실제 납땜되는 무거운 구리 및 고전류 제작 at Bester PCBA

무거운 구리 조립체의 냉접합은 솔더링 기술 문제와 관련이 없습니다. 이는 열 에너지 문제입니다. PCB 설계가 구리 무게를 평방피트당 3온스 이상으로 밀어내거나, 전원층이 전체 레이어에 퍼져 있거나, 버스바가 직접 적층에 통합될 때, 물리 법칙이 변합니다. 표준 리플로 프로파일과 웨이브 솔더 과정은 적당한 열 질량을 가진 보드를 위해 설계되었습니다. 이들은 부품 리드에 가해진 열이 빠르게 확산되어 접합을 액체상 온도 내에서 예측 가능한 시간 창에 도달하는 것으로 가정합니다.

무거운 구리는 그 가정을 산산조각 냅니다. 구리 자체가 열 싱크 역할을 하여 접합체가 열 에너지 결핍을 겪게 만듭니다. 그래서 칙칙하고 거친 표면과 불완전한 금속간 결합이 남으며, 현장에서 실패하거나 보드가 배송되기 전에 비용이 많이 드는 재작업 루프를 유발합니다.

Bester PCBA에서는 무거운 구리와 고전류 조립체를 먼저 열 관리 과제로 보고, 솔더링 공정보다 우선시합니다. 해결책은 단지 더 높은 솔더통 온도나 더 긴 체류 시간만이 아닙니다. 시스템 수준의 전략입니다: 열 질량의 물리학을 이해하고, 공격적이고 정밀하게 제어된 예열을 적용하며, 조립체의 열 관성에 맞게 공정 프로파일을 조정하는 것입니다. 이것이 무거운 구리 조립체에 만연한 결함을 피하고, 끝없는 재작업 없이 Class 2 또는 Class 3 신뢰성 표준을 충족하는 보드를 제공하는 방법입니다.

왜 헤비 구리가 표준 납땜 공정을 이기는가

문제는 열 관성입니다. 구리의 높은 비열과 열전도율은 1온스에서 4온스 또는 6온스로 넘어갈 때, 단순히 형상을 확장하는 것이 아니라 열 질량을 곱하는 것과 같습니다. 이 질량은 열 흡수제로서 작은 온도 상승조차도 많은 에너지를 흡수합니다. 솔더 웨이브 또는 리플로 오븐이 열을 가할 때, 거대한 구리 평판은 그것을 접합에서 떨어뜨리기보다 빠르게 전달하여, 접합이 솔더의 액체상 온도에 도달하지 않거나, 매우 짧은 시간 동안만 도달하게 만듭니다. 이로 인해 신뢰할 수 있는 금속학적 결합이 형성되지 않습니다.

콜드 조인트는 금속 간 화합물 형성 실패를 의미합니다. 용융된 납땜이 적절한 온도에서 구리 표면과 만날 때, 인터메탈릭 화합물(주로 Cu₆Sn₅과 Cu₃Sn)의 얇은 층이 계면에 형성됩니다. 이 층 is 그 결합. 형성에는 충분한 온도와 시간이 모두 필요합니다. 구리 표면이 자체 질량으로 인해 에너지가 다 소모되어 충분한 온도에 도달하지 않으면, 금속간 층이 불완전하거나 없을 수 있습니다. 그 결과 표면적이 젖은 것 같지만 구조적 무결성이 부족한 접합부가 형성됩니다. 열 순환 또는 기계적 응력 하에서 이 접합부는 균열이 생기며, 전기 부하가 가해질 경우 높은 저항을 보여 열이 발생하여 고장을 가속화합니다.

열 전달이 좋지 않다는 시각적 징후는 명확합니다: 거칠거나 무딘 납땜 표면, 불완전한 필렛 형성, 적절히 젖은 접합부의 매끄럽고 오목한 수도꼭지 같은 모습이 없습니다. 이것들은 납땜이 제 역할을 하기 전에 굳어진 증거입니다. IPC-6012는 이러한 결함을 Class 2와 Class 3 보드에 대해 정의하지만, 표준은 그것들을 피하는 방법을 알려주지 않습니다. 이것은 열적 결손을 극복하기 위한 공정 설계를 필요로 합니다.

이 도전은 비선형적으로 확장됩니다. 2온스 보드는 약간의 조정으로 표준 리플로우 프로파일을 견딜 수 있습니다. 4온스 보드는 프로세스가 근본적으로 재설계되지 않으면 결함을 발생시킵니다. 6온스 또는 일체형 버스바가 있는 케이스는 가장 공격적인 프로세스 변화를 무력화시킬 수 있습니다. 첫 단계는 열 질량이 세부 사항이 아니라는 것을 인식하는 것입니다. 그것은 핵심 제약 조건입니다.

구리 무게 사양과 열적 함의

구리 두께는 평방피트당 온스로 지정되며, 두께를 나타내는 척도입니다. 1온스 구리는 약 1.4밀(35마이크론) 두께입니다. 6온스는 8.4밀입니다. 차이는 작아 보이지만, 열적 질량에 대한 영향은 큽니다. 질량은 부피에 비례하므로, 같은 면적의 6온스 구리 평면은 1온스 평면보다 6배 무겁습니다. 이는 6배의 열 관성(thermal inertia)을 가지며, 동일 온도에 도달하는 데 6배의 에너지가 필요합니다.

1온스에서 2온스 범위의 조립은 표준 리플로우 또는 웨이브 솔더링 공정이 일반적으로 충분한 열을 제공합니다. 열 질량이 관리 가능하며, 보드는 일반적인 주기 내에 평형 상태에 도달합니다. 소요 시간이나 최고 온도를 약간 조정할 필요는 있지만, 프로세스는 전통적으로 유지됩니다.

3~4온스에서는 열 환경이 변화합니다. 구리가 조립체의 열 예산을 지배하기 시작하며, 표준 대류 가열로는 더 이상 충분하지 않습니다. 예열이 필수입니다. 예열이 없으면, 보드는 큰 열 구배를 갖는 리플로우 영역에 진입하며, 구리가 부품보다 훨씬 차갑습니다. 납땜 페이스트가 녹지만, 기초 구리가 액상 온도에 도달하지 않아 접합이 불완전하게 형성됩니다. 이 무게에서는 프로세스 수정이 더 이상 미세 조정이 아니라 필수 조건입니다.

6온스 이상 또는 대형 버스바가 포함된 조립체에서는 열 질량이 극단적입니다. 전통적인 리플로우와 웨이브 공정도 확장된 예열과 함께 충분한 에너지를 제공할 수 없습니다. 구리는 무한한 열 싱크 역할을 합니다. 이러한 조립체는 종종 선택적 납땜과 긴 체류 시간, 고열 용량 인두기를 이용한 수작업 납땜 또는 유도 가열과 같은 대체 기술을 필요로 합니다. 설계의 위치를 이해하는 것은 이 스펙트럼 상의 어디에 위치하는지에 따라 제조 전략 전체를 결정하며, 가장 중요한 단계는 바로 예열입니다.

대량 조인트를 위한 예열 전략

예열은 단순히 보드를 따뜻하게 하는 것 이상의 역할을 하며, 열 질량을 관리하는 가장 강력한 도구입니다. 이의 목적은 구리와 목표 리플로우 온도 사이의 열 차이를 줄여 최종 납땜 단계에서 필요한 에너지를 최소화하는 것입니다. 표준 조립체는 120–140°C로 예열할 수 있습니다. 무거운 구리의 경우, 목표는 훨씬 높아져야 하며, 종종 160–180°C 이상이 되어 구리의 관성 때문에 열적 결손이 발생하지 않도록 해야 합니다. 이를 위해 높은 온도와 더 긴 soak 시간이 필요하며, 질량이 평형을 이루도록 합니다.

바닥면 적외선(IR) 및 강제 대류가 가장 효과적인 방법입니다. 적외선 가열은 방사에너지를 구리 표면에 직접 전달하며, 구리 표면은 매우 흡수력이 높습니다. 이는 에너지가 보드 내부로 침투하여 내부 층을 대류보다 더 효과적으로 가열할 수 있게 합니다. 강제 대류는 IR을 보완하여 공기 온도를 균일하게 만들어 냉기점의 위험을 줄입니다. 무거운 구리 작업 시, 웨이브 솔더 시스템은 여러 IR 방사체가 포함된 확장된 예열 구역이 필요하며, 리플로우 오븐의 예열 구역도 확장하거나 IR 요소를 업그레이드해야 합니다.

Soak 시간—즉, 보드가 최고 예열 온도에서 보내는 시간—은 사치가 아니라 필수입니다. 충분한 soak 없이는, 보드 표면과 부품은 목표 온도에 도달할 수 있으나, 대량 구리 질량은 뒤처질 수 있습니다. 적절한 soak은 열이 구리 전체에 전달되어 이러한 온도 구배를 제거하게 합니다. 4온스 보드는 160°C에서 60초에서 90초 정도의 soak이 필요할 수 있습니다. 6온스 또는 버스바가 있는 조립체의 경우, soak 시간은 2분 이상으로 늘어날 수 있습니다.

적극적 예열의 트레이드오프는 전해 캐패시터나 플라스틱 하우징 커넥터처럼 열에 민감한 부품에 대한 위험입니다. 180°C 예열에 장시간 노출하면 이러한 부품이 손상될 수 있습니다. 해결책은 구리 무거운 부분에 열을 집중시키면서 민감한 부품을 보호하는 존별 예열입니다. 이는 선택적 납땜에는 필수이지만, 리플로우에서는 맞춤형 고정 장치를 사용하거나 좁은 공정 창을 수용해야 할 수 있습니다.

많은 시설이 표준 리플로우 오븐으로 무거운 구리 보드를 처리하려 시도합니다. 이는 중간 무게 구리(약 3온스)에는 가능하지만, 신중한 프로파일 개발이 필요하며 종종 수율이 낮아집니다. 가장 큰 제약은 예열 전력입니다. 표준 오븐은 무거운 구리를 빠르게 온도에 도달하게 할 만큼 IR 밀도가 부족합니다. 컨베이어 속도를 늦추는 것도 도움이 되지만, 처리 속도를 희생하게 됩니다. 구리 질량에 대해 160°C 이상의 온도를 적절히 늘려줄 수 없다면, 이 프로세스는 실패할 것이며, 이때는 선택적 또는 수작업 납땜만이 신뢰할 수 있는 방법입니다.

혼합 열적 질량 조립체를 위한 선택적 납땜

선택적 납땜은 작은 노즐을 사용하여 특정 접합부에 용융 납땜을 바르는 것으로, 전체 보드를 웨이브에 담그지 않습니다. 이 정밀 작업은 무거운 전원 평면과 표준 신호 층이 공존하는 조립체 또는 고중량 영역의 관통구 부품을, 보드의 나머지 부분을 과열시키지 않으면서 납땜해야 하는 경우에 매우 유용합니다. 가장 큰 장점은 정밀성이고, 단점은 처리속도입니다.

선택적 납땜은 보드 전체에 열용량이 크게 달라지거나 민감한 부품이 글로벌 예열을 견딜 수 없거나 보드 형상이 웨이브 납땜을 비실용적으로 만드는 경우에 적합한 선택입니다. 6온스의 전원 공급부와 2온스의 제어부가 있는 전원 공급 장치는 웨이브 납땜에 딜레마를 야기합니다. 무거운 구리에는 공격적인 프로파일이 필요하지만 이는 연약한 구리를 과열시키고, 보수적인 프로파일은 냉간 조인트를 생성할 수 있습니다. 선택적 납땜은 각 영역을 독립적으로 처리하여 해결합니다. 6온스 영역에는 국부적으로 연장된 예열과 더 긴 납땜 접촉 시간이 적용되며, 2온스 영역에는 표준 처리가 이루어집니다.

핵심은 저온력 구역이 과열되지 않도록 하면서 고열량 구역에서 열평형을 달성하는 것입니다. 이는 IR이나 핫 에어 노즐을 목표 영역 위에 배치하여 영역별 예열을 통해 수행됩니다. 무거운 구리 구역은 180°C까지 상승시킬 수 있으며, 나머지 보드는 더 낮은 온도를 유지합니다. 그런 다음 납땜 노즐이 캐스팅 시간을 늘려 구리의 잔류 열 흡수를 극복하고 완벽한 습윤을 보장하기 위해 납땜을 적용합니다.

노즐 선택과 체류 시간은 매우 중요합니다. 노즐은 조인트 형상에 맞아야 합니다. 무거운 구리의 경우, 더 큰 노즐이나 미니웨이브가 더 많은 용융 납을 제공하여 열 저장소 역할을 합니다. 체류 시간, 즉 접촉 기간도 연장해야 합니다. 표준 조인트는 1~2초가 필요하지만, 무거운 구리 조인트는 3~5초 이상 필요할 수 있습니다. 플럭스 역시 신중하게 관리해야 하며, 국부적이고 연장된 가열로 활성도가 떨어지고 습윤이 저하될 수 있기 때문입니다.

파동 납땜 고전류 회로보드

웨이브 납땜은 무거운 구리 보드에 여전히 유효한 프로세스이지만, 보드의 열용량이 균일할 때만 가능합니다. 그것의 장점은 처리량이며, 대량 생산에 경제적이라는 것입니다. 문제는 보드의 최악의 열용량에 맞게 전체 프로세스를 조정해야 한다는 것입니다. 구리가 균일하게 무거우면 이 방법이 작동하지만, 달라지면 가벼운 영역이 과열되거나 무거운 영역이 미온화될 위험이 있습니다.

연장된 예열 구역이 필수적입니다. 표준 웨이브 납땜 기기는 1.5미터의 예열 구간이 있지만, 무거운 구리의 경우 2미터 이상, 4개 이상의 구간이 필요 often d 있습니다. 이는 구리 질량이 평형 상태에 도달하는 데 필요한 시간과 에너지를 제공합니다. 예열 구간 출구의 목표 온도는 구리 표면에서 직접 측정하는 접촉 온도계로 160~180°C 이어야 하며, 공기 온도 추정이 아니어야 합니다.

컨베이어 속도는 용융 납땜 파도와의 접촉 시간을 결정합니다. 1~1.5 m/min의 표준 속도는 무거운 구리에는 너무 빠를 수 있습니다. 구리의 열흡수 효과는 조인트 온도를 거의 즉시 액상 온도 이하로 끌어내릴 수 있습니다. 컨베이어를 0.6~0.8 m/min로 느리게 하면 접촉 시간이 늘어나 조인트가 안정되고 금속간 결합이 완료됩니다. 그러나 처리량이 저하되는 단점도 있습니다. 최적의 속도를 찾기 위해서는 열전대와 반복적인 테스트가 필요하며, 조인트가 목표 온도에 도달하고 유지하는지 확인해야 합니다.

열 프로파일 설계 원칙

열 프로파일은 보드의 시간-온도 여정입니다. 무거운 구리의 경우, 표준 프로파일을 단순히 확장하는 것이 아니라, 구리 질량의 막대한 열 지연을 고려한 새 프로파일을 설계해야 합니다.

대용량 프로파일은 연속 흡수 시간과 잠재적으로 더 높은 최고 온도를 필요로 합니다. 흡수 구간은, 보드가 솔더 용융점 바로 아래에 유지되는 곳으로, 구리가 평형 상태에 도달할 수 있게 합니다. 4온스 보드의 경우, 60초의 흡수는 90초 또는 120초로 늘릴 수 있습니다. 흡수 온도는 부품이 견딜 수 있는 한 최고 수준인 160~170°C 정도여야 하며, 이는 잔여 간극을 최소화하기 위한 것입니다. 최고 온도는 납땜 합금의 규격 상한선인 250°C까지 높일 수 있으며, 이는 무거운 구리 영역이 액상에 도달하도록 하기 위한 것입니다.

구리 영역에 직접 부착된 온도전대를 이용한 프로파일 검증은 절대적으로 필요합니다. 공기 또는 부품 온도를 측정하는 것만으로는 의미가 없습니다. 반드시 구리 자체를 측정해야 하며, 보드를 가공하여 데이터를 분석해야 합니다. 구리 표면에서는 액상에 도달하고 최소 45~60초 동안 유지하거나, 무연의 경우 60~90초 동안 유지되어야 합니다. 부족할 경우, 프로파일을 조정해야 하며, 예열을 늘리거나 흡수 시간을 연장하거나 최고 온도를 높여 다시 시험해야 합니다.

액상 상회 시간 부족이 가장 흔한 실패 원인입니다. 구리가 액상에 일시적으로 도달하지만, 자체 열 관성으로 인해 열이 다시 떨어져 금속 반응이 완성되기 전에 냉각됩니다. 이는 약한 조인트와 불완전한 금속 간 층을 유발합니다. 기타 프로파일 관련 실패 원인에는, 과도한 예열로 인한 플럭스 소모 및 프로파일이 너무 길거나 뜨거워서 플럭스 화학 성분이 과다한 잔류 플럭스가 포함될 수 있습니다.

버스바 통합과 극단적인 구리 특징

버스바는 수십 또는 수백 암페어의 전류를 전달하는 데 사용되는 고체 구리 막대입니다. 이들의 열 용량은 가장 무거운 구리 평면보다 높으며, 일반적인 리플로우 또는 웨이브 프로세스로는 납땜이 어렵습니다. 이는 국부적이고 지속적인 가열이 필요하며, 구리의 열 전도 능력을 압도할 수 있어야 합니다.

버스바의 납땜 방법에는 고열용량의 인두, 저항 납땜, 미니웨이브 납땜통 등이 있습니다. 표준 인두는 실패할 수 있는데, 이는 버스바가 열을 더 빠르게 빼내기 때문입니다. 고용량 인두는 거대한 팁과 150와트 이상 전력을 갖추며 필요한 열 공급을 지속할 수 있습니다. 기술적으로, 먼저 인두로 버스바를 10~20초 예열한 후 납땜을 적용하는 것이 일반적입니다. 미니웨이브 또는 분수 형태의 납땜통 역시 효과적이며, 용융된 납의 국부적 흐름을 제공하고 동시에 열 저장소 역할을 합니다.

지그(고정 장치)는 열 팽창으로 인한 정렬 오류를 방지하는 데 매우 중요하며, 버스바와 PCB를 모두 잡는 맞춤형 장치가 필요합니다. 국부 납땜 전에 전체 조립체를 오븐에서 예열하는 것도 전체 열 기울기를 낮추어 도움을 줍니다.

이러한 고신뢰성용 조인트 검사는 엄격해야 합니다. 육안 검사는 완전한 필레 형성, 매끄럽고 오목한 머니시스, 광택이 나는 표면을 확인해야 합니다. 3급 애플리케이션의 경우, 견고한 금속간 층의 확실한 증거를 제공하기 위해 첫 기사의 단면 분석이 종종 필요합니다.

공정 검증을 통한 재작업 루프 방지

이 모든 작업의 목표—예열 최적화, 프로세스 선택, 프로파일 설계—는 결함이 발생하기 전에 제거하는 것입니다. 재작업은 비용이 많이 들고 위험하며 잘못된 프로세스의 신호입니다. 이를 피하는 유일한 방법은 테스트 보드를 사용한 실증적 프로세스 검증입니다. 테스트 보드는 생산 설계의 열 질량을 재현해야 합니다.

이 테스트 보드의 가장 무거운 부분에 열전대(Junction Thermocouples)를 내장하십시오. 제안된 프로세스를 통해 테스트를 진행하고 데이터를 캡처하여 곡선을 분석하세요. 모든 중요 접합부가 유효한 액체상 온도(liquidus temperature)에 도달하여 지정된 시간 동안 유지하는지 확인하십시오. 어떤 영역이 부족하면 변수 하나—예열 온도, 흡수 시간, 컨베이어 속도—를 조정하고 재시험하세요. 이 데이터 기반 반복적 방법은 작동하는 프로세스를 구축합니다. 테스트 보드에 대한 투자는 생산 단위 폐기에 따른 비용에 비하면 매우 적습니다.

납땜 후 시각 검사는 적절한 열 전달의 증거를 중점적으로 살펴야 합니다. 좋은 접합부는 매끄럽게 흐르는 납으로 완전한 습윤(wetting)을 보여주며, 오목한 필레(fillet)에 납이 자연스럽게 흐릅니다. 표면은 광택이 나며 칙칙하거나 거칠거나 균열이 있어서는 안 됩니다. 불량한 접합부는 납이 뭉치거나 서리 낀 듯 보이는 것으로, 열이 충분치 않음을 의미하는 신호입니다. 이들은 현장 실패의 예측입니다. 검증 과정에서 이를 잡아내면 원천에서 프로세스를 수정할 수 있습니다.

검증된 열 관리 방법은 이 가이드의 모든 부분을 연결하는 실입니다. 예열 전략을 설계하거나 버스바를 납땜할 때도 마찬가지로 도전과제는 동일: 구리 질량에 충분한 열 에너지를 전달하여 완전한 금속 간 결합을 형성하는 것입니다. 검증 단계는 성공했음을 확증합니다. 데이터가 구리가 충분히 뜨거워지고 검사가 제대로 습윤된 것을 보여줄 때, 냉접합, 재작업 루프, 현장 실패를 제거할 수 있는 프로세스가 완성됩니다.