납땜

납접

납접(Soldering, 锡焊) 혹은 납땜은 모재의 용융 온도보다 낮은 땜납(solder)을 용가재로 사용하는 용접이며 땜납은 용융 온도에 따라 대체로 450℃ 이하인 연납(軟납, soft solder)과 450℃ 이상인 경납(硬납, hard solder)으로 분류한다. 솔더링이라고도 한다.

개요

납접은 모재를 용융하지 않고 모재보다 낮은 융점의 금속 또는 합금을 용가재로 사용한다. 용가재를 가열 및 용융하여 모재에 젖게 하고 모세관 효과를 이용해 접합부에 유입시켜 접합하는 방법이다. 정밀 접합이나 이종 재료의 접합이 가능하고 대량생산이 가능하여 활용도가 매우 크다. 납땜은 일반적으로 전자 부품 인쇄 회로 기판(PCB)의 조립에 사용된다. 또한 배관 설비 체계에서 구리관을 서로 연결할 때도 사용된다. 식품용 캔, 지붕 방수, 배수로, 자동차 라디에이터같은 판금 객체의 이음새는 과거부터 납땜을 사용하였고 일부는 여전히 납땜을 이용한다. 그리고 보석은 납땜으로 조립되거나 수리되기도 한다. 납땜은 착색 유리 가공에서 납 캐임과 동박을 결합하는 데 사용된다. 또한 납땜은 그릇이나 용기의 구멍을 반영구적으로 막는 데 사용되기도 한다.

납접은 보통 인두를 사용하여 납을 녹여서 하지만 납이 아닌 다른 금속을 사용하기도 한다. 아직 기술이 발달하였다고 하지만 전자 부품을 개발하거나 수리하거나 개조할 때는 아직까지 필수적인 작업이다. 특히 클래식한 부품을 개조하거나 제작할 때는 납땜 기술이 필수적이다. 납땜은 고온으로 가열된 인두를 사용하기 때문에 화상을 입을 수도 있는 위험한 작업이다. 하지만 조금만 주의하여 사용한다면 누구나 쉽게 익혀서 사용할 수 있다.

종류

경납접 연납접

연납접(soft soldering)

450℃ 이하에서 용융되는 연납을 이용한 접합이다. 접합 강도가 크지 않은 경우에 사용된다. 샌드페이퍼 등으로 접합 부분의 산화물과 불순물을 제거하고 가열된 납땜 인두로 연납을 용융시켜 접합한다. 연납은 주석과 납의 합금으로 주석이 많을수록 접착력이 증가한다. 연납은 강도가 낮기 때문에 큰 접합 강도를 요하지 않는 전기부품의 결선 또는 수밀(水密) 및 기밀(氣密)을 요하면서 큰 강도를 필요로 하지 않는 곳의 접합에 많이 사용된다. 연납의 강도가 낮기 때문에 겹치기 납접을 하거나 기계적으로 물린 상태에서 납접는 경우가 많다.

경납접(hard soldering)

450℃ 이상에서 용융되는 연납을 이용한 접합이다. 접합 강도가 큰 경우에 사용된다. 경납 분말과 용제 분말을 물로 반죽하여 접합부에 바른 뒤 토치 등으로 가열하여 경납을 용융시켜 접합한다. 경납에는 황동납, 은납, 금납, 양은납 등이 있다.

방법

납땜은 녹은 땜납을 보관하는 용기에 소량을 통과시키는 파동 납땜, 적외선 램프를 사용한 납땜, 전기 납땜 인두같은 가열에 의한 납땜, 토치를 사용한 경납땜, 뜨거운 공기를 사용하는 방법이 있다. 최근에 역류 납땜은 표면실장 인쇄 회로 기판 조립에 대부분 사용되며 경우에 따라 파동 납땜으로 조립하거나 핀이 많은 커넥터나 기묘한 크기의 뾰족한 부품은 수동 납땜을 한다. 기본 금속이 납땜 과정에 녹지 않더라도 일부 원자는 액체 땜납에 녹게 된다. 이러한 용해 과정은 납땜된 이음새의 기계적 및 전기적 특성을 향상시킨다. 냉납된 이음새는 기본 금속이 땜납을 녹이고 이러한 용해 과정이 발생되도록 충분히 가열되지 않았기 때문이다.

연납땜과 경납땜을 구분하는 방법은 보충물의 녹는점에 의하여 결정된다. 450°C 온도는 일반적으로 경납땜의 최소온도로 사용된다. 경납땜은 연납땜 이외의 장비나 고정물이 추가적으로 필요하다. 왜냐하면 일반적인 납땜 인두는 경납땜 하기에 충분히 높은 온도로 가열될 수 없기 때문이다. 실제로 두 과정은 상당한 차이가 있다. 경납땜 보충물은 땜납보다 구조적으로 훨씬 강하며 전기 전도도 또한 우수하다. 경납땜 연결은 기본 금속으로 연결된 것처럼 충분히 강하고 심지어 고온에도 잘 견딘다.

인두납땜(soldering iron brazing)

일반적으로 저온의 연 납땜에 널리 사용되는 가장 간단한 장치며 가열된 인두에서의 열전도에 의해 모재를 가열하고 땜납을 용융하여 납땜하는 방법이다. 납땜 온도가 높은 경 납땜이나 열용량이 너무 큰 피 용접물 등에는 부적당하다. 땜인두는 대부분 순동을 사용하며 특수한 것은 소량의 티타늄(Ti), 규소(Si)를 함유한 동합금 또는 니켈(Ni)이나 철(Fe) 등으로 도금하여 내식성 내구성을 좋게 한 것도 사용된다.

가스 납땜(gas brazing)

토치램프, 산소-아세틸렌 불꽃, 산소-프로판 불꽃 등으로 가열하여 납땜하는 방법이다. 일반적으로 가스 불꽃은 약간 환원성의 것이 좋으며 용제는 이음 면과 땜납의 양쪽에 도포하여 사용된다. 이음에는 불꽃의 외측을 대고 속불꽃은 닿지 않게 한다. 또 부품의 치수, 형상 및 열용량에 따라서 예열도 한다. 너무 과열하면 납땜의 확산 및 산화를 초래하기 쉬우며 용제의 녹는 정도를 보고 이음의 온도를 추정할 수 있다.

저항 납땜(resistance brazing)

납땜할 이음부에 용제를 바르고 납땜재를 삽입하여 저항 열로 가열하는 방법이다. 구조상 두 종류가 있으며 하나는 전극에 탄소 또는 흑연을 사용하여 전극에 발생한 저항 열로 납땜 부를 가열하는 간접가열법과 전극에 텅스텐, 동합금 등을 사용하여 납땜부의 저항 열을 이용하여 납땜하는 직접 가열법이 있다. 이 방법에서는 스폿 용접이 곤란한 금속의 납땜에 적당하다.

로내 납땜(Furnace brazing)

로내 납땜은 전열이나 가스 불꽃 등으로 가열된 로 내에서 납땜하는 방법이다. 이 방법은 온도 조절이 균일하므로 정밀 이음이 가능하며 납땜재는 미리 이음 면에 삽입하여 로 내에 넣는다. 비교적 작은 부품의 대량 생산에 적합하며 수소와 해리 암모니아 가스를 사용할 때가 많다.

침지 납땜(dip brazing)

침지 납땜은 이음 면에 땜납을 삽입하여 미리 가열된 염욕(salt bath)에 침지하여 가열하는 방법과 납땜 부를 용제가 들어 있는 용융 땜 조에 침지하여 납땜하는 두 방법이 있다.

고주파 납땜

땜납과 용제를 삽입한 틈을 고주파 전류를 이용하여 가열하는 납땜법이다. 자성이 있는 금속에서는 유도전류에 의한 가열이 주가 되며 비자성의 금속에서는 과전류에 의한 가열이 주가 된다. 가열 코일은 부품에 다라서 적당한 형상과 용량이 사용된다. 이 방법은 가열 시간이 짧고 작업이 용이하나 국부 가열에 의한 변형이 다르기 쉽다.

장점

• 거의 모든 금속을 납접 할 수 있다.
• 융점이 다른 이종금속을 납접 할 수 있다.
• 가열 온도가 낮기 때문에 접합시간이 짧고 에너지 소비가 적으며 열영향의 정도와 범위가 적다.
• 자동화가 용이하다.
• 접합부를 재가열하여 납을 용융시키면 접합부의 분리가 가능하다.

단점

• 용가재인 납의 강도가 모재의 것보다 낮기 때문에 접합 강도가 낮다.
• 가열에 의하여 접합부가 약화되거나 파손되는 경우가 있다.

경납 종류

은납(silver solder)

은납은 은-구리-아연(Ag-Cu-Zn) 합금 또는 카드뮴(Cd), 니켈(Ni) 및 주석(Sn)을 합금한 은 합금으로 경납 중 비교적 용융점이 낮아 작업이 쉽다. 또한 유동성이 좋고 강도 및 연신율이 우수하다. 알루미늄 및 마그네슘을 제외한 비철 합금과 철강과 동, 동합금 등의 납땜에 널리 사용된다.

황동납(brass solder)

황동납은 구리(Cu)와 아연(Zn) 60 % 이하를 합금한 동합금이며 동, 동합금과 일부 철강 등의 납땜에 널리 사용된다. 융점은 850∼1050 ℃ 정도이다. 황동납의 결점은 전기 전도도가 낮고 진동에 대한 저항이 적으며 전해 작용을 받기 쉽다. 또한 아연의 증기압이 높으므로 납땜 작업 중 과열하면 아연이 증발하여 이음부에 공공이 생겨서 이음부의 강도가 낮아진다. 따라서 1,000 ℃이상으로 가열하면 안 된다.

인동납(Phosphorus copper solder)

인동납은 구리(Cu)에 인(P) 또는 구리(Cu)에 인(P)과 은(Ag)을 합금한 동합금이며 동이나 동합금의 납땜에 널리 사용된다. 이음부의 전기 전도도 및 기계적 성질이 좋고 황산 등에 대한 내식성도 우수하나 철강 또는 니켈을 10 % 이상 함유한 합금의 땜납에 사용하면 취약하므로 주의해야 한다. 동과 동을 납땜할 때에는 용제가 필요 없으나 동합금에는 용제를 사용하며 융점은 705-925 ℃ 정도이다.

양은납(german silver solder)

양은납은 구리-아연-니켈(Cu-Zn-Ni) 합금이며, 니켈(Ni) 함유량이 많을수록 융점이 높고 색깔이 희게 된다. 보통 성분은 47 % Cu-11 % Zn-42% Ni 이며, 융점이 높고 강인하므로 동, 황동, 니켈 합금 철강 등의 납땜에 널리 사용된다.

알루미늄납(Aluminum solder)

알루미늄납은 알루미늄(AL)을 주성분으로 하고 규소(Si), 구리(Cu) 등을 합금한 알루미늄 합금이며 융점은 600 ℃ 정도이며 모재와의 융점의 차이가 작으므로 납땜 작업의 온도관리를 주의해야 한다. 고력 알루미늄 합금은 융점이 낮으므로 납땜을 할 수 없다. 따라서 이들 합금은 보통 아연계 합금 등의 알루미늄 땜납이 사용된다.

내열 합금용 납

내열 합금용 납에는 니켈-크롬(Ni-Cr)계, 은-망간(Ag-Mn)계, 구리-금(Cu-Au)계 등이 있으나, Ni-Cr계 납이 가장 좋으므로 많이 사용된다. 니켈 및 코발트계는 내열, 내식 재료인 제트 엔진, 가스 터빈, 스텐레스강 등의 납땜에 사용된다.

땜납

납땜 보충물은 다양한 합금이 사용될 수 있다. 일반적으로 63 % 주석과 37 % 납 혹은 공융 혼합물에서 성능이 거의 동일한 60/40의 공융 혼합물 합금은 대부분의 구리 결합 납땜에 사용되는 합금이다. 공융 혼합물 공식을 적용한 납땜은 몇가지 장점이 있다, 가장 큰 장점은 가변 액상선과 고상선 온도의 일치이다. 즉 가변상이 없어진다. 이것은 땜납을 가열하고 식혀서 빠른 습윤과 고정이 가능하도록 한다. 비공융 혼합물 공식은 액상선과 고상선 온도를 낮추는 역할을 한다. 가변상이 사라지는 동안의 움직임은 이음새를 약하게 할 것이다. 또한 공용 혼합물 공식은 최소의 녹는점을 가능하게 하여 납땜 공정으로 인한 부품의 스트레스를 최소화시킨다. 환경적인 요인에 의하여 무납형 땜납을 일반적으로 사용하고 있다. 경우에 따라 비스무트를 포함한 저온 공식 땜납은 납땜 제거 과정이 필요 없는 공정에 보충물로 사용되고 일반적으로 은을 함유한 고온 공식은 고온 동작에 사용되거나 다음 과정의 납땜제거 공정에서 반듯이 붙어있어야 할 부품의 조립에 사용된다. 전문 합금은 고강도, 고전도, 고내식성 같은 특성이 가능하다.

용제

고온 금속 결합 과정(용접, 경납땜과 연납땜)에서 융제의 첫 번째 목적은 기본물과 보유물의 산화를 방지하는 것이다. 예시로 주석납 땜납은 구리에 잘 붙지만 납땜 온도로 인하여 빠르게 형성되는 산화구리에 잘 붙지 못한다. 융제는 상온에 일반적으로 비활성인 물질이지만 고온에서 강하게 산화·환원 반응하며 금속 산화를 방지한다. 두 번째로 융제는 납땜 과정에서 계면 활성제처럼 동작한다. 일반적으로 사용되는 융제는 수용성 융제와 충분히 부드럽기 때문에 전혀 제거할 필요가 없는 융제가 있다. 융제의 효과는 주의 깊게 평가할 필요가 있다. 매우 부드러운 깨끗하지 않는 융제는 생산설비에 완벽하게 적용될 수 있지만 일반적인 수작업 납땜에 비효율적이다.

전통적인 로진 융제는 비활성화 (R), 부드러운 활성화 (RMA)와 활성화 (RA) 공식에 적용할 수 있다. 활성제와 로진이 혼합된 RA와 RMA 융제는 일반적으로 산성이기 때문에 주변 산소를 제거하여 금속이 수분에 노출되는 빈도가 증가된다. RA 융제의 사용으로 초래하는 잔여물은 부식성이 강하기 때문에 반드시 납땜된 부분을 깨끗이 해야 한다. RMA 융제는 잔여물이 심각한 부식을 발생시키지 않도록 공식화되어 있기 때문에 깨끗하다.

붕사(NaB4O7·10H2O)

융점이 낮은 경납용 용제로 사용되며, 그 융점은 760 ℃정도이다. 붕사는 높은 온도로 가열하면 유리 모양으로 되는데 이것은 금속 산화물을 용해, 흡수하는 성질을 지닌다. 융해 후의 점성이 비교적 높은 결점이 있으므로 이 밖에 식염, 붕산, 탄산나트륨 등과 혼합하여 사용된다. 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 베릴륨 외에는 흔히 사용되고 있다.

붕산(H3BO4)

붕산은 백색 결정체로서 융점은 875 ℃정도이며 산화물의 제거 능력이 약하기 때문에 일반적으로 붕산 70 %에 붕사 30 % 정도를 혼합하여 철강에 주로 사용한다.

3NaF·AlF3

알루미늄, 나트륨의 불화물이며 불순물의 용해력이 강하다.

Cu2O

붕사와 혼합하여 주철 납땜에 쓰인다. 이것은 탈탄제로 작용하며 주철면의 흑연을 산화시켜서 납땜을 쉽게 한다.

식염(NaCl)

융점이 낮고 단독으로는 못쓴다. 또한 부식성이 강하므로 혼합제로 소량 사용된다.

참고자료

• 〈납땜〉, 《위키백과》

같이 보기

• 모재
• 용가재
• 용접

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