KR100333122B1 - 온도제어된비산화성분위기에서부품을인쇄회로기판상에웨이브납땜하는방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이브 납땜 장치의 내부에 불활성 가스 분위기가 주입되며, 상기 불활성 가스 분위기의 온도를 제어할 수 있는 웨이브 납땜 방법에 관한 것이다. 특히, 분위기는 예를 들어 웨이브 납땜 장치의 예일 대역에 주입하기 전에 불활성 가스 분위기를 동일하거나 또는 상이한 온도로 가열할 수 있다. 또한, 이 불활성 분위기는 예를 들어 냉각 대역에서 냉각(또는 주변 온도로 주입)될 수 있다. 대역 마다 유사하거나 또는 상이하게 다양한 각종 불활성 분위기가 사용될 수도 있다. 이 불활성 분위기에서 인쇄 회로 기판으로의 열전달의 열효율은 크게 증가되는데, 이는 미소한 땜납 결함과, 보다 높은 부품 밀도, 에너지 소비 및 불활성 가스 흐름 비율의 감소를 의미한다.

Description

온도 제어된 비산화성 분위기에서 부품을 인쇄 회로 기판상에 웨이브 납땜하는 방법
본 발명은 부품을 인쇄 회로 기판상에 웨이브 납땜하는 방법에 관한 것으로, 특히, 비산화성 분위기에서 인쇄 회로 기판으로의 열전달의 열효율을 증대시키기 위해 비산화성 분위기의 온도를 웨이브 납땜 장치로 주입하기 전 및/또는 주입하는 동안에 제어하는 웨이브 납땜 방법에 관한 것이다.
웨이브 납땜 장치는 종래에는 손으로 행해져 왔던 인쇄 회로 기판상으로의 부품의 납땜을 자동으로 행하기 위해 당업계에 오래전에 도입되어 있었다. 종래의 웨이브 납땜 장치는 인쇄 회로 기판을 예열하기 위하여 적어도 하나의 예열 대역 (preheating zone)과, 땜납 포트(solder pot)에 수용된 용융 땜납으로 인쇄 회로 기판의 하부측을 피복함으로써 부품을 회로 기판에 납땜하기 위한 적어도 하나의 납땜 대역(soldering zone)과, 상기 땜납을 경화시키는 적어도 하나의 냉각 대역 (cooling zone)으로 구성되어 있다. 이러한 납땜 방법 또는 피복 방법은 통상, 접합 또는 피복되는 것이 필요한 금속 표면의 인쇄 회로 기판의 하부에 대한 습윤성 (wetting)을 개선하기 위해 사용되는 플럭스제(fluxing agent)의 존재하에서 수행된다. 플럭스제는 통상 부식성이 있고, 이들 플럭스제의 초과량 또는 잔류물은 웨이브 납땜 조작 후에 세정되어야만 한다.
저잔류 세정이 불필요한 플럭스(Low residue no clean fluxes) 또는 무플럭스 방법(flux-less process)이 개발되고 있고, 이 무플럭스 방법에서는 웨이브 납땜 방법을 표준 플럭스제의 불편함이 없이, 질소와 같은 실질적으로 무산소 분위기하에서 실행할 수 있다.
미국 특허 제3,705,547호에는 가장 초기의 웨이브 납땜 방법을 개시하고 있고, 이 방법에는 인쇄 회로 기판의 금속 표면의 산화를 방지하기 위해 불활성 가스를 주입하는 단계를 포함하고 있다.
미국 특허 제4,538,757호에는 질소와 수소를 함유한 환원성 분위기하에서의 웨이브 납땜 방법을 개시하고 있고, 주변 공기와의 분위기 교환(atmosphere exchange)을 제한하기 위하여 장치의 입구 및 출구에서 질소막이 설치되어 있다.
미국 특허 제4,606,493호에는 납땜중에 발생되는 열에 의한 전기적(통상, 납 -주석으로 피복된 구리에 있어서) 접속의 산화를 방지하고, 회로 캐리어에서 열적 응력 결함(thermal stress defects)이 발생하는 것을 감소시키기 위해 불활성 가스 분위기하에서 인쇄 회로 기판을 납땜하는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 이를 위해서, 슬릿을 통해 불활성 가스를 주입하여 복수의 고속 제트를 제공하고, 이것을 인쇄 회로 기판의 하부측에 충돌시킨다. 이러한 동작의 조건으로서 불활성 가스 제트의 온도는 땜납 포트 내의 용융 땜납의 온도(600℃)보다 약 2 배나 높다.
미국 특허 제4,646,958호에는 질소 및 실란, 또는 수소 및 실란을 포함하는 분위기하에서, 플럭스리스(fluxless) 또는 무플럭스 시스템(flux free system) 내에서 실행되는 땜납의 역류 또는 땜납 칩 방법을 개시하고 있다.
미국 특허 제4,821,947호에는 플럭스를 사용하지 않고 표면을 구성하는 금속상에 용융 금속을 피복하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 온도가 표면을 구성하는 금속에 대한 손상을 방지하는데 충분히 낮도록 불활성 가스 분위기에서 실행되며, 표면을 구성하는 금속에 인접한 부품과 같은 재료에 손상을 주지 않게 된다.
미국 특허 제5,071,058호에는 접합 또는 피복에 사용되는 충전 재료(filler material)를 구성하는 금속을 산화시키기 위해 필요한 것보다 더 큰 산화 능력을 가지고 있지만, 공기의 산화 능력보다도 낮은 산화 능력을 갖는 제어된 산화성 분위기 내에서 실행되는 접합 피복 조작을 수행하기 위한 방법을 개시하고 있다. 웨이브 납땜 방법의 경우에는 불활성 가스 분위기 내의 산소 함유량이 적어도 10 ppm 정도이고, 바람직하게는 적어도 500 ppm이다.
미국 특허 제5,121,875호에는 웨이브 납땜 장치용의 짧은 후드(hood)를 개시하고 있으며, 여기서는 인쇄 회로 기판의 예열이 공기중에서 수행된다. 이 방법에 있어서, 비세정 플럭스가 사용되고, 땜납 포트에서 5% 미만의 산소 농도가 권장되고 있다.
미국 특허 제4,921,156호에는 납땜실을 가지며, 이 납땜실에 보호 가스 분위기를 주입하기 위한 수단과, 용융 금속 땜납의 풀(pool) 내부로 하강하여 돌출하는 밀봉 스커트 수단(sealing skirt means)을 포함하는 장치를 개시하고 있다. 바람직하게 보호 가스 분위기는 질소 및 몇몇 환원제로 구성될 수도 있다.
미국 특허 제4,746,289호에는 층 흐름 조건에서의 비반응성 분위기하에서 부품을 처리하기 위한 방법을 개시하고 있다.
미국 특허 제5,203,489호 및 제5,240,169호에는 웨이브 납땜 방법의 신규의 방법이 개시되어 있다. 이 웨이브 납땜 방법에 의하면, 표면 탑재 부품을 납땜 전에 인쇄 회로 기판의 하부측에 배치하여 사용하는 것이 가능하게 되었다. 이 신규의 방법은 2 가지의 주요한 장점을 가지고 있다. 그 첫 번째는 회로 기판의 하부에 평방 인치당 보다 많은 부품을 배치할 수 있다는 것이고, 두 번째는 불충분한 정점측 필릿(top side filets) 및 바이어 배럴(via barrel)에 있어서의 공극(voids)과 같은 관통 홀 부품과 관련된 결함을 제거할 수 있다는 점이다. 이러한 새로운 부품들은 이들이 대체되는 종래의 관통 홀 부품보다도 훨씬 작기 때문에, 이들이 견딜 수 있는 열충격이 큰폭으로 감소된다. 이러한 부품에 대한 통상 최대 상승 온도는 2℃/sec이다. 이 때문에 표준 웨이브 납땜 장치의 예열 온도는 부품을 손상시키지 않기 위해서 저하시킬 필요가 있지만, 이렇게 함으로써 관통 홀 부품은 적절한 온도에 도달할 수 없게 되어, 결함율을 증가시킨다.
일반적인 제조 조건하에서, 회로 기판은 핀 관통 홀(PTH) 및 표면 탑재 부품 (SMT;surface mount components)을 포함할 수 있다. 이러한 형태의 회로 기판은 혼합 기술 기판이라 칭한다. PTH 부품은 크기와 질량 및 금속제의 히트 싱크(heat sinks)나 플라스틱제의 커넥터와 같은 재료에 있어서 크게 변화될 수 있다. 이들을 비교하면 SMT 부품은 매우 작고, 질량이 상당히 적은 것이다. 혼합 기술의 문제는 결함율을 증가시키는 온도차의 문제이다. 이들 결함은 2개의 주요 범주로 분류된다. 첫번째는 SMT 부품의 과가열(over-heating)이고, 두번째는 PTH 부품의 부족한 가열(under heating)이며, 따라서 불충분한 땜납 접합을 초래한다. 당업계에서는혼합 기술 기판(mixed technology boards)이 주류이기 때문에, 회로 기판 양단의 큰 온도차의 문제를 해결하는 것이 요구되고 있다.
또한, 연속 공정에 있어서 동일한 장치에서 납땜되는 회로 기판 어셈블리의 형태가 변화하는 문제가 있다. 비교적 경량의 부품을 갖는 작은 회로 기판을 비교적 중량의 부품을 갖는 큰 회로 기판과 동일한 공정 라인에서 납땜하는 경우, 양 타입의 회로 기판에 대해 적절한 온도 프로파일을 유지해야 하는 문제가 있다. 한가지 해결 방법은 다중 온도 프로파일을 사용하는 것이지만, 이 방법은 장치의 처리량을 감소시키게 되어, 단위 비용을 상승시킨다. 다른 해결 방법은 동일한 온도 프로파일을 사용하는 것이지만, 이 방법은 결함율을 증가시키게 되는 결함을 가지고 있다.
보다 많은 조립자가 상이한 회로 기판의 타입 및 부품의 타입을 사용함에 따라 이러한 문제는 더욱 커질 것이다. 따라서, 품질 또는 처리량을 희생시킴이 없이 회로 기판의 타입 및 부품의 타입을 변화시키는 것을 허용하는 해결책이 필요하다.
또한, 처리하는 제품수를 증가시킴으로써 각 제품에 요구되는 조립 시간이 증가되고, 그에 따라서 장치의 처리량이 감소된다. 이것에 의해 제품 비용은 더욱 상승한다.
웨이브 납땜 장치를 이용해서 인쇄 회로 기판상에 부품을 납땜하는 목적중 하나는 관통홀 부품을 갖거나 SMT 부품을 갖던지 간에 균일하게 고품질의 납땜 접합을 달성하는 데 있다. 땜납 접합의 보다 양호한 품질은 인쇄 회로 기판상의 부품의 전기 접속 결함을 감소시키기 위해 보다 균일한 땜납 접합을 의미한다. 이것은땜납 스킵, 관통 홀 부품의 배럴내의 땜납의 공간과, 불충분한 정점측 필릿을 방지함으로써 달성할 수 있다. 관통 홀 부품의 웨이브 납땜 방법과 관련해서 전술한 상이한 모든 방법은 땜납 접합의 품질에 대해 완전히 만족스러운 것은 아니며, 보다 양호한 품질의 땜납 접합을 달성하기 위해서 웨이브 납땜 방법을 개선하는 것이 당업계에서 요구되고 있다.
본 발명의 방법은 땜납 접합의 품질을 개선하기 위해 유입되는 분위기의 온도를 제어함으로써 주변 분위기로부터 인쇄 회로 기판으로의 열전달의 열 효율을 증가시키는 것을 목적으로 하고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 웨이브 납땜 장치내에 주입되는 실질적으로 비산화성 분위기를 예열 대역과 같은 장치의 특정 영역 내에서 예열하고, 냉각 대역 및/또는 웨이브 대역과 같은 장치의 다른 영역 내에서 주위 온도에 의해 냉각한다.
실질적으로 고온의 비산화성 분위기를 웨이브 납땜 장치의 예열 대역의 적어도 하나의 대역으로 주입하는 경우, 본 발명에 따른 방법은 바람직하게 인쇄 회로 기판 및 인쇄 회로 기판을 가열하기 위한 복사 에너지에 실질적으로 수직인 곳의 강제 층 흐름 대류를 사용하지만, 종래에는 종종 복사 에너지와 관련된 자유 대류를 사용하고 있었다, 강제 층 흐름 대류(laminar forced convection flow)라고 하는 용어는 각 분배 대역에 대해 500 내지 2,500 사이의 레이놀즈수를 갖는 흐름을 의미한다. 보다 큰 열전도를 촉진시키기 위해 입구 대역에서는 보다 높은 레이놀즈수가 종종 요구된다.
웨이브 납땜 장치 내에 주입된 분위기를 예열하는 목적중 하나는 인쇄 회로기판이 용융 땜납과 접촉할 때에 인쇄 회로 기판과 땜납 포트간의 온도 기울기를 감소시키는 데 있다. 만약 땜납 웨이브의 영역에서 이 온도 기울기가 가능한 작다면, 용융 땜납은 인쇄 회로 기판내의 홀을 포함하는 상이한 영역의 내부로 침투하고, 응고되기 전에 이들 영역 및 홀의 모두를 채우는데 충분한 시간을 가지게 되지만, 인쇄 회로 기판의 온도가 너무 낮은 경우에는 용융 땜납은 거의 즉시 응고되어 땜납 접합의 품질이 악화되고, 이 웨이브 납땜 단계 이후의 품질 제어 단계에서 불량 처리되는 회로의 수가 증가하게 된다.
본 발명에 따르면, 땜납 접합의 품질을 개선하기 위해서는 땜납 포트의 상류측에 있고, 특히 인쇄 회로 기판의 근방에 있는 웨이브 납땜 장치의 대역내의 분위기를 층 흐름 조건하에서 유지시키고, 그 온도를 20℃ 내지 250℃(바람직하게는 80℃ 내지 200℃) 사이에서 제어되어야 함을 알 수 있다. 그러나, 인쇄 회로 기판의 손상을 방지하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용융 땜납과 땜납 포트상의 인쇄 회로 기판과의 접촉이 종료된 후에, 통상적으로 행해지는 납땜 단계가 완료되자 마자 인쇄 회로 기판을 냉각하는 것이 권장되고 있다. 이러한 냉각 단계를 실행하기 위해 예열 대역 또는 땜납 대역에 주입되는 분위기의 온도보다도 낮은 온도를 갖는 분위기를 주입하는 것이 권장되고 있다.
본 발명은 웨이브 납땜 장치 내에 실질적으로 비산화성 분위기를 제공하기 위한 방법으로서, 관통 흘 부품과 SMT 부품 또는 이들 양쪽 모두를 액체 상태의 땜납에 의하여 인쇄 회로 기판에 전기적 및 기계적으로 결합하고, 이들 부품을 인쇄 회로 기판상에 전기적으로 접속하여 기계적으로 유지시키기 위해 땜납을 경화시키는 방법으로서, 상기 웨이브 납땜 장치는, 인쇄 회로 기판을 예열하기 위한 적어도 하나의 예열 대역과, 상기 회로 기판에 부품을 납땜하기 위한 적어도 하나의 납땜 대역과, 땜납을 냉각 및 경화시키기 위한 적어도 하나의 냉각 대역을 구비하며, 비산화성 분위기로부터 인쇄 회로 기판으로의 열전달의 열효율을 증대시키기 위해 실질적으로 비산화성 분위기의 온도를 상기 웨이브 납땜 장치에 주입하기 전 및/또는 주입하는 동안에 제어하는 것을 특징으로 한다.
이 온도 제어된 실질적으로 비산화성 분위기는 웨이브 납땜 장치의 적어도 하나의 대역, 바람직하게는 웨이브 납땜 장치의 모든 대역으로 주입할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 실질적으로 비산화성 분위기의 온도는 주변 온도보다 높고, 웨이브 납땜 장치의 적어도 하나의 예열 대역으로 주입된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실질적으로 비산화성 분위기의 온도는 주변 온도보다 낮거나 또는 동일하고, 웨이브 납땜 장치의 적어도 하나의 냉각 대역으로 주입된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 웨이브 납땜 장치의 각각의 대역에 주입된 실질적으로 비산화성 분위기의 온도는 대역 마다 상이할 수도 있지만, 바람직하게는 동일하다. 이와 유사하게, 웨이브 납땜 장치의 각각의 대역에 주입된 실질적으로 비산화성 분위기의 조성물은 대역 마다 상이할 수도 있고 또는 동일할 수도 있다.
실질적으로 비산화성 분위기가 적어도 2개의 예열 대역을 구비한 웨이브 납땜 장치로 주입되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상이한 예열 대역에 주입되는 분위기의 온도는 대역 마다 상이하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 온도 제어된 실질적으로 비산화성 분위기의 온도는 사전 설정된 값으로 유지되며, 이 사전 설정된 값은 동일하거나 또는 대역 마다 상이하다. 통상, 이 사전 설정된 값은 가열된 분위기가 필요한 경우는 웨이브 납땜 장치의 모든 대역에 대해서 동일하다. 이 사전 설정된 온도값은 통상 제2도에 나타낸 바와 같이 공정 온도 프로파일에 따라서 선택된다.
본 발명에 따르면, 인쇄 회로 기판의 온도는 서서히 상승하여 납땜 대역에 있어서 최대 값에 도달하고, 이후 서서히 감소된다.
예열된 가스 분위기는 인쇄 회로 기판의 요구 조건, 즉 어셈블리의 질량 및 어셈블리의 질량 분포에 의존해서 어셈블리 인쇄 회로 기판의 정점측 또는 하부측 또는 그 양쪽으로 주입할 수 있다(본 발명의 이점 중 하나는 히트 싱크에 의해 영구적으로 커버되는 부품을 갖는 회로 기판의 작은 부품상에 추후 작업자에 의해 제거되는 부가적인 히트 싱크를 설치할 필요가 없다는 것이다). 예열된 가스를 인쇄 회로 기판의 한쪽 측면에만 주입하는 경우, 주변의 분위기를 가열하여 인쇄 회로 기판을 보다 신속하고 균일하게 가열하기 위한 가열 수단을 다른 측면에 설치하는 것, 또는 예를 들어 실질적으로 주변 온도에서의 실질적으로 비산화성 분위기를 주입하는 것 또는 이 측면에서 예열되지 않고 가스를 주입하지 않는 것도 가능하다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 충만실 내에 실질적으로 불활성 가스의 층 흐름을 주입함으로써 예열된 가스 분위기를 생성하고, 상기 충만실은 관통된 하부벽과, 가열 수단 및 가스가 가열 수단과 접촉해서 가열되도록 서로 관련된 가스 주입 수단을 구비하고, 충만실 내에서 가열된 가스의 압력이 충만실의 외부의 가스 분위기의 압력 보다도 높고, 이 가열된 가스는 충만실의 관통된 벽의 개구를 통과하여 층 흐름적으로 흐른다. 이들 개구는 층 흐름의 레이놀즈수가 500 내지 2,500 사이에서 유지되도록 선택되고, 이것은 약 0.2 mm 내지 0.4 mm 사이의 직경을 갖는 대역당 약 60개의 홀을 이응하여 실행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 충만실 내에 실질적으로 불활성 가스의 층 흐름을 주입함으로써 예열된 가스 분위기를 생성하고, 이 충만실은 관통된 하부벽과, 상기 관통된 하부벽에 일체식으로 형성된 가열 수단 및 가스가 상기 관통된 하부벽에 의해 적어도 부분적으로 가열되도록 상기 가열 수단과 관련된 가스 주입 수단을 구비하고, 충만실의 내부에서 가열된 가스의 압력은 이 충만실의 외부의 가스 분위기의 압력보다도 높고, 가열된 가스는 충만실의 관통된 하부벽의 개구를 통과하여 층 흐름적으로 흐른다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 충만실은 정점에서 하부까지, 실질적으로 평행한 평면내에, 상기 충만실의 정점벽, 가열 수단, 가스 주입 수단 및 관통벽으로 구성된다. 가열 수단은 예를 들어 가열 오븐에서 통상 사용되는 가열 레지스터이다. 가스 주입 수단은 바람직하게 충만실의 적어도 3개의 측면에 배치된 파이프 또는 매니폴드의 형태이고, 이 매니폴드는 충만실에서의 불활성 가스 확산을 위한 홀을 구비하고, 이들 홀은 매니폴드의 상부면상에, 바람직하게는 관통벽에 평행하게 배치된 매니폴드의 직경상에 배치되고 있다. 그러나, 가열 수단이 충만실의 관통된 하부벽과 일체식으로 형성된 경우에는, 어느 방향으로도 질소 가스를 주입하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 실질적으로 비산화성 분위기는 3% 미만, 바람직하게는 1000 ppm 미만, 가장 바람직하게는 10 ppm 미만의 산소를 포함한 질소 가스이다. 땜납 포트의 영역에서 불순물의 생성을 방지하기 위해 각종 실험에 의해서 웨이브 영역내의 질소 가스중의 산소 농도는 10 ppm 미만, 가장 바람직하게는 약 5 ppm 미만임을 나타내고 있다. 웨이브 납땜 장치에 주입되는 질소 가스의 순도를 유지하기 위해서 별도와 대역을 갖는 것이 바람직하고, 이들 대역은 커튼, 가스 막 등에 의해 서로 분리된다. 그러나, 질소 분위기(또는 불활성 가스)내의 산소 함유량은 예열 대역 및/또는 냉각 대역에 있어서 납땜 대역 보다도 중요하기 때문에 이들 예열 대역에 있어서 또는 적어도 하나의 대역에 있어서 및/또는 냉각 대역에 있어서 또는 적어도 하나의 대역에 있어서, 10 ppm을 초과해서 산소를 함유하는 질소 분위기를 가질 수 있다. 이것은 예를 들어 몇개의 웨이브 납땜 장치가 서로 근접해 있거나 또는 공통의 질소 또는 불활성 가스원을 갖는 동일한 플랜트내에 위치하는 경우에 특히 이점이 있다. 이들 조건에서, 순수하거나 또는 실질적으로 순수한 질소(통상 산소가 1 ppm 미만), 예를 들어 벌크의 액체 질소 용기로 부터의 질소를 웨이브 납땜 대역에 주입하는 한편, 보다 순도가 낮은 질소 가스의 나머지가 막 발생기(membrane generator) 또는 PSA에 의해 제공된다.
물론, 10 개의 웨이브 납땜 장치를 동시에 사용하는 매우 대규모의 플랜트인 경우에는 이들 장치의 적어도 땜납 대역을 현장 질소 플랜트, 예를 들어 저온의 현장 질소 플랜트에 접속할 수 있다.
제1도는 본 발명에 따른 방법을 실시할 수 있는 2개의 예열 대역(A, B), 납땜 대역(C) 및 냉각 대역(D)으로 구성된 웨이브 납땜 장치의 측단면도이다. 회로 기판은 웨이브 땜납 레일(23)상으로 수송되고, 입구막(4)을 통해 제1 예열 대역(A)으로 들어간다. 이 제1 예열 대역(및 다른 대역도 또한)은 이 부분을 통해 이동하는 회로 기판을 차단하는 제어된 분위기를 제공하기 위해 수송 레일을 전체적으로 둘러싸고 있다. 제1 예열 대역(A)은 정점측 스킨(3) 및 하부측 스킨(6)을 포함하고, 제4도에 나타낸 바와 같은 가스관 매니폴드(1)를 구비하는데, 상기 가스관 매니폴드는 각각의 스킨(3, 6)의 벽에 근접되어 있다. 가열용 정점측 코일(2) 및 하부측 코일(5)은 가스관 매니폴드와 제어된 분위기를 회로 기판의 상부 및 하부로 확산시키는 가스 확산판의 사이에 배열된다.
제2 예열 대역(B)은 제1 예열 대역(A)과 실질적으로 동일하고, 정점측 스킨 (11), 하부측 스킨(13), 정점측 및 하부측 가열 코일(10, 12), 가스 확산 매니폴드 (9)(정점 및 하부) 및 가스 확산판(14)(정점 및 하부)을 가지며, 예열 대역 A와 B의 사이에는 입구 막 시스템(4)과 동일한 막 시스템(8)이 설치되어 있다.
제2 예열 대역(B)과 납땜 대역(C)을 분리하는 것은 땜납 대역 막 시스템 (15)(이 막 시스템은 이들 각각의 대역에 공기가 침입하는 것을 방지한다)이다. 이것은 각각이 별도의 서로 실질적으로 밀봉 접촉 상태에 있는 평행한 스트립에 의해 형성된 평행한 수직막으로 제조되어 있다.
납땜 대역(C)은 땜납 포트(22)내에서 용용 땜납이 분위기에 노출되는 실질적으로 전체 영역을 커버하는 땜납 대역 스킨(18)을 구비하고 있다. 이 땜납조(solder bath)상에 공기가 침입하는 것을 방지하기 위하여 2개의 행방향 웨이브 땜납 레일과 땜납조와의 사이에는 땜납 웨이브(31)를 포함한 땜납 포트 시일드부(20)가 설치되어 있다.
또한, 땜납 대역 스킨(18)은 이 스킨(18)의 수직벽의 모든 주변에 근접해서 확장되는 땜납 대역 가스 확산 매니폴드(16)를 가지고 있다. 납땜 조작 중의 시각적인 제어를 제공하기 위해, 이 스킨(18)은 땜납 대역 윈도우(17)를 가지고 있으며, 땜납 대역 가스 확산판(19)이 짧은 거리의 외부벽으로부터 수평으로 연장되고 이어서 윈도우(17)의 측면과 동일 평면인 스킨(18)의 정점측 벽까지 수직으로 연장되며, 상기 가스 확산판은 가스 확산 매니폴드(16)를 둘러싸고 있다.
공기의 침입을 방지하기 위해 납땜 대역(C)의 출구로부터 냉각 대역(D)을 통해 출구 막 시스템(21)이 설치되어 있다. 또한, 이 냉각 대역(D)은 각각 정점측 및 하부측 가스 확산 관통판(27, 28)을 갖는 정점측 가스 확산 매니폴드(25) 및 하부측 가스 확산 매니폴드(26)를 구비한 정점측 스킨(29) 및 하부측 스킨(30)으로 이루어져 있다. 땜납 대역이 용융 땜납에 의해 제어된 분위기로 전달되는 열에 의해 열을 유지하고, 냉각 대역이 매니폴드(25, 26)를 통해 순환되며 확산판(27, 28)을 통해 확산되어 회로 기판을 냉각하고 이들이 주변 공기에 의해 더 이상 산화(또는 신속하게 산화)되지 않는 온도가 되도록 하는 약간의 냉각 가스를 제공하기 때문에, 납땜 대역(C) 및 냉각 대역(D)의 양쪽은 가열 수단을 구비하지 않는다.
제2도는 제1도에 도시된 바와 같은 웨이브 납땜 후드 시스템이지만, 본 실시예의 경우 제1도에 있어서의 2개의 예열 대역 대신에 3개의 예열 대역과, 1개의 웨이브 납땜 대역 및 1개의 냉각 대역으로 이루어진 시스템의 길이에 따른 온도 프로파일을 나타내고 있다.
100 scfh 유량의 질소 가스(여기서는 매니폴드 가스 확산기를 통해 흐르는 불활성 가스로서 사용)를 가스 매니폴드를 통해 제1 예열 대역에 주입하고, 정점 스킨(및 필요한 경우 하부 스킨)내의 가열 코일의 복사에 의해, 또한 확산판의 구멍을 통과하는 동안(가열 코일에 의해 가열되는) 전도에 의해 가열된다. 제1 예열 대역에 사용된 것과 동일한 가스(또는 상이한 불활성 가스, 사용된 제1 가스가 "불순물" 질소, 즉 1∼3%의 O2를 함유하는 97∼99%의 N2인 경우에는 통상보다 작은 산소를 갖는다)를 200 scfh 유량으로 이 제2 예열 대역으로 동일한 방법에 의하여 주입하고, 다음에 700 scfh의 유량을 제3 예열 대역으로 주입한다(동일한 순도 또는 그 이하의 O2). 유량을 증가시키는 것은 분위기와 이 시스템의 입구로부터 웨이브 대역으로 이동하는 회로 기판과의 사이의 열전달을 증가시키고, 다음에 회로 기판 및 이 회로 기판이 갖는 부품의 외측의 온도를 점진적으로 상승시키는 것을 의미한다. 다음에, 불활성 가스(이것은 본 공정을 통해 항상 층 흐름을 유지하거나 또는 실질적인 층 흐름을 유지한다)의 유량이 이 땜납 대역에 있어서 약 300℃의 땜납 포트의 존재에 의해 예컨대 400 scfh로 감소되는 경우에도 열전달 현상은 계속된다. 냉각 단계는, 본 실시예에서는 이 냉각 대역의 가스 확산기에 주입된 질소의 제로 유량으로 수행된다. 그러나, 불활성 가스는 제3 예열 대역 및 웨이브 대역으로부터 이 냉각 대역을 통해 냉각 대역의 막을 통과해서 시스템을 빠져나온다.
제3A도 및 제3B도는 땜납 포트 시스템 상에서 사용되고, 충만실 덮개(101)와, 장방형이며 땜납조를 통해 관찰되는 윈도우(103)를 둘러싸고 있는 가스관 매니폴드(102)를 구비한 가스 확산기 시스템을 도시하고 있다.
이 매니폴드(102)는 규칙적으로 간격을 둔 홀(100)(도면상에서 장방형 매니폴드의 장점측 및 하부측에 각각 배치됨)을 포함하고 있다. 장방형 매니폴드(102)는 가스 입구 T자관(104)을 포함하고 있다.
제3A도는 가스 확산기 시스템의 상면도이고, 제3B도는 동일한 가스 확산기 시스템의 저면도를 나타내고 있다. 제3B도에 있어서 확산기 판(105)은 매니폴드 (102)를 덮고 있고, 윈도우(103)를 밀봉적으로 둘러싸고 있으며, 가스는 매니폴드의 홀로부터 흐르고, 다음에 관통 확산기 판(105)의 홀(106)을 통해서만 흐른다. 충만실내에 가열 수단이 설치되어 있는(제4도에 나타낸 바와 같이) 경우, 불활성 가스는 그것이 확산기 판(105)내의 홀(106)과 같은 홀을 통해 흐르는 경우에도 전도에 의해 가열된다.
예열 대역의 가스 확산기 시스템은 덮개(101)의 정점에 윈도우가 설치되어 있지 않고, 이것에 의해 덮개의 전체 표면을 실질적으로 덮고 있으며, 또한 홀, 통상은 확산기 판의 표면 전체에 규칙적으로 이격되어 설치된 홀을 갖는 연속적이고, 통상 실질적으로 평탄한 확산기 판(105)을 가지고 있는 점 이외에는 제3A도 및 제 3B도에 도시된 시스템과 동일하다. 바람직한 패턴을 갖는 가스의 흐름이 요구되는 경우, 상이한 크기 및 상이한 패턴의 홀을 제공할 수 있다.
제4도는 제1도에 나타낸 바와 같은 장치의 예열 대역에서 상부 및/또는 하부충만실로서 사용되는 충만실의 전면도이다. 충만실(208)(이것은 관통되어 있는 하부벽(204)을 제외하고, 평면인 벽을 갖는 평행 육면체 박스이다)은 정점에서 하부까지 통상 관통된 하부판(204)에 평행한 평면에 배치된 규칙적으로 이격된 홀(203)을 그 브렌치(209, 210)에 갖는 가스 매니폴드(201)를 구비하고 있다. 매니폴드의 브렌치(211)는 통상 가스 확산을 위해 홀을 가지고 있지 않는다. 불활성 가스는 입구(202)에서 매니폴드로 입력되어, 출구(203)에서 매니폴드를 빠져나온다(또는 그 역으로). 입구(202) 및 출구(203)는 통상 하우징(208)의 측벽(수직벽)으로부터 너무 근접되어 있지 않으며, 그 설계는 충만실 내에서의 가스의 재분배가 균일하고 그 안에서 난류가 생성되지 않도록 하는 것이다. 입구(202) 및 출구(203)(또는 그 반대)는 불활성 가스(예컨대, 질소)원에 접속되어 있다. 가스 매니폴드(201)와 관통 하부판(204)과의 사이에는 접속부(207)를 통해 적절한 전력원에 접속된 몇 개의 가열용 코일(206)이 설치되어 있다. 이들 코일은 하부판(204)에 평행(또는 실질적으로 평행)하게 관통된 하부판(204)의 홀 또는 슬릿의 출구측에서 바람직하게 층 흐름 또는 실질적으로 층 흐름을 유지해야만 하는 가스 흐름을 방해하는 일이 없이 관통판과의 열전달을 향상시키기 위해 근접해서 배치하고 있다.
예 :
본 발명에 의해 달성되는 개선점을 입증하기 위해서, 땜납 포트의 바로 위에서 납땜 대역내에 제4도에 예시된 바와 같은 가스 충만실을 갖는 동일한 장치 내에서 상이한 실험을 행한다.
이하에 나타낸 실험은 복사 보다도 유효한 열전달 매체로서 가열된 불활성가스의 강제 대류 층 흐름(forced convection laminar flow)을 사용하는 이점을 나타내기 위해 실행되는 것이다. 가열된 불활성 가스의 강제 대류 층 흐름은 충만된 판을 가로질러 0.1 인치의 수위에서 50 인치의 수위까지의 압력 강하(이것은 실질적으로 1∼30 m/s 사이의 속도를 의미한다)를 갖는 불활성 가스의 흐름으로서 정의될 수 있다.
동일한 회로 기판상에 작은 부품과 큰 부품을 갖춘 유리 섬유/에폭시 수지 (FR 4 타입)의 인쇄 회로 기판에서 시험을 행하였다.
제5도는 열이 히터의 직접적인 복사에 의해 부품에 공급되고 충만실로의 가스 주입을 행하지 않은 경우와, 열이 충만실에서 가열되어 회로 기판상으로 흐르는 질소 가스의 주입에 의한 강제 층 흐름 대류에 의해 제공된 경우의 양쪽의 결과를 나타내고 있다.
제5도로부터 복사의 경우의 온도차 △T는 시간의 함수로서, 대류의 경우의 △T 보다도 훨씬 크게 됨을 알 수 있다. 실질적으로 비산화성 가스의 층 흐름 형태의 예열된 강제 대류를 방지하는 것은 이 온도차 때문이다. 이 온도차는 이 시스템을 사용함으로써 과가열 또는 부족한 가열에 의한 결함의 가능성을 제거하도록 회로 기판 양단의 온도를 제어할 수 있는 것을 나타내고 있다. 온도차 △T는 부품의 2개의 측면(정점 및 하부)간의 온도차를 나타내고 있다. 이 온도차 △T는 가열 가스와의 접촉후 30 초 경과 후 불활성 가스의 강제 층 흐름 대류에 대해서는 약 15℃(또는 그 이하)이지만, 복사의 경우에는 매우 순간적인 약 15℃의 △T(시간 제로에서)이고, 약 30초 후에 약 43℃에 도달한다.
제6A도와 제6B도는 복사에 의해서만 발생되고 회로 기판으로 전달되는 열과 강제 층 흐름 대류에 의해 회로 기판으로 전달되는 열에 대한 온도(K) 대 시간(초)을 나타내는 그래프이다. 제6A도의 경우에 있어서 온도원은 600 K(대류만)로 가열되고, 반면에 제6B도의 경우에 있어서 온도원은 500 K 만으로, 즉 100 K 정도 낮게 가열된다. 양쪽의 경우에 있어서 최종 목표는 회로 기판의 부품 상에서 약 355 K의 평균값의 온도에 도달하는 것이다(제6B도의 경우에 있어서 가열 소자에 대해 600 K 의 동일한 온도를 유지하는 것은 보다 빠르게(30 초 이하) 목적 온도의 355 K에 도달하는 것을 의미할 수 있다).
제6B도로부터 온도차는 예열된 실질적으로 비산화성 가스의 층 흐름을 이용하는 경우, 부품의 크기에 따라서 변화하고 있음을 알 수 있다. 평가되는 2개의 부품은 크기 및 재료의 조성에 있어서 변화되고 있다. 온도 측정은 각 부품에 대해 2개의 위치에서 행해지고 있다.
제6A도는 복사 열의 전달을 나타내고 있다. 부품 내에서 온도 기울기의 큰 변화는 부품이 납땜을 행하기 위한 소망의 온도에 도달하는데 과도한 응력을 받고 있음을 나타내고 있다. 단일 부품내의 재료 특성의 변화로 인하여 이러한 유형의 응력은 조기에 부품 고장의 원인이 될 수 있다.
제6B도는 강제 층 흐름 대류를 예시하고 있다. 이 경우, 온도 기울기의 변화는 복사만의 경우에 대해서 실질적으로 감소되고 있다. 1개의 부품내에서의 온도차의 감소는 보다 큰 부품의 신뢰성을 제공하게 될 것이다.
제1도는 각종 질소 주입 매니폴드(manifolds) 및 예열 수단을 구비한 웨이브 납땜 장치의 측단면도.
제2도는 웨이브 납땜 장치를 통한 온도 프로파일을 나타낸 그래프도.
제3A도 및 제3B도는 가열 수단이 설치되지 않은 가스 충만실내의 가스 주입 수단의 일 실시예의 상면도 및 저면도.
제4도는 웨이브 납땜 장치중에 예열된 불활성 가스 분위기를 주입하기 위한 가스 충만실의 전면도.
제5도는 복사에 의해서 및 강제 층 흐름 대류에 의해 제공된 열에 대한 온도차 대 시간과의 관계를 나타낸 그래프도.
제6도는 강제 층 흐름 대류의 이점을 예시하는 그래프도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
A, B : 예열 대역(preheating zone)
C : 납땜 대역(soldering zone)
D : 냉각 대역(cooling zone)
1, 16 : 가스관 매니폴드
2, 5 : 가열용 코일
22 : 땜납 포트(solder pot)

Claims (23)

  1. 웨이브 납땜 장치내에 비산화성 분위기를 제공하는 단계와, 관통 홀 부품 또는 표면 탑재 부품 또는 이들 양쪽의 부품을 액체 상태의 땜납을 도포하는 것에 의하여 인쇄 회로 기판상에 전기적 및 기계적으로 결합하는 단계와, 이들 부품을 인쇄 회로 기판상에 전기적으로 접속하여 기계적으로 유지시키기 위해 상기 땜납을 경화시키는 단계를 구비하는 웨이브 납땜 방법으로서,
    상기 웨이브 납땜 장치는, 인쇄 회로 기판을 예열하기 위한 적어도 하나의 예열 대역과, 상기 인쇄 회로 기판에 부품을 납땜하기 위한 땜납 포트를 구비한 적어도 하나의 납땜 대역과, 상기 땜납을 냉각 및 경화시키기 위한 적어도 하나의 냉각 대역을 포함하고,
    상기 웨이브 납땜 방법은, 상기 비산화성 분위기의 온도를 제어하는 단계와,
    상기 비산화성 분위기로부터 인쇄 회로 기판으로의 열전달의 열효율을 증대시키기 위해 강제 대류성 층 흐름(層流)을 제공하도록 상기 적어도 하나의 예열 대역 및 상기 땜납 포트를 구비한 적어도 하나의 납땜 대역을 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이브 납땜 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비산화성 분위기를 상기 웨이브 납땜 장치의 적어도 하나의 대역으로 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비산화성 분위기의 온도는 주변 온도보다 높고, 상기 비산화성 분위기를 상기 웨이브 납땜 장치의 적어도 하나의 예열 대역으로 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비산화성 분위기의 온도는 주변 온도보다 낮거나 동일하며, 상기 비산화성 분위기를 상기 웨이브 납땜 장치의 적어도 하나의 냉각 대역으로 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비산화성 분위기를 예열 후에 층 흐름(層流) 조건하에서 상기 웨이브 납땜 장치 내에 제공하는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 비산화성 분위기의 온도를 사전 설정된 값으로 유지시키는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판의 온도를 상기 납땜 대역에서 최대가 되도록 서서히 증가시키는 단계와, 상기 납땜 대역을 빠져 나온 상태에서 예열 대역내의 비산화성 분위기의 온도가 납땜 대역 또는 냉각 대역의 온도보다 낮아지도록 상기 비산화성 분위기의 온도를 서서히 감소시키는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 상기 인쇄 회로 기판중의 일부에는 상기 인쇄 회로 기판의 상부 측면상에 SMT 부품을 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판의 양 측면상에 예열된 가스 분위기를 적어도 하나의 예열 대역 내에 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 강제 대류성 층 흐름은 500∼2500 사이의 레이놀즈수(Reynolds number)를 갖는 흐름인 것인 웨이브 납땜 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 웨이브 납땜 장치의 각각의 대역에 주입된 비산화성 분위기의 온도는 대역마다 서로 상이한 것인 웨이브 납땜 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 비산화성 분위기를 적어도 2개의 예열 대역을 갖는 웨이브 납땜 장치로 주입하는 단계를 더 포함하고,
    상이한 예열 대역에 주입된 비산화성 분위기의 온도는 대역 마다 서로 상이한 것인 웨이브 납땜 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 웨이브 납땜 장치의 각각의 대역에 주입된 비산화성 분위기의 조성물은 대역마다 서로 상이한 것인 웨이브 납땜 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 비산화성 분위기를 적어도 2개의 예열 대역을 갖는 웨이브 납땜 장치로 주입하는 단계를 더 포함하고,
    상이한 예열 대역에 주입된 비산화성 분위기의 온도는 대역 마다 서로 상이한 것인 웨이브 납땜 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    충만실 내에 불활성 가스의 층 흐름을 주입함으로써 상기 예열된 가스 분위기를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 충만실은 관통된 하부벽과, 가열 수단 및 가스가 상기 가열 수단과 접촉하여 가열되도록 관련된 가스 주입 수단을 포함하며, 상기 충만실 내에서 가열된 가스의 압력은 충만실의 외부의 가스 분위기의 압력보다도 높고, 상기 가열된 가스는 상기 충만실의 관통된 하부벽의 개구를 통과하여 층상으로 흐르는(flowing laminarly) 것인 웨이브 납땜 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 가열 수단은 상기 충만실의 내부에 평행하게 배열되고 상기 관통된 하부벽과 평행한 평면에 평행하게 배열된 가열봉과, 상기 가열봉 사이에 평행하게 배열된 파이프 형태인 가스 주입 수단을 포함하고, 상기 파이프는 파이프의 상반부에 배열된 개구를 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    충만실 내에 불활성 가스의 층 흐름을 주입함으로써 상기 예열된 가스 분위기를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 충만실은 관통된 하부벽과, 상기 관통된 하부벽과 일체식으로 형성된 가열 수단 및 가스가 상기 관통된 하부벽과 접촉하여 가열되도록 상기 가열 수단과 관련된 가스 주입 수단을 포함하며, 상기 충만실 내부의 가스 분위기의 압력은 충만실의 외부의 가스 분위기의 압력보다도 높고, 상기 가열된 가스는 상기 충만실의 관통된 하부벽의 개구를 통과하여 출상으로 흐르는 것인 웨이브 납땜 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 가스 주입 수단은 상기 파이프 표면의 임의의 위치에 배치된 개구를 포함하는 파이프의 형태인 것인 웨이브 납땜 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판의 상부 측면상에 예열된 가스 분위기를 적어도 하나의 예열 대역으로 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    적어도 하나의 예열 대역에서 상기 인쇄 회로 기판의 하부 측면을 예열하는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판의 하부 측면상에 비예열된 가스 분위기를 적어도 하나의 예열 대역으로 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판의 하부 측면상에 예열된 가스 분위기를 적어도 하나의 예열 대역으로 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판의 상부 측면상에 비예열된 가스 분위기를 적어도 하나의 예열 대역으로 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 웨이브 납땜 방법.
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