브릿지가 없는 선택적 soldering: 실제로 작동하는 홀 설계

선택적 솔더링은 종종 공정 제어 문제로 처리됩니다. 인접 핀 사이에 브릿지가 나타나면, 첫 번째 충동은 체류 시간 조정, 플럭스 조정 또는 솔더 욕조 온도 낮추기입니다. 이러한 변수들이 중요하지만, 이는 훨씬 이전에 설정된 제약 조건 내에서 작동합니다: 바로 통과 구멍의 지오메트리입니다. 구멍이 잘못 설계되었다면, 어떤 공정 최적화도 브릿지를 신뢰성 있게 방지할 수 없습니다. 솔더는 물리적 설계로 인해 불가피하게 패드 사이를 찾게 됩니다.

이 패턴은 지속적으로 관찰됩니다. 고핀 수의 커넥터가 선택적 솔더링을 위해 도착하면, 모든 작업에서 브릿지가 형성되며, 숙련된 공정 엔지니어링에도 불구하고 마찬가지입니다. 근본 원인은 기계나 작업자가 아니라, 0.20mm 대신 0.08mm의 클리어런스를 가진 완료된 구멍 크기, 인접 패드를 직접 겨냥하는 스포크가 있는 열 완화, 또는 노즐을 손상된 각도로 밀어넣게 하는 금지 규칙 위반입니다. 이것들은 설계 결정이며, 이는 패드가 생산을 무사히 통과할지 아니면 재작업에 갇힐지를 결정짓습니다.

이 기사는 그 이유를 설명합니다. 우리는 브릿지 형성의 물리학을 탐구하고, 이를 방지하는 구멍 지오메트리 규칙을 도출할 것입니다. 이는 진정으로 중요한 설계 선택: 리드투홀 클리어런스, 열 완화 방향, 노즐 접근, 고열질량 부품을 위한 전략에 초점을 맞춥니다. 이는 임의의 지침이 아니며, 솔더가 배럴 내에서 어떻게 동작하는지에 대한 기계적 및 열적 현실입니다.

왜 선택적 납땜 다리 형성이 발생하는가

솔더 브릿지는 무작위 결함이 아니며, 두 포인트 사이에 계속 유지되어야 하는 절연된 경로를 형성하는 솔더의 예측 가능한 결과입니다. 선택적 솔더링에서는, 인접한 통과 구멍 바렐의 솔더가 만나는 순간, 보드의 상단 표면 또는 바렐 내부에서 접촉합니다.

모세관 작용의 역할

노즐이 용융 솔더를 통과 구멍에 적용하면, 솔더가 표면에만 모이는 것이 아니라, 모세관 작용을 통해 바렐을 통해 상승합니다. 이는 표면 장력과 솔더와 구리 바렐 벽 사이의 습윤력에 의해 중력에 반하여 위로 끌어올려집니다.

이 모세관 상승의 높이는 부품 리드와 바렐 사이의 고리형 간극에 따라 달라집니다. 좁은 간극은 강한 모세관력을 생성하여 솔더를 높고 빠르게 끌어올립니다. 넓은 간극은 약한 힘을 만들어 솔더가 정체될 수 있으며, 공극이 남을 수 있습니다. 문제는 바렐이 열린 튜브가 아니라는 점입니다; 그 안에는 리드가 있습니다. 간극이 너무 작으면, 바렐이 조인트보다 더 많은 솔더로 채워지고, 그 초과량은 밖으로 나올 수밖에 없으며, 상단 패드에 퍼집니다.

이 넘침은 패드 가장자리에 미세한 곡면을 형성합니다. 인접한 두 패드 모두 과잉 솔더가 있으면, 그들의 곡면이 접촉합니다. 그 순간, 표면 장력이 두 풀을 하나의 덩어리로 끌어당기며, 이는 브릿지를 형성합니다.

인접한 배럴이 하나가 될 때

중요한 변수는 피치입니다—리드 사이의 중심간 거리. 표준 2.54mm 피치와 적절한 홀 간격으로, 패드 사이에 충분한 공간이 있어 유막이 떨어져 있게 할 수 있습니다. 부적절한 간격의 1.27mm 피치에서는 오차 여유가 사라집니다.

상호작용은 기하학적이면서도 열적입니다. 공유 면에 인접한 두 패드가 연속적인 구리 경로를 만들어 열을 전도합니다. 노즐이 한 패드에 머무른 후 바로 다음으로 이동하면, 첫 번째 패드는 아직 용융 상태입니다. 두 번째 패드의 납땜은 구리를 통해 첫 번째 패드 쪽으로 흡수될 수 있으며, 특히 열 완화장이 없거나 잘 배치되지 않은 경우 더 그렇습니다.

다리의 경계 조건이 허용되기 때문에 다리가 형성됩니다. 납땜은 단순히 물리 법칙을 따르며, 가장 작은 표면적을 형성하여 표면 에너지를 최소화합니다. 가까이 위치한 오버플로우된 패드 두 개의 경우, 이는 하나의 공유된 덩어리를 의미합니다. 이 행동을 공정 요령으로 다루려고 하지 말고, 처음부터 그것이 발생하지 않도록 경계 조건을 설계하는 것이 해결책입니다.

브릿지를 방지하는 리드투홀 클리어런스

선택적 납땜의 가장 중요한 설계 매개변수는 부품 리드와 완성된 구멍 간의 직경 차이입니다. 이 간격은 실린더에 들어가는 납의 양, 모세관 상승의 강도, 그리고 초과 납이 상부 표면으로 넘치는지 여부를 결정합니다. 이것을 잘못 설정하면 다리 형성 문제가 거의 확실시됩니다.

이상적인 간격: 0.15mm ~ 0.25mm

선택적 납땜의 직경 간격 작동 범위는 엄격한 범위입니다: 0.15mm ~ 0.25mm. 이는 웨이브 납땜의 일반 범위인 0.40mm 이상보다 훨씬 좁습니다. 차이점은 적용 방법에 있습니다. 웨이브는 높은 운동 에너지로 실린더를 아래에서 덮치는 반면, 선택적 노즐은 훨씬 적은 힘으로 국소적으로 납을 적용합니다. 실린더는 납을 위로 끌어올리기 위해 더 많은 일을 해야 합니다.

• 0.15mm 미만: 실린더가 너무 꽉 끼어 있습니다. 좁은 고리형 틈은 과도한 모세관 힘을 만들어 납이 너무 많아 조인트로 끌려 들어가게 합니다. 실린더가 과충전되어 납이 상측 패드에 퍼지고, 다리 형성(브리징)이 발생할 가능성이 높아집니다.
• 0.25mm 초과: 실린더가 너무 느슨합니다. 모세관 힘이 약화되어 납이 완전히 상단으로 올라가지 않고 빈 공간이나 냉접합이 생길 수 있습니다. 이는 고신뢰성 애플리케이션에 적합하지 않습니다.

0.15mm ~ 0.25mm 범위는 모세관 작용이 실린더를 신뢰성 있게 채울 만큼 강하지만, 너무 강해서 과충전이 일어나지 않는 이상적인 영역입니다. 납은 패드와 리드에 습윤되어, 패드 경계를 넘지 않는 컨트롤된 필레(fillet)를 형성합니다.

완성된 구멍 크기 계산

완성된 구멍의 직경은 후에 도금, 드릴 크기가 아닙니다. 이를 계산하려면, 부품 데이터시트에서 최대 리드 직경으로 시작하여 원하는 여유공간(일반적으로 0.20mm을 목표로 함)을 더하세요. 이것이 완성된 구멍의 직경입니다.

드릴 크기를 찾으려면 도금 두께의 두 배를 빼세요. 배럴 내부에 25마이크로미터(0.025mm)의 구리 도금이 있는 표준 보드의 경우, 0.05mm를 빼야 합니다. 예를 들어, 0.64mm 정사각형 핀은 대각선이 약 0.90mm입니다. 0.20mm의 여유공간이 필요하다면, 1.10mm의 완성 구멍이 필요하며, 이는 1.05mm 드릴이 적합합니다.

이 수준의 정밀도는 도금 두께가 제어되고 완성된 구멍 크기가 검증될 수 있도록 제조업체와의 협력이 필요합니다. 또한, 부품 리드 직경을 정확히 아는 것도 필수적입니다. IPC-7251과 같은 일반 가이드라인이 존재하지만, 이는 웨이브 인서션에 맞춰 작성되어 삽입의 용이성을 우선시합니다. 선택적 납땜의 경우, 납땜 양의 제어가 매우 중요하며, 공차를 더 엄격하게 하고 이를 방어할 수 있어야 합니다.

열 완화 및 솔더 플로우 제어

열 완화는 플레인(평평한 판)의 열 전도 현상을 줄이는 것으로 알려져 있지만, 선택적 납땜에서의 역할은 더 복잡합니다. 또한 이들은 납땜 흐름의 방향과 대칭을 제어합니다. 열 완화의 스포크(spoke)는 열과 용융된 납의 우선 통로입니다. 이들의 설계는 납땜이 고르게 흐르거나 다리(bridge)를 형성하는 방향으로 집중하는지 결정합니다.

스포크 수와 너비

4-스포크 완화는 2-스포크 디자인보다 더 균일하게 열을 분배하지만, 스포크가 너무 넓으면 납이 밖으로 흡수될 수 있는 채널 역할을 할 수 있습니다. 너비가 0.30mm 이하인 스포크는 큰 납땜 흐름 경로를 만들지 않으면서 우수한 열 절연을 제공합니다. 0.50mm 이상에서는 스포크가 패드 자체의 연장처럼 작용하기 시작합니다. 넓은 스포크를 요구하는 고전류 애플리케이션의 경우, 배치 방향이 중요해집니다.

일부 고전력 설계에서는 열 완화를 전혀 사용할 수 없습니다. 이러한 직적(직접) 플레인 연결의 경우, 구멍 간격이 더욱 중요해지고, 공정은 확장된 예열로 보상해야 합니다. 브리징 위험이 더 높아지는데, 이는 패드가 이웃과 열적으로 연결되어 연속된 고온 구역을 형성하기 때문입니다.

브릿지 경로를 최소화하는 방향

두 인접 패드에 두 스포크 완화가 서로를 향하도록 배치하면, 열과 납이 스포크를 따라 흐르며 패드 사이의 공간에서 만나게 되어 열량과 납땜이 교차하는 고속도로를 만들게 됩니다.

해결책은 단순합니다: 완화를 회전시키세요.

• -에서 두 스포크 완화핀 행에 수직으로 스포크를 배치하세요.
• -에서 네 스포크 완화핀 행에 대해 45도 각도로 스포크를 배치하세요.

이로써 인접한 패드를 향하는 스포크 포인트가 없게 되어 더 대칭적인 열 환경을 만듭니다. 1.27mm 피치 커넥터의 경우, 90도 회전한 정렬이 다른 변수는 변경하지 않으면서 브리징을 제거할 수 있습니다.

노즐 및 팔레트 접근 금지 규칙

선택적 납땜은 물리적 공정입니다. 노즐이 보드 아래에 위치해야 하며, 팔레트(받침대)가 노즐의 경로를 방해하지 않도록 보드 전체를 잡고 있어야 합니다. 레이아웃이 이러한 공간적 요구사항을 무시하면, 공정은 시작도 전에 실패하게 됩니다.

노즐의 수평 간격

납땜 노즐은 일반적으로 직경이 4mm에서 8mm입니다. 주변 부품과 충돌하지 않도록 목표 패드 주변에 방사형 간격이 필요합니다. 일반적으로, 6mm 노즐은 패드의 중심에서 주변 부품의 가장자리까지 약 5mm의 유지반경이 필요합니다.

이것은 많은 설계자가 예상하는 것보다 더 큰 풋프린트이며, 특히 밀집된 보드에서는 더욱 그렇습니다. 대부분의 머신은 이 요구 사항을 줄이기 위해 노즐이 각도 각도로 접근하는 것을 허용하지만, 각진 접근은 비대칭적인 가열을 초래하며 더 긴 체류 시간을 필요로 할 수 있습니다. 수직 접근을 위한 충분한 간격이 항상 선호됩니다. 보드 가장자리의 커넥터는 일반적인 문제로, 노즐이 보드 경계를 넘어설 수 없기 때문입니다. 이 제약 조건은 레이아웃 도중에 인지되어야 하며, 프로세스 개발 중에 발견되어서는 안 됩니다.

수직 간격과 부품 높이

노즐은 또한 조인트를 적시하기 위해 보드 아래에서 올라와야 합니다. 목표 패드 옆에 있는 높은 부품은 노즐을 물리적으로 차단할 수 있습니다. 이 Z축 간격 문제는 수직 유지구역이 필요합니다. 노즐의 작동 높이보다 높은 부품은 선택적 납땜 조인트의 수평 간격 반경 내에 배치해서는 안 됩니다. 이것은 기계, 레이아웃, 공정 엔지니어링 간의 협력이 필요한 3D 설계 문제로, 종종 수작업 또는 맞춤 설계 규칙 스크립트로 검사됩니다.

대량 커넥터 설계 전략

핀 수가 많은 커넥터는 선택적 납땜에 완벽하게 적합하며, 재플로우를 견디지 못하는 경우가 많습니다. 또한 높은 열용량으로 인해 가장 납땜이 어려운 부품입니다. 대형 금속 쉘과 밀집된 핀 배열은 대량의 열 싱크 역할을 하여 노즐이 공급하는 에너지보다 더 빨리 조인트에서 열을 빼앗아 갑니다.

열 질량이 좋은 습윤을 방해하는 이유

열 질량이 높은 커넥터는 엄청난 양의 에너지를 흡수합니다. 납땜 중에는 노즐이 국소적으로 열을 가하지만, 그 열은 즉시 커넥터 본체와 연결된 구리 평면으로 열이 전달됩니다. 납은 이상적인 습윤 온도에 도달하지 않거나, 잠시만 도달합니다. 그 결과는 차가운 연결 또는 부분 채움입니다. 흔한 공정 실수는 체류 시간을 연장하여 보상하는 것인데, 이는 너무 많은 납사를 사용하여 넘치거나 다리를 만들어 버립니다.

설계 솔루션은 조인트를 최대한 열적으로 절연하는 것입니다. 이는 필요한 전류를 전달할 수 있는 가장 가느다란 스포크를 가진 열 경감 장치를 사용하는 것을 의미하며, 또 다른 방법은 커넥터 아래의 평면에 국부적인 컷아웃을 생성하는 것으로, 납땜 동안 열 연결을 차단하는 동시에 전체 평면의 무결성을 유지하는 크기여야 합니다.

핀 스터브 길이와 납땜량

보드 상단 표면 위로 돌출된 핀 스터브의 길이도 납땜량에 영향을 미칩니다. 긴 스터브는 채워져야 할 총 장력인 배럴 길이를 증가시킵니다. 만약 구멍 간격이 이미 촘촘하다면, 긴 스터브는 쉽게 넘침 현상을 유발할 수 있습니다.

선택적 납땜의 경우, 스터브는 검사에 필요한 최소 길이인 0.50mm에서 1.50mm로 잘라내야 합니다. 더 긴 스터브는 조인트 강도에 아무 가치도 더하지 않으며 결함 위험만 증가시킵니다. 부품이 긴 리드를 가지고 제공되는 경우, 삽입 전이나 후에 잘라내야 합니다. 이 추가 단계의 비용은 수백 핀 커넥터의 브릿지 재작업 비용에 비하면 미미합니다.

공정 여유를 위한 설계

이 문서의 규칙들은 선호도가 아니라 신뢰할 수 있는 선택적 납땜 공정을 위한 물리적 요구 사항입니다. 0.20mm의 리드-구멍 간격, 올바르게 정렬된 열 경감, 충분한 노즐 유지반경이 갖춰진 보드는 최소한의 조정으로 깔끔하게 납땜됩니다. 이러한 기본 원칙을 무시하는 보드는 얼마나 숙련된 프로세스 엔지니어라도 어려움을 겪을 것입니다.

생산성을 고려한 설계의 목표는 여유를 만들어, 약간의 프로세스 또는 부품 차이에도 실패가 발생하지 않도록 하는 것입니다. 타이트한 간격과 열 설계의 미흡은 그 여유를 제거하며, 이는 지속 가능한 제조 전략이 아닌 완벽을 요구하는 수준의 성과를 초래합니다.

이 중요한 결정들은 종종 후속 영향에 대한 충분한 이해 없이 레이아웃 단계에서 이루어집니다. 사전 생산 설계 검토는 간단한 CAD 수정으로 유지반경 미준수 또는 작은 구멍 문제를 잡아낼 수 있습니다. 제작 후에는 수정이 새로운 보드 제작 또는 비용이 많이 들고 신뢰할 수 없는 프로세스 해결책이 됩니다.

선택적 납땜이 제대로 작동하게 하려면 체크리스트는 간단하지만 필수적입니다. 리드-구멍 간격이 0.15mm에서 0.25mm 사이인지 확인하세요. 열 경감은 인접 패드와 멀리 배치하세요. 노즐에 최소 5mm의 방사형 간격을 제공하세요. 고중량 커넥터는 열적으로 절연하세요. 그리고 핀 스터브는 1.50mm 이하로 유지하세요. 이것들이 성공적인 제품과 생산 악몽을 구분하는 규칙입니다.