솔더의 종류와 접합의 메커니즘

「접합 기술」이라고 하면, 가장 먼저 떠오르는 것은 목공용 본드나 핫멜트 등의 접착제를 사용하는 방법일 것입니다. 본 기사에서 소개하고자 하는 접합 기술은 「솔더」를 사용한 금속과 금속의 접합 기술입니다.

일렉트로닉스 제품을 설계하고 개발하는 기술자는 모두 프로급에 해당하는 솔더링 기술을 가지고 있다고 생각하는 사람들이 많을 것입니다. 베테랑 기술자 여러분도 본 기사를 통해 「이제와서 물어보기 애매한」 기초 지식에 대해 복습하는 기회가 되었으면 합니다.

금속 접합의 3가지 기술

솔더링

솔더링 (납땜)이란 「솔더 (납)」를 이용하여 금속을 녹여 접합하는 기술입니다. 「솔더」를 사용하는 접합 기술의 역사는 용접보다 오래되었으며, 고대 이집트의 출토품에서도 그 흔적이 발견될 정도입니다. 지금도 솔더링의 공법이나 재료, 도구는 끊임없이 진화하고 있습니다.

재료는 납과 주석이며, 브레이징 (경납땜)보다 저온에서 접합할 수 있습니다. 융점은 200~400℃로, 전자부품이나 정밀기기의 조립에 적합합니다. 일반적으로 접합 강도는 브레이징보다 약합니다.

솔더링의 접합 원리는 「풀」 등을 사용하는 접착과는 근본적으로 다릅니다.

구리 위에 솔더링하면 주석과 구리 사이의 미세한 영역에 수μm의 합금층 (확산층)이 형성됩니다. 이것이 미시적인 용접 상태가 되어, 솔더와 모재의 구리가 단단하게 접합됩니다 (그림 1).

그림 1 : 주석과 기판 패턴 (구리) 사이의 합금 확산층
참고 문헌 (일본어) : https://toragi.cqpub.co.jp/tabid/693/Default.aspx

금 도금 타입의 프린트 기판일 경우에는 주석과 금의 합금층 (AuSn2)이 형성되어 접합됩니다. 이 합금은 얇은 금을 흡수하여 모재의 니켈 층과 주석이 확산층 (합금층)을 형성합니다.

브레이징 (경납땜)

브레이징은 은, 구리, 알루미늄 등의 「경납」을 사용한 접합 기법입니다. 접합부는 강도가 높아 고온에도 강하기 때문에 액세서리나 모형, 안경테 등에 사용되고 있습니다.

접합 대상이 되는 모재보다 저온의 금속을 녹이면 발생되는 「젖음성 (wettability)」을 이용하여, 모재와 모재를 접합합니다. 접합 재료 (경납)는 은, 금, 구리, 아연 등입니다.

브레이징과 솔더링을 총칭하여 「납땜」이라고 합니다. 솔더링은 브레이징의 한 종류입니다. 반대로 「브레이징은 솔더링의 일종」이라는 문헌도 있을 정도로 브레이징과 솔더링은 비슷합니다. 용접보다 미세하고 정밀한 작업이 가능하다고 일컬어지고 있지만, 용접 기술도 진화하고 있기 때문에, 지금은 이 역시 정확한 표현이라고 할 수 없습니다.

용접

용접은 초고온에서 모재 자체를 녹여 접합하는 기법으로, 브레이징보다 접합 강도가 높습니다. 일반적으로 브레이징보다 큰 도구가 필요합니다.

용접은 불꽃을 튀기면서 큰 금속 부품을 접합하는 이미지가 있지만, 섬세한 전자회로에도 꼭 필요한 접합 기술입니다. 배터리의 단자에 전극을 접합할 때에도 사용됩니다 (스팟용접). 열 전대의 경우 2종류의 금속 와이어 끝단의 접합에도 이용되고 있습니다.

기타 전기적 접합 기술

압착 · 압입

기계적인 압력을 인가하여 변형시킴으로써 재료와 재료를 기계적으로 접촉시키는 방법으로, 커넥터 단자 등에 많이 사용됩니다. 적합한 공구를 이용하는 경우 매우 신뢰성이 높은 접합 방법입니다.

체결

나사를 사용하여 단자와 단자를 기계적으로 접촉시킵니다. 단자대, 대전력, 접지 BUS BAR의 접속에 사용됩니다.

초음파 접합

초음파를 이용하여, 재료와 재료 사이에 마찰을 발생시킴으로써 표면의 산화물을 제거함과 동시에 열이나 소성변형을 일으켜 접합시킵니다. IC 내부의 반도체 칩 상의 전극 패드에서 알루미늄이나 금의 가는 와이어를 통해 IC 단자로 신호를 출력할 때에도 사용됩니다. 이것을 「초음파 와이어 본딩」이라고 합니다.

도전성 접착제

에폭시 접착제에 은이나 카본 나노 튜브 등의 도전성 필러를 혼합하여 생기는 것이 도전성 접착제입니다. 도전성 접착제는 전기가 통하는 특성이 있으므로, 전기적 접속이 필요한 부분에도 사용됩니다. 접착제가 굳어지는 과정에서 에폭시 수지가 약간 수축하여 내부의 필러 입자가 서로 밀착하게 됨으로써 전기가 흐를 수 있게 됩니다.

특히, 반도체 패키지나 전자 기판의 접합 시, 솔더링이 어려운 부분이나 솔더 접합으로 인한 열의 영향을 피하고자 하는 경우에 많이 활용됩니다.

랩핑

단자봉에 랩핑 와이어를 감아, 전극과 와이어를 접합시키는 방법 (그림 2)으로, 솔더링보다 신뢰성이 높다고 알려져 있습니다. 과거에는 항공 우주 분야에서도 사용되었던 중요한 기술이지만, 현재는 거의 사용되지 않습니다.

그림 2 : 와이어 랩핑 배선의 예

커넥터

스프링 방식의 기구를 사용하여, 전극과 전극을 기계적으로 접촉시키는 부품입니다. 대표적인 예로는 USB나 전원 플러그가 있습니다.

도전성 고무

LCD 패널에서는 기계적으로 압력이 가해지면 도통하는 고무를 사용하고 있습니다.

실험용 「공정 (共晶)」과 양산용 「Pb-Free」

공정 (共晶) 솔더

일반적으로 솔더는 주석과 납으로 구성되어 있습니다. 주석의 융점은 231.9℃, 납의 융점은 327.5℃입니다 (그림 3). 이러한 주석과 납의 혼합비를 최적으로 조정하면 융점은 183℃~184℃까지 낮아져 가공이 용이해집니다.

그림 3 : 납과 주석의 비율과 합금의 융점
발췌 : FCT Solder사 홈페이지

가장 융점이 낮은 혼합비 (공정 조건)는 주석 63% + 납 37% (Sn63-Pb37로 표기)이며, 해당 합금을 「공정 합금」이라고 합니다.

혼합비가 공정 조건에서 벗어난 주석 60% + 납 40%, 주석 50% + 납 50%와 같은 공정 솔더도 있습니다. 납의 함유량이 많을수록 융점이 높아 잘 녹지 않기 때문에 강도가 높아집니다. 무거운 부품이나 고온이 되는 부품의 접합이나 「누액」을 회피하고자 하는 경우에는 납을 많이 함유한 솔더를 사용합니다. 프린트 기판의 through hole에는 솔더가 유입되기 어렵기 때문에 적합하지 않습니다.

구리가 소량 (약 0.5%) 첨가된 솔더도 시판되고 있습니다. 솔더에 함유되는 주석으로 인해 구리가 침식되는 것을 회피할 수 있습니다. 극세 구리 와이어나 프린트 기판 상의 구리 패턴에 사용됩니다.

동일한 목적으로, 은이 소량 (~2% 정도) 첨가된 솔더를 은의 침식 대책으로 사용하기도 합니다.

프린트 기판에 가장 많이 사용되는 솔더의 혼합비는 주석 60% + 납 40% (융점 199℃)입니다. 저 역시 이 혼합비의 솔더를 애용하고 있습니다. Pb-Free 솔더를 제외하고, 다른 혼합비의 솔더는 거의 사용하지 않습니다.

Pb-Free 솔더

「납」 규제

납은 자연계에 풍부하게 존재하며, 공정 솔더와 같이 취급이 쉽다는 성질이 있습니다. 그러나, 납은 중독성이나 발암성이 있을 뿐만 아니라 환경에 대한 부하도 크기 때문에 2000년경부터 전 세계적으로 규제가 시작되었습니다.

특히 EU에서는 2006년 7월에 RoHS (로스) 지침을 시행하여, 납을 1000ppm 이상 포함하는 제품을 EU 권내에서 판매해서는 안된다는 법률을 규정하였습니다. RoHS 지침의 규제 대상은 납, 수은, 카드뮴, 육가크롬 등입니다.

Pb-Free 솔더의 특징

환경의 지속성이 중요시되는 가운데, 가전제품의 대부분이 Pb-Free 솔더를 사용하고 있습니다.

「Pb-Free」라는 명칭은 「납을 일절 함유하지 않는다」는 의미가 아니라, 「납을 거의 함유하지 않는다」라는 의미입니다.

Pb-Free 솔더는 성분에 따라 다음과 같은 종류가 있습니다.

• 1. 주석 95% 이상 ＋ 은 또는 구리 (융점 217℃)
• 2. 주석 ＋아연 (융점 200℃)
• 3. 주석 ＋구리 (융점 227℃)

주석 + 납의 공정 솔더보다 융점이 높고 젖음성도 좋지 않기 때문에, 솔더링 작업 효율이 좋지 않고 완성 시 광택도 나지 않습니다.

따라서, Pb-Free 솔더 사용 시의 작업 효율 개선을 위한 연구가 계속되고 있습니다.

솔더에 요구되는 성능은 「저융점」과 「고강도」입니다. 융점이 낮을수록 기판이나 부품에 가해지는 손상이 적어집니다. 그리고, 강도가 높을수록 좋은 것은 두말할 필요가 없습니다.

탈착용 저융점 솔더

「저융점 솔더」는 기판에 솔더링된 부품을 제거할 때 사용하는 도구로, 오래전부터 사용되고 있습니다 (그림 4).

그림 4 : 시판되고 있는 저융점 솔더 키트의 예
출처 (일본어) : https://shop.sunhayato.co.jp/products/smd-21

비스무트 등이 포함되어 있으며, 융점은 100℃ 이하 (40~95℃)입니다. 솔더가 장시간 굳어지지 않고 액체 상태가 지속되기 때문에 단자가 여러 개인 IC도 안정적으로 제거할 수 있습니다. 단, 접착 강도가 약하기 때문에 접합에는 사용하지 않습니다.

칼럼 : 솔더링의 개량은 계속된다.

일부 문헌에서는 「합금층의 두께는 9μm 정도」라고 기술되어 있습니다. 일반적인 프린트 기판의 구리 두께 “35μm (1oz)”에 비하면 너무 두껍게 느껴지기 때문에, 조사를 해 보았습니다.

참고 문헌 [1]에서는, 용융된 솔더 합금에 동판을 침적시키고, 솔더를 도포한 후에 꺼내어 단면을 관찰한 결과가 기재되어 있습니다. 실제의 솔더링 조건에서 확산층의 두께는 온도나 시간에 의존하지 않고, 주석 60% + 납 40%의 솔더일 경우 합금층의 두께는 약 3μm로, 확산층을 구성하는 합금의 정체는 주석을 주체로 미량의 구리와 납이 함유된 합금이라고 설명하고 있습니다.

참고 문헌 [2]에서는, 동일한 연구 그룹에서 솔더의 대류로 인한 영향을 억제하기 위해, 동판에 솔더를 도포하여 가열하는 실험에 대한 내용이 기재되어 있습니다. 조건은 인두를 사용한 실제의 솔더링이 가까운 환경입니다.

전자부품의 소형화에 따라 확산층 주변의 void (기포와 같은 것)가 문제시되어, 금속 메이커를 비롯한 많은 기업과 연구 그룹이 주목하고 있으며, 차세대 Pb-Free 솔더의 제안도 활발하게 추진되고 있습니다.

참고 문헌

[1] Kaoru Zenyoji : ［VOD］ 동영상으로 함께 프린트 기판 개발 KiCad 초입문 【KiCad 6 대응 완전 매뉴얼】, ZEP 엔지니어링

[2] Kaoru Zenyoji : ［VOD］ 동영상으로 함께 프린트 기판 개발 KiCad 초입문 【KiCad 6 대응 프로의 완성 기술 101】, ZEP 엔지니어링