KR101453306B1 - 초음파 셀렉티브 솔더링 장치 - Google Patents

초음파 셀렉티브 솔더링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 셀렉티브 솔더링 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀렉티브 솔더링 장비에 초음파 장비를 장착하여 오버플로우(overflow)되는 용융 납에 직접 초음파 진동을 가해 일어나는 캐비테이션(cavitation) 현상으로 기존 셀렉티브 솔더링 장비로는 납땜을 할 수 없는 인쇄회로기판(PCB) 등을 납땜할 수 있도록 하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 셀렉티브 솔더링 장치는 노즐 상부로 용융 납을 오버플로우하여 국부적으로 웨이브 솔더링을 구현하는 셀렉티브 솔더링 장비, 및 상기 셀렉티브 솔더링 장비에 장착되어 오버플로우되는 용융 납에 초음파 진동을 가하는 초음파 장비를 포함하여 구성된다.

Description

초음파 셀렉티브 솔더링 장치{Ultrasound selective soldering device}
본 발명은 초음파 셀렉티브 솔더링 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀렉티브 솔더링 장비에 초음파 장비를 장착하여 오버플로우(overflow)되는 용융 납에 직접 초음파 진동을 가해 일어나는 캐비테이션(cavitation) 현상으로 기존 셀렉티브 솔더링 장비로는 납땜을 할 수 없는 인쇄회로기판(PCB) 등을 납땜할 수 있도록 하는 초음파 셀렉티브 솔더링 장치에 관한 것이다.
일반적으로, PCB(Printed Circuit Board)는 폴리이미드, 폴리에스테르 및 폴리에테르이미드 필름 등으로 제작된 기판에 구리나 알루미늄 등의 금속박판을 접착시킨 후 드라이 필름 포토레지스터(dry film photoresister)등을 사용하여 전기적으로 연결되는 회로를 구성하게 된다.
이러한 종래의 PCB에 SMD 부품 및 리드 부품과 같은 전자부품을 솔더링하는 방법은 우선 PCB에 스크린(screen)방식으로 인쇄하여 솔더 크림(예를 들어 플럭스)을 PCB의 랜드부에 배치시킨다.
SMD 부품을 자동화 설비를 이용하여 솔더 크림이 배치된 곳에 위치시켜 솔더 크림을 경화시킨 후 리드 부품을 PCB의 리드홀에 삽입한 다음, 끊임없이 흐르거나 순환하고 있는 솔더 크림 상에 리드 부품이 삽입된 PCB를 접촉하여 솔더링하는 웨이브 솔더링(wave soldering) 방식을 이용하여 리드 부품을 PCB에 솔더링하게 된다.
즉, 웨이브 솔더링은 인쇄회로기판(PCB)에 솔더 크림을 도포한 후 열풍로에 통과시키는 리플로우 솔더링 방식과 달리 용융된 솔더에 부품을 통과시켜 솔더링을 진행하는 일종의 칩납 형태의 방법이다.
이러한 칩납 형태의 웨이브 솔더링 방식은 대량 생산 및 작업이 용이한 장점이 있으나, PCB의 특정부분은 납땜이 어렵거나 납땜 불량이 자주 발생하며, 이때 셀렉티브 솔더링 장비를 사용하여 부분 납땜을 한다.
상기 셀렉티브 솔더링(selective soldering)은 전통적인 표면실장기술(SMT) 조립 공정에서 리플로우(reflow) 오븐의 열에 의해 손상될 수 있는 인쇄회로기판(PCB)과 성형된 모듈과 같은 솔더링 부분에 선택적으로 납땜을 하는 공정이다.
그러나 종래의 셀렉티브 솔더링 장비는 플럭스를 사용하지 않으면 납땜이 불가능하고, 특수금속(알루미늄, 니켈, 몰리브덴, 망간 등)이나 세라믹, 유리, 태양전지 같은 무기물에 납땜을 할 수 없으며, 용융 납의 표면 장력 때문에 미세 간극이나 구멍에 용융 납을 침투시키지 못하여 PCB에 형성된 미세 간극이나 구멍 등에는 납땜을 할 수 없는 문제점이 있었다.
공개번호 제10-2005-0093643호(2005년09월23일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 셀렉티브 솔더링 장비에 초음파 장비를 장착하여 오버플로우되는 용융납에 직접 초음파 진동을 가해 일어나는 캐비테이션 현상으로, 플럭스를 사용하지 않고서도 납땜을 할 수 있고 특수금속(알루미늄, 니켈, 몰리브덴, 망간 등)이나 세라믹, 유리, 태양전지 같은 무기물에도 납땜을 할 수 있으며, 미세 간극이나 구멍이 형성된 PCB도 납땜을 할 수 있는 초음파 셀렉티브 솔더링 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 초음파 셀렉티브 솔더링 장치는 노즐 상부로 용융 납을 오버플로우하여 국부적으로 웨이브 솔더링을 구현하는 셀렉티브 솔더링 장비; 및
상기 셀렉티브 솔더링 장비에 장착되어 오버플로우되는 용융 납에 초음파 진동을 가하는 초음파 장비; 를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 셀렉티브 솔더링 장비는 내부에 담긴 납을 히팅에 의해 용융하는 납조와,
상기 납조의 용융 납을 펌핑에 의해 노즐로 밀어 올려 노즐 상부로 오버플로우하는 펌프와,
상기 펌프와 노즐을 연통하는 수평과 수직의 연통관과,
상기 납조의 상부에 설치되어 노즐의 상부가 개방되도록 노즐을 결합하는 납땜 헤드부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 납땜 헤드부에는 웨이브 솔더링이 구현되는 노즐의 상부에 질소 가스를 공급하는 가스 공급공이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초음파 장비는 전기적 에너지를 초음파의 기계적 진동에너지로 바꾸어 주는 진동자와,
상기 진동자 상부에 결합하여 셀렉티브 솔더링 장비에 초음파 장비를 고정하고 초음파 진동을 증폭하는 메인혼과,
상기 메인혼 상부에 결합된 상태에서 수직의 연통관과 노즐의 내부에 수직으로 내삽되어 용융 납에 초음파 진동을 가하는 공구혼을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 노즐은 원형이거나 폭이 넓은 사각형인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 초음파 장비는 셀렉티브 솔더링 장비의 내부에 장착되는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 셀렉티브 솔더링 장비에 초음파 장비를 장착하여 오버플로우 되는 용융납에 직접 초음파 진동을 가해 일어나는 캐비테이션 현상으로, 플럭스를 사용하지 않고서도 납땜을 할 수 있고 특수금속(알루미늄, 니켈, 몰리브덴, 망간 등)이나 세라믹, 유리, 태양전지 같은 무기물에도 납땜을 할 수 있으며, 미세 간극이나 구멍이 형성된 PCB도 납땜을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 셀렉티브 솔더링 장치의 정단면도이다.
도 2는 도 1의 측단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 나타낸 초음파 셀렉티브 솔더링 장치의 솔더링 공정을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 셀렉티브 솔더링 장치의 정단면도이다.
도 5는 도 4의 측단면도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 셀렉티브 솔더링 장치의 정단면도이고, 도 2는 도 1의 측단면도로서, 국소 부위를 납땜하는 경우의 솔더링 장치이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 초음파 셀렉티브 솔더링 장치(100)는 셀렉티브 솔더링 장비(200)와, 상기 셀렉티브 솔더링 장비(200)의 내부에 장착되는 초음파 장비(300)를 포함하여 구성된다.
상기 셀렉티브 솔더링 장비(200)는 국부적으로 웨이브 솔더링을 구현하여 납땜하는 기구이다.
이를 위해 셀렉티브 솔더링 장비(200)는 초음파 셀렉티브 솔더링 장치의 본체(110) 상부에 납(10)이 담겨있는 대략 사각 형상의 납조(210)가 설치되고 그 일측에 펌프 모터(220)가 설치된다.
상기 펌프 모터(220)는 후술하는 펌프(230)를 구동하기 위한 모터이다.
이때 상기 납(10)은 후술하는 히터(212)에 의해 가열되어 용융된 상태가 된다.
상기 납조(210)는 열을 가하여 납을 용융하는 발열체인 히터(212)가 측면에 구비되고, 이때 납조(210)의 열이 하부나 외부에 전달되지 않도록 상면, 측면, 하면에 절연체(214)가 구비된다.
또한, 상기 납조(210)에는 용융된 납을 펌핑에 의해 후술하는 노즐(252)의 상부로 밀어 올려주는 펌프(230)가 구비되고 그 펌프(230)의 측면에는 발열체인 코일 히터(232)와 열을 측면으로 전달되지 않도록 절연체(234)가 그 외측에 구비된다.
또한, 상기 납조(210)의 상부에는 상기 펌프(230)에 의해 밀어 올려진 용융 납을 오버플로우하여 납땜할 수 있도록 납땜 헤드부(250)가 구비되는 바, 상기 납땜 헤드부(250)는 펌핑에 의해 밀어 올려진 용융 납을 오버플로우하여 납땜에 이용한 후 다시 납조(210)로 되돌아가도록 하는 노즐(252)이 수평과 수직의 연통관(254a,254b)을 통해 펌프(230)와 연통되도록 구비된다.
상기 노즐(252)은 원통 형상을 하고 용융 납이 오버플로우할 수 있도록 상부가 개방된다.
상기 노즐(252) 외측의 납땜 헤드부(250)에는 예를 들어 질소와 같은 가스 공급공(256)이 형성되어 실제 납땜이 이루어지는 노즐(252)의 상부에 질소 분위기가 형성된다.
이 질소 분위기의 납땜은 노즐(252) 상단부의 수명을 연장시키며, 납땜의 퍼짐성과 비산 방지에 효과가 있어 납땜 환경을 좋게 해준다.
상기 노즐(252)은 수평과 수직으로 형성된 연통관(254a,254b)을 통해 펌프(230)와 연통되어 수직의 연통관(254b) 상부에 결합하고, 그 상부는 전술한 바와 같이 개방된다.
또한, 상기 납조(210)에는 용융 납의 높이를 측정하여 납의 투입을 결정하는 레벨 게이지(242)가 상부에, 온도를 측정하여 납조(210)의 온도를 조절할 수 있도록 하는 온도 센서(244)가 하부에 구비된다.
한편 상기 초음파 장비(300)는 초음파 셀렉티브 솔더링 장치의 본체(110) 하부에서 수직의 연통관(254b)과 노즐(252) 내부에 위치되도록 수직으로 설치되어 용융 납에 초음파 진동을 가한다.
상기 초음파 장비(300)는 플럭스를 대신하는 초음파 기계적 진동으로 플럭스없이 결합하는 방법으로, 상기 기계적 진동은 용융 납에 전달되고 기계적 진동 에너지가 캐비테이션(cavitation)을 일으켜 부품 표면을 침식(erode)한다.
이 침식은 부품 표면의 산화물층을 제거하고 용융 납이 깨끗한 금속 표면에 촉촉해지도록(wet) 한다.
이러한 초음파 장비(300)는 초음파 셀렉티브 솔더링 장치의 본체(110) 하부에 위치되어 피에조 효과를 이용하여 전기적 에너지를 초음파의 기계적 진동에너지로 바꾸어 주는 진동자(transduser)(310)와, 상기 진동자(310) 상부에 결합하여 셀렉티브 솔더링 장비(200)에 초음파 장비(300)를 고정하고 초음파 진동을 증폭하는 메인혼(main horn)(320)과, 상기 메인혼(320) 상부에 결합된 상태에서 수직의 연통관(254b)과 노즐(252)의 내부에 수직으로 내삽되어 상부로 밀어 올려지는 용융 납에 초음파 진동을 가하는 공구혼(tool horn)(330)을 포함하여 구성된다.
이때 공구혼(330)은 상부에서 보아 원형으로 이 공구혼(330)의 외측과, 원형인 수직의 연통관(254b) 및 노즐(252)의 내측 사이에 간극(332)이 형성되고 공구혼(330)의 상단이 개방된 노즐(252)의 상부보다 아래에 위치하기 때문에, 이 간극(332)을 통해 용융 납이 상부로 밀어 올려지며 개방된 노즐(252)의 상부를 통해 용융 납이 오버플로우된다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 나타낸 초음파 셀렉티브 솔더링 장치의 솔더링 공정을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
이와 같은 초음파 셀렉티브 솔더링 장치(100)의 구성에서 먼저 도 3a 도시된 바와 같이, 셀렉티브 솔더링 장비(200)가 구동되어 예를 들어 320℃의 히터(212) 온도에 의해 납조(210) 내부의 납이 용융되고, 펌프(230)의 펌핑 작용에 의해 용융 납이 수평 연통관(254a)과, 수직 연통관(254b) 및 노즐(252)과 공구혼(330)의 간극(332)을 통해 상부로 밀어 올려져 노즐(252) 상부로 오버플로우된다.
이때 노즐(252) 외부의 납땜 헤드부(250)에 형성된 가스 공급공(256)을 통해 질소 가스가 노즐(252)의 상부에 공급된다.
다음 도 3b에서와 같이 초음파 장비(300)를 약 0.5 ~ 2초 동안 발진하여 공구혼(330)을 통해 오버플로우되는 용융 납에 초음파 진동을 가한다.
이와 같은 상태에서 도 5c에서와 같이 노즐(252) 상부에 예를 들어 부품(410)의 리드가 하부로 돌출되도록 삽입된 PCB(400)를 위치시켜 오버플로우되는 용융 납에 PCB(400)의 하부를 접촉시키면, PCB(400) 하부에 형성된 패턴(402)과 부품(410)의 리드가 납땜을 하게 된다.
이와 같이 오버플로우되는 용융 납에 직접 초음파 진동을 가해 용융 납 내부에서 캐비테이션 현상이 일어나게 하여, 이 캐비테이션 현상으로 PCB(400)나 부품(410)의 산화막이 파괴되어 플럭스를 사용하지 않아도 납땜을 할 수 있게 된다.
이와 같은 초음파와 결합한 국부 납땜에 의해 종래에는 불가능하였던 AL 및 세라믹 PCB 납땜, 미세 구멍 및 간격의 납땜, 셀렉티브 솔더링으로 불량이 발생했던 부분의 납땜, 태양전지 및 ITO 글라스 등의 납땜, 부분적인 플럭스없는 납땜이 가능하게 되었다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 셀렉티브 솔더링 장치의 정단면도이고, 도 5는 도 4의 측단면도로서, 광폭 부위를 납땜할 경우의 솔더링 장치이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 초음파 셀렉티브 솔더링 장치(500)는 셀렉티브 솔더링 장비(600)와, 상기 셀렉티브 솔더링 장비(600)의 내부에 장착되는 초음파 장비(700)를 포함하여 구성된다.
도 1과 다른 점은 광폭으로 웨이블 솔더링을 구현할 수 있도록 셀렉티브 솔더링 장비(600)의 노즐(652)이 폭이 넓은 사각 형상을 하고, 초음파 장비(700)의 공구혼(730)도 폭이 넓은 사각 형상을 한다는 점이다.
도 4 및 도 5의 구성으로 오버플로우되는 용융 납에 직접 초음파 진동을 가해 용융 납 내부에서 캐비테이션 현상이 일어나게 하여, 이 캐비테이션 현상으로 PCB나 부품의 산화막이 파괴되어 플럭스를 사용하지 않아도 납땜을 할 수 있게 되되, 도 1 및 2와는 다르게 공구혼(730)과 노즐(652)이 폭이 넓은 장방형상을 하여 넓은 부위의 납땜을 한꺼번에 할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
예를 들어 이상의 설명에서는 초음파 장비가 셀렉티브 솔더링 장비 내부에 설치되는 것을 예를 들었지만 경우에 따라 셀렉티브 솔더링 장비 외부에 설치할 수도 있다.
10: 납 100: 초음파 셀렉티브 솔더링 장치
200: 셀렉티브 솔더링 장비 210: 납조
230: 모터 250: 납땜 헤드부
252: 노즐 300: 초음파 장비
320: 메인혼 330: 공구혼

Claims (6)

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  4. 납조의 상부에 설치되어 펌프의 펌핑에 의해 밀어 올려진 상기 납조의 용융 납이 상부로 오버플로우하도록 상부가 개방된 노즐이 결합된 납땜헤드부와,
    상기 노즐 외측의 납땜헤드부에 형성되어 노즐의 상부에 가스를 공급하는 가스 공급공과,
    상기 노즐의 내부에 수직으로 내삽되며 상기 노즐보다 아래에 위치하여 오버플로우되는 용융 납에 초음파 진동을 가하는 공구혼을 포함하여,
    상기 노즐 상부로 오버플로우(overflow)된 용융 납에 의해 목적물의 일부를 국부적으로 웨이브 솔더링(wave soldering)하는 것을 특징으로 하는 초음파 셀렉티브 솔더링 장치.

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  6. 삭제
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