납땜 품질 향상의 지름길 “인두 팁 관리 요령”

좀더 나은 인두기 솔더링과 팁

신뢰성 있는 인두 작업을 위해서는 우수한 장비가 필요한 것은 당연하다. 그러나 장비만 우수하다고 다 좋은 작업성을 얻을 수 있는 것은 아니다. 작업자의 적용방법, 주위 환경, 설정, 팁의 상태 등에 따라 작업성이 다르게 나타난다. 특히 지속적이며, 체계적인 팁 관리는 매우 중요하다. 팁 관리는 비단 수명을 연장시킬 뿐만 아니라 보통의 인두기로도 신뢰성 높은 작업의 지름길이기 때문이다. 본고에서는 솔더링 기초에 관해 설명함으로써 올바른 사용과 관리에 초점을 두고 설명했다.

자료제공 : QUIC-KOREA, www.quick-korea.com


솔더링은 팁을 신속히 가열해서 사용하는 것이며, 다음으로는 플럭스와 솔더를 PCB 표면에 바르는 것이다. 올바른 땜질은 전자부품들을 전기적으로 접속시켜주는 것을 의미한다. 이는 금속 부품들 사이에 납땜 접속부위와 전기선 사이에 완벽한 접속을 말한다. Heat는 인두기나 다른 도구에 사용되는 것이며, 플럭스는 땜질을 하기 위해 가열된 표면을 준비하여주는 화학제품이다. 솔더는 비철금속(non ferrous metals) 합금의 저온 융점을 가지고 있다.

솔더와 플럭스
솔더는 금속 표면을 결합하는데 사용되는 금속 혹은 금속합금제이다. 대부분의 솔더는 납과 주석의 합금으로 이루어진다. 적정량의 납-주석 합금(tin-lead alloys)은 순수한 성분보다도 낮은 용융점(lowing melting point)을 갖는다. 제조 현장에서 사용되는 합금(alloys)은 주석과 납의 비율이 60/40 또는 63/37이다. 표 1은 몇몇의 일반 납 합금들(solder alloys)이 상이한 용융점 갖고 있다는 것을 보여준다.
대부분의 납땜작업은 접합되어야 할 부분이 이미 깨끗해졌거나 또는 먼지 등이 제거되었을 때에 플럭스 성분이 포함된 납(Flux cored solder)을 사용해 행해진다. 플럭스는 또한 여러 방법을 통해 사용되는데, 이는 납땜해야할 부분이 산화(oxide off)되지 않게 해준다. 하지만 플럭스가 먼지, 그을음, 실리콘 등은 제거하지 못한다.

솔더 기본 재료
솔더 접합에서의 기본 재료는 PCB의 도금한 회로부분(납땜 할 위치)과 부품 리드로 구성된다. 부피, 조직과 접합 솔더의 깨끗함은 완벽한 납땜을 위한 필수적인 조건들이다. 만약 납땜할 부품의 위치가 오염되어 있다면, 납땜작업 시 표면에 따라 발생하는 습기로 인해 납이 잘 먹지 않는다.
전자부품 리드들은 표면 마무리를 통해 보호된다. 표면 마무리는 합금 주석으로부터 솔더 및 dipped solder에 이르기까지 다양한 물질을 이용해 실행되고 있다. 금도금은 솔더 코팅한 것과 같은 보호효과가 없다. 이는 도금 마무리로 인한 공극성 때문이다.

비습윤성 납땜이 발생하는 이유
1. 온도가 너무 높으면 주석코팅이 빨리 타거나 산화(oxidation)되어 버린다.
2. 산화는 불완전하면서 잘못되고 된 팁 세척 때문에 발생된다(전용 스폰지가 아닐 경우에도 생긴다).
3. 불결한(impure) 납 또는 flux core(플럭스 코어)에 플럭스 방해성분들이 포함된 납을 사용할 때
4. 350℃ 이상의 고온에서 작업 할 때, 주석 성분이 충분하지 않고 작업 후 한 시간이상 방치됐을 때
5. Dry tip, 만약 팁에 얇은 코팅 처리가 되어 있지 않은 채 방치되면, 산화가 빠르게 진행된다.
6. 심하게 오염되었거나, 팁 산화물질을 일으킬 수 있는 플럭스를 사용할 경우
7. 팁의 산화된 부분을 제거할 수 없는 저품질의 플럭스 사용할 경우

솔더링 인두 팁
솔더링 인두팁은 히터의 열을 솔더 접합부에 전달한다. 대부분 솔더링 인두팁의 기본금속은 구리(copper)이다. 이는 구리의 탁월한 열전도성 때문이다. 팁의 열전도성은 히터로부터 접합부에 얼마나 빨리 열을 전달할 수 있는냐에 따라 성능이 결정된다.
솔더링 팁의 기하하적인 모형과 크기, 부피는 팁의 성능에 영향을 미친다. 히터의 열전도성과 팁 특성들은 인두기의 효율을 결정하는 중요한 요소이다. 팁의 길이와 크기는 실제적으로 얼마나 열이 접합부에 잘 전도되는지에 따라 열전도 능력을 결정짓는다.
솔더링 팁을 만드는 데에는 다양한 방법들이 있는데, 이러한 합금방법들은 팁의 수명을 개선해 준다. 합금 방법에는 대표적으로 2가지가 있다. 첫 번째는 구리(copper) 위에 니켈도금(nickle plate)을 한 것이다. 그리고 나서, 니켈 위에 철 전기도금(iron electroplate)을 실시한다. 철(iron)과 니켈(nickle)은 납 솔더 합금(solder alloy) 안에서 사용되는 주석(tin)과 구리 기반의 재료 사이에 장벽(barrier)을 만들어준다.
이러한 장벽은 구리와 주석이 합쳐지는 것을 막아준다. 팁 끝부분의 니켈-크롬 도금은 팁의 후면에 솔더가 달라붙는 것(팁 제거에서 어려운 공정으로 알려진)을 방지하고, 철재 팁으로 젖음성을 컨트롤할 수 있도록 한다. 또 다른 도금 기술은 이 방법과 비슷하다. 그러나 장벽으로서 역할을 하는 철을 방치하는 전기성이 없는 니켈 도금을 생략한다.

팁 선택 방법
팁은 수명을 길게 하기 위해 철과 함께 전기 도금된 구리 철심(copper core)으로 만들어 졌다. 팁의 사용하지 않는 끝부분은 산화되는 것을 방지하기 위해 니켈도금을 하였으며, 원하지 않는 부분에 솔더가 붙는 것을 방지하기 위해서 윗부분은 크롬도금을 했다. 젖기 쉬운 부분은 주석을 덮었다.
팁의 역할은 히터로부터 열을 흡수하여 저장한 다음 적정량의 열을 팁 표면에서 전달해 주는 것이다. 빠르고 최적의 열을 전달하기 위해서 가능한 넓게 팁과 납이 접합되어야 한다. 솔더링 팁을 선택할 때는 가능한 직경이 크고, 길이가 짧은 것을 선택하는 것이 좋다. 적합한 납땜부위를 사용하는 것은 쉽지 않다.

어떻게 팁을 관리해야 하나?
전기합금 된 팁들은 감전되지 않는다(접지되어 있다). 팁들이 pretinnig으로 되어있지만 pretin로 사용하기를 권고한다. 어떠한 산화 도금은 발생하지 않을 수 있다. 깨끗하지 못한 화학적 성질의 것이나 녹기 쉬운 액체보다는 약간의 rosin flux가 활성화 된 것을 사용할 때 팁의 수명은 연장된다. 350℃ 이상 또는 오랜 작업 후(1시간 이내)에는 팁을 깨끗이 세척하거나 자주 주석화 시켜주어야 한다. 그렇지 않으면 팁의 솔더 부분이 산화되며 젖지 않는 상태(unwettablility)의 원인이 된다. 팁을 깨끗이 사용하기 위해서 전용 스폰지로 자주 세척해 주는 것도 잊어서는 안 될 사항이다.
작업할 때, 특별한 관리를 하는 것이 필요하다. 적은 양의 자주 납을 사용하더라도 팁을 반드시 세척해야 한다. 팁 위에 주석코팅(tin coating)은 쉽게 산화되거나 없어진다. 그리고 팁은 젖음성이 나빠진다. 이를 방지하기 위해선 팁을 자주 retineed(주석화를 반복함)해 줘야 한다.

추가적인 팁 관리 기술
다음의 8가지는 팁의 관리 및 수명을 연장시켜주면서 젖음성이 우수한 상태로 만들어 준다.
1. 작업표면을 tinned(주석이 묻은 상태)로 유지시켜라. 사용하기 전에 세척해라. retin(주석화를 반복하는 것)을 자주해라. 지름이 작은 납을 사용할 때에는 팁 표면 위가 충분한 주석 코팅상태를 유지시켜야 한다.
2. 고농도의 활성화 로진 플럭스와 액상 타입의 플럭스를 사용한다면 팁 수명은 줄어든다. 철도금 팁을 사용하는 것은 수명을 연장시켜준다.
3. 만약 팁이 충분한 젖음성을 지니지 않은 상태라면, 사용하는 플럭스와 팁을 교대로 세척해라. 지름이 작은 납 솔더를 사용하면 팁을 세척할 만큼 충분한 플럭스가 포함되어 있지 않다. 이러한 경우에는 지름이 큰 납을 사용하거나, 액체 플럭스를 사용해라. 정기적으로 세척기를 사용해서 팁을 세척해라. 세척 주기는 사용주기에 따라 틀리다.
4. 오염된 팁(filling tips)은 보호막도금이 없어졌기 때문에 팁 수명이 단축된다.
5. 인두기를 끄기 전에 팁에서 납을 다 제거하지 마라. 팁을 재가열시킬 때, 납은 팁 표면의 산화를 막고 표면을 보호한다.
6. 인두기의 기능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 Anti-seize 부품들은 피하는 게 좋다(연속적으로 팁을 사용할 때는 제외). 만약에 seize가 발생한다면, 툴이 열이 있는 동안에 팁을 제거해라. 규칙적으로 툴에서 팁을 제거하는 것 또한 seize로부터 팁을 보호하는 방편이다.
7. 가능하다면 증류수를 사용해서 스펀지를 적셔라. 일반 물 성분은 팁을 오염시킬 수 있다.
8. 팁 사용 후의 저장 요령 : 축축한 스펀지를 이용해 뜨거운 팁을 세척해라. 솔더 팁의 코팅을 실시하라. 팁을 차갑게 유지 시켜라. 인두기 홀더 또는 적당한 장소에 팁을 놔둬라.

공정에서의 작업자의 효율성
작업자는 매뉴얼 솔더링 공정에서 명백한 효과를 얻어야 한다. 이를 위해서 작업자는 솔더 공정 동안에 접합의 인두기 열을 어느 정도로 해야 할 지를 결정해야 하는 요소를 조절해야 한다. 게다가 인두기 구성과 팁의 모양도 팁에서 접합 부위로의 원활한 열량 흐름을 위해 작업자가 고려해야 한다. 작업자는 팁의 위치와 접합되는 시간을 바꿀 수 있다. 또한 접합 부위의 리드와 패드에 관한 툴의 압력도 변경할 수 있다.
철재 인두기 팁을 솔더 접합에 적용할 때, 팁 온도는 팁에서 접합부위로의 열적 에너지 이동이 감소한다. 인두기의 성능이 좌우되는 접합 시의 일관된 솔더링 온도는 작업자의 적합한 기술의 능력만큼이나 인두기의 열 이동 능력에 의존한다.

메카니컬
표면 실장과 nonclinched 쓰루홀 테크놀로지에서, 솔더는 접합에서 기계적인 강도를 제공한다. 기계적인 강도를 위한 중요한 요소들은 공정 중의 접합에서 부품과 보드 재질, 물리적인 모양과 접합의 구성, 그리고 재료의 온도를 가진 솔더의 젖음성을 포함하고 있다. 무르게 접합되는 원인이 되기 때문에 접합 온도는 너무 높지 않아야 하고, 또한 젖음성이 나쁘다는 결과가 나타나기 때문에 너무 낮지 않아야 한다.

솔더 접합 신뢰의 인식
솔더 공정에서 쉬운 측정 지표가 2가지 있다. 솔더 접합의 신뢰는 인두기 팁의 온도와 솔더 젖음성 특성이 결정할 수 있다. 솔더링 공정 동안 팁의 온도는 팁에서 접합부위로의 이동되는 열량 지표이다. 열 이동의 적합한 비율은 솔더 공정 동안 인두기 팁 온도가 지속적으로 남아 있는 경우에 발생한다.
신뢰성을 결정하는 또 다른 지표는 납과 보드 재료의 솔더 젖음성이다. 작업자는 이 젖음성을 시각적으로 확인할 수 있다. 만약 높은 솔더가 접합 부품의 사이드에 빠르게 위크 된다면, 젖음성은 좋은 것이다. 만약 작업자가 PCB 어셈블리의 표면 사이 혹은 관통해서 빠르게 솔더가 퍼지거나 흐르는 것을 보게 된다면, 이 역시 젖음성이 우수한 것이다.

Key Points to Remember
1. 팁에 코팅된 얇은 층을 보호해라(즉 칼이나 도구로 코팅된 곳을 제거하면 안 된다. 항상 납을 묻힌 상태로 보호해야 한다).
2. 가능한 납땜부위에 약한 플럭스를 사용해라.
3. 솔더 접합을 빠르게 할 수 있도록 적합한 온도를 유지하는 반면에 가능한 낮은 온도를 유지해야 한다(2~3초 동안 작업할 수 있을 정도).
4. 적절한 팁 크기를 선정해야 한다.
5. 최대 효율을 위해 가장 짧은 팁을 사용하는 게 좋다(이는 팁과 히터의 간격을 말하는 것이다).

결론

작업자는 연습과 경험을 통해 숙련되어질 수 있다. 능숙한 솔더링 결과를 얻기 위해서는 견고한 손놀림이 필요하다. 뿐만 아니라 납 특성의 파악과 어떻게 인두를 사용할 것인가, 어떻게 팁을 유지할 것인가 등도 훌륭한 납땜의 조건이다.