플렉스 회로: 혁신 및 공정

플렉스 PCB는 최신 고밀도 전자장치를 가능하게 만드는 핵심 요소입니다. 하지만 이러한 고밀도를 달성하려면 더 얇은 layer들과 더 미세회로들이 필요합니다. copper, 폴리이미드, 그리고 접착제로 구성된 전통적인 3-layer 플렉스 회로는 접착layer이 없는 더 얇고 유연한 2-layer 플렉스 회로로 바뀌고 있습니다. 대신 copper는 폴리이미드에 직접 용착됩니다. 이 2-layer 회로는 30 µm까지 얇아졌으며 회로 당 스페이스는 15 µm (0.6 mils)에 불과합니다. 따라서, 판넬 구김, 장력 또는 스크래치를 방지하기 위해 가공 패널을 극도로 주의해서 다루는 것이 매우 중요합니다.

스마트폰에 사용된 연성 회로기판의 예

플렉스 회로는 고유한 물리적 섬세함으로 인해 수율에 부정적인 영향을 미칠 수 있고 디자인의 실행가능성에 영향을 줄 가능성이 있는 몇 가지 중요한 제조상의 어려움들을 야기합니다. 이런 어려움들은 높은 수율과 생산량을 보장하면서 대규모 FPC(flexible printed circuit) 생산을 가능하게 만드는 플렉스 지원 기술로 해결되고 있습니다. 많은 플렉스 회로 공급업체들이 제조 효율과 수율을 높이고 낮은 원가 및 시장 경쟁력을 유지하기 위해 고급 플렉스 제조 기술을 채택하고 있습니다.

FPC의 생산 설계 및 제조는 리지드 PCB 와 다르며, 지난 10년 동안, 플렉스 PCB 생산의 섬세함을 지원하기 위해 전체 생산 사이클에 새로운 솔루션들이 개발되었습니다. 전통적인 Sheet-to-Sheet 재료 취급 방법의 개선, 그리고 최근 자동화된 Roll-to-Roll(R2R) 공정들은 증가하는 시장 수요를 충족시키기 위한 플렉스 회로 생산을 강화시키고 있습니다. 여러분이 플렉스 회로 생산을 하고 있다면 다음 몇 가지 기술들을 소개합니다.

스마트폰내의 다층 연성회로기판의 예

플렉스 CAM/CAD 솔루션: 설계부터 생산까지 공정 관리 개선

플렉스 회로를 위한 특별한 Design for Manufacturing(DFM) 소프트웨어 도구들은 설계 단계에서 생산 문제들을 해결하는데 도움을 줍니다. 이 고급 도구들은 수동 편집 세션들을 완전히 자동화하여 오류와 임계 사이클 시간을 줄이기 위해 사용됩니다. 현재 사용 가능한 플렉스 DFM들은 설계 속도와 품질 및 정확도를 높이는 자동 조인트 곡면 및 표면 평활화, 그리고 자동화된 커버레이 및 솔더 마스크 최적화 등이 있습니다.

생산에 최적화된 FPC 판넬 화면 (source: Frontline PCB Solutions)

대표적인 다층 RF회로의 예(Source: Frontline PCB solution)

금형 기반 플렉스 회로 설계 분석기는 엔지니어들이 금형 작업 전, 도중 및 후에 디자인을 검토할 수 있게 함으로써 추가적인 통제력을 제공합니다. 이들을 사용하여 플렉스 보드들에 대한 제조의  제약조건들을 점검하고 보강재, 공극, 굽힘전(pre-bend) 영역, 자주 움직이는 부품들, 미세한 겹침 및 이음부들, 그리고 전도성 마스크와 관련된 문제들을 보고할 수 있습니다.

플렉스 PCB 설계를 위해 Mentor Graphics의 Xpedition과 오보텍 Frontline의 GenFlex와 InCAM 같은 특별한 전용 CAD/CAM 도구들이 제공됩니다.

고밀도 수율을 위한 레이저 드릴 플렉스 패널

레이저 드릴 및 라우팅은 플렉스 PCB 생산에서 흔히 사용됩니다. 자외선 레이저 드릴 기술은 고밀도 플렉스 제조에서 copper 및 폴리이미드 layer를 통해 직접 70 µm 미만의 비아(via)를 드릴하기 위해 사용됩니다. 고정밀도 레이저 드릴은 패널에서 타겟을 획득하고 최상의 비아 정밀도 보장을 위해 드릴 위치를 조정할 수 있는 기능이 있습니다. 또한 레이저 기술은 PCB에 흔히 발생하는 정확한 fine 라우팅 및 slot ablation제를 위해 사용됩니다. 레이저 드릴은 시트 기반 생산을 지원하며 최근에 R2R(roll-to-roll) 생산 방식에서 채택되었습니다.

LDI (Laser Direct Imaging): 비평면 플렉스 재료의 정확성과 왜곡 보정

현재까지 고급 플렉스 회로 공급업체들은 양면 플렉스, 리지드 플렉스 및 다층플렉스 재료의 시트 기반 이미징을 위해 주로 LDI 장비에 의존했습니다. LDI는 다음과 같은 플렉스 생산 문제들을 극복할 수 있게 합니다.

1. 고도로 정확한 심도(DOF) 광학: 완전히 평평하지는 않으며 표면 높이 변동 범위가 100 µm ~ 300 µm인 플렉스 재료 위에 미세회로 형상들의 영상 처리.

대규모 광학(LSO) 기술을 사용한 LDI는 300 µm를 초과하는 초점 심도를 제공하여 모든 플렉스 표면에 광학 라인 품질과 균일성을 보장합니다. 그러나 100 µm 미만의 DOF를 가진 정확도가 낮은 영상 광학 구조는 라인 품질이 낮고 균일성이 결여되어 수율에 영향을 줍니다.

2. 왜곡 보정: 폴리이미드 플렉스 재료는 생산 도중에 변형되고 늘어납니다. 이러한 변형을 보정하기 위해 각 개별 플렉스 시트가 측정된 후에 보정된 영상으로 처리하여 패턴이 드릴된 비아(via)와 정확하게 정렬되도록 보장합니다. 위치 정확도가 높은 디지털 다이렉트 이미징 솔루션만 각 측정된 시트 별로 패턴 영상을 수정 및 보정할 수 있습니다. 이는 비아에 대한 정확한 등록을 지원함으로써, 소형 캡처 패드와 고밀도/고수율 FPC 생산이 가능합니다. LDI는 미세회로 플렉스 PCB의 시트 형식 대량 생산 중 80% 이상에서 사용됩니다. R2R(roll-to-roll) 생산 기반에서 작업하는 LDI의 필요성이 증가하면서 플렉스 롤을 위한 LDI가 개발되고 있습니다.

자동 광학 검사(AOI): 품질 검사 수준 향상

대부분의 FPC 제품들은 양면이거나 단면입니다. 전통적으로 이들은 항상 AOI 검사를 받지는 않았습니다. 지난 5년 동안, 미세회로 플렉스가 스마트폰 상호 연결의 중요한 부분이 되었습니다. 이에 따라 IC 제조업체들은 단면 및 양면 FPC의 품질 관리 개선을 요구하게 되었고 AOI 수준의 검사가 의무 사항이 되었습니다. 폴리이미드 기반 재료는 투명하며 검사가 어렵습니다. 다양한 영상 기능을 지닌 신형 AOI도구들이 개발되었고, 하부 패턴layer에서 가짜 불량(false overcall) 없이 완전한 검출을 보장하는 방식으로 FPC를 스캐닝할 수 있게 되었습니다.

AOI에는 일반적으로 검사 및 확인 단계에서 패널 시트의 수동 취급이 포함됩니다. 이 수동 방식은 취급이 어려운 문제를 일으키고 섬세하고 얇은 FPC 시트의 손상이 자주 발생하므로, 스크랩이 크게 증가합니다. 플렉스 시트의 얇은 코어를 자동으로 취급하는 것은 상당히 큰 기술적 과제이며 따라서 검사 및 확인을 위해 R2R(roll-to-roll) 운영 방식으로 전환해야 할 필요성이 증가했습니다.

자동 Flex Roll용 AOI검사기

현재 아시아 태평양 지역에서 주로 스마트폰 생산을 위해 약 100개의 AOI 시스템들이 검사 및 확인 방식 처리에 R2R(roll-to-roll)을 사용합니다. 이 AOI 들은 rigid-layer 및 다층 플렉스 회로의 내부 layer들뿐만 아니라 단면 및 양면 플렉스 회로에도 사용됩니다.

자동 광학 수정(AOS) : FPC 스크랩 회수를 통한 수율 개선

미세 회로 양면 FPC의 30 µm 코어로 인해, 결함의 수동 수리 또는 재작업이 과거에는 불가능했고, 결함이 있는 FPC 들은 즉시 폐기되었습니다. 그러나 지난 3년 동안 미세한 FPC들의 수정 및 회수를 위해 완전 자동화된 copper 수정 솔루션들이 개발되었습니다. 이 자동 공학 수정 솔루션은 close-loop 수정 시스템에서 고급 형광 기반 영상 및 레이저 절단 도구들을 함께 사용하여, 거의 관통 없이 미세한 쇼트들을 제거하고 FPC의 손상을 방지합니다. 손상된 FPC들은 복원되어 더 이상 폐기할 필요가 없으므로 최종 수율을 높이고 상당한 생산 원가를 절감할 수 있습니다. 최근에 자동 광학 수정은 R2R 방식으로 구현되었습니다.

솔더 마스크 플렉스 layer에 대한 다이렉트 이미징(DI)

강화 유리섬유가 없는 얇은 플렉스 제품들은 생산 공정에 따라 이동하고 변형되는 경향이 있습니다. 이런 변형들은 생산 공정을 통해 누적되며 솔더 마스크 단계에서 수정이 필요합니다. 이런 이유로 스마트폰 FPC를 위한 솔더 마스크 layer에서 DI의 사용이 증가하고 있으며 DI가 FPC의 높은 수율과 대량생산을 위해 선호되는 솔루션이 되고 있습니다.

R2R 가공: 손상 제거

Sheet-to-Sheet공정은 다단계 배치 처리 절차와 작은 기판 크기와 같은 단점을 가지고 있는 반면에, R2R 가공은 일반적으로 100 m길이의 길고 유연한 웹을 연속적으로 빠른 속도로 처리할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 생산 효율을 획기적으로 개선함으로써 수만 개의 소형 FPC를 하나의 길고 연속적인 생산 웹에서 생산할 수 있습니다. R2R은 단면 및 양면 플렉스 회로 모두에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 다층 플렉스 회로의 내부 layer 가공에도 적용될 수 있습니다.

고속 R2R 가공의 예

R2R 가공 인프라는 모든 서술된 생산 장비의 맞춤 제작과 화학 처리 공정을 포함한 기타 공정들을 위해 상당한 초기 자본 투자가 필요합니다. 이 투자는 Sheet-to-Sheet 가공에 필요한 투자보다 훨씬 더 큽니다. 따라서 플렉스 회로 공급업체들은 당연히 R2R 채택에 보수적인 태도를 취했습니다. 그러나 플렉스 취급 손상을 제거함으로써, 품질 및 수율 향상이라는 R2R 공정의 이점들을 얻을 수 있어 원가 효율성을 달성할 수 있게 되었습니다.

결론

FPC는 다양한 분야에서 중요하지만, 특히 연결부 폴딩 기능과 함께 높은 패턴 밀도를 제공하는 최신 스마트폰에서 더 중요합니다. 따라서 전통적인 리지드 PCB로는 달성할 수 없는 효율적이고 얇은 제품 설계가 가능합니다. 그러나 초박형의 유연하고 섬세한 연결부를 생산하는 일에는 여러가지 어려운 문제들이 따릅니다. 이들 회로가 제공하는 기술적 이점들이 낮은 수율과 제조 비효율성으로 인한 최종 IC의 원가 이상으로 상쇄되지 않도록 하기 위해 생산 공정 전체적으로 특별히 주의를 기울여야 합니다.

고효율 R2R 가공을 고급 레이저 드릴, AOI 및 DI 기능과 플렉스 최적화 소프트웨어 도구들을 함께 활용함으로써 플렉스 회로 공급업체들은 새로운 규모의 경제를 달성하고 있으며 경쟁이 심한 시장에서 자사의 제품을 차별하기 위해 필요한 신뢰도가 높은 다목적 플렉스 회로를 설계자들에게 제공하고 있습니다.

저자: 미카 펄만(Micha Perlman), 시니어 마케팅 매니저, 오보텍 본사

Published by: EDN

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