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이 글에서는 고온의 균일 가열이 요구되는 무연 솔더용 리플로
공정을 위한 ‘상하 매트릭스 제트 순환가열방식’을 이용한 에어 리플로 오븐과 N2 리플로 오븐을 소개한다. ‘상하 매트릭스 제트 순환가열방식’은 기판의 상면과 하면에서 동시에 열풍을 내뿜는 상하 동일 순환가열방식과, 분사 노즐과 흡입 노즐이 매트릭스 유형으로 교차하여 배열된 매트릭스 제트 순환가열방식을 조합한 것이다. 이 방식을 채택함으로써 기존의 유연 공정 솔더보다 용융 온도가 높은 무연 솔더 리플로 납땜에서 피크 온도 편차를 낮출 수 있었으며 탑재 부품의 열손상도 없애고 고품질의 리플로 납땜을 실현할 수 있었다.
지하수의 오염 방지 등 환경 대책을 위해 무연 솔더로의 교체가 급물살을 타고 있다. 현재 무연 솔더로는 Sn-Ag-Cu 및 Sn-Zn계가 신뢰성 관점에서 많이 이용되고 있다. 그러나 Sn-Ag-Cu계 솔더는 용융 온도가 약 220℃, Sn-Zn계 솔더는 약 200℃로 기존의 Sn-Pb계 공정 솔더의 용융 온도 183℃에 비해 약 20~40℃ 높다.
따라서 부품 내열 온도 부근까지의 가열이 필요하다. 또한 열용량이 다른 부품이 여러 종류 탑재된 기판을 일괄적으로 리플로 할 경우, 각 부품 납땜부의 피크 온도 편차를 가능한 한 줄일 필요가 있다.
마쓰시타전공의 기존 리플로 오븐에서는 기판을 상면에서 열풍이나 원적외선으로 가열하고 하면에서의 가열은 보조 수단의 원적외선 가열 방식이었지만, 이 방식으로는 피크 온도 편차를 줄이기에 충분치 않았다.
이 글에서는 무연 대응 리플로 오븐으로 개발된 에어 리플로 오븐 ‘RA’와 N2 리플로 오븐 ‘RN’에 채택된 가열 방식, 즉 ‘상하 매트릭스 제트 순환가열방식’에 대해서 소개한다.
상하 매트릭스 제트 순환가열방식은 상하 동일 순환가열방식과 매트릭스 제트 순환가열방식을 조합한 것이다. 이 방식을 채택함으로써 피크 온도 편차를 크게 낮춰 무연 솔더의 실용화에 크게 기여할 수 있었다.
무연 대응 리플로 오븐의 구성
리플로 오븐의 가열 존은 일반적으로 플럭스를 충분히 활성화시키기 위한 예열 존, 솔더를 용융시키는 리플로 존으로 구성된다. 기존의 마쓰시타 리플로 오븐에서는 예열 존이 3존, 리플로 존이 1존이었지만, 무연 대응 리플로 오븐에서는 존 수를 늘려서 예열 존을 5존, 리플로 존을 2존으로 했다.
존 수를 증가시킴으로써 오븐 내의 온도 편차가 적고 균일한 가열을 할 수 있으며 기판 온도 편차를 보다 적게 할 수 있다. 또 온도 설정값을 다단계로 함으로써 목표 온도까지 단시간에 도달할 수 있게 됐다. 또 리플로 존을 2개로 함으로써 기존의 단일 피크 온도 프로파일 뿐만 아니라, 사다리꼴 형의 온도 프로파일이 가능해져 용융 온도의 유지 시간을 제어할 수 있게 됐다.
각 존에서는 히터 유닛, 순환 팬, 열풍 노즐이 상하로 배치되어 있어서 기판의 상면과 하면에서 열풍을 내뿜는다. 각 가열 존에 부착되어 있는 히터(방열 핀을 가진 핀 히터)는 전기를 가해 발열시켜 오븐 내의 분위기(공기 또는 질소)를 가열한다.
각 존에 설치된 순환 팬(시로코팬)은 가열된 오븐 내의 분위기(공기 또는 질소)를 열풍으로 순환시킨다. 열풍은 매트릭스 유형 최적 배치의 노즐 군에서 균일하게 토출된다.
리플로 존에서 용융된 솔더를 강도 높고 미세한 결정 조직으로 응고시키기 위해서는 신속하게 냉각시킬 필요가 있다. 또 Sn-Bi계 등의 무연 솔더 특유의 Bi 편석 등에 의한 ‘리프트 오프 현상(응고 과정에서 납땜부가 기판에서 떨어지는 현상)’을 없애기 위해 급랭이 필요하다.
에어 리플로 오븐에서는 외부 공기를 팬으로 가해 용이하게 냉각할 수 있지만, N2 리플로 오븐에서는 외부 공기를 가하면 오븐 내의 산소 농도가 상승한다. 따라서 기존의 방식에서는 리플로 존 다음에 냉각 존을 설치하여 냉각 존 안의 공기를 브로어로 흡입하여 냉각한 후 다시 냉각 존으로 되돌려 보냈으나 냉각 존의 온도 조절이 어려웠다.
N2 리플로 오븐 ‘RN’에서는 냉각 존을 두 개로 하고 수냉식 냉각 장치를 탑재함으로써 분위기 온도를 충분히 내릴 수 있도록 한 것이 특징이다.
가열 방식의 특징
상하 동일 순환가열방식
상하 동일 순환가열방식은 기판의 상면 및 하면에서 동시에 열풍을 내보내는 가열 방식이다. 또 흡입구는 분출구의 바로 근처에 배치돼 있다. 이 방식의 특징에 대해 소개한다.
기판면에 내뿜는 열풍은 상하면의 노즐에서 불어나오는 것으로, 이같은 전열 방식을 충돌 제트식이라고 한다. 일반적으로 열전달률이 높고 가열 능력이 우수한 것으로 알려져 있다.
상하의 분사 노즐에서 나온 열풍은 기판이 없는 영역에서는 충돌하여 운동에너지를 잃고 소용돌이 모양으로 흡입구로 흡입된다. 또한 기판이 통과중인 영역은 기판에서 열풍이 반사되어 운동에너지를 완전히 잃어버리는 형태로 흡입구에 흡입된다. 이것은 기판의 가열에 사용되어 온도가 떨어진 열풍이 빨리 흡입되는 것을 보여주는 것으로, 열전달 효율을 향상시킨다.
이상의 상하 동일 순환가열방식으로 기판 상면 및 하면은 높은 열전달률로 가열되고 기판 주변은 상하 열풍의 충돌에 의한 소용돌이로 높은 보온 효과를 얻을 수 있다.
매트릭스 제트 순환가열방식
매트릭스 제트 순환가열방식은 분사 노즐과 흡입 노즐이 교대로 배치되어 있어서, 상하 동일 순환가열방식에서 설명한 것처럼 노즐에서 분사된 열풍은 노즐 근처에 있는 흡입구로 흡입되어 순환된다. 여기에서는 분사 노즐 효과 및 매트릭스 유형의 노즐에서 분사된 경우의 열전달률에 대해 소개한다.
▶ 노즐 효과
팬과 탱크로 구성된 경우에 있어서 노즐 없이 개구부에서 직접 기체가 분사되는 장소와 노즐에서 분사되는 장소를 예로 들어본다.
노즐이 있는 경우에는 기체가 개구부에서 분사될 때, 주위 방향으로 팽창이 적고 분사구 근처까지 압력이 높게 유지된다. 이 때문에 노즐에서 분사되는 풍속은 높아진다.
▶ 열전달률
열전달률은 누셀트 수(Nusselt number), 레이놀즈 수(Reynolds number), 프란틀 수(Prandtl number) 중의 무 차원 파라미터(매개변수)를 포함한 관계식을 이용하여 구할 수 있다.
온도 프로파일 측정
무 실장 기판의 온도 프로파일
기존 장비에서 무실장 기판(폭 250×330×1.6mm의 유리 에폭시 기판)의 온도 프로파일을 측정한 결과, 피크 온도 편차 Δt는 8℃ 이었다. 동일한 기판을 N2 리플로 오븐 ‘RN’으로 측정한 결과, 피크 온도 편차 Δt는 2℃로 저감됐다. 이것은 균일 가열성이 향상되었음을 의미한다.
실장 기판 온도 프로파일
기존 장비에서 실장 기판(폭 230×304×1.6mm 유리 에폭시 기판, QFP 등 열용량이 큰 부품이 탑재된 대형 기판)의 온도 프로파일을 측정한 결과, 피크 온도 편차 Δt는 18℃ 이었다. 동일 기판을 N2 리플로 오븐 ‘RN’에서 측정한 결과, 피크 온도 편차 Δt는 7℃로 저감되었다. 이것은 이 실장이 대형 실장 기판에서도 충분한 승온 능력을 보유하고 있음을 의미하는 것이다. 또한 QFP 등 열용량이 큰 부품은 높이가 기판 면적보다 높고 노즐에 더 가깝기 때문에 효과적으로 가열되는 것도 Δt의 저감에 기여하고 있다.
이상 무연 솔더 대응 리플로 오븐으로써 균일 가열성 및 승온 능력이 우수한 마쓰시타전공의 에어 리플로 오븐 및 N2 리플로 오븐을 소개했다. 이 두 오븐은 상하 동일 순환가열방식 및 매트릭스 제트 순환가열방식을 조합한 ‘상하 매트릭스 제트 순환방식’을 채택하여 기판 피크 온도 편차를 크게 낮추었다. 또 용융 온도가 높은 무연 솔더에 있어서도 탑재 부품의 열손실을 없애고 고품질 리플로 납땜을 가능케 했음을 확인했다.
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