조립 팁과 요령

Altium에서 PCB 설계를 완료하고 PCB가 도착했다면, 이제 보드 조립 방법에 대해 생각할 시간입니다. 대량 생산이든 프로토타이핑 목적이든, 디자이너는 조립 기술을 알고 있어야 합니다. 보드가 설계 조립성(Design-for-Assembly, DFA) 문제에 대해 검토된 것을 확인하기 위해 설계 검토 과정의 일부가 되어야 합니다. 이 글의 주요 초점은 수작업 조립이므로, 스텐실 및 솔더 페이스트 선택, 온도 델타 문제, 구성 요소 납땜 등 제 경험에서 얻은 다양한 팁과 요령을 공유하겠습니다.

솔더 페이스트 스텐실 만들기

무엇보다도, 주사기로 솔더 페이스트를 분배하는 것에 비해 스텐실을 사용하여 펴 바르는 것은 엄청난 시간 절약입니다. 전 세계의 거의 모든 프로토타입 회로 기판 제작소는 초저가의 무테 스텐실을 제공하거나, 일부 회사는 저비용 프로토타입을 생산하기 위한 독립 서비스를 제공합니다. 그렇다고 해서 모든 표면 실장 구성 요소를 수작업으로 납땜하지 않는 것이 매우 중요하며 동시에 훨씬 쉽습니다.

스텐실 제작에는 다양한 공정이나 재료가 있지만, 일반적으로 스테인리스강과 같은 얇은 금속 시트에 솔더 랜드 구멍을 만드는 것입니다. 아트워크의 최소 피치 크기에 따라 화학적으로 에칭된 스텐실이나 레이저 컷 스텐실이 사용될 수 있습니다. 설계에 매우 미세한 피치 구성 요소가 있는 경우 화학적 에칭이 최적입니다. 가장 작은 패드 크기도 시트 금속의 두께를 결정하여 올바른 양의 솔더 페이스트 배출을 위해 올바른 종횡비가 유지될 수 있습니다. 프로토타이핑 및 소량 생산은 일반적으로 조립 기계를 사용할 계획이 아니라면 스텐실 주변에 프레임이 필요하지 않으므로 무테 스텐실을 선택하면 비용을 줄일 수 있습니다.

다른 관점에서, DIY에 더 관심이 있고 레이저 커터에 접근할 수 있다면, 레이저 프린터 투명 필름에서 스텐실을 생산할 수도 있습니다.

시트를 레이저 컷해본 적이 있을 수 있습니다. 그 과정이 잘 진행되지 않아 녹아내린 잔해가 생겼을 수 있습니다. 하지만, 여기서 레이저 프린터 투명 필름이 등장하는데, 아세테이트 시트는 더 높은 온도를 견딜 수 있고 적당한 두께를 가지고 있습니다. 모든 것은 열 관리에 관한 것이며, 스텐실의 레이저 컷 작업을 개선하기 위한 몇 가지 요령이 있습니다. 먼저, 아세테이트 시트는 가벼워서 공정 중에 쉽게 움직일 수 있으므로 레이저 베드에서 직접 컷하지 않는 것이 좋습니다. 제가 선호하는 해결책은 첫 번째 층으로 물에 적신 판지 상자의 평평한 부분을 사용하고, 그 위에 물에 적신 보통 복사 용지를 덮는 것입니다. 그 위에 투명 필름을 추가하고 물에 적신 또 다른 복사 용지를 덮습니다. 물을 많이 사용해야 한다고 생각할 수 있지만, 레이저 빔은 물과 문제가 없으며, 반대로 모든 것을 시원하게 유지하여 스텐실이 녹지 않도록 합니다. 공기 보조를 최소 수준으로 줄여서 종이가 마르지 않고 렌즈가 깨끗하게 유지되도록 할 수 있습니다.

트로텍(Trotec)이나 에필로그(Epilog)와 같은 고급 기계를 사용하지 않는 한, 이동 속도를 낮게 유지하세요. 일부 레이저는 벨트에서 튕겨나와 정밀한 모서리를 만들지 못하고 미세한 피치 컴포넌트 패드 사이의 작은 조각을 날려버릴 수 있습니다. 마지막 설정으로, 파워 레벨은 골판지의 첫 번째 층을 자르되 완전히 관통하지 않도록 설정해야 하며, 이는 불필요한 열 없이 깨끗하게 자를 수 있는 충분한 파워를 가지고 있음을 보장합니다.

고정 및 페이스트 적용

스텐실을 얻은 후에는 회로 기판 위에 정확하게 맞추는 것이 중요합니다. 저는 최근에 아크릴 시트를 레이저 커팅하여 스텐실링을 하기 전까지는 책상 위에 오래된 프로젝트의 여분의 회로 기판을 이용하여 틀을 만드는 것이 제 해결책이었습니다. 반드시 레이저 컷팅된 표면일 필요는 없지만, 클립보드나 도마와 같이 단단하고 평평한 것이라면 같은 일을 할 수 있어야 합니다.

아크릴 시트 위에 보드를 고정하기 위해 남은 PCB를 사용하는 대신, 스텐실이 보드 표면보다 높은 곳에 놓이지 않도록 입술이 있는 보드 주변부를 3D 프린팅했습니다. 스텐실이 보드의 상단 표면에 부드럽게 놓이게 하면 전체 과정 동안 보드가 보드와 접촉하면서 번짐 효과를 줄이는 데 도움이 됩니다. 스텐실을 플라스틱 리저에 테이프로 고정하여 경첩처럼 작동하게 하여 깨끗하게 들어 올릴 수 있도록 하는 것도 유용했습니다. 적용 중 정렬이 중요하기 때문에 스텐실의 반대쪽 가장자리에 추가 테이프를 사용하여 어떤 것도 이동하지 않도록 하는 것을 두려워하지 마세요. 3D 프린터 혁명 이후, 정확한 DIY 정렬 방법이 많이 있으며 이것은 그 중 하나일 뿐입니다.

다음 단계는 솔더 페이스트를 적용하는 것이지만, 적절한 페이스트를 사용해야 합니다. 저는 헨켈 로크타이트(Henkel Loctite)의 GC10 시리즈를 T4 또는 T5 메쉬 크기로 사용하는 것을 선호합니다. 메쉬가 더 세밀할수록 작은 패드에 더 잘 적용됩니다. 이 페이스트는 몇 가지 이유로 프로토타이핑에 완벽합니다. 첫째, 페이스트가 나빠지기 전에 8시간 이상의 조립 시간을 가질 수 있습니다. 또한, 실온에서 안정적이기 위해 반드시 냉장고에 보관할 필요는 없습니다. 좋은 품질의 솔더 페이스트는 비싸지만, 한 통은 유통 기한이 끝난 후에도 잘 사용할 수 있습니다. 페이스트가 만료되었다고 걱정하지 마세요 - 스텐실하기 어려운 만료된 페이스트를 버리는 대신, 그냥 젤 플럭스를 페이스트에 추가할 수 있습니다. CHIPQUICK의 SMD291은 저에게 다른 어떤 젤 플럭스보다 훨씬 나은 선택이며, 만료된 페이스트와 만료된 플럭스를 섞은 것보다 더 좋은 조합을 생각할 수 없습니다.

모든 패드에 솔더 페이스트를 바르셨다면 이제 부품을 배치할 시간입니다. 곡선형 핀셋이 제가 가장 좋아하는 도구인데, 부품을 배치할 때 더 나은 시야와 정밀도를 제공하기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 저는 저렴한 다용도 핀셋 팩은 어떤 경우에도 피할 것을 강력히 권장합니다—그것들은 가치가 없습니다. 여러분이 찾는 것은 스테인리스 스틸이나 ESD 세라믹으로 된 7SA 패턴입니다. 또한, 긴 조립 세션 동안 편안함을 제공하는 패딩 그립도 매우 좋아합니다. 장시간의 조립 작업 중에도 말이죠.

조립 보조기구로 부품 추적하기

어떤 부품이 어디로 가는지 추적하는 한 가지 방법은 조립 도면을 인쇄하는 것입니다. 최근에 저는 Altium 365 Assembly Assistant를 시도해 보았는데, 이는 인쇄물보다 훨씬 실용적입니다. 가상 보드 인구와 검색 기능을 통해 조립 진행 상황을 쉽게 따라갈 수 있으며 좋은 시각적 피드백을 제공합니다. 시도해보고 싶으시다면 링크를 클릭하세요; 인쇄물로 돌아가고 싶지 않을 수도 있습니다.

보드를 리플로우할 때, 표면 장력이 도움을 주어 배치 정밀도에 있어 어느 정도 자유를 줍니다. 부품 단자가 페이스트에 닿기만 하면, 리플로우 중에 부품이 정렬되어 작은 부품들, 예를 들어 0201 패키지를 배치할 때 생활을 더 쉽게 만들어 줍니다. IC 배치의 경우, 단지 단자가 페이스트와 일치하도록 하고 인접한 패드에 닿지 않도록 한 다음, 나머지는 표면 장력에 맡기면 됩니다. 리플로우 중에 제대로 배치되지 않았다고 걱정할 필요는 없습니다; 확실하지 않다면, 솔더가 아직 액체 상태일 때 IC를 조금 밀어주면, 그것이 원래 위치로 돌아오거나 정렬에서 벗어날 것입니다. 정렬에서 벗어났다면, 다시 잡아서 맞출 수 있습니다.

간단한 온도 조절이 가능한 핫 에어 리워크 스테이션은 대부분의 보드를 리플로우하는 데 일반적으로 적합합니다. 858D 스타일 리워크 스테이션은 제 실험실에서 10년 이상 잘 사용되어 왔으며, 저렴하고 충분히 잘 작동합니다. 단, 리플로우 중에 작업대와 ESD 매트가 녹을 수 있다는 점을 유의하세요. 저는 보드를 따뜻하게 유지하고 작업대를 격리하기 위해 피라미드 스타일의 실리콘 베이킹 시트를 사용합니다. 리플로우를 위해 토스터 오븐에 비용을 들일 필요는 없지만, 오븐을 제어하는 오픈 소스 프로젝트인 picoReflow를 확인해 보고 싶으시다면 그렇게 하세요.

보드에 금속 코어나 무거운 구리층이 많은 경우와 같이 열량이 많은 보드의 경우 리플로우 공정이 약간 복잡해질 수 있습니다. 보드에 충분한 열을 가하는 데 더 오래 걸릴 수 있으며, 이로 인해 솔더가 완전히 리플로우되기 전에 플럭스가 증발할 수 있습니다. 리플로우 스테이션만으로는 충분하지 않을 수 있으므로 예열기 사용을 고려해야 할 수도 있습니다. 비용이 부담되지 않는다면, JBC는 최고의 전문 예열기를 만듭니다. 저는 비교적 저렴한 대안인 Quick 854를 사용하고 있는데, 이는 제한된 가열 영역과 제어 기능을 가지고 있습니다. 대안으로, 저렴한 전기 스키렛이나 철판구이 그릴은 전문 예열기에 대한 예산 친화적인 대안이 될 수 있지만, 과열되거나 충분한 열을 제공하지 못하는 사이를 오가는 열 제어가 불량합니다.

실험실에 예열기가 있다면, 전체 리플로우 공정에 사용하는 것을 고려할 수 있습니다. 그들이 충분히 가능하긴 하지만, 리플로우에 사용하는 것을 선호하지 않습니다. 대신, 보드를 페이스트의 침지 온도까지 가열한 다음, 내 핫 에어 스테이션을 사용하여 한 번에 한 영역씩 선택적으로 보드를 가열하고 싶습니다. 이렇게 하면 솔더가 녹는 것을 모니터링할 수 있고, 조립 문제에 대한 내 재작업 시간도 줄일 수 있습니다. 왜냐하면 문제가 발생하면 즉시 수정할 수 있기 때문입니다. 이것은 다존 산업용 리플로우 오븐의 완전한 대체품은 아닙니다. 그러나 내 보드의 소수만이 툼스토닝이나 정렬 불량과 같은 문제를 겪습니다.

스루홀 부품은 조립 공정의 마지막 단계입니다. 보드가 열을 다룰 수 있을 정도로 식었을 때 가능한 한 빨리 스루홀 조립을 시작해야 합니다. 특히 보드에 열량이 많은 경우에는 더욱 그렇습니다. 따뜻한 보드를 다루면 온도 차이가 줄어들어 납땜하는 동안 생활이 더 쉬워집니다. 좋은 품질의 납땜 스테이션은 물론, 올바른 팁 형상을 선택하는 것이 많은 도움이 될 것이라는 점을 언급할 가치가 있습니다. 저는 원추형 팁보다는 끌 모양의 팁을 선호합니다. 원추형은 가치보다 더 고통스러운 경우가 많기 때문입니다. 열량이 많은 스루홀 구성요소(예: 단자대)를 가지고 있다면, 보드를 가열하는 것보다 리드를 가열하는 것이 더 도전적일 수 있습니다. 이러한 경우를 처리하기 위해 오목한 부분이 있는 특수 팁을 사용하는 것을 고려해 보세요. 팁이 구성요소나 리드보다 크더라도 표면 장력이 크게 도움이 됩니다. 저는 0402 부품을 재작업하기 위해 3mm 너비의 팁을 기꺼이 사용합니다.

모든 팁과 요령을 사용하면, 스루홀 부품으로 프로토타이핑하는 것보다 표면실장 구성요소로 프로토타이핑하는 것이 훨씬 쉽고 빠릅니다. 집에서 프로토타이핑을 시도해 보세요; 구성요소 수를 스스로 관리 가능한 한도 내에서 유지하는 한 많은 시간이 걸리지 않습니다. 또한 일종의 명상이며, 저는 이것을 상당히 편안하게 느낍니다. 많은 구성요소, 픽 앤 플레이스 조립 등에 대한 더 많은 조립 팁을 위해 계속해서 따라오세요.

신뢰할 수 있는 전력 전자 장치나 고급 디지털 시스템을 구축해야 할 경우, Altium Designer®의 완벽한 PCB 설계 기능과 세계적 수준의 CAD 도구를 사용하세요. 오늘날의 융합된 환경에서 협업을 구현하기 위해, 혁신적인 기업들은 Altium 365™ 플랫폼을 사용하여 설계 데이터를 쉽게 공유하고 프로젝트를 제조 단계로 넘기고 있습니다.

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