딥핑 솔더링 공정에서의 과제는 브리징 없이 홀을 충분히 충진하는 것이고, 솔더 볼 수를 최소화하는 것이다. 새로운 커버는 질소 환경을 개선하도록 설계되었다. 낮아진 산소 농도 레벨은 습윤에 이점이 있지만 솔더 볼링의 생성 위험도가 높다. 이번 프로젝트의 목표는 짧은 사이클 시간에 강력한 딥핑 솔더링 프로세스를 구축하는 것이다. 이는 홀 충진 불량, 브리징 및 솔더 볼링과 같은 잠재적인 결함을 방지하기 위한 개선이 이루어진 경우에만 달성할 수 있다. 질소 블랭킷 시스템은 솔더링 영역에서 불활성 분위기를 생성하여 산화물을 줄이고 젖음성을 개선하도록 설계되었다. 어셈블리 공정 중 솔더의 액상화 상태에서 기울어질 때 브리징을 없애는 2가지의 새로운 개념을 소개한다. 

 

 

PCB 어셈블리 산업계에서는 더 미세한 피치 연결이 가능한 SMD형 부품 적용이 많아지고 있다. 하지만 주요 어셈블리에는 여전히 소량의 쓰루홀(THT) 부품이 존재해 있다. 일부는 높은 리플로우 온도를 견딜 수 없어서이고, 나머지는 기계적인 견고성 확립 및 유지 이유로 바뀌지 않고 있다. 자동차 업종에서 이러한 THT 부품을 많이 고수하고 있다. 핸들조향 장치, 라디오 및 네비게이션, 공기 압축기를 포함한 많은 자동차용 제품에 THT 기술을 사용하여 기판-투-기판을 구축하기도 하고, PCB를 플라스틱 또는 알루미늄으로 만든 금속 실드 또는 하우징을 연결한다. 핸들링, 효율적인 열 가열과 무거운(최대 10kg) 부품의 안정적인 이송이 필요함에 따라 단순한 2D 솔더링 영역을 벗어난 기술이 요구된다. 서로 다른 레벨에서 연결되어야 하는 곳에서의 솔더링은 더욱 3D 기술화되기 시작했다. 이러한 기술 중, 와이어 솔더를 사용하는 로봇은 와이어의 플럭스 스패터링과 긴 사이클 시간으로 인해 원하는 퍼포먼스를 얻기 힘들다. 팔레트를 사용한 웨이브 솔더링에서 웨이브 높이는 제한적이고, 핀-인-페이스트 리플로우는 공간 제약을 받는 2D 애플리케이션이다. 

솔더링 부문에서 노즐이 있는 전용 플레이트를 사용하는 셀렉티브 솔더링이 이러한 접합을 만드는데 선호되는 방법이다. 모든 조인트를 한 번의 딥핑으로 솔더링할 수 있어서 생산 사이클이 짧다. 게다가, 소형 셀렉티브 노즐을 통한 솔더링 방식은 설비를 훨씬 더 유연하게 제작할 수 있게 한다. 솔더가 기판에 닿기 전에 어셈블리에 충분한 열이 가해졌을 때에만 성공적인 솔더링을 이룰 수 있다. 강제 대류 예열 시스템은 많은 애플리케이션에서 금속 및 보드 재질에 충분한 열을 가하는 데 필수적인 장치이다. 

딥핑 솔더링 공정에서의 과제는 브리징 없이 홀을 충분히 충진하는 것이고, 솔더 볼 수를 최소화하는 것이다. 새로운 커버는 질소 환경을 개선하도록 설계되었다. 낮아진 산소 농도 레벨은 습윤에 이점이 있지만 솔더 볼링의 생성 위험도가 높다. 예전 연구보고서에서는 솔더 레지스트 및 플럭스에 적절한 재료를 선택하여 솔더 볼링을 최소화할 수 있음을 확인하였다. 

 

 

이번 프로젝트의 목표는 짧은 사이클 시간에 강력한 딥핑 솔더링 프로세스를 구축하는 것이다. 이는 홀 충진 불량, 브리징 및 솔더 볼링과 같은 잠재적인 결함을 방지하기 위한 개선이 이루어진 경우에만 달성할 수 있다. 질소 블랭킷 시스템은 솔더링 영역에서 불활성 분위기를 생성하여 산화물을 줄이고 젖음성을 개선하도록 설계되었다. 어셈블리 공정 중 솔더의 액상화 상태에서 기울어질 때 브리징을 없애는 2가지의 새로운 개념을 소개한다. 

 

 

멀티-웨이브 솔더링의 프로세스 윈도우를 확대하기 위해 주요 2가지의 설계 부문을 개선하였다. 첫 번째 항목은 노즐이 있는 영역의 질소 커버이다. 이 커버 아래에서 질소가 공정 중에 남아 있게 된다. 솔더링 스팟에서 커버에 구멍이 존재해 있다. 이 디자인은 불활성 분위기를 조성한다. 불활성 솔더링 분위기의 이점은 다음과 같다: 

▶ 산화물 없는 액상 솔더

▶ 순한(보다 안정적인) 플럭스 사용 가능

▶ 소량 플럭스로 작업 가능

▶ 드로스 생성 제한

▶ 젖음성 향상

▶ 솔더 조인트의 광택

 

두 번째 개선 사항은 노즐 디자인이다. 비습윤성 금속(non-wettable metals) 재질인 스테인리스 스틸로 제작했다. 금속은 솔더를 밀어내고 커넥터의 두 개 이상의 핀 사이에서 단락을 발생시킬 위험이 큰 재질이다. 핀에서 솔더를 옮기기 위해 습윤성 물질로 만들어진 스트립을 노즐에 놓았다.

노즐에 장착된 습윤성 스트립의 대체 방법은 노즐 상단에 스테인리스-강 레이저 절단 스크린을 설치하는 것이었다. 스크린에는 커넥터의 핀이 위치에 있는 곳에 구멍이 있다. 스크린은 핀 사이에서, 그리고 보드의 솔더 면 위에 있는 솔더와 솔더 레지스트 사이에서 장벽이 될 것이다. 솔더가 PCB의 솔더 레지스트에 달라붙는 것을 막아서 핀 사이에 솔더 볼이 형성되는 것을 방지한다. 솔더가 들러붙지 않는 재료이기에 커넥터의 핀 사이에 브리징 현상이 없을 것으로 기대했다. 

 

 

 

본 실험은 수정된 노즐을 이요하여 솔더 공정을 최적화하기 위해 진행하였다. 딥핑 솔더링 공정에서는 브리징 불량에 민감하다. 커넥터의 수직적인 딥핑 작업은 리드가 긴 미세 피치 커넥터를 솔더링할 때 훨씬 더 주의해야 한다. 

실험에서 습윤성 스트립과 스크린이라는 2가지 개념을 서로 비교하였다. 실험 및 딥핑 프로세스의 목적은 브리징 또는 오픈이 존재하지 않는 것이고, 또한 솔더 볼링을 없애는 것이다. 

질소는 중요한 파라미터로, 이번 실험에서 선택하였다. 산소 농도가 적으면 플럭스를 활성화하기 쉬울 뿐만 아니라 솔더의 산화를 예방한다. 질소 커버는 솔더링 영역의 불활성 조건을 개선한다. 이 실험의 일환으로 35 및 70l/min의 질소 커버 대 질소가 없는(無) 경우를 조사하였다. 

 

 

실험에서 사용된 플럭스는 수분 함량이 20%인 낮은 VOC 플럭스이었다. 이 제품은 많은 셀렉티브 솔더링 애플리케이션에서 사용되는 매우 안정적인 플럭스이지만 질소 사용에 이점을 줄 만큼 강하거나 활동적이지 않다. 예열은 플럭스가 활성화되는 공정 부문에서 수행하였다. 두 가지 방식의 예열이 셀렉티브 솔더링에서 널리 사용되고 있다. IR 램프는 일반적으로 보드를 가열하는 데 사용된다. 강제 대류는 셀렉티브 프로세스에서 더 복잡한 방법이지만 대량 어셈블리에 더 많은 열을 흡수하고, 열 질량이 큰 부품과 작은 부품 간의 온도 차이가 더 작아지는 결과를 초래한다. 두 방법 모두 실험의 일부이며 보드 라미네이트 상단에서 120℃로 가열하였다. 선정한 플럭스 양은 공급업체의 권장 수치에 따랐고, 다른 설정에서는 15% 줄어든 플럭스를 사용했다. 

 

테스트는 대량 생산 라인에서 현재 해당 어셈블리가 진행되고 있는 전장 업종의 멀티미디어 보드에서 수행하였다. 솔더링 성능이 좋았다. 약간의 솔더 볼만 관찰되었다.

데이터에서는 질소가 큰 영향을 미치고 더 낮은 산소 농도가 더 적은 솔더 볼을 생성한다는 것을 보여주고 있다. 이는 이전의 웨이브 솔더링 공정에서 발견된 사항과 대조적이다. 솔더의 유동 특성과 플럭스 활동을 개선할 여지가 높음을 의미한다. 

 

 

 

대류 열풍 구조가 솔더링에 이점을 제공하고 솔더 볼도 적게 나타나게 한다. 테스트 보드가 대류 장치로 예열되고 70l/min의 질소가 공급되는 질소 커버로 솔더링될 때 솔더 볼 최소화를 실현하였다. 

데이터에서는 습윤 스트립이 가장 적은 솔더 볼을 생성함을 나타냈다. 하지만 스크린과 질소 간의 상호작용은 중요한 요인이다. 상호작용 플롯에서는 스크린의 퍼포먼스를 명확하게 보여주고 있다. 스크린에는 특정한 불활성 분위기가 필요하다. 이는 질소 커버와 70l/min으로 충족시킨다. 그 조건에서 스크린은 최소한의 결함으로 매우 안정적인 프로세스를 나타냈다. 이 결과는 실제 고객의 데이터에서 확인하였다. 

 

 

 

 

질소 커버는 멀티-웨이브 딥핑 솔더링 공정의 경우에 프로세스 윈도우를 확실하게 확장했다. 모든 솔더링 기판은 Class 3의 IPC-J-STD-610 기준을 충족하는 100% 쓰루홀 충진을 보여주었다. 

 

 

실험 환경에서 좋은 평가를 받는 것도 좋지만 실제 중/대형 생산라인에서도 구축된 질소 조건을 안정적으로 유지하는 것이 성공의 지름길이다. 

생산 환경에는 두 가지 상태가 존재한다. 1. 설비가 제품을 기다리는 대기 중이거나 2, 설비가 어셈블리 공정에서 솔더링 하고 있거나이다. 대기 중에서 산소 농도는 50PPM 미만으로 일정하며 질소의 양과 공급된 질소의 순도에 따라 달라진다. 새로운 커버는 표준 디자인 제품과 달리 동일한 농도만을 형성하고 남아 있는 산소를 순환시키는 데 일조한다. 

생산 중 사이클 시간은 산소 농도에 영향을 미친다. 이 어셈블리의 경우, 프로세스는 60초 주기에서는 매우 안정적인 모습을 보였다. 이 과정에서 두 기판의 솔더링 사이에 시스템이 안정화될 수 있는 충분한 시간이 있었다. 그림 8에서는 솔더링 중 산소 농도 증가를 나타내고 있지만, 솔더링 단계에서 산도 PPM은 100 이하였다. 보드가 솔더링 된 후 시스템은 다음 보드가 도착하기 전에 낮은 농도의 산소 수준을 회복할 수 있었다.

 

 

 

대량 생산(30초마다 기판 솔더링)의 경우, 70l/min 조건에서 관찰된 산소 드리프트가 있었다. 질소의 양은 시스템의 개폐가 매우 빈번한 조건에서 산소 농도 수준을 100PPM 미만으로 유지할 만큼 충분하지 않았다. 질소를 100l/min으로 늘리면 그림 9와 같이 일관된 산소 농도 수준을 갖기에 충분했다.

 

새로운 질소 커버 디자인은 멀티-웨이브 딥핑 프로세스에서 주요 개선 사항이 될 수 있다. 잔존 산소 농도 수준이 훨씬 낮았고(<100PPM O2) 고온 프로세스 사이클 조차도 일정했다. 정적 모드(장시간 유리판이 닫힘)에서 PPM 수준은 이전 설계(10PPM 이하)에서와 유사한 낮은 수치로 줄어들었다. 노즐 가장자리까지 솔더가 흐르도록 하는 것이 좋다. 웨이브가 대기 상태(~ 100RPM)이면 산소 농도 수준이 높아져 노즐에 솔더링 산화물이 생기고 스트립이 젖지 않았다. 성공적인 웨이브 공정을 위한 중요한 파라미터는 ▶ 질소 플로우 ▶ Wave on ▶ 노즐 플레이트/커버 디자인 ▶ 사이클 시간(유리판 개방 간격)을 꼽을 수 있다.