SMT의 이해, 소형화 고성능으로 다양한 제품 설계 구현
  • 2013-09-02
  • 김창수 기자, cskim@elec4.co.kr

SMT(surface mount technology, 표면실장기술)는 전자기기 조립을 자동으로 실행하는 장치로 인쇄회로기판(PCB) 위에 반도체나 다이오드, 칩 등을 다수 장비로 실장하고 경량화하는 기능을 수행한다. 오늘날 SMT는 광범위하게 전자기기에 채용돼 신뢰성 및 제품성능 향상은 물론, 기판 조립의 자동화 용이, 전체 비용 절감 등의 이유로 사용되고 있다.



오래전 대부분 전자부품은 리드(LEAD)를 기판의 Through Hole에 넣고 납땜하여 사용했다. 이 공법은 많은 전자부품을 기판상에 배치하기 위해 기판이 커질 수밖에 없었다. 즉, 제품을 소형화할 수 없었다. 이 같은 단점을 극복하기 위해 등장한 것이 SMT 기술이다.
SMT는 Through Hole을 사용하지 않고 기판 표면에 마련된 패드(랜드)에 전자부품의 전극을 납땜하여 실장 밀도를 높일 수 있다. 또한 최근 전자부품 자체가 소형화되어 프린트 기판 배선장도 짧아져 회로를 고속화할 수 있다.
표면실장기술은 패키지 상태로 인쇄회로기판에 장착되는 POB(Package On Board)와 칩 상태로 인쇄회로기판에 장착되는 COB(Chip On Board)로 나뉜다. COB는 기판에 직접 Bare Chip을 부착시켜 기존 개별 패키지가 갖는 크기나 전도성, 열방출성 등을 피할 수 있으며 패키지 대비 고밀도와 고기능, 고생산성 및 저가격 등의 장점을 가진다. 또한 금선 연결 실장과 플립 칩(Flip Chip) 실장으로 구분되며, 휴대전화와 노트북PC, PCMCIA 카드, 메모리 모듈 등에서 사용된다. 하지만 Rework(재작업)나 Test의 어려움이 문제점으로 대두하고 있다.
현재 전자부품 실장기술의 발전 흐름은 웨이브 솔더링(Wave Soldering) 기술과 Spray Fluxer 기술이 필요했던 삽입실장기술(IMT)에서 QFP/SOP 중심 SMT로 발전했으며, 최근 새로운 패키지(BGA/CSP) 및 Bare IC(Wire bond/Flip Chip) 혼재 실장을 중심으로 한 실장기술로 전환하는 추세다.

다양한 SMT 패키지
SMT 컴포넌트는 다양한 패키지가 존재한다. 패키지 크기는 기술의 발전으로 소형화됐으며, 여러 기술이 혼재되어 사용된다. 또한 필요에 따라 서로 연결된 IC를 위해 다양한 패키지가 탑재된다. 대부분의 SMT 컴포넌트 크기는 균일성을 제공하기 위해 업계 표준에 준거한 JEDEC 사양을 사용하고 있다. SMT 패키지는 JEDEC 표준으로 PCB 설계를 단순화할 수 있다는 장점을 가진다. 표준 크기의 패키지는 SMT 컴포넌트 표준 피드를 사용해 픽 앤드 머신(pick and place machine)을 통해 제조 공정을 단순화하고 비용을 절감할 수 있다.
SMT 패키지는 컴포넌트의 종류에 따라 분류할 수 있으며 각각의 표준 패키지를 적용할 수 있다.

Passive rectangular components
SMT 컴포넌트는 주로 레지스터와 커패시터의 컴포넌트로 사용되며, 소형화된 컴포넌트 제작을 가능케 하는 기술에 의해 다양한 크기로 활용되고 있다. 현재 1812와 1206 크기는 막대한 전력을 요구하는 등의 특수한 컴포넌트에서 사용된다. 대개 0603과 0402 크기가 가장 널리 사용되고 있다.



탄탈 커패시터 SMD 패키지
탄탈 커패시터는 전극에 탄탈이라는 재료를 사용하는 전해 커패시터이다. 알루미늄 전해 커패시터와 마찬가지로, 비교적 큰 용량을 얻을 수 있다. 또한 온도 특성(온도 변화에 따라 용량이 변하는 특성)과 주파수 특성 모두 알루미늄 전해 커패시터보다 우수하다. 탄탈 전해 커패시터는 탄탈 파우더를 소결하여 굳었을 때에 나오는 빈틈을 이용하는 구조로, 두루마리 구조가 아니다. 따라서 알루미늄 전해 커패시터보다 특성이 우수하다. 이 패키지는 EIA 규격에 준거한다.




반도체 SMD 패키지
반도체 SMD 패키지는 반도체 다이오드와 트랜지스터, IC 포함해 다양하게 사용된다. SMT 패키지가 매우 폭넓게 사용되는 이유는 상호 연결 수준에서 집적회로의 큰 변화로부터 결과를 얻을 수 있기 때문이다.

트랜지스터 패키지
-SOT23 패키지는 트랜지스터나 다이오드, bit를 위한 3개의 터미널을 가진다. 예를 들어 이 패키지는 OP(operational amplifier) 등과 같은 작은 집적회로를 위해 사용될 때 더 많은 핀을 가질 수 있다. SOT23 패키지의 크기는 3 mm x 1.75 mm x 1.3 mm이다.
-SOT223 패키지는 높은 파워에서 사용되며, 6.7 mm x 3.7 mm x 1.8 mm의 크기를 가진다. 또한 일반적인 4개의 터미널 중 1개의 큰 열전달 패드가 있다.

Integrated circuit SMD 패키지
-SOIC(Small Outline Integrated Circuit): 이것은 듀얼라인 구성에 걸 윙(gull wing) 리드와 함께 1.27 mm의 핀 간격을 가진다.
-TSOP(Thin Small Outline Package): 이 패키지는 SOIC보다 얇은 0.5 mm의 작은 핀 간격을 가진다.
-SSOP(Shrink Small Outline Package): 0.635 mm의 핀 간격을 가진다.
-TSSOP: Thin Shrink Small Outline Package.
-PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier): 이 패키지 유형은 정사각형이고, 1.27 mm 간격의 J-리드 핀을 사용한다.
-QSOP(Quarter-size Small Outline Package): 0.635 mm의 핀 간격을 가진다.
-VSOP(Very Small Outline Package): 패키지는 QSOP보다 작고 0.4와 0.5, 0.65 mm의 핀 간격을 가진다. 
-LQFP(Low profile Quad Flat Pack): 이 패키지는 모두 4개의 측면에 핀을 가진다. 핀 간격은 IC에 따라 서로 다르지만, 높이는 1.4 mm이다. 
-PQFP(Plastic Quad Flat Pack): 각 측면에 걸 윙 스타일의 핀 수와 같은 수의 정사각형 플라스틱 패키지이다. 일반적으로 좁은 간격과 보통 44개 이상의 핀을 가지며, 대게 VLSI 회로에 사용된다.
-CQFP(Ceramic Quad Flat Pack): PQFP의 세라믹 버전이다. 
-TQFP(Thin Quad Flat Pack): PQFP의 얇은 버전이다.
-BGA(Ball Grid Array): 볼 그리드 배열에서 핀은 패키지의 아래 면에 붙어있는 땜납 볼로 대체됐다. SMT 배치 장비는 볼 그리드 배열 소자를 땜납 볼과 같은 패턴의 구리 패드가 있는 인쇄 회로 기판에 배치한다. 그리고 리플로우 오븐이나 적외선 히터에서 열을 가하면 땜납 볼이 녹아서 조립된다. 표면 장력은 녹은 땜납이 적당히 분리된 거리에서 인쇄 회로 기판과 패키지를 정렬시키며, 땜납은 냉각돼서 굳어진다. 일반적으로 BGA는 1.27 mm의 볼 간격을 가진다.

SMD 패키지 애플리케이션
SMT 패키지는 대부분의 인쇄 회로 설계에서 사용되며, 대량으로 제작할 수 있다. 다른 패키지보다 비교적 많은 종류로 보일지 모르지만, 표준화 수준은 여전히 양호하다. 주로 컴포넌트의 기능에서 거대하고 다양하게 발생한다.
SMD 레지스터
SMD는 레지스터에 가장 널리 사용되는 전자 컴포넌트다. 매일 수백만 명이 사용하는 휴대전화부터 TV, MP3 player, 첨단 기술 연구 장비 및 상업용 통신장비를 생산하는 데 사용한다.

기본 SMD 레지스터 구조
SMD 레지스터는 직사각형의 모양이다. 그들은 SMD 레지스터의 바디 양단에 금속으로 된 영역을 가졌고, 솔더를 통해 PCB와 접촉할 수 있다.
레지스터 자체는 세라믹 기판으로 구성되며, 이는 금속 산화물 피막을 퇴적시킨다. 실제 두께나 막의 길이는 저항을 결정한다. SMD 레지스터는 금속 산화물을 이용해 제조된다는 점에서 매우 안정적이고 양호한 공차를 가진다.

SMD 레지스터 패키지
SMD 레지스터 패키지는 다양화되고 있다. 또한 기술이 진보함에 따라 레지스터 패키지의 크기는 줄었다. SMD 레지스터 패키지는 크기를 통해 면적을 알 수 있다. 패키지 이름은 1인치에서 100인치의 크기 안에서 일치한다. 예를 들어 0805 패키지는 0.08 x 0.05의 크기를 가진 SMD 레지스터 패키지이다.





SMD 레지스터 사양
SMD 레지스터는 여러 회사에서 제조되어 다양한 사양이 출시된다. 따라서 제조사는 구체적으로 SMD 레지스터를 평가하기 전, 필요에 따라 사양을 정확하게 결정해야 한다. 하지만 평가를 통해 일부 대중적인 제품을 만들 수 있다.

Power rating: 정격 전력은 설계에 있어 신중한 검토가 필요하다. 설계를 위해 사용되는 SMD 전력 레벨이 회로에 사용되는 선을 종료하는 컴포넌트보다 작아 낭비될 수 있기 때문이다.
Tolerance: SMD 레지스터는 금속 산화물 피막을 사용해 제조하는 사실로 미뤄보아 상대적으로 공차 값을 이용할 수 있다. 보통 5%와 2%, 1%를 널리 사용하고, 전문 애플리케이션의 경우 0.5%와 0.1% 값을 얻을 수 있다.
온도 계수: SMD 레지스터는 다시 금속 산화물 피막을 사용할 수 있게  좋은 온도계수를 제공하며, 25, 50 및 100 PPM/C의 값을 이용할 수 있다.






애플리케이션
SMD 레지스터는 많은 설계에서 사용된다. 크기뿐만 아니라 콤팩트한 회로 기판과 자동조립기술로 적합하다. 또한 ahs 무선 주파수에서 좋은 성능을 나타낸다는 이점이 있다. 그 크기는 SMD 레지스터가 작은 스퓨리어스 인덕턴스와 커패시턴스를 가지는 것을 의미한다. 그럼에도 불구하고 소비 전력 산출시 유일한 전력의 작은 수준이 소실될 수 있어, 관리가 이뤄져야 한다.

동향
Micronic Mydata와 Interim이 발표한 2013년 SMT 1분기 리포트에 의하면 전자업계는 2012년 1% 성장해 1,619억 달러의 매출을 기록했다. 이 같은 추이는 전자업계의 장기적인 연간 성장률 5%보다 더 낮았다(Prismark, March 2013). 2012년 전자업계의 주요 성장 요인은 휴대전화와 오토모티브 산업 등의 통신 장비 관련 부품생산에서 발생했다. 이 분야는 2011년과 비교해 각각 6~7% 성장했다.
2012년 반도체 시장은 3% 하락해 292억 달러를 기록했다. 2012년 전 세계 SMT 장비 시장은 전년보다 20% 하락해 2.5억 달러를 기록했다(PROTECMDC, 2013. 1). 하지만 전체 전자산업은 긍정적으로 전망되어 2013년 3% 성장할 것으로 예상된다.
특히 가장 큰 성장은 6%의 플러스 성장요인을 갖춘 휴대전화와 오토모티브 산업 등의 통신 장비에서 이뤄질 것으로 보인다. 한편 2013년 전체 반도체 시장의 최신 예측은 5% 성장할 것으로 기대되지만, 3, 4분기(Prismark, 2013. 3) 성과에 따라 달라질 전망이다.  ES

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