비접촉 납땜, 세밀한 열유속 제어로 납땜 품질 제고
‘단자자기발열 + 솔더자기발열’ ⇒ ‘스루홀’, 1단 열전달 경로
일본 스핑크스테크놀로지社는 세계 최초로 비접촉 전자유도가열(IH, Induction Heating) 자동 납땜 설비인 ‘S-WAVE 시리즈’를 2021년에 발표했다. 스핑크스의 비접촉 납땜 기술은 국소가열로 온도상승을 억제해 기기 고장을 예방하며 전자유도가열로 인두를 사용하는 기존 납땜기와 품질은 동일하게 유지하고 납땜 속도 개선 효과를 제공한다. 유니크한 성능과 효과로 인해 최첨단의 까다로운 업종에서의 채택이 늘어나고 있다. 본지에서는 비접촉 IH 납땜설비에 대해서 4회에 걸쳐 자세하게 설명한다. 2회차인 이번 호에서는 ‘S-WAVE301AFA’의 발열 구조와 특징을 소개한다.
서론
日 스핑크스 테크놀로지스社(www.s-finx.com)는 ‘에너지를 무선으로 전달한다’는 슬로건을 내걸고 친환경 기술을 개발하여 지속적으로 사회에 기여하고자 2016년에 설립되었다.
손실을 최소화한 비접촉식 에너지 전송 장치의 첫 번째 제품으로, 3D 국소 가열 장치를 실장 용도에 적용한 납땜 장치 ‘S-WAVE301 시리즈’를 2020년에 출시하였다.
S-WAVE가 가져다주는 것은 낭비되는 에너지 절감뿐만이 아니다. 열전달 경로를 최소화한 부품 발열을 통해 지금까지 불가능했던 실장 형태 구현과 수율 향상-시간 단축 등 품질-생산성 향상에 새로운 해답을 제시하고 있다.
솔더볼이 발생하지 않는다
스핑크스社의 비접촉 납땜 기술인 전자유도가열(IH, Induction Heating)은 국소가열 구조이기에 온도상승을 억제해 기기 고장을 예방한다. 인두를 사용하는 기존 납땜기와 품질은 동일하는 반면 납땜 속도는 개선되었다. 인두 가열 방식에서는 350℃ 정도의 인두 팁에 상온의 와이어 솔더를 공급하기 때문에 큰 온도차에 의한 플럭스의 갑자기 끓음 현상(돌비, 突沸)에 의해 솔더볼이 생기는 경우가 있다.
S-WAVE에서는 자기 발열한 단자가 250℃ 정도일 때 솔더를 공급하면 되므로, 인두 팁보다 약 100℃ 정도 낮은 고온부에 접촉할 수 있다. 또한 자기 집중 헤드 선단은 단자에 접촉하기 직전에 GAP 부근에 3차원으로 펼쳐진 자속에 의해 약하게 유도가열되므로 접촉하는 순간 와이어 솔더 선단과 단자의 온도 차는 더욱 적어진다. 이러한 온도차 감소 효과로 인해 솔더 내의 플럭스가 갑자기 끓어 오르는 현상이 나타나지 않기 때문에 S-WAVE는 원칙적으로 솔더볼이 생기기 어렵다고 볼 수 있다.
‘S-WAVE301AFA’의 발열 구조와 특징
유도 가열에 의한 단자 가열 구조(자기 발열)는 그림 2에서 나타내고 있다. 그림 2의 (A)는 S-WAVE의 자기집중 헤드 선단부의 개략도이다. 코일에 고주파 교류 전류를 인가하여 코일 주변에 강자기장을 생성한다.
코일 외주를 따라 페라이트 코어(이후 ‘코어’라고 함)를 배치하여 코어 내 자속 밀도를 높이고, 코어의 일부를 절개한 부분(GAP)에 단자를 배치함으로써, 단자 내에는 코어의 자속을 상쇄하는 와전류가 발생하게 된다.
단자 재료가 가진 옴 저항(R)에 와전류(I)가 흐르면서 I²R의 손실이 발생하고, 이것이 줄열이 되어 단자가 발열하는 것이 유도 가열이다. 즉, 단자 내에 전류를 유도하여 ‘자기 발열’시키는데, 이것이 S-WAVE를 사용하는 데 있어서 핵심이 되는 개념이다.
그림 2의 (B)에서는 GAP 내 동판의 와전류 밀도 벡터의 해석 예를 나타내고 있다. 이것이 동판이 아닌 얇은 단자라 하더라도 마찬가지로 고밀도의 와전류가 발생하여 발열이 발생한다.
그림 3은 코어의 하면에 금속판을 배치한 경우이다. 하부면으로의 자속을 활발히 증가시키는 코어 형상이기 때문에 하부면 금속판에도 와전류를 유도할 수 있으며, 비교적 작은 열용량의 단자라면 납땜이 가능하다. 또한 이 구조는 스루홀 기판에서도 랜드와 스루홀을 적극적으로 가열하기 때문에 납땜성을 높이는 데도 기여한다.
GAP 사이 및 GAP 하면에 배치된 금속에 유도된 와전류는 주파수가 높을수록 금속 표면에 편향되는 성질이 있어(표피 효과), 전류 경로 단면적이 작아짐에 따라 실효 저항값이 증가한다. 이 특성을 이용하면 구리 등의 저항률이 작은 금속에 대해서도 충분한 발열 전력을 얻을 수 있어 납땜이 가능하다. 그렇기에 S-WAVE301은 750kHz~1100kHz의 고주파 구동을 하고 있다.
발열부와 열전달 경로 및 코일 전류에 의한 제어
핵심은 빠른 응답성
대표적인 ‘스루홀 기판에 단자 납땜’을 예로 들어 보겠다. 그림 4, 그림 5를 이용하여 납땜 인두 가열과 비교한 열전달 경로의 특징을 설명한다.
인두 가열 방식
일반적인 인두 가열 방식은 ‘발열원 히터’ ⇒ ‘납땜 인두’ ⇒ ‘땜납’ ⇒ ‘단자’ ⇒ ‘스루홀’의 다단 열전달 경로가 존재한다.
경로 및 경로경계의 열 저항(특히 z)과 통과하는 열유속으로 인해 온도가 낮아진다(그림 4의 (B) 참조). 따라서 실장부 전체의 열용량과 방열성의 차이로 인해 열유속원 x가 변화함에 따라 납땜 팁 온도가 변화한다. 팁 온도를 피드백 제어로 관리하더라도 온도가 급격하게 저하된 경우에는 팁의 큰 열용량 y로 인해 온도 복귀에 시간 지연이 발생하기 때문에 팁 가열 방식에는 구조 원리상 어쩔 수 없는 한계가 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
초기에 단자 및 랜드를 250℃ 이상으로 승온(昇溫)하기 위해 납땜 팁과 단자 사이의 접촉 열저항과 기판 및 부품 본체로의 방열을 고려하여 납땜 팁을 350℃ 정도로 설정하는 것이 일반적이다. 단자가 어느 정도 가열된 상태에서 납땜 인두 팁에 와이어 납땜을 공급하면, 녹은 납땜이 단자 및 랜드에 스며들어 퍼져 나간다. 솔더가 추가됨으로써 승온해야 하는 부피(열용량)가 증가하므로 열유속원 x가 증가한다. 또한, 고정 패턴으로 접속된 랜드나 대형 부품에서는 그림 4 (B)의 a와 c의 열유속이 커지므로 열유속원 x는 더욱 커져 납땜 팁 온도는 급격하게 낮아진다. 단시간에는 인두 팁의 큰 열용량 y가 도움을 주지만, 여기에는 한계가 있다. 이것들이 균형이 잡힌 온도를 향해 납땜 인두 온도가 낮아지기 때문에 스루홀 깊숙한 곳까지 납땜이 충분히 스며들지 않게 된다.
납땜 인두를 두껍게 하여 열용량 y를 늘리거나 발열원 히터의 온도를 높이면 어느 정도 대책이 가능하지만, 앞의 경우는 복귀 시간 지연 문제와 더불어 좁은 곳의 납땜에 어려움이 있고, 뒤의 경우는 대기 시 또는 납땜 공급 전 납땜 인두의 온도가 너무 높아져 수명이 짧아진다. 빈번한 납땜 인두 팁 교체 유지보수는 비용과 정지시간 문제뿐만 아니라 환경 부하라는 오늘날의 문제도 악화시키므로 현실적이지 않다.
S-WAVE 방식
S-WAVE 방식은 ‘단자자기발열 + 솔더자기발열’ ⇒ ‘스루홀’이라는 1단 열전달 경로를 가지고 있다. 발열부가 스루홀에 가깝고, 열저항이 작은 단자 내부와 솔더 내부를 열유속이 통과하기 때문에 발열원에 필요한 Joule 양이 인두 내 히터에 비해 월등히 적다(그림 4의 (A) 참조).
솔더 공급과 발열 전력의 관계에 대해서는 그림 5에서 보여주고 있다. 그림 5는 솔더 공급 전후의 각 부분의 발열 전력을 해석적으로 구한 것이다. 사용한 것은 범용 유한요소법 해석 소프트웨어인 FEMTET이며, 본 논문에서 설명하는 해석에는 모두 이 소프트웨어를 사용하였다. 또한 설정한 코일 전류는 S-WAVE의 출력 70%인 105A이며, 이는 정현파의 파고치(波高値)이다. 본 논문에서 사용하는 코일 전류는 모두 파고 값으로 표현한다.
솔더 공급 전에는 단자 본체와 스루홀이 자체 발열하며, 솔더 공급 전에는 특히 GAP 내에 끼워진 단자 온도가 먼저 승온되므로, 그 단자에 와이어 솔더를 공급함으로써 솔더가 단자에 스며든다. 직후에는 공급된 솔더 자체도 발열원이 되어(그림 4 (A), 그림 3 (B)), 랜드에 스며들어 퍼져 나간다. 그 후에는 열저항이 작은 단자 내부와 솔더 내부로 열유속이 흐르기 때문에, 스루홀 깊숙한 곳이 승온된다.
특징적인 것은 그림 5의 (B)에서 보는 바와 같은 솔더 공급 후의 총 발열량이다. 전력이 1.7배 증가한다는 점을 알 수 있다. 즉, 솔더 공급 후의 가열성이 높아지기 때문에, 스루홀 깊숙한 곳의 온도가 상승하기 쉽다. 솔더 인두 가열 방식에서는 솔더가 공급될 때 열용량이 증가하여 가열성이 저하되는 것이 문제가 되지만, 이 문제를 해결하는 반대의 현상이 발생하는 것이다. 그림 5의 (A)와 같이 열용량이 작은 기판에서는 솔더 공급 후의 전력이 너무 커서 오히려 코일 전류를 줄여야 하는 경우도 있다. 반대로 베타 패턴에 연결된 랜드에 의해 그림 4의 (A)에서 a 경로의 열 흐름은 a 경로의 열유속이 큰 경우에는 솔더 공급 후에 코일 전류를 증가시키는 시퀀스를 구성하면 된다. 인두팁과 같은 응답 지연 요소가 없는 S-WAVE이기에 가능한 순간적인 조정이며, 코일 전류를 변경한 직후에 실장부의 열유속을 변화시킬 수 있는 것이다. 이처럼 1단자마다 솔더 공급 전과 공급 후 그리고 스루홀 상승과 필렛 형성 마무리 단계로 나누어 세밀한 열유속 제어가 가능하다는 것이 S-WAVE의 장점이다.
‘S-WAVE301’ 설비 소개
표준 사양
S-WAVE301 설비의 사양은 표 1과 같다.
S-WAVE301는 150×150mm 이내의 PCB 납땜을 상정한 모델이지만, 지그를 이용하면 해당 기판 이외의 납땜도 가능하다. 와이어 솔더 공급 유닛을 표준으로 탑재하여 일반적인 플럭스 솔더로 납땜이 가능하지만, 향후에는 S-WAVE에 적합한 솔더를 개발하여 더욱 높은 완성도 향상을 목표로 하고 있다.
옵션
▶ 냉각 방식 : 헤드 유닛의 냉각에 수냉과 공냉을 선택할 수 있다. 수냉식 냉각이 연속 가열 시간 및 가열 시 비율을 높일 수 있다.
▶ 트윈 코어 : 코어 2쌍을 탑재하여 2곳을 동시에 가열할 수 있다(그림 3 참조). 넓은 면 전체를 가열하고 싶을 때도 트윈 코어가 효과적이다.
▶ 높이 센서 : 기판의 휨이나 기울기에 대해 개별 납땜 부위의 높이 편차를 보정할 수 있는 레이저 방식.
확장성 및 발전성
S-WAVE301은 정격 전류가 150A이지만, 향후 전류를 2~3배로 확대한 인버터 및 헤드 유닛으로 업그레이드 될 예정이다. 열용량이 큰 버스바나 평각 전선 또는 열용량은 작지만, 단시간에 접합하고 싶은 공작물 등의 요구에 대응할 수 있다.
현재 스핑크스社는 4가지 타입의 자기집중 헤드 코어를 제공하고 있지만, 향후 몇 가지 종류를 추가할 예정이다. 좁고 깊은 곳의 가열 등 적용 범위를 넓혀나갈 계획이다. 또한 개별적으로 특수한 형상의 코어가 필요한 경우 맞춤형 대응이 가능하다. 예를 들어 좌우 비대칭 코어에 대한 납품 실적이 있다.
스핑크스社는 인버터와 가열 헤드를 유닛으로도 판매하고 있으므로, 고객의 현장 상황에 따라 자동화 설비에 장착이 가능하다. 자기집중 헤드는 방향에 제약이 없으므로 고객의 자유로운 발상으로 3차원 배치가 가능하다.
맺음말
S-WAVE의 장점과 설비의 사양을 소개했다. 기존 공법에서 수율이나 품질 문제에 직면하고 있거나, 새로운 구조의 실현에 어려움을 겪고 있다면, S-WAVE가 적용될 수 있는지 꼭 검토해 보길 추천한다. (주)진우이엔티는 다양한 형상-구조의 워크에 대해 S-WAVE로 조건출력이 가능한지 여부를 파악하는 서비스를 제공하고 있다. 고객과 함께 과제를 해결하고 데모기 렌탈을 통해 시험해 볼 수 있도록 준비도 하고 있다.
* 아래의 기사를 번역하여 전재(轉載)합니다.
- 『비접촉 납땜 장치 ‘S-WAVE’의 IH 고속 열유속 제어에 의한 다양한 에너지 절약 실장』, 전자 실장 기술지(일본) Vol.37 No.6 (2021년 6월호) pp. 36~44 」 |
