SMT의 리플로우 프로파일을 이해하는 방법

SMT의 리플로우 프로파일을 이해하는 방법

표면 실장 기술(SMT)의 발명과 개선은 전자 산업의 번영에 기여해 왔습니다. 리플로는 SMT에서 가장 중요한 기술 중 하나입니다.
The 리플로우 프로필 회로 기판 어셈블리에는 예열, 담금, 리플로우 및 냉각의 네 가지 주요 블록이 포함됩니다. 다음 단락에서 자세히 소개합니다.

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    예열 구역

    리플로우 프로파일에서 예열 영역은 일반적으로 PCBA의 온도가 실온에서 약 150~170°C로 상승하는 영역을 말합니다. 이 영역에서는 온도를 천천히 올려야 합니다(일회성 온도 상승이라고도 함). 솔더 페이스트의 양 대부분의 플럭스의 활성화 온도가 150°C 전후로 떨어지기 때문에 수증기가 제때 휘발되어 튀거나 후속 납땜 품질에 영향을 미치지 않도록 할 수 있습니다.

    PCB에 붙여 넣은 전자 부품, 특히 BGA 및 IO 커넥터 부품과 같은 대형 부품도 후속 고온에 대비하기 위해 천천히 가열해야합니다. 이 섹션의 가열 속도가 너무 빠르면 부품의 내부 및 외부 온도와 다른 재료의 CTE의 과도한 차이로 인해 부품이 변형되고 회로 요구 사항으로 인해 PCB의 구리 분포가 균일하게 설계되지 않는 경우가 많습니다.

    예열 구역

    가열 속도가 너무 빠르면 기판의 다른 영역의 열 흡수율이 저하되어 열 응력 차이, 기판 왜곡 및 기타 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 리플로우 프로파일의 예열 영역의 온도 상승 속도는 일반적으로 초당 1.5°C에서 3°C 사이에서 제어되며, 일부 무연 솔더 페이스트는 온도 상승 속도를 초당 5°C로 높입니다.

    빠른 온도 상승은 플럭스가 연화 온도에 빠르게 도달하고 빠르게 확산되어 솔더 조인트의 가장 넓은 면적을 덮을 수 있도록 도와주지만, 활성화제의 일부가 실제 합금의 액체에 통합될 수도 있습니다.

    그러나 온도가 너무 빠르게 상승하면 열 스트레스의 영향으로 세라믹 커패시터에 미세 균열이 발생하고 PCB의 고르지 않은 가열로 인한 뒤틀림, IC 칩의 공극 또는 손상이 발생할 수 있으며 솔더 페이스트의 용매가 휘발되어 솔더 페이스트가 붕괴될 위험이 있습니다.

    온도 상승 속도가 느리면 용매 휘발이나 가스가 더 많이 빠져나갈 수 있고 플럭스가 솔더 조인트에 더 가까워져 퍼지거나 붕괴될 가능성도 줄어듭니다. 그러나 리플로우 프로파일의 온도가 너무 느리게 상승하면 솔더 페이스트가 과도하게 산화되어 플럭스의 활성이 감소합니다.

    또한 리플로우 프로파일에는 다음과 같이 예열 영역의 예열 속도와 관련된 몇 가지 불리한 현상이 있습니다.

    접기

    리플로우 프로파일에서 이는 주로 솔더 페이스트가 녹기 전 페이스트 단계에서 발생합니다. 온도가 상승하면 열로 인해 재료의 분자가 더 심하게 진동하기 때문에 솔더 페이스트의 점도는 온도가 상승함에 따라 감소합니다. 또한 리플로우 프로파일의 급격한 온도 상승으로 인해 용매가 제대로 증발할 시간이 없었기 때문에 점도가 감소했습니다. 

    온도 상승으로 인해 용매가 휘발됩니다.

    정확하게 말하면, 온도 상승은 용매를 휘발시키고 점도를 증가 시키지만 용매 휘발은 시간과 온도에 비례합니다. 즉, 특정 온도 상승이 주어지면 시간이 길수록 더 많은 용매가 휘발됩니다. 따라서 온도 상승이 느린 솔더 페이스트의 점도는 온도 상승이 빠른 솔더 페이스트의 점도보다 높으며 솔더 페이스트가 붕괴되는 경향이 적습니다.

    주석 구슬

    리플로우 프로파일에서 플럭스가 가스로 빠르게 휘발하면 빠르게 빠져 나갈 수 있습니다. 때때로 주석이 외부 벨트로 튀고 작은 틈새의 몸체 아래의 작은 칩 구성 요소에서 솔더 페이스트가 분리됩니다. 후면 용접 부품 아래에 용접 패드가 없기 때문에 용융 된 솔더 페이스트를 끌어들일 수 있습니다. 부품 본체 압출의 무게와 결합하여 분리 된 용융 솔더 페이스트가 부품 본체 아래에서 나와 가장자리에 작은 주석 비드를 형성합니다.

    솔더 볼

    솔더 볼

    리플로우 프로파일에서 온도가 너무 빠르게 상승하면 솔더 페이스트에서 솔벤트 가스가 빠르게 증발하여 솔더 페이스트가 튀게 됩니다. 가열 속도를 늦추면 솔더 볼의 생성을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 그러나 너무 느리게 가열하면 과도한 산화가 일어나고 플럭스의 활성이 감소합니다.

    램프 사이펀 현상

    리플로우 프로파일에서 이러한 현상은 솔더가 핀을 적신 후 솔더가 핀을 따라 솔더 조인트 영역에서 위로 올라가 솔더 조인트에 솔더가 부족하거나 솔더가 비어 있는 현상입니다. 가능한 이유는 솔더 페이스트가 용융 단계에 있고 부품 피트의 온도가 PCB 패드보다 높기 때문입니다. 

    PCB 바닥의 온도를 높이거나 솔더 페이스트가 용융점에 가까운 시간을 연장하여 개선할 수 있습니다. 솔더가 젖기 전에 부품 피트와 솔더 패드 사이의 온도 균형에 도달하는 것이 가장 좋습니다. 땜납이 패드에 적셔지면 땜납의 모양이 변경되기 어렵고 더 이상 온도 상승률의 영향을 받지 않습니다.

    습윤성 불량

    산화 외에도 리플로우 프로파일의 습윤 불량은 일반적으로 주석 분말의 과도한 산화로 인해 발생합니다. PCB 납땜 공정예열 시 솔더 페이스트가 흡수하는 과도한 열을 줄임으로써 개선할 수 있습니다.

    이상적인 리플로우 프로파일 시간은 가능한 한 짧아야 합니다. 가열 시간을 단축하지 못하게 하는 다른 요인이 있는 경우, 실온에서 솔더 페이스트의 융점까지 선형 온도를 채택하여 리플로우 중에 주석 분말 산화 가능성을 줄일 수 있도록 하는 것이 좋습니다.

    주석 분말

    헤드 인 필로우

    리플로우 프로파일에서 잘못된 용접의 주요 원인은 심지 사이펀 현상 또는 비습윤으로 인해 발생할 수 있습니다. 심지 사이펀 현상이 발생하면 녹은 땜납이 더 높은 온도 위치로 이동하여 잘못된 납땜이 발생합니다. 비습윤 문제인 경우, 이는 베개에 머리 효과로 인해 BGA 솔더 볼이 솔더에 잠겼지만 진정한 금속 간 화합물(IMC) 또는 습윤이 형성되지 않은 현상입니다. 이 문제는 일반적으로 산화를 줄임으로써 해결할 수 있습니다.

    보이드

    주된 이유는 플럭스의 용매 또는 수분이 빠르게 산화되어 땜납이 굳기 직전에 빠져나가지 않기 때문입니다.

    담그기 구역

    소크존

    리플로우 프로파일에서 이 영역을 흡열 영역이라고 하며, 어떤 사람들은 "항온 영역" 또는 "활성 영역"이라고 부르며, 이 거의 일정한 온도의 온도는 일반적으로 150 ± 10°C 영역에서 유지되며, 무연 솔더 페이스트 온도는 약 170°C+/-10°C에서 유지됩니다. 램프업 온도는 일반적으로 150°C에서 190°C 사이로 떨어집니다. 이 리플로우 프로파일 영역은 솔더 페이스트가 용융되기 직전이며, 솔더 페이스트의 휘발성 물질이 더 제거됩니다. 

    활성화제가 활성화되어 납땜 표면의 산화물을 효과적으로 제거합니다. 이 리플로우 프로파일의 주요 목적은 다양한 크기와 다양한 텍스처를 만드는 것입니다. 부품의 온도는 리플로우 영역에 들어가기 전에 일정한 온도에 도달할 수 있으므로 보드 표면 온도 차이 △T가 최소값에 가까워집니다.

    이 온도 영역에서 리플 로우 프로파일의 모양은 수평에 가깝고 리플 로우 퍼니스 프로세스를 평가하기위한 창이기도합니다. 평평한 활성 리플로우 프로파일을 유지할 수있는 퍼니스를 선택하면 용융 시간이 다르기 때문에 시간 차이로 인해 쉽지 않기 때문에 납땜 효과가 향상되고 부품 양쪽 끝의 응력이 다른 문제가 줄어 듭니다.

    항온 영역은 일반적으로 퍼니스의 두 번째 영역과 세 번째 영역 사이에 있으며 시간은 약 60-120 초 동안 유지됩니다. 시간이 너무 길면 로진이 과도하게 휘발되고 솔더 페이스트가 과도하게 산화되는 문제가 발생하고 리플 로우 솔더링 중에 활동 및 보호 기능이 손실됩니다. 그 결과 용접 후 가상 용접, 솔더 조인트 잔류물 검게 됨, 솔더 조인트가 둔해지는 등의 문제가 발생합니다.

    이 영역의 온도가 너무 빠르게 상승하면 솔더 페이스트의 로진(플럭스)이 팽창하여 빠르게 휘발합니다. 정상적인 상황에서는 솔더 페이스트 사이의 틈새에서 로진이 천천히 빠져나와야 합니다. 로진이 너무 빨리 휘발하면 다공성, 튀긴 주석 및 주석 구슬과 같은 품질 문제가 발생합니다.

    리플로우 영역

    리플로우 영역

    리플로우 영역은 전체 섹션에서 리플로우 프로파일 온도가 가장 높은 영역으로, 일반적으로 "액체 위 시간"이라고 합니다. 이때 솔더의 주석은 패드의 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)과 "화학적으로 반응"하여 금속 간 화합물 Cu5Sn6 또는 Ni3Sn4를 형성합니다. 

    OSP(유기 보호막)의 표면 처리를 예로 들면, 솔더 페이스트가 녹으면 구리 층을 빠르게 적시고 주석 원자와 구리 원자가 계면에서 서로 침투하며, 초기 Sn-Cu 합금의 구조는 어셈블리 전체의 온도 구배를 최소화해야 하므로 리플로우 오븐 내에서 중요한 단계인 Cu6Sn5 금속 간 화합물(IMC)이 양호합니다.

    IMC의 두께는 1~5μm로 허용되지만 너무 두꺼운 IMC는 좋지 않으며 일반적으로 1~3μm로 제어하는 것이 가장 좋습니다. TAL은 솔더 페이스트 제조업체가 지정한 매개 변수 내에서 유지되어야 합니다. 제품의 최고 온도도이 단계에서 도달합니다. 시간이 너무 길면 IMC가 두껍고 부서지기 쉬워지고 구리 기반 바닥에서 Cu3Sn 불량 IMC가 계속 생성 될 수 있습니다. ENIG 표면 처리가 된 보드는 초기 단계에서 Ni3Sn4 IMC를 생성하지만 Cu6Sn5 화합물도 거의 생성하지 않습니다.

    PCB에 있는 온도에 민감한 부품의 최대 온도 및 가열 속도 용량을 초과하지 않도록 주의해야 합니다. 예를 들어 일반적인 무연 탄탈룸 커패시터의 최대 온도는 최대 10초 동안 260°C입니다. 이상적으로는 어셈블리의 모든 솔더 접합부가 동일한 시간에 동일한 속도로 동일한 최고 온도에 도달하여 모든 부품이 용광로에서 동일한 환경을 경험할 수 있도록 해야 합니다.

    리플로우 프로파일의 피크 온도는 일반적으로 솔더의 용융점 온도와 조립된 부품이 견딜 수 있는 온도에 따라 달라집니다. 일반적으로 솔더링 작업을 성공적으로 완료하려면 피크 온도가 솔더 페이스트의 정상 융점보다 약 25~30°C 높아야 합니다. 이 온도보다 낮으면 냉간 용접 및 습윤 불량이라는 단점이 발생할 가능성이 매우 높습니다. 리플로우 영역(TAL) 시간은 일반적으로 30초에서 60초 사이를 권장하며, 일부 제조업체는 45초 이상 90초 미만을 요구합니다.

    냉각 구역

    리플로우 영역이 끝나면 제품이 냉각되고 솔더 조인트가 굳어져 후속 조립 공정이 준비됩니다. 냉각 속도를 제어하는 것도 중요합니다.

    납땜 조인트

    일반적으로 리플 로우 프로파일의 냉각 영역은 솔더를 응고시키기 위해 빠르게 냉각되어야한다고 믿어집니다. 빠른 냉각은 또한 더 미세한 결정 구조를 얻고, 솔더 조인트의 강도를 향상시키고, 솔더 조인트를 밝게 만들고, 표면이 연속적이고 메 니스 커스 모양이지만 일부 가스가 빠져 나갈 시간이 없기 때문에 구멍을 형성하기가 더 쉽다는 단점이 있습니다.

    반대로 용융점 이상의 리플로우 프로파일에서 냉각 속도가 느리면 금속 간 화합물(IMC)이 과도하게 생성되고 결정 입자가 커져 피로 강도가 감소하기 쉽습니다. 냉각 속도를 가속화하는 동안 부품의 내충격성에 주의를 기울여야 합니다. 

    일반 커패시터에서 허용되는 리플로우 프로파일의 최대 냉각 속도는 초당 약 4°C입니다. 과도한 냉각 속도는 응력과 균열을 유발할 수 있습니다. 또한 패드와 PCB 사이 또는 패드와 솔더 조인트 사이에 박리가 발생할 수 있습니다. 일반적으로 리플로우 프로파일에서 권장되는 냉각 속도는 2~5°C/s입니다.

    자주 묻는 질문

    회로 기판 어셈블리의 리플로우 프로파일에는 예열, 담금, 리플로우 및 냉각의 네 가지 주요 블록이 포함됩니다.
    예열 영역은 일반적으로 PCBA의 온도가 실온에서 약 150~170°C까지 상승하는 영역을 말합니다.

    일반적으로 리플 로우 프로파일의 냉각 영역은 솔더를 응고시키기 위해 빠르게 냉각되어야한다고 믿어집니다. 빠른 냉각은 또한 더 미세한 결정 구조를 얻고, 솔더 조인트의 강도를 향상시키고, 솔더 조인트를 밝게 만들고, 표면이 연속적이고 메 니스 커스 모양이지만 일부 가스가 빠져 나갈 시간이 없기 때문에 구멍을 형성하기가 더 쉽다는 단점이 있습니다.

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