경납땜

3. 작업 절차

모재의 접합면에 유분이나 산화막이 있으면 땜납의 젖음성이 나빠지므로 모재 표면을 세척한다.^[1] 가열할 때 모재 표면의 산화를 방지하고 땜납의 흐름을 좋게 하기 위해 플럭스를 접합면에 바른다.^[1] 부재를 조립하여 가열한 후, 접합부에 땜납을 밀착시켜 녹여 땜납을 접합면 전체에 퍼지게 한다.^[1] 천천히 냉각시켜 부품 전체가 일체화되면, 필요에 따라 플럭스 잔사를 제거하거나 가열로 생긴 산화막을 제거하기 위해 세척한다.^[1]

4. 장점 및 단점

용접과 비교했을 때, 경납땜은 다음과 같은 장점을 가진다. 우선, 경납땜은 접합부의 모재를 녹이지 않기 때문에, 공차를 더 엄격하게 관리할 수 있고, 2차 마감 없이 깨끗한 접합부를 만들 수 있다.^[1] 또한, 서로 다른 금속이나 비금속(예: 금속화된 세라믹)을 접합할 수 있다.^[1] 일반적으로 경납땜은 부품을 균일하게 가열하기 때문에 용접보다 열 변형이 적게 발생한다. 복잡하고 여러 부품으로 구성된 조립품도 경납땜을 통해 비용 효율적으로 만들 수 있다. 용접된 접합부는 때때로 면을 연마해야 하지만, 경납땜은 깨끗한 접합부를 생성하므로 이러한 추가 작업이 필요 없다. 또한, 경납땜은 보호를 위해 코팅되거나 클래딩될 수 있다.^[2] 마지막으로, 개별 공정 변수가 변화에 덜 민감하기 때문에 경납땜은 대량 생산에 적합하고 자동화하기 쉽다.^[2][3]

반면, 경납땜은 몇 가지 단점도 가지고 있다. 가장 큰 단점은 사용되는 충전 금속이 연하기 때문에 용접된 접합부에 비해 접합 강도가 낮다는 것이다.^[4] 경납땜된 접합부의 강도는 모재보다 낮지만, 충전 금속보다는 높을 수 있다.^[5] 또한, 경납땜된 접합부는 높은 온도에서 손상될 수 있다.^[4] 산업 환경에서 경납땜을 할 때는 모재를 매우 깨끗하게 유지해야 하며, 경우에 따라 청결도를 유지하기 위해 적절한 플럭스제를 사용해야 한다. 접합부의 색상이 모재와 달라 미관상 좋지 않을 수도 있다.

5. 기술

경납땜 작업을 수행하기 위해 다양한 가열 방식이 사용된다. 가열 방식을 선택할 때 가장 중요한 요소는 접합부 전체에 효율적으로 열을 전달하고, 사용된 개별 모재의 열 용량 내에서 이를 수행하는 것이다. 경납땜 접합부의 기하학적 구조, 필요한 생산 속도와 생산량도 고려해야 한다.^[4][8]

• 유도 경납땜
• 딥 경납땜
• 저항 경납땜
• 적외선 경납땜
• 블랭킷 경납땜
• 전자빔 및 레이저 경납땜
• 경납땜 용접

5. 1. 토치 경납땜

• 수동 토치 경납땜
• 기계 토치 경납땜
• 자동 토치 경납땜

5. 2. 용광로 경납땜

5. 3. 기타 기술

• 토치 경납땜
• 용광로 경납땜
• 유도 경납땜
• 딥 경납땜
• 저항 경납땜
• 적외선 경납땜
• 블랭킷 경납땜
• 전자빔 및 레이저 경납땜
• 경납땜 용접

6. 충전재(땜납)

경납땜에 사용되는 충전재는 다양한 합금으로 구성되며, 모재를 잘 적시는지, 사용 조건에 맞는지, 융점은 적절한지 등을 고려하여 선택된다. 이러한 합금들은 막대, 리본, 분말, 페이스트, 와이어, 프리폼 등 다양한 형태로 제공된다.^[14]

경납땜 충전재(땜납)는 그 성분에 따라 다양한 특성을 가진다. 주요 성분 및 역할은 다음과 같다.

• 은(Ag): 모세관 현상을 이용한 유동성을 향상시키고, 다른 금속과의 합금에서 내식성을 높이는 역할을 한다. 하지만 증기압이 높아 진공 상태에서는 사용하기 어렵고, 가격이 비싸다는 단점이 있다.
• 구리(Cu): 기계적 성질이 우수하여 은과 함께 사용되는 경우가 많다. 니켈을 잘 용해시키고 습윤성을 높인다.
• 아연(Zn): 융점을 낮추고 철 금속 및 니켈 합금의 습윤성을 향상시킨다. 그러나 500°C 이상에서 휘발성이 매우 강해 고온에서 사용하기 어렵고, 일부 환경에서 접합 불량을 일으킬 수 있다.
• 금(Au): 내식성이 매우 우수하지만 가격이 매우 비싸다.
• 팔라듐(Pd): 금보다 기계적 강도가 높고 고온 강도가 우수하다.

6. 1. 주요 충전재 종류

• 알루미늄-실리콘
• 구리
• 구리-은
• 구리-아연 (황동)
• 구리-주석 (청동)
• 금-은
• 니켈 합금
• 은^[4][15]
• 니켈, 철, 구리, 실리콘, 붕소, 인 등을 사용한 비정질 브레이징 포일

• 순수 금속: 합금이 없는 금속 (주로 귀금속 - 은, 금, 팔라듐).
• Ag-Cu: 은-구리 합금. 우수한 용융 특성을 가지며, 은은 유동성을 향상시킨다. 용광로 경납땜에 사용되는 공융 합금이다. 구리가 풍부한 합금은 암모니아에 의해 응력 균열이 발생하기 쉽다.
• Ag-Zn: 은-아연 합금. Cu-Zn과 유사하며, 보석류에 사용된다. 은과 색상이 일치하며 암모니아 함유 은 세척액에 내성이 있다.
• Cu-Zn (황동): 구리-아연 합금. 강철과 주철 접합에 사용되는 범용 합금이다. 부식 저항성은 구리, 실리콘 청동, 구리-니켈, 스테인리스강에 적합하지 않다. 적당히 연성이 있다. 아연의 휘발성으로 인해 증기압이 높아 용광로 경납땜에는 부적합하다. 구리가 풍부한 합금은 암모니아에 의해 응력 균열이 발생하기 쉽다.
• Ag-Cu-Zn: 은-구리-아연 합금. Ag-Cu보다 융점이 낮고, Ag-Cu와 Cu-Zn의 장점을 결합한다. 40% 이상의 Zn에서는 연성과 강도가 감소한다. 구리가 풍부한 합금은 암모니아에 의해 응력 균열이 발생하기 쉽다. 은이 풍부한 브레이즈(67.5% Ag 이상)는 보석류에 사용된다. 은 함량이 낮은 합금은 엔지니어링 목적으로 사용된다. 구리-아연 비율이 약 60:40인 합금은 황동과 동일한 상을 포함하며 색상이 일치한다. 황동 접합에 사용된다. 소량의 니켈은 강도와 내식성을 향상시키고 탄화물의 습윤성을 촉진한다. 망간을 니켈과 함께 첨가하면 파괴 인성이 증가한다. 카드뮴을 첨가하면 유동성과 습윤성이 향상되고 융점이 낮아지는 Ag-Cu-Zn-Cd 합금이 생성되지만, 카드뮴은 독성이 있다. 주석 첨가는 유사한 역할을 한다.
• Cu-P: 구리-인 합금. 구리 및 구리 합금에 널리 사용된다. 구리에는 플럭스가 필요하지 않다. 은, 텅스텐, 몰리브덴과 함께 사용할 수도 있다. 구리가 풍부한 합금은 암모니아에 의해 응력 균열이 발생하기 쉽다.
• Ag-Cu-P: Cu-P와 유사하며 유동성이 향상되었다. 더 큰 간극에 적합하며, 더 연성이고 전기 전도성이 좋다. 구리가 풍부한 합금은 암모니아에 의해 응력 균열이 발생하기 쉽다.
• Au-Ag: 금-은 합금. 귀금속으로 보석류에 사용된다.
• Au-Cu: 금-구리 합금. 연속적인 고용체 시리즈로, 내화물을 포함한 많은 금속을 쉽게 적신다. 좁은 용융 범위와 우수한 유동성을 가진다.^[18] 보석류에 자주 사용된다. 40–90%의 금을 함유한 합금은 냉각 시 경화되지만 연성을 유지한다. 니켈은 연성을 향상시킨다. 은은 융점을 낮추지만 내식성을 악화시킨다. 내식성을 유지하려면 금을 60% 이상 유지해야 한다. 고온 강도 및 내식성은 크롬, 팔라듐, 망간, 몰리브덴 등으로 향상시킬 수 있다. 바나듐 첨가는 세라믹 습윤을 가능하게 한다. 금-구리는 증기압이 낮다.
• Au-Ni: 금-니켈 합금. 연속적인 고용체 시리즈로, Au-Cu 합금보다 넓은 용융 범위, 더 나은 내식성, 향상된 습윤성을 가진다. 다른 금속과 합금하여 금 비율을 낮추기도 한다. 구리 첨가는 금 비율 감소, 크롬 첨가는 내식성 손실 보상, 붕소 첨가는 크롬에 의한 습윤성 손상을 개선한다. 낮은 증기압을 가진다.
• Au-Pd: 금-팔라듐 합금. Au-Cu 및 Au-Ni 합금보다 향상된 내식성을 가진다. 제트 엔진 등 고온 응용 분야의 초합금 및 내화 금속 접합에 사용된다. 코발트 기반 브레이즈로 대체 가능하다. 낮은 증기압을 가진다.
• Pd: 팔라듐 합금. 우수한 고온 성능, 높은 내식성(금보다 낮음), 높은 강도(금보다 높음)를 가진다. 니켈, 구리, 은과 합금된다. 대부분의 금속과 고용체를 형성하며 취성 금속간 화합물을 형성하지 않는다. 낮은 증기압을 가진다.
• Ni: 니켈 합금. 은 합금보다 많고, 높은 강도를 가진다. 은 합금보다 저렴하며, 우수한 고온 성능과 내식성을 가진다. 스테인리스강 및 내열 합금에 사용된다. 유황 및 낮은 용융점 금속(아연 등)에 취화된다. 붕소, 인, 실리콘, 탄소는 융점을 낮추고 모재로 빠르게 확산된다. 확산 브레이징을 가능하게 하며, 브레이징 온도를 초과하여 접합부를 사용할 수 있게 한다. 붕소화물과 인화물은 취성 상을 형성한다. 비정질 프리폼은 급속 응고로 만들 수 있다.
• Co: 코발트 합금. 우수한 고온 내식성을 가지며, Au-Pd 브레이즈의 대체재이다. 저온에서 낮은 가공성을 가지며, 급속 응고된 프리폼으로 제조된다.
• Al-Si: 알루미늄-실리콘 합금. 알루미늄 브레이징용이다.
• 활성 합금: 티타늄, 바나듐 등 활성 금속을 포함한다. 흑연, 세라믹 등 비금속 재료 브레이징에 사용된다.

일부 첨가제와 불순물은 매우 낮은 수준에서 작용한다. 긍정적/부정적 효과가 모두 관찰될 수 있다. 스트론튬(0.01%)은 알루미늄 결정립 구조 정제, 베릴륨/비스무트(유사 수준)는 알루미늄 산화물 부동태 층 파괴 및 습윤 촉진, 탄소(0.1%)는 니켈 합금 내식성 손상, 알루미늄(0.001%)은 연강 취화, 인(0.01%)은 취화 유발.^[19]

진공 브레이징의 경우 고순도 금속 및 합금(99.99%, 99.999% 순도)이 사용될 수 있다.

브레이징 중 접합 오염 또는 모재 용해로 인한 유해 불순물 유입을 방지해야 한다.

고상선/액상선 온도 차이가 큰 합금은 "머쉬" 상태(고체/액체 혼합물)를 거쳐 녹는 경향이 있다. 일부 합금은 액상 분리 경향을 보이며, 용융 온도 범위에서 충분히 빠르게 가열해야 한다. 넓은 연성 범위를 가진 합금은 큰 틈/필렛 형성에 적합하다. 유동성이 높은 합금은 좁은 틈새 침투, 공차 좁은 조인트 브레이징에 적합하며 큰 틈 채움에는 부적합하다. 넓은 용융 범위 합금은 불균일 간극에 덜 민감하다.

적절히 높은 브레이징 온도에서는 브레이징과 열처리 동시 수행이 가능하다.

공정 합금은 머쉬 영역 없이 단일 온도에서 녹는다. 우수한 퍼짐성을 가지며, 비공정 합금은 점도가 높아 모재 침식, 퍼짐력 낮다. 미세 입자 크기는 공정 합금 강도/연성 증가. 정확한 용융 온도로 합금 융점보다 약간 높은 온도에서 접합 공정 수행 가능, 머쉬 상태 없어 조작으로 인한 접합 방해 가능성 감소(모재 용해로 인한 특성 변화 없다고 가정). 공정 거동은 납땜에 유용하다.^[19]

미세 입자 구조 금속은 큰 입자 금속보다 우수한 습윤성 제공. 합금 첨가제(스트론튬-알루미늄) 첨가, 프리폼/포일 급랭으로 입자 구조 미세화 가능. 급랭은 비정질 금속 구조 생성 등 추가 이점 제공.^[19]

6. 2. 충전재 성분 및 역할

7. 분위기

경납땜 작업은 고온을 필요로 하므로, 산소를 포함하는 분위기에서는 금속 표면의 산화가 발생한다. 이를 방지하기 위해 공기 이외의 분위기를 사용할 수 있다. 일반적으로 사용되는 분위기는 다음과 같다.^[23][24]

8. 프리폼 (Preforms)

브레이징 프리폼은 고품질 정밀 금속 스탬핑으로, 전자 장치 및 시스템 제조의 다양한 접합 분야에 사용된다. 브레이징 프리폼은 주로 전자 회로 부착, 전자 장치 포장, 열 및 전기 전도성 제공, 전자 연결 인터페이스 제공 등에 활용된다.^[27]

사각형, 직사각형, 원반 모양의 브레이징 프리폼은 주로 실리콘 다이가 포함된 전자 부품을 인쇄 회로 기판 등의 기판에 부착하는 데 사용된다. 직사각형 프레임 모양의 프리폼은 전자 패키지 제작에, 와셔 모양의 브레이징 프리폼은 리드선과 기밀 피드 스루를 전자 회로 및 패키지에 부착하는 데 사용된다. 일부 프리폼은 다이오드, 정류기, 광전자 장치 및 부품 포장에도 사용된다.^[27]

9. 안전

납땜은 유해한 화학적 증기에 노출될 수 있다. 미국의 국립 산업안전보건연구원(NIOSH)은 이러한 증기에 대한 노출을 허용된 노출 한계 미만으로 관리할 것을 권장한다.^[28]

참조

_[1] 웹사이트 Joining Dissimilar Metals http://www.deringern[...] 2014-03-04
_[2] 서적
_[3] 서적
_[4] 서적
_[5] 웹사이트 Understanding Brazing Fundamentals http://www.aws.org/w[...]
_[6] 서적
_[7] 간행물 Standard Welding Terms and Definitions Including Terms for Adhesive Bonding, Brazing, Soldering, Thermal Cutting, and Thermal Spraying American Welding Society
_[8] 서적
_[9] 웹사이트 FAQ: What are the different methods of brazing? https://www.twi-glob[...] 2017-12-27
_[10] 서적
_[11] 서적
_[12] 웹사이트 Vacuum Brazing of Aluminum Cold Plates and Heat Exchangers – Lytron Inc http://www.lytron.co[...] 2017-12-27
_[13] 뉴스 Flux Brazing Alloys http://lynchmetals.c[...] Lynch Metals, Inc 2017-12-27
_[14] 서적
_[15] 서적
_[16] 웹인용 Guidelines for Selecting the Right Brazing Alloy http://www.silvaloy.[...] Silvaloy.com 2010-07-26
_[17] 웹사이트 Ag slitiny bez Cd – speciální aplikace https://www.welmet.c[...] 2016-04-07
_[18] 서적 Gold: Science and Applications https://books.google[...] CRC Press 2009
_[19] 서적 Principles of Brazing https://books.google[...] ASM International
_[20] 서적 Industrial Brazing Practice https://books.google[...] CRC Press 2003
_[21] 웹인용 Ceramic Brazing http://www.azom.com/[...] Azom.com 2001-11-29
_[22] 웹사이트 Welding Vs Soldering Vs Brazing - Learn The Difference https://welderchoice[...] 2021-03-01
_[23] 웹사이트 Lucas-Milhaupt SIL-FOS 18 Copper/Silver/Phosphorus Alloy http://www.matweb.co[...]
_[24] 서적
_[25] 웹사이트 The Brazing Guide http://www.gh-ia.com[...] 2015-04-02
_[26] 서적 Copper and copper alloys https://books.google[...] ASM International
_[27] 웹사이트 Solder Preforms http://www.coiningin[...] AMETEK.Inc. 2011-07-08
_[28] 간행물 CDC – NIOSH Publications and Products – Criteria for a Recommended Standard: Welding, Brazing, and Thermal Cutting (88-110) https://www.cdc.gov/[...] 2017-04-11