[30호]기존 기술과 고주파수 퀴리점 비교

고주파 퀴리 기술

기존 기술과 고주파수 퀴리점 비교

글 | 마이툴

더욱 복잡해지는 오늘날의 전자기기에서 온도에 대한 정확성을 높이는 작업은 상당히 중요한 요소가 된다. 즉, 지속적으로 겪을 수 밖에 없는 도전과제인 것이다. 이에 따라, 부품의 밀도 및 납의 크기 그리고 열에 대해 민감한 구성 요소 등을 모두 만족시킬 수 있는 공정 작업의 최적화가 요구되고 있다.
전자기기의 조립 공정에서 납땜은 전기 접촉이 원활히 이루어지도록 하는 조인트 제작의 핵심 역할을 담당한다. 그리고 납땜은 통상적으로 높은 수준의 기계적 강도를 필요로 하지 않는다. 이는 납땜에 사용되는 재료들이 갖는 연한 성질 때문이다.

최근 대부분의 납땜 과정은 자동화 되어 있다. 그러나 여전히 전자기기 산업에서는 수작업으로 직접 납땜을 해야 하는 작업이 존재한다. 즉, 특수한 사이즈의 부품이나 수량이 많지 않은 제품들 그리고 인쇄 회로기판의 변경 작업 등에서는 수작업으로 직접 납땜을 할 필요가 있는 것이다.
이와 관련, 납땜을 통해 부품간 조인트를 만드는 작업에 있어 가장 먼저 고려해야 할 부분은 바로 성공적 결과물을 얻기 위해 필요한 조건이 무엇인지를 이해하는 것이라 할 수 있다.

납땜은 2개의 금속 부품들이 제3의 금속 또는 합금 물질에 의해 접합되는 과정으로 정의 내릴 수 있다. 제3의 금속 또는 합금 물질은 통상적으로 접합이 이루어지는 2개의 금속 부품들에 비해 현저히 낮은 녹는점을 갖고 있다. 즉, 기계적 관점에서의 접착인 경우, 접착되는 물질의 기계적 표면 특성에 좌우되는 것이다. 납땜에서는 또한 기존의 물리적 반응 이외에 화학적 반응도 존재한다. 따라서, 납땜 작업을 성공적으로 완료하기 위해서는 아래 사항들을 고려할 필요가 있는 것이다:

· 금속간 레이어
· 납땜 부위의 연결 구조
· 연결 부분의 온도 (MIL 표준)
· 안정적인 납땜 연결부위의 형성
· 팁 부분의 온도 대 연결 부분의 온도
· 납땜 프로파일의 유지 보수 (리플로우 오븐)
· 난방 관련 기술 (고주파수 퀴리열 대 기존의 세라믹 히터 기술)

Soldering Tip: 납땜 팁 부위 / Tip Moving: 이동 팁 /
Flux and oxidation mixed:유출과 산화 혼합 / Oxidized: 산화 /
Cleaned Pad: 세척된 패드 / Intermetallic: 합금

수작업 납땜에 있어 중요한 고려사항 중 하나는 바로 금속간 레이어의 형성이라 할 수 있다. 즉, 접촉 부위에서의 연납이나 구리 그리고 여타 물질들을 화학적으로 붙이는 작업의 중요성을 말한다.

이러한 작업에서 금속간 레이어가 형성되지 않으면 제대로 된 납땜 조인트가 만들어지지 않는 것이다. 그리고 금속간 레이어가 형성되었다고 해도 높은 온도에서 팽창하게 되며, 온도가 증가할 수록 기하급수적으로 팽창하는 특성을 갖는 점 또한 유의해야 할 사항이다.
결국 납땜 공정에서 온도를 콘트롤 하는 것은 무엇보다 중요한 요소가 되는 것이다. 과도한 열, 즉 지나치게 높은 온도는 열팽창 계수의 차이를 유발하게 되고, 이는 궁극적으로 납땜 자체가 쉽게 부서지는 결과를 낳게 되어 작업 실패로 이어지는 원인이 된다.
일반적으로 납땜 작업은 가능한 빨리 이루어져야 한다. 대략 2초에서 5초 사이에 이루어져야 하는 것이다. 그리고 납땜에 있어 가능한 최저 온도를 설정하여 이용해야 하고, 동일 부위에 대해 납땜을 반복해서 하는 작업은 피해야 한다.
결론적으로 납땜하는 부위의 온도는 성공적인 납땜 작업을 이끌어내는데 있어 핵심 요소 중 하나인 것이다.

MIL-STD

· 조인트 온도는 연납의 녹는점에서 40°C를 더한 온도
· 연납의 팁 부분이 조인트에 접촉되는 시간은 대략 2초에서 5초 사이

이러한 이유로 인해 보다 나은 열 이동 기능을 갖는 납땜 인두의 경우, 팁 부위에서 낮은 온도를 활용해서도 견고한 납땜 조인트를 만드는데 필요한 열 에너지를 생성할 수 있게 된다.
반면 열 전달에 있어 효율성이 떨어지는 납땜 인두의 경우, 팁 부위에서 높은 온도를 필요로 할 수 밖에 없다. 그리고 이러한 높은 온도는 보다 두꺼운 금속 레이어를 형성하는 결과로 이어지게 되어, 납땜 작업 실패의 주된 원인이 된다. 특히 열 적으로 예민한 부품 및 패드 제품들의 치명적 손상을 야기하기도 한다.
효율적인 열 전달과 관련한 요건은 2003년 도입된 RoHS에서 구체적으로 명시되어 있다. 여기에는 무연 연납에 대해 증가된 필요성도 언급되어 있다.
이에 대한 해결책으로, 대부분의 수작업용 납땜 인두 제작회사들은 납땜 인두의 열 전달율을 개선하거나 아니면 연납의 녹는점을 높이는 등의 노력을 기울였다. 그러나 이러한 해결책들은 또 다른 문제를 야기하게 되었다. 예를 들면 다음과 같은 문제들을 꼽을 수 있다:

· 연납이 튀는 현상
· 팁 부위의 내구성 저하
· 접지 저항의 팁 부위 관련 문제
· 접지 전압의 팁 부위 누설 관련 문제
· 온도 오버슈트

이러한 문제들이 발생하는 원인은 부분적으로 기존의 납땜 인두 관련 기술들이 갖는 설계 차원의 문제에서 기인 한다고 볼 수 있다. 즉, 다이얼이나 LCD 디스플레이 방식으로 온도를 조정하며 또한 정확성을 보장하기 위해 지속적인 조정작업을 필요로 하는 열전대에 지나치게 의존하는 기존 기술들의 설계적 문제라는 것이다.

Copper Tip: 구리 팁 / Oxidation: 산화 / Sensor: 센서 /
Oxidation occurs in the gap between the tip and heater.:
산화는 팁 부위와 히터 사이의 갭에서 일어난다.
This leads to problems with tip to ground resistance.:
이는 접지 저항으로 이어지는 팁 부위에서 여러 문제들을 야기한다.

그러나 이제 기존의 납땜 기술이 야기하던 문제들을 모두 해소할 수 있는 새로운 기술을 만나볼 수 있게 되었다. 바로 Thermaltronics사의 퀴리 열 기술이다.

Induction Heating: 유도 가열 / Magnetic Field: 자기장 /
Resonant Circuit: 공진회로 / High Frequency Generator: 고주파 발생기 /
Copper Coil: 구리 코일

퀴리점에 대해 잘 알고 있다면, 모든 자성 합금들은 열이 가해질 경우 특정 온도에 도달하면서 자성을 잃어버리게 되는 현상 또한 잘 알고 있을 것이다. 이에 따라, 각기 다른 자성 합금들을 유도 가열 공정과 함께 이용하는 비교적 단순한 방식으로, Thermaltronics사는 오늘날 납땜 작업에 있어 필요로 하는 요건들을 갖추면서도 기존의 납땜 인두들이 야기한 문제점들은 모두 해소한 납땜 시스템을 만들어냈다.

Thermaltronics사의 고주파 납땜 시스템에 있어 핵심 기능은 바로 중심부가 구리로 이루어진 자성 합금 히터를 구성하는 팁과 카트리지 통합 시스템이라 할 수 있다. 각기 다른 자성 합금들을 활용하여 다양한 온도를 가능케 한 것이다. 그리고 납땜이 이루어지지 않는 부위에서는 팁과 카트리지의 온도가 +/- 1.1°C에서 유지되도록 하였다. (개별적인 팁들의 온도는 구리 질량에 따라 변하게 된다. 그러나 각각의 팁은 규정 범위 내에서 각자의 고유한 온도를 유지하게 된다.)

Curie Heat Technology: 퀴리 열 기술 /
No gap between tip and heater: 팁 부위와 히터 사이에 갭이 없음

Thermaltronics사의 전원 공급 장치로부터 전원이 생성될 경우, 전류는 자성 합금의 표면에 있는 핸드피스를 통해 흐르게 되는데, 이는 궁극적으로 열을 유도하게 된다. 그러나 “퀴리점”에 도달하게 되면 자성은 소멸되며 전류는 더 이상 흐르지 않게 된다. 이로 인해 합금은 냉각되어지는 과정을 거치게 되는데, 바로 이러한 냉각 과정으로 인해 자성은 다시 생성되며 가열 공정은 새롭게 시작되는 것이다.
이 모든 과정은 사람이 인지할 수 없는 짧은 찰나에 이루어지게 된다. 아래의 차트에서 설명되어 있듯이, 이러한 과정은 반복하여 수행될 수 있으며 온도를 제어하는데 있어 가장 효율적인 방식이라 할 수 있다. 기본적으로 이는 다이얼 방식의 열전대나 여타 제어 메커니즘을 사용하지 않고도 가능한 “순수 물리학”의 원리라고 할 수 있는 것이다.

1. High frequency current passes over the heater through the coil assembly.:
고주파수 전류는 코일 어셈블리를 통해 흐른다.

2. The skin effect causes the heater to heat up rapidly.:
표피 효과는 히터가 빠르게 가열되도록 한다.

3. The magnetic layer reaches Curie Point heat travels into the copper core.: 자성층이 퀴리점에 도달하면서, 열은 구리 코어로 이동하게 된다.

4. The process repeats indefinitely regulating the tip temperature.: 적절한 팁의 온도를 유지하기 위해 본 과정은 지속적으로 반복된다

5. The process repeats indefinitely regulating the tip temperature.: 적절한 팁의 온도를 유지하기 위해 본 과정은 지속적으로 반복된다.

결론적으로 Thermaltronics사의 고주파 퀴리점 기술은 아래 기능들을 제공한다.

· 접지 저항 파라미터에 대한 우수한 팁 부위 제공
· 어떠한 팁도 접지 누출 이슈을 야기하지 않음
· 효율적인 열 이동을 유지
· 인위적 기기 조정에 대한 필요성을 제거
· 온도 오버슈트 문제점을 방지
· 팁/카트리지 교체 작업을 단순화함
각기 다른 색상은 각각의 다른 온도 범위와 자성 합금을 나타낸다.

이 고주파 퀴리점 기술을 기반으로 한 인두기 중 TMT-2000S라는 인두기가 있다. 그리고, TMT-2000S의 상위 모델인 TMT-9000S라는 제품이 출시되었다.
TMT-9000S에 호환되는 M시리즈 인두팁은 METCAL MX-500S / MX-5000S에 호환 가능하다. TMT-2000S와 달리 TMT-9000S는 LCD디스플레이가 내장되었으며 50KHz의 퀴리가열 기술을 채택하였다.
마찬가지로 TMT-2000S처럼 듀얼채널로 디솔더건이나 트위져에도 사용 가능(별매)하여 경제적인 장점을 가지고 있으며 인두기 사양은 아래 표와 같다.

제품구성으로는

인두팁은 기본 구성에 포함되어 있지 않다. 현재 Thermarltronics는 인두기 및 인두팁을 생산하고 있으며 추후 프리히터 및 열풍기가 출시될 예정이다.