브릭의 물리학: 고질량 접합부를 위한 선택적 납땜 조정

고신뢰성 전자제품—특히 자동차 인버터 및 산업용 전력 시스템에서—“반짝이는 접합부”는 위험한 거짓말쟁이입니다. 3mm 구리 버스바의 납땜 접합부는 완벽한 상단 필렛, 광택 있는 토우의 젖음, 깨끗한 플럭스 잔여물을 보일 수 있지만 내부적으로는 완전히 손상될 수 있습니다.

고전류 션트 및 무거운 버스바를 다룰 때, IPC-A-610 Class 3와 같은 표준 검사 기준은 실제 고장 모드인 구멍 채움 부족과 배럴 깊숙한 곳의 냉간 금속간 화합물을 잡아내지 못하는 경우가 많습니다. 무거운 구리 평면의 히트 싱크 효과는 표준 선택 노즐이 공급할 수 있는 것보다 더 빠르게 접합부에서 열 에너지를 빼앗아 갑니다. 공정이 열용량에 맞게 조정되지 않으면 납땜은 배럴 벽을 적시기도 전에 굳어버립니다. 이는 결국 진동이나 열 사이클링에서 실패할 기계적 연결을 만듭니다. 결과는 단순한 불량 보드가 아니라 고전압 시스템에서의 현장 고장입니다.

열용량을 속일 수 없다

구리 부품은 거대한 열 저장소 역할을 합니다. 용융 납땜이 리드에 닿는 순간, 부품은 액상 전선(front)에서 열을 빼내기 시작합니다. 부품의 열 수요가 노즐의 공급량을 초과하면 접합부의 납땜 온도는 합금의 녹는점(일반적으로 SAC305는 217°C) 아래로 떨어집니다. 납땜은 반죽 상태가 되고, 젖음이 멈추며, 표면상으로는 괜찮아 보이지만 구조적 무결성이 전혀 없는 차갑고 부서지기 쉬운 접합부가 남습니다.

설계자는 종종 적절한 열 완화 없이 고질량 부품을 배치하여 이 문제를 악화시킵니다. 만약 당신이 버스바가 스포크 완화 없이 직접 접지 평면에 연결된 거버 파일을 보고 있는 공정 엔지니어라면, 이는 고장이 기다리고 있는 결함입니다. 어떤 기계 조정도 젖음 물리학이 허용하는 것보다 더 빠르게 열을 발산하는 설계를 극복할 수 없습니다. 그런 경우 보드는 레이아웃으로 돌아가야 하거나, 열 부하를 분리하기 위해 비용이 많이 드는 맞춤 마스크 팔레트에 투자해야 합니다.

디자이너들은 종종 적절한 열 완화 없이 고질량 부품을 배치함으로써 이 문제를 악화시킵니다. 만약 당신이 버스바가 스포크 완화 없이 직접 접지면에 연결된 거버 파일을 바라보고 있는 공정 엔지니어라면, 이는 결함이 발생할 준비가 된 상태를 보고 있는 것입니다. 젖음 현상의 물리학이 허용하는 것보다 열을 더 빨리 방출하는 설계를 기계 조정만으로 극복할 수는 없습니다. 그런 경우에는 보드를 다시 레이아웃으로 보내거나, 열 부하를 분리하기 위해 비용이 많이 드는 맞춤형 마스크 팔레트에 투자해야 합니다.

전투는 예열에서 승리한다

노즐만으로는 열용량을 극복할 수 없기 때문에, 무거운 작업은 보드가 납땜 용기에 도달하기 전에 이루어져야 합니다. 작업자들이 종종 웨이브 높이나 체류 시간에 집착하지만, 고질량 납땜의 핵심 매개변수는 예열 침지 시간입니다.

표준 SMT 부품의 경우, 상단 100°C 예열이면 충분합니다. 구리 블록에는 이는 무시할 만한 수준입니다. 납땜 사이클이 시작되기 전에 부품의 핵심 온도—실제 금속 질량—를 최소 110°C에서 120°C까지 올려야 합니다. 이는 노즐이 극복해야 할 “열 충격” 델타를 줄여줍니다. 부품이 120°C에 있으면 납땜 웨이브는 젖음을 달성하기 위해 추가로 100°C만 올리면 됩니다. 부품이 80°C라면 그 델타는 140°C로, 허용된 몇 초의 접촉 시간 내에 극복하기 어려운 간격입니다.

이를 달성하려면 단순히 하단 히터를 올리는 것 이상이 필요합니다. 표준 대류 예열기는 두꺼운 다층 보드를 충분히 빠르게 관통하지 못해 하단의 FR4를 태우지 않고 상단 버스바를 가열하지 못하는 경우가 많습니다. 가장 견고한 해결책은 일반적으로 상단 IR 예열기나 보드를 통해 열이 평형에 도달하도록 하는 확장된 침지 구역을 포함합니다.

이 온도를 추측하지 마십시오. IR 온도계는 방사율 문제로 인해 광택이 나는 구리 버스바에서는 쓸모가 없습니다. 예열 전략을 검증하는 유일한 방법은 희생 보드를 드릴링하고, K형 열전대를 배럴 벽이나 부품 본체에 직접 삽입한 후 프로파일러를 실행하는 것입니다. 코어 온도가 110°C 이상에 도달하지 않으면 공정이 불안정한 것입니다.

냄비 온도 함정과 체류 시간

콜드 조인트가 발생했을 때 생산 관리의 즉각적인 반응은 종종 "용탕 온도를 올려라"입니다. 이것은 파괴적인 오류입니다.

불량한 예열을 보상하기 위해 납땜 용탕을 320°C 또는 330°C로 가열하는 것은 잠재적 고장을 초래하는 지름길입니다. 이 온도에서는 구리 용해 속도가 급격히 가속화됩니다. 단순히 구멍의 무릎 부분에 납땜하는 것이 아니라 그것을 용해시키는 것입니다. 구리 패드와 배럴 도금이 납땜 덩어리에 침출되어 전도 경로가 얇아지고 납땜 용탕이 높은 구리 함량으로 오염됩니다. 이는 합금의 액상점(liquidus point)을 높이고 거칠고 느린 조인트를 만듭니다.

더욱이, 극한 온도는 플럭스 휘발물을 즉시 태워버립니다. 납땜이 실제로 표면을 적셔야 할 때쯤에는 플럭스가 탄화되어 비활성화되어, 젖음 부족과 기공을 초래합니다.

당겨야 할 레버는 온도가 아니라 체류 시간(접촉 시간)입니다. 고질량 조인트의 경우, 열 전달이 일어나도록 노즐 직경에 따라 보통 3~6초 범위의 더 긴 체류 시간이 필요합니다. 그러나 이것은 위험한 균형입니다. 너무 짧으면 배럴이 채워지지 않고, 너무 길면 PCB 재료가 박리되거나 패드가 침출될 위험이 있습니다. 허용 범위가 좁습니다. 안정적인 공정은 320°C 용탕에서 2초 체류하는 것보다 290°C 용탕에서 4초 체류하는 방식을 택할 수 있습니다. 전자는 금속학을 보존하고 후자는 파괴합니다.

화학과 불활성 처리

고신뢰성 선택적 납땜에서 질소 불활성화는 사치가 아니라 공정 요구 사항입니다.

무거운 부품을 가열하기 위해 체류 시간을 연장하면 납땜 웨이브가 대기 중에 더 오래 노출됩니다. 질소 차폐(일반적으로 99.999% 순도 필요) 없이는 노즐에 산화물과 슬래그 막이 빠르게 형성됩니다. 슬래그가 낀 노즐은 열 전달이 불량하고 웨이브 높이가 예측 불가능해집니다. 기계를 오전 8시에 완벽하게 조정해도 오전 10시에는 노즐이 산화 슬러지로 막히고 웨이브 높이가 1mm 변동하여 개방 조인트가 발생할 수 있습니다.

플럭스 선택도 매우 중요합니다. 고질량 보드의 경우, 플럭스는 연장된 예열 사이클 동안 활성도를 잃지 않고 견뎌야 합니다. 알코올 기반의 저고형분 무세척 플럭스는 너무 일찍 연소되는 경우가 많습니다. "찌꺼기"나 마르지 않는 끈적한 잔여물이 보이거나 웨이브가 닿기 전에 플럭스가 탄화된다면, 고고형분 제형이나 다른 활성제 패키지가 필요할 수 있습니다. 그러나 주의해야 합니다—활성도를 높이기 위해 수용성 플럭스로 전환하면 많은 선택적 라인이 처리할 수 없는 세척 요구가 생깁니다. 고열질량 프로파일에 맞게 설계된 견고한 무세척 플럭스를 고수하고, 드롭젯 플럭서가 보드 전체에 무작위로 뿌리지 않고 필요한 곳에 정확히 도포되도록 보정하십시오.

파괴적인 현실 점검

예열, 체류 시간, 플럭스를 조정한 후, 그것이 효과가 있었는지 어떻게 알 수 있습니까? 눈으로는 믿을 수 없습니다. 유일하게 중요한 검증은 단면 검사입니다.

"골든 보드"—링 라이트 아래에서 완벽해 보이는 보드를 가져와 파괴하십시오. 용탕에 담그고, 연마한 후 50배 현미경으로 관찰하십시오. 배럴 벽 전체 길이에 걸쳐 금속간 화합물(IMC) 형성을 찾아야 합니다. 100% 홀 채움을 확인해야 하며, 단지 75%가 아닙니다. 부품 리드 근처에서 "샴페인 기공"을 확인해야 하는데, 이는 공정이 너무 빠르고 뜨겁게 진행되어 플럭스 휘발물이 갇힌 것을 나타냅니다.

고질량 조인트를 정기적으로 단면 검사하지 않는다면 눈 감고 작업하는 것입니다. 예열 온도가 10°C 변동해도 조인트 외관은 변하지 않을 수 있지만, 배럴 채움은 50% 감소할 수 있습니다.

재작업의 오류

고질량 조인트가 검사에서 실패하면 수작업 납땜 인두로 수리하려는 유혹이 강합니다. 무거운 구리 버스바와 션트의 경우, 이는 거의 항상 전문적 과실입니다.

납땜 인두를 가진 인간 작업자는 국부 과열 없이 고질량 조인트를 재작업하는 데 필요한 열 에너지를 신뢰성 있게 전달할 수 없습니다. "터치업"은 종종 내부 배럴은 차갑고 기공이 남은 채 표면 납땜만 재유동시키는 데 그칩니다. 선택적 기계가 제대로 납땜하지 못하면 수작업 인두는 절대 할 수 없습니다. 초점은 전적으로 기계 능력에 맞춰져야 합니다. 기계가 실패하면 보드는 폐기될 가능성이 큽니다. 공정을 조정하여 실패하지 않도록 하십시오.