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SMT 조립 시 비세척 솔더 페이스트의 잔유물 세척하기

Monday, July 2, 2012

안녕하세요,

비세척 솔더 페이스트를 사용해서 조립된 PCB 의 세척에 관해 관심이 많습니다.

최근에 저는 이 토픽에 관련하여, 저의 친한 친구인 Kyzen 의 Mike Bixenman과 얘기를 나눌 기회가 있었습니다.

Dr. Ron (DR)

Mike, 가장 성능이 좋은 비납 및 납 성분이 들어 있는 솔더 페이스트의 상당 수는 비세척 방식입니다. 이들은 그레이핑 및 헤드-인-필로우 결함과 같은 조립상의 문제점들을 해결하기 위해 고안되었습니다. 대부분의 어플리케이션에서 비세척으로 인해 남는 소량의 잔유물은 문제가 되지 않습니다. 하지만, 일부의 조립자들은 비세척 방식의 성능을 원하기는 하지만, 극도의 신뢰성 또는 외관상의 필요에 따라 비세척으로 인한 잔유물들을 세척하려 합니다. 이러한 상황에 맞는 세척 방법이 있나요?

Mike Bixenman (MB)

물론입니다!

이들 세척 방법에 관해 더 자세한 얘기해 주시겠어요?

전자기기 조립에서 세척 에이젼트 적용 시에 고려해야 할 몇 가지의 요소들이 있습니다. 디자인 요소에는 때의 메이크업, 열에의 노출, 바닥 절단 부품 아래의 Z-축 정리, 소재의 부합성, 그리고 세척 장비 등이 포함됩니다. 통상적인 공정의 목표는, 모든 용매제가 1회의 세척 사이클을 통한 제거, 반짝이는 솔더 조인트(합금에 화학제품을 적용하지 않고), 빠른 제조 속도, 라벨과 다른 제조 재질에 영향을 주지 않기, 긴 화학적 배스 수명, 그리고 낮은 작동 농도 등이 포함됩니다.

세척 방법은 세척 장비에 따라 달라집니다. 솔벤트 시스템에는 솔벤트 에이젼트가 필요합니다 - 가연성이 없고, 지속적으로 끓는 혼합물이면서, 작업자와 환경 모두에 환경친화적 특성을 갖고 있어야 합니다. 물로 세척할 수 있는 솔벤트 세척 에이젼트는 때와 세척장비가 부합되고 물로 세척할 수 있는 솔벤트 혼합물이어야 합니다. 수분이 함유된 세척 에이젼트의 경우, 세척 에이젼트는 때를 용해하고, 쌍극자의 유발을 위한 극성/또는 때를 산화 및 감소, 웨팅 각도를 줄이는 낮은 표면 장력, pH 안정화를 위한 버퍼, 고압에서의 기포 발생 줄이기, 그리고 금속화 합금에서의 부동태화 범위를 넓히기 위한 억제제의 특질을 갖도록 제조되었습니다.

가장 중요한 요소는 때의 특성입니다. 솔더링 온도가 상승하고, 고온에 노출되는 시간이 늘어나면서, 솔더 페이스트 재질은 산소 보호막을 개선하고 용매제가 타버리는 것을 막아야 합니다. 이것은 때의 성질을 바꿀 수도 있는 분자 중량 구성과 때의 제거에 필요한 세척액을 요구합니다. 공정의 조건들과 어떻게 이들 조건들이 때의 세척 특질을 바꿀 수 있는지가 반드시 고려되어야 합니다. 예를 들어, 열에 과도하게 노출되면 용매제의 잔유물이 중합화되어서 때가 세척되지 않는 결과를 낳을 수도 있습니다. 이러한 요소들을 더 잘 이해하고 계획을 세우기 위해서는, 용해성 테스트와 다양한 솔더링 재질 잔유물에 효과적인 세척 에이젼트의 디자인에서 세척 에이젼트와 때를 남게하는 성분이 부합되도록 하는 것이 필요합니다.

일반적으로 어떤 장비가 필요한가요?

세척을 위해서는 두 개의 요소가 반드시 일치해야 합니다:

1: 때에 사용될 세척 에이젼트의 잠재적인 에너지, 그리고

2: 때를 신속히 대체할 유동 채널의 생성을 위해 세척 에이젼트가 때에 도달하게 하는 세척 장비의 운동 에너지.

세척장비는 세척액을 일정 거리까지 보내고, Z-A 축 아래로 세척액을 굴절시켜 보내기에 충분한 에너지가 필요합니다. 세척액을 좁은 틈 밖으로 이동시키는 모세관 인력은 액체의 유동, 스프레이 분사압력과 표면장력 효과에 의해 형성됩니다. 밀착된 거리에서 세척할 때, 젖은 상태(작은 방울 형성)의 세척 에이젼트는 모세관 인력, 침투 및 잔유물의 습성을 향상시킵니다. 가용성의 정도는 때, 온도 효과, 그리고 때를 녹이는데 필요한 세척 에이젼트의 농도에 달려 있습니다. 단단한 때는 느린 속도로 세척되므로 동심원을 그리며(터널 효과) 제거합니다. 부드러운 때는 빠른 속도로 세척되므로 채널(여러 개의 터널) 효과를 이용해 제거합니다.

Z-A 축 간격의 높이는 부품의 아래로 스며 들어 때를 제거하는데 필요한 에너지, 때를 세척하는데 필요한 시간 및 세척 온도는 직접 상관관계가 있습니다. 더 낮은 Z축의 간격이 부품 하단면을 채우는 용매제의 모세관 활동을 향상시키는 것은 하나의 아이러니입니다. 이때, 용매제의 잔유물이 쌓여 부품 하단의 유동 채널을 막아 버립니다. 연구진들의 발표에 따르면, 에너지 드롭은 적고 맞지 않는 에너지는 높기 때문에, 고압의 간섭성 스프레이 제트가 필요합니다. 1-2 mil 의 간격 아래서 세척하는데 소요되는 시간보다 4-6 mil 의 간격은 4-8배나 시간이 더 걸립니다. 더 높은 세척 온도는 부드럽게 만드는 효과를 늘이고 침투와 때의 제거에 도움을 줍니다. 즉, 부품의 크기가 작아지면서, Z-A 축 간격의 높이는 줄어들고 때의 세척에 필요한 세척 요소는 증가하는 효과를 보게 됩니다. 이러한 효과는 담금식 세척장비보다 스프레이-인-에어 방식의 세척장비에서 더 커집니다.

세척된 결과는 어떻게 확인하고, 그래서 그 보드가 진정으로 깨끗해진 것을 알 수 있나요?

세척 결과를 확인하는 첫 번째 단계는 세척 후 잔유물이 남아 있는지 눈으로 확인하는 것입니다. 대부분의 세척 공정은 조립으로 비롯된 표면의 잔유물을 쉽게 제거합니다. 문제는 부품의 바닥면에 남아 있는 잔유물입니다. 어떤 특정한 부품의 바닥에 남아 있는 잔유물의 제거는 쉽지 않기 때문에 주로 문제를 일으킵니다. 이같은 작업현장에서 발생하는 문제는 보드 표면적 전체에 걸쳐 음이온 및 양이온의 이온 잔유물들과 상관관계가 있는 기존 IPC 표준의 신뢰도를 저하시킬 수도 있습니다. 그래서, 세척공정을 디자인할 때, 저희는 바닥이 절단된 부품에는 테스트 카드를 사용해서 이들 부품의 바닥에 남아 있는 용매제의 잔유물 정도에 따라 세척 결과를 판단합니다. 이 수치의 확인을 위해서는, 모든 부품들을 떼어 내서 부품의 아래 표면에 남아 있는 잔유물의 정도를 측정하고 통계적인 분석을 시도합니다.

아주 촘촘히 서로 연결되어 조립된 회로판이 빠른 속도로 늘고 있다는 소식을 전하며 마무리를 할 까 합니다. 도체 사이의 전통적인 SMT 부품 간격이 더 커졌습니다. 솔더링 잔유물의 비세척으로 인한 신뢰성의 문제는 미미합니다. 정보의 시대는 우리에게 더 작아진 공간에서 더 높은 기능성을 기대하게 만들었습니다. 조립부품의 크기가 작아지고 기능성 의 수준은 높아지면서 세척 문제는 더 중요하게 되었습니다. 이번 인터뷰에서 논의된 세척에서의 여러 요소들이 향후의 세척 공정 디자인 고려에 도움이 되기를 희망합니다.