작은 aperture의 paste가 stencil에 남는 이유
작은 pad에서 paste 인쇄량이 들쭉날쭉하면 stencil opening을 먼저 넓히고 싶어진다. 그런데 board에는 넓힐 공간이 없고, stencil은 다른 부품 때문에 더 얇게 만들기 어렵다. 이때 원인을 숫자로 정리해 주는 지표가 Stencil Area Ratio다. opening이 작아질수록 paste가 벽에 붙어 있을 부담이, PCB로 떨어져야 할 면적에 비해 커진다.
stencil의 구멍을 paste로 채우고 판을 들어 올리면 paste가 구멍 벽에서 떨어져 PCB에 남아야 한다. 실제 결과에는 paste의 유변 특성, 벽의 거칠기와 표면 처리, 인쇄 조건이 관여한다. area ratio는 그 복잡한 문제에서 형상만 떼어 보는 비다. opening의 평면 면적을 paste가 닿는 opening 벽 면적으로 나눈다. 양쪽 모두 면적이므로 단위가 없는 숫자다.
TI BGA 지침 6.3절은 aperture area ratio와 stencil 제조 방식이 paste 전사에 영향을 준다고 설명한다. 계산식은 TI QFN 지침 4.3절의 면적 정의로 확인할 수 있다. 이 지표의 정의는 opening 형상에 관한 것이므로 아래 예제는 package 종류보다 구멍의 치수에 초점을 맞춘다.
벽이 수직인 정사각형 opening의 한 변을 a, stencil 두께를 t라고 하자. 평면 면적은 a², 벽 면적은 4at다. 따라서 area ratio는 a / (4t)다. 가상으로 t = 0.1 mm에서 a = 0.4 mm이면 1.0, a = 0.2 mm이면 0.5다. 한 변을 절반으로 줄였을 때 paste의 이상적인 체적은 4분의 1이지만, area ratio는 절반이 된다. 체적 감소와 release 조건 악화가 동시에 나타난다.
a = 0.2 mm를 유지하면서 t를 0.075 mm로 줄이면 ratio는 약 0.667로 높아진다. 얇은 stencil은 벽의 면적을 줄여 형상상 release에 유리한 방향으로 움직인다. 동시에 이상적인 paste 체적은 0.004 mm³에서 0.003 mm³로 25% 줄어든다. 따라서 ratio를 올렸다는 사실만으로 최종 solder 양이 충분하다고 말할 수 없다.
여기서 전사율을 따로 측정해야 한다. 예를 들어 가상의 검사에서 두꺼운 판은 이상 체적의 60%, 얇은 판은 90%를 전사했다고 하자. 실제 인쇄 체적은 각각 0.0024 mm³와 0.0027 mm³다. 판을 얇게 했는데 실제 인쇄량은 12.5% 늘어난다. 두 전사율은 설명을 위한 가정이며 앞의 ratio에서 산출한 값이 아니다. 반대로 두 판의 전사율이 모두 90%라면 얇은 판의 실제 체적도 25% 적어진다. 형상 계산과 공정 측정이 왜 따로 필요한지 보여 주는 비교다.
aspect ratio와도 혼동하기 쉽다. 정사각형 opening의 폭/두께를 쓰는 aspect ratio라면 0.2/0.1 = 2다. 같은 opening의 area ratio는 0.5다. 이름이 비슷해도 분모가 다르다. 원형 opening에는 평면 원 면적과 원통 벽 면적을 적용해야 하고, tapered opening은 벽과 상·하부 치수의 정의를 맞춰 계산해야 한다. 숫자 하나를 전달할 때 어떤 형상과 식으로 계산했는지도 남겨야 한다.
실제 조정에는 국부적으로 두께를 바꾸는 stencil, 벽 마감과 제조 방식, opening 형상과 paste 선택 같은 옵션이 있다. 어느 방법이 적합한지는 board의 다른 부품과 필요한 solder volume에도 달려 있다. 작은 opening 하나를 살리려고 판 전체를 얇게 하면 큰 접합에서 금속이 부족해질 수 있다. 또 평균 인쇄량만 좋아져도 반복성이 나빠지면 안정된 조립 조건이라고 보기 어렵다.
Stencil Area Ratio는 합격 도장을 찍는 숫자보다 문제를 좁히는 좌표다. 먼저 같은 정의로 opening과 벽 면적을 계산하고, 실제 인쇄 체적의 평균과 분산을 확인한다. 그 결과를 필요한 joint volume과 맞춘다. paste가 stencil에 남는 이유를 형상으로 설명하되, release가 얼마나 좋아졌는지는 인쇄 결과로 판단해야 한다.