리플로우 솔더링 공정은 전자 부품을 인쇄회로기판(PCB)에 조립하는 데 필수적인 공정으로, 특히 표면실장기술(SMT) 부품의 솔더링에 널리 사용됩니다. 이 방식은 긴 산업용 컨벡션 오븐을 사용해 부품, PCB, 솔더 페이스트를 가열하고, 과열 없이 솔더를 용융시켜 신뢰성 높은 솔더 접합을 형성합니다.
대량 상업 생산 환경에서 리플로우 오븐은 컨베이어 벨트를 따라 PCB를 이동시키는 긴 터널 구조로 되어 있으며, 각 구간은 개별적으로 온도가 제어되는 여러 개의 가열 존으로 구성되어 있습니다. 기술자는 특정 시간–온도 프로파일을 구현하기 위해 컨베이어 속도와 각 존의 온도를 조정합니다.
공정은 프리히트(예열) 단계에서 시작되며, PCB 어셈블리는 상온 상태로 오븐에 진입합니다. 이후 열이 점진적으로 가해져 100~125°C까지 상승하며, 열 충격을 방지하고 균일한 열 분포를 확보합니다. 예열 단계 동안 솔더 페이스트에 포함된 용제가 증발하고, 일부 플럭스 성분이 활성화되기 시작합니다.
다음은 소크(균열) 단계로, 온도가 150~170°C까지 상승하면서 PCB 전반의 온도가 안정되고 열 구배가 감소합니다. 이 단계에서 페이스트 내 로진이 용융되며 솔더 입자들이 서로 결합하기 시작합니다. 1분 미만으로 일정한 소크 온도를 유지하면 균일한 가열이 가능하며, 열 손상을 방지할 수 있습니다.
이후 리플로우 단계가 진행되며, 온도는 솔더의 용융점을 넘어 일반적으로 약 200°C까지 상승합니다. 이때 솔더는 완전히 액체 상태가 되어 부품 리드와 PCB 패드 사이에 신뢰성 높은 접합을 형성합니다. 솔더가 액체 상태로 유지되는 시간인 체류 시간(dwell time)은 부품 손상을 방지하기 위해 정밀하게 제어됩니다.
마지막으로 쿨다운(냉각) 단계에서 용융된 솔더가 굳어지며 견고한 접합부가 형성됩니다. 어셈블리는 오븐을 빠져나오면서 주변 공기 또는 냉각 장치의 도움을 받아 서서히 냉각됩니다. 제어된 냉각은 열 충격을 방지하고 신뢰성 높은 솔더 접합을 보장합니다.
PCB 전반에 걸쳐 균일한 온도 분포를 달성하는 것은 주요한 과제입니다. 부품의 크기, 질량, 재질 차이로 인해 가열이 고르지 않게 이루어질 수 있으며, 이러한 문제는 크고 고밀도로 부품이 배치된 PCB일수록 더욱 심화됩니다. 또한 세라믹 커패시터나 볼 그리드 어레이(BGA)와 같은 일부 부품은 열 스트레스에 민감하기 때문에, 신뢰성을 유지하려면 가열 및 냉각 속도를 정밀하게 제어해야 합니다.
리플로우 오븐의 온도 제어는 일반적으로 전략적으로 배치된 열전대와 컨트롤러로 구성된 폐루프 제어 시스템을 통해 이루어집니다. 일부 구성에서는 열전대가 열원 근처에 설치되고, 다른 구성에서는 매달린 형태의 열전대를 사용해 오븐의 특정 구간 공기 온도를 모니터링합니다. 그러나 이러한 방식들 중 어느 것도 PCB 어셈블리 자체의 온도를 직접 측정하지는 않습니다. 대량 SMT 공정에서는 온도 프로파일을 확인하기 위해 계측 장비가 장착된 보드를 오븐에 반복적으로 통과시키는 방식이 보다 현실적인 대안이 될 수 있습니다.
