SMT 리플로우 팔레트 소재로 마그네슘 판재 이용③
열변형 억제를 위한 형상 개선 방안

경량성, 가공성, 열응답성 등과 같은 장점을 갖는 마그네슘 소재지만 금속 소재가 갖는 특성상 열팽창 계수는 크고 크리프 저항성은 낮게 나타난다. 때문에 열에 의한 변형과 관련해서는 내열복합재료에 비해 다소 취약한 것으로 알려져 있다. 이 글에서는 고온에서 리플로우 팔레트 휨 발생 원인을 분석하고 전산모사와 고온 가속시험을 통해 이를 효과적으로 제어할 수 있는 형상 개선 방안을 살펴본다.

방원규 포항산업과학연구원 마그네슘판재연구단 책임연구원

 

배경

 

표면실장기술의 지난 4, 5월호에 게 재된‘SMT 리플로우 팔레트 소재로 마그네슘 판재 이용①, ②’(각 과월호 6 쪽/11쪽 참고)에서는 일본의 Gonda Metal, 국내에서는 POSCO를 중심으 로 마그네슘 판재를 적용한 제품이 개 발·상용화되고 있다는 내용을 소개했 다. 또한 이 소재의 특성에 따른 장점 으로 다음과 같은 세 가지 특징을 살펴 봤다.

· 비중이 1.8 전후로 상용 구조 금속 중 가장 가볍다(알루미늄 대비 33％ 경량).

· 절삭 저항이 작고 절삭 속도가 빠 르다.

· 열용량이낮아서(알루미늄대비20％ 작음) 가열/냉각속도가 빠르다.

특히 과월호 기사에서는 Lab Scale 가열로 시험한 결과와 상용 리플로우 설비에서의 샘플 테스트를 통해, 마그 네슘 팔레트가 가열 구간에서는 상대적 으로 짧은 시간에 높은 온도에 도달하 고 취출 구간에서는 빠른 냉각속도를 나타내는 것을 확인했다. 이를 통해 부 가적으로는 정상 상태에서의 설비 소비 전력 또한 5％정도 감소되는 것을 알 수 있었다.

경량성, 가공성, 열응답성 등과 같은 장점을 갖는 마그네슘 소재지만 금속 소 재가 갖는 특성상 열팽창 계수는 크고 크리프 저항성은 낮게 나타난다. 따라서 열에 의한 변형과 관련해서는 DuroStone과 같은 내열수지＋유리섬 유로 구성된 복합소재에 비해 다소 취약 성을 갖고 있는 것으로 알려져 있다.

이 글에서는 고온에서 리플로우 팔레 트 휨 발생 원인에 대해 분석하고 전산 모사와 고온 가속시험을 통해 이를 효과적으로 제어할 수 있는 형상 개선 방 안을 소개한다.

 

비대칭 열팽창에 의한 팔레트 휨 발생 기구

 

금속 재질의 팔레트를 장시 간 리플로우 공정에서 사용했 을 때 발생하는 변형의 원인은 공정 또는 제품상에서 인위적으로 외력 이 가해지는 경우를 제외하면 크게 다 음과 같은 이유에서 비롯된 것으로 분 석된다.

· 소재 내 잔류응력의 열적 해소 과 정에서 뒤틀림

· 자중에 의한 크리프 변형

· 열팽창 편차에 의한 휨 이 중에서 잔류응력의 경우는 사전에 고온 소둔과 같은 적절한 열적 풀림 처 리를 통해 제거가 가능하고, 자중은 대 부분의 팔레트 및 장착되는 PCB의 무 게가 크지 않기 때문에 고려 대상에서 제외된다. 따라서 변형의 가장 중요한 원인으로는 나머지 열팽창 편차를 꼽을 수 있다.

즉, 그림 1의 팔레트 단면 모식도에 나타낸 것과 같이 대부분의 팔레트는

 

상면에 PCB가 장착되기 위한 공간을 NC가공으로 형성하기 때문에, 최대 250∼260℃에 달하는 리플로우 분위기 에서 가열되면 상면에서의 열팽창 (a)가 하면에서의 열팽창 (b)에 비해 현저히 작아지므로 그에 따라 (c)와 같은 굽힘 응력이 사용주기마다 반복적으로 발생 하게 된다. 그림 2는 양산용 팔레트의 국소 형 상을 모델링하고, 고온 분위기에서 복 사에 의한 가열과 그에 따른 변형을 유 한요소해석을 적용해 분석한 결과를 예시한 것이다. 약 28mm 간격으로 최 대 깊이가 2mm인 PCB 장착 홈 2열이 배치된 국소 형상에서 상/하면 응력편 차는 최대 0.38MPa이 발생했고, 그에 따른 Z 방향의 변위는 0.29mm까지 측 정됐다.

 

개선 형상 도출

 

열팽창 편차에 의한 휨 발생을 개선 하기 위해 PCB 장착 및 사용에 간섭이 발생하지 않는 범위 내에서

① 강성 보완,

② 열팽창 편차 해소의 두 가지 관점 에 대한 세 가지의 형상 보완 요소를 그 림 3과 같이 적용했다.

기존에 Duro- Stone에 적용돼 왔던 원형 디자인[그 림 3(a)]을 기준으로 다음과 같은 3단계 개선 형상을 디자인했다.

· 보강살(RIB)의 추가를 통한 굽힘 강성 강화[그림 3(b)]

· 팔레트 양단 확장(DUMMY)를 추 가해굽힘강성추가강화[그림3(c)]

· 최종적으로 이면 홈(SLIT) 가공을 통한 하면 열팽창량 억제 [그림 3(d)] 그 다음 그림 2의 국소 응력 해석과 그림 4에 나타낸 전체 변위 해석을 통 해 상대적인 효과를 예측했다. 이때 주 의할 점은 그림 3(d)에 점선 원으로 표 시한 부분과 같이 이면 SLIT 가공 시 전 체를 관통하지 않고 단속 가공되도록

 

 

 

 

 

실행하여 가공으로 인한 강성 저하의 역 효과를 최소화시킬 필요가 있다. 표 1의 유한요소해석 결과를 보면, 각 각의 개선요소가 추가됨에 따라 변위량 이 현저히 감소해 원형 대비 약 60％의 변형 감소 효과가 나타난 것을 관찰할 수 있으며, 특히 이면 SLIT 가공의 효과 가 큰 것으로 확인됐다.

 

고온 가속 시험 결과

 

유한요소해석을 통해 예측된 개선효 과를 검증하기 위해 마그네슘 합금으로 제안 형상을 각각 샘플 가공하여 가열 시 발생하는 열변형을 측정했다. 리플로 우 공정에서 피크 온도에 노출되는 구간 은 30초 미만으로 짧기 때문에 보다 가 혹한 조건에서의 검증을 위해 가공된 샘 플을 통상의 피크 온도보다 다소 높은 280℃에서 최대 4시간까지 연속으로 유 지하면서 시간의 누적에 따른 휨 발생량 을 측정했다.

표 2에 나타낸 측정 결과를 보면, 전 산모사에서 예측된 결과와 동일한 경향 으로 변형량이 감소된 것을 알 수 있으 며 RIB, DUMMY, SLIT의 모든 개선요 소가 적용된 샘플의 경우 약 80％의 휨 억제 효과가 있는 것으로 확인됐다.

 

 

결론 및 향후 과제

 

이 글의 서두에 밝힌 바와 같이 마그 네슘 합금은 비중, 가공성, 열적 특성 면 에서 리플로우 팔레트에 적합한 특징을 갖고 있지만 내열복합재료 대비 높은 열 팽창을 나타내므로 이에 따른 열변형을 고려한 팔레트 설계가 필요하다. 이와 관련해 이 글에 소개한 것과 같이 강성 보완, 특히 이면 가공에 의한 비대칭성 완화를 통해 상당 부분 제어가 가능한 것을 확인했다.

본원에서는 SMT용 소재로서 마그네 슘 적용 범위의 확대를 위한 연구를 지 속적으로 수행하고 있으며, 특히 향후에 는 마그네슘의 우수한 절삭성을 살려 고 속 가공을 통한 원가 절감 및 생산성 향 상에 집중할 계획이다