SMT 생산 프로세스는 일반적으로 3개의 독특한 공정단계로 구성되어 있는데, 솔더 페이스트 프린팅, 부품 실장, 리플로우 프로파일이 바로 그것이다. 본고에서는 부품 실장 및 리플로우와 관련해 논의한다. 이들을 보다 자세하게 설명할 것이다.

표면실장 산업계        

전자산업 어셈블리의 표면실장기술(SMT)는 오늘날 전세계 전자회로 업종에 있어서 주류를 이루고 있는 방식이다. 완벽한 표면실장 전자산업 어셈블리에는 3개의 주요한 요소(PCB, 솔더 페이스트, 접촉되어야만 하는 전기적 작동 부품)가 있다. PCB는 다층의 복합 경성 어셈블리이다. PCB의 톱 및 하부는 금속 접합물로 덮어져 있다. 모든 전기 동작 부품들이 이들 패드에 접촉될 것이다. 구리의 복잡한 길은 PCB의 레이어 사이들을 통해서 연결된다. 이는 전기 부품들 간에 필요한 모든 접촉을 가능케 하기 위해서다. 솔더 페이스트는 어셈블리 동안 자체적인 끈적거림이 보드 위에 부품을 정착시킬 수 있는 플럭스와 조그마한 솔더 입자의 혼합물이다.



리플로우 솔더링 동안 페이스트는 액체화될 때까지 가열될 것이다. 기능 부품과 PCB 간의 물리적 및 전기적 양쪽 모두의 접합체로써 역할을 다하도록 냉각된다. 전기적 부품들은 자체 동작을 촉진하고 결정하는 어셈블리의 한 조각이다. 집적회로, 커패시터, 레지스터, 스위치 및 다양한 또 중요한 부품들이 포함되어 있다. 그림 1에서는 복잡한 SMT 전자기기 어셈블리의 사진을 보여주고 있다. 이 특별한 어셈블리는 USB 플래시메모리드라이브이다.



SMT 생산 프로세스는 일반적으로 3개의 독특한 공정단계로 구성되어 있는데, 솔더 페이스트 프린팅, 부품 실장, 리플로우 프로파일이 바로 그것이다. 초창기 SMT 생산 프로세스에는 베어 PCB가 솔더 페이스트 프린팅 설비로 들어갔다. 이후 일부 프로세싱 보드들은 자체 표면 상호접촉 패드 위에 정밀하게 정렬된 솔더 페이스트 침전이 등장했다. 다음으로 PCB가 부품 실장 머신으로 들어갔다. 이 프로세스 단계에서 보드에는 자체적인 동작에 필요한 전기 부품들이 실장된다. 생산을 완성하기 위해, 전체 어셈블리는 리플로우 오븐을 거쳐 완성된다. 이 오븐은 솔더 페이스트를 자체 융점 이상으로 올려 보드에 부품을 단단하게 고정시킨다. 본고에서는 부품 실장 및 리플로우와 관련해 논의한다. 이들을 보다 자세하게 설명할 것이다.

부품 실장         

부품 실장은 최종 어셈블리에서 올바르게 작동하도록 완벽하게 실시되어야만 하는 매우 복잡한 프로세스이다. 부품 실장 동안, 모든 기능성 전기부품들은 이들이 놓여야 하는 위치에 정밀하게 실장되어야만 한다. 싱글 어셈블리에서 0.4㎜×0.2㎜ 혹은 그 보다 소형인 수십 혹은 수백의 수동소자가 존재하는 것은 보기 드문 일이 아니다. SMT 생산 프로세스의 리플로우 및 솔더 페이스트 프린팅 단계는 기본 패널 당 하나로 이뤄진다. 이들 장비들의 한 번의 사이클은 한 보드의 완성을 의미한다. 반대로, 부품 실장 동안 각각의 부품들은 개별적으로 보드에 놓여야만 한다. 거의 모든 부품 실장의 경우 프로세스 병목현상으로 나타난다. 결과적으로, ‘실장 머신은 표면 실장에 요구되는 설비 중 가장 중요한 부분이다. 가장 높은 자금 투자부분을 흡수하고, 또한 제조의 전체 경제성을 결정한다’. 이들 모든 요소들이 부품 실장속도를 높이기 위해 설계된 새로운 생산공정에 잠재적으로 거대한 이점을 가지고 있다. 이 부산물은 부품 실장 장비의 속도에 따라 매우 치열한 시장이 되었다.
부품 실장을 위한 방법은 장비 벤더들 사이에서 광범위하게 다양하다. 심지어 동일한 제조업체라도 모델들마다도 다르다. 그러나 일정 부분에서 거의 모든 실장 머신 간에는 공유된 동일한 특징이 있다. 부품 실장을 위해 대두된 방법과 관계없이 이들 머신 특유의 확고한 측면이 있다. 모든 부품 실장 머신은 하나 혹은 그 이상의 실장헤드, 보드 정지 혹은 회로보드 테이블, 툴링 캐리어 그리고 부품 실장 피더를 가지고 있다. 회로보드가 장비에 들어가고, 테이블 위에서 이동하거나 혹은 멈춰진다. 그 다음에 이들 머신의 진공 노즐을 이용하여 트레이 혹은 피딩 디바이스에서 한 번에 즉시 순차적으로 부품들을 픽업한다. 그런 후에 부품들은 개별적으로 검사되고, 얼라인 되고, PCB 위에 실장된다. 실장 머신은 다양한 재질, 사이즈 및 외형인 여러 개의 노즐로 구성된다. 이들 각각의 노즐은 저마다의 부품 타입에 적합하고 머신은 현재 실장 헤드에 마운트되지 않은 노즐을 부착하기 위해 툴링 캐리어를 가지고 있다. 이들 머신 사이의 또 다른 통일된 특성은 부품의 전송 방법이다.




그림 3에서와 같이, SMT 부품들은 매우 다양한 모양과 사이즈로 만들어지고 있다. 결과적으로, 부품 벤더들은 부품 전달을 위해 서로 많이 다른 벌크 패키징을 이용한다. 부품 실장 머신은 SMT 어셈블리에 사용되고 있는 모든 다양한 패키징 형태에 대응할 수 있어야만 한다. 그림 4 및 그림 5에서는 2가지의 주된 부품 전송방법을 보여주고 있다. 테이프-앤-릴 시스템은 100점에서부터 20,000점의 부품까지 잡을 수 있다. 실장 이전에, 릴은 특수한 부품 피더에 적재되어야만 한다. 이 피더는 보호처리된 앞선 테이프를 뒤로 잡아당기고, 이동 테이프 부품을 정밀하게 전진시키고, 머신 노즐에 의해 픽업되도록 부품을 제공한다. 와플 트레이는 커다란 부품의 대중적인 전송 방법이다. 와플 트레이의 적용에 있어서는 머신 헤드에 의한 SMT 부품의 연속적인 픽킹 작업에 주의가 필요하다. 테이프-앤-릴 및 와플 트레이 이외에도, 벌크 메거진 피더도 또한 사용할 수 있다. 튜브 피더가 쓰루홀 부품에 좀 더 대중적이고, 다소 고전적인 것이지만 여전히 생산 현장에서 종종 볼 수 있다. 전체 SMT 부품들이 비슷한 방식으로 전송되고 부품 실장 머신이 동일한 원리로 운영되고 있지만 많은 설비의 차이점이 여전히 존재한다.
증가하는 처리량을 수행하기 위해 벤더들은 다양한 실장 머신의 배치로 처리량을 늘리려는 추세로 움직이고 있다. 일부 연구원들은 이들 서로 다른 부품 실장 머신들을 분류해 왔다. Ayob은 실장 머신의 5개의 독특한 카테고리를 제정했다. 이들 카테고리 사이에는 실장 헤드가 정체하여 머물고, 고속에서 회전할 수 있도록 PCB 테이블과 피더 베이가 움직이는 머신들이 있다. 다른 머신 타입들에는 멀티 실장 헤드들 혹은 한 번에 여러 보드의 미러 어셈블리를 취급하기 위한 심지어 멀티 생산 베이도 포함하고 있다. 반면, 카테고리의 마지막 부문은 프로토타입용 및 소형 어셈블리용 반자동 실장 머신이다. 많은 실장 스타일이 존재함에도 불구하고, 이 공정은 두 개의 서로 다른 매우 대중적인 겐트리 스타일의 부품 실장 머신으로 이뤄진다.



겐트리 스타일 실장 머신들                         
거의 모든 실장 머신 벤더들은 다양한 대중적인 겐트리 스타일 머신을 제공하고 있다. 그림 6에서는 UIC의 실장 머신을 보여주고 있다. 이 겐트리 스타일 머신은 셋업 시간 감소 노력의 일환으로 설계되었다. 게다가, 레일 런닝 앞단이 머신의 각각의 측면 후단에 있다. 실장 헤드는 이들 측면 레일의 각 끝부분에 수평 레일이 부착되어 장착된다. 중앙 레일은 이동이 가능한 X축을 따라서 측면 레인의 앞단에서 뒤로 움직일 수도 있다. 헤드는 자체적으로 Y축 상에서 자체 레일을 따라 약간 늦게 이동할 수 있다. X축 상에서의 움직임은 실장 헤드 자체에 의해 설치되었다. Grunow는 이들 머신을 실장 헤드의 겐트리 스타일 움직임에 따른 겐트리 시스템이라고 정의했다. Salonen의 보고서에서는 ‘겐트리 스타일’이라고 이들 머신들을 좀 더 세분화하여 지적했다. 헤드의 내적 움직임 이외에, 겐트리 스타일 머신의 물리적 구성이 매우 비슷하다.

그림 6에서 보이는 GSM 머신의 경우, 머신의 외형은 필연적으로 대칭 모습이다. 앞과 뒤에 각각 35개씩의 피더를 장착시켜 한 번에 총 70개의 피더를 걸 수 있다. 거의 모든 머신들이 또한 실장 헤드에 마운트되지 않은 노즐들을 저장할 수 있는 내부 랙을 가지고 있다. 기능적으로, PCB는 머신의 상위 부분으로부터 컨베이어 위로 들어간다. 그런 후 PCB는 조금 이동되고, 뉴매틱 핑거스에 의해 머신의 중앙에 놓여 잠긴다. 하나의 머신 사이클 동안, 실장 헤드는 피더 베이로 이동하고, 부품을 픽업하고 이들을 PCB 위에 놓는 작업을 한다. 부품들이 놓이기 전에, 부품들은 카메라 혹은 적절한 얼라인먼트를 검사하는 또 다른 자동 검사시스템에 의해 검사될 수도 있다. 한 번의 사이클로 픽앤플레이스될 수 있는 많은 부품들이 어떻게 많은 스핀들이 실장헤드에 부착되는지를 결정한다. 스핀들은 버큠 노즐의 접촉 포인트이다. 대부분의 경우, 또한 Z 축 이동이 가능한 헤드의 부분이다.



그림 7에서는 겐트리 스타일 머신에 6개의 스핀들 실장헤드가 장착된 모습을 보여주고 있다. 이 스타일의 헤드는 어떠한 SMD 타입의 부품이라도 실장에 매우 적합하다. 그림 8에서는 30개의 스핀들 로터리 실장 헤드를 보여주고 있다; 이 스타일 또한 겐트리 머신 내에 창작되고 있다. 전통적인 헤드에 비해 훨씬 더 높은 비율로 소형부품들을 실장할 수 있다. 그러나 대형부품 실장에 있어서는 헤드 다운이 현저하게 느려질 수 있다. 게다가 이러한 다운은 일부 이형부품과 대형부품들 조차도 스핀들 로터리 실장헤드로 실장할 수 없음을 의미한다.

리플로우 솔더링            
모든 부품들이 PCB 위에 성공적으로 실장된 이후, SMT 생산공정에서 리플로우 솔더링이 다음 단계이다. 솔더 페이스트의 점성에 도달할 때까지 부품을 일시적으로 패드 위에 잡아 놓는다. 솔더가 냉각되면 보드와의 강력한 기계적 접합이 나타난다. 이를 위해 보드에 가해지는 열이 필요한데, 심지어 수율 지속성, 고품질 생산과 관련되어 컨트롤되어야 한다. 동시에 공정 엔지니어들은 보드 위의 어떠한 부품이라도 보장해야만 하는데, 이는 극단적인 온도로 인한 과열 혹은 피해가 나타날 수 있기 때문이다. 리플로우 솔더링은 일반적으로 컨벡션 리플로우 오븐 내에서 가장 자주 실시된다. 이러한 까닭에 리플로우 오븐 작업은 이들 유형의 오븐이 중심으로 자리 잡았다. 질소, 증기 위상 및 심지어 적외선 오븐이 존재하지만, 진행 정보는 표준 리플로우 오븐과 맞췄다. 최근 무연 솔더로의 이동은 리플로우 솔더링 오븐 내의 일정부분에서 변화를 필요하게끔 했다. 주요한 변화는 리플로우의 길이가 넓어지는 것이다. 이는 공정 엔지니어들이 전체 리플로우 프로세스를 더욱 잘 컨트롤할 수 있게 하려는 의도이다. 무연 솔더로의 이동은 장비 자체뿐만 아니라 일반적인 리플로우 프로세스에서도 많은 부분을 요구하고 있다. 무연 솔더가 적용되어 만들어진 PCB는 동일한 SnPb 솔더 어셈블리에 비해 매우 협소한 리플로우 프로세싱 윈도우가 필요하다.

솔더 페이스트               
근래에 많은 수의 솔더 페이스트가 서로 다르게 가용되고 있다. 각각의 특별화된 페이스트는 주어진 제조 상황의 목표를 충족시키도록 제작되었다. 솔더 페이스트는 클리닝 플럭스와 전기계/기계적 접합을 정확하게 생성할 수 있는 금속 합금으로 제조된다. 솔더 페이스트 내의 플럭스는 어셈블리 공정을 통해 부품을 잡기 위한 페이스트 점착성을 만드는데 도움을 준다. 리플로우 동안 플럭스는 활성화되고 납땜이 된 표면으로부터 특정 산화를 세척한다. 리플로우 이후, 플럭스는 세척 혹은 ‘비세척’을 요구할 수 있다. 이러한 세척 요구 중 일부는 수용성이고, 반면 다른 부분은 좀 더 확실한 세척을 요구한다. 본고에서는 ‘비세척’ 플럭스 기반 솔더 페이스트만 다뤘다. 생산 공정단계 감소를 위해 제조업체들은 일반적으로 ‘비세척’ 플럭스를 선택하지만, 특별한 공정에서는 좀 더 강력한 세척제를 요구한다. 일반적으로 솔더 페이스트에 있어서 주요 선택 카테고리는 플럭스가 아닌 금속 합금이다.
현재 전기전자 제조업체들이 선택할 수 있는 솔더 합금에는 거대한 풀이 있다. 여러 가지 관점에서는 무연 솔더 제품이 대부분이다. SnPb 솔더의 저융점, 저가격, 고 가용성 및 우수한 기계적 접합 강도는 대량 생산용 전자기기에 적합하여 전자기기 제조업체의 선택을 받아 왔다. Joe Fjelstad는 ‘10년 이상, SnPb 솔더는 무수한 수의 솔더 접합을 이뤄왔다’고 말했다. 그러나 1990년대부터 전자산업계의 SnPb 솔더로부터 벗어나려는 압력이 나타나기 시작했다.



신경계에 미치는 납의 해로운 영향은 이미 잘 알려져 있고, 폐 전자기기 매립지로부터 지하수로 흘러드는 잠재적인 부분에서의 납이 가장 큰 문제가 되었다. 그림 9에서는 전자기기 어셈블리의 솔더 접합으로부터 발생하는 잠재적인 납의 경로를 보여주고 있으며, 식수로 쉽게 흘러들어가는 것을 알 수 있다. 급부상한 문제임에도 불구하고, EU에서는 SnPb 솔더의 사용을 금하는 RoHS 법안을 2006년까지 유예해줬다. 일본 시장에서는 많은 제조업체들이 SnPb 솔더로부터 벗어나도록 압력을 가했다. EU의 금지 법안과 늘어난 시장에서의 압력 결과, 전세계적으로 비슷한 시간대에 무연 솔더로 이동할 수 있었다. SnPb 솔더를 대체하는 것이 어려운 것으로 판명 났지만, 많은 전자기기 업체들은 이러한 전환을 예상하고, 새로운 합금 조성을 연구하기 시작했었다. 그러나 SnPb 솔더를 대체하는 것은 쉽게 이뤄지지 않았다. 1995년 Seeling은 SnPb를 그럴 듯하게 대체하기 위해서는 다음 8개의 독특한 특성을 충족시킬 필요가 있다고 밝혔다.

1. 선택된 합금들이 현재 혹은 향후에 어떠한 부정적인 환경요소도 가
   지고 있지 않아야 할 것이다.
2. 기본 재료의 충분한 양이 현재 혹은 향후에도 가용되어야만 한다.
3. 63Sn37Pb과 비슷한 융점, 적어도 200℃ 이하.
4. 동일하거나 비슷한 수준의 열적/전기적 전도성.
5. 적당한 접합 강도 및 열피로 저항.
6. 쉬운 재수리 특성.
7. 낮은 가격.
8. 현존하는 프로세스와의 호환성.

SnPb 솔더의 적당한 대체품을 찾는 일은 어려웠으며, 많은 새로운 합금들이 제안되었다. 2000년에 Abtew와 Selveduray는 거의 70개의 새로운 무연 솔더 합금조성을 연구했고, 마침내 ‘대량의 Sn 조성이 가장 적합한 후보’라고 결론을 내렸다. 최근 좀 더 심도 있는 연구가 진행되어 왔으며, 무연 솔더 합금에 대해 더 잘 이해할 수 있게 되었다. SnPb 솔더를 대체하는 재료로써 가장 보편적으로 고려되는 합금조성들로는 SnAg, SnCu, SnBi, SnZn, SnAgCu 및 SnAgBi 등이 있다. In 및 Al과 같은 다른 합금들은 특수한 특성을 위해 솔더 합금에 추가되기도 한다. 이러한 각각의 특수 합금 조성이 흥미로운 특성을 가지고 있음에도 불구하고, 본고에서는 가장 보편적인 SnAgCu(SAC) 합금을 주로 다뤘다.
SAC는 납 기반 솔더로 부터 벗어나려는 제조업체에게 가장 인기 있는 합금이 되었다. SAC 합금은 세 가지의 기본 금속에서 서로 다른 조성비로 만들어진다. 2개의 대중적인 혼합이 SAC105와 SAC305이며, 각각 98.5Sn/1.0Ag/0.5Cu, 96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu이다. 보고서에서는 SAC105가 SAC305에 비해 기계적인 신뢰성이 다소 우수하다고 나타내고 있다. Henshall 등은 서로 다른 SAC 합금의 제조성과 신뢰성을 비교하는 꽤 광범위한 실험을 실시했었다. SAC105 솔더 합금은 SAC305(217℃)에 비해 더 높은 융점(227℃)을 가지고 있다. 그래서 다양한 SAC 합금 사이에서 약간의 트레이드오프가 존재한다. 이 작업은 무연 솔더의 표준으로 제조업체들이 무연 공정으로 전환하도록 광범위하게 선택되고 있는 SAC305 합금으로 처리되었다. SAC305가 매우 대중적이지만, 대신에 직접적인 드롭을 의미하지는 않는다. SAC 합금과 SnPb 솔더 간의 가장 큰 차이점은 자체적으로 너무 높아진 융점이다. Sn63Pb37 솔더는 183℃의 융점을 가지고 있는 반면, SAC305는 이러한 온도 보다 30℃ 정도 높은 온도에서 액상화된다.



그림 10에서는 이 수축 프로세스 윈도우(shrinking process window)를 잘 보여주고 있다. 높아진 프로세스 온도를 요구하는 무연 공정의 세계에서 설비 및 방법론의 변화는 고품질의 전자기기 어셈블리 생산을 유지하기 위한 필수 조치이다. 이러한 고온 요구는 리플로우 프로파일 업체들에게 직접적으로 영향을 끼치는 것으로, 이는 해당 어셈블리 프로세스에 꼭 사용되어야만 한다.



리플로우 솔더링의 가장 중요한 변화는 소위 리플로우 프로파일 혹은 열 프로파일이라고 불리는 히팅 프로파일이다. 열 프로파일이 리플로우 솔더링 프로세스의 결과에 거의 영향을 끼치고, 다음으로 최종 제품의 품질에도 영향이 미친다. 대중적인 무연 솔더의 고융점은 전형적인 리플로우 프로파일의 외형에서 직접적인 이동을 유발하고 있다. 이러한 이동은 좀 더 강력한 리플로우 오븐과 새로운 프로세싱 기술들의 등장으로 가능하다. 그림 11에서 보는 바와 같이 시간의 경과에 따른 온도 변화 그래프의 리플로우 프로파일을 자주 접할 것이다. 솔더 페이스트 제조업체인 Indium에서는 리플로우 프로파일을 이해하기 쉽도록 설정했다. 이 회사에서는 ‘예열, 리플로우 전/활성화 구간, 리플로우, 냉각’이라는 4개의 서로 다른 구간으로 분류했다.

예열 구간             
예열은 리플로우 프로세스의 첫 번째 단계이다. 이 리플로우 구간 동안, 전체 보드 어셈블리는 설정된 활성화 혹은 유지온도까지 올라간다. 예열 구간의 주된 목적은 전체 어셈블리를 안전하게 하는 것이고, 담금 혹은 리플로우 전의 온도를 꾸준하게 유지하는 것이다. 또한 예열은 솔더 플럭스에서 휘발성 솔벤트를 밖으로 빼내는 좋은 기회이기도 하다. 페이스트 솔벤트의 경우 적절하게 방출되어야 하고, PCB가 리플로우 전의 온도까지 안전하게 도달하도록 일괄되면서 1차원적인 방식으로 가열되어야만 한다. 리플로우 프로세스의 가장 중요한 측정법은 ‘온도 슬로프 비율’ 혹은 ‘상승 비율 vs 시간’이 있다. 이는 초당 섭씨온도(℃/s)로 자주 측정된다. 제조업체의 많은 변수요인들이 슬로프 비율에 포함된다. 여기에는 설정 프로세싱 시간, 솔더 페이스트 휘발성 및 부품 고려사항들이 포함된다. 이 같은 모든 프로세스 다양성이 중요한 요소들이지만, 대부분의 경우 민감한 부품 고려사항이 가장 중요하다.
“만약 자체 온도가 빠르게 변화되면, 많은 부품들이 깨질 것이다. 가장 민감한 부품들이 견딜 수 있는 열의 최대비율이 허용 가능한 최대의 슬로프가 될 것이다”. 그러나 열에 민감한 부품이 사용되지 않고, 최대의 처리량 개념으로 접근한다면, 극단적인 슬로프 비율은 프로세싱 시간을 높이도록 맞춰질 수도 있다. 이 같은 이유로, 많은 제조업체들이 일반적으로 최대 허용 가능한 3.0℃/s 비율로 슬로프 비율을 적용하고 있다. 결과적으로, 특별하게 강력한 솔벤트가 포함된 솔더 페이스트가 적용된다면, 너무 빠른 어셈블리의 가열은 쉽게 프로세스를 망칠 것이다. 휘발성의 솔벤트가 배출되면서, 그들은 패드 밖 및 보드 위에 솔더가 튀길 수 있다. 예열 구간 동안의 솔더-볼링은 솔벤트 배출이 가장 중요하다. 예열 구간에서 보드에 온도가 가열되면, 이는 전체 담금 혹은 리플로우 전단 구간의 시간을 의미한다. 

리플로우 전단 상태의 담금         
리플로우 전단 담금을 포함하는 것은 여러 형태의 불량을 제거하는 데 도움을 줄 수 있다. 담금 기간은 주로 솔더 페이스트 내에서 플럭스 활성이 발생할 때이다. 비록 담금 상태가 자주 이점을 가지고 있음에도 불구하고, 일부 프로세스 엔지니어들은 담금 상태가 포함하지 않은 것을 선택할 수 있다. 대신에 그들은 급속하게 상승되는 스파이크 형태의 프로파일에 의존한다. 그림 13에서는 RTS(ramp to spike)와 RSS(ramp soak spike)를 실질적으로 비교하고 있다. 그림 13에서 실질적으로 비교함에도 불구하고, 대부분의 프로파일들은 스펙트럼이 두 개에서 보여준 밑으로 떨어질 것이다. 이 스펙트럼은 실제 RTS에서부터 확장된 담금 프로파일까지 나타내고 있다. 실제 RTS 프로파일 내에서 온도 슬로프는 리플로우를 통한 예열로부터 일정한 수준까지 결코 안정화시킬 수 없다. 스파이크 유형의 프로파일용 램프는 특히, 수용성 페이스트와 솔더 합금조성이 어려워서 빈약한 젖음을 유발하는 담금 동안에 플럭스가 순식간에 활성화될 수도 있을 때 매우 유용하다. 스파이크 프로파일용 램프는 또한 더욱 선명한 솔더 접합을 생성할 수 있으며, 저전력 오븐을 사용함으로써 더욱 경제적이다. 확장된 담금 프로파일은 연장된 담금 구간을 지니고 있다. 이 구간은 온도가 매우 서서히 올라가거나 혹은 여전히 잔존 온도가 남아 있다. 어셈블리의 이러한 장시간 연장된 담금은 오븐 내에서 전체 시간의 50% 이상을 지속할 수 있다. 그러나 정체된 온도의 확장시간과 같은 경우는 담금 프로파일의 이점을 실현하는데 크게 필요하지 않다.

담금 프로파일은 복잡한 보드 디자인의 부정적인 영향을 최소화하는 의미로, 매우 대중화되었다. 복잡한 어레이 부품이 장착된 보드를 리플로우 솔더링할 때, 보드에 균일하지 않게 열이 가해지는 경향이 있다. 이는 전체 보드에서 넓고 가변적인 열량을 유도하는 일부 크고 작은 부품을 적용한 결과이다. 그림 12에서는 이러한 어셈블리의 우수한 예를 보여주고 있다. 보드의 윗부분에는 부품의 수가 적지만 아랫부분에는 많은 수의 대형 부품이 실장되어 있다. 어떠한 불량도 보장할 수 없는 리플로우 상승 이전에 전체 보드에 걸쳐 온도를 균일하게 올리는 것이 매우 중요하다. 만약 보드 위의 소형부품이 대형 부품보다 더 뜨거워진다면, 그들은 리플로우 동안 깨질 수도 있다. 동일한 PCB에서 온도가 더 낮으면 커다란 부품들은 냉땜이 될 수도 있다. 담금 기간을 포함하는 것은 리플로우 전에 전체 보드가 균등한 열적 수준에 도달하는 것을 의미한다. 담금 동안 소형 부품의 온도가 천천히 올라가거나 혹은 열이 잔존할 수도 있는 반면 대형 부품의 온도는 빠르게 상승한다. 결국, 전체 어셈블리는 리플로우 이전에 균일한 온도에 도달한다. 이는 프로파일의 리플로우 기간 동안 온도 차이를 최소화하는데 도움을 준다.



그림 14에서는 담금 프로파일의 우수한 예를 보여주고 있다. 서로 다른 색깔 선은 보드의 서로 다른 부분의 써머커플 접착면을 나타내고 있다. 그림 14에서 보는 바와 같이, 보드는 다소 불특정하게 가열되나, 담금 기간은 보드의 모든 다양한 부품들을 해당 온도에 똑같이 도달하도록 했다. 이는 리플로우 상승 동안 전체의 온도차이를 최소화한다. 보드가 담금되거나 혹은 RTS 프로파일의 경우, 설정한 예열-리플로우 온도에 도달한다면 솔더가 리플로우되는 시간임을 의미한다.

리플로우 구간              
리플로우 구간 동안 솔더 합금은 부품과 PCB 간의 전기적/기계적 접촉을 가능케 하는 액체 상태가 된다. 정의된 2개의 리플로우 구간 계측법으로는 ‘피크 온도’와 ‘TAL(time above liquidus)’이 있다. 이들 2개의 측정은 꽤 공정해 더 이상 설명할 필요가 없다. TAL은 솔더 합금의 융점 이상에서 진행되는 대량의 어셈블리 시간이고, 피크 온도는 어셈블리에 특정 지점에서 최대로 온도가 올라간 것을 의미한다. 피크 온도는 주의 깊게 고려되어야만 한다. 높은 피크 온도는 매우 선명한 접합을 자주 보여줄 수 있다. 때때로 미학적으로 매혹적이지만 높은 품질의 접합이라고는 말할 수 없다. 온도 피크는 전체 어셈블리에 있어서 젖을 수 있고, 솔더 접합 형성을 할 만큼만 충분히 높아야 한다. 그러나 너무 높은 피크온도는 열에 민감한 부품들에게 불량의 원인이 될 수 있다. 프로세스 엔지니어들은 높은 액상 온도의 Lead-Free 솔더를 이용한 프로파일 설정 시 특별히 주의해야만 한다. 이러한 솔더들을 해서는, 솔더의 융점과 민감한 부품의 불량 지점 사이의 프로세스 윈도우가 매우 좁아지게 되기 때문이다. 올바른 피크 온도를 설정하는 것이 중요하나, TAL 또한 주의 깊게 고려되어야만 한다.
리플로우 구간 동안 금속간의 형성이 시작된다. 어셈블리는 PCB 위의 모든 위치에서 고품질의 솔더 접합을 형성하기 위해 솔더 융점의 상온에서 충분히 길게 유지되어야만 한다. 30초보다 길어진 것은 이러한 현상이 발생하기에 일반적으로 충분한 시간이다. 그러나 너무 긴 TAL(대개 90초보다 길어진)은 결국, 최종 접합을 약하게 할 수 있는 과도한 금속형성(excessive formation of intermetallic)의 원인이 될 수 있다. 과도한 TAL은 또한 접합의 까맣게 하거나 혹은 다른 유형의 열 피해를 초래할 수도 있다. TAL이 너무 길 경우, 접합 이외에도, 많은 부품들은 크랙 혹은 다른 가열과 관련된 불량을 의심해 볼 수 있다. 그래서 리플로우 구간 동안 올바른 금속간 형성이 중요하다. 하지만, 냉각 구간 또한 접합의 최종 결정질 구조에 있어서도 중요한 역할을 차지한다.

냉각 구간                 
열 프로파일의 냉각 구간이 최종 접합의 결정질 구조를 결정한다. 어셈블리가 빠르게 냉각되면 될수록, 결정질 구조는 더욱 미세해진다. 미세 결정질 구조는 기계적 신뢰성이 우수하다. Qi 등은 SAC 합금 내에서 열 피로와 냉각 속도 간의 관계를 연구했으며, 3.8℃/sec의 중간의 냉각 속도가 1.6℃/sec 및 6.8℃/sec의 냉각 속도보다 더 적절하다고 밝혔다. Yang 등도 냉각 속도와 기계적 피로에 관한 비슷한 연구를 했으며, 더 빠른 냉각 속도가 적당하다고 보고했다. 이러한 발견들은 여러 솔더 페이스트 제조업체들에 의해 더욱 견고히 되어 생산라인에서 권장사항이 되었다. Indium에서는 자사의 모든 SAC 합금에 있어서 설정 속도를 2~6℃/sec 사이인 4℃/sec의 냉각 속도를 권장하고 있다. 냉각 속도는 환경적인 요인 혹은 오븐의 제한적인 특성으로 인해 자주 한정적이 될 수도 있다. 일반적인 권고사항은 4℃/sec에 가깝도록 가능한 빠르게 냉각속도를 가져가야 한다고 되어 있다.

리플로우 오븐            
리플로우 프로파일에 비록 많은 환경적인 부분과 생산 개념이 지대한 영향을 끼치지만, 그 보다는 리플로우 오븐 자체가 핵심이라고 할 수 있다. 일반적으로 리플로우 오븐은 전용 툴에 비해 리플로우 프로파일에 있어서 좀 더 한정된 요인들을 지니고 있다. 리플로우 오븐은 많은 기능적인 유형에서 유래되었다. 적외선, 대류, 증기 구간이 전자산업계에서 이용하고 있는 오븐의 주요 3가지 타입이다. 일부 대류방식의 오븐은 일반 대기 가스 대용으로 적용하고 있는데, 대표적인 것이 질소이다. 본고에서는 그림 16에서 보는 바와 같이 대류 방식의 리플로우 오븐을 이용했음을 밝히는 바이다. 리플로우 오븐의 작동은 비교적 단순하다.
보드에 부품이 완벽하게 실장 된 이후, 그 자체가 리플로우 오븐으로 흘러 들어간다. 대류 방식의 오븐은 오븐의 중앙 아래 부분에서 수평으로 움직이는 금속 체인으로 구성되어 있다. 이들은 보드의 컨베이어로 동작한다. 오븐 내부에는 히팅 존으로써 이용되는 개별 컨트롤이 가능한 다수의 히팅 스테이지를 포함할 것이다. 대류 방식 오븐의 공기가 빠르게 순환되어야 하기에, 대부분 팬 혹은 콤프레스 공기 플로우가 적용된다. 보드가 오븐에 들어가면, 보드는 설정된 존의 온도에서 순환식 공기에 노출된다. 보드가 오븐을 통과하면서 진행되고, 장비 내의 서로 다른 온도의 존에서 보드에 열을 가함으로써 PCB의 온도는 설정했던 대로 올라갈 것이다. 체인 속도 및 존의 온도 설정 모두를 주의 깊게 설정함에 따라, 프로세스 엔지니어들은 각각의 보드에 예상된 열적 프로파일에 열중해야 한다.



그림 15에서는 10존의 리플로우 오븐을 통과한 리플로우 프로파일을 보여주고 있다. 점선 수직선은 분리된 히팅 존을 보여주고 있으며, X축을 따라 적어진 빨간 색깔의 숫자는 존의 온도 설정치이다. 그림 15에서 보는 바와 같이, 실제 보드 온도는 존의 정의된 설정 온도 등급에 따라 움직인다. 프로세스 엔지니어들은 정의된 리플로우 프로파일에 맞게 측정될 수 있도록 특히, 각각의 존 마다 온도를 설정해야 한다. 더 많은 히팅 존을 지닌 오븐으로 인해 더 정교한 리플로우 프로파일과 더 미세한 프로세스 컨트롤 조절이 가능하게 되었다. 그러나 SMT 생산라인 유형의 오븐들은 3개의 히팅 존으로 사용할 수 있다. 대개의 경우, 5개 존 미만의 오븐이 SnPb 솔더의 낮은 프로세스 생산성에 적용되는 것을 볼 수 있다. Lead-Free 솔더에 적합한 것이 최소 7개의 존임은 대부분의 프로세스 엔지니어들에 의해 확인되었다. 좀 더 복잡한 리플로우 작동을 위해서는 15개 존보다 더 많은 오븐이 사용되기도 한다.

SMED       
SMED(Single Minute Exchange of Die)는 시게오 신꼬(Shigeo Shingo)에 의해 주창된 방식으로 주요 셋업 단축기술이다. 신꼬는 1950년~1960년대 일본의 다양한 생산공장에서 효과적인 생산성 향상을 위한 목적으로 적용함으로써 SMED 방식을 발전시켰다. 토요타에서 근무하는 동안 그는 시스템을 보완했으며, 결국에는 완전하게 적용했다. SMED는 전임 토요타의 대표인 다이찌 오노(Taiichi Ohno)가 1976년에 기사로 작성하기 전까지 영업비밀이었다. 자동차 회사에서 추진력을 얻은 만큼 SMED 이데올로기가 되었다. 그 이후 신꼬는 ‘제조 공정의 혁명: SMED 시스템’이라는 주제로 책을 저술하였다. 오늘날 SMED는 린 메뉴펙쳐링(Lean Manufacturing)의 기본 툴 중 하나로 여겨지고 있으며, 전반적인 제조공정에 걸쳐 많은 애플리케이션을 가지고 있다.
SMED의 주요 원리는 단순화, 폭 넓게 적용할 수 있는 툴의 이용을 통해 셋업 시간을 줄이는 것이다. ‘제조공정의 혁신: SMED 시스템’ 책에서 신꼬는 SMED의 대형 로트 생산과 적용된 기술자들의 전통적인 셋업 시간 절감 기술들로부터의 불일치를 강력하게 강조했다. 신꼬는 내적 상황인 IED와 외적 셋업인 OED를 정의했다. 기계가 작동할 수 없는 상태에 있는 동안 내적 셋업에만 실행될 수도 있다. 내적 셋업의 우수한 예는 컷팅 머신에서 블레이드 교체하는 것이다. 외적인 셋업은 기계가 작동하는 동안 실행될 수 있는 모든 셋업 동작이다. 기계로부터 다이의 이송은 외적 셋업에 포함될 수도 있다. IED 셋업 작업은 생산 시간 단위당 역효과를 가지고 있으며, 반면 OED 셋업 작업은 이러한 동일한 구조에서 어떠한 영향도 없다. 결과적으로, OED와 IED의 구별은 SMED의 구조에서 매우 중요하다. 신꼬는 SMED의 증진을 위해 3 사항의 프레임워크를 주장했다.



첫 번째 사항은 내부 셋업과 외부 셋업의 분리이다. 다음으로, 가능한 OED 만큼 많은 IED의 전환이다. 셋째는 셋업 동작의 모든 측면에서 일괄적이 되어야만 한다. 그림 17에서는 SMED의 3개 주요 사항을 통하여 셋업 시간 내에서의 이동을 기대할 수 있다.