reflow soak를 늘려도 항상 solder 불량이 줄지는 않는다

reflow 불량이 생기면 soak를 더 길게 주자는 제안이 자주 나온다. 큰 부품이 늦게 데워진다면 시간을 주는 방법은 합리적이다. 하지만 열이 균일해지는 시간과 flux가 접합을 준비하는 시간은 같은 시계가 아니다. Reflow Soak를 늘리면 한쪽 문제를 줄이면서 다른 쪽 여유를 소모할 수도 있다.

soak는 peak로 올라가기 전의 온도 유지 또는 완만한 가열 구간을 말한다. 부품과 board의 온도 차이를 완화하고 paste 안의 휘발 성분을 다루며 flux가 표면 산화물을 제거할 조건을 만든다. 모든 paste가 같은 온도 범위와 유지 시간을 요구하는 것은 아니다. 선형으로 peak까지 올라가는 profile을 사용하는 경우도 있으므로 soak 구간이 길수록 공정이 완성된다고 볼 수 없다.

TI Flip Chip BGA 지침 4.4절은 크기가 다른 부품의 열 응답과 flux 활성·온도·시간의 균형을 함께 설명한다. 너무 뜨겁고 빠른 사전 가열이 paste를 말려 젖음을 악화시킬 수 있고, troubleshooting에서는 flux를 과도하게 소모하지 않도록 요구한다. 문서의 역사적 SnPb 예시 profile을 현재 board의 그대로 쓸 수 있는 공정으로 받아들이면 안 된다.

열 균일화만 보는 가상 모델을 만들자. 두 부품이 처음 120°C이고 주변 온도는 즉시 180°C로 일정해진다고 가정한다. 각 부품의 온도는 T(t) = 180 − 60 exp(−t/τ)로 접근한다. 작은 부품의 τ는 8초, 큰 부품은 25초로 둔다. 실제 reflow oven의 공기·board·package 온도가 이렇게 단순한 두 식을 따르지는 않는다.

30초 뒤 작은 부품은 약 178.6°C, 큰 부품은 약 161.9°C로 차이가 16.7°C다. 60초 뒤에는 약 180.0°C와 174.6°C로 차이가 5.4°C까지 줄어든다. 오래 기다리는 것이 이 모델의 온도 차이를 줄인다는 점은 분명하다. 두 부품이 170°C를 넘는 시점도 계산하면 각각 약 14.3초와 44.8초다. 동일한 oven 조건에서 부품별로 접합 재료가 경험하는 온도 이력이 다르다.

그러나 열 모델에는 flux가 없다. 이 차이를 드러내기 위해 별도의 가상 조건을 추가해 보자. 어떤 설명용 flux가 이 가열 이력에서 40초까지만 충분한 cleaning 능력을 유지한다고 정한다. 이는 특정 paste의 수명이나 실제 반응식이 아니다. 이 조건에서는 작은 부품이 170°C를 넘은 뒤에 유효 flux 시간이 남지만, 큰 부품이 그 온도에 도착한 44.8초에는 이미 남아 있지 않다. soak를 60초로 늘려 온도를 맞추어도 가상의 화학적 여유는 회복되지 않는다.

실제 flux 활성은 온도와 시간, 산화 정도와 분위기에 따라 바뀌고 위처럼 한순간에 끊기지 않는다. 이 예제의 목적은 40초가 적절한 공정이라는 주장이 아니라, 열 균일화만으로 젖음 조건을 판단할 수 없다는 점이다. 고온에서 계속 기다리면 산화와 휘발, flux 소모가 함께 진행될 수 있으므로 paste 공급사의 profile 조건과 실제 board 결과를 맞춰야 한다.

또 측정 위치를 구분해야 한다. oven 설정 온도는 부품 온도가 아니다. package 위쪽 온도와 안쪽 solder joint의 온도도 같다고 가정할 수 없다. TI handling 지침 5절은 MSL 분류용 package body profile과 실제 board 조립용 profile을 구분한다. component의 허용 열 조건을 만족하는 것과 solder가 제대로 접합하는 조건을 만족하는 것을 각각 확인해야 한다.

Reflow Soak를 조정할 때는 가장 늦게 데워지는 접합과 가장 쉽게 열 영향을 받는 부품을 같은 생산 조건에서 측정해야 한다. 불량이 열 부족인지, paste 건조·flux 소모인지부터 구분한 뒤 시간을 바꾼다. 좋은 soak는 기다린 시간이 긴 profile이 아니라, 실제 접합이 준비되는 동안 필요한 열과 화학적 여유를 함께 남기는 profile이다.