무연 솔더의 리플로우 솔더링 온도는 몇 도입니까?

스마트폰, 자동차 PCB, 소비자 웨어러블 등 전자 제품 제조 분야에서 일한 적이 있다면 아마도 "리플로우 솔더링"이라는 용어를 들어본 적이 있을 것입니다. 무연 솔더(RoHS와 같은 환경 규제로 인해 현재 대부분의 지역에서 의무화됨)를 사용하는 경우 모두가 묻는 가장 큰 질문은 '올바른 리플로우 솔더링 온도는 얼마입니까?'입니다. 10년 넘게 SMT 팀과 함께 일한 리플로우 솔더링 공급업체로서 저는 온도 프로필이 좋지 않아 너무 많은 프로젝트가 방향을 잃게 되는 것을 보아왔습니다. 너무 뜨거워서 부품이 타거나, 너무 추워서 접합부가 부서지기 쉽습니다. 전문 용어를 사용하지 않고 매주 픽 앤 플레이스 기계와 리플로우 오븐을 사용해 본 사람의 실제 이야기를 간단하게 분석해 보겠습니다.

먼저 기본 사항을 바로잡아 보겠습니다. 무연 솔더는 아늑한 183°C(361°F)에서 녹는 오래된 납 함유 솔더와는 다릅니다. 요즘 가장 일반적인 무연 합금은 SAC305(주석, 은, 구리)입니다. 강도, 경제성, 규정 준수의 균형을 유지하기 때문입니다. 융점은 약 217°C(423°F)이므로 리플로우 프로필이 이에 도달해야 하지만 솔더가 흐를 때까지 오븐을 가동시키는 것만큼 쉽지는 않습니다. 보드나 구성 요소가 죽는 것을 방지하려면 특정 단계의 프로필을 구축해야 합니다.

표준 무연 리플로우 프로파일의 4가지 주요 단계를 살펴보겠습니다. 1단계는 일반적으로 150°C~200°C(302°F~392°F)에서 60~120초 동안 예열하는 것입니다. 이는 두 가지 큰 일을 합니다. 솔더 페이스트의 플럭스를 건조시키고(플럭스는 솔더가 붙도록 금속 표면을 청소하는 끈적끈적한 물질입니다) 보드를 균일하게 가열하여 열 충격을 주지 않습니다. 열 충격은 차가운 PCB에 한꺼번에 열이 가해지는 현상입니다. 이 단계를 건너뛰면 PCB의 작은 균열이나 칩 저항기의 미세 균열이 얼마나 많이 발생하는지 놀라게 될 것입니다. 프로토타입 제작을 위한 3존 리플로우 오븐과 같은 소규모 설정을 사용하는 경우 작은 보드가 더 빨리 가열되므로 예열 시간을 조정해야 할 수도 있습니다.

두 번째 단계는 많은 신입생들이 건너뛰거나 서두르는 흡수 단계입니다. 여기에서 예열 온도(보통 180°C~200°C(356°F~392°F))를 60~90초 동안 유지합니다. 여기서 목표는 모든 구성 요소(크고 작음)를 동일한 온도로 유지하고 플럭스가 패드와 솔더 볼에서 산화를 제거할 만큼 충분히 활성인지 확인하는 것입니다. 충분히 담그지 않으면 콜드 조인트(시간이 지남에 따라 끊어지는 둔하고 거친 연결)가 생기며 이는 현장 실패의 악몽입니다. 나는 값싼 3존 오븐을 사용하고 담그는 과정을 건너뛴 고객을 기억합니다. 그들은 보드의 30%를 재작업해야 했습니다. 그때 우리는 더 정확한 장치로의 업그레이드를 권장했습니다.SMT 조립용 HW-R10 10개 영역 리플로우 납땜 오븐, 손톱을 담그는 시간을 완벽하게 지정하는 전용 구역이 있습니다.

다음은 모두가 관심을 갖는 부분인 리플로우(Reflow) 단계입니다. 이곳이 최대 245°C(473°F)에서 최고조에 달하는 지점입니다. 그렇죠? 잠깐, 잠깐만요. 최고 속도로 정확한 정점에 도달하지 마세요. SAC305 융점인 217°C보다 10~15초만 더 높은 최고점까지 완만한 상승을 원합니다. 왜? IC와 같은 부품은 초고열을 오랫동안 견딜 수 없기 때문입니다. 대부분의 표준 SMT 부품의 최대 정격 온도는 260°C이므로 그 이상은 절대 허용하지 않습니다. 너무 많은 신입 엔지니어들이 "작업이 빨리 완료된다"는 이유로 최고 온도를 250°C로 설정하는 것을 봅니다. 하지만 그렇게 하면 BGA나 민감한 커넥터를 죽일 수 있습니다. 여기서 핵심은 한 지점만이 아닌 전체 보드의 온도를 모니터링하는 것입니다. 큰 전력 구성 요소가 작은 0201 칩 옆에 있는 경우 열 요구 사항이 다르므로 일관성을 위해 다중 영역 오븐은 협상할 수 없습니다. 그만큼회로전자PCB 제조장비페이지에는 영역 수가 프로필 정밀도에 어떤 영향을 미치는지 자세히 설명되어 있으므로 이제 막 시작한 경우 이를 확인하세요.

그런 다음 종종 간과되지만 매우 중요한 냉각 단계가 있습니다. 30~60초 안에 보드를 실온(또는 최소 75°C/167°F)까지 식혀야 하며, 갑자기 차가운 공기가 불어오지 않고 꾸준하고 천천히 식혀야 합니다. 빠른 냉각으로 인해 솔더 입자가 더 작아지고 더 강하고 안정적인 접합이 생성됩니다. 너무 느리게 냉각하면 더 부서지기 쉬운 더 큰 입자를 얻을 수 있습니다. 특히 진동을 받는 자동차 또는 의료 부품에서는 아무 쓸모가 없습니다. 나는 한때 우리 회사로 전환한 항공우주 고객과 일한 적이 있습니다.HW-R816Z SMT용 8개 구역 이중 컨베이어 리플로우 오븐오래된 오븐의 냉각 시간이 약했기 때문입니다. 하룻밤 사이에 공동 실패율이 40% 감소했습니다. 이중 컨베이어는 교차 오염 없이 한 번에 두 개의 보드를 작업할 수 있으므로 대용량을 실행하는 경우에도 유용합니다.

자, 문제는 모든 것에 맞는 단일한 프로필은 없다는 것입니다. 이는 보드 크기, 구성요소 혼합, 심지어 솔더 페이스트 제조업체의 사양에 따라 달라집니다. 일부 솔더 페이스트는 더 짧은 담금 시간이 필요하고 다른 일부는 더 높은 피크가 필요합니다. 그렇기 때문에 테스트는 협상할 수 없습니다. 나는 항상 고객에게 큰 구성 요소, 작은 칩, PCB 가장자리 등 다양한 지점에 열전대가 부착된 테스트 보드를 실행하여 모든 지점이 권장 범위 내에 있는지 확인하라고 말합니다. 소량 프로토타입을 제작하는 경우 거대한 10존 오븐이 필요하지 않습니다. 콤팩트칩 제조기 CNC 픽 앤 플레이스3존 리플로우 오븐과 함께 사용하면 잘 작동합니다. 중간 볼륨의 경우마이크로 픽킹 및 플레이스용 제조 기계라인은 큰 비용을 들이지 않고도 정밀도와 속도의 균형을 유지하므로 완벽합니다.

잠깐만요, 흔히 저지르는 실수에 대해 이야기해 보겠습니다. 첫째, 부품 온도 민감도를 고려하지 않았습니다. LED와 같은 장치는 마이크로컨트롤러보다 최대 온도가 낮을 ​​수 있으므로 프로필을 가장 약한 링크로 조정해야 합니다. 둘째, 플럭스 활동을 무시합니다. 리플로우 온도가 너무 낮으면 플럭스가 제대로 활성화되지 않아 보이드가 발생합니다. 보이드는 솔더 조인트에 있는 작은 기포입니다. 이는 연결을 약화시키며, 스트레스가 높은 애플리케이션에서는 시한폭탄입니다. 셋째, 오븐을 과밀하게 만듭니다. 보드를 너무 가깝게 달리면 뜨거운 공기가 잘못 순환되어 프로필이 일관되지 않게 됩니다. 항상 오븐의 보드 사이에 공간을 남겨두고 구역 온도와 컨베이어 속도를 확인하세요.

또 다른 큰 문제는 규정 준수입니다. 대부분의 지역에서는 현재 무연 납땜이 필요하므로 너무 낮은 온도 프로필로 모서리를 자르면 제품이 세관에 걸리거나 시장에서 금지될 수 있습니다. 납 함유 기판의 납 함유 솔더에 대한 프로파일을 사용했기 때문에 불량 배치 후에 고객이 저를 찾아오곤 했습니다. 이는 그야말로 재앙이었습니다. SAC305(또는 더 나은 고온 저항이 필요한 경우 SAC-Q)를 고수하고 앞서 언급한 온도 범위를 고수하십시오.

첫 번째 리플로우 라인을 설정하는 중이라면 장비를 아끼지 마십시오. 저렴한 노네임 오븐을 사용하면 초기에 비용을 절약할 수 있지만 잘못된 연결부와 실패한 프로토타입으로 인한 재작업 비용으로 인해 예산이 낭비됩니다. 프로필을 사용자 정의할 수 있는 신뢰할 수 있는 리플로우 오븐에 투자하는 것은 한 푼도 투자할 가치가 없습니다. 우리는 오븐을 사용하여 수십 개의 소규모 상점이 프로토타입 제작부터 전체 생산까지 규모를 확장하도록 도왔으므로 귀하의 요구 사항에 적합한 기계를 찾는 방법을 자세히 알고 있습니다.

결국 무연 솔더의 리플로우 솔더링 온도는 임의의 숫자가 아니라 열, 시간 및 제어의 균형입니다. 프로파일을 올바르게 설정하고 볼륨 및 구성 요소 혼합에 적합한 오븐을 사용하면 언제나 강력하고 안정적인 솔더 조인트를 얻을 수 있습니다. 특정 프로젝트에 어떤 프로필이 적합한지 여전히 고민 중이거나 리플로우 설정을 업그레이드하여 공동 실패 처리를 중단하려는 경우, 저희에게 연락하여 귀하의 필요 사항에 대해 채팅하세요. 우리는 단순한 공급업체가 아닙니다. 우리는 실제로 귀하와 함께 참호에 서서 프로필 문제를 해결하고 귀하가 SMT 라인을 원활하게 운영할 수 있도록 올바른 장비를 선택하도록 돕는 팀입니다.

참고자료

IPC-J-STD-020, "비밀폐형 고체 표면 실장 장치에 대한 수분/리플로우 감도 분류"
IPC-SM-817, "납땜된 전기 및 전자 어셈블리에 대한 요구 사항"
SAC305 솔더 페이스트 기술 데이터 시트, Indium Corporation, 2022
ROHS 2.0 지침 2011/65/EU, 유럽 의회, 2011