스텝업 및 스텝다운 스텐실 초보자 가이드

모두 알다시피, 기업들은 2nm 공정으로 내려가고 있으며 전자제품은 지금 그 정점에 있습니다. 10년 사이에 PCB 부품 크기도 급격히 줄어들었습니다. 1206에서 시작해 BGA는 0402, 0201, 그 이하로 작아졌습니다. 부품이 작고 생산성이 높아야 하다 보니 납땜 과정에서 툼스톤(tombstoning), 브리징(bridging), 혹은 불량 접합 같은 결함이 발생할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 스텝-업(step-up) 및 스텝-다운(step-down) 스텐실 같은 특수 스텐실 기술이 널리 사용되며, JLCPCB는 혼합 밀도 PCB 설계를 위한 신뢰할 수 있는 솔더 페이스트 증착을 지원하는 스텝 스텐실 서비스를 제공합니다.

0.4mm 피치의 미세 피치 부품은 종종 훨씬 더 두꺼운 페이스트 높이가 필요한 장치 옆에 배치됩니다. 이는 SMT 전체 생산의 상당 부분을 차지합니다. 0.5mm 피치의 부품을 인쇄하는 동시에 01005나 CSP 같은 소형 부품을 0.3mm 피치로 현저히 낮은 페이스트 높이로 인쇄하는 능력은 전자 제조에서 새로운 요소로 떠오르고 있습니다. 하나의 스텐실 내에서 여러 페이스트 높이를 한 번의 인쇄 공정으로 인쇄하는 것이 스텝 스텐실의 가능성입니다. 함께 알아보고, 본 튜토리얼에서는 스텝 스텐실이 무엇인지, 언제 사용하는지, 조립 품질에 어떤 영향을 주는지 설명하겠습니다.

PCB 스텐실이란?

PCB 스텐실은 PCB 패드와 정확히 일치하는 구멍이 뚫린 얇은 강철 판입니다. PCB에 SMT 부품을 조립하려면 패드에 솔더 페이스트를 도포해야 합니다. 가장 효과적이고 정확한 방법은 스텐실을 사용하는 것입니다. 최근에 다룬 스텐실과 나노코팅에 대한 문서를 확인해 보세요.

대량 생산 라인에서 작업자는 스텐실을 PCB 위에 올려놓고, 스텐실 구멍을 통해 솔더 페이스트를 밀어 넣어 패드에 증착합니다. 작업자가 스텐실을 들어 올리면 일부 솔더 페이스트가 패드 위에 남습니다. 솔더 페이스트가 도포된 보드는 픽앤플레이스 머신으로 들어가 적절한 SMT 부품이 페이스트 위에 배치됩니다. 이후 채워진 보드는 리플로우 오븐에서 납땜됩니다.

기존 스텐실의 문제점:

스텐실 두께와 패드 개구부(홀) 크기가 패드에 도포되는 솔더 페이스트 양을 결정합니다. 패드 위의 솔더 페이스트 양은 부품을 제대로 납땜하는 데 필수적입니다. 양이 적으면 부품이 제대로 납땜되지 않을 수 있고, 양이 많으면 과도한 솔더로 인해 인접 패드와 브리징이 생길 수 있습니다. 미세 피치 부품과 대형 커넥터 또는 히트 패드가 동일한 보드에 존재하면 서로 충돌하는 솔더 페이스트 양 요구가 생깁니다. 이는 표준 스텐실로는 해결할 수 없습니다.

0402 칩 부품이나 0.5 mm 피치 이하의 QFP 같은 SMT 부품에는 극도로 작은 스텐실 개구부가 필요합니다. 0.2 mm 두께의 스텐실에서 이런 미세 구멍을 사용하면 페이스트 이탈이 어렵습니다. 작업자가 스텐실을 들어 올릴 때 이런 개구부는 0.127 mm 두께의 스텐실에서 가장 잘 작동합니다.

스텝 스텐실이란?

스텝 스텐실은 크고 작은 SMT 부품 모두에 대해 PCB에 도포되는 솔더 페이스트 양을 제어합니다. 대형 SMT 부품은 두꺼운 스텐실과 더 많은 솔더 페이스트가 필요하지만, 소형 부품은 솔더 양이 적어야 하므로 얇은 스텐실이 더 적합합니다. 따라서 대형과 소형 SMT 부품이 혼재하는 보드에는 두꺼운 부분(대형 부품용)과 얇은 부분(소형 부품용)을 모두 가진 스텝 스텐실이 필요합니다.

（본 스텐실은 JLCPCB에서 제작）

전자 기기가 점점 더 얇고 작아지면서 엔지니어들은 PCB에 미세 SMT 부품을 사용해야 합니다. 대형·중형·미세 피치 SMT 부품이 한 보드에 함께 쓰이는 경우가 많습니다. 스텝 스텐실은 두께를 달리함으로써 PCB 표면에 맞춤형 솔더 페이스트 양을 도포할 수 있게 해줍니다.

스텝 스텐실의 종류:

이러한 변형은 주로 화학 에칭, 레이저 용접, 전기 연마 등 스텐실 제조 과정에서 이루어집니다. 스텝 스텐실에는 스텝-업과 스텝-다운 두 가지 유형이 있습니다.

스텝-업 스텐실 (Step-Up Stencil)

여러 소형 부품과 일부 대형 SMT 부품이 함께 있는 PCB에는 스텝-업 스텐실이 필요합니다. 일부 영역을 더 두껍게 만들어 솔더 페이스트를 더 많이 증착합니다. 기본 스텐실은 0.1 mm 두께의 강철 시트로 만들고, 대형 SMT 부품 부위는 0.15 mm로 두껍게 만듭니다.

스텝-다운 스텐실 (Step-Down Stencil)

일부 대형 부품과 소형 SMT 부품이 함께 있는 PCB에는 스텝-다운 스텐실이 필요합니다. 특정 영역을 더 얇게 만들어 솔더 페이스트를 덜 도포합니다. 기본 스텐실은 0.15 mm 두께의 강철 시트로 만들고, 소형 SMT 부품 부위는 0.1 mm로 얇게 만듭니다.

스텝 스텐실은 프레임 유무에 관계없이 사용할 수 있습니다. 프레임이 없는 스텝 스텐실은 시제품 조립에 더 편리하고, 프레임이 있는 스텝 스텐실은 양산용으로 사용됩니다. 프레임이 없는 스텝 스텐실이 프레임 스텐실보다 비용이 낮습니다.

스텝 스텐실 제조 공정:

스텝 스텐실은 10년 넘게 시장에 나와 있으며 다양한 생산 기법으로 만들어집니다. 처음에는 습식 화학 에칭으로 시작했고, 이후 레이저 컷팅/용접, 밀링, 전기 주조 등이 뒤따랐습니다.

화학 에칭은 미세화 한계로 인해 점점 덜 쓰이고 있지만, 레이저 컷팅과 전기 주조가 현재 가장 널리 사용됩니다. 두 기술은 재료, 생산 방식, 후처리에서 크게 다릅니다. 레이저 컷팅은 주로 스테인리스 스틸을, 전기 주조는 니켈을 주 재료로 사용합니다. 스텝-업/다운 영역을 만들기 위해 정교한 기술이 필요합니다:

• 레이저 용접 포일(Laser Welded Foils): 추가 포일 조각을 베이스 스텐실에 용접합니다.

• 화학 에칭(Chemical Etching): 선택적으로 재료를 제거하여 돌출(스텝-업)이나 홈(스텝-다운)을 만듭니다.

• 나노코팅 호환성(Nano-coating compatibility): 많은 제조업체가 페이스트 이탈 성능을 더 높이고 세척 횟수를 줄이기 위해 나노코팅 버전을 제공합니다.

이 과정에서 핵심은 우수한 CAD 설계와 스텐실 공급사와의 긴밀한 협업입니다.

스텐실 제조 기술:

제조업체는 스텝 스텐실 제작에 다음 3가지 기술 중 하나를 사용합니다:

• 광화학 에칭 기술(Photo-Chemical Etching Technology)
• 미세 기계 가공 기술(Micro-Machining Technology)
• 레이저 용접 기술(Welding Technology Using Laser Devices)

1. 광화학 에칭 기술:

광화학 에칭은 스텝 스텐실 생산의 주요 방법입니다. 제작자는 사진 공정으로 에칭되지 않을 부위에 레지스트를 형성한 후, 에칭액으로 스텐실 표면의 재료를 원하는 두께가 될 때까지 제거합니다.

2. 미세 기계 가공 기술:

제작자는 밀링 머신 위에 일반 스텐실 시트를 냉각 진공 플레이트에 고정합니다. CNC 기반 밀링 머신으로 한 번에 아주 소량의 재료를 제거해 원하는 두께에 도달하면, 스텝 포일을 프레임에 올린 뒤 레이저 빔으로 구멍을 컷팅합니다.

3. 레이저 용접 기술:

제작자는 얇은 베이스 시트와 두꺼운 시트 두 장을 사용합니다. CNC 장비로 두꺼운 시트에서 스텝 영역을 컷팅한 뒤, 얇은 시트의 오픈 부위에 두꺼운 포일 조각을 끼워 넣고 레이저 용접으로 접합합니다. 이후 레이저 빔으로 구멍을 컷팅합니다.

스텝 스텐실 사용의 이점:

결론:

결론적으로, 스텝-업과 스텝-다운 스텐실은 복잡해 보일 수 있지만 PCB 조립에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 부품 크기가 작아지고 보드 복잡성이 높아질수록 솔더 페이스트 증착을 정밀하게 제어해야 합니다. 복잡한 PCB는 여러 SMT 부품에 서로 다른 솔더 페이스트 양을 필요로 합니다. 동일 스텐실에서 포일 두께를 다르게 하면 거친 피치 영역에는 충분한 솔더를, 미세 피치 영역에서는 정밀하게 솔더 양을 제어할 수 있습니다.

이러한 특수 스텐실을 언제 어떻게 사용하는지 이해하면 초보자도 조립의 신뢰성과 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다. 다음 스텐실을 주문하기 전에 스텝 스텐실이 보드의 흔한 문제를 해결해 줄 수 있는지 고려해 보세요. JLCPCB는 혼합 부품 보드를 위해 스텐실 두께를 정밀 조정하는 스텝 스텐실 서비스를 제공하여 최적의 솔더 페이스트 증착을 돕습니다. 항상 제조사와 상의하고 스텐실 옵션을 신중히 검토하세요. 혼합 부품 보드에서는 두께를 올리거나 낮추는 것이 필수적입니다. 스텝 스텐실 없이는 이상적인 인쇄 결과를 얻기가 극히 어렵거나 불가능하기 때문입니다.