01005 실장 가이드: PCB 설계, 스텐실, 피더 정전기와 리플로우

그림: 손가락 끝에 올려놓은 SMD 커패시터 여섯 개. 왼쪽부터 01005, 0201, 0402, 0603, 0805, 1206. 사진은 필리프 발베리 촬영, CC BY-SA 4.0 라이선스, 출처는 위키미디어 공용

위 사진에서 가장 작은 커패시터는 길이 0.4 mm, 폭 0.2 mm의 01005입니다. 008004처럼 더 작은 부품도 있지만 휴대전화와 모듈 제조사 외에는 드물게 사용합니다. 그래서 대부분의 설계에서 01005가 수동 부품 크기의 실질적인 하한입니다. 0402와 0201에서 통하던 실장 규칙 중 일부가 이 크기부터는 적용되기 어렵습니다.

크기를 줄였을 때 무게와 작용하는 힘이 서로 다른 비율로 줄기 때문입니다. 0603 커패시터의 모든 치수를 4분의 1로 줄이면 01005가 되며 무게는 64분의 1로 줄어듭니다. 단자에 작용하는 용융 솔더의 힘은 솔더가 젖은 가장자리의 길이에 비례하므로 약 4분의 1로만 줄어듭니다. 표면적에 따라 달라지는 정전기 인력은 약 16분의 1이 됩니다.

따라서 무게 대비 솔더가 당기는 힘은 01005가 0603보다 약 16배 크고, 정전기 인력은 약 4배 큽니다. 실장 라인에서는 부품이 테이프 포켓에서 튀어나오거나 리플로우 중에 한쪽 끝이 들려 서는 일이 생깁니다. 인쇄된 페이스트가 녹기 전에 산화되기도 합니다.

이 가이드에서는 이 크기에서 달라지는 공정 조건을 다룹니다. 패드 설계, 스텐실과 페이스트, 피더 정전기, 질소 리플로우, 검사 방식이 1차 합격률에 미치는 영향을 살펴봅니다.

01005 부품이란?

01005는 인치식 크기 코드입니다. 숫자 그대로 읽으면 0.010 × 0.005인치처럼 보이지만, 실제 크기는 약 0.016 × 0.008인치, 즉 0.4 × 0.2 mm입니다. 미터식 코드 0402는 이 치수를 직접 나타냅니다.

수동 부품에서 특히 혼동하기 쉬운 표기입니다. 인치식 01005는 미터식 0402에 해당하고, 인치식 0402는 미터식 1005에 해당합니다. 후자의 몸체 면적은 6배가 넘습니다. 데이터시트나 부품 명세서에 0402가 표시되어 있다면 주문 전에 어느 표기 체계인지 확인하십시오.

크기 코드와 풋프린트 전체 목록은 SMD 저항 패키지 크기 가이드를 참고하십시오.

그림: 같은 축척으로 그린 01005, 0201, 0402 칩의 외형.

01005와 0201의 공정 공차 차이

0201에서 01005로 내려가는 것은 크기 코드상 한 단계 차이입니다. 그러나 기존 패드에서 충분히 흡수할 수 있던 공차가 이 크기에서는 패드 폭의 상당 부분을 차지합니다.

일반적인 01005 패드는 폭이 약 0.2 mm입니다. 베어 기판의 솔더 마스크 정합, 인쇄기의 스텐실과 기판 정렬, 실장기의 부품 배치 정밀도에서 생기는 오차가 이 패드에 함께 작용합니다.

관리가 잘 되는 라인에서는 각 오차가 수십 µm 수준입니다. 폭이 약 1 mm인 0603 패드에서 50 µm의 위치 오차는 폭의 약 5%에 불과해 공정 여유 안에 들어갑니다.

폭이 약 0.3 mm인 0201 패드에서는 같은 오차가 약 17%에 이릅니다. 01005 패드에서는 폭의 4분의 1입니다. 개별 공정이 모두 사양을 충족해도 여러 단계의 오차가 누적될 수 있습니다.

따라서 01005를 안정적으로 실장하려면 전체 공정을 동시에 더 좁은 허용 범위 안에서 관리해야 합니다.

그림: 0603 패드와 01005 패드에 동일한 50 µm 위치 오차를 축척에 맞춰 표시한 모습.

01005 실장을 위한 PCB 설계 규칙

표면 마감

일반 HASL은 01005에 적합하지 않습니다. 열풍으로 평탄화한 솔더층은 볼록하고 높이가 고르지 않습니다. 0.2 mm 패드에 인쇄하는 페이스트의 높이는 스텐실 두께 정도에 불과하므로, 표면 높이 편차의 영향이 큽니다.

이 때문에 부품이 고르게 안착하지 못하고 밀리거나 한쪽 끝이 들려 서는 툼스톤 불량이 생기기 쉽습니다. ENIG와 OSP는 표면이 평탄해 좁은 공정 허용 범위에 적합합니다. 제이엘씨피씨비는 0201 또는 01005 부품이 포함된 기판을 ENIG로 실장하며, 주문 페이지에서 해당 마감이 설정됩니다. 자세한 비교는 표면 마감 선택 가이드와 HASL과 ENIG 비교를 참고하십시오.

패드의 납땜 면적 정의

01005에는 보통 동박이 납땜 영역을 결정하는 NSMD 패드를 사용합니다. 솔더 마스크 개구를 동박 패드보다 조금 크게 설계하므로 마스크 위치가 조금 어긋나도 납땜 영역은 달라지지 않습니다.

이 크기에서는 패드와 솔더 마스크 개구 사이의 여유가 한쪽당 수십 µm에 불과합니다. 마스크와 동박이 정확히 맞지 않을 때 어떻게 달라지는지 알아두는 것이 좋습니다.

위치 오차가 이격 여유보다 작으면 패드는 NSMD 상태를 유지합니다. 오차가 여유보다 커지면 마스크가 한쪽 가장자리의 동박을 덮습니다. 그쪽 경계는 마스크가 결정하게 되며 해당 단자에서 솔더가 젖는 면적이 바뀝니다.

제이엘씨피씨비는 레이저 직접 노광(LDI)으로 솔더 마스크를 형성하며, 패드와 개구의 크기가 1:1인 경우까지 지원합니다. 0201 풋프린트를 축소해서 쓰기보다 부품 데이터시트의 권장 랜드 패턴을 사용하십시오. 자세한 내용은 솔더 패드 설계 가이드를 참고하십시오.

그림: 위치 오차가 마스크 이격 여유보다 작으면 패드가 NSMD 상태를 유지합니다(왼쪽). 오차가 더 크면 마스크가 동박을 덮어 해당 가장자리의 납땜 경계를 결정합니다(오른쪽).

양쪽 패드의 열 균형

양쪽 패드가 고르게 가열되지 않는 것은 01005에서 툼스톤 불량이 생기는 흔한 원인입니다. 한 패드가 넓은 배선이나 접지 동박 영역에 연결되고 다른 패드가 좁은 배선에 연결되면, 양쪽 솔더가 액상선 온도에 도달하는 시점이 달라집니다.

먼저 젖은 쪽의 솔더가 부품을 당깁니다. 01005는 무게가 매우 작아 그 힘을 견디기 어렵습니다. 자세한 내용은 PCB 툼스톤 불량 가이드를 참고하십시오.

양쪽 패드에 연결되는 배선의 폭을 같게 하고, 패드를 평면에 연결할 때는 열 릴리프를 사용하십시오. 비아는 패드 밖에 배치하고 비아와 패드 사이에 솔더 마스크를 두어 한쪽의 솔더가 비아로 빨려 들어가는 것을 막으십시오.

그림: 접지 동박 영역에 직접 연결된 패드는 더 느리게 가열됩니다. 반대쪽이 먼저 젖으면서 부품을 당겨 세웁니다(왼쪽). 양쪽 배선을 같은 조건으로 설계하면 솔더가 함께 녹습니다(오른쪽).

부품 간격

좁은 간격은 01005를 쓰는 이유지만, 페이스트를 인쇄하고 자동 광학 검사(AOI)에서 모든 접합부를 볼 수 있는 공간은 남겨야 합니다. 높이가 큰 인접 부품이 AOI 카메라의 사선 시야를 가릴 수 있습니다. 큰 부품이 01005 바로 옆에 있으면 가까운 패드가 더 느리게 가열되어 앞서 설명한 열 불균형이 생길 수 있습니다.

스텐실과 솔더 페이스트의 핵심

이 절에서는 01005에 해당하는 스텐실 설계 조건을 다룹니다.

핵심 지표는 개구 면적을 개구 내벽 면적으로 나눈 면적비입니다. 이 값으로 페이스트가 패드에 전사될지, 개구 안에 남을지 가늠할 수 있습니다. IPC-7525는 안정적인 전사를 위한 최소 면적비로 0.66을 제시합니다.

일반적인 01005 패드에 0.20 × 0.20 mm 개구를 사용한다고 가정해 보겠습니다. 0.10 mm(4 mil) 두께의 스텐실에서는 면적비가 0.50으로 권장값보다 낮습니다. 두께를 0.08 mm로 줄이면 약 0.63으로 높아지고, 3 mil(0.076 mm)에서는 약 0.66에 이릅니다.

따라서 01005에는 보통 약 3 mil 두께의 스텐실을 사용하며 나노 코팅을 적용하는 경우가 많습니다. 코팅은 면적비가 낮을 때도 페이스트가 개구에서 잘 떨어지도록 돕습니다. 제이엘씨피씨비는 모든 종류의 스텐실에 나노 코팅 옵션을 제공합니다. 자세한 내용은 나노 코팅이 스텐실 성능에 미치는 영향을 참고하십시오.

그림: 0.20 × 0.20 mm 개구의 면적비는 4 mil 스텐실에서 0.50, 3 mil 스텐실에서 약 0.66입니다.

페이스트의 분말 크기도 개구에 맞춰 정합니다. 개구에서 가장 좁은 방향으로 가장 큰 입자가 최소 다섯 개 들어갈 수 있도록 하는 것이 일반적인 기준입니다. 개구가 200 µm라면 최대 입자 크기는 약 40 µm입니다.

타입 4 페이스트(20~38 µm)는 이 한계에 가깝지만 개구를 적절히 설계하면 사용할 수 있습니다. 타입 5(15~25 µm)는 여유가 더 커 01005에 흔히 사용됩니다. 분말이 미세할수록 입자 수가 늘어 산화할 수 있는 전체 표면적도 커집니다. 이 영향은 질소 리플로우 절에서 다룹니다.

크기가 다른 부품을 함께 실장하는 기판은 더 까다롭습니다. 전력 인덕터나 커넥터 옆의 01005 수동 부품에는 얇은 스텐실이 필요하지만 큰 부품에는 더 많은 페이스트가 필요합니다. 많은 기판에서는 얇은 스텐실 하나를 사용하되 큰 부품의 개구를 넓혀 페이스트 양을 확보할 수 있습니다.

이 방식으로 페이스트 양이 부족하면 작은 부품 주변은 얇고 큰 부품 아래는 두꺼운 스텝 스텐실을 사용합니다. 비용과 제작 기간은 늘어납니다. 단차 가장자리에는 이격 공간이 필요하므로 01005와 대형 부품의 상대 위치를 미리 계획하십시오. 자세한 규칙은 스텝 스텐실 설계 가이드를 참고하십시오.

피더 정전기: 실장 전에 01005 부품이 사라지는 이유

인쇄와 리플로우가 주목받는 공정이지만, 01005 부품은 기판에 도달하기 전 릴에서 노즐로 옮겨지는 단계에서도 빠질 수 있습니다.

피더가 캐리어 테이프에서 커버 테이프를 벗길 때 테이프와 포켓에 마찰 정전기가 생깁니다. 큰 부품은 영향을 거의 받지 않지만, 01005는 정전기만으로도 포켓에서 들릴 수 있습니다. 벗겨진 커버 테이프에 붙거나 포켓 안에서 옆으로 기울거나 포켓 밖으로 튀어나갈 수 있습니다.

부품 제조사도 이 문제를 고려합니다. 예를 들어 무라타의 01005용 좁은 피치의 엠보싱 테이프는 커버 테이프를 벗길 때 정전기를 억제하도록 처리되어 있습니다. 무라타는 이 처리가 부품 흡착 오류를 줄이는 데 도움이 된다고 설명합니다.

실장 라인에서는 흡착 오류나 옆으로 누운 채 흡착되는 부품이 나타나고, 리플로우 뒤 AOI에서 부품 누락이 검출됩니다. 01005 부품 하나가 빠져도 기판의 1차 합격률은 떨어집니다. 이후 01005 부품 하나를 손으로 실장하는 작업도 까다롭습니다.

그림: 커버 테이프를 벗길 때 정전기가 생겨 01005 부품이 필름에 붙거나 포켓 안에서 기울거나 밖으로 빠질 수 있습니다. 테이프가 벗겨지는 지점으로 이오나이저를 향하게 하면 전하를 중화할 수 있습니다.

일반적인 대응은 피더의 테이프 박리 지점에 이오나이저를 향하게 해 그 자리에서 전하를 중화하는 것입니다. 박리 속도와 각도에 따라 전하 축적량이 달라지므로 피더를 일관되게 설정하고 관리해야 합니다. 습도도 중요합니다. 공기가 매우 건조하면 전하가 더 쉽게 축적됩니다.

테이프 종류도 영향을 줍니다. 01005 부품은 종이 캐리어 테이프나 무라타 제품과 같은 엠보싱 플라스틱 테이프로 공급됩니다. 두 테이프는 피더에서 다르게 동작합니다. 특정 릴에서만 문제가 생기면 테이프부터 확인하십시오.

노즐이 도착하기 전에 부품이 포켓 안에서 이미 기울어져 있다면 실장기가 정밀해도 해결할 수 없습니다. 이 크기에서는 실장기의 정밀도만큼 정전기 제어가 중요합니다.

질소 리플로우: 효과와 한계

리플로우 중에는 모든 접합부에서 어느 정도 산화가 일어나지만, 01005의 페이스트는 두 가지 이유로 산화에 더 취약합니다. 첫째, 작은 페이스트 인쇄부는 부피 대비 표면적이 커 예열 중 플럭스가 더 빨리 마르고 소모됩니다.

둘째, 미세 분말에는 입자가 더 많고, 플럭스가 각 입자의 산화막을 제거해야 합니다. 남은 플럭스가 산화를 감당하지 못하면 입자가 완전히 융합되지 않습니다. 접합부가 매끄러운 필렛 대신 덜 녹아 붙은 입자가 포도송이처럼 모인 형태로 남는데, 이를 그레이핑이라고 합니다.

그림: 연속된 필렛이 형성된 정상 접합부(왼쪽)와 산화된 입자가 융합되지 않은 그레이핑 불량(오른쪽).

질소 분위기에서 리플로우하면 솔더와 반응할 산소가 줄어들어 산화가 감소하고 젖음성이 좋아집니다. 이처럼 작은 페이스트 인쇄부에서는 공정 허용 범위를 넓힐 수 있습니다. 제이엘씨피씨비는 조립 공정에 질소 리플로우를 포함합니다. 공정의 기본은 리플로우 납땜 가이드를 참고하십시오.

질소 리플로우로도 툼스톤은 해결되지 않으며, 오히려 더 심해질 수 있습니다. 산화가 줄면 솔더가 더 빨리 젖어 표면 장력이 부품을 당기는 시점이 앞당겨집니다. 인듐 코퍼레이션은 이 점을 툼스톤 저감 기술 자료에서 설명합니다.

한쪽 패드가 먼저 액상선 온도에 도달하면 당기는 힘이 더 일찍 작용해 부품이 서기 쉽습니다. 이와 같은 상충 관계는 두 단계의 실험 계획을 적용한 0201 툼스톤 연구에서도 나타났습니다. 2000년대 후반에 니스웨이 연구진이 주로 타입 3 페이스트를 사용한 실험에서, 공기 중 리플로우는 논문에서 ‘100 ppm N₂’로 표기한 질소 분위기보다 툼스톤을 덜 일으켰지만 부품 틀어짐과 젖음 불량을 포함한 전체 불량은 더 많았습니다.

리플로우 프로파일에도 장단점이 있습니다. 온도 균일화 구간을 두면 솔더가 녹기 전에 소형 부품과 대형 부품의 온도 차이를 줄일 수 있습니다. 크기가 다른 부품을 섞어 실장한 기판에서 툼스톤을 줄이는 대표적인 방법입니다. 앞서 소개한 0201 연구에서도 비교한 두 프로파일 중 직선 승온 방식에서 결과가 더 나빴습니다.

다만 온도 균일화 구간을 두면 각 01005 페이스트의 플럭스가 열에 더 오래 노출되어 마르기 쉽고 그레이핑이 늘 수 있습니다. 인듐 코퍼레이션은 현재 일반적으로 선호되는 프로파일로 피크까지의 직선 승온을 꼽습니다. 온도 균일화 구간은 부품 간 열용량 차이가 커 기판을 고르게 가열하기 어려운 경우에만 추가합니다.

어느 쪽이든 열전대 측정값과 페이스트 데이터시트를 바탕으로 기판별 프로파일을 정하십시오. 각 단계에 대한 설명은 리플로우 납땜 프로파일 가이드를 참고하십시오.

그림: 온도 균일화 구간을 두는 방식과 피크까지 직선으로 승온하는 방식의 비교. 온도 균일화 구간은 기판 온도를 고르게 하고, 직선 승온은 플럭스의 열 노출 시간을 줄입니다.

01005 접합부 검사: SPI와 AOI

01005 불량은 인쇄 단계에서 시작되는 경우가 많아 솔더 페이스트 검사(SPI)가 특히 중요합니다. 3D SPI는 인쇄된 페이스트의 높이와 부피를 개별적으로 측정해 실장 전에 페이스트 부족, 브리징, 위치 오차를 검출합니다. 이 단계에서는 기판을 세척한 뒤 다시 인쇄해 바로잡을 수 있습니다. 제이엘씨피씨비의 표준 PCBA에는 3D SPI가 포함됩니다. 자세한 내용은 솔더 페이스트 검사 가이드를 참고하십시오.

리플로우 후에는 자동 광학 검사(AOI)로 부품 누락, 툼스톤, 위치 틀어짐, 브리징을 확인합니다. 2D AOI는 영상으로 검사합니다. 이처럼 작은 접합부는 한쪽 단자가 살짝 들려도 위에서 보면 정상 접합부와 비슷하게 보일 수 있습니다.

3D AOI는 높이까지 측정하므로 단자 들뜸과 부분 툼스톤을 더 쉽게 검출합니다. 제이엘씨피씨비의 두 PCBA 서비스에는 모두 AOI가 포함됩니다.

그림: 한쪽 단자가 들뜬 01005는 위에서 본 2D 영상에서는 거의 정상으로 보이지만, 3D 형상에서는 높이 차이가 뚜렷합니다.

01005의 단자는 위에서 볼 수 있으므로 광학 검사가 주된 검사 방법입니다. 엑스선 검사는 BGA, QFN, LGA 패키지 아래에 가려진 접합부에 사용합니다. 자세한 내용은 PCB 엑스선 검사 가이드를 참고하십시오.

1차 합격률: 01005 재작업 비용이 큰 이유

여기서 1차 합격률(FPY)은 정해진 생산과 검사 단계를 재작업 없이 통과한 기판의 비율입니다. 01005는 재작업에 시간이 걸리고 위험도 커 다른 크기의 부품보다 이 지표가 중요합니다. 부품 하나를 다시 납땜할 만큼 강한 열풍은 주변 부품에도 영향을 주기 쉽습니다. 0603에서는 간단히 손볼 수 있는 불량도 01005에서는 신중하게 수리해야 합니다.

FPY는 기판 단위 지표입니다. 부품 하나에 불량이 있어도 기판 전체가 불합격입니다. 부품 단위 품질은 일반적으로 부품 백만 개당 불량 수(DPPM)로 표시합니다. 두 지표는 밀접하게 연결되어 있습니다.

01005 부품 500개가 실장된 기판에서 각 부품의 불량이 독립적으로 발생한다고 가정해 보겠습니다. 100 DPPM이면 불량 01005가 하나도 없을 확률은 (1 − 0.0001)⁵⁰⁰으로 약 95%입니다. 20 DPPM에서는 약 99%입니다. 고밀도 기판에서는 부품 단위 품질이 조금만 좋아져도 FPY에 직접 반영됩니다.

합격률을 떨어뜨리는 불량은 대체로 네 가지로 나뉩니다.

두 번째 불량 유형은 솔더 브리징 가이드에서 더 자세히 다룹니다.

01005와 0201 비교: 소형화의 실익

0201을 01005로 바꿔 절약할 수 있는 기판 면적은 보통 부품 몸체 크기 차이로 예상한 것보다 작습니다. 부품 간격, 배선, 비아 배치가 먼저 면적을 제한하기 때문입니다.

01005는 보청기, 이어버드, 스마트워치, 카메라 모듈, 소형 무선 모듈, RF 정합 회로처럼 작은 면적까지 아껴야 하는 설계에 적합합니다. 관련 설계는 웨어러블 PCB 조립 가이드를 참고하십시오.

레이아웃에 0201을 넣을 수 있다면 공정 허용 범위가 더 넓고 재작업도 쉽습니다. 가장 작은 부품이라는 이유로 01005를 검토하고 있다면, 먼저 0201로 배치한 뒤 01005로 바꿨을 때 실제로 얼마나 공간이 줄어드는지 확인하십시오.

제이엘씨피씨비의 01005 기판 조립

이 글을 작성한 시점에 제이엘씨피씨비는 표준 PCBA에서 01005를 실장하며, 경제형 PCBA는 0402까지 지원합니다. 두 서비스의 최소 크기는 PCB 조립 사양 페이지에서 확인할 수 있습니다.

01005 저항, 커패시터, 인덕터는 제이엘씨피씨비 부품 라이브러리에서 찾을 수 있으며 ‘표준 전용’으로 표시됩니다. 제이엘씨피씨비는 01005와 훨씬 큰 부품을 섞어 쓰는 기판의 경우, 부품마다 필요한 페이스트 양을 확보할 수 있도록 스텝 스텐실을 검토할 것을 권장합니다.

그림: 제이엘씨피씨비 부품 라이브러리의 01005 저항(C270305) 사진. 격자 한 칸은 1 mm입니다.

주문 전에 파일을 무료 제조 적합성 검사 도구인 JLCDFM으로 검사하십시오. 이어서 01005의 양쪽 패드가 모두 대칭으로 연결되었는지, 풋프린트가 0201을 축소한 것이 아니라 부품 데이터시트에서 가져온 것인지 직접 확인하십시오.

설계가 완료되면 거버, BOM, CPL 파일을 업로드해 즉시 PCB 조립 견적을 받아보십시오.

01005 실장 관련 자주 묻는 질문

01005 기판 조립 즉시 견적

즉시 견적 받기

• 거버, BOM, CPL 파일을 견적 페이지에 업로드하십시오. 01005 부품은 표준 PCBA에서 실장합니다.

• 주문 전에 무료 제조 적합성 검사 도구인 JLCDFM으로 파일을 검사하십시오.