중력은 무적이다: 이차 리플로우 위험 관리하기

리플로우 오븐 내부의 PCB에서 떨어지는 무거운 부품의 소리는 확연히 구별된다. 큰 충돌 소리가 아니라, 둔탁하고 기계적인 ‘쿵’ 소리다. 쿵 보통 이 소리는 Zone 6 또는 7에서 발생하며, 납이 용융 상태에 도달할 때 일어난다. 운이 좋다면, 부품이 안전하게 오븐 바닥에 떨어진다. 운이 나쁘다면—확률 법칙이 그렇게 만들도록—컨베이어 메시에 떨어지거나, 구동 메커니즘을 걸거나, 1시간 동안 최고 구간에서 조리되면서 불이 붙는다.

양면 조립을 할 때, 사실상 물리학에 다른 눈을 감아달라고 요청하는 것과 같다. 위쪽은 쉽다; 중력이 부품을 잡아내는 데 도움을 준다. 그러나 두 번째 패스로 그 기판을 뒤집을 때, 중력은 적이 된다. 비싼 실드 처리 파워 인덕터와 BGA 패키지를 부착하는 것만이 용융 솔더의 표면 장력에 의존한다. 이는 매우 불안정한 관계다. 부품의 질량이 액체 금속의 습윤력을 능가하는 순간부터, 작업이 어렵지 않은 것이 없다. 그런 상황이 오면, 어떤 과정 개선도 해결할 수 없는 선-다운(sline-down) 상황이 된다.

습윤력의 물리학

부품이 왜 붙어 있고—딱 언제 떨어지는지—이해하려면, 질량과 표면 장력之间의 전투를 봐야 한다. 두 번째 면에서 솔더 페이스트가 재흐름될 때, 그것은 액화된다. 표준 SAC305 합금의 경우, 표면 장력은 놀랄 만큼 높아 대략 500 dynes/cm이다. 이 힘은 미세한 스프링처럼 작용하여 부품을 패드의 중앙으로 당긴다. 대부분의 부품에 대해, 이 힘은 중력보다 수배 강하다. 0201 커패시터 또는 표준 SOIC 패키지는 아무 것도 아니며, 무게가 가벼워서 뒤집거나, 옆으로 흔들리거나, 강하게 진동해도 자동으로 정렬된다.

그 안전 마진은 부품이 무거워지고 터미네이션 영역이 상대적으로 작아질 때 사라진다. 엔지니어들은 종종 큰 발자국이면 큰 납땜 가능 구역이 있을 것이라고 가정하지만, 이것은 틀리다. 실드 처리 파워 인덕터는 12mm x 12mm 크기의 강철 및 구리 블록일 수 있는데, 무게가 1.5그램에 불과하지만, 두 개의 작은 패드에만 고정될 수 있다. 따라서 다음 항목들을 확인하는 것이 좋다: Cg/Pa 비율—중력(Gravitational Force, Cg) 대 전체 패드 면적(Pa).

프로토타입 작업장에서 '핵'으로 여겨지는 ‘해킹’이 있는데, 엔지니어들이 이를 위해 Kapton 테이프를 사용하자고 제안한다. 다섯 개의 보드에 대해선 가능하겠지만, 테이프가 잔여물이나 가스를 배출하지 않고 접합 부위를 오염시키지 않는 경우에 한한다. 대량 생산 시에는 위험 요소다. 테이프가 실패하고 접착제가 굳으며, 수작업 제거 단계가 추가되어 부품이 기판에서 완전히 떼어질 위험이 있다.

업계의 일반 규칙은 종종 납땜 가능한 패드 면적의 약 30g 정도로 인용됩니다. 이 범위를 초과하면 표면 장력은 무게에 대해 저항하지 못합니다. 하지만 이는 정적 계산입니다. 마모된 체인 컨베이어의 진동이나 Heller MKIII 오븐 내의 고속 공기 대류를 고려하지 않습니다. 만약 계산 결과가 90% 근처라면, 실제 세계의 역학이 적용되면 이 위험 한계는 110%에 해당합니다. 수학적 계산이 경계선에 있으면 부품이 떨어집니다.

디자인: 유일한 무료 해결책

무거운 부품이 하단에서 떨어지지 않게 하는 가장 효과적인 방법은 처음부터 그 위치에 두지 않는 것입니다. 이것은 명백하게 들리지만, 보드 배치가 공장 바닥에 도착할 때 대형 커넥터, 무거운 트랜스포머, 큰 BGAs가 단순히 '맞기 때문에' 배치되는 경우가 많습니다.

이는 종종 시각화 실패의 문제입니다. CAD 도구에서는 보드가 평평한 추상적인 논리 퍼즐입니다. 공장에서는 열 응력에 노출된 물리적 대상입니다. 하단의 10mm 전해 커패시터는 시간폭탄과 같습니다. 만약 레이아웃 엔지니어가 이 커패시터를 상단으로 옮기면 문제는 사라지고, 비용도 들지 않습니다. 만약 하단에 두면, 평생 동안 접착제 도포 또는 고정구 구매를 감수해야 합니다.

때때로 밀도 제약으로 인해 불가능할 때가 있습니다. 현대 스마트폰이나 고밀도 ECU의 상단에 모두 넣을 수 없기 때문입니다. 하지만 배치에는 계층이 있습니다. 저질량 패시브는 하단에 배치됩니다. 저프로필 QFN도 하단입니다. 무겁거나 높거나 차폐된 부품은 상단에서 공간을 차지하려고 합니다. 만약 무거운 부품이 하단에 있다면, 설계자는 패드 크기를 늘려 젖음 면적을 최대화하고, 납을 더 잘 잡도록 해야 합니다—단, 그 한계도 있습니다. 반드시 그래서 설계자는 패드 크기를 늘려서 납땜의 접촉 면적을 최대화해야 하며, 이는 납이 잘 잡히도록 합니다—그러나도 부스터 문제가 발생하지 않도록 제한이 있습니다.

접착제 망상

설계 변경이 거부되면 자연스럽게 접착제로 대화가 이뤄집니다. “그냥 붙이기만 해,”라고 프로젝트 매니저는 간단한 접착제 도포로 문제를 해결하는 모습을 상상합니다. 실제로 SMT 접착제(보통 빨간색 에폭시)를 넣는 것은 기계적 문제를 화학적이고 공정적 악몽으로 바꾸는 절박한 행동입니다.

접착제 도포는 무료가 아닙니다. 전용 기계 또는 피킹 앤 플레이스 사이클의 전용 단계가 필요합니다. 점적을 위해 제트 밸브 또는 스텐실 프린터가 필요하며, 스텐실을 사용할 경우, 페이스트와 접착제 각각에 맞는 두께를 갖는 스텐실이 필요해 신뢰성 높은 프린팅이 어렵습니다. 디스펜서를 사용할 경우, 사이클 시간이 길어집니다. 예를 들어, Asymtek 같은 디스펜서는 정밀하지만 노즐이 막히기도 합니다. 에폭시는 수명이 제한되어 있습니다. 점이 너무 높으면 퍼지고, 너무 짧으면 부품 본체에 닿지 않습니다.

그리고 재작업이 필요합니다. SMT 접착제는 240°C 이상 재회로 온도를 견디도록 설계된 열경화성 에폭시입니다. 이는 단단히 경화됩니다. 만약 접착된 인덕터가 작동 테스트를 실패한다면, 간단히 납땜을 풀 수 없습니다. 기계적으로 결합을 끊어야 합니다. 이 과정은 보통 부품을 뽑아내는 것인데, 종종 구리패드를 FR4 적층판에서 찢어버리기도 합니다. 이는 부품을 잃는 것뿐 아니라, 보드까지 폐기하는 결과입니다.

또한 어떤 접착제를 사용해야 하는지도 혼란스럽습니다. 사람들이 '고온용 순간 접착제'를 검색하지만, 일반 소비자용 접착제는 가스를 방출하며 리플로우 오븐에서 즉시 고장납니다. 업계 표준 SMT 에폭시(예: Loctite 3621)를 사용해야 하며, 경화 과정이 필요합니다. 접착제의 경화 프로파일이 솔더 페이스트의 리플로우 프로파일과 충돌할 수 있으므로, 금속 협력을 희생하고 접착제를 설정하기 위해 타협해야 할 수도 있습니다. 이는 숨겨진 비용이 가득한 길입니다.

팔레트 현실(및 세금)

레이아웃이 고정되어 있고 접착제 사용이 너무 위험하다면, 전문가적인 해결책은 선택적 재회로 팔레트(혹은 고정구)를 사용하는 것입니다. 이것은 보통 Durostone 또는 Ricocel과 같은 복합재료로 가공된 캐리어로, PCB를 지탱합니다. 하단 부품을 차폐하는 포켓이 있어 공기 흐름으로부터 보호하며, 솔더가 재회로될 경우 떨어지지 않도록 합니다.

이 방법은 고정 문제를 즉시 해결합니다. 하단의 무거운 부품이 물리적으로 지지되거나 차폐되어, 다시 재회로 온도에 도달하지 않도록 합니다. 그러나 팔레트는 막대한 '열 부담'을 유발합니다. 오븐에 무거운 복합재료를 넣기 때문입니다. 이 소재는 열을 흡수합니다.

팔레트는 1kg 이상 무게가 나갈 수 있습니다. 열 프로파일을 테스트할 때, 대규모 열 싱크 효과를 볼 수 있습니다. 두꺼운 팔레트 레일 위에 부품이 위치하면, 요구되는 235°C~245°C의 최고 온도에 도달하지 못할 수도 있습니다. 이 방법으로 인덕터 낙하 문제를 해결할 수 있지만, 상단 BGA에 '헤드 인 필로우' 결함이 생길 수 있는데, 이는 볼이 완전히 눌려지지 않기 때문입니다. 이를 위해 오븐 온도를 높이거나, 컨베이어 속도를 늦춰서 열이 침투하도록 해야 합니다. 이것은 처리량(단위/시간)을 줄이고, 팔레트에 가려지지 않은 민감한 부품이 과열될 위험이 있습니다.

그리고 충격 가격이 있습니다. 좋은 선택적 재회로 팔레트는 $300에서 $800 사이입니다. 필요하지 않다면, 50~100개를 구매해 오븐 루프를 채우는 것이 더 나을 수 있습니다. 갑자기, 그 무거운 인덕터를 하단에 두는 비용은 $30,000의 공구 비용이 들기 시작합니다, 심지어 아직 한 개도 팔지 않은 상태에서.

결정 경로

중력은 일정합니다. 프로젝트 일정이나 예산 제약을 신경 쓰지 않습니다. 무거운 하단 부품이 있는 BOM을 바라볼 때, 선택지는 세 가지이며 이 순서로 결정해야 합니다:

1. 설계 감사를 수행하세요: 무거운 부품을 상단으로 옮기기 위해 싸우세요. Cg/Pa 비율을 사용하여 설계 팀에 해당 부품이 떨어질 것임을 증명하세요. 는 떨어집니다. 수학을 보여주세요.
2. 팔레트를 구매하세요: 설계가 고정된 경우, 고정 장치 예산을 책정하세요. 사이클 시간 지연과 열 프로파일링 복잡성을 수용하세요. 이것이 무거운 하단 부품의 대량 생산을 위해 유일하게 견고한 방법입니다.
3. 최후의 수단으로 접착제를 사용하세요: 팔레트 사용이 불가능하거나(간격이나 예산 문제로) 설계를 변경할 수 없는 경우에만 에폭시를 디스펜싱하세요. 이는 폐기율과 재작업 난이도를 영구적으로 증가시킨다는 것을 이해하세요.

희망을 믿지 마세요. '프로토타입에서 견뎌냈다'는 것도 믿지 마세요. 부품의 질량, 패드 면적, 그리고 중력의 굴절하지 않는 힘을 신뢰하세요.