PCB 제조 수율을 높이는 인서킷 테스트의 장점

인서킷 테스트는 조립된 기판의 구리 패드에 스프링 프로브를 눌러 접촉시킨 뒤 부품을 하나씩 검사합니다. 기판 한 장을 검사하는 데 수초가 걸립니다. 펌웨어 부팅 여부와 관계없이 각 부품의 값과 방향이 맞는지, 올바른 네트에 납땜되었는지 확인합니다. 기능 검사에서 불합격하면 기판이 제대로 작동하지 않는다는 사실을 알 수 있습니다. ICT에서는 R14가 개방되어 있거나 U3의 두 핀이 솔더 브리지로 연결되는 등 불량 위치까지 알 수 있습니다. 각각의 측정에는 프로브가 닿을 수 있는 패드가 필요합니다.

그림 1. 베드 오브 네일즈 지그의 스프링 프로브에 눌러 접촉시킨 조립 PCB

따라서 검사 범위는 지그를 제작하기 훨씬 전인 기판 배치 단계에서 결정됩니다. 이 글에서는 생산 현장에서 ICT를 수행하는 방법과 베드 오브 네일즈 지그 및 플라잉 프로브의 차이를 살펴봅니다. ICT로 검출할 수 있는 결함과 검사 범위를 좌우하는 테스트 포인트 설계 규칙도 설명합니다.

인서킷 테스트의 기본 원리

인서킷 테스트는 기판이 설계대로 조립되었는지 확인하는 구조 검사입니다. 제품의 작동 여부는 기능 검사에서 확인합니다. 검사 목적에 따라 검출할 수 있는 불량의 종류, 기판에 접촉하는 방식, 생산량에 맞는 검사 장비가 달라집니다.

PCB 인서킷 테스트란 무엇인가요?

PCB 인서킷 테스트(ICT)는 조립된 기판을 대상으로 하는 전기 검사입니다. 프로브가 각 네트의 테스트 포인트에 닿으면 검사기가 그 사이에 연결된 부품을 측정합니다. 단락, 단선, 부품 값 오류, 방향 오류를 부품별로 검사하고, 불량 보고서에 해당 부품과 핀을 표시합니다.

검사 범위는 지그 제작에 앞서 기판 배치 단계에서 정해집니다. 이 글에서는 생산 현장에서 ICT가 어떻게 이루어지는지 설명하고 베드 오브 네일즈 지그와 플라잉 프로브를 비교합니다. ICT가 검출하는 불량과 검사 범위를 결정하는 테스트 포인트 설계 규칙도 다룹니다.

인서킷 테스트의 기본 원리

인서킷 테스트는 기판의 조립 및 전기 연결 상태를 확인하는 구조 검사입니다. 이 검사 목적에 따라 검출할 수 있는 불량과 기판에 접촉하는 방식, 생산량에 적합한 장비가 달라집니다.

PCB 인서킷 테스트란 무엇인가요?

PCB 인서킷 테스트(ICT)는 조립이 끝난 기판의 전기적 상태를 검사합니다. 프로브가 각 네트의 테스트 포인트에 접촉하면 검사기는 테스트 포인트 사이에 연결된 부품을 측정합니다. 단락, 단선, 부품 값 오류, 방향 오류를 부품별로 검사하고, 불량이 발생한 부품과 핀을 보고합니다.

부품이 회로에 연결된 상태에서 측정한다는 점이 까다롭습니다. 기판에서 두 네트 사이에 연결된 저항에는 다른 전류 경로가 병렬로 연결될 수 있습니다. 예를 들어 10 kΩ 저항에 4.7 kΩ 경로가 병렬로 연결되면 두 경로의 합성 저항이 측정됩니다. 검사기가 대상 부품의 값을 판정할 수 있도록 가드 기법으로 병렬 경로의 영향을 제거합니다.

생산 현장의 인서킷 테스트 순서

생산 현장에서는 기판을 보호하기 위해 정해진 순서대로 ICT를 진행합니다. 검사기가 전원 네트에 단락이 없음을 확인한 뒤에 전원을 인가합니다.

그림 2. 생산 현장의 7단계 ICT 절차

• 검사 프로그램 생성 프로그램이 CAD 데이터와 넷리스트를 읽고 부품별 허용 오차와 네트별 프로브를 지정합니다.
• 지그 접촉 진공이나 공압 프레스로 기판을 눌러 스프링 프로브에 접촉시킵니다.
• 접촉 확인 각 프로브가 구리 패드에 닿는지 확인합니다. 오염된 패드로 인한 접촉 불량을 단선으로 잘못 판정하는 일을 방지합니다.
• 단락 및 단선 검사 모든 네트에 낮은 전압을 인가해 다른 네트와 단락되거나 네트 내부가 끊긴 곳이 있는지 확인합니다.
• 전원을 인가하지 않은 부품 검사 저항, 커패시터, 인덕터, 다이오드를 개별 검사합니다.
• 전원을 인가한 상태의 검사 전원을 켜고 레귤레이터 출력, 디지털 핀, 바운더리 스캔 체인을 검사합니다.
• 불량 보고 수리 작업자가 참고할 수 있도록 불량 부품명, 핀 이름, 측정값을 기록합니다.

4단계에서 낮은 전압을 사용하는 이유는 실리콘 접합부가 약 0.6 V에서 전류를 흘리기 시작하기 때문입니다. 시험 전압을 이보다 충분히 낮게 유지하면 다이오드와 트랜지스터가 도통하지 않습니다. 검사기가 구리 배선과 납땜 접합부의 연결 상태를 확인하므로, 기판에 전원을 인가하기 전에 안전하게 검사할 수 있습니다.

베드 오브 네일즈 지그와 플라잉 프로브 비교

플라잉 프로브 검사기는 소수의 프로브가 테스트 포인트 사이를 이동합니다. 베드 오브 네일즈 지그는 테스트 포인트마다 프로브가 있어 모든 지점에 동시에 접촉합니다. 기판 설계에 맞춰 판에 구멍을 뚫고 스프링 프로브 수백 개를 장착합니다. 지그를 완성하면 수초 만에 검사할 수 있습니다. 플라잉 프로브는 보통 움직이는 프로브 4~8개를 사용합니다. 전용 지그는 필요 없으며 검사 시간은 더 깁니다. 자세한 내용은 플라잉 프로브 검사의 작동 원리를 참고하세요.

그림 3. 베드 오브 네일즈 지그와 플라잉 프로브 검사기 비교

품질 관리에서 인서킷 테스트의 장점

인서킷 테스트는 각 부품을 직접 측정해 불량 위치를 좁혀 줍니다. 기판 전체를 뒤져 원인을 찾는 시간을 줄이고 수리 비용을 낮추며 전기 검사 범위를 넓힐 수 있습니다.

빠르고 정확한 불량 검출

베드 오브 네일즈 검사기는 기판 한 장에서 수백 가지 검사를 수초 만에 수행할 수 있습니다. 프로브가 모두 정해진 위치에 놓여 있어 검사기는 릴레이로 측정할 프로브를 전환합니다. 프로브를 옮길 필요가 없어 일부 기판만 표본으로 검사하는 대신 전수 검사를 할 수 있습니다.

그림 4. 가드 기법으로 병렬 경로의 영향 없이 저항 하나를 측정하는 방법

가드 기법은 측정 정확도를 높여 줍니다. 회로에 연결된 저항을 검사할 때 검사기는 한쪽 단자에 전류를 흘려보내고 다른 쪽에서 측정합니다. 병렬 경로의 중간 노드 전압을 측정 단자와 같은 전압으로 유지하면 병렬 경로의 전류가 가드로 흐릅니다. 따라서 계측기는 대상 부품에 흐른 전류만 측정합니다.

저항값이 매우 낮으면 추가 측정 기법이 필요합니다. 10 mΩ 전류 검출용 션트의 저항은 직렬로 연결된 프로브와 배선의 저항보다 작을 수 있습니다. 이 경우 2선식 측정값에는 지그 저항의 영향이 크게 나타납니다. 4선식 켈빈 측정은 프로브 한 쌍으로 전류를 인가하고 다른 한 쌍으로 전압을 측정합니다. 따라서 해당 부품의 각 네트에 테스트 패드가 2개 필요합니다.

수리 비용 절감과 초도 합격률 향상

불량이 후속 공정으로 넘어갈수록 처리 비용은 커집니다. 일반적인 추정 기준인 10배 법칙에 따르면 같은 불량도 공정이 한 단계 뒤로 넘어갈 때마다 처리 비용이 약 10배씩 늘어납니다. ICT는 불량 접합부 한 곳을 인두로 수리할 수 있는 조립 단계에서 문제를 찾아냅니다.

수리 비용의 대부분은 불량 원인을 파악하는 데 듭니다. 부팅되지 않는 기판을 작업자가 프로브로 확인하는 데 한 시간이 걸릴 수 있지만, 불량 보고서에 ‘C22 누락’이라고 나오면 몇 분 안에 수리할 수 있습니다. 불량 위치를 알고 있으므로 재작업을 마친 기판은 즉시 지그에 올려 재검사할 수 있습니다. 초도 합격률은 재작업 없이 모든 검사를 통과한 기판의 비율입니다. ICT 결과를 공정에 반영하면 이 비율을 높일 수 있습니다. 여러 기판의 같은 핀에서 반복적으로 불량이 생기면 스텐실 개구부, 부품 실장 위치 편차, 리플로 프로파일 등 앞선 공정을 확인합니다. 원인을 바로잡으면 같은 불량이 계속 발생하는 것을 막을 수 있습니다.

전기 검사로 확인할 수 있는 결함

ICT는 전기적 특성을 측정해 카메라가 놓치는 불량을 찾아냅니다. 카메라로는 저항이 제대로 실장된 것처럼 보이더라도 실제 값이 1 kΩ이고 자재 명세서(BOM)에는 10 kΩ으로 지정되어 있다는 사실은 측정해야 알 수 있습니다.

ICT 검사 범위를 확보하기 위한 제조 용이성 설계

검사기가 프로브로 접촉할 수 있는 네트만 측정할 수 있으므로 ICT 검사 범위는 기판 배치 단계에서 결정됩니다. 테스트 포인트의 위치, 주변 여유 공간, 지그로 눌렀을 때 기판이 평평하게 유지되는지를 고려해야 합니다.

테스트 포인트 배치

모든 네트를 검사하려면 네트마다 테스트 포인트가 있어야 합니다. 4선식으로 측정할 부품은 네트마다 테스트 포인트 2개가 필요합니다. 주요 전원 및 접지 네트에는 테스트 포인트를 여러 개 배치해 여러 프로브로 전류를 분산하고 접촉 저항을 낮춥니다. 테스트 포인트는 처음부터 PCB 설계에 포함해 배치하세요.

단면 지그는 제작비가 적게 들고 정렬하기 쉬우므로 테스트 포인트를 기판 한쪽 면에 모으는 것이 좋습니다. 일반적으로 기판 뒷면에 배치합니다. 양면에 테스트 포인트가 있으면 위아래에서 프로브가 닿는 클램셸 지그가 필요합니다. 배선 몇 개를 옮겨 양면 지그를 피할 수 있는지 검토하세요. 다음은 검사 범위를 줄이는 흔한 배치 문제와 해결 방법입니다.

• 비아에 프로브를 접촉시킬 때는 솔더 마스크를 열어 구리를 노출하고 드릴 직경은 0.36 mm(14 mil) 이하로 유지합니다.
• 부품 패드를 테스트 포인트로 쓰면 프로브가 누르는 힘으로 균열이 일시적으로 닫혀 불량을 놓칠 수 있습니다. 짧은 배선 위에 전용 테스트 패드를 따로 배치합니다.
• 전원 레일에는 테스트 포인트를 여러 개 배치해 시험 전류를 분산합니다.
• 테스트 패드에 실크스크린 잉크가 묻지 않도록 합니다. 잉크가 구리를 덮으면 프로브가 전기적으로 접촉하기 어렵습니다.

부품 주변 여유 공간과 기판 배치 규칙

프로브 팁은 작지만 몸통과 소켓은 더 큽니다. 높이가 큰 부품을 피하도록 프로브 장착판에 홈을 내야 하므로 부품이 높을수록 더 넓은 여유 공간이 필요합니다. 도금하지 않은 지그 정렬 홀 2개를 가이드 핀에 맞추면 모든 프로브를 한 번에 정렬할 수 있습니다. 기판 가장자리에 너무 가까운 패드는 지그의 밀폐부에 걸릴 수 있으므로 기판 안쪽으로 옮깁니다.

그림 5. ICT 테스트 포인트의 크기, 피치, 부품과의 간격, 기판 가장자리와의 거리

지그 안정성과 기계적 응력 관리

스프링 프로브 하나가 누르는 힘은 약 1~2 N이며, 지그에는 프로브가 수백 개 장착됩니다. 프로브 400개가 각각 1.5 N으로 누르면 전체 하중은 약 600 N으로, 체중 60 kg인 사람이 가하는 힘과 비슷합니다. 기판을 고르게 받치지 않으면 휘어져 부품에 균열이 생길 수 있습니다.

기판이 휘면 세라믹 커패시터와 BGA 접합부가 먼저 손상되기 쉽습니다. 적층 세라믹 커패시터는 내부에 균열이 생긴 뒤 몇 주가 지나 고장 날 수 있습니다. BGA 패드 아래 수지가 뜯겨 나가는 현상을 패드 크레이터링이라고 합니다. 프로브가 모인 곳 바로 위에 지그의 누름 핀을 배치하면 위아래로 가해지는 힘이 상쇄되어 기판이 휘는 것을 막을 수 있습니다.

무결점 납품을 위한 JLCPCB의 검사 역량

무결점 납품을 목표로 하려면 여러 단계에서 검사해야 합니다. JLCPCB는 부품을 실장하기 전의 베어 PCB부터 조립이 끝난 기판까지 단계별로 검사합니다. 각 단계에서 다른 검사로 놓치기 쉬운 결함을 확인합니다.

맞춤형 ICT 지그 설계와 제작

맞춤형 ICT 지그는 기판 설계에 사용한 CAD 데이터를 바탕으로 제작합니다. 테스트 포인트 좌표에 따라 프로브 배치도를 만들고 장착판에 구멍을 뚫은 뒤, 각 프로브를 검사기 채널에 연결합니다. 따라서 패드 위치가 바뀌면 지그도 수정해야 합니다. 이는 대량 PCB 생산용 베드 오브 네일즈 검사

와 같은 원리입니다. JLCPCB는 베어 PCB 단계에서 전기 검사를 수행합니다. 시제품과 소량 생산에는 플라잉 프로브를, 대량 생산에는 베드 오브 네일즈 지그를 사용합니다. 조립 기판에는 솔더 페이스트 검사, 2D·3D AOI, X선 검사, 플라잉 프로브 검사, 기능 검사(FCT)를 적용합니다.

ICT와 AOI 및 AXI를 결합한 단계별 품질 검사

리플로부터 기능 검사까지 각 자동 검사 단계에서 검출하는 결함이 다릅니다. 일반적인 생산 라인에서는 다음 순서로 검사합니다.

그림 6. 솔더 페이스트 검사(SPI)부터 기능 검사까지 이어지는 PCBA 검사 공정

• 먼저 자동 광학 검사(AOI)를 합니다. 기판에 접촉하지 않고 카메라로 부품 유무, 위치, 극성, 눈에 보이는 필렛을 확인합니다. 가려진 접합부의 상태와 저항값은 확인하기 어렵습니다.
• 자동 X선 검사(AXI)는 BGA, QFN, LGA 패키지 아래 접합부를 확인합니다. 밀도 차이를 바탕으로 솔더 볼 누락, 솔더 브리지, 보이드를 검출합니다. 납땜 상태가 정상이어도 부품 값이 맞는지는 별도로 확인해야 합니다.
• ICT는 전기적 측정 결과를 기록합니다. 넷리스트에 명시된 경로로 전류가 흐르는지 확인하고, 광학 검사와 X선 검사로는 알 수 없는 부품 값을 측정합니다.

JLCPCB는 조립 과정에서 2D와 3D AOI를 사용하고(AOI의 결함 검출 원리 참고), 단자가 바닥에 있는 패키지는 X선으로 검사합니다. 이 단계에서 ICT까지 수행하면 마지막 기능 검사는 제품이 의도대로 작동하는지 확인하는 데 집중할 수 있습니다.

턴키 제조와 기판 단위 추적 관리

턴키 제조에서는 한 공급업체가 PCB 제조, 부품 조달, 조립을 맡습니다. 생산 이력이 한곳에 모이므로 ICT에서 부품 값 오류가 검출되면 어떤 릴에서 해당 부품이 공급되었는지 쉽게 확인할 수 있습니다. JLCPCB는 자체 부품 라이브러리에서 부품을 공급하므로 실장한 각 부품의 품번을 확인할 수 있습니다.

기판 단위로 생산 이력을 추적하려면 기판에 식별 정보를 표시해야 합니다. JLCPCB는 2D 바코드나 일련번호를 넣거나 두 가지를 함께 넣을 수 있습니다. 바코드는 QR 코드 또는 데이터 매트릭스로 표시하며, 5 × 5 mm, 8 × 8 mm, 10 × 10 mm의 세 가지 정사각형 규격(각 변 197, 315, 394 mil) 중에서 고를 수 있습니다. 테스트 포인트를 배치하고 넷리스트에 오류가 없는지 확인했다면 생산을 진행할 수 있습니다. JLCPCB 웹사이트에 거버 파일 을 업로드하면 PCB 제조, 조립, 검사 견적을 바로 확인할 수 있습니다.

인서킷 테스트에 관해 자주 묻는 질문

결론

인서킷 테스트는 회로에 연결된 상태에서 부품을 개별 측정해 불량 위치를 정확히 찾아냅니다. 덕분에 수리 시간을 줄이고 공정에서 불량의 원인을 해결할 수 있습니다. 네트마다 테스트 포인트를 배치하고, 높은 부품 주변에 여유 공간을 확보하며, 프로브 압력에 기판이 휘지 않도록 지그를 설계하는 등 검사 준비는 기판 설계 단계부터 시작됩니다.

기판의 실장 밀도가 높아질수록 ICT를 바운더리 스캔 및 X선 검사와 함께 사용합니다. 설계 단계에서 프로브가 닿을 공간을 확보하면 검사 비용을 크게 늘리지 않고도 필요한 지점을 측정할 수 있습니다. JLCPCB의 PCB 제조, 조립, 검사 서비스를 이용하면 이런 검사 계획을 생산에 적용할 수 있습니다.