홈   >   Special Report 이 기사의 입력시간 : 2015-08-02 (일) 1:00:21
셀렉티브 솔더링 개요
파인피치 부품과 셀렉티브 솔더링의 위치 정도 Ⅰ
2015-08  자료출처 : Vitronics Soltec
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셀렉티브 솔더링은 또 다른 프로세스이다. 웨이브 솔더링과 달리, 더 높아진 온도로 인해 영향을 주는 추가적인 프로세스 파라미터들이 존재한다. 솔더 접합은 SMD 패드 혹은 부품과 근접하게 만들어져야만 한다. 0.5㎜의 오프-셋은 솔더 스킵 혹은 재-용융 SMD 부품이라는 결과를 초래할 수 있다. 또한 더 높아진 온도는 솔더 노즐의 위치 정도에도 영향을 끼치는 보드 휘어짐의 원인이 될 수도 있다. 모든 소재들은 더 높아진 온도에서 팽창되지만, 적용된 모든 소재들의 팽창계수가 동일하지 않다. 이는 스트레스가 될 수 있을 뿐만 아니라 오프-셋을 생성할 수도 있다.


서문

파인피치를 향한 진화는 솔더링 프로세스에도 영향을 미치고 있다. 셀렉티브 솔더링은 THT(through hole) 커넥터에 있어서 신뢰할만한 솔더링 프로세스로, 디자이너에게 폭 넓은 프로세스 기회를 준다. THT 커넥터들은 보드의 상면 및 하면, 보드-인-보드로 납땜될 수 있는데, PCB에 metal shield하거나 외부에 플라스틱/알루미늄 하우징하는 것이 최신 기술이다.

커넥터 납땜을 위해 사용되는 소재들은 고온을 요구한다. 무연 솔더 합금의 등장으로 인해, 보드는 납땜에 충진될 수 있는 원형 구조를 얻기 위해 더 많은 열을 필요로 하게 되었다. 이는 플럭스 및 부품의 특성에 영향을 미치고 있을 뿐만 아니라 납땜 머신들의 동작 온도가 더 높아지기 시작했음을 의미한다. 질소 터널 구조의 웨이브 솔더 머신은 과열을 예방하기 위해서 터널 구조 내에서의 온도 컨트롤을 요구하고 있다. 첨단 시스템들은 내장형 냉각 질소를 가용할 수 있게 되었다. 밀폐형 터널 구조의 웨이브 솔더링 프로세스는 폭 넓은 프로세스 기회를 부여하고, 외부환경의 작은 변화에 둔감한 편이다. 웨이브 프로세스 전반에 걸쳐 질소 블랭킷 시스템(nitrogen blanket systems)이 장착된 웨이브 납땜 머신이 필요하다. 개선된 프리히터들은 어셈블리에 필요한 충분한 열을 제공할 것이고, 배기 시스템(exhaust system)은 필요한 프로세스 조건을 유지하기에 충분할 것이다. 질소는 상승된 납땜 온도에서 솔더링 성능을 향상시킬 것이고, 드로스 양을 최소화할 것이다.
셀렉티브 솔더링은 또 다른 프로세스이다. 웨이브 솔더링과 달리, 더 높아진 온도로 인해 영향을 주는 추가적인 프로세스 파라미터들이 존재한다. 솔더 접합은 SMD 패드 혹은 부품과 근접하게 만들어져야만 한다. 0.5㎜의 오프-셋은 솔더 스킵 혹은 재-용융 SMD 부품이라는 결과를 초래할 수 있다. 또한 더 높아진 온도는 솔더 노즐의 위치 정도에도 영향을 끼치는 보드 휘어짐의 원인이 될 수도 있다. 모든 소재들은 더 높아진 온도에서 팽창되지만, 적용된 모든 소재들의 팽창계수가 동일하지 않다. 이는 스트레스가 될 수 있을 뿐만 아니라 오프-셋을 생성할 수도 있다.


서문

우선, 온도의 영향은 프로세스 단계를 분리하여 논의할 것이며 더불어 설비 툴링에 대해서도 언급할 것이다. 본고의 실험에서는 최신의 셀렉티브 솔더링 머신을 이용하여 얻을 수 있는 정도를 다양화하면서 측정을 진행하였다. 전용 툴링은 특별하게 요구하는 부품 위치 정도를 충족시키기 위해 설계되었다.

플럭스 유닛 :
셀렉티브 솔더링 프로세스는 3단계의 프로세스를 가지고 있다. 플럭싱, 예열 그리고 솔더링이 바로 그것이다. 제 1단계를 실시하는 동안, 어셈블리의 납땜 면의 플럭싱, 보드 및 머신 부문은 대기 상의 온도에서 진행되었다. 고주파 드롭-젯 디바이스는 매우 미세한 방울형태로 솔더를 분사한다. 이 디바이스는 PCB가 액체 솔더를 만나는 지점에 미세한 방울들을 분사하기 위해 X/Y 방향으로 움직이는 로봇 시스템에 장착되었다. 여기서 플럭스의 위치가 매우 중요하다.
보드를 세척하고 젖음성을 높이기 위해 납땜 부위에만 플럭스 처리가 되어야할 뿐 보드 상 어디에서든 플럭스가 존재해서는 안 된다. 비활성 플럭스가 납땜 지점에 근접한 솔더페이스트 플럭스 잔사에 혼합되었는지 아닌지가 중요할 수 있다. 습도 및 바이어스에 노출될 때 어셈블리 상에서 특정한 비활성 플럭스는 생산현장에서 전자이동의 원인이 될 수 있다. 정확하게 적용되지 않은 플럭스는 제품의 신뢰성에 영향을 미칠 수도 있다. 생산 도중 뿐만  아니라 제품의 수명 중에 치명적인 불량으로 나타날 수도 있다.
플럭스의 양과 위치는 생산현장에서의 문제들을 피하기 위해 제어되어야만 한다. 설비 내의 로봇 시스템은 정확한 지점으로 드롭-제트를 이동시켜야만 한다. 이들 위치는 CAD 파일로부터 받을 수 있거나 혹은 비전카메라에 의한 프린트 티칭을 통해 확인할 수 있다.

프리히트 유닛 :
플럭스가 적용된 이후 보드는 프리히트 유닛으로 이송된다. IR 램프 디바이스 혹은 대류가열 히터 중 하나에 의해 프리히트될 수 있다. 보드는 120℃의 온도로 가열된다. 전형적인 FR4 보드는 대기 Tg 온도에서 x축으로 14ppm/℃, y축으로 17ppm/℃의 CTE(열팽창계수)를 가지고 있다.
지속적인 가열은 보드의 너비를 늘린다 :
FR4 기판이 120℃로 가열된다(ΔT = 100℃). 보드의 너비는 250.00㎜이다. 프리히트 이후 보드는 250.35㎜로 약간 커질 것이다. 프린트의 확장뿐만 아니라 휘어짐도 역시 고려되어야만 한다. 열과 부품의 질량 때문에 휘어짐은 Z-위치에서 문제가 될 수도 있다. Z-축에서의 편차는 레이저 센서로 측정된다. 프린트 전반에 걸쳐 일괄적인 접촉 시간/침전 깊이를 유지하도록 하기 위해 오프셋 데이터는 노즐 방향으로 로봇 위치를 수정하기 위해 사용된다. 보정되지 않는다면, 보드의 휘어짐은 오픈 불량(어떠한 접촉이 없거나 혹은 너무 짧게 솔더가 접촉될 때) 혹은 브릿징(첩촉 시간이 너무 길 때)의 원인이 될 수도 있다. 보드 휘어짐 보정을 대체할 수 있는 것은 보드 평탄도를 유지하는 그리퍼 대신에 진공 혹은 기계식 홀더의 전용 툴들 적용이다.

로봇 그리퍼 :
프리히터 이후 보드는 로봇 시스템에 의해 픽업된다. 로봇 시스템은 보드가 솔더를 향해 자리 잡아야만 하는 솔더링 스테이션으로 프린트를 이동시킬 것이다. 첫째, 그리퍼 내에서 보드의 위치가 정의되어야만 한다. 프린트의 위치를 정의하는 서로 다른 방법이 있다.
▶ 피디셜 카메라 - 카메라는 프린트 상의 피디셜 마크를 인식할  수 있고 언급된 포인트로 피디셜의 오프셋을 계산할 수 있다.
▶ 기계적 고정 - 대부분의 PCB는 보드를 프로세스하는 고정  장치 및 설비 내에 프린트를 자리 잡게 하기 위한 홀을 가지고  있다. 그리퍼 내의 핀들은 정해진 자리에서 보드를 고정할  것이다.
로봇 시스템, 한번이라도 프린트가 고정되었거나 혹은 피디셜 카메라에 의해 정의된 곳을 설비의 소프트웨어가 인지하고 있어서 프린트의 위치는 소프트웨어적으로 정의될 수 있다.

침지 솔더링(Dip Soldering) 스테이션 :
로봇 시스템이 솔더 유닛으로 프린트를 이동시킬 것이다. 2가지 솔더링 옵션이 있다: 소형 노즐 전체를 드래깅하거나 혹은 노플 플레이트 상에서 침지(Dip)한다. 첫 번째로, 침지를 논의할 것이다.
대량 생산 어셈블리의 경우, 각 프린트 전용으로 디자인된 노즐 플레이트 상의 침지 솔더링은 짧은 사이클 타임을 실현하는데 가장 효과적인 방법이다. 하나의 싱글 침지로 모든 솔더 접합들이 생성된다. 280~320℃의 액상 솔더로 설정된 노즐 플레이트 상에 예열된 PCB를 침지시키기 위한 문제가 남아 있다. 노즐 플레이트는 어셈블리의 거버/CAD 데이터로 만들었다. 스레인리스-스틸의 온도차이와 팽창을 보정하였다. CAD 데이터는 상온 상에서 규정된 치수를 가지고 있으나, 셀렉티브 침지 프로세스 로봇(알루미늄) 시스템은 50℃의 온도, 프린트(FR4 소재) 120℃ 및 노즐 플레이트(스테인리스 스틸) 320℃을 가질 수도 있다. 서로 다른 온도의 CTE 및 재질들은 거친 프로세스를 초래할 수 있다. SMD 주변, 금속화된 패드 혹은 다른 부품들에서부터 거의 1㎜ 위치에서 납땜이 이뤄지는 접합에서 이러한 현상이 나타날 수 있다.

PCB와 핫 노즐 플레이트를 일치시키기 위해 다음의 식이 사용될 수 있다 :

LNozzle (Ta) / LPCB (Ta) 항목은 솔더링 조건을 양쪽에 적합하게 하도록 상온에서 PCB 크기와 관련된 상온에서 노즐 플레이트 크기를 곱셈으로 표현하고 있다.

보드 납땜에 필요한 모든 프로그래밍은 오프라인의 독자적인 컴퓨터로 만들 수 있다. 그러나 설비 포인트의 티칭은 자체 동작 온도에 도달하는 머신 내에서만 처리될 수 있다. 설비 포인트가 있어야 하는 곳에서 로봇 시스템은 학습되어야만 한다. 머신 포인트들은 카메라 티치, 솔더 팟, 픽업 그리고 플럭서(fluxer) 포지션과 같은 프로세스의 일부분으로 취급한다. 미세한 보정을 위해, 온도 차이 그리고 서로 다른 파트 피디셜의 팽창 차이가 머신 내에 설정되었다. 그리퍼 상에 장착된 피디셜 카메라로 필요에 따라 수정할 수 있다. 그리퍼 상의 카메라는 솔더 팟의 오프셋을 측정하고, 소프트웨어 프로그램은 프린트를 수정 위치로 인도할 것이다. 침지 솔더링은 시간 손실을 최소화하기 위해 카메라가 빠르게 반응하기 때문에 사이클 타임이 중요한 업종의 대량 생산 라인에서 일반적으로 사용되고 있는 애플리케이션이다.



대부분의 어셈블리 현장에서 사용되고 있는 또 다른 방법은 그리퍼 상에 포지션 핀을 가지고 있는 것이다. 포지션 핀은 노즐 플레이트의 포지션 홀 내부로 집어넣는다. 이로 인해 노즐 플레이트 쪽으로 향하는 프린트의 위치가 기계적으로 고정된다. 또한 이 포인트는 동작 온도에서 설비 내에서 이뤄져야 한다. 그렇지 않으면, 팽창차이 때문에 로봇 시스템은 1㎜ 혹은 그 이상의 오프-셋을 가질 수 있다.
노즐 플레이트 상에서는 정의된 높이로 이동하는 스페이서(spacer)가 있다. 이러한 방식으로 프린트의 Z-위치를 항상 보정하고, 보드는 평평한 위치를 유지한다.

드래그(Drag) 솔더링 스테이션
가장 유연한 솔더링 방법은 웨이브 전반 어셈블리에 소형 노즐과 드래그를 보유하고 있는 것이다. 이 싱글 포인트 솔더링은 견고한 방법이지만 시간을 많이 소모하고 긴 사이클 타임을 가지고 있다. 드래그 솔더링을 위한 4가지 방법이 있다. 첫 번째 선택은 노즐 재질이다. 젖음성 혹은 비-젖음성이 될 수 있다. 두 번째, 수평 혹은 그 이하의 각도에서 납땜할 수 있다.
비-젖음성 노즐의 경우, 솔더 플로우 방향이 정해지고, 보드 혹은 노즐은 웨이브 전반에서 오른쪽 방향으로 프린트를 드래그하기 위해 U형의 회전 옵션을 보유하고 있어야만 한다. 젖음성 노즐의 경우, 솔더는 전방향에서 프린트 드래그가 가능하도록 전방향으로 넘쳐흐른다.
노즐은 다른 외형을 가지고 있으며, 심지어 높이도 서로 다르다. 그래서 설비는 각 노즐에 맞은 전용 머신 포인트를 가지고 있어야만 한다. 노즐 교체 이후, 이 머신 포인트는 X, Y-위치 혹은 심지어 높이(Z-위치)까지도 바뀔 수도 있다. 설비의 유지보수 혹은 부품 제거 후, 설비 포인트들은 작은 오프셋을 피하기 위해 확인되어야만 하는 게 일반적인 규칙이다. 노즐은 제작되어 왔으며, 로봇 그리퍼 내의 프린티의 위치는 기계적으로 고정하거나 혹은 피디셜에 의해 정의된다. 그래서 주변 SMD 부품의 터치 없이 소형 노즐에 보드를 적당하게 드래그하기 위해 모든 요구 정보가 시스템 내에 존재한다. 보드 휨은 보드가 솔더 내에 너무 깊게 담구는 현상을 피하기 위해 로봇 Z-위치로 보정되어야만 한다.

 

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