커스텀 웨이브 팔레트의 숨은 물리학

하이믹 제조에서 이상형 부품은 속도의 적이다. 이는 커넥터, 헤더, 그리고 표면장착이 거부되는 무거운 트랜스포머로, 기판의 나머지가 리플로우된 후에도 관통 구멍 처리 방식을 요구한다.

90% SMT와 10% 이상형 관통 구멍이 있는 기판에 직면하면, 종종 선택적 납땜 기계로 라우팅하는 것이 본능이다. 이는 정밀하게 느껴진다. 현대적이다. 제로 툴링 비용이 든다.

또한, 이것은 자주 함정이다.

선택적 납땜은 프로그래밍 가능한 정밀도를 제공하지만, 처리량에 가혹한 벌점을 부과한다. 보드를 이동하는 선택적 노즐이 400개 지점에 도달하는 것을 지켜보는 것은 대량 생산 라인에서는 인내심의 연습이다. 라인이 45초당 속도로 운행된다면, 12분 동안의 선택적 납땜 주기는 하나의 공정 단계가 아니라 주차장이다. 대안인 수작업 납땜은 노동 비용이 엄청나게 들고 인간 피로의 불규칙성을 가져온다.

이 가교를 연결하는 엔지니어링 해결책은 맞춤형 웨이브 납땜 팔레트이다. SMT 부품을 차폐하고 관통 구멍 핀만을 웨이브에 노출시킴으로써, 직렬 프로세스를 병렬로 전환한다. 그러나 기능적 팔레트 설계는 복합 재료 시트에 구멍을 뚫는 것 이상의 문제이다. 유체역학, 열 관리, 재료 과학의 문제이다. 납땜 웨이브를 뜨거운 금속의 단순한 풀로 간주하면, 결함을 더 많이 만들어내는 고장이 난 고정장치를 설계하게 된다.

박스 속 유체역학

웨이브 팔레트의 근본적인 문제는 용융 납이 비정상적인 방식으로 행동하게 만든다. 표준 웨이브 기계는 평평하고 열린 기판을 세척하도록 설계되어 있다. 팔레트를 도입하면, 납이 깊고 좁은 포켓으로 흐르도록 요구하는 것과 같으며, 조인된 부분을 적시하고 납이 다시 끌려 나오거나 다리가 끊기는 것을 막아야 한다.

그런데 ‘그림자 효과’도 있다. 팔레트 구멍의 벽이 너무 두꺼우면 역수와 같은 역할을 한다. 웨이브를 지나가는 동안, 팔레트 벽의 선행 가장자리가 납의 흐름을 아래로 밀어 turbulence 그림자를 만든다. 그 그림자에 앉은 핀이 웨이브를 보지 못하게 되어 ‘건너뛰기’—수작업 재작업이 필요한 열린 조인트—를 만들어낸다. 이를 방지하려면, 납이 흐르도록 가이드하는 챔퍼를 웨이브 측면에 만들어야 한다. 부품을 치우는 것만으로는 부족하다. 유체를 채널로 유도해야 한다.

또 다른 적은 눈에 보이지 않는 적: 가스 포획이다. 플럭스는 히터와 웨이브에 닿으면 가스를 발생시킨다. 열린 기판에서는 이 가스가 위쪽으로 사라진다. 팔레트 구멍 내에서는, 특히 PCB에 밀착되어 인근 0402 저항기 보호용으로 밀봉된 경우, 그 가스가 빠질 곳이 없다. 이는 조인트 주변에 기포를 형성하여 납이 패드를 적시지 못하게 한다. 적절히 설계된 팔레트에는 가스 배출 채널이 포함되어 있다—미세환기구로서, 플럭스 연무가 빠져나가면서 납이 들어가지 않도록 한다. 이들이 없으면, 전기적으로 개방된 완벽한 조인트를 볼 수 있는데, 이는 미세한 수지 포말의 공극에 갇혀 있기 때문이다.

소재 전쟁: 티타늄 대 복합 재료

팔레트 설계의 주요 제약 조건은 ‘금지영역(Keep-Out Zone)’이다—납땜이 필요한 관통 구멍과 보호해야 하는 가까운 SMT 부품 사이의 거리이다. 이 거리는 벽 두께를 결정하며, 벽 두께는 재료 선택을 좌우한다.

여유 공간이 3mm 이상이면 선택은 간단하다. Durostone 또는 Ricocel과 같은 일반 복합 재료가 적합하다. 이들은 비용 효율적이며, 가공이 쉽고, 260°C 납땜파의 열 충격에도 잘 견딘다. 수천 번의 사이클을 견딜 수 있는 3mm 벽을 가공할 수 있다.

그 수학은 간극이 1mm 이하로 떨어지면 무너집니다.

우리는 종종 디자이너들이 USB-C 커넥터 또는 스냅-핏 클립을 민감한 플라스틱 부품과 단 몇 밀리미터 거리에서 배치하는 것을 봅니다. 이러한 시나리오에서는 복합 벽을 0.5mm 이하로 가공해야 하며, 이 두께에서는 복합 재료가 구조적 무결성을 잃게 됩니다. 이들은 부서지기 쉽고, 열 응력에 취약하며, 더 심한 경우 플럭스를 흡수하여 분리되기 시작하여 몇번의 생산 후에는 스펀지 같은 엉망이 됩니다.

티타늄 그레이드 5를 도입하세요.

간극이 좁을 때, 우리는 맞춤형 티타늄 인서트를 가공하여 복합 재료 받침대에 나사로 조입니다. 티타늄은 두께가 0.4mm에 불과한 벽도 견고하게 유지하며, 플럭스에 대한 투과성을 방지합니다. 이는 비용이 많이 드는 업그레이드로, 종종 고정구 비용에 $400-$600이 더해지지만, 브리징 없이 고밀도 보드를 납땜하는 유일한 방법입니다.

열역학과 관련된 타당한 반론이 있습니다: 티타늄은 금속이며, 금속은 열을 전달합니다. 큰 티타늄 인서트는 냉각판 역할을 하여 납땜 접합부로부터 열 에너지를 빼앗아 ‘콜드 솔더’ 결함을 유발할 수 있습니다. 이는 실제 위험입니다. 하지만 이는 공격적인 예열 프로필과, 역설적이게도 벽의 두께 자체에 의해 완화됩니다. 0.5mm 티타늄 벽은 납땜 파도의 방대한 저장고에 비해 매우 적은 열 질량을 가집니다. 공간이 제한적일 때는 금속 인서트가 거의 항상 유리합니다.

부력 유지

중력은 일반적으로 납땜에서 우리의 친구이지만, 이상 형상의 부품에는 그렇지 않습니다. 특히 플라스틱 몸체를 가진 관통형 커넥터들은 놀랄 만큼 떠오릅니다. 파도의 혼돈 속에서 이들이 떠오르는 경향이 있으며, 조립 시 수평을 유지하던 헤더가 파도에서 기울거나 ‘스케이팅’하여 1mm 오프 보드 표면에서 벗어날 수 있습니다.

파렛트는 선택적 납땜이 할 수 없는 기계적 이점을 제공합니다: ‘탑-햇’ 또는 홀드-다운 클립을 사용할 수 있다는 것입니다. 이는 고정구의 상단 절반(또는 별도의 뚜껑)에 통합되어 납땜 과정 동안 부품 본체를 PCB에 물리적으로 고정합니다.

직각 커넥터 또는 무거운 변압기를 다룰 때, 도금 관통 구멍에 간단한 마찰 결합으로 파트의 정밀도를 유지하는 것이 드뭅니다. 우리는 한 번에 전체 보드 배치가 품질 검사에 실패하는 것을 목격했으며, 그 이유는 커넥터가 2도 정도 오프 축으로 떠 있었기 때문입니다. 이로 인해 최종 인클로저에 맞추는 것이 불가능했습니다. 티타늄 스프링 로드로 된 맞춤형 파렛트는 이 문제를 기계적으로 해결하며, 모든 부품이 매번 flush하게 자리 잡도록 보장합니다.

NRE의 ROI

대부분의 프로젝트에서 가장 어려운 점은 비반복 공학(NRE) 비용입니다. 티타늄 인서트와 홀드-다운이 포함된 복잡한 웨이브 파렛트는 $1,200에서 $2,000 사이의 비용이 듭니다. 스프레드시트를 보는 구매 담당자에게는, 이것이 선택적 납땜 기계의 ‘무료’ 툴링이나 Kapton 테이프 롤에 비해 많은 돈처럼 보일 수 있습니다.

이것은 총 소유 비용(TCO)을 계산하지 못한 실패입니다.

‘Kapton Tape’ 함정에 대해 생각해 보세요. SMT 부품을 고온 테이프로 마스킹 후 웨이브를 통과시킬 수 있느냐는 질문이 흔합니다. 테이프는 저렴하지만, 노동력은 그렇지 않습니다. 500개의 보드에 테이프를 붙이고, 웨이브 후 500개 보드에서 제거하는 것은 큰 노동력 손실입니다. 또한 부착 잔류물이 남아 있어 화학적 세정이 필요합니다. 200개 이상의 보드를 운영한다면, 테이핑의 노동 비용이 파렛트 비용을 초과할 것입니다.

비슷하게, 사이클 타임도 고려하세요. 만약 파렛트가 45초 만에 보드를 납땜할 수 있고, 선택적 기계에서는 8분이 걸린다면, 최초 1,000개 유닛 내에서 이 고정구는 기계 시간 자체로 비용을 회수할 수 있습니다. 파렛트는 부속품이 아니라 처리량에 관한 자본 투자입니다.

새 레이아웃을 평가할 때는 먼저 간극을 살펴보세요. 공간이 충분하다면 표준 재료가 훌륭한 선택입니다. 공간이 부족하면, 티타늄이 필요한 여유를 제공합니다. 그러나 초기 툴링 비용이 귀하의 SMT 라인 속도에 맞는 유일한 공정인 이 점에서 비용이 두려워하며 멀리하지 마세요.