땜납

3. 역사

땜납은 기원전 3000년경부터 사용된 것으로 추정된다. 투탕카멘 묘에서 땜납을 사용한 장식품이 발견되었고, 고대 그리스와 고대 로마 시대에는 수도관을 주석-납 땜납으로 납땜한 기록이 있다. 중국에서는 기원전 300년경에 땜납으로 만든 항아리가 있었다.

19세기에는 통조림 제조에 땜납이 사용되었으나, 1966년 미국 캠 사가 나일론 접착제를 개발하면서 땜납 사용이 감소하였다^[36]。

3. 1. 한국의 땜납 역사

4. 땜납의 종류

땜납은 용도, 주석 함유율, 포함된 성분에 따라 분류된다. 주석 함유량이 높을수록 가격이 비싸다^[39].

산화를 막고 접합을 용이하게 하기 위해 플럭스(융제)를 포함하는 경우가 많다. 주석 비율이 63%인 공정 땜납은 녹는점이 184°C로 땜납 중에서 가장 낮다.

JIS Z 3282-1999에서는 성분 비율에 따라 Sn-Pb계 16종, Pb-Sn-Sb계 7종, Sn-Sb계 1종, Sn-Pb-Bi계 5종, Bi-Sn계 2종, Sn-Cu계 2종, Sn-Pb-Cu계 2종, Sn-In계 1종, Sn-Ag계 3종, Sn-Pb-Ag계 4종, Pb-Ag계 3종을 규정하고 있다^[41].

4. 1. 용도에 따른 분류

• 금속용
• 일반 금속용: 일반적인 금속 접합에 사용된다.
• 알루미늄용: 알루미늄은 산화가 빠르고 산화 피막이 강해 일반적인 땜납으로는 접합하기 어렵기 때문에, 특수한 플럭스를 사용해야 한다.^[40]
• 납관용: 굳기 시작해서 완전히 굳을 때까지 흐물흐물한 상태가 길게 유지되도록 만들어졌다. 납 함량이 약 63%로 더 많다.^[39]

• 전기용
• 산화를 막고 접합을 쉽게 하기 위해 융제(플럭스)를 포함하는 경우가 많다. 플럭스는 유지의 일종이며, 과거에는 송진(로진)이 사용되었다. 이러한 이유로 전기용 땜납은 "수지(야니) 땜납"이라고도 불린다.
• 전기 배선용: 주석 함량이 50%이다.
• 인쇄 회로 기판용: 주석 함량이 60%이다.
• 공정 땜납: 주석 비율이 63%이며, 녹는점이 184℃로 가장 낮다. 액체 상태에서 고체 상태로 빠르게 변하기 때문에 다루기 쉽다.
• 고융점 땜납 (고온 땜납): 공정 땜납으로 접합된 부분이 다시 녹으면 안 되는 경우나, 고온에 노출되는 부분을 땜질할 때 사용한다.
• 저융점 땜납: 녹는점이 낮은 금속을 섞어 융점을 특히 낮춘 땜납이다.
• 은 첨가 땜납: 은도금 표면이나 은선을 땜질할 때 사용한다.

4. 2. 조성에 따른 분류

• '''납 기반 땜납 ("연납")'''

• '''무연 땜납'''

• '''경납'''

4. 3. 합금 원소의 역할

• 주석-납 (Sn-Pb) 땜납 (연납): 무게 기준 주석 농도 5%~70% 범위에서 판매된다. 주석 농도가 높을수록 인장 강도와 전단 강도가 높아진다. 납은 주석 수염 형성을 완화시키지만, 정확한 메커니즘은 알려져 있지 않다.^[6]
• 주석: 납보다 비싸지만, 합금의 습윤 특성을 향상시킨다. 납 자체는 습윤 특성이 좋지 않다.^[11] 고주석 주석-납 합금은 사용성이 제한적이다.^[11]
• 납: 주석 수염 형성을 완화시킨다.^[6] 60/40 Sn-Pb 땜납은 표면에서 산화되어 복잡한 4층 구조를 형성한다. 즉, 표면에 이산화 주석(IV), 그 아래에 미세하게 분산된 납이 있는 일산화 주석(II) 층, 그리고 미세하게 분산된 주석과 납이 있는 일산화 주석(II) 층이 있고, 그 아래에 땜납 합금 자체가 있다.^[12]
• 은: 배관 땜납의 납을 대체하며, 안티몬과 함께 사용되기도 하고 구리가 추가되기도 한다. (무연 땜납 참조) 은세공 또는 보석 제작에 사용되는 특수 경납은 분석을 통과해야 하며, 납땜되는 금속의 비율이 높고 납은 사용되지 않는다. 경도에 따라 "에나멜링", "하드", "미디엄", "이지"로 구분된다.^[11]
• 안티몬: 배관 땜납의 납을 대체하며, 은과 함께 사용되기도 하고 구리가 추가되기도 한다. (무연 땜납 참조) 의도적으로 첨가되며, 최대 0.3%까지 습윤성을 개선하고, 더 많은 양은 습윤성을 천천히 저하시킨다. 융점을 높인다.
• 구리: 배관 땜납에 추가되기도 한다. (무연 땜납 참조)
• 알루미늄: 용해도가 낮고, 산화물 형성으로 인해 납땜의 둔화와 칙칙하고 거친 외관을 유발한다. 땜납에 안티몬을 첨가하면 드러스(dross)로 분리되는 Al-Sb 금속간 화합물이 형성된다. 취성을 촉진한다.
• 비소: 기계적 특성에 부정적인 영향을 미치는 얇은 금속간 화합물을 형성하며, 황동 표면의 젖음 불량을 유발한다.
• 카드뮴: 납땜의 둔화를 유발하고, 산화물을 형성하며 변색시킨다.
• 금: 쉽게 용해되며, 취성 금속간 화합물을 형성하며, 0.5% 이상의 오염은 둔화를 유발하고 습윤성을 감소시킨다. 주석 기반 납땜의 융점을 낮춘다. 더 높은 주석 합금은 취성 없이 더 많은 금을 흡수할 수 있다.^[23]
• 철: 금속간 화합물을 형성하고 거칠함을 유발하지만, 용해 속도는 매우 낮다; 427 °C 이상에서 납-주석에 쉽게 용해된다.^[17]
• 납: 0.1% 이상에서 유해 물질 제한 지침(Restriction of Hazardous Substances Directive) 준수 문제를 일으킨다.
• 니켈: 거칠함을 유발하며, Sn-Pb에 용해도가 매우 낮다.
• 인: 주석 및 납 인화물을 형성하며, 거칠함 및 젖음 불량을 유발하며, 무전해 니켈 도금에 존재한다.
• 은: 종종 의도적으로 첨가되며, 다량으로 첨가하면 금속간 화합물을 형성하여 납땜 표면에 거칠음과 작은 돌기를 형성하며, 취성의 가능성이 있다.
• 황: 납 및 주석 황화물을 형성하며, 젖음 불량을 유발한다.
• 아연: 용융 상태에서 과도한 드러스를 형성하고, 응고된 접합부에서 표면에 빠르게 산화된다; 산화 아연은 플럭스에 용해되지 않아 수리성을 저해한다; 황동을 납땜할 때 아연이 표면으로 이동하는 것을 방지하기 위해 구리 및 니켈 장벽 층이 필요할 수 있다; 취성의 가능성이 있다.

4. 4. 불순물

• 알루미늄(Al): 용해도가 낮고, 산화물 형성으로 인해 땜납의 둔화, 칙칙하고 거친 외관을 유발하며 취성을 촉진한다. 땜납에 안티몬을 첨가하면 드러스(dross)로 분리되는 Al-Sb 금속간 화합물이 형성된다.
• 안티몬(Sb): 의도적으로 첨가되기도 하며, 최대 0.3%까지 습윤성을 개선하지만, 그 이상의 양은 습윤성을 천천히 저하시킨다. 융점을 높인다.
• 비소(As): 기계적 특성에 부정적인 영향을 미치는 얇은 금속간 화합물을 형성하며, 황동 표면의 젖음 불량을 유발한다.
• 카드뮴(Cd): 땜납의 둔화를 유발하고, 산화물을 형성하며 변색시킨다.
• 구리(Cu): 가장 흔한 오염 물질로, 바늘 모양의 금속간 화합물을 형성하며, 땜납의 둔화, 합금의 거칠음, 습윤성 감소를 유발한다.
• 금(Au): 쉽게 용해되며, 취성 금속간 화합물을 형성한다. 0.5% 이상의 오염은 둔화를 유발하고 습윤성을 감소시킨다. 주석 기반 땜납의 융점을 낮춘다. 더 높은 주석 합금은 취성 없이 더 많은 금을 흡수할 수 있다.^[23]
• 철(Fe): 금속간 화합물을 형성하고 거칠음을 유발하지만, 용해 속도는 매우 낮다. 427°C 이상에서 납-주석에 쉽게 용해된다.^[17]
• 납(Pb): 0.1% 이상에서 유해 물질 제한 지침(Restriction of Hazardous Substances Directive) 준수 문제를 일으킨다.
• 니켈(Ni): 거칠음을 유발하며, Sn-Pb에 용해도가 매우 낮다.
• 인(P): 주석 및 납 인화물을 형성하며, 거칠함 및 젖음 불량을 유발한다. 무전해 니켈 도금에 존재한다.
• 은(Ag): 종종 의도적으로 첨가되며, 다량으로 첨가하면 금속간 화합물을 형성하여 납땜 표면에 거칠음과 작은 돌기를 형성하며, 취성의 가능성이 있다.
• 황(S): 납 및 주석 황화물을 형성하며, 젖음 불량을 유발한다.
• 아연(Zn): 용융 상태에서 과도한 드러스를 형성하고, 응고된 접합부에서 표면에 빠르게 산화된다. 산화 아연은 플럭스에 용해되지 않아 수리성을 저해한다. 황동을 납땜할 때 아연이 표면으로 이동하는 것을 방지하기 위해 구리 및 니켈 장벽 층이 필요할 수 있다. 취성의 가능성이 있다.

5. 땜납 프리폼

땜납 프리폼은 특정 용도에 맞게 미리 만들어진 땜납 형태이다. 땜납 프리폼을 제조하는 데는 여러 가지 방법이 사용되며, 스탬핑이 가장 일반적이다.^[1] 땜납 프리폼에는 땜납 공정에 필요한 솔더 플럭스가 포함될 수 있는데,^[1] 이는 땜납 프리폼 내부에 있는 내부 플럭스이거나 땜납 프리폼이 코팅된 외부 플럭스일 수 있다.^[1]

6. 유리 땜납

유리 땜납은 유리, 세라믹, 금속, 반도체, 운모 및 기타 재료를 서로 접합하는 데 사용되며, 이 과정을 유리 프리트 접합이라고 한다. 유리 땜납은 접합되는 재료나 인접 구조물(예: 칩 또는 세라믹 기판의 금속화 층)의 변형 또는 열화가 발생하는 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 잘 흐르고 젖어야 한다. 흐르고 젖는 현상이 발생하는 일반적인 온도는 450°C에서 550°C 사이이다.

7. 납 문제

땜납에 포함된 납은 인체와 환경에 유해하므로,^[43] 납을 포함하지 않는 무연 땜납이나 금, 은 등의 금속을 첨가한 접착제로의 전환이 진행되고 있다. 하지만 무연화를 위해 도입된 원소 또는 화합물의 독성에 대한 충분한 조사가 이루어지고 있다고는 말하기 어려우며, 무연이기 때문에 환경 독성이 작다고 판단하는 것은 성급하다.

참조

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