SMT(Surface Mount Technology)용 검사 장비

물샐 틈도 없는 철벽 3D 검사 장비

글|한국과학기술정보연구원 산업정보분석실 김지희 선임연구원

표면실장기술(Surface Mount Technology, SMT)은 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)의 표면에 직접 실장할 수 있는 표면실장부품(Surface Mounted Components, SMC) 을 전자회로에 부착시키는 방법이다. 전자 제품 생산 기술인 SMT(표면실장기술)는 생산 설비 라인 구성에 필요한 설비 관련 기술을 말하나, 넓게는 표면실장부품을 실장시키는 PCB 제조에 필요한 생산 설비 및 부대 장치, 관련 설비 및 기술 전체를 의미한다.

인쇄회로기판의 소형화, 집적화 가속되며
정밀 검사 장비 수요 증가

최근, 스마트폰과 태블릿 PC의 급성장으로 인쇄회로기판의 소형화, 집적화가 가속화되고 있어 정밀 검사 장비의 수요가 증가하고 있다. SMTA(Surface Mounted Technology Association : 세계 표면시장기술협회)에 따르면 그 이유는 SMT 공정에서 발생하는 불량 중 74%가 납 관련 불량으로, 납도포의 불량 여부가 품질 및 생산수율에 미치는 영향이 크기 때문이다.

2D 검사 장비에 비해 불량률을 혁신적으로 감소시키는
3D 검사 장비

SMT 공정에 사용되는 검사기에는 납도포검사기(Solder Paste Inspection, SPI)와 자동광학검사장비/실장부품검사기(Auto Optical Inspection, AOI)가 있다. SPI는 표면실장 전에 납도포를 검사하는 장비이고, AOI는 부품을 실장하고 납땜을 한 후 최종 검사를 하는 장비를 말한다. 오른쪽 그림을 보면 SMT 공정 라인에서 SPI와 AOI 검사 장비가 적용되는 구간을 알 수 있다.
좀 더 구체적으로 살펴보면, 납도포검사기(Solder Paste Inspection, SPI)는 SMT 공정 중 PCB 상에 표면실장부품 장착 전에 연결 역할을 하는 납도포(Solder Paste)의 형상, 높이, 두께 등을 검사하는 장비를 말한다. 납도포란, 전자제품에 들어갈 회로기판에 반도체칩을 부착하기 전, 납을 발라두는 공정을 말한다. 여기에 칩을 붙인 후 특수 오븐에 굽는 과정이 회로기판 제조 과정의 ‘납땜’이다. 납도포검사기가 중요한 이유는 납방울이 정상치보다 크면 회로를 침범해 기판을 못 쓰게 만들고 너무 적으면 납땜 후 반도체가 제자리를 잡지 못하므로, 회로기판 제조에 있어 납의 상태 확인은 매우 중요하기 때문이다.
납도포검사기는 검사 방식에 따라 2D SPI와 3D SPI로 나뉜다. 2D SPI는 측정이 아니라 템플릿 매칭 방식으로 위치 불량 검출만 할 수 있는 반면, 3D SPI는 납의 3차원 형상 자체를 측정하여 위치, 폭, 길이, 부피 등의 정확한 수치를 측정 하여 전자 제품 조립 공정상 발생하는 핵심적 불량인 Short Open, 냉땜, 일어섬(Tomb Stone) 등의 근본적 원인인 납부족, 납과다,  불량, 형상 불량 등의 판단을 완벽하게 하여 불량률을 혁신적으로 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 유럽의 디지털 TV 공장에서 불량품 20개를 골라내기 위해서 2D SPI 장비는 120개를 집어내야 했지만(오류율 87%), 3D SPI 장비는 23개 만에 20개의 불량품을 모두 골라내(오류율 17%) 검사의 정확도는 물론 검사의 재작업에 드는 시간, 비용이 절약될 수 있다.
이와 같이 3D SPI 장비는 2D SPI 장비를 사용하는 것보다 불량률을 획기적으로 감소시킬 수 있으나 3D SPI 장비는 그림자(Shadow) 문제라는 치명적인 난제를 가지고 있다. 즉, 오른쪽 그림 좌측에서 보는 것처럼 단방향의 Projection에서는 빛이 닿지 않는 부분이 발생하게 되며, 그 부분의 검사는 불가능하다. 결국 보는 각도에 따라서 측정 결과가 달라지므로 측정의 불확실성이 발생하게 되는 것이다. 또한 Solder paste의 뾰족한 부분에서는 반사가 심하여 난반사(Specular) 문제가 발생되어 Sensor의 Saturation이 야기된다. 이와 같은 문제를 고영테크놀러지(社)에서는 아래 그림 우측에서 보는 것과 같이 Dual Projection 기술을 개발하여 3D SPI 장비의 치명적인 난제인 그림자, 난반사 등을 해결하였다.
AOI 장비는 검사 대상물의 깨짐, 치수, 홀(hole), 도체 간격(pitch), 라인 폭, 길이, 이물질, 패턴, PCB 기판의 솔더인쇄 상태, 부품 장착 상태, 납땜 불량 등을 검사하는 장비이다. AOI 장비는 검사 방식에 따라 2D AOI와 3D AOI로 나눌 수 있으며, Off-Line(탁상용)과 li-Line용이 있다. 현재 업체들의 80% 이상이 탁상용 2D AOI 장비를 사용하고 있다.

스마트폰, 태블릿 PC, 스마트 TV 등 IT 제품 수요 확대와 반도체 패키징의 고집적화, 실장 방식 변화, 부품 소형화, PCB Fine pitch화로 인하여 AOI 장비 수요가 증가하고 있다.
특히, 2010년 이후 AOI 검사기 업계에서는 3D AOI 검사 장비에 촉각을 곤두 세우고 있다. 그 이유는 광학기기의 기술적 한계를 해결할 수 있는 대안이 ‘3D 기술 접목’이기 때문이다. 즉, 2D AOI 장비에 3D 기술 접목시킨 3D AOI 장비는 솔더링 이후의 납땜 상태를 3D로 형상화시켜 불량을 검사한다. 솔더링 이후 상태를 입체화하면, 광학기기로는 볼 수 없었던 부품의 측면, 인접한 부품으로 인한 부분, 리드들뜸, 필렛 등의 불량을 손쉽고, 빠르게 검출이 가능하다.
다시 말해 2D AOI가 표면적인 상태만을 검사했다면, 3D AOI는 실제적인 부품의 높이나 리드 휨, 리드의 굴곡까지도 검사가 가능할 뿐만 아니라 거울처럼 반짝이는 반사 효과로 광학기기로는 검사가 어려웠던 부분도 검사가 가능하게 된 것이다. 일례가 Pad의 납도포이다. Pad의 납도포 결과가 중요한 이유는 Oven을 통과하는 과정에서 납이 녹으면서 다른 Pad에 붙거나 연결을 시키지 말아야 하는 Pad를 서로 연결시킬 경우 제품의 큰 고장과 연결되기 때문이다. 옆 그림 좌측의 네모 박스에 해당 Pad의 경우, 2D의 이미지에서는 모두 다 비슷하게 도포된 것으로 보였으나 옆 그림 우측처럼 3D AOI 장비로 검사한 경우, 납이 정량보다 103.9%나 더 많이 도포 되었음을 알 수 있다. 이처럼, 3D AOI 장비로 검사할 경우 2D AOI 검사 장비로 검출하지 못한 불량을 검출할 수 있으므로 제품 고장률을 현저히 낮출 수 있다.

3D 검사 장비 시장, 연평균 7% 증가하여
2017년에는 34.9$ Million으로 예상

SMT 장비의 2011년 전체 시장을 보면 AOI가 48%로 가장 높고, SPI가 17%, 그 외 검사 장비가 35%를 차지한다. 2D SPI와 AOI 검사 장비 세계 시장 규모를 보면, 2D SPI의 검사 장비의 2011년 시장은 173.3$ Million에서 연평균 8.5% 증가하여 2017년 285.8$ Million으로 전망된다. 2D AOI의 검사 장비의 2011년 시장은 474.1$ Million에서 연평균 8.3% 증가하여 2017년 778.1$ Million으로 전망되며 결과 값은 다음 표에 나타내었다.
3D SPI와 AOI 검사 장비 세계 시장 규모를 보면, 3D 검사 장비의 시장 비중은 2D 검사 장비의 12.2%를 차지하고 있어 2D SPI와 AOI 시장에서 3D SPI, AOI 시장을 추정한 결과를 오른쪽 아래 표에 나타내었다. 3D SPI 검사 장비의 2011년 시장은 21.1$ Million에서 연평균 7% 증가하여 2017년 34.9$ Million으로 예상된다. 아래 그림에서 나타난 것과 같이 3D SPI의 시장 점유율을 보면 고영테크놀러지(社)가 50%의 시장을 점유하고 있으며 Cyber-Optics 13%, 기타 19%순이다. 3D AOI의 세계 시장 점유율을 보면 Omron이 19%, TRI 17%, Viscom이 10% 등이며, 기타 비율이 42%로 높게 나타났다. 기타의 비율이 높은 이유는 점유율이 낮은 소수업체들이 다수 존재하기 때문이다.

검사 수요 증가와 Solder paste 관련 불량으로
검사 장비 시장 확대될 전망

PCB의 집적화로 검사 수요가 급증할 뿐만 아니라, 불량 원인 중 Solder paste 관련 불량이 전체 74%를 차지하고 있어 검사 장비 시장은 지속적으로 확대될 전망이다. 또한, 글로벌 EMS(Electronics Manufacturing Service) 업체들은 100% 2D AOI 장비만 사용하고 있어 신규 라인에 대한 수요는 물론 2D 장비의 교체 시장에 대한 수요에도 기대가 크다.
고가인 3D 장비로 교체함에 있어 업계의 부담을 줄여주기 위해 2D 장비에 3D 소프트웨어를 삽입하여 두 가지 검사를 모두 할 수 있도록 고안된 장비들도 출시 되고 있다. 이와 같은 장비로 인해 업계들은 고가인 3D 장비로 교체하지 않아도 검사의 효율을 높일 수 있어 일석이조의 효과를 볼 수 있을 것으로 사료된다.

자료출처 | KISTI MARKET REPORT

관심 기업

3D SPI 시장 점유율 세계 1위 기업
고영테크놀러지

고영테크놀러지는 세계 최초로 3차원(3D) 검사 장비를 출시해 전 세계 시장 점유율 1위 기업이다. 3D 정밀 측정 및 자동화 검사 장비를 생산하는 해 온 고영테크놀러지는  3D SPI 장비제조가 주력사업이다.
3D SPI 장비는 PCB(Printed Circuit Board) 제조 공정 중 SMT(Surface Mounting Technology; 표면실장기술) 공정에서 Solder Paste(납 도포) 상태를 3차원으로 검사하여 불량 여부를 판별하는 장비이다. 3D SPI 장비는 PCB 기판 위에 부품을 장착하기 전에 솔더가 정상적으로 도포되었는지를 검사함으로써 PCB의 생산 수율을 크게 높여준다. SMTA(Surface Mount Technology Association)에 따르면 SMT 공정에서 솔더 페이스트 관련 불량이 전체 불량 요인의 70% 이상을 차지하고 있다. 더욱이 부품의 경박 단소화로 인해 검사장비에 대한 필요성이 높아지며 고영테크놀러지의 장비에 대한 수요가 과거 10년 이상 꾸준함을 보여주었다.
전 세계 3D SPI 장비 시장 규모는 약 2,000억 원 가까이 되는 것으로 추정되며 향후 2,000억 원 중반의 규모까지는 성장할 수 있을 것으로 추정된다. 고영테크놀로지의 시장점유율은 글로벌 1위로 파악되며 경쟁사로는 미국의 Cyberoptics, 일본의 CKD, 대만의 TRI가 있으며 Low-to-Mid-end 위주의 제품들이 주력이고, 고영테크놀러지는 Mid-to-High-end 위주의 제품들을 생산하고 있다.
자료출처 | 대우증권 리서치 센터