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pb-free는 유점이 일반적으로도 pb공정에 비해 30~40℃ 상승한다. 이것에 의해 적당한 인두의 가열온도와 인두팁의 설정온도도 상승해서 여러 문제가 발생한다. 적정 인두 가열온도는 금속간 화합물 생성에 있어서 중요한 것으로 융정 +4-~50℃ 라고 말하고 있다.
수납땜 기초 지식 납땜 작업이란 대상 모재에 납을 얹혀서 전기적 기계적으로 접합 하는 것이다. 가열된 모재에 날을 이용해 융용시키고, 남은 모재를 따라 모재간의 틈 사이로 흘러들어간다. 그리고 납과 모재의 경계부에 금속간 화합물이 생성되고 접합한다. 납땜 작업은 납, 모재, 프럭스 및 열원의 요소에 의해 행해진다. 이들은 납땜 작업의 4요소라고도 칭한다. 그림2에서는 그 관계를 도식화 했다. 수납땜 작업에서는 열원으로서 인두가 사용되고 있다 | |
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납땜 작업은 인두 팁이 가진 열 에너지를 모재와 납에 전해저 온도를 상승시켜 융용한 납으로 접합한다. 모재 및 인두는 온도 상승하고 완료에 따른, 인두팁의 이탈에 의해 온도 강하를 한다 그림3은 수납땜 과정에서 인두 팁과 모재의 온도에 관해서 보여주고 있다 인두팁은 일단 온도 강하에서 원래의 설정 온도로 회복한다. | |
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젖음(퍼짐성) 인두작업은 모재와 납 사이를 「금속간 화합물이라고 하는 접착제」를 이용해 기계적 전기적으로 결합한다. 하지만 그 강도는 접착 면적에 비례한다고 해도 과언이 아니다.납이 용융상태에서 모재 위를 멀리까지 퍼지는 것을 '젖음(퍼 짐성)' 이라고 부른다. | |
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그림 5는 젖음 현상을 이해하기 쉽게 도식화한 것이다. 그림 6에서는 퍼짐성을 좌우하는 재료들을 보여주고 있다. | |
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항목 |
좋음 |
나쁨 |
모재금속 母材金屬 |
동(銅),은(銀),철(鐵) |
크롬 |
납 함유물 含有物 |
연 (鉛) |
동(銅),은(銀) |
팁 온도 溫度 |
고온 (高溫) |
저온 |
모재표면 母材表面 |
청정 (淸淨) |
산화 더러움 | |
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Pb-Free로 교환시의 검토사항 공정에서 Pb-Free로 교환할 때 검토해야 할 항목은 다음과 같다. - 신뢰성 전기적,화학적 내부식성 내산화성 - 물리적/기계적 강도 금속간 화합물의 성장과 속도 열피로 열충격. - 조성의 선택 :BASE 금속 선택,첨가원소 선택,첨가량의 검토 | |
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- 생산성,안전성 인두의 온도 작업성 Repair - 경제성 인두 재료원가 생산원가 - 부품의 개선 단자 표면처리 열성(재료-설계) | |
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No |
금속조성 |
고상선온도/액상선온도 |
목적과 특성 |
1 |
錫+3.0銀+0.5銅 |
217/220℃ |
JEITA 추장(推奬),일반적 |
2 |
錫+3.5銀+0.7銅 |
217/218℃ |
유럽&미국,일반적 |
3 |
錫+0.7銅 |
227/227℃ |
FLOW,수정용(修正用) |
4 |
錫+3.5銀 |
221/221℃ |
자동차부품 |
5 |
錫+5.0 antimony |
232/240℃ |
자동차부품,고온용 |
6 |
錫+0.3銀+2.0銅 |
217/270℃ |
동식,동세선용 |
7 |
錫+3.5銀+0.5비스마스+3.0인디움 |
190/214℃ |
저온 REFLOW,수정용 | |
표1. Pb-Free계 납의 종류 고상선온도 :납의 용융개시온도, 액상선온도 : 납의 고정개시온도(굳는온도) |
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공정 납(鉛있음) |
Pb-Free(鉛없음) |
1. 조성 60%錫 + 40%鉛 |
(錫의 함량이 많다) 96.5%錫 + 3.0銀 + 0.5銅 |
2. 성질
*융점 고상선온도 183℃ 액상선온도 188℃ 금속에서의 확산 보통 젖음성 좋음 납의 표면 광택이 있음
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*융점 고상선온도 217℃ 액상선온도 220℃ 금속에서의 확산 젖음성 나쁨 납의 표면 광택이 없음(백화현상)
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표2. 공정과 Pb-Free의 성질 비교 |
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과제 |
주요인 |
납땜 작업 |
FILLET 형성이 나쁘다 |
젖음성, 열량부족 |
냉땜 현상, 납 뿔이 생기기 쉽다 |
부적정 온도 |
부품의 열파괴를 일으키기 쉽다 |
온도설정 |
납 불의 비산이 쉽다 |
온도설정 |
수정 |
수정작업의 증가 |
열량부족 |
수정곤란(불량품의 발생) |
부적정 온도 |
품질 |
인두의 보증근거가 없다 |
경험부족 |
백화현상으로 외관검사로 판정곤란 |
납의 조성 |
인두팁 |
마모,구멍 생김이 빠르다 |
주석 고온설정 |
산화피막 형성이 빠르다 |
젖음성,고온설정 |
탄화물의 생성이 빠르다 |
고온설정 |
인두 Unit의 가격상승 |
고기능화 |
원가 |
인두 팁 히터의 소모비의 상승 |
고온설정 |
작업시간이 길어진다 |
열량부족 |
품질관리 비용의 상승 |
불량품 처리 | |
표1. 인두의 작업과 수정에 있어서의 문제 |
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Pb-Free는 융점이 일반적으로 공정에 비해 30~40℃ 상승한다. 이것에 의해 적당한 인두의 가열온도와 인두 팁의 설정온도도 상승 해서 여러 문제가 발생한다. 적정 인두 가열온도는 금속간 화합물 생성에 있어서 중요한 것으로 융점 +40~50℃라고 말하고 있다. 인두 팁 설정온도는 모재 및 납을 일정 시간 내에 가열을 행할 필요성이 있고, 적정 가열온도보다 70~80℃상승한다. Pb-Free의 경우는 젖음성과 작업성향상을 위해 좀 더 상승되는 경우가 있다. |
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(1) 플럭스의 활성시간이 짧아져 냉땜 현상이 증가 납의 가열온도가 높기 때문에 플럭스의 활성시간이20~30% 정도 짧아져 단 시간에 납땜 작업을 하지 않으면 젖음성이 나쁘게 되어 냉땜이 발생하기 쉽다. (2) 열량 부족에서는 납의 끊어짐이 나쁘게 되어 납뿔 현상과 브릿지가 발생 인두 팁의 온도강하가 심하면 인두 팁을 대상물에서 이탈할 때, 대상물 측의 납이 충분한 표면장력을 가진 온도를 유지하지 않고 이탈이 나빠 납뿔 현상과 브릿지 발생이쉽다. (3) 젖음성이 나쁘고 열량부족에 의해 Fillet 의 형성이 불충분하다. Pb-Free는 젖음성이 나쁘고 열량 부족에 의해 Fillet의 형성이 불충분해서, 기판의 내측에 납이 흘러가지 않을 우려가 있다. |
인두 팁의 온도를 높게 설정하는 것으로 개선은 되지만, 온도를 높이는 것으로 인해 다른 문제를 발생시킨다. (4) 납볼과 플럭스 비산의 증가 납 중앙에 있는 플럭스의 휘발성분이 가열에 의해 납 내부에서 작은 폭발을 일으켜 납과 함께 소립자로 비산하여 기판에 영향을 일으킨다. 공정 납도 높은온도 영역에서는 같은 문제를 일으키는데, 고온 설정의 Pb-Free는 더욱 비산이 증가한다. (5) 부품의 열파괴 작업성을 유지하기 위해 인두 팁 온도를 높게 설정해서 작업할 경우, 실장 밀도를 높여 소형화 되어있는 것은 아마도 열적으로는 미대책으로 많은 전자부품과 필름기판 등에 대해서 열파괴를 초래하는 것이 많아진다. (6) 수정작업이 많아진다. 수납땜 작업에서 수정의 증가 경향에 있지만, 전 공정의 Flow-Reflow에 있어서도 Pb-Free의 젖음성이 나쁨 및 기판, 부품의 필요열량에 대해서 충분한 공급이 되지 않을 경우 불량을 발생하기 쉽다.(부품을 열적 파괴로 부터막기 위해 낮은 온도로 설정시).특히 ,브릿지와 Fillet의 형성불량이 나오기 쉽다. (7) 수정이 곤란하다. 한번 작업을 한 것을 다시 녹이거나 부품을 제거할 때는 납땜작업이상의 열이 필요하다. 팁의 온도와 형상 등의 설정을 잘못하면 기판 부품에 손상을 일으킬 경우가 많다. | |
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팁의 구조와 기능 팁은 작업 대상모재에 납을 통해서 열에너지를 공급하고 작업의 목적을 달성한다. 현재 전자 산업계에서 많이 이용되고 있는 팁은 그림8에서 보이는 것과 같이 동에 철도금을 한 구조에서 동의 열전도성의 우수성과 철의 내마모성을 포함하고 있다. | |
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팁의 구조와 기능 팁은 작업 대상모재에 납을 통해서 열에너지를 공급하고 작업의 목적을 달성한다. 현재 전자 산업계에서 많이 이용되고 있는 팁은 그림8에서 보이는 것과 같이 동에 철도금을 한 구조에서 동의 열전도성의 우수성과 철의 내마모성을 포함하고 있다. | |
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인두의 수명이라고 일반적으로 말하고 있는 현상은 철도금 부분에 Pb-Free의 주성분인 주석 확산현상에 의해 동에 미세한 구멍 뚫림 현상, 납땜 작업이 되지 않는 현상을 일컫는다.동은 확산 속도가 상당히 빠르고 시간에 공동화 현상이 발생되어 팁에 열이 전달되지 않게 된다. Pb-Free를 이루고 있는 구성 재료의 특성상 공온 작업에서 수명이 급격히 짧아진다.
다음의 그림10은 공정 납과 Pb-Free를 자동기기를 이용하여 인두팁 끝의 철도금부의 주석확산 현상에 의한 침식도이다. 설정온도의 상승에 따라 침식치는 크게 되고 Pb-Free는 360℃ 이상의 설정온도에서 급격히 커진다. 실제 작업에서는 납의 종류에 의한 차이와 설정온도의 상승효과에 의해 Pb-Free는 공정 납보다 침식치가 급격히 커지게 되고 그것에 의해 수명이 짧아지고 있다. | |
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Pb-Free에 있어 철도금 표면의 산화피막 형성은 활성도가 높은 플럭스 사용 및 납 성분의 제외 등에서 고온 설정이 크게 영향을 미친다.고온 설정만으로도 산화피막 형성은 가속화 된다. 그 결과 납의 젖음성이 나빠지고 모재의 열 공급에 방해가 된다. 그 것을 개선하려고 설정온도를 좀더 올려 산화를 더욱 빠르게 만든다. 산화피막(Fe²O³)은 고온에서 장시간의 경과로 증가한다. 예비납(납을 팁에 묻혀놓음)으로 산화피막은 발생하지 않지만, 팁의 오래된 납을 제거한 후 잊어 버리고 예비납을 묻혀놓지 않아서 발생하는 경우가 많다.
그림12는 새로운 팁을 고온에서 방치 했을 때의 산화피막 형성을 표시한 것이다. 납이 녹는 면적의 예비납 유무 설정온도 및 방치시간에 의해서 산화피막의 형성이 바뀐다. 여기에서는 방치 후 납이 묻는 면적으로 평가를 했다. 예비납 없이 고온 장시간 방치가 문제인 것으로 판단되다.사용팁:BN10-8C,예비납(Pb-Free):유무,면적비:실험전과 비교면적:방치후 각 설정온도에서 새로운 납을 반복해서 테스트후 작업부위 면적의 초기치 비교로 표시한다.(산화피막 제거재는 사용하지 않는다). 예비납이 없는 경우는 방치시간의 길이와 고온에 의해 납이 녹는 면적이 감소한다. 예비납이 있는 경우는 장신간 고온 방치에 서도 납이 녹는 면적은 감소하지 않는다. | |
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산화물은 철도금과 크롬도금의 경계에서 플럭스의 성분이 산화되어 증가하고 납 위를 덮고 과열의 연속과 플럭스등 의 이물질에 의해산화물이 형성되어 제거되지 않고, 납땜작업에 지장을 주는 현상이다.
Total Cost 증가 Pb-Free는 원가의 상승은 현재 피할 수 없는 문제이다. 표4는 일반적으로 말하고 있는 수납인두에 관한 공정 납과의 비교치이다. 사용자의 교환시기,환경에 의해 크게 다르기 때문에 오로지 참고자료로서 이해하여 주시기바랍니다. | |
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항목 |
주이유 |
공정에서의 상승률 |
납 |
고가인 성분을 포함 |
50~100% |
인두의 Unit |
온도저절(온도가 회복하는 기능) |
50~180% |
팁,히터 |
마모 및 산화로 교환 증가 |
150~300% |
인두의 소비전력 |
고온설정,장시간 작업 |
50~100% |
작업시간 |
작업시간이 길어진다 |
20~30% |
품질관리 |
불량품처리,온도관리 |
20~50% | |