PCBs 납땜의 종류와 조립 공정

제가 처음 연구실에서 일하기 시작했을 때 가끔 와이어 리드를 금속 접점에 납땜해야 했던 때가 기억납니다. 당시 우리는 반도체 재료로 작업했지만, PCB 납땜에도 동일한 재료를 사용할 수 있으며 PCB 제조 공정에 맞는 올바른 배합을 선택하기만 하면 됩니다.

PCB 제조 공정에는 베어 기판 제작부터 조립 및 포장까지 여러 단계가 포함됩니다. PCB 조립의 일환으로 다양한 유형의 PCB 땜납이 컴포넌트를 장착하는 데 사용됩니다. 납땜마다 조립 계획 시 고려해야 하는 기계적 특성, 안전 고려 사항 및 폐기 문제가 다릅니다. 업계가 무연 전자제품으로 전환하며 납 기반 땜납의 사용은 최소화되었습니다.

인터넷에서도 납 기반 재료와 무연 재료에 관한 논쟁이 있는 만큼 지금은 이에 관한 언급을 삼가겠습니다. 우선은 다양한 유형의 PCB 납땜, 특히 다양한 재료와 공정에 대해 알아보도록 하겠습니다.

PCB 납땜 재료

시중에는 다양한 종류의 납땜이 있으며, 가장 적합한 유형의 납땜을 선택하기란 신참 설계자나 조립자에게 어려운 일로 느껴질 수 있습니다. 땜납은 용융된 땜납(연질 합금)이 냉각되면서 융합되는 공융을 형성하도록 하여 금속 접점 사이의 전기적 연결을 만드는 데 사용됩니다. 납땜된 PCB를 구성하는 금속 혼합물이 응고 후의 기계적 강도, 필요한 용융 온도 및 납땜 중에 발생하는 연기를 결정합니다. PCB 납땜 재료의 유형을 핵심 재료, 금속 컴포넌트 및 납땜 플럭스 유형으로 구분할 수 있습니다.

금속성 내용물

납 땜납 혼합물은 연성 땜납으로 알려져 있으며 전자 산업의 기반 물질로 작용합니다. 녹는점은 약 180~190°C이고 유통기한은 약 2년입니다. 일반적인 납 기반 땜납 합금은 다음을 포함합니다.

• 60/40 Sn/Pb
• 63/37 Sn/Pb
• 62/36/2 Sn/Pb/Ag

이외의 Sn/Pb 비율로는 50/50, 30/70 및 10/90이 있습니다. 주석은 합금의 융점을 낮추고 납이 주석 위스커의 성장을 억제하므로 주로 모재 금속으로 사용됩니다. 주석 농도가 높을수록 납땜 접합부의 전단 강도와 인장 강도가 높아집니다. 62/36/2 Sn/Pb/Ag의 은 성분은 낮은 접촉 저항과 내부식성을 제공합니다. 다른 유형의 땜납(인듐, 아연 합금 등)도 있지만 PCB 제조 공정과 호환되지 않으므로 PCB에는 사용되지 않습니다.

무연 땜납은 EU에서 전자제품에 납 사용을 제한하는 유해물질 제한(RoHS) 지침이 통과된 후 더욱 인기를 얻고 있습니다. 무연 땜납의 한 가지 문제점은 주석 위스커를 형성할 가능성이 더 높다는 것입니다. 컨포멀 코팅은 이러한 주석 위스커가 발생하는 것을 방지하고 습기와 부식으로부터 보호하는 데 자주 사용됩니다.

플럭스 코어 땜납은 단일 릴로 판매되며 코어에 환원제가 포함되어 있습니다. 이 환원제(아래에서 설명)는 금속 접점의 산화막을 제거하여 전도성이 높은 전기 접점을 보장합니다. 코어에 포함된 재료의 유형은 수동으로 납땜하는 경우 고려해야 할 또 다른 사항입니다.

땜납 코어 재료

땜납 또는 땜납 페이스트 스풀에는 납땜 중 금속 접점을 플럭스하기 위해 다음 유형의 재료 중 하나가 포함됩니다.

• 유기산 플럭스: 산성 기반 플럭스는 납땜 시 금속 접촉부에서 산화물을 적극적으로 제거합니다. 이 플럭스는 수용성이므로 부식을 방지하기 위해 납땜 후 잔여물을 청소해야 합니다.
• 로진 플럭스: 로진은 침엽수에서 추출한 고체 형태의 수지입니다. 로진 플럭스 잔류물은 부식을 일으키지 않으므로 유기산 플럭스에서 잔류물을 제거하기가 보다 어려울 때 사용됩니다.
• 솔리드 코어 납땜: 일부 납땜 와이어는 코어가 단단하고 플럭스가 포함되어 있지 않으므로 손으로 플럭스를 도포해야 합니다. 이 유형의 납땜은 플럭스를 사용할 수 있는 수동 납땜에 유용합니다.

PCB 납땜 공정

오늘날 PCB에서 가장 일반적인 유형의 땜납은 무연(Sn-Cu) 로진 코어 땜납입니다. 조립자가 일회용 기판을 사용하거나 여러분이 직접 기판을 조립하지 않는 이상 PCBA를 수동으로 납땜하는 일은 없으며, 대신 자동화된 공정을 거치게 됩니다.

• 웨이브 납땜: 스루홀 부품에 사용됩니다.
• 리플로 납땜: 리플로 오븐에서 SMT 부품에 사용됩니다.
• 선택적 납땜: 스루홀 부품이 고열로 인해 손상될 수 있거나 웨이브 및 리플로 공정에 적합하지 않을 때 사용됩니다.

먼저 기판의 금속 접점에 플럭스/페이스트를 도포하여 산화를 줄이고 용융 땜납의 흐름을 균일하게 하여 PCB의 완성된 납땜 접합부를 강화합니다. 대다수의 설계자는 무연 땜납 페이스트를 사용하여 무연 리드로 부품을 조립해야 한다고 생각할 수 있지만, 이는 엄격한 요구 사항은 아닙니다. 납땜 전문가 패널에 따르면 이러한 재료를 혼합하는 것은 드문 일이 아니지만, 최종 합금의 기계적 특성이 최종 납 기반 합금과 무연 합금 사이에 위치할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

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