납땜(Soldering)

[管韻]

납땜(Soldering)

• 금속으로서의 납은 한자로는 鉛(연)이고 영어로는 lead다. 땜납은 영어로 solder.

전자·전기공학에서 부품을 기판에 연결하기 위하여 하는 일체의 행위를 의미한다. 허나 앞에 납이라는 단어가 들어가 있기 때문에 여기선 실납 등과 같은 재료로 한정되며 기타 다른 재료로 할 경우 "땜질"로 정의를 내리기도 한다. 용접의 분류에도 속하는데 여기서 말하는 납땜의 경우는 경납땜으로 분류한다. 납땜이 용접과 근본적으로 다른 점은 모재, 즉 부품이나 기판을 녹이지 않는다는 것이다.

2. 사용하는 물질

납땜에 사용되는 땜납은 주석 성분이 더 많이 혼합된 합금으로, 주석과 납을 섞어 녹는점을 낮춘 것이다. 주석과 납을 섞은 땜납은 183도, 납 없이 주석이 주재료인 무연납의 경우는 218도쯤에서 녹으며, 납의 녹는점은 300도가 넘는다. 또한, 이 땜납은 녹인다고 해서 그냥 철썩 하고 달라붙지 않아 송진과 같은 끈적한 물질을 섞는데, 이것이 '플럭스(flux)'다. 인두 좀 만진다는 사람들을 관찰하면, 한두 개쯤 있는 깡통에 든 구두약 같은 것을 인두로 슬쩍슬쩍 문지르고 스폰지 같은 데 닦고 하는 것을 볼 수 있다. 이때 이 구두약 같은 것이 플럭스. 또한 액체 플럭스도 존재한다. 캔에 들어 있는 고체 플럭스의 경우 자칫 손가락으로 찍기라도 해서 손톱 밑에 들어가면 전용 세척제로도 잘 씻겨나가지 않기 때문에 끔찍한 경험을 하게 되므로 주의해야 한다. 몸에 좋지 않으니 조심하자.

무연납(Pb-free Solder)이라고 납이 거의 없는 경우도 있다. 물론 납이 전혀 없지는 않다. 국내에서 가장 많이 사용되는 무연납 조성은 주석-은-구리이고 주석 원석에서 부터 납이 포함되어 있는 상태로 매장되어 정제해도 납이 1000~800ppm 정도 검출된다. 최근 환경 보호 기준을 만족하기 위해서 쓰며, 일반 납에 비해 녹는점이 높고 광택도 튀튀하다. 학교 같은 교육 시설에선 예산 부족으로 무연납을 사용하는 경우는 거의 없다. 무연납 자체의 가격도 비쌀뿐더러 고열용량 인두기나 고주파 인두기 등의 더 비싼 납땜장비가 필요하니 부담이 크다. 그래도 나중가면 변명하긴 한다. 학교가 돈이 없다거나, 해당과 배정된 예산이 없구나 식으로.

일반 납은 주석이 60% 정도에 납이 40% 정도 쓰이며, 무연납은 주석이 97% 정도에 구리와 은을 약간씩 섞는 게 일반적인 구성이다. 은과 구리가 들어가기때문에 일반 땜납에 비해 가격이 두배쯤 비싸고, 주석이 대부분이라 납이 섞인 일반납에 비해 신뢰성이 낮아졌다. 일례로, 일본산 소니제품이 무연화 되는 바람이 납땜 품질이 낮아졌다는 말이 있다. 이 문제로 삼성, 소니 등 유수 전자업체들이 품질 개선을 위해 고생을 많이 했다고 한다. 소니는 2000년대 초중반부터 납땜 무연화하기 시작했으며, 삼성전자, 파나소닉 등 다른 유수 전자업체들도 2000년대 후반부터 자츰 납땜 무연화하였다. 대신, 환경규제(ROHS)를 받지 않기 때문에 특히 유럽으로 수출하려면 울며 겨자먹기식으로 꼭 써야한다. 그러나 환경에는 무연납이 더 좋을지 몰라도, 작업공정 상 인체에는 더 해로울 수 있다. 왜냐하면 무연납은 더 납땜하기가 힘들어 플럭스를 더 많이 첨가하는데, 이 플럭스가 인체에 해롭기 때문. 그래서 또 '할로겐프리 납'이 나왔다.

납 중에서 알미트 납(Almit)은 납땜 작업으로는 절대로 납이 늘어붙지 않는 재질인 알루미늄, 스테인리스 스틸과 같은 금속류마저도 납땜이 가능하다. KR-19알미트와 KR-19RA 알미트 두 종류가 있다. KR-19RA 알미트가 KR-19알미트 납으로 알루미늄이나 스텐레스 스틸을 땜질하는것보더 더 쉽게 달라붙는다. 하지만 알미트납은 인두의 생명과도 같은 팁 부분의 수명을 급격하게 단축시키므로 적어도 고급형 실습용 인두기(최소 이삼만원짜리) 를 사용해 작업하기 바란다.

실납 제조업체 가운데 케스터(Kester)와 미국 알파메탈, 일본 센쥬금속(千住金属)이 세계적으로 유명하며, 국내 업체로는 희성소재가 유명하다. 그밖의 국산 제품도 일반 공작용으로는 괜찮은 수준. 중국제는 품질이 낮으니 피할 것을 권한다.

3. 공정

손으로 납땜하는 방법은 그냥 전기 인두기로 동판과 부품을 가열하고 땜납을 대서 적당히 녹인 후 인두기와 납을 동시에 뗀다. 크게 문제될 것은 아니지만 인두기를 먼저 뗄 경우 실납이 함께 붙어버린다. 다만 처음에는 납땜 작업이 매우 힘들 수 있다. 처음엔 실납이 지나치게 많이 들어가서 모습도 흉하거나 덜들어가서 부품 리드선이 보이는 등 의외로 공을 들여야한다. 땜질에 실패하면, 플럭스를 인두에 발라서 납을 다시 녹이면 재생이 가능하다. 그러나, 인두를 너무 대면 기판의 패드가 떨어지거나 민감한 전자부품이 손상되는 등의 문제가 생길 수 있으니 주의. 하지만 점차 익숙해지고 나면 땜질하는 것은 그리 어렵지 않다.

납땜 실수시에는 납 흡입기 또는 솔더윅으로 납을 제거한다. 납 흡입기는 스프링을 이용해 녹은 납을 빨아들이는 방식이고, 솔더윅은 구리섬유를 통해 모세관 효과로 빨아들이는 소모품이다.

납 흡입기는 한번에 빠르고 강력한 제거효과를 가지긴 하나 잘못 사용하면 PCB의 동판이 떨어져나가는 수도 있고, 잔여물이 많이 남기도 한다. 솔더윅은 한번에 납을 제거하기가 힘든 반면, 깨끗하고, 안전하게 제거가 가능하다.

공고 전자과 계열에서는 지겹게 한다. 전자공학실습의 기초중의 기초.

SMD 기판을 조립하는 공장에서는 포스터 칼라 깡통처럼 생긴 통에 크림 형태로 된 끈적한 땜납을 쓴다. 이른바 '크림 솔더'라 흔히들 부르는 것으로 땝납 가루와 플럭스를 섞은 것이다. 크림 솔더라는 단어처럼 말 그대로 생크림 같은 상태의 납이다. 공정은 대략 다음과 같다. 실크프린터를 이용해서 PCB 중 부품이 올라갈 패드 위에 크림 솔더를 바르고, 자삽 장비를 이용해 그 위에 부품을 올린다. 다음으로 오븐에 넣어서 전자동 제어를 통해 적절한 시간과 온도로 구워서 땜납을 녹인다. 제대로 되었다면 보드가 완성된다. 또한 자삽 장비로 실장이 불가능한 부품이 있다면 작업자가 생산 라인 도중에서 수작업으로 올려주기도 한다.

예전에는 Wave Solder라고 퐁뒤 같은 냄비에 납을 많이 넣어 녹인 후, 부품을 넣은 기판을 그 위로 지나가게 하여 간단하게 납땜을 하는 방법이 있었다. 다만 SMD용으로는 당연하게도 부품이 녹은 납 속으로 지나가는데 기판에 붙어 있을 리가 없으므로 사장되었다. 다만 일부 싸구려 중국 기판 제조 업체 등에서는 아직도 쓰는 듯. 만약 기판을 자주 만드는데 전자동 기계를 살 이의는 없다면 Wave Soldering Pot, 즉 납땜용 냄비를 구입하는 것도 나쁘지는 않다.

반도체같은 집적 소자의 내부와 소자 외장부의 밖에서 보이는 전극 사이를 연결하는 선의 결합 공정인 Wire Bonding도 원리상 납땜이다. 다만 주석과 납이 아니라 구리나 알루미늄, 금을 사용하며 열, 압력, 초음파를 적절히 섞어 사용하기도 하고 '인두'의 모양이 소자의 크기와 대량생산에 최적화된 형태다. 특수한 경우엔 이 공정으로 기판과 소자를 바로 연결하기도 한다.

일부 CPU는 다이와 히트 스프레더를 납땜으로 붙이기도 하는데 이를 솔더링이라고 한다. 열 전도 효율이 서멀구리스 보다 좋은대신, 불량률이 더 높아 비용절감을 위해선 서멀구리스를 사용하나, 소비자들은 당연히 솔더링쪽을 선호한다.

3.1. 불량

사람이 하는 일이니만큼 완벽하지 않아 불량이 발생하며, 전자동 제어를 해도 발생확률을 0으로 만들진 못한다.

• 냉납: 납땜이 제대로 되지 않았거나 충격, 열팽창 등등으로 납땜한 부분이 깨져서 접촉 불량이 발생한 경우. GPU같이 발열이 많은 소자의 경우엔 소자 자체의 발열로 인해 납이 녹아서 접점이 떨어지거나 열팽창으로 깨지거나 해서 접점이 떨어진다. 한참 옛날 이야기지만 NVIDIA의 Geforce 8000번대 노트북용 GPU들이 소재 문제로 인해 여기 취약했다고 하며, 이때뿐만이 아니라 좁은 내부 공간을 가진 게이밍 노트북의 주요 고장 원인 중 하나다. 노트북의 경우엔 굳을 때 접촉불량이 되는 것을 막기 위해 히트 스프레더 및 방열판이 GPU를 적절하게 눌러주도록 설계한 경우도 있으나, 기판 자체에 변형이 오거나 고정부에 파손이 생기면 어쩔 수 없다.

• 과열: 인두 같은 열원에 너무 오래 접촉해 소자가 열에 손상된 경우.

• 금속을 너무 적게 사용: 냉납과 마찬가지로 접촉불량.

• 다른 접점에 닿아서 합선된 경우: 손이 떨렸거나 금속을 떡칠해버리면 발생한다.

4. 안전 관련

납땜 중 발생하는 연기가 납 증기라는 오해가 많으나 실납을 녹일때 발생하는 대부분의 연기는 실납 안에 들어있는 플럭스가 증발하는 연기이다. 납의 물리 특성상 녹는 점이 327.5℃이고 융해된 납은 450℃~500℃ 이상이 되어야 용접이나 정련 시에 녹은 금속이 산소와 접촉하면서 발생하는 금속 산화물의 미립자인 퓸(fume)이 발생한다. 때문에 대한산업안전협회의 납 중독에 대한 안전대책에서도 납땜 작업은 중등도 납 노출의 가능성이 있는 작업(moderate risk operation)으로 분류되며 보호 장구를 착용하고 안전 수칙을 지킨 정상적인 작업 공정에서 납 중독의 발생이 거의 없는 것으로 분류된다. 다만 납 성분이 없다 해도 플럭스가 기회되어 발생하는 연기에는 몸에 해로운 다른 성분이 듬뿍 들어 있으니 반드시 환기가 잘 되는 곳과 마스크를 착용한 상태에서 납땜을 해야 한다. 특히 작업 공정 자체가 납 노출의 가능성이 적다는 것일 뿐이지 근로자들의 개인 위생 관리와 작업장의 정리정돈 및 작업 수칙의 준수 여부에 따라 실제 납 과다 노출로 인한 납중독의 가능성을 배제할 수 없다. 특히 미숙련자가 작업시 450℃ ~ 500℃ 이상으로 과열 되면 납 흄이 발생하면서 망했어요. 작업 시 환기 시설이 잘 된 곳에서 장갑과 마스크 등 보호장구를 착용하고 작업 후에는 반드시 손을 씻는걸 잊지 말아야 한다. 공업고등학교에서는 학생을 직장에 취직시킬 목적으로 납땜을 실시하는데, 여기서도 끝나면 항상 손을 씻으라고 강조한다. 학교에 따라서는 실습할 때 예산 부족, 즉 돈이 없다는 이유로 마스크 같은 보호장구는 지급하지도 않고 납땜을 실시하기도 하지만...

혹시라도 가정에서 납땜을 해야할 일이 생긴다면, 베란다에서 창문 다 열어놓고 신문지 깔아놓고 그 위에서 작업을 하는 것이 좋다. 어린 애들은 절대 절대 작업 중 베란다로 들어오지 못하게 해야한다. 물론 장갑과 마스크 착용은 어디서나 기본이다. 안경을 쓰지 않는 사람이라면 보안경을 착용하는 것도 생각해볼 수 있다. 할 수 있다면 공기청정기를 옆에 틀어놓고 작업을 하는 것도 좋다. 작업 후에는 손과 얼굴을 깨끗이 씻고, 작업 중에 나온 부산물들과 깔고 작업한 신문지를 바로 바로 외부에 버리자.

생각보다 온도가 상당히 높이 올라간다. 실수로라도 손으로 인두기의 가열된 팁 부분을 건드리거나, 아무렇게나 방치된 달구어진 인두기에 살이 닿지 않도록 조심하자. 이러지 말자 살짝만 닿아도 화상을 입을 가능성이 높으니, 왠만하면 장갑을 끼고 작업을 하는 것이 좋다. 보통 낮은 온도가 기본 200도 정도, 특수 목적으로 사용하는 경우 400~450도까지 올라간다. 또한 발열 부분이 좁기 때문에 막상 발열부에 닿아서 화상을 입기 전까지는 이게 뜨겁게 달구어진 상태인지 아닌지 확인하기가 어렵다. 고로 인두기는 항상 달궈진 상태라고 가정하고 작업에 임해야 한다. 인두기로 장난치다 화상당하는 학생도 발생한다. 납땜용 도구 중에 인두 받침대라는 도구는 이렇게 뜨겁게 달구어진 상태의 위험한 인두기를 걸쳐놓아 고정시켜주는 도구이니 가급적 인두와 함께 구입하는 것을 추천. 요즘 대부분의 인두 받침대에는 인두 팁 클리너 기능을 할 수 있는 기능성 받침대가 많으므로 1석2조이다. 만약 뜨겁게 달구어진 납땜 인두에 화상을 입었을 경우 얼른 응급처치를 하는 것이 좋다. 생각보다 높은 온도로 인해 진물과 함께 예상보다 큰 고통을 수반할 수 있다.

일반적인 실습용 인두기는 온도가 낮아서 무연납 중에 금, 은, 구리와 같은 용점이 높은 금속이 포함된 납은 잘 녹지 않는다. 물론 금,은,구리가 포함된 무연납 중에서는 일반 30W 인두기의 온도로도 잘 녹도록 특수하게 제작된 것들도 있으나, 일반적으로는 잘 녹지 않는다. 인두기를 수십분가량 한참 꽂아두어 충분히 달구어주면 작업이 가능하긴 한데, 이 상태로 오랫동안 무연납을 일반 납땜 인두로 작업하게 된다면 인두 팁이 상하게 되고, 인두기의 히터(가열 장치)의 수명에도 극히 안 좋은 영향을 미치게 된다. 문구점에서 파는 몇천 원짜리 인두기라면 인두 팁이 아예 녹아서 사라져버리는 말도 안 되는 상황이 연출될 수도 있다.

5. 북한의 의료 수단

북한에서는 납땜으로 치과 치료를 한다. 치과용 충전제는 금이나 레진, 싸게 하려면 아말감을 쓰지만 전 세계에서 납을 치과 치료에 쓰는 곳은 북한밖에 없다. 아말감의 유해성 논란은 널리 알려져 있지만 수은 성분은 3%밖에 안 되는 데다가 아직도 유해성 여부에 대해 말이 많지만, 납은 이견없이 명백히 유독하다. 납으로 치료하는 것은 당장의 치통만 없애서 주민들의 치과 치료에 대한 요구만 대충 해결해주고 그 후 수십 년에 걸쳐 중금속 중독으로 죽어가는지는 신경쓰지 않는, 인권을 무시하고 주민들 입만 다물게 하는 치료 방법이라 할 수 있겠다. 들리는 말에 의하면 납북되거나 월북한 사람은 맨 먼저 치과 검진을 받고 충치가 있으면 납으로 무료로 떼워준 후에 '우리 공화국에서는 이런 치과 치료도 무상으로 해준다.'라고 선전한다고도 한다. 아무튼 전 세계에 납으로 충치를 떼우는 곳은 북한밖에 없기에 간첩이나 무장공비 등을 생포했거나 시신을 발견했을 때 그들이 북한에서 온 것이 맞는지 확인할 중요한 증거가 된다. 실제로 대한항공 858편 폭파 사건 때도 이 납땜 치아가 북한 소행을 증명하는 증거 중 하나가 되었고 영화 베를린에서 보면 한석규가 북한 공작원으로 추정되는 사람들의 시신을 보고 납땜한 치아와 포경을 하지 않았다는 사실을 확인하고 북한 공작원이 맞다고 결론내리는 장면이 나온다.

[管韻]

저는 직장에 다니면서 납땜하는 것을 어깨넘어로 보고 배웠습니다. 이후 컴퓨터 씨리얼, 페러럴 케이블을 직접 만들기도 했습니다. 친구가 인천에서 납땜공장을 하고 있어서 놀러 갔는데 무연과 유연을 구별해서 제품을 생산하고 있었습니다. 흡진기를 설치하여 작업자가 납흡입을 최소화 했습니다. 하지만 납땜을 하는 일은 크게 돈이 되는 일이 아니기 때문에 단가를 맞추려면 값싼 여성 인력을 써야 하는 구조에 있습니다. 친구가 납을 하나 선물로 줬는데 오디오 앰프 제작하는데 정말 좋았습니다. 지금은 수지입땜납을 직접 구입해 사용하고 있습니다.