2.1 인쇄회로기판(PCB)

인쇄회로기판(PCB : Printed Circuit Board, ‘기판’, ‘보드’로도 불림)이란 페놀수지나 에폭시 수지 등의 절연 판에 얇은 구리 도체 Pattern(동박 이라함)을 입히고 전기·전자부품 및 반도체를 장착하여 전자 회로를 구성한 후 전기적으로 연결시켜 줌으로써 목적에 맞는 특정 기능을 실행하는 부품이다. 가정 및 산업용 전자기기, 컴퓨터, 철도, 자동차, 항공기 등 모든 전자․정보통신 기기에 기본적으로 장착되는 필수부품으로 소프트웨어 펌웨어가 심어진 CPU 또는 MCU와 같은 컨트롤러에 의해 장치의 하드웨어를 제어하는 ‘뇌’와 ‘신경망’ 같은 역할을 수행 한다⁽²⁾.

2.2 납땜

납땜이란 PCB에 각종 구성부품을 고정하기 위한 방법으로 융점 450℃미만의 Solder(유연 납, 무연 납)를 녹여 모재 표면에 젖음을 일으켜 금속 원소와 모재 금속 원소 사이에 확산 현상으로 합금 층을 형성, 금속끼리 견고히 접합시키는 것을 말한다.

그림 1 납땜 = 젖은성+접합성

Fig. 1 Soldering = wetness + connectivity

납땜의 종류에는 유연과 무연 납땜이 있으며 유연 납땜은 납(Pb)과 주석(Sn)을 주성분으로 하는 연납(융점 450℃이하)이 주종을 이루며, Sn63:Pb37, Sn60:Pb40 조성비의 합금 유연 납땜이 2005년도까지 주로 사용되었으나, 환경 파괴와 인체에 축적되어 암을 유발하는 유해물질의 사용에 대한 법적 규제가 2002년 10월10일 유럽연합(EU)과 유럽 각료이사회‘RoHS(the Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment, 전기전자제품에 포함된 6대 유해물질 사용에 대한 규제)의 논의로 2006년 7월1일 유럽부터 사용이 금지되었고 우리나라도 2008년 1월1일부터 「자원순환에 관한 법률」에 의해 RoHS의 6대 환경오염물질에 포함된 납(Pb)의 사용이 규제 되었다.

이에 따라 2010년 이후 거의 모든 전기․전자제품에는 납 성분이 포함되지 않은 Sn, Ag, Cu계(예를 들면 SAC305: Sn-90%이상, Ag-3.0%, Cu-0.5% 순이고 플럭스는 3.5%)의 무연 납(Pb-Free Solder) 사용이 증가 되었고, 높은 품질을 유지하기 위해서는 약 3%의 은(Ag)이 첨가된 무연 납을 사용하고 있다. 은(Ag)은 동에 대한 확산 정수가 커 구리 표면에 안정된 합금 층을 형성하여 접합강도를 높임으로써 진동이나 낙하 충격 등에 강하며 젖음과 퍼짐속도가 빠르고, 납땜 후 표면의 접촉각이 작으며(20∼60도), 표면이 매끄럽고 백색의 광택을 내는 장점이 있다. 운영 사에서 납땜을 하는 과정은 우선 모재 표면에 형성된 산화 피막에 플럭스 도포와 가열로 산화 피막을 제거시키고 모재 표면과 도포된 납이 원자 이동으로 모재 표면에 침투 후 금속화하여 금속 화합물(Cu6Sn5, CuSn)이 생성되어 모재와 접합되는 과정으로 작업을 진행 하고 있다.

2.3 인쇄회로기판 분류

(1) 굴곡성에 의한 분류

경성회로기판(Rigid PCB)은 페놀, 에폭시 수지 등 경질의 절연재료로 만든 PCB로 TV, 오디오, 프린터 등 일반 가전기기에 가장 널리 사용되며, 연성회로기판(Flexible PCB)은 자유롭게 구부릴 수 있어 휴대용 전자기기, 디지털카메라, 휴대폰, PDA 등 휴대 편의성이 요구되는 제품에서 많이 사용된다. 경․연성회로기판(Rigid Flexible PCB)은 경성회로기판과 연성회로기판을 결합하여 제작한 형태로 경성의 부품실장 능력과 연성의 3차원 배선의 장점을 결합한 PCB로 연성기판 부분만 휘고, 나머지는 경성의 특징이 유지되어 고기능 휴대폰, 디지털캠코더, 카메라, 군사용, 우주항공용으로 사용되는 경향을 보이고 있다.

(2) 용도에 의한 분류

부품장착용 PCB는 컴퓨터, TV 등 전자 부품 등을 장착할 목적으로 사용되며, 반도체 장착용 PCB는 과거 Lead Frame을 이용하여 회로를 연결하던 형태에서 고 집적화에 따른 처리 용량과 속도가 개선됨에 따라 아래 그림 2와 같이 소형 기판에 작은 칩 사이즈 형태로 부착되고 주요 제품으로는 BGA, CSP, BOC 등이 있으며, 최근 반도체 집적기술이 급격히 발전하면서 소형화, 고성능화되고 있는 전자제품 및 통신기기들에 큰 폭으로 수요가 증가추세이며, 철도차량에는 MMI(운전실 모니터) 등 표시장치에 BGA형태의 부품이 장착되어 있음을 확인하였다. 아래 그림은 반도체 장착용 BGA, CSP, BOC 등의 실장 상태를 나타낸 것이다.

그림 2 BGA, CSP, BOC 기판

Fig. 2 BGA, CSP and BOC substrates

(3) 기판의 층의 개수에 의한 분류

단면(1층)에서 양면(2층), 다층(3~52층 또는 그 이상, Multi Layer Board)PCB로 발전하였으며 기능 구현을 위한 설계사양에 따라 두께가 정해진다. 단면은 전화기, 라디오, TV 등 일반 가전기기에 주로 사용하며 양면은 팩스, 프린터, 와이드 TV, 일반 산업용 제품 등에 주로 가장 많이 쓰이고 여러 가지 복잡한 기능과 고성능 구현을 위한 스마트폰, 비디오카메라, 노트북, 각종 퍼스널컴퓨터 등에는 양면이상의 다층기판이 일반적으로 사용되고 산업용도별로는 항공기는 12층 이상이 가장 많으며 휴대폰은 8층이 기본이다. 철도차량용은 대부분 2~4층이 가장 많은 것으로 파악 되었고 고속 신호통신용 PCB 등 신뢰성이 요구되거나 FPGA 등 논리소자 등이 장착된 기판 들은 주로 4~8층으로 사용되고 있는 경향을 보이고 있다.

2.4 인쇄회로기판 산업 특성

PCB 산업은 크게 3가지 특성으로 요약해 볼 수 있다.

첫 번째는 PCB 설계자의 선행기술이 적용된 전자제품을 전방산업으로 하고 그 기술을 뒷받침할 수 있는 원판의 제조 기술, 납땜 기술, 표면처리 기술 등의 후방 지원 산업 기술 간의 연관관계에 크게 의존하는 선․후 기술 연계산업으로 볼 수 있고, 설계에 적합한 PCB 제조공정의 기술이 반드시 뒷받침 되어야 하며, 두 번째로는 상당한 제조장비가 필요한 설비 투자를 요하는 산업으로 새로운 전자제품을 기획하고 제조 테스트를 거쳐 양산까지 필요한 준비기간은 평균적으로 최소 1년 이상의 기간이 소요되는 특징을 가지며, 세 번째는 PCB 산업은 첨단, 고부가가치 산업으로 PCB 관련 기술은 스마트폰, 초경량 노트북 등 고기능 고집적화, 경박 단소화, 휘어지는 연성(Flexible)화, 유해 납 성분이 없는 무연화가 가속될수록 고도의 미세공정 기술이 요구되는 추세이며, 2016년 이후 본격 대두되고 있는 4차 산업혁명 관련 거의 모든 IT 기기들의 핵심기능은 PCB가 담당할 것으로 예측된다.

2.5 국 내․외 산업계 동향

국내․외 PCB 시장규모와 관련 산업의 변화 방향을 예측한 보고서에 따르면 세계 PCB 시장은 중국과 일본을 비롯한 아시아 지역을 중심으로 TV, PC, 디지털 가전, 디스플레이 시장의 확대에 힘입어 연평균 5.5%의 성장세를 이어나갈 것으로 예측하였고, 특히, 4~6층 이상의 다층기판과 Build-up PCB 관련 부속자재가 시장 수요를 견인하면서 급격히 성장할 것으로 예측하였다. 이 예측은 정확히 맞아가고 있다. 2011년 휴대폰의 스마트폰 화 가속화와 태블릿 PC의 등장으로 최신 반도체 기술이 적용된 통신용 PCB와 그동안 경성 PCB가 주도하던 시장이 유연하게 휘어지는 연성 PCB 등으로 기술 진화가 이미 이루어지고 있으며, 휴대폰과 컴퓨터용 PCB가 여전히 많은 비중을 차지하는 경향을 보이고 있다. 세계 PCB 관련업계의 전체적인 변화 중 규모적인 측면에서는 그간에 시장 점유 면에서 생산 1위를 차지하는 중국이 계속 중․저가의 양적인 성장을 확대해 가고 있고, 부품․소재 면에서 강점을 가진 일본이 중국, 한국, 대만 등 PCB 주요 생산국에 비해 원자재 시장에서 높은 경쟁력을 유지하고 있는 추세이다.

3.1 계통별 분석

[표1]에서 보면 주 전력 추진 장치가 53%로 가장 많이 발생하였고, 열차제어장치 14%, 보조전원장치 13%, 제동장치 12% 순으로 발생하는 경향을 보였으며, 계통별 분류에서 PCB가 가장 많이 장착된 순으로 고장이 발생되는 것을 알 수 있다⁽³⁾.

3.2 원인별 분석

[표2]에서 보듯 5년간 전체고장은 93건으로 전체대비 부품요인(53%), 제작결함(30.1%), 인적요인(8.6%), 일시적 요인(2.1%)로 8200호대는 부품 노후화에 의한 고장발생이 증가 추세이며, 전체 고장 원인 중 재질노후가 35.5%로 많은 부분을 차지하는 것을 자료를 통해 알 수 있다.

3.3 관리 분류 체계 정립

전기기관차 인쇄회로기판(PCB) 관리대상을 선정하였으며, 선정의 등급분류는 직원들의 운영 경험과 신뢰성데이터, 고장 발생 시 차량의 운행 유무를 기준으로 중요도를 [그림3]에서와 같이 A, B, C로 분류하여 정비방안과 대책을 수립할 수 있다.

그림 3 정비 방법 분류

Fig. 3 Classification of maintenance methods

4.1 박리

PCB는 제조 시 원재료인 CCL(Copper Clad Laminate, 동박 적층 원판, 양 표면층의 동 박과 접착용 레진수지 및 유리섬유 등으로 구성)에 제조사양의 층수에 맞게 적층한 후 높은 열과 압력을 가해 접착하게 되는데 이때 원판 수지의 함량이 부족하거나 습기가 있으면 내층 원판 사이 또는 내층 원판과 동 박 회로 패턴 사이에 가해진 열로 인해 균열이 발생하게 되는데 이를 박리 라하며 이는 원판 제조시나 작업자가 PCB 수리 때 가하는 열 충격이 PCB 기능상의 심각한 불량(중 불량인 도통 불량)을 일으킨다는 것을 경험으로 확인 할 수 있었다. [그림4]는 전기기관차 제동장치 기판에 장착된 부품 중 열에 상시 노출되어 Heat Sink부에 박리가 발생된 사례이다.

그림 4 기판의 박리

Fig. 4 Peeling of the substrate

4.2 들뜸

PCB기판은 제조 및 수리 시 납땜이나 열 충격시험, 열 사이클 시험 시 원판의 내열성을 초과한 과도한 열을 받게 되면 PCB 내부에서는 X, Y, Z 각 방향으로 팽창과 수축이 발생 되고 이때 X, Y 방향으로의 수축 팽창으로 인한 불량은 거의 발생 되지 않음을 경험으로 확인 할 수 있었으며 그 이유는 바로 내층 원판(수지, 유리섬유)의 열팽창계수와 PCB 회로네트인 동박/동 도금(구리: Copper, 표면층 및 내층에서 회로네트를 이루고 있음)의 X, Y 축 방향의 열팽창계수가 거의 같기 때문이다. 이러한 특성은 두 물질은 각각 팽창하고 식으며 수축할 때 거의 같은 비율로 팽창하고 수축하는 유사한 거동을 보이기 때문이다. 반면에 PCB의 Z축은 이와는 다르게 [그림5]와 같이 들뜸이 발생되는 것을 확인 할 수 있었다.

그림 5 기판 들뜸

Fig. 5 Substrate Excitation

4.3 벗겨짐

PCB 내층에서 발생된 불량 중에는 장기사용으로 내층의 수지 와 유리섬유 사이에 접합이 깨지면서 규칙적 또는 불규칙적인 반점이나 십자 모양 형태로 나타나는‘벗겨짐’ 결함이 학인 되었고, 벗겨짐은 주로 다층 기판의 표면 층 경계면에서 접착 불량으로 에폭시수지가 X, Y 방향으로 빠져 나오면서 십자 모양의 균열이 발생되는 것을 확인 하였다.

또 다른 경우는 홀 내부 동 도금 표면처리 공정 중에 가해지는 열에 의해 내층 습기가 빠져나오면서 생기는 균열이 백색 반점 형태로 보이는 불량이다. 벗겨짐이 PCB에서 크게 문제가 될 수 있는 것은 부품간의 집적도가 증가해 홀과 홀 간의 거리(0.4mm, 머리카락의 5가닥 정도의 두께=0.08mm), 내층의 적층 층간 두께, 동박 회로 패턴과 패턴 사이 간격이 매우 좁아 내층 내에서 발생한 균열은 곧 흡습을 일으킨다는 것도 알 수 있었다. [그림6]은 인쇄회로기판(PCB) 벗겨짐 사례이다.

그림 6 기판의 벗겨짐

Fig. 6 Peeling of the substrate

4.4 분리

PCB 표면에는 다양한 전자부품들이 장착되는데 특히 Hole Size가 큰(0.8mm이상) 부품 Hole에서 작업 시 납땜의 열 충격을 받아 벽에 붙어 있던 동 도금이 떨어지며 내층에 연결된 회로가 [그림7]처럼 분리되는 불량 유형도 발견 되었다.

그림 7 기판 홀 내벽 분리

Fig. 7 Separation of the inner wall of the substrate hole

4.5 구리 용해

PCB의 제조 또는 수리 시 납땜 과정에서 Pb37%, Sn(주석)이 63%인 유연 납(Sn/Pb Solder, 약 240℃)을 사용하는 경우보다 Sn의 함량이 대부분(약 97%)인 무연 납(Lead Free Solder, 약 260℃)을 사용하는 경우 동(Cu)의 용해 속도가 유연 납에 비해 빠르다는 것을 알 수 있었고, 이는 동(Cu)이 용해되어 없어지면서 국부적인 동의 결핍(녹아서 떨어져 나가는 현상)으로 발생되는 불량으로 흔한 고장의 유형은 아니다.

5.1 인적요인 영향력 강화

그동안 철도차량용 PCB는 원 제조사가 어느 회사 인지 또는 국내 PCB 산업계 동향과 현황이 어떤지 관심이 없었으며 이러한 무관심으로 신기술 PCB가 접목된 철도차량이 도입되고 발전하는 과정에서 양적 성장에 치우쳐 내적으로 전문 인력 양성에 많은 소홀함이 있었다. 따라서 국·내외 경쟁력 확보와 전문가의 양성을 위해 적극적인 투자와 지원이 필요할 것으로 판단된다. 전자어셈블리 국제표준 IPC 한국 협회IPC(The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits)는 1957년 미국에서 설립된 전자어셈블리 규격 관련 국제기구로 회원사만 4,200여개, 전 세계 120개 이상의 위원회가 있고, PCB 관련 표준 용어 외에 표면 실장, 납땜, 플럭스, 프린트 배선․적층 판, 커넥터, 플랫케이블, 기타 접속부품의 국제 기술 표준을 발행하고 현재 전 세계 PCB개발, 생산, A/S, 전문 인력교육과 전자 산업분야 작업공정과 품질에 대한 허용 기준으로 자리 잡고 있다. 따라서 국내 철도산업도 적극적인 참여로 철도차량 전문 인력 양성과 국제표준 시스템 도입이 필요할 것으로 사료된다.⁽⁴⁾

그림 8 전자어셈블리 국제표준 IPC(한국 협회)

Fig. 8 Electronic Assembly International Standard IPC(Korean Association)

5.2 부품 조달 시스템 문제

철도차량의 관련 산업은 특수산업계로 자동차업계나 일반 공산품인 가전제품 업계에 비해 장치 조립에 의한 완성품(완성차량)이 만들어 지더라도 다품종 소량생산 체계이며, 더욱이 철도운영기관은 대부분 국가나 지방자치단체 산하의 기관으로 국가의 법률체계에 종속될 수밖에 없어 계약에 있어 자유로울 수가 없으며, 이는 최저가 입찰에 의한 부품조달로 이어져 우수한 기술을 보유하고 있어도 납품을 보장받기 어렵기 때문에 관련 업계의 영업이득이나 기술의 재투자로 이어지기 어려운 구조로 되어있다. 대부분의 부품이 소량, 저가로 부가가치가 낮다보니 장치 조립 체를 생산하는 업체에서는 그 하위 구성부품에 대해 구매처와 구매사양, 협력업체 및 조립업체의 제조 품질관리에 소홀 할 수밖에 없고 대규모 양산 체제를 갖춘 중견 제조사가 아닌 기존 영세업체에서 외주방식으로 제작 후 조립하는 악순환의 공급 망을 그대로 유지할 수밖에 없는 구조적인 문제들에 대하여 제도 개정과 산학협력, 적정비용 지출 등을 통하여 설계단계 초기부터 자연스럽게 기술 이전이 이루어지는 시스템 구축이 필요하다 더불어 운영사 측면에서는 신뢰성데이터 분석 자료를 근거로 장애 감소를 위해 중요도가 높은 카드 류 위주로 우선 교체하고 수리품은 순환 예비품방식의 유지보수 관리 대책도 고려하여야 한다.

5.3 SQ마크 인증제 도입

국내 자동차업계는 각종 품질합격 기준과 시험기준 운영을 통해 PCB류 등의 주요 부품의 품질을 향상 시킨다. 철도차량용 PCB도 제조규격과 각종 시험관리 기준을 조속히 제정하여 운영할 필요를 느끼며, 또한 향후 지속적인 품질관리체계의 유지를 위하여 현대․기아차에서 운영 중인 품질관리등급 제도인 ‘SQ마크 인증제’와 같은 검증된 인증방법 도입이 필요할 것으로 보인다. 현대․기아차 등 국내 자동차업계에서는 각 회사별 2차 협력업체 육성 및 기초부품 품질향상을 위하여 부품 품질에 주요 영향을 미치는 전문 업종을 선정하여 협력업체 등 현장 위주의 품질관리․점검을 지속적으로 시행하고 있으며 이를 통해 상당부분 우수한 부품 공급 망을 확보 하고 있다. 이러한 자동차 업계의 ‘SQ마크 인증제’와 같은 검증된 인증제를 도입한다면 철도차량용 인쇄회로기판(PCB)의 품질향상에 크게 기여할 것으로 본다.

5.4 PCB 내층 분석

PCB는 전기․전자 어셈블리 또는 공압 제어 밸브 등 장치조립 체와의 조합에서 전장품 하드웨어와 유․공압 하드웨어를 제어하는 ‘뇌’와 같은 역할을 하는 매우 중요한 부품으로 철도차량용 PCB는 대부분 장치 제조사의 PCB 설계자에 의해 맞춤형 설계된 제품으로 회로 기능상의 고장진단이나 검증에 상당한 기술력이 필요하다는 것을 인지 하여야하나 현재 철도내부 운영 소속에서는 계측기를 통해 눈에 보이는 PCB의 기능구현이 표면에 장착된 각종 전기․전자부품의 고유기능과 일부 마이크로컨트롤러에 내장된 소프트웨어에 의해 이루어진다고만 판단하여 고장진단 업무를 수행하고 있다. 그러나 이는 PCB 내층의 분석이 선행되지 않고서는 정확한 고장진단이 아님을 인지하지 못하기 때문이며 특히 ‘원인소멸’ 로 분류된 경우는 원인분석 없이 교체되거나 수리된 것으로 이는 현장의 예비품 관리 미흡, 분석 장비의 부재, 분석 기술의 부족 등으로 PCB 고장진단이 제대로 이루어지고 있지 않음을 보여 주고 있다. 하여 PCB 예비품 관리에 있어서 원인이 소멸된 인쇄회로기판은 정확한 원인이 규명되지 전까지 지속적인 관리가 필요하며 PCB 분석용 첨단 장비의 확보와 더불어 PCB내 장착된 부품의 내층 분석으로 기술 자료 축척이 이루어져야 할 것이라 본다.