웨이브 대 리플로우 솔더링:PCB 어셈블리에 대한 종합적인 비교

현대 전자 제품은 경량화, 효율성 향상, 고속화를 수용하므로 인쇄 회로 기판(PCB) 조립을 포함하여 제조 공정의 각 링크도 이러한 철학을 따릅니다. 전기적 연결은 정밀한 납땜에서 비롯되기 때문에 납땜은 전자 제품의 성공을 결정하는 데 필수적인 역할을 했습니다. 수동 납땜에 비해 자동 납땜은 높은 정확도와 속도라는 장점, 대량 생산 및 높은 비용 효율성에 대한 요구로 인해 널리 선택되었습니다. 조립을 위한 선도적인 납땜 기술로서 웨이브 납땜 및 리플로우 납땜은 고품질 조립에 가장 널리 적용되었습니다. 그러나 두 기술의 차이점은 많은 사람들을 계속 혼란스럽게 하고 있으며 각각을 언제 사용해야 하는지도 모호합니다.

그림 1. 납땜, 용접, 브레이징의 차이점

웨이브 솔더링과 리플로우 솔더링을 정식으로 비교하기 전에 솔더링, 용접, 브레이징 간의 차이점을 이해하는 것이 중요합니다(그림 1). 용접이란 간단히 말하면 두 개의 유사한 금속을 녹여 서로 결합시키는 과정을 말합니다. 브레이징(Brazing)이란 두 개의 금속 조각을 필러(filler), 즉 합금을 고온에서 가열해 녹여 접합시키는 공정을 말한다. 솔더링은 실제로 저온 브레이징이며, 그 충전재를 솔더라고 합니다.

PCB 어셈블리의 경우 솔더 페이스트를 통해 솔더링이 적용됩니다. 납, 수은 등 유해 물질이 포함된 솔더 페이스트로 납땜하는 것을 납 납땜이라고 하고, 유해 물질이 포함되지 않은 솔더 페이스트로 납땜하는 것을 무연 납땜이라고 합니다. 납 또는 무연 납땜은 조립된 PCB가 작동하도록 설계되는 제품의 특정 요구 사항에 따라 선택되어야 합니다.

웨이브 솔더링

이름에서 알 수 있듯이 웨이브 솔더링은 모터 교반의 결과로 형성된 액체 "파동"을 통해 PCB와 부품을 결합하는 데 사용됩니다. 액체는 실제로 용해된 주석입니다. 이는 웨이브 솔더링 기계에서 수행됩니다(그림 2).

웨이브 솔더링 공정은 플럭스 분사, 예열, 웨이브 솔더링, 냉각의 4단계로 구성됩니다.

1. 플럭스 스프레이. 금속 표면의 청결성은 납땜 플럭스의 기능에 따라 납땜 성능을 보장하는 기본 요소입니다. 솔더 플럭스는 솔더링을 원활하게 구현하는 데 중요한 역할을 합니다. 솔더 플럭스의 주요 기능에는 보드 및 부품 핀의 금속 표면에서 산화물을 제거하는 것이 포함됩니다. 열 공정 중 회로 기판을 2차 산화로부터 보호합니다. 솔더 페이스트의 표면 장력 감소; 그리고 열을 전달합니다.

2. 예열. 컨베이어 벨트와 유사한 체인을 따라 있는 팔레트에서 회로 기판은 열 터널을 통해 이동하여 예열을 수행하고 플럭스를 활성화합니다.

3. 웨이브 납땜. 온도가 지속적으로 상승함에 따라 솔더 페이스트는 위쪽으로 이동하는 가장자리 보드에서 형성된 파동으로 액체가 됩니다. 구성 요소는 보드에 단단히 접착될 수 있습니다.

4. 냉각. 웨이브 솔더링 프로파일은 온도 곡선을 따릅니다. 웨이브 솔더링 단계에서 온도가 최고점에 도달하면 온도가 낮아지는데 이를 냉각 영역이라고 합니다. 실온으로 식힌 후 보드가 성공적으로 조립됩니다.

그림 2. 샘플 웨이브 솔더링 기계.

회로 기판은 웨이브 납땜을 통과할 준비가 된 팔레트에 배치되므로 시간과 온도는 납땜 성능과 밀접한 관련이 있습니다. 시간과 온도에 관한 한 전문적인 웨이브 솔더링 기계가 필요한 반면, PCB 조립자의 전문 지식과 경험은 최신 기술의 적용과 비즈니스 초점에 달려 있기 때문에 얻기가 쉽지 않습니다.

온도를 너무 낮게 설정하면 플럭스가 제대로 녹지 않아 금속 표면의 산화물이나 먼지와 반응하고 용해하는 능력이 저하됩니다. 또한 온도가 충분히 높지 않으면 플럭스와 금속에 의해 합금이 생성되지 않습니다. 밴드 캐리어 속도, 파동 접촉 시간 등과 같은 다른 요소도 고려해야 합니다.

일반적으로 동일한 웨이브 솔더링 장비를 사용하더라도 작동 방법과 기계 작동 방법에 대한 지식의 정도에 따라 조립업체마다 제조 효율성이 다릅니다.

리플로우 솔더링

리플로우 솔더링은 뜨거운 공기나 기타 열복사 전도를 통해 녹는 솔더 페이스트를 사용하여 처음에 회로 기판의 패드에 일시적으로 붙어 있는 구성 요소를 영구적으로 접착합니다. 리플로우 솔더링은 리플로우 솔더링 오븐이라는 기계에서 구현됩니다(그림 3). 정의에서 알 수 있듯이 전기 부품은 솔더 페이스트를 사용하여 납땜하기 전에 접촉 패드에 일시적으로 부착됩니다.

이 프로세스는 기본적으로 두 단계로 구성됩니다. 먼저, 솔더 페이스트는 솔더 페이스트 스텐실을 통해 각 패드에 정확하게 배치됩니다. 그런 다음 픽 앤 플레이스 기계를 통해 부품을 패드 위에 배치합니다. 실제 리플로우 솔더링은 이러한 준비가 완료될 때까지 시작되지 않습니다.

• 예열. 이 단계는 리플로우 솔더링 중에 두 가지 목적으로 사용됩니다. 첫째, 열 프로파일링을 완전히 준수하는 데 필요한 온도에 지속적으로 도달하도록 보드를 조립할 수 있습니다. 둘째, 솔더 페이스트에 포함된 휘발성 용제를 배출하는 역할을 담당합니다. 그렇지 않으면 납땜 품질이 저하됩니다.

• 열 흡수. 웨이브 솔더링과 마찬가지로 리플로우 솔더링 역시 솔더 페이스트에 포함된 플럭스에 따라 달라집니다. 따라서 온도는 플럭스가 활성화될 수 있는 수준에 도달해야 하며, 그렇지 않으면 플럭스가 납땜 공정에서 제 역할을 하지 못합니다.

• 리플로우 솔더링. 이 단계는 최고 온도에 도달하여 솔더 페이스트가 녹아 리플로우될 때 발생합니다. 온도 제어는 리플로우 솔더링 공정에서 중요한 역할을 합니다. 온도가 너무 낮으면 솔더 페이스트가 충분히 리플로우되지 않습니다. 온도가 너무 높으면 SMT(표면 실장 기술) 구성 요소나 보드가 손상될 수 있습니다. 예를 들어 BGA(볼 그리드 어레이) 패키지에는 리플로우 솔더링 중에 녹는 여러 솔더 볼이 포함되어 있습니다. 납땜 온도가 최적 수준에 도달하지 않으면 해당 볼이 고르지 않게 녹을 수 있으며 BGA 납땜은 재작업으로 인해 어려움을 겪을 수 있습니다.

• 냉각. 최고 온도에 도달한 후 곧 온도가 내려갑니다. 냉각을 통해 솔더 페이스트가 굳어지고 보드의 접촉 패드에 부품이 영구적으로 고정됩니다.

그림 3. 리플로우 솔더링은 리플로우 솔더링 오븐에서 수행됩니다.

리플로우 솔더링은 SMT 및 THT(스루홀 기술) 어셈블리 모두에 적용될 수 있지만 주로 전자에 사용됩니다. THT 어셈블리에 리플로우 솔더링을 적용할 때 일반적으로 PIP(Pin-in-Paste)가 사용됩니다. 먼저, 솔더 페이스트가 보드의 구멍을 채웁니다. 그런 다음 부품 핀이 구멍에 꽂히고 일부 솔더 페이스트가 보드 반대편으로 나옵니다. 마지막으로 리플로우 솔더링을 구현해 솔더링을 완성합니다.

웨이브 솔더링과 리플로우 솔더링

웨이브 솔더링과 리플로우 솔더링의 차이점은 많은 사용자가 PCB 조립 서비스를 구매할 때 어떤 것을 선택해야 할지 모르기 때문에 결코 무시할 수 없습니다. 납땜 측면의 수정으로 인해 전체 조립 제조 공정이 변경되는 경향이 있습니다. 이러한 변화에는 제조 효율성, 비용, 출시 기간, 이익 등이 포함됩니다.

그림 4는 납땜 공정 단계의 차이점을 보여줍니다. 웨이브 솔더링과 리플로우 솔더링의 근본적인 차이점은 플럭스 스프레이에 있습니다. 웨이브 솔더링에는 이 단계가 포함되어 있지만 리플로우 솔더링에는 포함되어 있지 않습니다. 플럭스는 납땜할 재료의 이산화물 제거 및 표면 장력 감소를 가능하게 합니다. Flux는 활성화된 경우에만 작동하므로 온도 및 시간 제어를 엄격하게 준수해야 합니다. 리플로우 솔더링에서는 솔더 페이스트에 플럭스가 포함되어 있으므로 플럭스 함량을 적절하게 배열하고 달성해야 합니다.

그림 4. 웨이브 솔더링과 리플로우 솔더링 공정 단계의 차이점.

납땜 결함은 피할 수 없는 것 같습니다. 프로세스가 매번 다르기 때문에 어떤 납땜 기술이 다른 납땜 기술보다 더 많은 결함을 생성하는지 판단하는 것은 불가능합니다. 납땜 결함 발생의 불가피성에도 불구하고 조립 작업자가 전문 조립 제조 규정을 준수하고 제조 라인을 따라 모든 장비의 특성과 성능을 완전히 인식하면 결함 빈도를 줄일 수 있습니다. 또한 엔지니어링 직원은 현대 기술의 발전에 보조를 맞추기 위해 자격을 갖추고 정기적으로 교육을 받아야 합니다.

일반적으로 리플로우 솔더링은 SMT 어셈블리에 가장 잘 작동하는 반면 웨이브는 THT 또는 DIP 어셈블리에 가장 잘 작동합니다. 그럼에도 불구하고 회로 기판에는 순수한 SMD(표면 실장 장치)나 스루홀 구성 요소가 거의 포함되어 있지 않습니다. 혼합 조립의 경우 일반적으로 SMT를 먼저 수행한 다음 THT 또는 DIP를 수행합니다. 이는 리플로우 솔더링에 필요한 온도가 웨이브 솔더링에 필요한 온도보다 훨씬 높기 때문입니다. 두 어셈블리의 순서가 반전되면 고체 솔더 페이스트가 다시 녹을 가능성이 있으며 잘 납땜된 구성 요소에 결함이 발생하거나 심지어 보드에서 떨어질 수도 있습니다.

이 기사는 중국 항저우 PCBCart의 기술 엔지니어인 Dora Yang이 작성했습니다. 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭하세요.  .