함) 더러워진 스퀴지를 종이 타월 위에 따로 보관해 둡니다. 이 시점에서도 여전히 한 손으로 스텐실을 누르고 있어야 합니다. 오직 자신만이 움직일 수 있을 때를 알 수 있습니다. 나머지 스텐실에 압력을 가하면서 스텐실 앞면을 똑바로 들어 올립니다. 스텐실을 가능한 한 똑바로 들어 올리면서 천천히 분리합니다. 스텐실이 옆으로 움직이면 솔더 페이스트가 번질 수 있으므로 조심합니다.
스텐실을 기판에서 완전히 제거한 후에는 솔더 페이스트를 검사할 수 있습니다. 각 페이스트 패드의 윗부분이 평평하고 선명하게 구분되어야 합니다. 페이스트가 번졌다면 다시 시작해야 합니다. 이때 아주 미세한 피치 부품까지 꼼꼼히 확인합니다. 아이소프로판올에 적신 종이 타월을 사용하여 기판에서 솔더 페이스트를 완전히 닦아내고 과정의 처음으로 돌아갑니다. 마찬가지로 패드의 윤곽은 뚜렷하지만 그 사이에 솔더가 번진 자국이 있다면 페이스트를 도포하는 동안 스텐실이 들어 올려졌기 때문입니다. 이 경우에도 보드를 깨끗이 닦은 후 다시 시도해야 합니다.
페이스트를 도포하고 스텐실을 들어 올리는 기술을 마스터하면 SMT의 성공률이 아주 높아지고, 기판에서 페이스트를 닦아내야 하는 경우도 다행히 거의 없어질 것입니다.
SMT 부품으로 기판을 채우기 전에 회로 기판이 있던 곳에 종이 타월을 놓은 다음 아이소프로판올에 적신 종이 타월로 스텐실을 닦아 줍니다. 스텐실을 청소하는 것을 잊었다가 나중에 딱딱한 솔더 페이스트로 덮여 있는 것을 발견하는 것보다는 진행하면서 청소하는 것이 훨씬 쉽습니다!
회로 기판에 많은 부품을 수동으로 납땜해 본 적이 있다면 이 다음 단계가 마음에 드실 것입니다. 비교해 보면 너무 쉽거든요.
이제 BOM을 살펴보고 부품을 기판에 배치하기만 하면 됩니다. 곡선 핀셋을 사용하면 배치 순서를 그다지 잘 계획할 필요가 없기 때문에 이 작업이 훨씬 쉬워집니다. 곡선 핀셋은 다른 SMT 부품에 비교적 쉽게 닿을 수 있습니다.
Altium을 사용하여 기판의 3D 뷰를 살펴보고 어떤 부품이 손 움직임에 방해가 될지 확인하여 마지막에 배치할 계획을 세우는 것이 좋습니다. 기판에 부품이 밀집한 영역이 있다면 가장 중요하고 접근이 어려운 부품을 해당 영역에 먼저 배치합니다. 저항기 및 커패시터와 같은 SMT 부품은 정렬이 중요한 사항이 아니므로 해당 영역의 마지막에 배치할 수 있습니다. 이러한 부품을 배치할 패드에 접근하는 데 문제가 있는 경우, 가능한 한 정확한 위치에 부품을 떨어뜨린 다음 올바른 위치에 살짝 밀어 넣으면 됩니다.
인덕터, 알루미늄 커패시터, 표면 실장 커넥터와 같은 가장 큰 부품은 다른 SMT 부품을 배치할 때 방해가 될 가능성이 가장 높으므로 마지막에 배치합니다.
부품 배치가 중요하긴 하지만 결정적인 사항은 아닙니다. 일반적으로 부품의 리드가 솔더 페이스트에 닿기만 해도 정렬이 충분히 양호한 상태로서 무연 부품을 생각보다 쉽게 장착할 수 있습니다. 부품이 설치 공간 위에 대체로 정확하게 위치하는 한 솔더가 녹으면 자체적으로 정렬됩니다. 각 부품이 제 위치에 있으면 페이스트에 부드럽게 눌러 플럭스와 잘 접촉할 수 있도록 합니다. 이렇게 하면 부품 주변에서 작업하는 동안 패드에서 부품을 실수로 떨어뜨릴 확률이 낮아집니다. 열풍을 사용하여 기판을 가열할 때 부품이 끈적이는 플럭스와 잘 접촉되어 있으면 열풍에 너무 가까이 접근했다가 실수로 부품을 기판에서 날려버릴 가능성을 줄일 수 있습니다!
손이 떨리거나 불안정한 경우 미세한 부품을 배치하기가 매우 어려울 수 있습니다. 부품을 정확하게 정렬하는 데 어려움이 있을 때 저는 오른손에 핀셋을 쥔 다음 왼손으로 핀셋을 지지해 줍니다. 양손으로 작업하면 흔들림이 줄어들고 모터를 더욱 세밀하게 제어할 수 있습니다. 이는 가장 미세한 피치와 가장 작은 부품을 배치하는 데 많은 도움이 됩니다.
기판에 모든 부품을 정확하게 배치했다면 이제 아주 흥미로운 작업인 기판 요리를 시작해 보겠습니다.
앞서 언급했듯이 이 글에서는 이 과정이 얼마나 저렴하고 쉬운지 보여드리기 위해 가격이 아주 저렴한 핫 에어 재작업 건을 사용하고 있습니다. 실리콘 쿠킹 매트 위에 기판을 올려놓고, 재작업 스테이션을 350oC로 설정하여 최대 풍량을 적용한 상태에서 기판을 가열하기 시작합니다.
기판에서 적당한 거리를 두고 히트 건을 사용하여 기판의 모든 영역을 가로질러 이동하면서 가열하기 시작합니다. 먼저 더 넓은 구리 부분과 주입 영역에 열을 가하여 기판 전체를 예열합니다. 기판에 대형 인덕터 또는 변압기가 있는 경우 많은 열을 공급해야 하기 때문에 이러한 인덕터와 변압기도 예열해 줍니다. 기판을 가열하면 플럭스가 액체화되기 시작하면서 솔더 페이스트가 광택을 띠게 되는 것을 볼 수 있습니다. 이 과정에서는 기판을 가열하되 플럭스가 빠져나갈 정도로 가열하지 않는 것이 목표입니다.
페이스트에 광택이 나면서 준비되면 히트 건을 더 가까이 가져옵니다. 약 1.5~2인치(35~50mm) 떨어진 곳에 위치해 줍니다. 너무 가까이 가져가지는 마세요. 히트 건은 필요 온도보다 더 뜨겁게 설정되어 SMT 부품이나 PCB를 손상시킬 수 있습니다. 솔더가 녹기 전에 패드에서 소형 부품을 날려버릴 수도 있습니다! 첫 번째 부품 세트 위에서 작은 원을 그리며 히트 건을 작동하기 시작합니다. 부품과 패드를 솔더의 녹는점까지 가열하고 커다란 구리 주입 영역을 모두 가열하여 이 영역에 연결된 핀이 동시에 리플로우 되도록 합니다. 저는 제 기판에 열 완화 장치를 전혀 사용하지 않습니다. 이렇게 낮은 수준의 기술을 사용해 접근해도 기판을 고르게 리플로우 하는 데 전혀 문제가 없습니다.
저는 솔더 페이스트가 녹아서 반짝거리며 부품들이 풋프린트에 중심을 잡는 것을 보는 것이 즐겁습니다. 해당 영역에 있는 모든 패드의 솔더가 완전히 녹으면 해당 영역을 2~3초 더 가열한 다음 천천히 주변 영역으로 열을 옮겨줍니다. 솔더가 더 빨리 식을 수 있으므로 너무 빨리 이동하지 않도록 합니다. 반대로 열이 한 영역에 너무 오래 머무르면 솔더가 과도하게 산화될 수 있습니다.
무연 부품 아래의 솔더가 녹았는지 확실하지 않다면 핀셋을 사용하여 조심스럽게 조금씩 밀어보세요. 솔더가 녹았다면 그 위에 위치한 부품은 측면으로 떠밀렸다가 표면 장력에 의해 다시 제자리로 돌아옵니다. 녹지 않은 페이스트 위에 위치한 부품은 쉽게 옆으로 밀리지 않으며 핀셋을 치워도 다시 중심으로 돌아가지 않습니다.
SMT 부품 정렬이 미흡하고 리플로우 중에 이상한 각도로 이동한 경우에는 핀셋을 사용하여 올바른 정렬 위치에 맞도록 다시 돌려놓을 수 있습니다. 솔더가 녹은 상태에서 부품을 핀셋으로 밀면 자유롭게 재배치할 수 있습니다. 녹은 솔더의 표면 장력은 부품을 올바른 정렬 위치에 놓았을 때 부품이 풋프린트 위에 바로 놓이게 하며 일반적으로 브리지 핀도 방지합니다. 눈에 보이는 브리지 핀이 있으면 나중에 플럭스와 납땜 인두로 수정하거나, 솔더가 녹은 상태에서 부품을 기판에서 빼낸 후 다시 제자리에 배치할 수 있습니다. 브리지 핀은 일반적으로 기판에 솔더 페이스트가 너무 많다는 신호입니다.
다시 한번 강조하지만 문제를 해결할 때 해당 부위를 너무 오랫동안 가열하지 않아야 합니다. 솔더가 너무 많이 산화되어 접합 품질이 저하될 수 있기 때문입니다. 몇 초 안에 해결할 수 없을 것 같고 나중에 납땜 스테이션으로 고칠 수 없을 것 같은 문제가 발생하면 일단 내버려 둡니다. 기판의 리플로우가 끝나면 가열할 영역의 부품에 젤 플럭스를 바르고, 주변의 다른 부품은 Kapton 테이프로 마스킹한 다음 해당 영역을 다시 리플로우 할 수 있습니다. 젤 플럭스를 사용하면 실수를 수정하고 솔더에서 산화물을 제거할 수 있는 충분한 시간을 확보할 수 있습니다. 여기서 주의할 사항은 젤 플럭스로 작업하면 매우 지저분해져서 이후에 대대적인 청소가 필요할 수 있다는 점입니다.
제가 이 기판의 라인 아이템인 커패시터를 주문하는 걸 깜빡했습니다. 다행히 다른 SMT 프로젝트에서 준비했던 가격과 등급이 동일한 여분의 커패시터가 남아 있었습니다. 유일한 문제는 패키지가 훨씬 작다는 것입니다. 이 기판의 경우에는 나중에 커패시터를 납땜하기만 하면 됐지만, 리플로우 작업으로 인해 여전히 따뜻할 때 부품을 기판에 납땜하는 것이 훨씬 쉽습니다. 스루 홀 부품이나 막바지 수정이 필요한 경우엔 항상 잔류열을 활용하세요.
양면 기판을 납땜하려면 반대편에도 똑같은 절차를 따르기만 하면 됩니다. 바닥면에 부품 공간을 확보하기 위해 기판 지지대를 구축하거나, 이 PCB용 아크릴 기판에서 한 것처럼 베이스에서 포켓을 잘라내야 합니다. 가장 중요도가 낮고 작은 부품이 위치한 측면을 먼저 납땜합니다. 이렇게 하면 녹은 솔더의 표면 장력 덕분에 부품이 떨어져나가는 문제를 방지할 수 있습니다. 가장 복잡한 면은 두 번째 가열 때 작업하도록 남겨 두는 것이 더 쉽습니다.
두 번째 가열 중에 바닥면의 부품이 분리되거나 잘못 정렬되는 것이 우려된다면 두 번째 면에 주석 비스무트 솔더 페이스트를 사용합니다. SAC305 페이스트보다 용융점이 훨씬 낮기 때문에 SnBi 페이스트가 성공적으로 리플로우될 때까지 바닥면의 솔더가 열을 감지하지 못합니다.
이 글을 통해 원시적이고 저렴한 SMT 실험실 도구로 기판을 리플로우 하는 것이 비교적 간단하면서도 고품질의 결과를 얻을 수 있다는 사실을 알게 되셨으면 좋겠습니다. 스텐실을 직접 사용해 본 적이 없는 많은 사람들은 제가 0201 부품이나 매우 미세한 피치의 무연 부품을 가지고 손으로 작업할 수 있다는 사실에 놀랍니다. 하지만 사실 누구나 할 수 있는 작업입니다. 간단한 스텐실과 고품질 페이스트를 사용하면 SMT를 활용해 얻을 수 있는 결과에 대해 놀랄 것입니다. 각 부품을 개별적으로 납땜하는 것보다 더 효율적인 방법이 있으니 기판을 채울 때는 납땜 스테이션의 전원을 꺼두셔도 좋습니다.
Altium Designer®의 설계 툴에는 새로운 SMT를 따라잡는 데 필요한 모든 기능이 포함되어 있습니다. 지금 바로 문의하여 여러분의 다음 PCB 설계를 개선할 수 있는 방법에 대해 알아보세요.