플럭스는 납땜 공정 중 금속 산화물의 제거 및 원활한 금속학적 결합을 위해 사용되는 산성 혼합물입니다. 단점은 납땜 후 남은 플럭스 잔류물로 인하여 전자장치 고장 및 누전으로 이어질 수 있다는 점입니다.
Engineers need to understand the soldering process to reduce the amount of flux residue and improve electronics reliability.
활성 플럭스 잔여물 자체의 화학적 성질에 대한 이야기를 하고 싶은 것이 아니라 이로 인한 고장 위험을 언급하고자 하는 것입니다. 한 주기 또는 일회성 테스트만 가지고는 고장 위험을 이해하는데 필요한 모든 정보를 얻기 어렵습니다.
회로의 수축이 지속될수록 고장 위험이 증가한다는 점을 알 수 있습니다. 이러한 위험을 줄이기 위해 엔지니어는 화학, 응용 기술, 설계 및 사용 사례 환경을 이해해야 합니다.
납땜과 플럭스 잔여물의 화학 작용
전기적 고장의 발생빈도에 영향을 미치는 플럭스의 네 가지 구성요소
- 활성제 (Activators)
- 바인더 (결합제: Binders)
- 솔벤트 (용제: Solvents)
- 첨가제 (Additives)
이들 중 활성제와 바인더가 가장 큰 영향을 미칩니다.
Flux residue on a circuit board
활성제는 현재 사용되는 플럭스에 함유되어 있는 약 유기산입니다. 산도는 위험성을 가지고 있지만 납땜 연결 품질을 위해 필요합니다. 산은 금속 산화물과 반응하여 금속염을 생성하며 습윤 공정 (Wetting Process) 후 염이 용해되고 금속 결합이 형성됩니다.
때로는 공정 중에 산이 완전히 소모되지 않을 수 있습니다. 이 경우 과잉 산이 전자적 고장을 유발할 수 있으므로 이로 인한 위험을 낮추고 적절한 납땜을 위해서 최소한의 플럭스를 사용해야합니다.
비히클 (Vehicles)이라고도 불리는 바인더 (Binders)는 녹는점이 높은 불용성 화합물 (예: 천연 로진-송진을 증류하여 얻는 천연 수지- 및 합성 수지 등)이며, 납땜 후 미사용 활성제가 물에 용해되는 것을 방지합니다. 바인더는 눈에 보이는 잔여물의 대부분을 형성합니다. 수지가 없는 깨끗한 조립품의 외관을 유지하기 위해 많은 엔지니어들이 바인더 농도가 낮은 플럭스 제형을 선택하여 잠재적 고장 위험을 높이게 됩니다.
솔벤트는 다른 성분을 용해하는 데 사용됩니다. 제조 권장 솔더링 프로파일은 부분적으로 솔벤트의 끓는점에 기초합니다. 도포 중 모든 솔벤트가 증발되도록 프로파일을 준수하는 것이 중요하며 솔벤트가 남아 있으면 전자 장치 고장이 발생할 수 있습니다.
첨가제 (가소제, 염료 또는 산화방지제)는 플럭스의 화학적 구성 중 작은 부분을 구성하며, 이를 통해 신뢰성을 높일 수 있지만 제조사의 지적 재산권 보호로 인해 전반적인 영향 파악이나 기능을 제어할 방법이 없습니다.
다양한 납땜 공정의 위험성
엔지니어는 SMT (표면실장 리플로우), 웨이브, 셀렉트 또는 수동 납땜을 적용할 수 있습니다만, 각각의 납땜 방법에 사용되는 플럭스의 양이 다르기 때문에 위험성을 안고 있습니다.
SMT는 가장 깔끔한 옵션 중 하나로서 스텐실이나 프린터를 사용하여 도포하는 페이스트 플럭스를 사용합니다. 이 방법은 적용되는 양을 고도로 제어할 수 있습니다.
액상 플럭스는 도포 흐름 및 양을 제어하기 어렵기 때문에 페이스트보다 큰 위험성을 가지고 있습니다.
Hand soldering
액상은 수동으로 분사하거나 웨이브 또는 셀렉트 납땜 공정 시 스프레이 또는 폼 형태로 분사됩니다. 웨이브 공정에서는 액체가 어셈블리의 상단으로 흐를 수 있으며, 이 경우 기판 상부 온도가 용제를 증발시킬 만큼 높지 않을 수 있습니다. 작업자들 간 애플리케이션 제어 차이로 인해 수동 납땜에서도 유사한 문제가 발생할 수 있습니다.
과용 및 액상 흐름 제어의 위험을 줄이기 위해 일관된 적용 방법으로 플럭스 코어 솔더 와이어 및 공급 장비를 활용할 수 있습니다.
조립품 청정도 측정 방법
납땜 후 위험 수준 분석에 사용되는 몇 가지 업계 표준 데이터 수집 방법이 있습니다.
ROSE (용제 추출물 저항성) 테스트를 통하여 세척 작업 중 이온 청정도를 모니터링할 수 있습니다. 이 테스트에서 수집된 데이터는 인증된 솔더 및 세척 공정의 유지 및 관리에 유용합니다.
이온 크로마토그래피는 납땜 후 잔여 이온 개수를 측정하는 또다른 보편화된 기법이며, 플럭스에서 약 유기산의 양을 손쉽게 검출할 수 있습니다.
A humid, use environment can lead to failure.
이온 크로마토그래피의 한 가지 문제점은 측정 방법에 따라 다른 결과를 보인다는 것입니다. 예를 들어, 전체 어셈블리를 담그면 표면 전체에 걸친 평균 농도를 제공합니다. 더 세밀한 영역의 산을 감지하려면 보다 국부적인 샘플링 방법을 사용해야 합니다. 안타깝게도 이온 크로마토그래피 결과에 대한 표준 합격/불합격 기준은 없습니다.
또한 기능 테스트를 통하여 습도가 높은 극한 환경에서의 설계를 어떻게 해야 하는지 평가할 수도 있습니다. 이러한 경우의 고장은 일반적으로 누설 또는 단락과 관련이 있습니다. 엔지니어는 전류 제한 사용으로 단락 손상을 줄일 수 있으며, 이는 고장을 일으키는 잔여물의 흔적을 숨길 수 있습니다.
엔지니어는 위험도 평가를 위해 설계, 최종 사용 환경 및 청정도 데이터에 대한 지식을 활용해야 합니다. 그 이유는 다음을 포함하여 고장 위험에 영향을 미치는 수많은 요인이 있기 때문입니다.
- 플러스의 화학적 성질/응용 분야
- 절연 간격
- 유전강도
- 주파수
- 포팅/코팅 접착
출처 : Ansys What Is Flux Residue and Why Can It Cause Electronic Failures?
