납땜(soldering)

납땜(soldering)은 땜납(solder)이라고 하는 금속을 사용하여 두 개의 금속 표면을 기계적으로 전기적으로 결합하는 것이다. (금속의 납(鉛, lead)과 혼동하지 말고 용어를 사용하여야 한다)

 

 

 

납땜(soldering)

용접(welding) vs. 납땜(soldering)

두 금속을 결합한다는 의미에서 어느정도 공통점이 있지만 '결합방법'에 있어서 확실하게 차이가 있다. 즉, 기본금속을 녹이느냐 안녹이느냐에 따라 구분한다.

열을 가해, 두 기본금속을 녹여 결합하는 것이 용접이고, 기본금속을 녹이지않고 결합한다면 납땜이라고 쉽게 말할 수 있다.

용접(welding)은 모재(기본금속) 용융점 이상인 3,000~6,000 ℃의 고온에서 진행하고, 반면에, 납땜(soldering)은 융점이 450℃ 이하의 용가재*를 사용하여 접합시키는 방법으로 모재에 비해 낮은 온도에서 진행(연납땜)하는 차이점이 있다.

* 용가재 (filler metal, 鎔加材) : 용접 작업 시 용착부를 만들기 위하여 녹여서 첨가하는 금속 재료를 말하고, 막대형 용가재를 "용접봉"이라 한다.

** brazing(경납땜) : soldering(연납땜)과 마찬가지로 모재는 녹지 않고 용융점이 450℃ 이상인 비철금속 또는 그 합금을 용가재로 사용

 

 

납땜 재료

1. 땜납(solder)

납땜 작업의 주 재료가 되는 금속을 땜납이라고 하고, 크게 유연납과 무연납으로 분류된다. 

- 유연납은 납이 함유된 땜납으로 주석과 납 비율이 60/40인 땜납이 보편적으로 많이 사용되고 183도 ~ 190도 사이에서 반고체 상태의 공융 합금이다. 2000년대부터는 환경 규제로 인해 점차 사용이 줄고 있다. 

- 무연납은 납이 합유되지 않는 땜납을 의미한다. 유연납에 비해 가격이 비싸고, 융점이 높다. Sn 99.3% Cu 0.7% 의 조성에서는 227 ℃ 이며, 여기서 전기전도도를 향상시키기 위한 미량의 은과 내구성을 향상 시키기 위해 미량의 실리콘을 첨가해도 조성 비율이 비슷하면 227 ℃의 융점을 가질 수 있다. RoHS는 2006년 7월부터 유럽에서 시행된 지침으로 의료장비 및 건강에 밀접한 전자제품에 무납사용을 권고하고 있다.

 

2. soldering paste(flux)

납땜 페이스트는 송진(Rosin)과 활성제로 구성되어 있고, 혼합비에 따라 비활성화 (R), 부드러운 활성화 (RMA)와 활성화 (RA) 용제로 구분된다. 금속 표면에 코팅을 입혀 열전달이 더 잘 되고 땜납이 금속에 잘 들러붙도록 도와 주는 보조재료이다.

인두기는 고온에서 작동하므로 인두팁은 사용하는 동안 조금씩 산화된다. 산화가 되면 납땜이 잘 되지 않기 때문에, 이를 방지하기 위해 솔더링 페이스트를 바른다. 이외에도 납땜 작업을 마친 후 인두팁을 세척할 때 사용하기도 한다.

* 고온금속 결합과정 (용접, 경납땜과 연납땜)에서, flux(융제)의 첫 번째 목적은 기본물과 보유물의 산화를 방지하는 것이다. 예시로, 주석납 땜납은 구리에 잘 붙지만 납땜 온도로 인하여 빠르게 형성되는 산화 구리에 잘 붙지 못한다. 융제는 상온에 일반적으로 비활성인 물질이지만 고온에서 강하게 산화·환원 반응하며, 금속산화를 방지한다. 두 번째로, 융제는 납땜 과정에서 계면 활성제처럼 동작한다.

 

3. solder wire

솔더 와이어는 얇고 유연한 금속 스트립처럼 보이는 솔더 유형으로, 일반적으로 금속 부품과 PCB(인쇄 회로 기판) 사이를 연결하고 전기적으로 연결하는 데 사용된다. 솔더 와이어는 단독으로 사용하거나 솔더링 중 금속에서 산화를 제거하는 데 도움이 되는 화학 물질인 플럭스를 함유한 물질인 솔더 페이스트와 함께 사용할 수 있다.

 

 

납땜 인두 (Soldering Iron)

납땜 인두는 두 개의 금속 표면을 함께 납땜하는 데 사용되는 수공구로서, 가장 단순한 형태는 금속 팁, 팁을 납땜 온도까지 올려주는 발열체, 납땜 인두를 안전하게 고정할 수 있는 절연 핸들, 벽면 콘센트 또는 납땜 스테이션용 플러그로 구성된다.

 

•  인두기 구성 요소: 인두팁(인두촉), 보호파이프(히터커버), 히터, 박스너트, 그립(손잡이)

<그림 1> 납땜 인두 구성 요소(Source : namu.wiki)

 

 

납땜시 고려사항

•  습윤특성과 열전도를 향상시키기 위해서  납땜할 표면이 깨끗한지 확인 • 납땜 인두를 켜고 온도를 땜납의 녹는점 이상으로 설정   - 납 기반 솔더 : 316°-343°C, 무연 솔더 : 343°-371°C • 리드와 접점/패드 두가지를 동시에 납땜 온도까지 끌어올리기 위해 몇 초 동안  양쪽에 팁을 대고 있을 것 • 납과 접점 주위에 납이 흐를 때까지 납땜 와이어를 리드와 접점/패드에 몇 번 터치 • 납땜 접합부를 검사하여 접촉 영역과 납이 완전히 덮이는지 확인    - 쓰루홀 리드인 경우 구멍을 메워야 하며 솔더 조인트가 약간 피라미드 같은 모양을 형성해야 함 • 연결이 손상될 수 있으므로 필요한 경우 가위 리드 커터로 리드를 다듬을 것 • 로진 활성 플럭스, 수성 플럭스를 사용하거나 플럭스 잔류물의 미관에 문제가 있는 경우 플럭스로 해당 부위를 청소

 

 

납땜 유해위험성

• 납땜 중 발생하는 연기가 납 증기라는 오해가 많으나 실납을 녹일때 발생하는 연기는 실납 안에 들어있는 용제(플럭스)가 증발하며 나오는 연기이다. 납은 녹는 점이 327.5℃이고, 융해된 납이 흄(Fume) 형태로 나오려면 450℃~500℃ 이상의 온도가 필요하다. 납땜 작업은 중등도 납 노출의 가능성이 있는 작업(moderate risk operation)으로 분류되며 보호 장구를 착용하고 안전 수칙을 지킨 정상적인 작업 공정에서 납 중독의 발생이 거의 없는 것으로 분류된다.

• 그러나 무연납을 사용하는 경우에도 플럭스가 기화하는 과정에서 연기와 미세먼지가 발생하므로 반드시 환기가 잘 되는 곳과 마스크를 착용한 상태에서 납땜을 해야 한다. 특히 작업 공정 자체가 납 노출의 가능성이 적다는 것일 뿐이지 근로자들의 개인 위생 관리와 작업장의 정리정돈 및 작업 수칙의 준수 여부에 따라 실제 납 과다 노출로 인한 납중독의 가능성을 배제할 수 없다. 특히 미숙련자가 작업시 450℃ ~ 500℃ 이상으로 과열했다간 납 증기가 발생하면서 큰일날 수가 있다. 작업 시에는 환기 시설이 잘 된 곳에서 장갑과 마스크 등 보호장구를 착용하고 작업 후에는 반드시 손을 씻는 걸 잊지 말아야 한다. 

• 인두기는 매우 고열이므로 항상 달궈진 상태라고 가정하고 작업에 임해야 한다. 납땜용 도구 중에 인두 받침대라는 도구는 이렇게 뜨겁게 달구어진 상태의 위험한 인두기를 안전하게 걸쳐놓을 수 있게 고정시켜주는 도구로, 인두기를 사용할 때 필수적이다. 

• 땜 작업을 할때는 손 보호를 위해 장갑을 착용하는 것이 좋다. 이때 별도 코팅이 없는 면으로 된 장갑을 사용한다면 각별히 주의해야 한다. 인두에 의한 직접 화상은 장갑의 종류에 상관없이 1차적인 보호가 가능하지만, 녹은 납이 밀도가 낮은 면 장갑으로 떨어지면 그것이 직물에 흡수되어 굳을 때 까지 지속적으로 화상을 입힐 위험이 있다.

 

Reference : 1. https://namu.wiki/w/%EB%82%A9%EB%95%9C

2. https://kr.techspray.com/전자 납땜 가이드