솔더링 기술 기초

솔더링 기술 기초 1. 서문 최근 전자기기의 소형/고밀도화는 눈부실 정도로 발전되고 있다. 따라서 최근의 납땜기술은 다음과 같은 조건을 만족시키는 동시에 그 이상의 조건의 선정이 중요한 과제가 되고 있다.   1) 열에 의한 주요부품의 손상 無   2) 누설전류에 의한 주요부품의 영향 無   3) 정전기에 의한 주요부품 영향 無   4) 자기에 의한 주요부품 영향 無   5) 온도회복성이 우수하고, 작업효율이 높아야 한다.   6) 신뢰성 높은 접합작업   7) 소형 경량으로 작업자의 피로도 경감  일반적으로 물체를 전기적으로 가열하는 전기가열방법에는 아래와 같이 나눌수 있다 저항가열 저항체에 전류가 흐를 때 발생되는 주울(JOULE)열 이용. 세라믹 히터, 니크롬 히터등이 이에 포함된다. 아아크가열 아아크 가열 방전에서 발생하는 열을 이용 BEAM가열 진공 속에서 전자 BEAM을 재료에 입사시킬 때 발생하는 열을 이용 고주파가열 물체에 고주파 전장 또는 자장을 가하여 가열하는 방법으로 유도가열과 유전가열, 통전가열, 마이크로파가열로 나눌 수 있다. 특히 납땜작업에 이용되고 있는 유도가열은 사용주파수는 수MHz이하이며, 가열전극은 코일형으로 부하의 표면부터 가열되는 것이 특징이다. 2. 납땜의 정의 모재와 모재사이에 땜납을 녹여 넣고 가열한 것이면 땜납과 모재가 서로 상호 확산되어(확산현상) 만나 합금층을 이루는 금속결합에 의한 접합이다. 즉, 금속표면의 현상에 의해 발생되는 접합이며, 이 접속 방법의 특징은 모재를 눈으로 보일정도로 변화시키지 않는다는 것이며 이것이 큰 이점이다. 따라서 불량 조건에 따라 냉땜과 BURNT접합이 있으며 각각의 현상은 다음과 같다 냉땜 : 모재와 모재사이에 합금층으로 접합되어 있지 않으며, 접촉상태는 당기면 빠져버리며, 접촉저항을 가지므로 불량, 발열의 원인이 된다. BURNT접합 : 기계적으로는 접속되어 있지만 금속과 금속과의 접속은 아님. 3. 땜납의 특성 땜납이라 함은 넓은 의미로서는 450℃이하에서 용융되며 연성을 가지는 물질이며, 자세한 의미로는 주석(Sn)과 납(Pb)을 주성분으로 한 합금(Sn-Pb)형태의 땜납이라 정의한다. ▶ 땜납의 성분에 의한 분류 땜납 종류 성분비(Sn-Pb 함유율) 융점 비고 Sn-35Pb 65%, 35% 186℃   Sn-37Pb 63%, 37% 184℃   Sn-40Pb 60%, 40% 190℃   Sn-45Pb 55%, 45% 203℃   Sn-50Pb 50%, 50% 215℃   Sn-55Pb 45%, 55% 227℃   ▶ Sn-Pb 합금 사용 이유   1) 융점을 낮쳐준다    주석의 융점은 232℃, 납의 융점은 327℃이나, 이들 합금의 융점은 이보다 낮출수가 있다. 주석의 성분비가 61.9%일    때 융점은 183℃로 주석-납 합금중 최저 융점이다.   2) 기계적 강도를 높여준다    주석 및 납은 기계적 강도가 약한 금속이지만 합금하여 사용하면 기계적 강도를 약간 개선시킬수 있다. 예로 주석    65%일때 최도 강도를 가지며 인장력 5.5㎏/㎟, 선단강도 4.0㎏/㎟정도로 순수 주석의 약 2배이다. ▶ Cost 절감   주석은 비싼 금속이나, 납은 비교적 싼 금속이다. 성분이 주석에 비하여 납이 많은 땜납의 가격은 싸게 되지만 신뢰   성이 좋은 작업을 필요할때는 주석의 성분이 많은 것을 선택하는 것이 유리하다. ▶ 은(Ag) 함유 된 땜납 더욱 높은 품질의 납땜을 요구할 때는 은을 사용한 땜납을 사용한다. 주석-납에 은을 첨가한 것으로 일반적으로 주   석 60%, 납 37%, 은 3%의 형태로 사용한다. 은은 동에 대한 확산정수가 대단히 크며, 구리 표면 부근에 안정된 합금   층을 형성한다. 4. 이상적인 납땜 조건 납땜시 납 및 피접합부는 납의 용융점의 통상 40～50℃높은 온도에서 행하는 것이 이상적이다. 또한 납땜작업의 시간은 경우에 따라 다르지만 3초 이내에 행하는 것이 좋다. 이러한 조건을 만족하기 위하여 인두의 선단부의 온도 진폭이 작고, 온도 회복성이 우수해야 한다. 따라서 예전에는 온도제어가 없는 납땜기를 사용하였으나(예 HAKKO DASH), 현재는 이러한 납땜조건을 충족시키기 위하여 온도제어가 가능한 납땜기를 사용하는 것이 일반적이다.(HAKKO MACH, 936등) 그러나 작업능률을 향상시키려 납땜온도를 올리는 것은 역으로 악영향을 미치는 경우가 있다. 납땜의 온도조건은 납땜 상태, 플럭스의 분해, PCB에서의 패턴의 벗겨짐 등 여러 가지 조건을 고려하여 작업온도를 설정하여야 한다. 다음은 일반적인 조건에 따른 현상을 온도에 따라 정의한 것이다. 조건 온도 현상 납땜 상태 220℃ 이하 220～280℃ 300℃ 이상 확산부족으로 납땜 불가 인장강도가 크다 금속간 화합물 생성 플럭스 210℃ 이상 분해 시작 PCB 기판 260℃ 이상 패턴 들뜸 현상 발생     5. Soldering 관련 규격 MIL규격 (MIL-STD-2000) MIL규격은 상당히 엄격하지만 실제로 납땜되어지는 부품에 대한 안전에 관하여 규정되어있으며 제조되어지는 회사내 검사규격등을 만드는 경우에 참고가 되어진다. 그 주요 내용은 다음과 같다.    - 납땜기는 땜납작업을 하는 상대에 그 기능이 손상될 정도의 전기적 쇼크를 제공하면 안된다.    - 납땜작업을 하는 상대와 어스간의 저항은 고온의 납땜기로부터 측정하여 2Ω 이하가 되어야 한다.    - 납땜의 정전대책에 관하여는 DOD-STD-1686에 따라야 한다.    - 어스와 고온의 납땜기간의 전위차는 2㎷이하가 되어야한다.    - 납땜의 자계는 부품또는 납땜 대상의 표면을 측정하여 2G(가우스)이내가 되어야한다.    - 미리 설정한 온도의 ±10℉(±5.5℃)이내에서 제어가 가능한 온도제어 타입이어야 한다.    - 납땜기 또는 히타는 접속부분을 급속하게 가열하면 모두 납땜작업 동안 접속부에 올바른 납땜온도를 일관되게 유      지해야 한다. 6. 전자부품에서의 무연솔더 종래의 모든 전자제품 실장에는 전기적, 화학적, 물리적, 열적, 기계적 성질이 적절히 조합된 Sn-37Pb 공정솔더가 사용되어 왔다. 그러나 이것은 환경적인 문제가 대두된 것을 계기로, 선진국에서는 Sn-37Pb 솔더 합금의 사용규제가 검토되어 무연솔더의 개발연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 Pb를 사용하지 않는 무연솔더로 점차 변화하고 있으며, 대체용 합금의 선정시에는 용융점, 젖음성, 경제성 등을 고려하여야 한다.   ■ 무연솔더의 정의와 요구조건 모재보다 융점이 낮은 비철금속을 용융시키고, 이것을 금속면간에 충전시켜 금속끼리 접합시키는 방법을 솔더링이라 하며, 이때 사용된 비철금속을 솔더라 한다. 종래의 Sn-37Pb솔더의 대체재 개발시 기본적인 요구조건과 특성은 다음과 같다. 즉, 기본적으로 합금 및 구성원소들은 환경무해 물질이어야 하고, 모재 또는 플럭스와의 조합시 Sn-37Pb에 비해 동등하거나 그 이상의 성능을 가져야 한다. 또한 기존의 Sn-37Pb와 유사한 융점(183℃)을 지녀야 하며, 적당한 전기전도성, 열전도성을 지녀야 하며 접합부의 결함발생을 감소시키기 위해 고상과 액상의 공존범위가 10℃이하로 작아야 한다. 또한 젖음성이 좋아야 하며 Sn-37Pb에 해당되는 정도의 기계적 강도와 신뢰성을 유지할 수 있어야 한다. 뿐만 아니라 대체 솔더합금은 기존의 Sn-37Pb재와 비교하여 그 가격이 크게 상승하지 않아야 한다. 현재 활발히 진행되고 있는 대체재로는 Sn-Ag계, Sn-Ag-Cu계, Sn-Ag-Bi계, Sn-Ag-Zn계, Sn-Cu계 등이 있다. 이중 실용화 될 가능성이 가장 큰 대체재는 이원합금으로는 Sn-3.5Ag계와 삼원합금계로는 Sn-3.5Ag-Cu계가 유력하다. 그러나 상기의 대체 솔더합금은 Sn-37Pb에 비해 젖음성이 좋지 않으므로 다음과 같은 이유와 대책이 있다.    ① 솔더의 표면장력 : 무연솔더의 표면장력이 Sn-37Pb솔더에 비해 크다      →플럭스의 개발(저잔사 플럭스)    ② 솔더의 산화특성      →N2등을 이용한 저산소 분위기    ③ 솔더/모재간의 전위차      →표면처리    ④ 솔더/모재간의 금속간화합물      →표면처리