요즘 사용되고 있는 많은 플럭스 메니지먼트 시스템은 응축된 미립자의 수집을 위한 중력 배수를 통해서 일회용 단지에 흘러들어가게 한다. 이 이론은 수집된 플럭스가 집진 디바이스로부터 떨어지고, 간단하게 단지로 흐르게 할 것이다. 그러나 불행하게도 일반적으로 수집된 플럭스는 매우 점착성이 강하고, 대류 성질을 잃어버린 거의 페이스트와 같은 농도가 된다.
리플로우 오븐에서의 플럭스 메니지먼트 시스템은 생산 품질, 비용 그리고 리플로우 프로세스 수율면에 있어서 매우 중요하다. 오븐 내부의 플럭스 집진 및 적하 시스템은 잦은 유지보수가 요구될 뿐만 아니라 낮은 생산품질, 낮은 쓰루풋 그리고 안전문제를 나타내기도 한다. 대량 생산체제의 가전기기 업체들이 유지보수의 정지시간을 원하지 않기 때문에, 개발자들은 첨단 플럭스 메니지먼트 시스템을 지속적으로 발달시켜왔다. 첨단 시스템에는 셀프-클린 기능이 추가되었으며, 유지보수 활동에서 생산라인의 멈춤이 없도록 설계되었다.
본고에서는 플럭스 집진 방법에 영향을 미치는 일부 기본적인 과거 및 현재의 플럭스 화학에 대해 리뷰한다. 아울러 가장 일반적인 플럭스 집진 방법의 일부, 셀프-클리닝 기술 그리고 유지보수 목적도 리뷰한다. 데이터는 첨단 플럭스 메니지먼트 시스템을 적용한 대량 생산체제에서 확보했다.
서론
가전기기 생산 업체들의 유지보수에 따른 생산 저해요소를 감소하고 싶은 강력한 요구는 리플로우 오븐 업체들에게 가장 효과적인 플럭스 메니지먼트 솔루션을 찾도록 지속화시키는 원동력이 됐다. 여러 해에 걸친 플럭스 화학성분의 변화라는 문제도 추가되기 시작했다. 아울러, 더 이상 집진 효율성 하나만으로 리플로우 오븐의 우열을 측정하지 않고, 오히려 효율의 조합, 생산 정지시간, 쉬운 유지보수 그리고 보수비용 등 종합적으로 측정하려는 움직임이 대두되었다.
플럭스 화학성분
솔더 페이스트 내의 플럭스 구성물질의 첨단화는 많은 전자가전기기 업체들에게 환영을 받고 있다. 플럭스는 Lead-Free와 초창기 대체물질로 필요해졌지만, 이 외에도 솔더 페이스트 수명, 프린팅 품질 그리고 포스트-리플로우의 잔사와 같은 또 다른 측면에서도 이점을 얻기 위해 개발되어 왔다. 그러나 향상된 많은 솔더 페이스트는 리플로우 프로세스 도중 대량의 휘발성 물질을 방출한다. 이로 인해 리플로우 오븐 제조업체들은 플럭스 메니지먼트 시스템을 지속적으로 개발해 왔다.
과거 공융 솔더에는 일반적인 로진 기반의 플럭스가 대략 30% 정도 함유되어 사용되었다. 이 높은 비율의 고체 함유는 PCB 위에 대량의 포스트-리플로우 잔사라는 결과물을 남긴다. 물론 이점이 최종 제품에 어필하지 못했지만, 이는 리플로우 오븐 내부에 제한된 대량의 증발이 존재해 있었음을 의미한다.
차세대 무세척 플럭스 구성물질은 5% 미만이 포함된다. 리플로우 동안의 증발 잠재성이 과거의 페이스트들 보다 더욱 높아졌다. 그림 1에서 이를 잘 보여주고 있다. 많은 경우, 이는 거의 감지할 수 없거나 혹은 대수롭지 않은 레벨의 포스트-리플로우 잔사가 나타났다. 그러나 이는 또한 이러한 휘발성이 리플로우 동안 방출되며, 오븐 내에 포함되어야 함을 의미한다.
물론 모든 액상 플럭스 함유물이 리플로우 동안 증발되지는 않는다. 무세척 플럭스에 있어서 실제 burn-off 양은 일반적으로 초기 플럭스 무게의 약 50%이다. 이러한 관점에서 본다면, 리플로우 오븐을 통해 일일 10Kg의 솔더 페이스트가 통과하는 전형적인 대량 생산 환경을 고려해야 한다. 88%의 금속 함유물과 나머지 함유물 12%로 구성된 전형적인 솔더 페이스트는 플럭스, 솔벤트 그리고 활성제의 조합으로 이뤄졌다. 그림 2에서 이를 나타내고 있다. 여기에서 리플로우 오븐 내에서 휘발성 물질의 증발은 일일 600g 정도로 추정할 수 있다.
위치
자주 간과하기 쉬우면서 가장 중요한 사항 중 하나로, 유능한 플럭스 함유의 부품이 추출 포트의 위치이다. 그림 3에서 보는 바와 같이, 일반적으로 휘발물질의 증발은 약 90℃에서 시작되고 리플로우 스테이지를 통해서 유지된다. 시스템은 하나 혹은 두 개의 위치에 초점이 된 시스템은 오븐 내부에서 플럭스 축적이라는 결과를 자주 초래한다.
휘발물질이 추출 포트에 도달하기 위해서는 먼 거리 이동이 필수적이지만, 휘발물질이 의도된 목적 부분에 이르기 전에 대부분이 오븐 내부의 표면에 응축하고, 이 응축 물질이 오븐 내부의 플럭스 집진과 가전제품에 낙하라는 잠재적인 문제를 생성한다.
가장 효과적인 시스템은 연기 방출 지점 근처에서 추출하는 것이다. 이는 오븐 내부에서의 연기 축척 가능성을 감소시키는 역할을 한다. 그림 4에서 볼 수 있듯이, 예열, 소크 그리고 오븐의 리플로우 존의 구석구석에서 연기 추출이 이뤄짐을 의미한다. 게다가 휘발성 물질의 이동 거리 제한을 위해 다양한 지점에서의 연기 축적은 또한 오븐 내부에서 심각한 열 대류 치우침 없이 대량의 열풍 리사이클링을 초래한다.
위치와 관계되어 또 다른 중요한 점은 추출 포트에서부터 플럭스 집진 디바이스와의 거리이다. 증발된 플럭스 오염 물질은 온도를 떨어뜨리는 즉시 응결되기 시작할 것이다. 이러한 현상은 일반적으로 오븐에서부터 집진 디바이스까지의 배관 내부에서 나타난다. 특이한 배관의 길이는 ‘배관 내부에서의 응결 현상’의 발생 원인이 되기 쉽다. 결국, 시스템을 막기 충분한 플럭스가 축적될 것이고, 플럭스 메니지먼트 시스템을 완벽하게 비효율적으로 만들 것이다. 만약 이를 제거하지 않는다면, 각각의 추출 포트에 아주 근접하게 배치된 멀티플 집진 디바이스의 기능은 저하될 것이고, 이 점이 바로 문제가 된다.
플럭스 집진 방법들
가장 넓게 사용되는 플럭스 집진 방법은 라디에이터 타입의 열 교환기를 통해서 냉각한 물을 통과시킴으로써 응결시킨다. 이 방식은 무거운 플럭스 파티클에 꾀 효과적이지만, 많은 가벼운 솔벤트 파티클은 열 교환기를 통해 통과시키고 오븐으로 되돌린다. 게다가 핀형 라디에이터는 매우 응고되기 쉽고, 일반적으로 세척하기 어렵다. 또한, 보통 추가적으로 수냉 칠러의 구입을 요구한다. 이는 전체 생산비용 증가에 큰 역할을 담당한다.
심플하고 저렴한 방법은 공랭식 압축 시스템이다. 냉매는 일반적으로 공기로 컴프레스되고 열 교환기는 보통 냉각 코일이다. 이 시스템 방식은 전통적으로 냉각 수냉 시스템보다 덜 효율적이지만, 반면 응고가 덜 되고 세척이 쉽다.
또 다른 방법은 필터 혹은 필터류가 요구되지 않는 특정 외부 공기 혹은 수냉 설비로 냉각하는 것이다. 이 시스템이 모든 종류의 파티클을 집진하는데 매우 유용하는 반면, 응고 발생이 쉬우며 잦은 유지보수가 일반적으로 요구된다. 이러한 추가적인 유지보수 비용은 보통 낮은 초기 투자비용을 무색케 한다.
마지막 방법으로는, 최첨단 집진 시스템이다. 이 시스템은 앞서 언급했던 방법들의 장점들인 고효율, 낮은 투자비용, 최소의 유지보수 등이 취합되었다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 이 시스템은 집진을 두 개의 스테이지로 구분했다. 1) 냉매로 공기가 컴프레스된 공랭 열교환기를 통한 응축 2) 필터 카트리지가 장착(packed bed filter cartridge)된 여과법. 열 교환기는 무거운 플럭스 파티클을 응결하고, 팩-베드-필터는 가벼운 솔벤트 파티클을 걸려낸다. 이러한 타입으로 ‘구성된’ 방법은 응고 잠재성능을 최소로 디자인한다면 유지보수 간격을 극도로 늘릴 수 있다.
셀프-클리닝 기술
요즘 사용되고 있는 많은 플럭스 메니지먼트 시스템은 응축된 미립자의 수집을 위한 중력 배수를 통해서 일회용 단지에 흘러들어가게 한다. 이 이론은 수집된 플럭스가 집진 디바이스로부터 떨어지고, 간단하게 단지로 흐르게 할 것이다. 그러나 불행하게도 일반적으로 수집된 플럭스는 매우 점착성이 강하고, 대류 성질을 잃어버린 거의 페이스트와 같은 농도가 된다. 그러나 만약 수집된 플럭스에 열이 가해진다면, 플럭스가 흘러야만 하는 지점에서 점착성은 감소할 것이다. 그래서 만약 히터가 집진 지점 혹은 근처에 장착되면, 플럭스가 떨어지고 중력으로 배수될 수 있는 온도까지 올라갈 수 있다. 이 같은 시스템은 클리닝 사이클 컨트롤 소프트웨어에 의해 더욱 진보할 수 있을 것이다. 수시로 사용자는 클리닝 간격을 선택하고, 소프트웨어는 이러한 간격을 미리 결정함으로써 히터 효율을 컨트롤한다. 적절하게 디자인되면, 자가-세척은 생산자가 가시적으로 볼 수 없는 부분에서 생산의 방해 없이 작업이 진행될 수 있다. 게다가 클리닝은 사용자가 원하는 유지보수를 감소시키는 효과를 제공한다.
유지 보수
리플로우 오븐의 경우, 소유 총비용(TCO, total cost of ownership)의 가장 큰 공헌자 중 하나는 플럭스 메니지먼트 시스템의 유지보수 비용이다. 여기에는 유지보수 활동과 관계된 노력뿐만 아니라 오븐의 정지에 따른 생산 손실의 유지보수도 포함되었다. 플럭스 메니지먼트 시스템은 잠재적인 방해요소를 최소화하도록 디자인되었고, 효과적인 셀프-클리닝의 추가는 유지보수 사이의 간격을 매우 늘릴 수 있다. 그래서 노력 비용을 줄일 수 있다. 이는 심지어 플럭스 메니지먼트 시스템의 조건이 온도, 플로우, 압력 등을 통해서 관찰될 수 있으며, 유지보수가 요구되는 사용자의 조건을 주의시켜 더욱 증대시킬 수 있다.
편이한 유지보수는 소유 비용의 또 다른 조건이 감소된다. 플럭스 집진 디바이스의 접근성 및 클리닝을 위한 디바이스의 외적인 부분인 쉬운 접근이 매우 뛰어나다. 또한 정밀 조사를 통한 검사는 냉매의 제거, 클리닝 및 대체를 쉽게 한다. 이러한 조건은 유지보수 활동에 소요되는 시간을 효율적으로 할 뿐만 아니라 유지보수 시 사용자의 안전을 책임진다.
비용적인 측면에서 가장 큰 비중을 차지하는 마지막 조건은 유지보수 시의 오븐 정지로 인한 생산 손실이다. 대량 생산 환경 하에서 최소 한 시간의 장비 정비는 회사에 수천 달러의 손실을 입힌다. 그래서 플럭스 집진 시스템은 다음과 같이 디자인되어야 한다. 오븐 성능 혹은 생산에 영향을 끼치지 않는 유지보수를 위해 오븐과 별개로 제작되어야 하는데, 이는 매우 가치 있는 항목이다.
실험 작업
이 작업의 실험 부분은 두 개의 스테이지로 구성됐다; 1) 리플로우 시뮬레이션, 2) 실제 리플로우 환경.
리플로우 시뮬레이션
실험실의 폐쇄된 환경 하에서 사용되고 있는 각각 앞에서 언급했던 플럭스 집진 방법의 효율성을 결정하기 위해 실험을 진행했다. 실험 설정은 그림 6의 다이어그램에서와 같이 열풍 대류를 지닌 플럭스 집진 유닛과 접촉하는 플럭스 버닝 유칙으로 구성했다. A 스탠더드, 상업적인 제품인 Pb-Free 플럭스를 실험에 사용했다. 미리 결정된 플럭스의 양은 시간과 온도 설정을 이용해 태워졌다. 이는 대표적으로 꼽히는 희귀한 리플로우 프로세스이다. 플럭스를 태움으로써 발생하는 연기가 추출되고 집진 디바이스를 통해서 통과된다. 집진 유닛으로부터 정제되지 않은 연기는 시스템 밖에서 소진시키고, 단지 싱글 패스가 필터된다.
산업계에서 가장 널리 사용되고 있는 집진 방법이 냉각 수공냉 압축 시스템이기에 모든 시스템과 비교해 벤치마킹의 대상이 되고 있다.
시뮬레이션 결과
그림 7에서는 실험을 통해서 나타난 전형적인 플럭스 집진 결과를 보여주고 있다. 이러한 결과들로부터 압축과 여과의 멀티 스테이지화가 가장 효율적인 시스템이라 것을 증명할 수 있었다. 이 첨단 시스템(베드 여과기와 공랭식 압축기가 결합되어 사용하는)은 벤치마킹한 압축 시스템과 비교할 때 플럭스 함유물의 집진이 거의 배가 된다.
실제 리플로우 환경 하에서의 테스트
리플로우 시뮬레이션의 결과를 기반으로 해, 멀티-스테이지 압축/여과 시스템을 생산 테스트용으로 선택했다. 멀티 스테이지 압축 및 여과 시스템이 설치되었고, 대량 생산 제조 환경 하에서의 리플로우에 어셈블리되었다. 시스템은 6주 동안 가동했으며, 그런 후에 플럭스 추출 데이터를 수집하고, 플럭스 추출 시스템의 조건을 일주일 간 관찰했다.
실제 리플로우 테스트 결과 및 의제
플럭스 집진 효율은 실험실 시뮬레이션 테스트에 확보한 결과와 비슷하게 판명 났다. 이번 테스트로부터 깜짝 놀랄 만한 일은 플럭스 추출 시스템의 유지보수가 극적으로 개선되었다는 점이다. 향상된 멀티 스테이지 시스템은 어떠한 유지보수가 발생하기 전에 6주 이상의 기간 동안 작동했다. 그 동안, 이와 동일한 이전의 프로세스(앞서 언급했던 다른 집진 방법이 적용된) 성능은 유지보수 간격이 2일에서부터 최소 2주 범위였다.
게다가 유지보수 사이클 확대의 첨단 멀티 스테이지 시스템은 부품이 쉽게 세척될 수 있도록 설계됐다. 그림 8은 이 테스트 기간 동안 공랭식 열 교관기의 플럭스 집진 진행 상황을 보여주고 있다. 그림 8로부터 최소의 노력에도 불구하고 부품이 마치 새 것처럼 회복되었음을 분명히 알 수 있다. 이 특별한 시스템은 자동 부품 클리너가 사용되어 클리닝 됐다.
유지보수 사이클 간격의 매우 증가된 기간은 장비의 정지 시간을 없앰으로, 생산 도중 중요한 비용 절감효과를 제공한다. 평균 쓰루풋은 시간당 150개의 보드를 고려하면, 보드당 약 10달러를 절감하는데, 약 2시간의 유지보수 정지시간에 해당한다. 그림 9에서 나타나듯이 2주의 유지보수 간격을 지닌 플럭스 시스템을 이용한 생산은 제조업체에게 생산 손실액으로, 연간 약 70,000달러 이상을 추정할 수 있다. 그러나 만약 이러한 간격이 6주로 확대된다면, 연 50,000달러를 초과하는 추가 생산 시간으로부터 자유로울 수 있다.
결론
리플로우 시장에는 서로 다른 플럭스 집진 디바이스가 많이 존재하고 있다. 그리고 각 시스템의 효율성을 측정하는 방법만이 강조하고 있다. 그러나 오늘날 생산 환경에서 원하는 희귀한 측정법으로는 가능한 생산장비의 정지시간의 최소화를 염두 해 설계된 시스템으로 결정된다. 이는 시스템이 플럭스 집진에 효율적이어야 만 할 뿐만 아니라 파티클 포획, 막힘 잠재성 최소화 설계, 셀프-클리닝-세척 기능 적용 그리고 생산장비의 멈춤 없는 유지보수 가능 등이 복합적으로 적용되어야 함을 의미한다. 추가적으로 우수한 장비 접근성과 쉬운 세척으로, 최소의 장비운용 비용의 해결책은 결과적으로 플럭스 메니지먼트 솔루션이라고 할 수 있다.
