서론
제 게시물 중 상당수는 다양한 종류의 웨이브 솔더링 플럭서, 즉 그 성능과 단점에 대해 다루어 왔습니다. 이번 시리즈도 이와 비슷하겠지만, 프리히터에 대해 다룰 예정입니다 . 하지만 먼저, 간단히 소개해 드리겠습니다.
예열의 정의는 PCB에 열을 가하는 작업입니다. 후 플럭스 증착 직후 전에 납땜. 웨이브 솔더링은 예열 없이도 수행할 수 있지만 솔더링 속도가 느려집니다. "시간은 돈이다"라는 오래된 속담은 예열의 필요성을 강조합니다. 기계 납땜 SMT 및 TH 핸드북에서 Woodgate는 "예열을 사용한 실험 작업 중에 일반적인 예열을 적용한 상태에서 분당 12피트 속도로 기판을 납땜했습니다. 예열을 하지 않으면 분당 2.5피트보다 빠르게 납땜할 수 없었습니다." 이 과정 없이 조인트가 형성될 수 있다고 해서 반드시 그렇게 해야 한다는 의미는 아닙니다.
예열을 하는 이유는 거의 항상 있습니다:
- 플럭스를 가열하여 "활성화"하려면 다음과 같이 하세요.
- 솔더 웨이브만 접촉할 경우 튈 수 있는 플럭스 용매를 건조시켜 솔더 볼을 방지합니다.
- 솔더 웨이브로 인한 PCB의 열 충격을 줄여 급격한 온도 상승과 관련된 뒤틀림 및 기타 결함을 줄입니다.
예열을 사용하는 가장 중요한 이유는 "최종 가열 및 납땜을 더 빠르게 진행할 수 있도록 보드, 구성 요소, 종단 및 기타 조인트 부분을 예열"하기 위해서입니다. 용융된 땜납에 대한 노출을 최소화함으로써 구성 요소의 손상도 최소화할 수 있습니다.
예열기의 종류
이전 편에서, 웨이브 솔더링 비용을 절감하기 위해서는 예열이 필요하다고 언급한 바 있습니다. 웨이브 솔더링 공정의 비용을 절감하기 위해 다양한 유형의 예열기가 개발되어 왔으며, 각각 장단점이 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 예열기의 형태는 다음과 같습니다:
- 전기 가열식 핫플레이트 또는 플레이트
- 관형 전기식 (Cal Rod)
- 헛소리
- 쿼츠 접시
- 쿼츠 막대
- 세라믹
- 적외선
- 집중된 태양광의 안구 조사
- *참고* 이를 할 수 있는 사람은 단 한 명뿐이며, 이는 극히 드문 일입니다. 그는 또한 “날아가는 총알보다 빠르고! 기관차보다 강력하며! 한 번의 도약으로 높은 빌딩을 뛰어넘을 수 있다!”는 인물입니다. 물론 제가 말하는 것은 ‘강철의 사나이’, 슈퍼맨입니다. 그의 능력 중 하나는 열선 시력입니다. 이는 ‘강철의 사나이’가 현장에 있기만 하면 되므로, 보드를 예열하는 데 이상적인 방법이 될 것입니다.
이 모든 내용은 앞으로 몇 주 동안 다뤄질 예정입니다(크립토니안은 제외).
공정에서 적합한 예열기를 선택하려고 할 때 운영자가 스스로에게 물어봐야 할 질문들은 다음과 같습니다:
- 전기 요금과 에너지 효율이 걱정되시나요?
- 매우 빠르게 냉난방을 해야 하나요? 그렇다면 작은 열용량이 이상적일 것입니다.
- 청소는 어떻게 하나요? 자동 세척 기능이 매력적인가요?
- 같은 예열기를 얼마나 오래 사용할 예정이신가요? 시간이 지남에 따라 열 출력이 떨어지는 일은 원치 않으실 테니까요.
안타깝게도 앞서 제기된 모든 의문을 해결해 줄 예열기는 는 아직 존재하지 않습니다. 우리 모두는 그런 예열기가 발명되기를 간절히 기다리고 있습니다. 언급된 예열기 대부분은 나열된 기능 중 한두 가지만 갖추고 있을 것입니다. 앞으로 몇 주 동안 이 예열기들의 각 기능을 하나씩 소개해 드리겠습니다.
핫 플레이트 또는 플레이트
이전 섹션에서는 다양한 종류의 예열기를 모두 소개했습니다. 이번에는 핫 플레이트 또는 플레이트형 예열기부터 먼저 설명하겠습니다.
예열을 위한 저렴한 방법을 찾고 계신다면, 핫 플레이트 나 플레이트 예열 방식을 추천합니다. 이 예열기는 하단에 스트립 히터가 볼트로 고정된 철판으로 구성되어 있으며, 금속 커버로 보호되어 있습니다. 아래에서 회로도를 확인할 수 있습니다.
스트립 히터는 일반적으로 컨베이어에서 기판의 이동 방향과 평행하게 배치됩니다. 이 경우 기판은 스크린에 수직으로 이동하게 됩니다. 이 방식의 장점은 납땜되는 기판의 폭과 크기에 따라 일부 히터를 켜거나 끌 수 있다는 점입니다. 이를 통해 필요할 때는 전력을 절약하고, 다른 경우에는 더 효율적으로 가열할 수 있습니다. 그러나 균일한 가열을 위해서는 강판의 두께가 충분히 두꺼워야 하므로, 전력 절감 효과는 기껏해야 미미한 수준에 그칩니다.
장점
- 사실상 자체 세척 기능이 있습니다: 잔여물이 쌓여도 타버리기 때문에 가열 성능에 영향을 미치지 않습니다.
- 사소한 환경 변화(예: 기계 도어 열기 등)의 영향을 받지 않음
- 높은 열용량
- 저비용
단점
- 전력 에너지의 비효율적인 사용
- 안정된 온도에 도달하는 데 상당한 시간이 소요됩니다.
이러한 유형의 예열기는 생산 과정에서 납땜 매개변수가 크게 변하지 않을 때 이상적입니다. 플레이트가 평형 상태에 도달할 때까지 기다리는 것은 조립 공정에서 문제가 될 수 있는데, 기계가 가동되지 않으면 생산 라인이 멈추기 때문입니다. 이 문제를 완화하는 한 가지 방법은 기판 크기에 따라 컨베이어 속도를 조절하는 것입니다. 그러나 이 경우 처리 속도와 예열 온도 사이에서 타협점을 찾아야 하는 상황이 발생합니다. 조립품이 밀집되어 있거나 조립 작업자가 다층 기판을 사용하는 경우가 아니라면, 예열기의 온도 변화가 완료될 때까지 기다리는 것보다 이러한 타협안이 더 이상적입니다.
Calrod®: 웨이브 솔더링
마지막 섹션에서는 플레이트형 또는 핫플레이트 예열기를 사용하는 것의 장단점에 대해 다루었습니다. 예열 방식에는 여러 가지가 있습니다.Calrod® 예열 방식은 플레이트나 플레이트형 예열기에 비해 반응 속도가 훨씬 빠릅니다. Calrod의 물리적 구조는 적열 온도에 가까운 온도에서 작동하는 관형 발열체로 구성되어 있으며, 이는 특정 조건에서 작동할 때 발열체가 붉게 달아오를 수 있음을 의미합니다. 이는 전기 레인지에 사용되는 기술과 동일합니다. 이러한 발열체는 일반적으로 발열체가 볼트로 고정된 프레임 내에 포함된 반사판을 통해 PCB를 간접적으로 가열하는 데 사용됩니다. 발열체의 도면은 아래에서 확인할 수 있습니다. Calrod 예열기를 사용할 때의 장점은 다음과 같습니다:
- 이 부품들은 내구성이 매우 뛰어나며, 설치된 장비를 이동하거나 조정할 때 파손되지 않습니다.
- 오래 사용할 수 있습니다.
- 가열 속도가 빠르며, 비싸거나 복잡한 기계 장치 없이도 온도를 조절할 수 있습니다.
- 이 제품들은 다양한 용도로 사용될 수 있도록 설계되었습니다.
이 유형의 예열기의 효율은 청결도에 좌우되므로, 정상적으로 작동하려면 막대와 반사경을 깨끗하게 유지해야 합니다. 발열체나 반사경에 플럭스가 떨어지면 플럭스가 탄화되어 가열이 제대로 이루어지지 않을 수 있으며, 이로 인해 납땜이 제대로 이루어지지 않을 수 있습니다. 다음 자료에 따르면 랄프 우드게이트(Ralph Woodgate)의 『기계 납땜 핸드북: SMT 및 TH』 에 따르면, “반사판 안쪽을 알루미늄 주방 호일로 감싸는 것이 일반적인 관행이다. 호일이 변색되면 새 호일로 교체한다.” 이는 조립품에 대한 일관된 가열을 보장한다. 칼로드가 충분히 높은 온도에서 작동하면 자체 세정 기능을 발휘할 수 있다.
칼로드 예열기는 핫플레이트보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있으며, 동일한 기판 온도에 도달하기 위해 긴 예열 구간이 필요하지 않습니다. SMT 부품을 사용할 때는 항상 부품 제조사의 사양과 권장 사항을 준수해야 합니다.
헛소리
이는 과거에 널리 사용되었던 로진 기반 플럭스를 건조하기 위해 사용되었을 최초의 예열 방식이었을 가능성이 높다는 점에서 타당합니다. 뜨거운 공기는 용매(주로 알코올)를 제거했지만, 실제 인쇄회로기판(PWB) 자체는 제대로 가열하지 못했습니다. 주변 환경에 노출된 상태에서는 공기와 기판 간의 열전달 효율이 낮아, 예열 효과가 미미했습니다.
이 같은 시스템을 밀폐된 공간에 설치하면 결과는 달라집니다. 에너지가 보드를 가열할 수 있게 됩니다. 올바르게 구현될 경우, 이러한 형태의 예열은 대부분의 직접 복사 가열 시스템만 사용하는 것보다 더 균일한 가열 효과를 낼 수 있습니다. 따라서 열풍 예열기를 다른 가열 방식과 병행하여 사용하는 것이 일반적입니다.
석영판
납땜 리플로우 방법에 대한 논의를 계속해 보겠습니다.
이름에서 알 수 있듯이, 석영판 예열기는 두꺼운 석영판으로 구성되어 있으며, 이 판에는 포켓이나 슬롯을 통해 발열체가 내장되어 있습니다. 다른 예열기에 비해 가열 및 냉각 속도가 매우 빠르며, 분당 최대 93°C까지 도달합니다. 이 발열체는 매우 빠르게 고온에 도달하기 때문에 별도의 세척 단계가 필요하지 않습니다. 판 위로 흘러내린 플럭스는 모두 타서 없어집니다. 예를 들어 핫 플레이트예열기와 마찬가지로, 석영 플레이트는 다양한 기판 설계에 대응할 수 있도록 컨베이어와 평행하게 여러 섹션으로 배열할 수 있습니다.
빠른 가열 및 냉각 속도 때문에 정교한 제어 시스템이 필요하며, 이로 인해 다른 대안들보다 비용이 더 많이 듭니다. 주의할 점은, 이 플레이트를 방치할 경우 과열되어 예열기에 복구 불가능한 손상을 입힐 수 있다는 것입니다. 또한 석영 플레이트는 표면에 인쇄회로기판(PWB)이 떨어지거나 부주의한 취급과 같은 오용에 민감합니다. 더 복잡한(다층, 높은 열용량) 조립체는 적절한 가열이 필요하며, 다른 시스템에서는 이를 위해 매우 긴 예열 시간이 소요될 것입니다. 이러한 시스템이 웨이브 솔더링 기계에 내장될 가능성은 낮습니다.
석영관
다음 글에 이어 웨이브 솔더링용 예열기에 대한 후속 내용으로, 이 섹션에서는 이와 매우 유사한 석영 튜브 예열기에 대해 다룹니다. 기억하시겠지만, 석영 플레이트를 사용할 때의 장점 중 하나는 반응 속도가 가장 빠르다는 점이었는데, 석영 튜브는 그보다 더 빠른 반응 속도를자랑합니다 .
가열 요소는 열전대와 함께 석영 튜브 내부에 배치됩니다. 이 튜브는 상당히 깨지기 쉬우므로 물체가 떨어지면 금이 가거나 파손될 가능성이 높습니다. 하지만 한 가지 장점은 각 튜브를 개별적으로 켜거나 끌 수 있다는 점입니다. 이는 튜브가 컨베이어와 평행하게 설치된 경우, 기판의 폭에 상관없이 균일한 열을 공급할 수 있어 유용합니다. 컨베이어 시스템의 폭이 고정되어 있는 경우, 쿼츠 튜브를 레일에 수직으로 장착하고 개별적으로 켜거나 끌 수 있어 필요한 양의 예열을 제공할 수 있습니다. 웨이브 솔더링 기계에 자동화 및 컴퓨터 제어 시스템 옵션이 있거나 폭이 고정되어 있다면, 이러한 다목적 예열기를 사용하는 것이 좋습니다. 쿼츠 튜브를 열풍 과 결합하는 것이 일반적입니다. 이는 예열기를 설치할 여유 공간이 부족한 기술자들에게 특히 매력적인 옵션 중 하나입니다.
램프형 적외선 및 세라믹 플레이트
램프 방식 예열기는 다른 게시물에서 언급된 기존 예열기 중 반응 속도가 가장 빠릅니다. 램프의 필라멘트가 사실상 유일한 열용량원이며, 반응 속도가 매우 빨라 다른 모델들과 달리 반응 시간이 분이 아닌 초 단위로 측정됩니다. 이 유형의 예열기는 첨단 제어 시스템이 갖춰져 있는 한 매우 높은 최고 온도에 도달할 수 있습니다. 제어 시스템이 없으면 기판이 손상될 수 있습니다.
안타깝게도, 이 램프들은 대개 금 도금이 되어 있어 가격이 다소 비싼 편입니다.-물 냉각이 필요할 수도 있는 도금 반사판입니다. 또한 이 장치들은 매우 깨지기 쉬우므로 흠잡을 데 없이 깨끗하게 유지해야 합니다. 램프에 먼지나 플럭스가 묻게 되면, 청소 과정에서 긁힐 위험이 매우 높아, 이로 인해 영구적인 손상이 발생할 수 있습니다.
세라믹 플레이트 히터도 흔히 사용되지는 않습니다. 가열 속도와 설계는 석영 플레이트 예열기와 거의 동일합니다. 발열체와 열전대가 플레이트 표면에 내장되어 있어 응답 시간이 빠릅니다. 덕분에 표면이 매끄럽고 세척이 용이합니다. 또한 내구성이 뛰어나 보드가 떨어지는 등의 충격에도 잘 견딥니다.
가열, 파장 및 적외선
앞서 언급한 바와 같이, 어떤 방법을 사용하든 예열의 목적은 접합부의 금속 구조를 지정된 온도로 높이는 데 있습니다. 기판 라미네이트와 부품이 주변 온도를 유지하는 것이 이상적이겠지만, 그러려면 절연재가 열에너지를 반사하는 동안 금속이 이를 흡수해야 합니다. 안타깝게도, 형성되는 접합부의 대부분이 반짝이는 반사성 금속 표면이기 때문에 이러한 경우는 거의 발생하지 않습니다. 적절한 가열을 보장하기 위해, 접합될 금속을 직접 가열하는 대신 부품 본체나 베이스 라미네이트로부터 열을 전달합니다.
램프형 예열기는 파장이 짧게 방출되기 때문에 일반적으로 최악의 상황을 초래합니다. 에폭시 유리 표면은 타버릴 수 있지만, 구리나 솔더로 코팅된 금속이 같은 온도에 도달할 만큼의 시간이 충분하지 않습니다. 그러나 올바른 매개변수를 적용하면 이 문제를 해결할 수 있습니다.
파장이 길어질수록 절연 기판과 금속 회로가 균일한 온도에 도달하는 데 더 많은 시간이 소요되지만, 에너지를 집중시키고 빠른 응답 시간을 확보하는 능력은 상실됩니다. 특정 파장의 에너지를 흡수하거나 방출하는 표면의 능력은 색상, 질감, 재료의 특성 등의 요인에 따라 달라집니다. 핵심은 재료를 시각적 기준만으로는 적절하게 판단할 수 없다는 점입니다.
자동화 및 제어
앞서 언급한 바와 같이, 예열기의 온도는 PCB의 실제 온도와는 비교할 수 없을 정도로 낮습니다. 두 예열기 사이에 적외선 열 센서를 배치한 이중 예열기 시스템을 도입하면, 조립체 전체에 걸쳐 보다 균일한 가열을 보장할 수 있습니다. 이 시스템의 작동 원리는 첫 번째 예열기를 목표 온도의 약 70% 수준으로 설정하는 것입니다. 기판이 이 단계를 통과한 후, 적외선 감지기가 기판의 온도를 측정합니다. 이 감지기는 데이터를 컴퓨터로 전송하며, 컴퓨터는 두 번째 예열기의 설정값을 조정하여 기판 전체가 솔더 웨이브에 접촉하기 전에 적절하게 가열되도록 합니다. 아래에서 회로도를 확인할 수 있습니다. 이 시스템은 웨이브 솔더링 공정에서 발생하는 작업자의 오류 등을 포함하여 조립체의 온도 편차를 크게 줄여줍니다.
최적의 예열 시스템 선정
지난 게시물에서 언급한 자동화 시스템을 제외하면, 다양한 형태의 예열기의 실제 성능에는 큰 차이가 없습니다. 선택 기준은 편의성과, 컨베이어를 최대 속도로 가동하면서도 조립품을 필요한 온도로 올릴 수 있는 충분한 열을 공급할 수 있는 능력에 달려 있습니다. 또한, 소형 기계의 경우 기하학적 크기가 제한 요인이 됩니다.
SMT 업계에는 예열 속도에 제한을 두는 부품 제조업체가 많습니다. 예열기의 성능을 확인할 때는 열용량이 가장 크고, 가장 무거운 부품, 방열판, 접지 또는 전압 평면이 포함된 어셈블리를 작동시켜 목표 온도에 도달할 수 있는지 확인해야 합니다. 또한, 근무 시간 동안 온도를 자주 조정해야 할 필요가 있는지 고려해야 합니다. 처리량과 효율을 높여야 한다면 응답 속도가 빠른 예열기가 더 이상적입니다. 그렇지 않은 경우, 청소 및 유지보수 부담을 최소화하면서 필요한 기능을 수행할 수 있는 가장 단순한 예열기를 선택하는 것이 좋습니다. 예열기가 노후화되거나 전압 공급이 감소하면 출력 저하가 불가피하다는 점을 명심하십시오.
