웨이브 솔더 노즐 디자인에는 다양성이 존재한다. 각기 서로 다른 장단점을 내포하고 있다. 이들 시스템에서 웨이브 접촉 시간의 차이점은 다양해졌고, 좋은 품질의 솔더 접합을 제공하는 핵심요인이다. 프로세스 엔지니어들은 솔더되는 제품을 고려해야 하고, 최적의 노즐 시스템을 선택해야 한다. 복잡한 그라운드 플랜의 두껍고 복잡한 PCB는 현재 사용 중인 표준 노즐 타입으로 솔더할 때 솔더링이 매우 어렵다.

Lead-Free 솔더 적용이 늘어남에 따라, 효과적인 웨이브 솔더링을 위해 웨이브 솔더링 머신의 새로운 프로세스 파라미터 셋팅 값이 많이 소개되고 있다. 적절한 홀-필을 위한 적합한 솔더 웨이브의 플로우 특성을 결정하는 작업은, 신뢰할만한 프로세스를 이루기 위해 필요하다. 산업계에는 다양한 솔더 웨이브가 존재하는데, Lead-Free 웨이브 솔더링 실행 시 각각 장점과 단점을 가지고 있다. 알맞은 홀-필을 측정하려는 하나의 방법은 칩 웨이브의 접촉 시간 증가를 측정하는 것이다.
본고에서는 최근 작업 공정에 적용 중이며, 혁신적인 방법인 확장된 접촉 시간을 설명할 것이고, 상대적으로 문제되는 보드 디자인에서 향상된 홀-필에 대해 이야기 한다. 또한 홀-필에서의 질소 효과 등 다양한 프로세스 파라미터의 효과를 시험할 것이다. 게다가 실험에서, 솔더 웨이브가 포함하는 많은 다양성을 논의한다: ‘A’ 타입 웨이브, 층류 웨이브, 듀얼 웨이브, 비활성 측판, 터널 및 활성 웨이브를 이야기하려고 한다. 오래된 웨이브 솔더 머신과 Lead-Free 웨이브 솔더링에 최적화된 새로운 머신의 적합한 선택과  성능향상을 증명할 것이다.



여러 산업계에서 Lead-Free 웨이브 솔더링으로의 전환이 지속되고 있다. 최종 가전제품이 ‘친환경’에 다가갈수록, 프로세스 엔지니어들은 Lead-Free 솔더 이용의 필연성에 따라 더욱 까다로운 어셈블리에 대면하고 있다. 실제 제조현장의 SMT 어셈블리 라인에서 생각해 보면, 그림 1과 같은 솔더 조인트를 볼 수 있을 것이다. 부품, 커넥터 등이 라미네이트된 보드들이 일반적으로 제조현장 도처에 존재하고 있다. 실제 제조현장과 관련된 SMT 어셈블리에 입장에서는 매우 놀라운 상황으로, 결국 솔더 조인트에 귀결한다. 대부분의 보드 어셈블리 업체들은 검사기, 칩마운터, 스크린프린터 등에 많은 비용을 지불하지만, 실제 제조현장에서 하나의 아이템으로 실행되고 있는 생산라인 모니터닝에는 아직도 가능한 최소한으로 투자하고 있다.
Lead-Free 웨이브 솔더링 프로세스의 복잡화와 더불어 전체 보드도 복잡해지고 있다. Lead-Free 솔더를 사용하던지 혹은 공융 솔더를 이용하던지, 커다란 다층 서버 보드의 경우, 새로운 웨이브 솔더 프로세스의 요구가 늘어나고 있다. 이들 하이엔드 보드 제조업체들은 대량 생산에 따른 비용절감과 수익률을 향상을 위해 첫째, 높은 직행률과 최소의 Rework 발생을 꾀하고 있다. 하이엔드 보드들이 대류 웨이브 솔더링 테크놀러지로 솔더될 때, 낮은 수율, 느린 생산 속도 및 잠재 불량이 존재해 Rework이 필요하다. 경험 상 프로세스의 주요 문제는 홀-필이다. 두꺼운 서브스트레이트, 복잡한 그라운드 플랜, 커다란 부품은 일정 수준의 솔더 조인트 열량을 빼앗아 간다. 이러한 복잡한 어셈블리를 성공적으로 솔더링 할 수 있도록 긴 접촉 솔더 노즐이 존재한다. 이 노즐은 수율을 높여주고, 솔더링 속도를 빠르게 해주며, 홀-필을 증진시키는 역할을 한다.

솔더 노즐의 다양성              

웨이브 솔더링 머신 제조업체들은 탁월한 솔더링 성능을 제공하도록 솔더 웨이브 내부 혹은 주변에, 다양한 노즐을 많이 채용하고 있으며, 많은 기계류와 작은 부품의 배열 시스템으로 제작하고 있다. 서브스트레이트와 부품이 무결점이라고 가정해 할 때, 우수한 솔더 조인트의 조건은 풍부한 열량, 접촉 시간, 충분한 플럭스, 솔더 가능한 표면 그리고 웨이브로부터 보드가 빠져나올 때의 탁월한 플로우 특성으로 꼽을 수 있다. 웨이브 솔더 프로세스 문제를 트러블슈팅 할 때, 이러한 기본적인 조건을 숙지하는 것이 신속한 문제 해결의 지금길이다. 만약 기본적인 솔더링 조건이 평균에 미치지 않는다면, 아무리 멋들어진 노즐 부품이라고 할지라도 만족할 만한 솔더링 수율을 제공하지 못한다.
가장 단순한 범주로 보면, 웨이브 솔더링은 싱글 웨이브 혹은 듀얼 웨이브 프로세스로 분류된다. 싱글 웨이브 시스템은 일부 부드러운 웨이브 층류(laminar flow) 타입으로 구성되어 있다. 듀얼 웨이브 시스템은 앞서 설명한 천연 난류(turbulent flow)인 부드러운 웨이브에 별도의 웨이브가 추가됐다.
부드러운 웨이브 시스템에는 기본적으로 두 가지 타입이 있다. 첫 번째 타입은 익히 알려진 ‘A’ 웨이브로, 웨이브의 양 사이드에 고속인 양지양성(兩指向性, bi-directional flow) 기류를 가지고 있다. 두 번째 타입은 느린 기류를 지닌 웨이브의 선단(先端)에서 높은 유속으로 특색질 수 있으며, ‘Laminar’ 혹은 ‘Lambda’ 타입 웨이브로 잘 알려진 노즐의 후단(後段)에서 컨베이어 속도에 맞춘다. 듀얼 웨이브 시스템에 사용되는 난류 웨이브는 일반적으로 폭이 좁고, ‘TURBULENT’한다. 이들은 추가적인 접촉 시간을 제공하고, 부품의 그림자 효과를 감소시켜주며, 여분의 드로스를 생성한다. Lead-Free 솔더의 가격이 높아짐에 따라 만약 이러한 시스템이 필요하지 않다면 사용하지 않아도 된다. 그림 2는 웨이브 솔더 제조업체들이 제공하는 기본적인 웨이브 형태를 도식화한 것이다.



최근에는 ‘Dwell Max’로 알려진 넓어진 접촉을 제공하는 듀얼 웨이브 시스템으로 발전되어 제작되고 있다. Dwell Max는 폭 넓은 난류 웨이브가 확장된 접촉의 부드러운 웨이브와 결합된 것이다. 이러한 셋업은 고도의 복잡성, 두꺼운 서브스트레이트, 팔레트 운송 서버 보드 등에서 대중화되고 있다. 그림 3에 이를 나타냈다.



각각의 노즐 타입과 적절한 배치는 각각의 컨베이어 속도에서 솔더 접촉/지속 시간 특징을 가질 것이다. 일반적으로, 듀얼 웨이브의 확장된 접촉 시스템이 지닌 가장 긴 시간과 달리 싱글 웨이브의 A-타입 노즐들은, 가장 짧은 시간을 나타낼 것이다. 표 1에서는 다양한 노즐 배치에 따른 접촉 시간을 비교하고 있다.

웨이브 솔더링 분위기   

다양한 노즐 배치가 가능해짐에 따라, 대기의 air 분위기나 불활성 N2 분위기로 솔더링 환경을 선택할 수 있게 됐다. 모든 종류의 장치와 부속품들이 솔더링을 위해 최상의 불활성 분위기를 제공하지만, 두 가지 시스템 즉, ‘바운더리 레이어’와 ‘터널’이 핵심이다.
터널 시스템은 머신의 웨이브 솔더 지점 주위에서 울타리 역할을 하고, 서브스트레이트를 통해서 가전기기와 솔더 통을 완벽하게 불활성으로 한다. 초창기의 터널 시스템은 예열 섹션을 포함한 전체 프로세스를 불활성으로 만들었다. 이 타입의 시스템으로는 부가적인 N2 소비와 유지보수가 매우 높다는 점을 오랜 경험으로 알게 되었다. 시간이 흘러, 터널은 웨이브 지점에서만 불활성이 되는 구조로 변했다.
바운더리 레이어 시스템은 회로기판의 밑 부분만 불활성화시키고, 불활성 분위기를 제공하기 위해 회로기판 자체를 이용한다. 터널 시스템은 드로스를 훨씬 덜 생성하고, 위 부분의 솔더 필렛을 광택나게 하고, N2 소비, 자본 지출 등의 유지보수 항목이 더욱 높아진다. 바운더리 레이어 시스템은 드로스가 약간 많아지고, 비교적 장비 가격이 경제적이며, 솔더 웨이브가 필요한 지점에서만 불활성화하도록 한다.

노즐 선택 

Lead-Free 애플리케이션을 위한 최상의 유효 조건은 무엇일까? 불행하게도 모든 조건을 만족시킬 수 있는 하나의 시스템은 없다. 각각의 프로세스 오너들은 어셈블리 라인에서 제조되고 있는 가전제품들을 다시 살펴보고, 어떠한 타입의 시스템이 최상의 성능을 내는지를 골라야만 한다. 짧은 접촉 시간을 지닌 ‘A’ 타입 웨이브는, 얇은 Lead-Free 회로기판의 솔더링에는 충분할 것이다. 그러나 특정의 복잡하거나 두꺼운 기판의 솔더링은 쉽지 않을 것이다. 넓어진 접촉 웨이브는 커다란 서버 보드의 Lead-Free 솔더링에 적합하지만, 일반 가전기기와 같은 얇은 기판의 Lead-Free에서는 디-라미네이트(de-laminate) 될 수도 있다. 어떠한 장비로 구성할지를 선택하기 전에 탁월한 보드 디자인과 장비제조업체들의 프로세스 향상을 강력하게 따져봐야 한다. 표 2는 기본적인 보드 복잡성 카테고리와 경험에 따른 웨이브 솔더 노즐 선택을 보여주고 있다.



본고에서는 멀티레이어 3타입 두께 서버 보드를 집중 살펴볼 것이고, Lead-Free 솔더링 시의 홀-필의 어려움을 해소하는 방안을 제시할 것이다.

홀-필 >0.093 인치 보드     

확장된 접촉 듀얼 웨이브 시스템으로 발달하기 이전, 프로세스 엔지니어들은 접촉시간 증가와 더 높아진 수율 향상 목적으로 컨베이어 속도를 느리게 하는데 제한을 받았다. 불행하게도, 이는 생산성을 감소시키고 PCB의 열변형을 증가시킨다. 복합적인 문제로, A-타입과 부드러운 웨이브 노즐 시스템의 느린 속도는 듀얼 웨이브 시스템 내부 두 개의 웨이브 간격만큼 첫 번째 웨이브와 최후 프리히터 간격의 온도 하락을 늘어나도록 한다. 이러한 온도 하락은 잘 조절되어야 한다. 솔더 웨이브의 입력 접촉 길이만큼 더욱 느려진 속도로 운행되는 것은 조인트를 재가열하고, 프로세스에 손해를 입힌다. 게다가 솔더 조인트의 웨이브 간격의 응고가 수평적으로 충진된 솔더 조인트 위에서 잔재하는 플럭스의 변형 증가를 초래한다.
해결책으로는 두 웨이브 사이를 회로기판이 통과할 때 접촉 시간을 좀 더 늘리고, 온도의 하락을 최소화하도록 한다. 이는 크게 늘어난 최초의 난류 폭을 두드러지게 늘림으로써, 그리고 난류와 부드러운 웨이브 사이의 간격을 최소화함으로써도 해결된다. 솔더 웨이브 turbulent 부분의 증가된 폭은 비슷한 부드러운 웨이브 길이를 넘어서 열 운송을 늘린다. 이 웨이브의 turbulence와 활성화가 솔더 조인트에 더 높은 전도성 열 운송을 제공한다. 이러한 발전은 더 많은 수율을 이루는데 유리하고 생산성도 증대시킨다. 그림 4는 A-타입, 부드러운 타입, 확장된 접촉의 듀얼 웨이브 시스템에서 기대되는 솔더 조인트 열 프로파일을 보여주고 있다.

프로세스 테스트  

DOE 테스트는 확장된 접촉 듀얼 웨이브 시스템과 듀얼 부드러운 웨이브 시스템과 비교해 진행했다. 홀-필, 쇼트 및 과납이 홀 부품과 그라인드 핀의 QFP에서 나타났다. 2온스의 내부 레이어, 0.093인치 두께의 보드를 실험체로 사용했다. OSP 코팅으로 처리되었으며, 동일한 SAC305 합금과 동일한 플럭스를 사용했다. 초기 스크리닝 테스트는 모든 테스트에 사용된 플럭스의 로-엔드 침전 비율을 결정하기 위해 실시됐다. 테스트는 air 및 N2 터널의 양 쪽 조건에서 진행되었으며, 부드러운 웨이브 상태에서 3초와 6초의 접촉 시간을 유지하기 위해 컨베이어 속도를 설정해 실시됐다. 사용된 테스트 보드들을 그림 5에 나타냈다.



테스트 결과 및 데이터를 분석한 결과, 확장된 접촉 시스템은 N2 질소 및 air 양쪽에서 부드러운 웨이브 시스템보다 전체적으로 월등하게 나왔다. 그림 6 및 그림 7은 핵심 결과를 보여주고 있다. 그림들을 참조하면 DOE 그룹은 다음과 같다;

1. Air 상태에서의 확장된 접촉 듀얼 웨이브
2. Air 상태에서의 듀얼 부드러운 웨이브
3. N2 상태에서의 듀얼 부드러운 웨이브
4. N2 상태에서의 확장된 접촉 듀얼 웨이브

접촉 시간 vs 구리 손실 

증가한 접촉 시간은 Cu 패드와 PTH의 침전 가능성과 관계가 깊다. 이는 솔더의 용해와 침식 영향 때문인데 특히, 대량의 Sn이 함유된 Lead-Free에서 더욱 그러하다. 추가적인 DOE 테스트는 이러한 영향을 분석하기 위해 진행되었다. 합금 타입, 컨베이어 속도, 웨이브 형태, 보드 벤더 등의 4개 요인이 DOE 테스트를 위해 설정되었다. 보드 벤더는 변수로서 데이터의 치우침을 감소시키기 위해 사용됐다. 특정 데이터 코드를 지닌 하나의 보드만 사용할 경우, 이러한 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 2개의 벤더와 2개의 보드는 결과가 다양한 부분에서 각기 다르게 나왔음을 확인할 수 있다. 반응계수는 홀을 통해 도금된 솔더부터의 Cu 두께다. PTH 섹션에서 이미 볼 수 있었으며, Cu 두께를 측정하고, 순수 에폭시 충진과 솔더 충진된 PTH를 비교할 수 있다. SAC305 합금과 특허 출원된 SnCuNi 합금의 Lead-Free가 사용되었다. 컨베이어 속도는 각각 1.5, 3.0, 4.5ft/min으로 설정되었으며, 두 개의 보드 벤더들이 서브스트레이트를 제공했다. 총 36번 실시했다. 그림 8은 두께 교환 전후를 결정하기 위해 사용된 방법을 나타내고 있다.

보드 내부의 Cu 변화가 50미크론만큼 높게 두드러졌으며 도달했음을 알 수 있었다. 그러나 이러한 변화는 전후 결과를 비교했을 때 요인의 하나로 넣었다. 그림 9는 하나의 테스트 샘플의 전형적인 횡단면 섹션을 보여주고 있다.



4가지 요인이 고려된 웨이브 폼은 Cu 침식에 가장 높은 영향을 보였다. 테스트에 사용된 3가지 웨이브 폼은 싱글 와이드 난류 웨이브, 싱글 부드러운 웨이브 그리고 이들 두 가지가 결합된 듀얼 웨이브이다. 그림 10은 세 가지의 컨베이어 속도 시 두 개의 합금 사이의 Cu 손실을 측정한 결과를 보여주고 있다.
테스트 결과는 다음과 같다:

1. 접속 시간으로 인해 Cu가 제거된다.

2. SnCuNi 합금은 다른 보고서에서 예상했듯이 덜 제거되는 물질이다.
3. 용해보다 침식이 더욱 중요하다고 강력하게 말할 수 없다.
4. 적절한 보드의 사용과 보드 벤더의 다양성은 사용된 합금으로 인해
   향후의 문제인 Cu 손실이 존재할 뿐만 아니라 홀에서 홀까지의 범
   위 때문에 중요하다.
5.특정 합금에서 긴 접촉 솔더 프로세스는 니 디맨션(knee dimension) 영향을 견딜 수 있을 것이다. 그러므로 프로세스 디자인이 고려되어야 한다. 불행하게도 정량 데이터가 마이크로-섹션 분석이 필요한 정상적인 프로세스 결정을 위해 필요하다. 싱글 보 드의 다양성 및 보드들 간, 다양한 다른 점과 다른 보드 벤더들 사이가 적은 싱글 보드의 다양성과 보드들 간은 신속히 완벽하게 제어할 수 없는 다양성이 있다.

터널 내부에 확장된 접촉 듀얼 웨이브을 이용하는 사용자로부터의 피드백은 명백했다. 한 생산 현장에서는 47dpm에서 25dpm로 47% 향상된 불량률로 인해 결함이 감소되었다. 이 가전기기는 커다랗고 두꺼운 서버 타입의 보드가 이용됐다. 홀-필이 향상되었고 솔더 보이드가 없어졌다. 게다가 드로스가 1.4Kg/hr에서 30g/h로 감소되었다. 또한 디-드로스(de-dross) 유지보수 체크 간격도 매 8시간에서 72시간으로 증가했다. 그림 11은 대기 상태에서의 실행(우측), 바운더리 타입 시스템(중앙), 터널 시스템(좌측)으로 생성된 드로스를 비교할 수 있게 보여주고 있다.

결론       

웨이브 솔더 노즐 디자인에는 다양성이 존재한다. 각기 서로 다른 장단점을 내포하고 있다. 이들 시스템에서 웨이브 접촉 시간의 차이점은 다양해졌고, 좋은 품질의 솔더 접합을 제공하는 핵심요인이다. 프로세스 엔지니어들은 솔더되는 제품을 고려해야 하고, 최적의 노즐 시스템을 선택해야 한다. 복잡한 그라운드 플랜의 두껍고 복잡한 PCB는 현재 사용 중인 표준 노즐 타입으로 솔더할 때 솔더링이 매우 어렵다. 확장된 노즐 타입의 적용은 이러한 어려움을 극복할 수 있게 하고, 향상된 수율을 제공하며, 생산비용을 절감시키며, 보다 신뢰할 수 있는 제품을 생산할 수 있게 한다. Cu 용해 및 침식은 확장된 접촉이 발생하는 지점의 특정 솔더 노즐에서 문제가 된다. 이는 이전의 설정된 프로세스를 이해하는 것이 중요하다. 긴 접촉 시간이 필요한 일부 L-F 합금이 둥근 링형으로 완벽하게 녹는다는 점을 많은 로케이션 작업에서 증명해 보였다. Cu 용해가 내부 레이어서 발생할 수도 있으며, 이는 생산 현장 신뢰성의 요인에 포함된다. 따라서 보드 디자이너들은 긴 접촉 시간이 요구되는 두꺼운 PCB를 디자인할 때 이점을 고려해야 한다. 완전하게 내부 터널이 조합된 확장된 접촉 솔더링은 극도의 유연성을 제공하고, 전형적인 SnPb 솔더링 만큼 Lead-Free 애플리케이션에 저렴한 비용을 제공하는 방법이다.