비접촉 기반의 여러 신제품 출시
고출력 모델 ‘S-WAVE301H’, 셀렉티브 인라인형 ‘FBA’
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. 4회차인 이번 호에서는 생산품질 제고를 원하는 특화된 물종을 겨냥해 개발된 비접촉 기술 기반 신규 설비들을 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.
S-WAVE 장점, 솔더볼 발생(X) & 빠른 응답성
스핑크스의 비접촉 납땜 기술인 전자유도가열(IH, Induction Heating)은 국소가열 구조이기에 온도상승을 억제해 기기 고장을 예방한다. 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 끓음 현상(돌비, 突沸)이 나타나기 어렵기 때문에 S-WAVE는 원칙적으로 솔더볼이 생기기 어렵다고 볼 수 있다.
유도가열 구조의 S-WAVE는 ‘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. 인두팁과 같은 응답 지연 요소가 없는 S-WAVE이기에 순간 조정이 가능하며, 코일 전류를 변경한 직후에 실장부의 열유속을 변화시킬 수 있다. 1단자마다 솔더 공급 전과 공급 후 그리고 스루홀 상승과 필렛 형성 마무리 단계로 나누어 세밀한 열유속 제어가 가능하다는 것이 S-WAVE의 장점이다.
또한 S-WAVE는 거리에 따른 열용량 조절이 가능하다. 기판 위치별로 열용량을 다르게 할 수 있다. 이를 통해 납땜 품질 개선 및 인접부품 데미지 최소화를 구현할 수 있다. 더불어, 단자 직경 차이와 열용량 차이를 폭넓게 조정할 수 있다. 예를 들어, 전원 기판과 같이 세라믹 커패시터로 대표되는 얇은 리드 부품과 단자대로 대표되는 굵은 리드 부품이 혼합되어 있는 경우, S-WAVE는 1대로 열용량이 크게 다른 단자를 납땜할 수 있어 라인 도입 설비 수 감소에 기여할 수 있다.
S-WAVE는 설정의 유연성이 매우 높다. 고밀도 실장, 저내열 재료, 대(大) 열용량 실장, 복잡한 방향의 실장 등 기존 공법으로는 어려운 조건에서도 해결책을 제시할 수 있다. 예를 들어, 기판 랜드에 전선 접합, 솔더 페이스트를 이용한 평판 간 접합 등에 활용할 수 있다.
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 가능하다.
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.
최근 스핑크스社는 생산현장의 특성에 맞는 설비를 발표하였다. 최신 설비에 관해 설명한다.
NEW 고출력 버전의 ‘S-WAVE301H’
로봇이나 EV 차량/충전기, 각종 센서에서 대전류 인버터나 모터와 같은 보드에는 대(大) 열용량 접합부와 센서 소자 근처의 열에 약한 소(小) 열용량 접합부가 혼재하고 있다. 그래서 국부적인 고정밀도 열에너지 공급이라는 과제가 있다.
필요 열용량이 각기 다른 접합부의 혼재에 대응하기 위해 스핑크스社는 정격전류가 150A인 인버터 ‘S-WAVE301A’와 ‘S-WAVE301’를 제안해 왔었다. 하지만 하나의 설비에서 혼재된 접합부의 납땜을 처리하고자 하는 현장의 목소리가 높았다. 그래서 최근에 210A의 고출력 인버터인 ‘S-WAVE301H’ 모델을 출시하였다. 신규 제품은 열용량이 큰 버스바나 평각 단자, 열용량이 작지만 단시간에 접합하고 싶은 공작물 등에 적합하다.
단자의 발열량은 전류 값의 제곱에 비례한다. 고출력 전원공급장치는 기존보다 1.4배의 전류 값을 갖고 있다. 따라서 발열량은 1.42=2가 된다. 즉, 고출력 전원을 사용함으로써 2배의 가열 능력을 가지게 되고, Tact time은 대략 절반으로 줄일 수 있다.
그 외 S-WAVE301H 모델의 특징은 다음과 같다.
▶ 저 소비 전력, 높은 가열 효율
▶ 대량의 열량을 필요로 하는 인쇄기판을 국소 가열
▶ 파워 반도체의 납땜성 개선
▶ 버스바의 납땜성 개선
▶ 국제 비이온화 방사 보호 위원회(ICNIRP), 전파법 등 각종 규제에 대응
▶ 금속 베이스 기판 등 특징적인 기판에도 대응 가능
대략적인 S-WAVE301H 장치의 구성은 그림 4에서 보여주고 있다. 납땜부를 효율적으로 가열하는 자기 집중 코어 중앙에 헤드 코일을 배치하고, 파고치 210A(max)의 공진 전류를 안정적으로 공급하는 것이 고주파 전원 유닛과 가열 헤드 유닛의 역할이다.
헤드 코일 사이즈 범위를 80mm~130mm로 가정하면 인덕턴스는 80nH~140nH에 해당하며, 0.27uF의 헤드 커패시터와의 공진 주파수를 이용하여 750kHz~1150kHz 범위에서 범위에서 헤드 코일 전류를 일정하게 제어한다.
스핑크스社는 생산 제품에 따른 인버터의 라인업을 구축하였다. 그림 5와 같이 저 내열 부품부터에서부터 금속 기반 기판까지 모두 대응이 가능하다.
셀렉티브 인라인 솔더 머신 S-WAVE ‘FBA’
S-WAVE FBA-시리즈는 셀렉티브 인라인 IH 솔더 장치이다. 효율적인 생산 라인을 실현하는 비 접촉 유도가열 방식의 차세대 납땜 장치이다. 충분한 쓰루홀 충진이 필요한 생산 물종에 적합한 설비이다.
S-WAVE FBA-시리즈의 특징은 다음과 같다.
▶ 250℃의 저온 납땜으로 솔더볼 발생을 방지할 수 있다.
▶ 비 접촉 유도가열 납땜 방식으로 소모품이 발생하지 않는다.
▶ 비 접촉 유도가열 방식으로 안정적인 품질의 납땜이 가능하다. 불량률의 저감에 공헌한다.
▶ 온도 검사기/자동 청소 기능이 탑재되어 일상적인 유지보수를 자동화(옵션)할 수 있다.
▶ 와이어솔더 공급 구조로 솔더 소비를 절감할 수 있다.
▶ 전원은 220V 단상으로 설치가 간단하다.
▶ 소비전력은 300W 미만(납땜 시)으로 에너지 절감에 기여한다.
▶ 예열-본가열-후열을 포인트 단위로 프로그래밍할 수 있어 완벽한 쓰루홀 충진이 가능하다.
▶ 1200(W) × 1650(D) × 1200(H)mm의 설비 크기로, 기존 셀렉티브 솔더링 설비대비 차지 면적이 적다.
▶ 외부 통신을 통해 납땜 프로그램을 쉽게 전환할 수 있다.
▶ 다품종 생산에 유연하게 대응한다.
▶ 80mm의 소형 기판에도 대응한다. 모바일 기기와 같은 소형 제품의 제조에 적합하다.
▶ 400mm까지의 대형 기판에 대응한다. 산업기기나 대형 디스플레이 등의 제조에 활용할 수 있다.
▶ 네트워크를 통하여 공장 관리 시스템과 연계하여 생산 계획에 따라 자동 운전이 가능하다.
▶ 장비 상태를 지속적으로 모니터링하고 최적의 유지보수 타이밍을 제안한다.
▶ 납땜 중인 동영상?촬영 및 데이터 관리가 가능하다.
▶ 작업 시간을 단축하고 불량품을 줄임으로써 제조 비용을 대폭 절감할 수 있다.
▶ 별도의 N2 가스 공급 없이도 가열 프로파일 설정(예열, 본 가열, 후열)에 의해 단자부와 랜드부의 온도차를 최소화하여 플럭스의 잔사와 가스화를 억제하고, 보이드 발생을 억제할 수 있다.
맺음말
S-WAVE의 장점과 설비의 사양을 소개했다. 천차만별의 실장 조건에서 각 납땜 방식의 장점을 살려서 사용하는 것이 중요하다. 이번에는 레이저 방식이나 플로우 방식과의 비교에 대해서는 다루지 못했다. 이들에 대해서도 S-WAVE가 우세한 경우가 많기 때문에, 언젠가 다시 언급하고자 한다.
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.
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* 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 」 |
