1. 개요
만능기판에 납땜으로 회로를 구성한 모습.
| 영어 | Soldering[1] |
| 한자 | 鑞땜[2] |
| 중국어 | [ruby(锡焊, ruby=xīhàn)] / [ruby(软钎焊, ruby=ruănqiānhàn)][연납땜] / [ruby(硬钎焊, ruby=yìngqiānhàn)][경납땜] |
| 일본어 | はんだ付け[연납땜] / ろう付け[경납땜] |
용접의 일종으로, 모재(이어붙이는 대상품)를 녹이지 않는다는 특징이 있다. 납땜은 작업 온도에 따라 경납땜과 연납땜으로 분류된다. 450도 이상일 때는 경납땜(brazing), 450도 이하이면 연납땜(soldering)이라고 부른다.[9] PCB를 조립하는 데 쓰는 것은 연납땜에 속한다. 연납땜이라고 무조건 기판에 쓰는 것도 아니고 구리 배관, 금속 공예, 악기 제작 등에 두루 쓰이는 공법이다. 여기서는 그 중 가장 쉽게 접할 수 있는 기판 납땜에 대해 다룬다. 기판 납땜과 다른 납땜은 땜질이라고 하기도 한다. 금속의 일종인 납과 글자가 똑같아서 의미를 자주 헷갈리게 되는 용어다.
납땜과 용접을 헷갈리는 경우가 많다. 납은 녹는점이 307도 밖에 되지 않아, 산소 용접기 같은 고온 용접기가 아닌 인두 같은 적당히 뜨거운 가열도구만으로도 녹일 수 있고, 외국에서는 납땜이 기판이 아닌 곳에도 쓰이는 것을 더 흔히 접할 수 있어서 그런 듯. 구리 배관에서도, 우리나라에서는 잘 상상이 안 갈 수 있지만, 집 안의 구리 파이프를 연결하는 데에 실제로 토치와 실납[10]으로 납땜질을 한다. 그것도 수돗물이 흐르는 관에. 물론 무연납으로. 납의 유해성이 많이 알려지지 않았던 과거에는 유연납을 쓰기도 했다고...
정보통신공학과 및 전기전자공학과에서 기본 중의 기본으로 수행하는 작업으로, 회로이론 및 전자회로의 적용이 필수다.
2. 사용되는 재료
2.1. 땜납
납땜 작업의 주 재료가 되는 금속을 땜납이라고 한다. 크게 유연납과 무연납으로 분류된다. 땜납의 성분비는 정해진 규격이 없어 제품마다 차이가 있을 수 있으니 참고. 실납 제조업체 가운데 케스터(Kester, 싱가폴)와 미국 알파메탈(Alpha Metals Inc.), 일본 센쥬금속(千住金属)이 세계적으로 유명하며, 국내 업체로는 LT소재(구.희성소재)가 유명하다. 그밖의 국산 제품도 일반 공작용으로는 괜찮은 수준. 중국제는 품질이 낮으니 피할 것을 권한다.유연납은 납이 함유된 땜납으로, 낮은 녹는점 덕에 납땜이 좀 더 쉬워 납땜을 배우는 단계나 취미 단계에서 사용된다. 주석과 납 비율이 60/40인 땜납이 가장 흔하며, 여기에서 조금 더 비싼 제품은 63/37 비율로 나온다. 차이점이라면 63/37의 비율이 가장 이상적인 합금 비율로 녹는점이 하나의 온도로 고정되어 있다는 것인데, 사실상 작업하는 데 크게 신경 쓸 정도의 차이는 아니다. 60/40 비율의 땜납은 183도 ~ 190도 사이에서 반고체 상태가 되지만, 63/37 땜납은 183도에서 녹거나 굳는다. (이를 공융 합금이라고 한다.) 참고로 순수한 납의 녹는점은 327도이며 순수한 주석의 녹는점은 231도이다. 2000년대부터는 환경 규제로 인해 점차 사용이 줄고 있다. EU 다수 국가에서는 아직까지 개인 취미용으로는 판매 가능하지만, 영국이나 체코에서는 전문가나 산업체에만 판매를 허용하여 사업자 등록증이 없는 개인은 유연납을 구입할 수 없다.
무연납은 이름 그대로 납이 합유되지 않는 땜납을 의미한다. [11] 유연납에 비해 가격이 비싸고, 융점이 높다. Sn 99.3% Cu 0.7% 의 조성에서는 227 ℃ 이며[12], 여기서 전기전도도를 향상시키기 위한 미량의 은과 내구성을 향상 시키기 위해 미량의 실리콘을 첨가해도 조성 비율이 비슷하면 227 ℃의 융점을 가질 수 있다.[13]
일반적으로 200도를 넘어가는 높은 녹는점으로 인해 비싼 장비가 필요한데다 깔끔하게 납땜을 하기도 어려운 등 생산단가나 공정 품질 자체에는 뭐 하나 좋을 것이 없다. 반면 대량 생산되는 전자제품은 RoHS 등의 환경 보호 기준을 만족하기 위해 사용하게 된다. 특히 EU가 그런 쪽으로 엄격한 편인데, 납은 아니지만 2001년에 일본 소니 플레이스테이션 내부 케이블에 카드뮴이 있다는 이유로 네덜란드에서 통관이 금지된 사건이 가전업체에서 RoHS에 본격 신경쓰게 된 사건이다. 일반적인 무연납 합금은 주성분인 주석에 소량의 구리 또는 은이 첨가된 형태로 이루어져 있다. 순수한 주석을 사용하지 않는 이유는 주석 페스트 현상이나 가느다란 주석 결정이 생성될 우려(휘스커 현상)가 있기 때문이다. 특히 후자는 회로에서 합선을 유발할 수 있다. 목적에 따라 아연, 안티모니, 인듐, 비스무트, 규소, 심지어 금 등 다른 물질이 들어간 땜납도 있다. 비스무트나 인듐을 넣으면 녹는점이 크게 낮아진다고는 하지만, 많이 쓰이지는 않는 듯. 유연납에 비스무트를 혼합하면 녹는점이 물의 끓는점보다도 낮은 합금이 생성될 수 있으며, 납땜 부위 내구성도 약해지기 때문. 또한 무연화가 시작된 2000년대에 유연납으로 코팅된 기판과 부품이 흔하여 납성분 혼입이 불가피했던 점도 한몫했다. 뿐만 아니라 저융점 무연납을 만드는 데 사용되는 비스무트나 인듐은 그리 흔치 않은 원소이다.
품질 유지가 어렵다는 것을 보여주는 예시로, 과거 일본산 소니제품이 무연화 되는 바람이 납땜 품질이 낮아졌다는 말이 있었다. 이 문제로 삼성, 소니 등 유수 전자업체들이 품질 개선을 위해 고생을 많이 했다고 한다. 소니는 2000년대 초중반부터 납땜을 무연화하기 시작했으며, 삼성전자, 파나소닉 등 다른 유수 전자업체들도 2000년대 후반부터 차츰 납땜을 무연화하였다. 그 시절의 소니 카탈로그를 정독해본 사람이라면, 일부 제품에 무연 납땜을 썼다는 의미로 eco info 마크가 붙어있었음을 기억할 수 있다. 지금은 어디나 무연납이 필수기에 eco info 마크는 사라졌다.
다만 납이 안 들어갔으면 일단 싸잡아서 무연납으로 부르기 때문에 오히려 녹는점이 138도로 매우 낮은 무연납도 있다.(Sn 42% Bi 58%) 하지만 재질 특성상 플럭스를 섞어도 접점에 깔끔하게 달라붙지 않는 편이고 녹는 점이 너무 낮아서 칩의 정션온도 수준의 발열에도 땜납이 푸석해져서 이 상태에서 충격이라도 가해지면 냉납 터지기 딱 좋은 관계로 일반적으로 흔하게 쓰이진 않고 LCD 등과 인접하여 강한 열을 가하기 어려운 부분이나 라이터로 지지는 케이블 보수용 수축튜브 등에 사용한다.
납 중에서 알미트 납(Almit)은 납땜 작업으로는 절대로 납이 부착되지 않는 재질인 알루미늄, 스테인리스 스틸과 같은 금속류마저도 납땜이 가능하다. KR-19 알미트와 KR-19RA 알미트 두 종류가 있다. KR-19RA 알미트가 KR-19 알미트 납으로 알루미늄이나 스텐레스 스틸을 땜질하는 것보다 더 쉽게 달라붙는다. 하지만 알미트납은 인두의 생명과도 같은 팁 부분의 수명을 급격하게 단축시키므로 적어도 고급형 실습용 인두기(최소 2~3만 원짜리)를 사용해 작업하기 바란다.
알미트 납도 일종의 유연납이므로 납 사용이 금지된 용도를 위한 알루미늄용 무연납도 존재하는데, 주로 주석과 아연의 합금, 그리고 알루미늄의 산화막(Al2O3)을 제거할 수 있는 특수 플럭스를 포함하고 있다.
2.2. 솔더링 페이스트(플럭스)
납땜에 필수적인 또 한 가지 재료는 솔더링 페이스트(플럭스)로,[14] 재질은 송진, 기름이다. 금속 표면에 코팅을 입혀 열전달이 더 잘 되고 땜납이 금속에 잘 들러붙도록 도와 주는 보조재료이다.[15]보통 인두기 팁을 페이스트에 찍어서 청소하기 위한 재료로 알려져 있고, 제품 설명도 그렇게 되어 있는 경우가 많은데, 사실은 납땜 그 자체를 편리하게 도와주는 만능에 가까운 재료이다. 초보자들은 플럭스를 잘 쓸 줄 모르기도 하고 그냥 인두와 실납만으로 하면 된다고 생각하는데, 손납땜할 때 플럭스의 역할이 엄청나다. 단순한 스루홀 납땜에서야 그다지 플럭스의 필요성이 느껴지지 않을 수도 있지만, SMD 정도 밀도가 되면 플럭스 없이 그냥 일일이 납땜하려면 지옥을 보게 된다. 해외 납땜 영상을 보면 그야말로 플럭스를 들이부어 가면서 땜하는 것을 자주 볼 수 있다.
그렇기 때문에, 실질적으로 플럭스의 가장 중요한 역할은 납이 부드러워지도록 하고 잘 미끄러져 다니도록 하는 것이다. 그러면서도 납이 붙어야 할 금속이 있으면 거기에는 납이 더 잘 붙도록 한다. 이 때문에 SMD 파츠의 조밀하게 뭉쳐 있는 다리들을 납땜할 때는 그냥 납이 서로 들러붙든 말든 다 납칠을 해버린 뒤 플럭스를 충분히 바르고 인두를 몇번 슥슥 문대면[16] 알아서 다리 부분에만 납이 붙는다. # # 반대로 부품을 제거할 때에도 플럭스를 바르면 납이 부드러워져서 잘 녹으며 부품도 쉽게 분리되고, 부품을 떼내고 남은 납을 솔더윅 등으로 제거할 때도 훨씬 원활하게 스며들도록 해준다.
이외에도 플럭스의 유용성을 느낄 수 있는 부분은 전선(와이어)의 납땜이다. 전자 회로를 만들 때 전선을 금속 부품이나 단자에 납땜하거나, 전선끼리 이은 후 납을 발라 떨어지지 않도록 해야 하는 상황이 생각보다 자주 있다. 조밀한 단자가 여럿 있는 부품에 전선을 납땜할 때에는 원하는 포인트에 전선이 금방금방 달라붙어 주어야 하는데, 이것을 위해서는 미리 전선에 납을 발라 두는 것이 최선이다. 그러나 전선이란 것이 의외로 소재와 굵기가 천차만별이라 납이 생각보다 잘 발리지 않는 경우가 많다. 이럴 때에 전선을 플럭스에 한번 찍어주고 납을 바르면 아주 깔끔하게 납 코팅이 되고 납땜도 매우 간편해진다. 근래의 기기들은 사실상 HDMI 등의 표준 출력 덕분에 개인이 잔뜩 납땜을 할 일이 사실상 별로 없으나, 레트로 기기들의 출력과 개조를 위해서는 DIN이나 SCART 커넥터 등에 조밀하게 납땜해야 하는 경우가 많이 생긴다. 특히 DIN 플러그의 케이블 납땜은 우습게 생각했다간 큰 코 다치는 상당한 숙련도가 필요한 작업인데[17], 이걸 해야 할 일이 생겼다면 필히 플럭스를 장만하여 깔끔하게 선에 납을 입히고 시작하도록 하자.
애초에 납땜할 때 사용하는 실납에도 대부분 플럭스가 들어가 있다. 한 번 기판에 묻은 땜납을 다시 녹이려 하면 쉽게 녹지 않거나 납이 광택을 잃고 쭈글쭈글 해지는 이유가 바로 들어있던 플럭스가 납땜하면서 이미 증발하여 날아간 상태이기 때문이다. 따라서 그 위에 플럭스를 발라 주면 다시 쉽게 녹여낼 수 있다.
깡통에 든 구두약 혹은 플라스틱 원통 안에 들어있는 형태가 흔하며 그 외에도 젤과 같은 형태로 주사기에서 짜서 쓰거나, 혹은 싸인펜마냥 펜처럼 생겨서 슥슥 문지르게 되어 있는 것, 천연 송진을 고체 형태로 굳혀놓은 것, 액상형의 경우 붓으로 바르게 되어 있는 것 등 여러 형태가 있다.
몸에 좋은 것은 아니니 손에 묻지 않도록 주의하자.(물론 극적인 독성이 있는것은 아니므로 사용후 씻으면 된다) 특히, 앞에서 말한 구두약 같은 플럭스는 자칫 손가락으로 찍기라도 해서 손톱 밑에 들어가면 전용 세척제로도 잘 씻겨나가지 않기 때문에 끔찍한 경험을 하게 되므로 주의해야 한다.
납땜 후 플럭스가 너무 많이 남아 있을 경우 이물질이 묻기 쉽기 때문에 세척하는 과정이 필요하며 이때 전용 세정제가 사용된다. 플럭스 세정제는 DIY 정도 레벨이라면 이소프로판올이나 에탄올(소독용 알콜)을 사용하면 된다. # 다만 이런 알콜 계열들은 용해력과 세척력이 약해서 플럭스가 굳어서 떡칠된 상태라면 효과가 떨어진다. 전문가나 산업계에서는 다른 세척제를 사용하는 경우가 많다. 필요하다면 플럭스 세척제로 검색해보면 친황경성인 제품들도 많이 나온다. 과거 많이 쓰이던 이염화메탄, 트라이클로로에틸렌(TCE)등은 세척력은 탁월하지만 매우 유독하고 발암물질로 지정되어 있어서 사용하지 않는 것이 좋다. 때문에 관련 규제도 점차 강해지는 중이라 최근엔 독성이 미미한 디메틸 카보네이트(DMC) 계열 세척제가 점차 많이 쓰이는 중이다.
가끔 필요 없는 납땜 용품이라고 하는 사람들이 있지만 작업 도중 필요한 순간이 오기 때문에 납땜을 전문적으로 하거나 취미 생활 DIY 하는 사람들은 꼭 구비 하는 물품이기도 하다.
다이소에서 인두기와 실납은 팔지만 이것을 팔지 않기 때문에 철물점이나 인터넷에 주문 하는 경우가 많다
정말 급하고 어디서 구할 곳이 없다면 가정에서 쓰는 바셀린을 대용으로 쓸 수 있다. (다만 냄새, 연기가 많이 나고 기판에 그을음이 많이 묻을수 있으니 가급적이면 사용을 자제하자.) 주변에 소나무가 있다면 나무나 솔방울에 굳어있는 송진을 긁어모아 사용하는 방법도 있다. 천연 송진 또한 납땜용 플럭스로 사용 가능하다. 만약 고체형 송진이 쓰기 어렵다면 조그만한 그릇에 송진을 미리 부수어서 가루로 만들고 거기다 소독용 알콜을 부어서 저어주면 액체형 플럭스를 만들수 있다. 물론 증발이 빠르기 때문에 빨리 쓰거나 혹은 밀폐용기에 보관이 필요하다.
3. 사용되는 도구
3.1. 납땜기
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공구 및 공작기계
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- 인두기 구성 요소: 인두팁(인두촉), 보호파이프(히터커버), 히터, 박스너트, 그립(손잡이)
- 인두기 종류: 유선 전기인두기, 무선 배터리 인두기, 가스 인두기 등(인두기 온도에 대한 자세한 설명은 위 이미지 클릭)
가장 보편적인 납땜 도구는 전기 인두기이다. 전원에 연결하면 팁이 달궈지게 되며, 달궈진 팁을 이용해서 실납을 녹여서 원하는 부위에 적용하게 된다.
전기 인두기가 보편화 되어 있지만, 전기 인두기가 개발되기 이전부터 존재해 지금까지도 가스 인두기는 여전히 사용되고 있다. 전기를 끌어오기 어렵다거나 현장에서 빠르게 즉석으로 납땜이 필요한 경우 소형 토치가 달린 가스 인두기를 사용한다. 화재위험 때문에 민감한 현장에서는 사용이 금지되지만 간편성 때문에 소수 나마 수요가 있다.
유연납의 경우 적절한 팁 온도는 300도 정도, 무연납은 조성에 따라 다르지만 일반적으로 350도 정도가 된다. 이처럼 적정 온도가 다르므로, 유연납용 인두기를 써서 무연납을 녹이기에는 다소 곤란하다. 인두 팁이 상하게 되고, 인두기의 히터(가열 장치)의 수명에도 극히 안 좋은 영향을 미친다.
그런데 2000년대 이후의 상용제품들은 상당수가 무연납을 사용하고 있다는 게 문제. 그래서 보통 디솔더링(칩 제거시)에는 무연납이 붙어있는 접점에 유연납을 땜질해서 무연납에 유연납을 섞어버리는 요령이 있다. 이러면 유연납이 섞여서 녹는점이 내려가기 때문에 훨씬 쉽게 제거할 수 있다. 유연납의 사용이 금지되는 환경이라면 비스무트나 인듐 계열 납을 대신 사용하면 된다.
가격대에 따라 기능이 추가되기도 하는데, 실습용 인두기처럼 꽂아 놓으면 달궈질 때까지 기다려서 적당한 온도가 될 때까지 기다려 적당히 납땜을 하는 것이 가장 저렴한 경우. 가격대가 올라갈수록 온도 조절, 온도 측정 등의 기능을 갖추게 된다.
최근에는 USB-PD 규격 충전기를 통하여 편리하게 사용 가능한 인두기도 나와 있다. 개인이 DIY 하는 용도로는 매우 편리하다.
이외에 양날인두라고 부르는 집게처럼 생긴 인두기도 있는데 보통은 SMD 실장 소자를 납땜하기 위해 사용하는 물건이다. 반대로 SMD 소자를 기판에서 제거하는 목적으로도 사용할 수 있다.
3.2. 리볼링 스텐실
기판에 직접 붙이는 칩셋류(그래픽카드 코어, SoC, 스마트폰 AP등)를 접합 하거나 수리할 때 쓰이는 틀을 리볼링 스텐실이라 부른다.위 사진에서 보았듯이 저기에 송송 뚫려 있는 구멍을 통해 납볼 또는 납 페이스트[18]로 납을 배치하고 다시 재납땜 하는 것 이다.
보통은 냉납으로 인해 접촉이 불량한 볼 들을 다시 재구성 하여 접촉불량을 해결해서 기기가 다시 원활하게 작동되도록 하는것도 있지만, PCB에 붙박이로 붙은 칩을 교체하거나 업그레이드 하기 위해 교체 할 때도 쓰이는 공법이다.
3.3. 기타
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열풍기
뜨거운 바람을 불어서 땜납등을 녹이는 장비. 크림납을 사용해서 작업하거나 LGA/BGA 소자처럼 납땜 인두로 작업 불가능한 소자를 납땜할때 사용한다.
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환기용 팬
납땜 작업간 발생하는 퓸 등을 빨아들이는 기기. 작업자의 건강에 직결된 문제이며 보통은 활성탄 필터를 사용하는 경우가 많다.
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트위저
앞이 매우 뾰족한 핀셋. 작은 소자등을 붙잡고 작업하기 위해서는 꼭 있어야 하는 도구이며 앞의 형상에 따라 다양한 트위저 등이 존재한다.
3.4. 납 제거
납땜을 잘못했거나, 부품이 오래되어 제 성능을 못내거나 파손되어서 제거하고 새 부품으로 교체해야 할 때, 혹은 더 좋은 부품으로 바꿔서 개조하려고 할 때에는 이미 납땜된 납을 제거해야 한다. 해본 사람은 알겠지만 사실상 납땜은 하는 것보다 이렇게 이미 된 납땜을 제거하는 것이 몇 배나 더 어렵다. 납땜할 때도 그렇지만 납을 제거할때에는 단순한 인두질만으로 제대로 납을 제거하는 것은 거의 불가능하다고 봐야 하며, 다양한 도구를 사용해야 한다.납 제거 용도로 사용되는 도구는 대표적으로 납 흡입기, 솔더위크 등이 있다.
납 흡입기는 스프링이 들어간 주사기 같은 모양새로, 사용하기 전 손으로 스프링을 압축시켜 둔다. 그리고 납을 녹인 상태에서 흡입기를 갖다 대고 버튼을 누르면 스프링이 풀리면서 순간적으로 납을 빨아들이게 되어 있다. 반영구적이라는 장점이 있지만 스프링이 워낙 강력하기 때문에 세밀한 작업을 하기 쉽지 않고, 자칫 잘못하면 작업물을 망가트릴 수 있는 위험도 있다. 반영구적이라고는 해도 납이 많이 쌓이면 분해해서 청소도 해 줘야 하고, 사용하는 과정에서 납가루도 날아다니기도 한다.
솔더위크는 wick(양초나 램프 등의 심지)라는 이름처럼, 금속으로 엮어낸 끈처럼 생겼다. 납땜 부위에 솔더위크를 대고 납땜을 가열하면 솔더위크가 모세관 현상으로 납을 빨아들이게 된다. 어느 정도 납을 흡수한 솔더위크는 잘라내고 그 다음 부분을 다음 작업에 사용한다. 세밀한 작업이 가능하지만 소모품이라는 점이 단점. 위에서 설명했듯 솔더윅 단독으로 사용하기보다는 플럭스와 함께 사용하는 것이 훨씬 효율이 좋으니 참고하자. 잘못 다루면 윅이 납이 묻은 게 굳으면서 패드에 붙어버리는데 인두로 문질러서 떼야지 힘으로 억지로 떼다간 패드까지 같이 떨어져나가는 참사가 벌어지므로 주의해서 사용하자. 그리고 너무 기판에 쎄게 문지르면 솔더레지스트가 마모되는 점도 유의할 것.
최근에는 인두와 수동 흡입기, 혹은 인두와 전동 흡입기가 결합된 형태의 제품도 나와 있다. #
대부분의 전자회로 기판에 있는 GND 연결은 대체로 널찍한 동박 하나가 크게 전체 회로의 모든 부품에 연결되어 있는 형태가 많은데, 이 경우 다른 부분에 비해서 이런 GND 납땜은 납이 굉장히 안 녹는다. 넓은 동박이 인두의 열을 흡수하고 분산시켜서 납땜 부분에 열이 집중되지 못하기 때문이다. 이런 납을 녹이려면 보통은 둥글넓적한 팁을 쓰고 플럭스와 잘 녹는 납을 위에 더 끼얹어서 기존 납이 함께 녹는 효과를 노려야 하는데, 이론은 그렇지만 회로의 크기나 기존에 땜질된 납의 성분 등 여러 가지 조건에 따라 이것도 제대로 되지 않을 때가 많다. 이럴 때에는 고주파 인두를 사용해야 하는데, 제대로 된 제품은 몇십만원 정도는 기본으로 하는 비싼 물건이다. # 고주파 인두기가 없을 경우 열선이나 열풍기 등을 이용해 기판 전체를 골고루 예열한 다음 작업하는 방법도 있다. 기판 자체가 예열되어 있으면 상온에서 가열하는 것보다 납이 쉽게 녹는다.
납땜의 제거에서 가장 난적이라 볼 수 있는 것은 양면기판의 스루홀이다. 기판의 앞면과 뒷면이 부품을 끼우는 구멍 그 자체로 연결되어 있는 것. 구멍 안에 동박이 코팅되어 앞면 회로와 뒷면 회로를 연결하게 된다. # 이런 놈은 아무리 다른 납을 섞어서 녹이고 플럭스를 바르고 솔더윅이나 흡입기로 빨아내도 부품이 꼼짝도 안하는 경우가 많은데 바로 스루홀 구멍 내부의 동박에 납이 들러붙어 있기 때문이다. 한술 더 떠서 기판이 두껍고 납땜이 오래되었거나 사용된 납이 잘 안 녹는 재질이었다면 제거 난이도가 그야말로 기하급수적으로 올라간다. 이런 경우에는 그 부품이 꼭 살려내야 하는 귀중한 게 아니라면[19] 그냥 포기하고 다리를 잘라 부품을 떼낸 뒤 다리를 하나씩 녹여 빼내는 방법이 제일 낫다. 스루홀에 박혀 있는 부품을 녹이면서 빼다 보면 구멍 내부의 동박이 부품 다리에 들러붙어서 같이 빠져나와 버리는 사태가 종종 발생하는데, 이렇게 되면 육안으로 보기에는 앞뒤 기판의 패턴도 그대로 살아있고 부품도 잘 빠져서 문제없어 보이지만 앞뒷면 사이의 연결이 끊어져 버린 상태가 되어 회로가 동작하지 않게 된다. 이런 상황이 발생한다면 회로 패턴을 추적해서 앞뒷면의 가장 가까운 땜 부위를 전선으로 연결해 앞뒤의 회로를 복원시켜 줘야 한다. 이런 식으로 아일렛을 이용해서 근성으로 스루홀을 복원하는 사례도 있다.
4. 공정
4.1. 손납땜
손으로 납땜하는 방법은 그냥 전기 인두기로 동판과 부품을 가열하고 땜납을 대서 적당히 녹인 후 납을 먼저 떼고 인두기로 후열한 후 뗀다. 후열하지 않은 채 납과 인두기를 동시에 뗄 경우 냉납이 되어 품질에 영향을 줄 수 있다. 크게 문제될 것은 아니지만 인두기를 먼저 뗄 경우 실납이 함께 붙어버린다. 단 실납을 인두 팁부분에서 직접 녹이면 실납속의 플럭스가 팁 수명에 상당한 악영향을 줄 수도 있다. 처음에는 납땜 작업이 매우 힘들 수 있다. 처음엔 실납이 지나치게 많이 들어가서 모습도 흉하거나 덜들어가서 부품 리드선이 보이는 등 의외로 공을 들여야 한다. 땜질에 실패하면 플럭스를 인두에 발라서 납을 다시 녹이면 재생이 가능하다. 그러나 인두를 너무 대면 기판의 패드가 떨어지거나 민감한 전자부품이 손상되는 등의 문제가 생길 수 있으니 주의. 하지만 점차 익숙해지고 나면 땜질하는 것은 그리 어렵지 않다.공고 전자과 계열에서는 지겹게 한다. 전자공학실습의 기초 중의 기초. 공고 전자과 학생들의 귀가 시간을 늦춰버리는 주 원인이다. 공과대학 전자공학과 전공실습 및 프로젝트에서도 많이 한다. 대학원 전자공학과에서도 많이 한다.[20]
현대적인 대량생산 과정 중에서도 수작업 납땜은 계속해서 이루어지는 중이다. 특히 쓰루홀 파트는 SMT 기계로 작업하는 게 불가능하기 때문에 수작업으로 납땜을 진행한다.[21]
4.2. 리플로우
SMD 기판을 조립하는 공장에서는 포스터 칼라 깡통처럼 생긴 통에 크림 형태로 된 끈적한 땜납을 쓴다. 이른바 '크림 솔더'라 흔히들 부르는 것으로 땜납 가루와 플럭스를 섞은 것이다. 크림 솔더라는 단어처럼 말 그대로 생크림 같은 상태의 납이다. 공정은 대략 다음과 같다. 스텐실을 이용해서 PCB 중 부품이 올라갈 패드 위에 크림 솔더를 바르고, 자삽 장비를 이용해 그 위에 부품을 올린다. 다음으로 오븐에 넣어서 전자동 제어를 통해 적절한 시간과 온도로 구워서 땜납을 녹인다. 제대로 되었다면 보드가 완성된다. * 또한 자삽 장비로 실장이 불가능한 부품이 있다면 작업자가 생산 라인 도중에서 수작업으로 올려주기도 한다.일반적으로는 대량생산용 전기 오븐[22] 을 사용하나 돈이 없다면 가스 오븐이나 프라이팬 등을 사용하는 광경도 볼수 있으며 특히 전기식 핫플레이트가 온도제어가 용이해 취미용으로 많이 쓰기도 한다.
리플로우라는 이름은 가열 과정때문에 붙은 이름인데 납땜 과정중 프리히트 과정에서 열을 가해 납에 유동성을 가지가 한다음 열을 다시 가해 납땜한다는 의미라 재가열을 한다는 뜻으로 리플로우라는 이름을 붙어있다.
4.3. 웨이브
THT 기판 시절에는 Wave Solder라고
퐁뒤 같은
냄비에 납을 많이 넣어 녹인 후, 부품을 넣은 기판을 그 위로 지나가게 하여 간단하게 납땜을 하는 방법이 있었다. DIP 부품은 리드선을 기판 구멍으로 통과시킨 후 꺾어 고정시키고, SMD 부품은 고온에 견디는 에폭시 본드 등을 이용해서 부품을 기판 하면에 접착시킨 후 납물 위를 통과시켜 납땜한다. 최근에는 부품 밀도가 높아지면서 많이 사용되지 않지만, 여전히 크고 무거운 DIP 부품이 필요한데 단가는 저렴해야 하는 보드를 제작하는 데 많이 사용된다. 대표적으로 보드 면적이 넓어 밀도에는 여유가 있지만, 여전히 SMD화에 한계가 있는 트랜스포머를 사용해야 하는 TV용 SMPS, 특히 저가형의 경우가 해당된다.
돈이 없다면 자동화장비가 아닌 그냥 냄비 형식으로 된 납땜 솥 같은 물건을 사용하는 경우도 많은데 이경우에는 납땜을 하기보다는 반대로 실장된 부품을 쉽게 뽑아내기 위해 사용하는 경우가 많다.
4.4. 불량
사람이 하는 일이니만큼 완벽하지 않아 불량이 발생하며, 전자동 제어를 해도 발생확률을 0으로 만들진 못한다.- 냉납: 납땜이 제대로 되지 않았거나 충격, 열팽창 등등으로 납땜한 부분이 깨져서 접촉 불량이 발생한 경우. GPU같이 발열이 많은 소자의 경우엔 소자 자체의 발열로 인해 납이 녹아서 접점이 떨어지거나 열팽창으로 깨지거나 해서 접점이 떨어진다.[23]
- 과열: 인두 같은 열원에 너무 오래 접촉해 소자가 열에 손상된 경우.
- 금속을 너무 적게 사용: 냉납과 마찬가지로 접촉불량.
- 다른 접점에 닿아서 합선된 경우: 손이 떨렸거나 금속을 떡칠해버리면 발생한다.
5. 안전 관련
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)[24] 형태로 나오려면 450℃~500℃ 이상의 온도가 필요하다. 그 때문에 대한산업안전협회의 납 중독에 대한 안전대책에서도 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.가정에서 납땜을 해야 할 일이 있으면 창문을 열고 환기가 잘 되는 환경을 만드는 것이 좋다. 만일 직업적으로 매일같이 납땜을 해야 할 경우, 비싸더라도 납 연기 흡입기를 반드시 구비해야 한다. 특수 필터가 필요해서 가격이 좀 나가지만, 건강을 지키기 위해 필수적이다. 작업이 끝난 뒤에는 납땜 과정에서 발생한 땜납 부스러기들을 치우고 반드시 손을 씻어야 납 노출을 줄일 수 있다. 심지어 무연납을 사용하는 경우에도 플럭스가 기화하는 과정에서 연기와 미세먼지가 발생하므로 연기 흡입기 또는 환기는 필수이다. 가정에서 제일 좋은 건 선풍기 강풍. 납땜 작업 후 공기 청정기를 틀거나 미세먼지 측정기를 사용하면 미세먼지 농도가 수백㎍ 이상으로 표시되기도 한다. 또한 가정 내 어린이가 있다면 절대로 인두기를 가지고 놀지 못하도록 주의해야 한다.
인두기를 작동시킬 때 온도측정기로 측정해보지 않는 이상 이게 뜨겁게 달구어진 상태인지 아닌지 확인하기 어렵다. 가장 쉬운 방법은 납땜 스펀지에 인두기를 대서 확인해 보는 것. 인두기는 매우 고열이므로 항상 달궈진 상태라고 가정하고 작업에 임해야 한다. 장난을 치다간 심한 화상을 입을 수 있다. 납땜용 도구 중에 인두 받침대라는 도구는 이렇게 뜨겁게 달구어진 상태의 위험한 인두기를 안전하게 걸쳐놓을 수 있게 고정시켜주는 도구로, 인두기를 사용할 때 필수적이다. 대부분의 인두 받침대에는 스펀지와 금속 솔 등을 배치하여 인두 팁 클리너 기능을 할 수 있다. 만약 뜨겁게 달구어진 납땜 인두에 화상을 입었을 경우 빠르게 응급처치를 해야 한다. 높은 온도로 인해 진물과 함께 큰 고통을 수반할 수 있다. 손가락에만 살짝 데었는데 한 달간 피부과 진료를 받아야 했던 사례도 존재한다.
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.
6. 팁
- 칼팁은 매우 유용하다. 칼팁을 사용하면 납 흡입기하고 거의 빈틈없이 밀폐시켜서 빨아낼수 있다. 그리고 납을 제거하기 전에 인두에 플럭스를 묻혀서(가열되어 있더라도 쓸 때마다 찍어서 묻히면) 사용하면 납이 더 잘 제거가 된다.
- 금속 표면에 납땜이 잘 되지 않는다면 플럭스를 바른 후 납땜을 시도하자. 만일 금속 표면에 녹이 슬었거나 산화 상태가 심하다면 플럭스도 통하지 않으므로 사포나 녹 제거제로 표면을 닦아내야 한다.
- 작업 중 발생하는 땜납 조각과 부스러기를 모은 뒤 플럭스를 묻혀서 녹이면 재사용이 가능하다.
- 알루미늄 표면을 사포로 긁어낸 뒤 미네랄 오일을 이용하여 산소와의 접촉을 차단한 후 납땜을 시도하면 알미트납 없이도 알루미늄을 납땜할 수 있다. 단, 무연납의 경우 아연 성분이 첨가되어 있지 않는 한 알루미늄과의 결합력이 떨어지므로 이 방법도 사용하기 어렵다.
- 온도조절형 인두기를 사용한다면 가급적 낮은 온도를 사용하자. 온도가 작업에 필요한 것보다 너무 높으면 작업 대상물이 열로 인해 손상되거나 인두팁의 산화가 촉진되기 때문. 링크 하지만 아무리 뜨거운 인두라고 해도 차가운 납이 닿는 순간에는 순간적으로 온도가 약간 내려가니 열량을 유지하는 차원에서도 온도가 링크에 나온것보다 조금은 더 높아도 크게 상관이 없다. 융해된 납은 450℃~500℃ 이상이 되면 용접이나 정련 시에 녹은 금속이 산소와 접촉하면서 발생하는 금속 산화물의 미립자인 퓸(fume)이 발생하므로 400도가 실질적으로 마지노선이라 할수 있다. 그 이상 온도라면 폐 속으로 미세 금속가루가 들어갈 확률이 급증한다.
- 인두기 2개를 사용할 경우 부품 양쪽에 다리가 있는 SMD 부품들을 보다 쉽게 제거할 수 있다.
7. 여담
- 전도성 에폭시라고 해서 말 그대로 전도성이 있는 접착제도 있다. 납땜 없이도 회로의 연결과 보수를 할 수 있는데 별도의 열처리가 필요 없으며 수분 내에 굳는다. 상당히 결합이 강하며 주로 고온에 약한 소재에 쓰이게 되는데 가격은 꽤 비싸다는게 단점이다.
- KAL기 폭파 사건 당시 김현희를 통해 북한에서는 납땜으로 충치 치료를 했다. 공작원에 임명될 정도면 고급 인력임에도 인명을 경시하고 꼬리 자르기식으로 일회용품 취급한 것.[25] 치과용 충전제는 금이나 레진, 싸게 하려면 아말감을 쓰지만 납은 특유의 독성과 이에 따른 부작용 때문에 쓰지 않는다.
- 납땜의 냄새가 달콤하다고 하는 사람이 있고, 역해서 토할 것 같다고 하는 사람도 있다.[26] 어느 쪽이든 간에 건강에 매우 안 좋으니 납땜 시에는 마스크를 쓰고 환기를 철저히 하자.
[1]
솔더링. 단, 미국식 발음으로는 '소더링/사더링'으로
lL이 묵음처리된다. 숄더링이 아니니 주의하자. 정말 많이 틀린다.
[2]
한자인
'땜납 랍(
鑞)' 자와, '때우다'의 준말인 '때다'의 어간 '때-'를 어근으로 하고, 여기에 명사 파생 접미사 '-ㅁ'을 붙여 만들어진 파생어 '땜'이 결합하여 이루어진 합성어이다.
[연납땜]
[경납땜]
[연납땜]
[경납땜]
[7]
납이라는 이름은 한자
鑞에서 유래했지만, 현재는
두음법칙이 적용되지 않고, 어중에서도 '납'으로 쓰이기 때문에 고유어로 본다.
[8]
발음은 '솔더', 미국에서만 '소더'/'사더'.
[9]
보통 섭씨 230~250도.
[10]
출처:
관련 Instructable 링크 "The plumbing code specifies to NOT use 50/50 solder as it contains lead, so use 95/5 or any solder that is lead-free." 구리 땜납을 쓸 때는, 땜납이 녹을 때 파이프도 함께 녹아버리기 때문에 사용할 수 없다.
[11]
물질안전보건자료 MSDS를 확인하면 정확한 조성을 알 수 있다.
[12]
https://www.cynel.com.pl/en/products/107-sn99-3cu0-7-pro
[13]
Asahi Cored Flux Lead-Free Solder Wire의 MSDS
[14]
고체형이면 페이스트, 액상형이면 플럭스로 부른다.
[15]
또한 인두팁 관리를 따로 안 하면 인두팁이 산화 되는데, 플럭스를 묻혀서 세척해주면 팁 표면의 산화막이 벗겨진다. 다만 과도한 플럭스 사용은 인두팁 수명을 단축시키므로 적절히 사용해야 한다.
[16]
둥글넓적한 형태의 팁이 권장된다.
[17]
코모도어 64의 파워 서플라이 커넥터에 선을 연결하는 영상. 이 사람은 케이블에 충분히 납을 입히고 작업하는 데도 결국은 전선이 너덜너덜 걸레짝이 되어서야 겨우 납땜을 성공한다. 댓글란을 보면 'DIN 플러그 납땜 정말 싫다'라고 투덜대는 사람들이 한가득이다.
[18]
위의 솔더링 페이스트랑은 다른 것 이다. 미세한 납 조각과 플럭스를 합친 형태로 물납이라고 부르기도 한다. 다만 이걸 이용해 리볼링을 할 때는 칩셋에 납을 붙인 후 납 높이가 균일한지 확인해야 한다.
[19]
오래된 레트로 전자기기 등의 경우 이제는 생산이 중단되어 구할 수 없는 칩 같은게 종종 박혀있다. 이 경우는 고주파 인두든 기판 예열이든 수단과 방법을 가리지 않고 근성으로 녹여서 뺄 수밖에 없다.
[20]
다만 대학원의 경우 랩 연구분야에 따라 인두 한 번 안 잡아보고 졸업할 수 있기도 하지만 어쨌든 학부에서 납 냄새 많이 맡는다는 점은 변하지 않는다.
[21]
물론 이거도 자동화 장비가 있으나 비용 부담이 차원을 달리하는 수준이라 그냥 대부분의 회사가 수작업을 애용한다.
[22]
오븐이라고는 하지만 구조상
에어 프라이어처럼 열풍을 가해 작업하는 경우가 대다수다.
[23]
한참 옛날 이야기지만
NVIDIA의
Geforce 8000번대 노트북용 GPU들이 소재 문제로 인해 냉납에 취약해서 소송까지 갔던 적이 있었다. 칩셋 코어 아래에 새겨진 부분에 G8*-**1-A2(예시: G86-771-A2)라고 새겨져 있다면 이 문제가 해결된 칩셋이다. 2009년 이후에 수리를 받았거나 생산된 해당 노트북들은 이 칩셋으로 교체되거나 탑재되어 나왔다. 이때뿐만이 아니라 좁은 내부 공간을 가진 게이밍
노트북의 주요 고장 원인 중 하나다. 노트북의 경우엔 굳을 때 접촉불량이 되는 것을 막기 위해 히트 스프레더 및 방열판이 GPU를 적절하게 눌러 주도록 설계한 경우도 있으나, 기판 자체에 변형이 오거나 고정부에 파손이 생기면 어쩔 수 없다.
[24]
금속이 미세 분진 형태로 공기 중에 떠다니는 것.
[25]
지금은 북에서도 평양 시민 정도면 다른 나라처럼 크라운을 씌우거나 레진으로 메꾼다.
[26]
표현하자면 플라스틱 타는 냄새, 또는 옛날 경유차 매연 냄새다.
[27]
Bending. 철판 등의 재료를 꺾거나 휘는 등의 방법으로 변형을 주는 것.