매주 낭비하는 리플로우 프로파일 신화

새로운 제품 도입은 예측 가능한 스크립트를 따릅니다. 보드 설계가 잠기고, 스텐실이 자르고, 부품이 킷팅됩니다. 그런 다음 리플로우 프로파일링이 시작되고 일주일이 사라집니다. 엔지니어들은 교과서의 램프-소킹-스파이크 곡선을 쫓으며 오븐 구동을 반복하고, 존 온도를 4분의 1도 단위로 조정하며, 탬버스톤 구부러진 수동 부품과 차가운 납땜 조인트가 쌓이는 것을 지켜봅니다. 출시일은 미뤄지고, 이 과정은 다음 프로젝트에서 반복됩니다.

이 낭비는 부주의나 잘못된 장비 교정의 결과가 아닙니다. 이는 이론적 프로파일을 일관된 열 질량이라는 핵심 가정을 위반하는 조립에 적용한 예측 가능한 결과입니다. 교과서 프로파일은 강력한 전원 커넥터와 0402 저항기 그리드가 동시에 장착된 보드에 대해 설계된 적이 없습니다. 그것은 균일한 열 부하를 가정하지만, 실제 제품에서는 드물게 나타납니다. 열량이 고르지 않을 때, 하나의 프로파일은 무거운 부품과 가벼운 부품의 상충하는 공정 창을 만족시킬 수 없습니다. 하나에 최적화하면 다른 하나에 실패를 보장합니다.

해결책은 더 나은 추측이 아닙니다. 데이터 기록 프로파일링, 규율 있는 오븐 매핑, 그리고 질소 분위기가 진정으로 필요한 시점을 신중히 평가하는 것으로의 전환입니다. 이러한 방법들은 측정을 앞당기고 열 전달의 물리학을 존중함으로써 반복 루프를 축소합니다. 일주일간의 시행착오를 일회성 방법론으로 교체합니다.

당신이 교과서 프로파일을 쫓으며 잃은 주

교과서의 리플로우 프로파일은 그 간단함에 유혹적입니다: 플럭스를 활성화하는 제어된 램프, 온도를 평준화하는 soak, 솔더를 적시하는 liquidus 이상 솟구침, 그리고 조인트를 형성하는 제어된 냉각. 곡선은 매끄럽고, 단계들은 뚜렷하며, 이론은 건전합니다. 그것은 설계된 것처럼 느껴지고, 안전해 보입니다. 그러나 이는 일주일간 낭비되는 노력의 원인입니다.

이 작업 과정은 결코 안전하지 않습니다. 초기 프로파일은 페이스트 제조사의 권장에 따라 프로그래밍되며, 이는 이상화된 것으로, 부품 밀도나 구리 무게에 대한 정보를 명시하지 않습니다. 보드를 구동하면, 검사에서 익숙한 결함 목록이 드러납니다: 가장자리의 소형 수동 부품에서의 토무스톤, 대형 커넥터 접지 핀의 부족한 습윤, 혹은 더 나쁘게는 열 충격으로 인해 들린 패드 등. 그래서 곡선을 조정합니다. 무거운 부품이 더 잘 가열되도록 soak을 연장합니다. 다시 보드를 구동합니다. 이제 작은 부품들이 탄 흔적이 남습니다. 또 조정을 하고 또 구동합니다. 금요일이 되면, 오븐 프로파일은 타협의 프랑켄슈타인과 같으며, 각 존의 온도는 상충하는 요구 사이의 타협적 합의입니다.

이 접근법의 고수는 무지 때문이 아닙니다. 이는 모든 조립 과정 수업에서 가르치고, 모든 납땜페이스트 데이터 시트에 게시하며, 프로파일링이 무엇이어야 하는지에 대한 사고 모델에 내장되어 있습니다. 단일 곡선을 전체 보드에 최적화할 수 있다는 가정은 거의 의심하지 않으며, 이는 거의 명시되지 않기 때문입니다. 그저 그렇게 하는 것일 뿐입니다.

이 가정은 범주 오류입니다. 교과서 프로파일은 열 질량이 제어된 단순 조립에 대해 도출된 것입니다. 실제 생산 보드는 열 혼란 상태입니다. 조밀한 커넥터 필드와 범람된 접지면이 있는 백플레인은 30초가 걸리는 열 싱크를 제공합니다. 50mm 떨어진 0402 커패시터는 격리된 패드 상에 있으며, 같은 온도에 도달하는 데 8초밖에 걸리지 않습니다. 어느 하나의 램프 속도 또는 soak 지속 시간도 두 상황을 충족시킬 수 없습니다. 교과서는 이 충돌을 인정하지 않으며, 이를 모델링하지도 않습니다.

왜 열 질량은 만능 프로필을 죽이는가

불균등 가열의 물리학

리플로우에서 열질량은 구성요소가 열을 흡수하고 유지하는 능력입니다. 대형 구리와 플라스틱 커넥터는 열질량이 높아 천천히 가열되고 온도 변화를 견딥니다. 작은 세라믹 커패시터는 열질량이 낮아 오븐의 환경에 거의 즉시 반응합니다. 이 두 부품은 결코 동일한 속도로 가열되지 않습니다.

대류 오븐에서의 열 전달은 강제된 공기에 의해 구동됩니다. 부품이 에너지를 흡수하는 속도는 표면적, 열 전도도, 그리고 주변 공기와의 온도 차이에 따라 달라집니다. 큰 커넥터는 질량이 크지만 노출된 표면적이 제한적이기 때문에 느리게 가열됩니다. 고 표면적-질량 비를 가진 작은 수동 부품은 빠르게 가열됩니다. 특히, 강한 구리 퍼라인이 형성된 보드 자체는 열 저장소 역할을 하여 주변 부품의 가열 속도를 더욱 복잡하게 만듭니다.

결과는 열 불안정한 보드입니다. 어느 순간이든 부품들은 매우 다른 온도에 있습니다. 작은 수동 부품이 200°C에 도달하여 액체 온도에 스파이크할 준비가 되어 있을 때, 무거운 커넥터는 여전히 160°C에 있을 수 있습니다. 오븐이 해당 커넥터에 충분한 에너지를 주어 최고 온도에 도달하게 할 때, 작은 수동 부품은 액체 온도 이상에서 오랜 시간 노출되어 손상될 수 있습니다.

상충하는 프로세스 윈도우

모든 부품에는 프로세스 윈도우가 있습니다—신뢰할 수 있는 납땜 연결을 생성하면서 손상을 일으키지 않는 시간과 온도의 범위입니다. 작은 0402 저항기에는 이 윈도우가 좁아서, 액체 온도 이상으로 짧게 스파이크하는 것은 견딜 수 있지만, 지속적인 열은 본체를 깨거나 단자를 손상시킬 수 있습니다. 큰 커넥터의 경우, 윈도우는 핀을 적시하는 데 필요한 최소 시간과 플라스틱 하우징이 변형되기 전 최대 시간으로 정의됩니다.

단일 리플로우 프로파일은 모든 부품을 각각의 윈도우 내에 유지하는 타협점을 찾으려는 시도입니다. 열질량이 균일하지 않으면, 그 타협점은 존재하지 않습니다.

40핀 전원 커넥터와 작은 수동 부품들이 있는 보드를 생각해 보십시오. 커넥터는 긴 담금과 지속되는 최고 온도를 요구합니다. 이를 프로파일에 프로그래밍하면 수동 부품이 과하게 조리될 것을 보장합니다. 수동 부품을 보호하기 위해 프로파일을 낮추면, 커넥터에 찬 연결이 생깁니다.

결함은 예측 가능합니다. 템스턴이 발생하는 것은 하나의 부품이 다른 부품보다 먼저 재플로우되어 표면 장력을 이용해 수직으로 끌어올리기 때문입니다—낮은 질량 부품에 너무 공격적인 프로파일의 직접적인 결과입니다. 큰 부품의 냉 납땜 연결은 반대 문제입니다: 부품의 열질량이 모든 열을 흡수해 납이 제대로 젖기 전에 열이 흡수된 경우입니다. 하나의 결함을 고치려고 하면 다른 결함이 생깁니다. 이것은 조정 문제라기보다는, 단일 곡선 패러다임과 열 현실 사이의 근본적인 불일치입니다.

데이터 기록 프로파일링 규율

프로파일이 작동하는지를 가정하는 것의 대안은 그것이 실제로 작동하는지를 측정하는 것입니다. 데이터 로깅 프로파일링은 열 극단에 있는 구성품에 온도계(써모커플)를 직접 부착합니다: 가장 크고 높은 질량의 부품과 가장 작고 낮은 질량의 부품입니다. 오븐을 통과하는 동안 각각의 실제 온도를 기록하여, 각 부품이 시간에 따라 어떤 온도에 노출되는지를 사실적으로 보여줍니다. 이는 이론적 예측이 아닌 실질적인 사실입니다.

여기서 가치는 더 예쁜 곡선이 아닙니다. 이는 프로세스 윈도우가 위반된 곳을 명확하게 보여주는 것 입니다. 데이터가 작은 수동 부품이 250°C에 도달하는 동안 큰 커넥터는 여전히 210°C에서 힘겹게 버티고 있다는 것을 보여 줄 때, 추측은 끝납니다. 충돌이 정량화됩니다. 결정은 우선순위 설정의 문제가 됩니다. 종종 무거운 부품이 프로파일을 결정해야 하며, 또 다른 수단(보드 배치 또는 존 사전 가열 등)을 통해 가벼운 부품을 보호해야 합니다.

데이터 로깅 프로파일링은 또한 오븐의 공기 온도 측정이나 맨 보드 사용에서 나오는 허위 자신감을 무너뜨립니다. 공기 온도는 오븐의 행위를 보여줄 뿐 부품이 느끼는 바를 보여주지 않습니다. 맨 보드는 열질량의 차이가 없기 때문에 이상화된 허구에 지나지 않습니다. 유일하게 부품 수준의 측정만이 진실을 포착합니다. 이 규율은 초기 투자가 필요하지만, 그 비용은 한 번의 NPI에서 다섯 번의 반복이 필요하지 않을 때 회수됩니다.

정확히 묻지 않는 질소 문제

재플로우 동안 질소 분위기는 놀라울 정도로 일관되게 지정되며, 드물게 의문시됩니다. 가정은 관성 환경이 항상 더 낫다는 것입니다. 사실은 더 조건부입니다. 질소는 용융된 납의 산화를 방지하는데, 이는 플럭스 화학 성분이 너무 약하거나, 보드의 표면 마감이 특히 민감할 때만 이롭습니다.

질소가 실제로 중요한 경우: 무세척 솔더링 유제는 화학적 활성이 낮습니다. 산화물이 재흐름 온도에서 빠르게 형성되는 무전도 또는 ENIG와 같은 표면에서는, 솔더가 표면에 접촉하기 전에 유제가 청소하지 못할 수 있습니다. 이 때, 질소는 의미 있는 공정 여유를 제공합니다.

질소가 낭비일 때: 공격적이고 수용성인 유제는 산화물을 침투하도록 설계되어 있습니다. 이를 질소 하에서 실행해도 추가 이점이 없습니다. 마찬가지로, 핫 에어 솔더링 레벨링(HASL) 표면은 본질적으로 산화물이 없으며, 불활성 분위기에서 얻을 수 있는 이점이 없습니다. 이러한 경우에 질소를 지정하는 것은 비용과 복잡성을 증가시킬 뿐이며, 측정 가능한 개선도 없습니다.

질소가 좋은지의 여부가 아니라, 특정 유제와 표면 마감의 조합이 유제만으로 해결할 수 없는 산화 문제를 제기하는지 여부입니다. 이것은 재료 공학적 결정이며, 일률적인 규격이 아닙니다.

원앤드-던 오븐 매핑

오븐 맵핑은 오븐의 온도 균일도와 기류를 특징지습니다. 써모커플이 그리드된 테스트 보드를 프로세스에 통과시키면, 컨베이어 전반에 걸쳐 고온과 저온 구역이 드러납니다. 이 데이터를 통해 보드를 최적 위치에 배치하고 오븐의 고유한 열 서명을 보상할 수 있도록 존 세트포인트를 조정할 수 있습니다.

이 규율은 이것을 철저히 한번 수행하고, 그 결과 데이터를 이후의 모든 작업에 대한 근거 진실로 취급하는 것입니다. 맵은 모든 새 보드에 반복되지 않습니다. 대신, 이것은 각 NPI에 대한 초기 프로필에 정보를 제공합니다. 왼쪽 컨베이어가 오른쪽보다 10도 더 뜨겁다는 것을 이미 알고 있기 때문에, 첫 번째 보드가 들어가기 전에 조정을 수행합니다.

이것은 오븐의 특이점을 반복적으로 재발견하는 과정을 제거합니다. 오븐 특성화는 사후 생각이 아니라 필수 조건이 됩니다. 포괄적인 매핑 연구에 투자하는 시간은 몇 시간입니다. 1년 동안의 NPI에서 절약되는 시간은 몇 주입니다.

물리학을 존중하는 프로파일링 프로토콜 구축

교과서 정통성을 거부하고 측정을 중시하는 것은 데이터 캡처를 사전 조치하는 프로토콜로 이어집니다. 이는 완벽한 곡선을 목표로 하지 않습니다. 대신, 모든 구성요소에 대해 허용 가능한 조인트를 생산하는 프로세스 창을 목표로 합니다 — 더 달성 가능하고 다른 목표입니다.

프로토콜:

1. 오븐 매핑. 아직 수행하지 않았다면, 열 균일성을 특성화하세요. 핫스팟, 콜드스팟, 존 간 오프셋을 기록하세요.
2. 열 극한을 식별하세요. 보드에서 가장 크고 무거운 구성요소와 가장 작은 가벼운 구성요소를 선택하세요. 이것들이 당신의 센티넬입니다.
3. 열전대를 부착하세요. 센티넬 구성요소에 계측기를 설치하고, 페이스트 데이터와 오븐 맵을 기반으로 한 초기 프로파일로 보드를 운용하세요.
4. 데이터를 검토하세요. 기록된 온도 곡선을 확인하세요. 두 센티넬이 모두 프로세스 창 내에 유지되었나요? 그렇지 않다면, 존 세트포인트 또는 컨베이어 속도를 조정하세요.
5. 확인하세요. 조정된 설정으로 한 번 더 프로파일을 실행하여 두 센티넬이 사양 내에 있는지 검증하세요.
6. 검증하세요. 센티넬과 기타 부품 샘플의 납땜 조인트를 검사하세요. 허용 가능하면 프로파일을 잠그세요. 결함이 남아 있다면, 문제는 프로파일이 아니라 상류 설계 문제로 더 많은 반복으로 해결되지 않습니다.

이 프로토콜은 실제 데이터를 이용하여 의사 결정을 안내하며, 반복 루프를 단일 확인 실행으로 제한합니다. 소요 시간을 절약하는 것은 측정할 수 있는 시기를 추측하지 않는 것의 직접적인 결과입니다.