KR101112621B1

KR101112621B1 - 수동소자가 내장된 인쇄회로기판의 이상 유무 판단 방법

Info

Publication number: KR101112621B1
Application number: KR1020100019803A
Authority: KR
Inventors: 김현호; 정원근; 정율교
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2012-02-16
Also published as: US20110215828A1; US8482310B2; JP2011187917A; TW201131180A; TWI429932B; KR20110100793A; JP5185342B2

Abstract

수동소자가 내장된 인쇄회로기판 검사방법이 개시된다. 상기 검사방법은, 저항(Resistor), 인덕터(inductor), 커패시터(Capacitor) 중 둘 이상을 포함하는 필터가 내장된 인쇄회로기판에 교류전원을 인가하는 단계; 상기 인가된 교류전원에 대한 상기 필터의 특성을 측정하는 단계; 및 측정된 상기 필터의 특성과, 설계치를 비교하여 상기 인쇄회로기판의 이상 유무를 판별하는 단계를 포함한다.

Description

수동소자가 내장된 인쇄회로기판의 이상 유무 판단 방법{Abnormality judgment method for printed circuit board having passive component therein}

본 발명은 수동소자가 내장된 인쇄회로기판의 이상 유무 판단 방법에 관한 것이다.

기존의 전자제조산업에서는 수동소자들을 SMT(Surface Mount Technology)를 활용하여 기판 위에 장착하는 것이 대부분이었다. 하지만 전자제품의 소형화 추세에 따라 기판 안에　수동소자들을 내장하는 새로운 패키징 기술들이 많이 개발 되고 있다.

수동소자가 내장된 기판　제품의 경우 유기(Organic) 기판 안에 여러가지 수동소자를 집적화함으로써 비용 면에서 효율적인(Cost-effective) 제조공정이 가능한 새로운 패키지 기술을 접목한 모듈 제품으로 휴대폰의 소형화에 기여할 것으로 예상된다.

하지만 수동소자(커패시터, 인덕터, 저항, 필터 등)을 기존의 기판 기술과 임베디드 패키지 기술을 사용하여 기판　내부에　수동소자들을　내장 시키는 제품에 대한 수요는 점점 증가하고 있는 반면에 수동소자가 내장된 기판　제품에 대한 테스트 솔루션은 제공하고 있지 못하고 있다.

현재 기판　제조 및 관리　시 품질문제로 인해 기판　검사단계를 요구하고 있으며, 이에 제품의 품질확보를 위해 기판　검사단계가 필요하다. 또한 기판　산업에서 고도화, 고밀도화, 고기능, 고신뢰성, 세밀화 등 기술이 점차 복잡 다양한 형태로 변화되고 있는 상황에서 기판의 품질을 확보하고 여러가지 문제점을 해결하기 위하여 보다 더 확실히 검사 및 측정을 하기 위하여 기판　검사장비의 사용이 필요하다. 또한, 기판의 성능시험 및 부품의 틀어짐, 오삽, 역삽, 극성의 바뀜 등 장착불량과 소납, 과납, 쇼트 등 여러가지 검사항목 문제점을 해결하여 시간과 비용을 절약하고 품질확보 및 생산성을 향상시키는 목적으로 기판 테스트가 많이 사용되었다.

기존의 기판 테스트의 경우 수동소자를 내장한 기판을 테스트하는 목적이 아니라, 기판 라인에 대한 개방/단락(Open/Short)만을 측정하는 것을 주된 내용으로 한다. 또한 기존의 기판 테스터의 경우는 개방/단락 테스팅만 가능하므로 수동소자가 내장된 인쇄회로기판 제품을　테스트하는　것이　불가능하다는 한계가 있다.

본 발명은 간단한 방법을 통해 수동소자가 내장된 인쇄회로기판의 이상 유무를 손쉽게 판단할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 저항(Resistor), 인덕터(inductor), 커패시터(Capacitor) 중 둘 이상을 포함하는 필터가 내장된 인쇄회로기판에 교류전원을 인가하는 단계; 상기 인가된 교류전원에 대한 상기 필터의 특성을 측정하는 단계; 및 측정된 상기 필터의 특성과, 설계치를 비교하여 상기 인쇄회로기판의 이상 유무를 판별하는 단계를 포함하는 수동소자가 내장된 인쇄회로기판 검사방법이 제공된다.

여기서, 측정되는 필터의 특성은, 삽입손실, 대역폭, 스커트 특성, 노이즈 레벨, S-파라미터(scattering parameter) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수동소자가 내장된 인쇄회로기판의 이상 유무를 간단한 방법으로 손쉽게 판단할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 인쇄회로기판의 이상 유무 판단 방법의 각 테스트 레벨 분류를 나타내는 도면.
도 2는 테스트 레벨 1의 검사방법을 나타내는 도면.
도 3은 테스트 레벨 2의 검사방법을 나타내는 도면.
도 4는 테스트 레벨 3의 검사방법을 나타내는 도면.
도 5은 테스트 레벨 4의 검사방법을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄회로기판의 이상 유무 판단 방법을 나타내는 순서도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명에 따른 수동소자가 내장된 인쇄회로기판의 이상 유무 판단 방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 수동소자가 내장된 인쇄회로기판을 측정하는 테스트 방법에 대한 것으로 수동소자가 내장 되어 있는 인쇄회로기판에 대한 전기검사 항목은 아래 [표 1]과 같이 분류 될 수 있으며 각 전기검사 항목은 기술의 난이도와 종류에 따라 테스트 레벨로 1에서 4까지 구분 하였다.

테스트 레벨	Test 항목
Level 1	Open/Short Test on Normal Interconnects
Level 2	Single R/C/L Passive Components Test
Level 3	Series &　Parallel L/C/R Passive Components Test
Level 4	Combined Series &　Parallel L/C/R Passive Components Test

테스트 레벨 1은 기판 내에 존재하며 전기신호 및 전력을 전송하는 전송선이 수동소자에 연결되지 않은 Net들에 대한 검사로 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 구성된 Net에 대해 수행된다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 수동소자가 연결되지 않은 Net은 단순히 같은 Net 상에 존재하는 검사점 간의 전기적인 연속성 검사(Open)와 다른 Net 상에 존재하는 검사점 간의 고립(Isolation) 검사(Short)를 시행한다.

테스트 레벨 2는 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 전송선에 한 개의 수동소자가 연결된 경우에 시행되는 전기검사로, 연결된 수동소자의 전기적인 특성 값을 측정하는 것으로 정의된다.

테스트 레벨 3은 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 복수 개의 수동소자가 직렬 혹은 병렬로 연결되어 있는 경우에 시행되는 전기검사 방법으로, 각 수동소자의 전기적 특성을 측정하는 것으로 정의된다.

테스트 레벨 4는 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, 복수 개의 수동소자가 직렬 및 병렬로 혼합 연결되어 있을 때, 전체적인 회로의 특성을 검사하는 방법으로 정의된다.

실제로 수동소자가 내장된 인쇄회로기판에서 인쇄회로기판 내에 존재하는 수동소자의 배치 및 전송선의 연결 구조는 도 1의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같은 구조로 분류될 수 있다. 이하에서는 각 테스트 레벨에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

1. 테스트 레벨 1

도 2에 도시된 바와 같이 수동소자가 연결되지 않고 오직 전송선으로 이루어진 네트웍의 경우, 주된 전기검사의 관점은 설계대로 도체 전송선의 네트웍 구성이 잘 이루어져 있는가 이다. 따라서 도 2의 (b)와 같이 동일 Net으로 연결된 검사점 간은 정전류 및 정전압 인가 후, 발생하는 전압 및 전류를 측정하여 저항으로 개방(Open) 여부를 확인하며, 다른 Net으로 이루어진 검사점 간에도 같은 방법으로 저항을 측정 하여 단락(Short) 여부를 확인한다.

예를 들어, 도 2의 (a)와 같이 검사점 1과 검사점 2는 서로 다른 Net1과 Net2 상에 존재하므로 검사점 1(TP₁)과 검사점 2(TP₂) 사이의 저항을 측정하여, 측정된 값이 기준 저항 값 이하로 측정 될 때, Net1과 Net2가 단락 상태, 즉 설계와 다르게 전기적으로 분리되어 있지 않음을 알 수 있다. 또, 도 2의 (b)와 같이 검사점 3(TP₃)과 검사점 4(TP₄)은 동일 Net3상에 존재하여 두 검사점 간 저항 측정치가 기준 저항 값 보다 크게 측정 될 때 개방 상태 즉, 전기적으로 연결되어 있지 않음을 판가름 할 수 있다. 상용의 측정 장비로는 전압과 전류를 측정할 수 있는 멀티 테스터(Multi Tester)와, 전원 공급장치가 함께 달려있어 저항을 직접 측정할 수 있는 소스미터(Source Meter) 등이 있다.

한편, 신뢰성 시험의 관점에서 인쇄회로기판의 진행성 불량을 일으키는 원인 가운데 하나인 마이크로 오픈과 RF 시스템에서 노이즈 발생의 원인이 되는 마이크로 쇼트를 검출하기 위한 저준위 검사 및 고전류 검사가 추가로 시행될 수 있다.

2. 테스트 레벨 2

도 3에 도시된 바와 같이 전송선에 하나의 수동소자가 연결되는 경우, 주된 전기검사의 관점은 수동소자의 전기적인 성능 검증 및 전송선로의 연결성(Interconnection) 여부이다. 하지만 전송선로의 연속성에 문제가 있을 시, 측정된 수동소자의 특성 또한 큰 영향을 받게 되므로 수동소자의 전기적인 특성을 검사하는 것만으로도 전송선로의 연속성 검사는 대체 될 수 있다.

수동소자의 특성을 검사하기 위하여 사용되는 측정방법은 수동소자의 종류에 따라 다르며 측정되는 수동소자가 지니는 용량 값에 따라 사용하는 전기신호의 범위도 바뀌어야 한다. 저항(Resistor)의 경우, 테스트 레벨 1에서 이용된 측정 방법과 같이 정전압/정전류를 사용하여 전류/전압을 검출해 저항 값(R)을 측정할 수 있으나 커패시터(Capacitor)와 인덕터(Inductor)의 경우에는 시간에 따라 전압/전류의 크기 및 방향이 바뀌며 주파수 성분을 갖는 교류 전원이 사용되어야 커패시턴스(C) 및 인덕턴스(L)를 저용량의 값까지 측정할 수 있다.

테스트 레벨 2에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 수동소자가 연결된 검사점에 적정 주파수와 크기를 갖는 교류 신호를 인가하고 이때 회로에 생기는 전압과 전류의 크기 및 위상을 측정하는 방식으로 검사가 이루어 진다. 이를 통해 수동소자가 포함된 회로에 대한 임피던스 값을 측정할 수 있으며 측정된 임피던스 값으로부터 회로의 등가모델을 이용해 저항, 커패시턴스, 인덕턴스를 계산해 낼 수 있다.

이와 같이 저항, 커패시터, 인덕터 및 대상 회로의 임피던스를 측정하기 위한 상용의 측정 장비로는 LCR Meter, Impedance Analyzer가 있으며 측정 가능한 전압 및 전류의 범위, 사용 가능한 주파수의 범위에 따라 측정이 가능한 저항, 커패시턴스, 인덕턴스의 범위가 제한될 수도 있다.

일반적으로 측정 주파수가 올라갈수록 저준위의 커패시턴스 및 인덕턴스 검출이 가능해지나 측정 주파수가 올라가면서 저주파에서는 측정결과에 큰 영향이 없어 무시할 수 있었던 회로상 기생 성분들이 점점 증가해 측정 결과에 오차를 발생시키는 원인이 되기도 한다.

3. 테스트 레벨 3

도 4에 도시된 바와 같이, 복수 개의 수동소자가 직렬 또는 병렬로 묶여 있는 구조의 경우, 주된 검사의 관점은 각 수동소자의 전기적인 성능 검증과 수동소자를 연결하고 있는 전송선의 전기적 무결성 여부이다. 레벨 2에서와 마찬가지로 전송선로의 연속성에 문제가 있을 시, 측정된 수동소자의 특성 또한 큰 영향을 받게 되므로 수동소자의 전기적인 특성을 검사하는 것만으로도 전송선로의 연속성 검사는 대체 될 수 있다.

내장된 수동소자들의 전기적인 성능을 측정하기 위하여 테스트 레벨 3도 테스트 레벨 2에서와 같이 시간에 따라 전압/전류의 크기 및 방향이 바뀌며 주파수 성분을 갖는 교류 전원이 사용된다. 그러나 테스트 레벨 3은 적어도 2개 이상의 수동소자들이 연결되어 있기 때문에 회로 양단에 설치된 검사점을 통하여 측정되는 임피던스 값은 연결된 모든 수동소자의 임피던스 특성이 합쳐진 결과이다. 합성 임피던스(total impedance)의 측정만으로는 개별 수동소자들에 대한 성능 보장에 한계가 있으며 그 원인은 다음의 예와 같이 내장되는 소자들의 전기적인 특성이 Tolerance를 지니고 있기 때문이다. 또한 가이딩 회로(Guarding circuit)를 사용하여 각각에 대한 소자 측정을 수행할 수도 있을 것이다.　

그러므로 테스트 레벨 3에서는 적어도 2개 이상의 특정 주파수에서 합성 임피던스와 위상을 측정하여 각 개별 소자에 대한 특성의 양부를 판단하는 방안이 제안된다. 주파수의 선택은 각 수동소자의 특징이 잘 대변되는 곳을 시뮬레이션 프로그램이나 계산을 통해 미리 예측하여 결정할 수 있다. 주파수에 따른 임피던스 및 위상의 연속적인 변화를 측정한다면 좀 더 명확한 분석이 가능할 것이다.

이와 같이 대상 회로의 임피던스 및 위상을 주파수에 따라 측정하기 위한 상용의 측정 장비로는 Impedance Analyzer, Network Analyzer가 있으며 측정 가능한 주파수의 범위가 넓을수록 측정의 정확도를 높일 수 있다. 측정 주파수가 높아짐에 따라 측정에 사용되는 기구 또한 고주파용으로 바뀌는 것이 좋다.

인쇄회로기판의 검사점에 전기적인 접촉을 이루기 위해 사용되는 프로브 팁 및 전기신호를 측정 장비까지 전달하기 위한 전송선도 고주파 영역에서 사용 가능한 것이 좋으며, 상용의 고주파용 프로브 팁의 사용이 가능하도록 수동소자가 내장된 기판의 검사점을 사전에 설계하여 인쇄회로기판 상에 배치시켜 고가의 고주파용 인터페이스를　따로 제작하지 않고도 측정이 가능하도록 할 수도 있을 것이다.

4. 테스트 레벨 4

도 5는 수동소자 여러 개가 직렬 및/또는 병렬로 구성되어 시스템 내에서 신호필터(Signal Filter)의 역할을 하고 있을 때의 측정 방안을 나타내고 있다. 이러한 구조의 경우, 주된 검사의 관점은 개별 수동소자의 전기적인 성능 보다는 이 회로를 통해 이루고자 하는 신호처리의 결과가 된다.

레벨 2에서와 마찬가지로 전송선로의 연속성에 문제가 있을 시, 측정된 회로의 특성 또한 큰 영향을 받게 되므로 전체회로의 전기적인 특성을 검사하는 것만으로도 전송선로의 연속성 검사는 대체될 수 있다. 테스트 레벨 4는 이와 같이 내장된 수동소자의 구성이 Low Pass Filter, High Pass Filter, Band Pass Filter의 기능을 하고 있을 때, 인쇄회로기판 상에서 필터의 특성을 검사하는 것으로 정의한다.

필터의 특성을 평가하는 항목으로는 주파수에 따른 S-파라미터(Scattering Parameter)를 이용할 수 있다. S-파라미터를 특정하기 위한 상용의 측정장비는 회로망 분석기라고도 불리는 Network Analyzer가 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 필터의 각 포트(Port)역할을 하는 검사패드(51, 52, 53, 54)들은 각각 Network Analyzer의 측정 포트에 일대일로 연결되며, 각 포트 별로 입력과 출력의 주파수신호 분포결과를 서로 나눔으로써 S-파라미터가 측정될 수 있다.

한편, 측정의 대상이 되는 인쇄회로기판은, 회로 모델링(Modeling) 및 시뮬레이션을 통해 설계치를 갖는다. 즉, 모델링 및 시뮬레이션을 통해 미리 설계치를 획득하고, 설계치와 측정치를 비교하여 인쇄회로기판의 이상 유무를 판별하는 것이다.

여기서 개별 수동소자가 가지는 전기적인 특성은 검사되지 못한다. 그러므로 어떤 수동소자가 문제인지 알 수 없다. 다만 구성된 수동소자들 중 하나가 불량일 때, 전체적인 필터의 특성 또한 시뮬레이션 결과와 달라지므로 양부 판단의 근거가 될 수 있다. S-파라미터 이외에도 삽입손실, 대역폭(Band with), 스커트(Skirt) 특성, 노이즈 레벨(Noise Level) 등이 양부 판단의 근거로 이용될 수 있을 것이다.

5. 수동소자가 내장된 인쇄회로기판에 대한 테스트 플로우

도 6은 테스트 플로우를 보여주고 있다. 테스트 플로우는 Level 1 ==> Level 2 ==> Level 3 ==> Level 4의 순서로 이루어지는 것이 좋다. 다만, 순서를 상호적으로 바꾸어서 진행을 해도 무방하다. 전체의 회로에 대한 연결 상태가 상관관계가 없기 때문이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.

10: 인쇄회로기판
TP₁, TP₂, TP₃, TP₄ : 검사점

Claims

저항(Resistor), 인덕터(inductor), 커패시터(Capacitor) 중 둘 이상을 포함하는 필터가 내장된 인쇄회로기판의 상기 필터 특성에 대한 설계치를 획득하는 단계;
상기 인쇄회로기판에 교류전원을 인가하는 단계;
상기 인가된 교류전원에 대한 상기 필터의 특성을 측정하는 단계;
측정된 상기 필터의 특성과, 상기 설계치를 비교하는 단계; 및
측정된 상기 필터의 특성과 상기 설계치의 비교 결과에 따라 상기 인쇄회로기판의 이상 유무를 판별하는 단계를 포함하는 수동소자가 내장된 인쇄회로기판 이상 유무 판단 방법.
제1항에 있어서,
상기 측정되는 필터의 특성은, 삽입손실, 대역폭, 스커트(skirt) 특성, 노이즈 레벨, S-파라미터(scattering parameter) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수동소자가 내장된 인쇄회로기판 이상 유무 판단 방법.
제1항에 있어서,
수동소자가 연결되어 있지 않은 전송선에 대해 개방 또는 단락 여부를 테스트하는 단계를 더 포함하는 수동소자가 내장된 인쇄회로기판 이상 유무 판단 방법.
제1항 또는 제3항에 있어서,
하나 또는 그 이상의 수동소자가 연결된 전송선에 교류전원을 인가하여 합성 임피던스를 측정하는 단계; 및
상기 측정된 합성 임피던스와 설계치를 비교하는 단계를 더 포함하는 수동소자가 내장된 인쇄회로기판 이상 유무 판단 방법.