열산화 촉매와 열분해 방식 실험   
유지관리 포인트가 적은 방법을 찾아야  

무연 솔더페이스트에 여러 플럭스가 적용되고 있다. 고온 융점이라는 무연 합금의 특성에 맞는 내열성 로진 시스템과 활성제가 이용되고 있다. 이로 인해 더 잦은 여과 장치의 유지보수가 필요하게 되었고, 그만큼 설비 중지 시간이 늘어나게 되었다. 지난 2010년 초반 잔사를 응축시키기 위해 공정 가스를 냉각시키는 대신에, 청정 오븐을 유지하기 위해 촉매를 사용하는 방법을 설명했다. 질소 분위기에서 잔사의 촉매 열 산화는 히팅 존을 더 깨끗하게 하는 결과를 보였다. 잔사물을 이산화탄소로 바꾸고, 소량의 숯 잔여물이 촉매에 채집한다. 대기 오븐의 경우, 오븐에서 추출된 공기를 즉시 환경으로 배출되기 때문에 촉매는 유익한 옵션으로 보이지 않았다. 촉매가 대기 환경에서 사용될 때 이산화탄소 잔류물뿐만 아니라 물도 존재한다. 대기 리플로우 오븐에 촉매를 사용하는 경우, 물이 어디로 향하는지가 문제이다.
 

요약

무연 솔더페이스트에는 다양한 화학제가 이용되고 있다. 무연 합금의 높은 융점이라는 특성 때문에 고온에서 활발한 내열성 로진 시스템과 활성제가 필요하다. 결과적으로 더 잦은 여과 장치의 유지보수가 필요하며, 이로 인해 설비 가동 중지 시간이 늘어나는 현상이 나오고 있다. 지난 2010년 초반에 리플로우 오븐을 청소하는 다른 방법을 소개하였다. 잔사를 응축시키기 위해 공정 가스를 냉각시키는 대신에, 청정 오븐을 유지하기 위해 촉매를 사용하였다. 질소 분위기에서 잔사의 촉매 열 산화는 히팅 존을 더 깨끗하게 하는 결과를 보였다. 잔사물을 이산화탄소로 바꾸고, 소량의 숯 잔여물이 촉매에 채집한다. 대기 오븐의 경우, 오븐에서 추출된 공기를 즉시 환경으로 배출되기 때문에 촉매는 유익한 옵션으로 보이지 않았다. 촉매가 대기 환경에서 사용될 때 이산화탄소 잔류물뿐만 아니라 물도 존재한다. 대기 리플로우 오븐에 촉매를 사용하는 경우, 물이 어디로 향하는지가 문제이다. 오븐의 공정 부분에서 응축되거나 가스 온도가 공정 영역을 벗어날 수 있도록 충분히 높은가?를 염두에 두어야 한다.
대기 상태로 배출되기 전에 공기를 정화하기 위해 촉매를 사용하는 주요 이점은 대기 오염이 크게 줄어든다는 것이다. 환경 엔지니어들을 행복하게 하고 우리의 자연 오염을 줄이는 데 조금이나마 도움을 준다. 이 외에도 배기 튜브가 깨끗하게 유지되므로 대기 오븐의 유지 관리 포인트가 줄어든다. 본고에서는 개선을 거듭하고 있는 촉매 시스템에 대한 자세한 정보를 알아본다.

서문

리플로우 오븐을 클리닝하는 데 도움을 주는 촉매는 생산 중인 기존 오븐에 개조하거나 새 오븐에 설치할 수 있는 장치이다. 이 새로운 기술의 개발과 도입은 DFSS(Design for Six Sigma) 프로젝트로 수행되었다. 이 방법은 기존 설비 및 프로세스의 개선에 사용되는 Six Sigma 프로젝트와는 다르다(지속적이고 점진적인 혁신). DFSS는 신제품 및 프로세스에 사용된다(비연속 혁신). 촉매 열 산화는 리플로우 오븐 클리닝에 맞춰진 새로운 공정이다. 프로젝트는 네 개의 블록(IDOV)으로 나눌 수 있다.
1. 식별
2. 디자인
3. 최적화
4. 확인

DFSS 프로젝트는 고객의 성공을 지원하는 새로운 제품을 만드는 데 사용하였다. 고객 요구로 시작하여 고객 만족으로 끝을 맺었다. 상업성과 생산 품질이 필요하다. 지속적인 데이터 수집은 개선 목표를 달성하는 데 필수적인 작업이다. Six Sigma는 데이터 중심의 개선을 위한 통계 데이터 사용에 관한 것이다. 프로세스 특성화 및 프로세스 최적화에 중점을 두었다. 변수를 줄이고 프로세스를 중앙에 배치하려면 지속적인 데이터 업그레이드가 필수적이다.
본고에서는 DFSS 프로젝트 단계를 준수하면서 리플로우 오븐용 촉매 열 산화기를 마무리하기 위해 수행한 활동, 실험, 프로토타입 및 고객 소개에 대해 설명한다.

Phase 1 : 식별 – 기능적인 요구사항 결정
전통적인 오븐의 경우, 히팅 존 클리닝은 소위 ‘GRS(Gas Recirculation System, 가스 재순환 시스템)’를 사용하여 수행되고 있다. GRS는 공정 존에서 뜨거운 가스를 빼내서 직렬로 배치된 3개의 열교환기를 통과하도록 유도한다. 이러한 열교환기는 가스를 냉각시키고 이 가스의 플럭스 잔류물은 열교환기 사이에 배치된 금속 필터로 응축된다. 이 과정으로 인해 플럭스 응축을 초래한다. 응축된 플럭스의 양은 생산량에 따라 다르다. 보드 재료, 솔더페이스트 및 체인 윤활 응축액의 가스로 인해 끈적끈적한 유성 잔류물이 생성된다. 이 프로젝트의 첫 번째 부분은 최종 디자인에 필요한 세척이 무엇인지를 이해하기 위해 이들 화학 물질을 식별하는 것이었다. 이것은 두 단계로 수행되었다.
▶ 응축 유닛에서 발견된 잔사물 분석
▶ 솔더페이스트의 화학 작용 규정

이들 둘의 차이점은 윤활제, 보드 재료와 부품의 가스 방출을 포함하여 GRS에서 화학제가 발견된다는 것이다. 다른 한편으로, 솔더페이스트 분석 작업에서, 하나의 특정 플럭스에만 초점을 두었을 뿐만 아니라 상이한 화학도 선택하였다.
플럭스로는, 로진 및 레진 기반, 낮은 활성도 및 높은 활성도의 플럭스뿐만 아니라 무연 화학제를 선정했다. 실험에서는 현재 사용되고 있는 모든 품종을 다루려고 노력했다. 발견된 요소(백분율)는 표 1에 나열하였다.
유닛의 최종 설계에서는 이들 화학제를 가스에서 빼내야만 하고, 오븐 내로 깨끗한 가스를 되돌릴 수 있어야만 한다는 점에 주안을 두었다. 솔더페이스트 화학제 레시피는 공급업체의 비밀이며 시장에는 수천 개의 페이스트가 존재하기 때문에 모두 확인할 수는 없다.
이 프로젝트의 첫 단계는 이해 관계자와 그들의 요구를 규정하는 것이다. 이해 관계자와 그들의 요구를 식별하는 방법은 ‘고객의 목소리’를 이해하는 것이다. 고객의 요구를 이해하기 위해 세 가지 방법을 사용하였다.
▶ 설문 조사
▶ 여러 고객과의 인터뷰
▶ 고객 및 서비스 엔지니어와의 브레인스토밍(Brainstorm)

설계 성능을 정량화하기 위해 이해 관계자의 요구를 모니터링할 수 있어야 한다. 고객의 희망 사항을 데이터로 확인할 수 있어야 한다. 따라서 CTQ(Criteria to Quantify) 순서도를 작성하였다.

Phase 1 : 식별 – 기술 요구사항으로 변환
가스에서 화학 잔사물을 걸러내는 방법에는 세 가지가 있다. 전통적인 방법은 새로운 방법 연구를 위해 참조하였다. 전통적인 방법은 온도가 100~250℃인 프로세스 가스를 다시 40℃ 이하로 냉각하여 금속 및 종이 필터에 응축되도록 한다. 이 방법은 플럭스의 응축물이 매우 끈적거리고 몇 주 후에 필터를 막을 수 있기에 잦은 유지보수 작업이 필요하다. 가스 온도가 100℃ 이상에서 냉각되기 때문에 첫 번째 필터는 금속이며 마지막 필터만이 페이퍼/소모성 제품일 수 있다. 열교환기를 포함한 금속 필터는 클리닝 작업이 필수적이다. 이 작업을 수작업 혹은 클리닝 설비로 수행할 수 있다. 가스의 온도 강하에도 많은 양의 에너지가 필요하다. 이를 대체하는 방법은 열분해이다. 열분해는 산소가 없는 고온(>500℃)에서 유기물질를 분해한다. 흡열 반응(endothermic reaction)이 적용된다. 이 프로세스는 더 큰 분자를 더 작은 분자로 분해한다. 숯이 생성된다. 열 촉매 산화는 산소에서 유기 증기를 이산화탄소 및 물로 변화시키는데, 200℃에서의 발열 반응 현상 때문이다.

Phase 1 : 식별 – 비즈니스 사례 작성
플럭스 응축의 대안으로서 기본적으로 두 가지 방법이 흥미롭다. 열분해는 리플로우 오븐에 이미 적용된 방법이다. 이 프로젝트에서 열분해는 열 촉매 산화와 비교하였다. 설계 온도를 리플로우 오븐 온도에 가깝게 유지해야 하므로(에너지 비용 및 폐기물 최소화) 열분해가 제올라이트 및 펄라이트를 포함한 상이한 알갱이로 더 낮은 온도에서 수행될 수 있는지를 조사하였다.

Phase 2 : 디자인 – 콘셉트 개선
이 부분의 디자인에서 다양한 개념과 측정 방법을 찾아내기 위해 많은 브레인스토밍 세션을 수행하였다. ‘TRIZ’라는 방법을 사용하였다. 이는 유사한 생산과 프로세스가 발생하는 업계의 다른 프로세스를 조사하는 방법이다. 촉매 열 산화는 생화학 및 석유 화학 산업에서 가스 세정에 사용되는 방법으로 활용되고 있다. 훨씬 낮은 온도에서 가스를 정화하는 촉매의 효율성과 이 물질의 긴 수명주기(최대 15년)는 리플로우 업종에서 매우 흥미를 느낄만한 사실이다.
DFSS 단계에서, 다양한 대안 솔루션의 성능을 규정하기 위해 프로젝트 실험을 수행하였다. 하나의 주요 실험은 질소 클리닝 효율을 규정하는 것이었다. 질소 상에서 이 실험을 수행하는 이유는 대부분의 질소 리플로우가 가스 클리닝 세정 시스템을 가지고 있기 때문인데, 대기 리플로우에서는 재활용이 일반적이지 않다. 솔더페이스트의 플럭스 샘플을 가열하기 위해 열중량분석기(TGA)를 사용하였다. TGA의 질소 가스를 포함한 페이스트 바깥으로 빠져나온 가스는 작은 클리닝 장치로 유도된다. 클리닝 이후, FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)을 사용하여 가스 내의 VOC 증류량을 측정하였다. 환원하면, 클리닝 장치의 효율을 계산할 수 있었다. 이 실험은 클리닝 장치에서 225℃의 온도로 수행하였다. 질소의 유속은 50ml/min이었다.

두 촉매 모두 가스가 촉매를 통과한 후에 유기물이 존재하지 않았다. 두 촉매에 대해 추가 테스트를 수행하여 두 촉매 간에 성능 차이가 있는지 확인하였다.

촉매 1은 더 넓은 공정 윈도우를 가지며 저온에서도 모든 페이스트를 클리닝 할 수 있었다. 두 촉매의 주된 차이점은 #1이 5배 더 두꺼운 나노 코팅으로 되었다는 것이다.

Phase 2 : 디자인 – 높은 수준의 디자인 구축
프로토타입을 제작하기 전에 적당한 콘셉트를 선정해야만 한다. Pugh 매트릭스 방법을 사용하여 대체제의 무게를 쟀다. 대체제는 GRS 시스템인 베이스라인과 비교하였다.

서로 다른 디자인을 CTQ와 비교하였다. 촉매는 약간 낮은 동작 온도가 필요하기에 과립을 사용한 열분해와 비교할 때 유리하였으며, 클리닝 성능도 더 좋았다.
실제 리플로우 오븐에서 촉매 작용을 검증하기 위해 프로토타입을 제작하였다. 실험실의 기술을 리플로우 오븐에 실제 적용해 보았다. 촉매의 성능을 측정하기 위해 베이스라인 시험을 GRS(응축 세정) 유닛으로 수행하였다. 오븐 오염을 높이기 위해서 2개의 서로 다른 공급업체의 솔더페이스트 플럭스를 사용하였다.
솔더페이스트는 10%의 플럭스와 90%의 솔더 파우더이므로 플럭스만 사용하는 것이 더 효율적이었다. 실험 설계는 2개의 다른 페이스트, 컨베이어 속도, 리플로우 프로파일(선형 vs 램프 흡수 스파이크) 및 다른 팬 속도를 사용하여 수행하였다. 이 실험의 목적은 빠른 오염에 이상적인 파라미터 설정을 식별하는 것이다.

이 실험의 분석에서는 솔더페이스트 플럭스가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 로진계 플럭스는 수지계보다 더 많이 증발했다. 또한 선형 프로파일은 더 많은 가스 방출을 보였다.
설정값은 최종 실험에 적용하였다. 이 실험을 위해, 알루미늄 포일을 대략 100g의 플럭스로 채워진 PCB 상에 놓았다. 이러한 실행에서 질소 또는 공기 중의 증기의 농도는 6.0g/m³이었다. 생산에서 이는 0.3g/m³ 보다 약 20배 적었다. 실험실에서의 실험에서는 3.6g/m³이었다.
베이스라인의 경우, 오븐에서는 2kg의 솔더페이스트 플럭스를 작동시켰다. 그 후 GRS 응축 시스템을 분해하고 오염을 모니터링했다.

모든 부품을 클리닝하고, 촉매 유닛을 GRS 앞에 놓았다. 플럭스 테스트는 솔더페이스트 플럭스 ROL0을 사용하여 질소 상태에서 반복하였다. 질소는 리플로우에서 배출하고 촉매를 통과하도록 유도하였다. 촉매에서 클리닝된 질소를 GRS 내에서 응축시켰다. 2kg의 솔더페이스트 플럭스 응축 후에 다시 모니터링했다.

대기 상 vs 질소 상의 테스트 실행 간에는 차이가 있었다. 질소 환경에서 촉매는 이산화탄소만 생성했다. 대기 상에서는 이산화탄소 외에 물도 형성되었다. 이 물은 응축되는 GRS 시스템에서 발견되었다.

Phase 2 : 디자인 – 디자인 검토
실험에서는 촉매가 리플로우 환경에서도 작동한다는 것을 증명했다. 테스트 프로토타입이 너무 커서 새로운 디자인이 필요했다. 가장 작은 촉매 구성으로 오븐을 최대한 깨끗하게 유지하는 것이 목표였다. 리플로우 오븐에서 촉매로 연결되는 긴 튜브는 응축/오염의 잠재적인 장소이다. 이러한 이유로 온도 급락을 피하려고 모든 존에 짧은 연결의 개별 촉매를 구성하기로 했다.

히팅 박스의 과압으로 인해 질소는 촉매를 통과하여 플로우될 것이고, 존으로 다시 유도되었다. 유량은 팬의 주파수에 따라 다르며, 40Hz에서 16m³/h, 60Hz에서 20m³/h가 되었다. 이 플로우는 히팅 박스 내에서 총 플로우의 약 5%이다. 이러한 이유로 존의 온도는 촉매 온도(200℃~250℃)의 영향을 받지 않으며 플로우는 여전히 가스를 청소하기에 충분하다.

Phase 3 : 최적화 – 분석
첫 번째 오븐에는 전체 생산라인에서 모든 히팅 존에 촉매가 재장착되었다. 오븐은 3교대로 가동되었다. 납땜된 보드의 수와 소비된 솔더페이스트의 양과 관련하여 많은 데이터가 기록되었다. 평가를 시작하기 전에 오븐을 청소하고 새로운 플레이트를 장착했다.

평가하는 동안 유지보수 간격을 늘리기 위해 새로운 기능으로 일부 시스템을 수정하였다. 첫 번째 냉각에 촉매를 설치하면 약간 개선되었다. 슬롯 배기구가 촉매와 함께 설치될 때 유지보수 간격이 상당히 늘어났다. 벤처(venture)는 마지막 피크와 첫 번째 냉각 존 사이의 공정 영역에서 오염된 가스를 빨아들인다. 유지보수 간격이 개선되었을 뿐만 아니라 유지보수 시간도 줄어들었다. 배플(baffle)은 이전과 같이 깨끗하고 가스 재순환 시스템(플럭스 응축 장치)이 완전히 제거되어 더 이상 필터와 장치를 청소하지 않아도 되는 수준이었다.

Phase 3 : 최적화 – 최적의 설정 결정
이러한 설비 설정 외에도 공기와 질소 리플로우 환경 간에 화학적 차이가 있다. 물은 제 1 및 제 2 냉각 존에서 응축되는 경향이 있다. 다른 개념이 필요했다. 공기가 촉매를 통해 배출된 후에는 대기로 들어가고, 냉각에서 과도한 습기를 회피하기 위해 오븐으로 되돌아가지 않는다. 공기는 깨끗하지만 튜브에는 작은 검은 색 필름이 있으며 질소 오븐에는 실리콘 튜브에 의해 생성된 작은 흰색 필름이 있다.

Phase 3 : 최적화 – 허용오차 결정
촉매 열 산화제의 최저 온도는 185℃이다. 최대 작동 온도는 사용되는 재료에 따라 규정되는데, 300℃로 제한하였다. 실링 및 튜브에는 온도를 제한하였다. 촉매는 존의 온도에 영향을 미치지 않아야 한다. 순환 가스의 5%는 존보다 높은 온도에서 촉매를 통과한다. 촉매에 가장 적합한 설정은 존 온도보다 약 50℃ 높은 온도이다. 이 온도는 200℃보다 높아야 한다. 촉매 히터의 PID(Proportional Integral Derivative) 설정을 최적화하였다. 촉매의 가열 시간은 오븐 작동 시간에 영향을 미치지 않아야 한다. 일부 SMD(Surface Mount Device) 라인은 한 라인에서 무연, SnPb 그리고 경화 프로파일을 실행하고 있다. 이들 공정의 프로파일 설정 값이 크게 다르기 때문에 올바른 PID 설정을 찾는 것이 어렵다.

Phase 4 : 확인 – 테스트 실행에서의 기능 분석
촉매는 첫 번째 오븐에 설치하였다. 생산 환경에서의 성능을 검증하기 위해 여러 오븐에 촉매를 장착하였다. 사용한 오븐은 촉매가 GRS 시스템 또는 새 오븐을 대체하기 위해 설치된 오래된 설비였다. 적용 오븐은 길이가 서로 다르고(히팅 존 수 : 9개~12개) 비활성 오븐과 에어 오븐을 포함하고 있다. 이러한 모든 구성에서 중요한 것은 촉매에 필요한 온도가 전체 생산 과정에서 일관적이라는 것이다.

Phase 4 : 확인 – 품질 관리 시스템 설계
촉매 자체는 통계적 공정 제어가 필요 없다. 촉매에 있어서 제어되어야 하는 유일한 변수는 온도이다. 이 파라미터는 화면 상에서 모니터링되고 트렌드에 로그된다. 어떤 이유로 온도가 상한 또는 하한을 벗어나면 경보가 표시되고 오븐이 손상을 예방하기 위해 중지된다. 대부분의 SMD 라인에는 수동 또는 자동 검사기가 있다. 결함은 지속적으로 모니터링된다. 최악의 시나리오는 냉각 혹은 베플(baffle) 존에서 플럭스가 PCB로 떨어지기 시작하는 경우이다. 수행 작업을 설명하는 OCAP가 있어야 한다. 유지보수 없이 너무 많은 시간이 소요되기 때문에 대부분의 열교환기 또는 페이스 플레이트를 교체할 필요가 있다.

결론

촉매 열 산화 장치는 Design for Six Sigma 프로젝트 방법론을 사용하여 SMD 라인에서 성공적으로 설계 및 구현하였다. 촉매는 약 225℃의 저온에서 탄소 분자를 분해하는 탁월한 장치이다. 이 온도는 공정 존에서 온도가 비슷한 리플로우 공정 가스를 청소하는데 이상적이다. 촉매를 거쳐 순환된 가스는 깨끗하고 존의 리플로우 공정 온도에 영향을 미치지 않는다. 열분해는 대기와 질소 환경에서 다르게 반응하였다. 질소에서 순환된 가스는 깨끗하고 건조하므로 오븐에서 질소를 재활용하고 질소 소비를 줄일 수 있다. 대기 오븐에서는 촉매에서 나오는 공기가 습하다. 이 가스를 다시 오븐으로 되돌려 보내면 베플에 응축된다. 대기 오븐에서 촉매에 의해 클리닝 된 후 가스는 대기 환경으로 배출된다.