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Reflow온도 Profile분석의 이해(구간별 설명)
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리플 로우 온도 프로파일
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리플 로우 온도 프로파일
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리플로우 솔더링은 SMD 부품의 접합과 실장을 위한 목적으로 자리를 잡았으며, 전세계적인 산업계 표준으로 수립되어져 왔다. 리플로우 솔더링 내의 필수적인 프로세스 단계는 관통형 오븐 내에서 이전에 적용된 솔더 침전(페이스트)의 동일하게 일치된 융점 온도이다. 기술적으로 접근해 보면, 보드에 최대한 균일하게 열을 가하는 것은 뜨거운 공기 혹은 질소의 대류에 의해 실현된다.
RoHS 준수 SMD 부품과 Lead-Free 프로세싱 간의 상호작용은 지속적으로 복잡화되고 있다. 노하우가 축적된 이전 SnPb 프로세스에 새로운 재료 시스템을 부분적으로만 적용할 수 있다. 아울러, Lead-Free 리플로우 프로세스에 제공하는 일반적인 보고서들은 솔더링 프로파일을 생성하기 위해 중요한 파라미터들을 자세하게 보여주고 설명하고 있다. 결과적인 불안정과 문제들을 해결하기 위해 SMD LED 프로세싱을 위해 참조사항을 자세하게 보여줄 것이다. 각별한 주의사항으로는 열-포함 SMD 부품과 PCB 서브스트레이트에 피해를 주는 것을 적용했다.
서문
리플로우 솔더링은 SMD 부품의 접합과 실장을 위한 목적으로 자리를 잡았으며, 전세계적인 산업계 표준으로 수립되어져 왔다. 리플로우 솔더링 내의 필수적인 프로세스 단계는 관통형 오븐 내에서 이전에 적용된 솔더 침전(페이스트)의 동일하게 일치된 융점 온도이다. 기술적으로 접근해 보면, 보드에 최대한 균일하게 열을 가하는 것은 뜨거운 공기 혹은 질소의 대류에 의해 실현된다.
RoHS 규제안이 2006년부터 발효됨에 따라, 이전 SnPb 합금을 대체하는 Lead-Free 화합물(일반적으로 SnAgCu)이 솔더 재료로써 사용되어지고 있다. 이전 납 함유 솔더의 전문가들은 새로운 재료 시스템으로 바로 전환할 수 없으며, 부품과 관련한 프로세싱 문제들이 지속적으로 발생할 것으로 예상했다.
Lead-Free 합금의 고온 융점 때문에, 새로운 솔더로의 손쉬운 전환과 이에 적당한 프로세스 온도의 증가는 절차적으로 충분치 않고, 원하는 결과를 생성할 수 없다고 주장했다. Lead-Free 솔더 재료를 위한 프로세스의 조건적인 감소 때문에 솔더링 장비와 실제 프로세스 컨트롤에 각별한 주의를 기해야만 한다. 애플리케이션-스펙과 부품-스펙 특성 또한 고려되어야만 한다.
정확한 미세-설정 없이는 부품들이 열 스트레스로 인해 피해 입는 경우가 증가했다. 결국에는 Lead-Free 솔더링을 위한 절충은 최대한 필수적으로 요구된 대량의 열 감소와 효율적인 리플로우 프로세스(필요한 대량의 열이 짧은 시간에 전달되고, 최대의 온도 차가 있는) 사이에서 발견되어야만 한다.
JEDEC J-STD 020D.01
JEDEC 표준 J-STD 020D.01은 무연 솔더링 초창기 기초가 되었고, 플라스틱 혹은 다른 투습성(moisture-permeable) 하우징(이 카테고리에 LED 부품도 포함)으로 된 SMD 리플로우 솔더링을 위해 참고 했다. 표준안에는 습도(MSL – moisture sensitivity level) 내에서의 자체 행태와 패키징, 저장 및 취급 결과 조치와 관련 있는 SMD 부품의 분류에 대한 일반적인 요구사항들과 제한을 포함하고 있다. 이는 리플로우 솔더링을 적용한 생산 시스템 내에서의 피해를 없애기 위한 것이다. 리플로우 솔더링 항목에서 가장 중요한 포인트는 하우징 두께의 작용과 부품의 체적에 따른 최고 온도 저항을 결정하는 것이다(표 1 참조). 부품의 상위에 측정된 분류 온도 TC는 일반적으로 제조업자에 의해 증명된 부품이 도달하는 하우징 온도와 명기된 습도 민감도에서 측정된 자체 저항과 프로세스 가능성이 보장된 온도를 나타내고 있다.
하우징 온도는 ‘PPT(package peak temperature)’ 혹은 주로 ‘package reflow temperature’로 정의된다. ‘Reflow’ 항목이기 때문에 온도가 솔더 접합 생성의 프로세스, 즉 솔더 접합 온도와 관계있다고 자주 오해하여 추정하기도 한다.
MSL 수치와 PPT는 제품 특성에만 사용되고 있다. 그리고 정보를 제공한다. 리플로우 솔더링을 위한 반도체 부품의 경건함에 관한 정보를 제공하거나 혹은 이전 솔더링 프로세스 이전의 추가적인 건조 공정이 필수적이기 전에 긴 부품을 위한 시간 설정이 컨트롤된 환경에 노출된다.
프로세싱과 관련해서, JEDEC 표준은 적당한 핵심 데이터 및 일반적으로 적용 가능한 한계치들을 내포하고 있다(표 2 참조). 그리고 또한 리플로우 솔더링 프로세스를 위한 기본적인 온도-시간 특성(솔더링 프로파일)을 일반적으로 제공한다(그림 2 참조).
이는 한편에서는, 품질 제한으로써의 제조업체들을 위해, 다른 한편으로는, 프로세싱 동안의 커스터머들을 위해 어떻게 하우징 온도가 판명되고 사용되는지를 다시 한 번 보여준다. JEDEC 표준은 모든 온도들이 패키지의 중앙에 언급해야 하고, 측정은 솔더링 동안 표면 위쪽에 있는 하우징 표면 지역에서 수행되어야 함을 추가적으로 규정하고 있다.
리플로우 오븐
각 리플로우 프로세스의 핵심과 중대한 영향요인은 솔더 페이스트 용융에 사용되는 오븐이다. RoHS 지침서에서 소개하는 것처럼 고온 동작과 관련해서, 새로운 솔더링 프로세스 측정되는 항목이 포함된 최신의 리플로우 오븐의 제작이라는 요구 증대를 의미한다. 핵심은 정밀하게 조절할 수 있는 온도 프로파일, 정밀한 반복정밀도 그리고 최고의 에너지 요구이다. 반면 쉬운 사용과 최고의 쓰루풋을 제공한다. 이와 관련해서 가장 중요한 목적은 솔더가 될 보드 위에 온도차(△T)를 최소화하기 위한 열 전달의 안정성과 균일성이다. 최신 대류 리플로우 오븐의 경우, 열은 존에 의존해서 가열되거나 냉각되는 대류 공기 혹은 질소에 의해 전달된다.
그래서 보드로의 효과적인 에너지 전달은 가스의 유동률에 의해 결정된다. 부품의 치수와 수량의 차이 때문에, 한 쪽으로의 치우침 현상 혹은 부품이 날려가는 현상을 방지하기에 적합할 수 있도록 유동률 디자인이 필수적이다. 서로 다른 오븐 적용임에도, 프로세스 존의 안정성은 개별적인 히팅 존의 분리, 강력한 히팅 원리의 사용을 통해, 그리고 정밀하고 빠른 온도 컨트롤에 의해 얻을 수 있다.
안정된 솔더링 프로세스를 확보하기 위해, 리플로우 오븐은 다음의 특성들을 보유해야 한다.
▶ 개별적으로 컨트롤된 히팅 존(Top 및 Bottom)
▶ 가능한 많은 히팅 존을 통해서 다양한 프로파일 설정.
▶ 존에서부터 존까지 온도 및 대류의 공통적인 영향이 없어야 함.
▶ 컨트롤된 대류 및 유동률
▶ 전체 프로세스를 가로질러 동일한 온도 및 대류 특성.
▶ 그림자 효과가 없어야 함.
▶ 부품의 오프셋이 없어야 함.
▶ 신속한 heating-up 시간
▶ top 및 bottom 쿨링을 지닌 개별적으로 컨트롤 가능한
쿨링 존.
온도 프로파일
영향을 끼치는 모든 요인들(예를 들어, 솔더 페이스트, 열의 대량, 부품의 수량 및 사이즈, 보드 디자인, PCB의 재질 및 구조, 솔더링 오븐)이 포함된 전자 모듈의 이상적인 프로파일을 만들기 위해 잘 알려진대로 고려되어야만 한다(‘Measuring of the Temperature Profile during the Reflow Solder Process’ 애플리케이션 노트 참조).
솔더 페이스트 제조업체의 권고사항은 프로파일 시작 시점부터 적용되어야만 한다. 적용된 솔더 페이스트가 최적의 결과를 낼 것으로 제조업체에서 기대하는 적합한 파라미터가 일반적으로 이미 명기되어졌다. PCB에 사용된 솔더빌리티의 정보는 프로파일 제작을 위한 러프한 평가가 재질(FR-4 혹은 IMS), 디자인(레이어 수) 및 표면의 젖음 특성에만 기반 될 수 있도록 일반적으로 가용할 수 없다.
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