납땜실습 1. 실험목적브레드보드에서실험한회로가정확하게작동되는것을확인되면회로도가그려진 PCB기판에각종전기, 전자소자를고착시켜여러환경에서사용할수있도록한다. 이들소자를고착시킬때납땜을이용하게되는데, 열을받으면특성이급격하게악화되는소자들이많이있으므로되도록짧은시간안에납땜이이루어져야한다. 본실험에서는납땜과정과납땜에필요한재료, 기구들을숙지하여신속하고정확하게납땜을하는방법을익힌다. 2. 관련이론 2-1. 땜납 (solder) 납땜은주석과납합금 ( 혼합물 ) 이다, 일반적으로 61.9% 주석과 38.1% 의납으로구성된합금을사용하며녹는점이 183 로가장낮기때문이다. 땜납으로표면을코팅하는것을 납땜 이라불린다. 납은독성물질로납을사용한후에는항상손을씻어야한다. 전기, 전자분야에사용되는땜납은전원선내부의선처럼약간의플럭스 (flux) 를포함한다. 플럭스는산성으로부식성을띄므로납땜할때금속의표면을깨끗하게한다. 이것이땜납을납땜인두팁에녹이지않고연결부분에녹여야하는이유이다. 플럭스를사용하지않으면대부분의납땜은실패한다. 왜냐하면금속은대기중에서매우빨리산화되며이렇게산화되거나오염된금속표면에서땜납이적절하게흐르지못하기때문이다. 전자회로기판에적당한땜납의직경은 0.7 mm로 22 SWG에해당된다 (SWG = Standard Wire Gage). 플러그, 구성품지지대그리고다른큰부위를연결할경우직경 1.2 mm (18 SWG) 을사용할수있다. 모든금속을납땜으로연결할수있는것은아니다. 흔히접하는납땜으로연결할수있는금속은구리, 니켈, 주석, 납이고, 알루미늄, 스테인레스스틸은납땜이되지않는다. 2-2. 무연땜납 (lead-free soldering) 근래에환경법안들이전자공업분야에서널리사용되는납을겨냥하고있다. 유럽의 RoHS 훈령은 2006년 7월 1일부터회로기판에납을사용하는것을금지하고있다. 일본은납을포함하는물품을재활용을할때추가적비용의증가로입법이전에납을사용하지않고있다. 그러나납을포함하고있지않더라도납땜은인간에해로운증기를방출할수있다. 따라서일하는공간으로부터증기를제거할수있는환기장치의사용이적극권장되고있다. 납을포함하지않는납땜, 즉무연의경우납-주석의납땜온도보다높아진다고잘못인식하고있다. 납-주석납땜에서젖음온도가융점보다높고이것은조절할수있다. 집단납땜 (wave soldering) 은납-주석과같은온도에서실행될수있다. 그럼에도불구하고새로운기술적도전이계속되고있다. 납을포함한합금의융점을낮추고다른특성을개선하기위해구리, 은, 비스무스등이납에첨가되고있으며더욱이주석은부식이잘되는금속이므로땜납용기를파괴한다.
그림 1 납땜인구 ( 왼쪽 ) 와인두거치대 ( 오른쪽 ) 그림 2 땜잡과납땜용플럭스 ( 오른쪽 ) 2-3. 안전예방책 인두끝과부품에절대손대지말것. 그부품은아주뜨거워 (400 o C 정도 ) 굉장한화상을입게될것이다. 인두끝이코드에닿지않도록특별히주의해라. 인두는특별한보호를위해내열코드를사용해야한다. 일반적인플라스틱코드가뜨거운인두에접촉되면순식간에녹아서연소되거나전기충격의위험이있다. 사용하지않을때는인두를거치대에세워둔다. 잠시라도, 절대당신의실험대에내려놓지말라. 접합부에손대기전에접합후몇분을기다려그것이냉각되도록해라. 실험을할때는통풍이잘되는곳에서한다. 당신이납땜을녹이면주로플럭스로부터연기가생기고매우유해하다. 머리를작업대위가아닌밖으로두어연기를흡입하지않도록해라. 납땜을사용한후에는손을닦는다. 땜납엔납의합금이다.
2-4. 화상처치납땜에의한대부분의화상은미미하고처치는간단하다. 화상을입은부위를천천히흐르는차가운물아래에두어곧바로냉각시킨다. 최소 5분동안차가운물에화상부분을갖다댄다 (15분을추천함 ). 만약에얼음을쉽게구할수있으며도움이될수있다. 그러나차가운물로냉각시키는첫처치를지연시키지말라. 어떠한크림또는연고는사용하지않는다. 화상은그것들없이더욱잘낫는다. 만약에화상입은부위가더럽혀지지않도록하려면깨끗한손수건으로드레싱을하라. 만약에화상부위가당신손보다크다면병원으로가라. 2-5. 납땜준비 1. 납땜인두를거치대에두고전원을넣는다. 납땜인두의온도를작업온도인 400 o C로올리는데몇분이소요된다. 2. 거치대의스폰지를물로적셔둔다. 가장좋은방법은스폰지를거치대밖으로들어차가운수도물아래잠시둔후스폰지를짜과잉의물을제거한다. 스폰지는적셔두되물이뚝뚝떨어지지않도록한다. 3. 인두가가열될때까지몇분을기다린다. 당신은약간의땜납을팁으로녹게함으로써가열이되었는지확인해야한다. 4. 젖은스폰지로인두팁을닦아팁을깨끗하게한다. 5. 인두팁으로약간의납을녹인다. 이것을 "tinning" 라부르고인두팁으로부터접합부로열이흐르게도와줄수있다. 이것은코드를꼽았을때그리고납땜하는동안가끔인두팁을스폰지로닦을필요가있을때행한다. 6. 이상으로납땜준비는완료된다. 2-6. 납땜하기 1. 인두의손잡이밑부분을펜처럼잡는다. 자신의이름을쓰는것을상상하다. 절대납땜기의부품이나팁을손대지않는다. 2. 인두를접합부분위에갖다댄다. 팁이부품의리드선과구리트랙모두와접촉하고있는지확인해야한다. 팁을몇초동안그곳에유지시킨다. 3. 접합부에약간의납을공급한다. 그림에보여지는것처럼화산모양으로만들기위해땜납이리드나트랙위에부드럽게흘러야한다. 인두에납을묻혀납을공급하지말고자신이직접납을공급해야한다. 4. 땜납을제거한후인두도제거한다. 이때접합부가움직이지않게한다. 회로판을움직이기전에접합부분가냉각되도록몇초동안그대로두라. 5. 접합부로세밀하게관찰한다. 광택이나고화산처럼보여야한다. 그렇지않다면, 다시열을가하고약간의땜납을더공급할필요가있다. 이시간은땜납을공급하기전리드나트랙을충분히가열되도록한다. 6. 납땜용플럭스가있을경우가장효율적으로납땜을할수있다. 연결할두부분에각각약간
그림 3 접합이잘된부위와그렇지않은부위의접합형상 의플럭스를묻히고인두로가열하여표면을세정한다. 7. 두부분을맞대고 2-5 의과정을행한다. 2-7. 방열체 (heat sink) 의사용트랜지스터같은어떤부품은납땜할때열때문에피해를입을수있다. 그림 4에서보는것처럼접합부와구성품사이의리드에방열체인클립을사용하는것이현명한방법이다. 방열체기구를사용할수있지만악어클립으로도충분할뿐아니라매우저렴하다. 2-8. 부품별주의사항납땜을할때어떤구성품은특별한주의가필요하다. 대부분부품들을올바른방법으로위치시켜야몇가지부품은땜납의열에의해쉽게피해를입는다. 다음표는납땜시유용한다른조언과함께적당한경고도함께실었다. 그림 4. 악어클립을열방사체로이용한예
부품형상주의사항 저항 다이오드 IC 소켓 (DIL 소켓 ) 프리셋 ( 소형가변저항 ) 커패시터 (1 μf 이하 ) 전해질커패시터 (1 μf 이상 ) LED 트랜지스터 보드에서지점사이전선연결보드에장착된다른부품배터리, 클립, 버저및전선이연결된다른부품스윗치와같이보드에 없는부품과의연결선 IC 부품 표 1 납땜할때부품종류에따른주의사항 특별한주의가필요하진않으며어떻게연결해도좋다. 다이오드는올바른방향으로연결해야한다 : a=anode, k=cathode. 게르마늄다이오드는방열체를사용해야한다. 홈표시가정확히끝에위치해야한다. 열에의해손상되지않도록하려면이단계에서 IC를넣으면않된다. 특별한주의가필요하진않다. Stripboard에소자를올바르게삽입시키기위해주의를요한다. 특별한주의가필요하진않고, 어떻게연결해도좋다. 용량값이정확한지확인해라. 전해질커패시터는정확한방법으로연결해야하고, 리드와가까운곳에 + 또는 - 표시가있다. LED 는정확한방향으로연결해야한다 :a= anode, k = cathode. 소형 (3 mm) LED 는방열체와함께사용한다. 트랜지스터는 3 개의단자가있으며정확히연결을해야한다. 트랜지스터와연결부사이의단자에방열클립을차례로사용한다. 주석으로도금된구리선 ( 저항단자의자투리와같은 ) 또는단선플라스틱코팅선을사용한다. 특별한주의사항은없다, 하지만부품들이정확하게연결되어있는지확인해야한다. 적색 (+) 과흑색 (-) 전선이정확한방향으로연결되어야한다. 유연한플라스틱코팅전선을사용하고, 단선전선은접합부에서파괴될분리될수있다. 모든납땜이완료되면 IC 를올바른방법으로홀더에끼운다. 단단히밀어넣기전에모든핀이정렬되었는지확인한다. 2-9. 땜납제거 어떤단계에서너는전선또는구성요소를제거하거나재배치시키기위해땜납을제거해야 할필요가있다. 땜납제거에는두가지방법이있다.
납제거펌퍼사용 (desoldering pump, solder sucker) 1. 스프링과연결된누름쇠를밑으로끝까지눌러걸쇠에걸리게한다. 2. 펌프노즐과인두팁을납땜한부분에함께접촉시킨다. 3. 납땜을녹을때까지몇초동안기다린다. 4. 펌퍼의버턴을눌러누름쇠를해제하고녹은납땜을빨아들인다. 5. 가능한많은납을제거가필요할경우위작업을반복한다. 6. 때때로노즐을풀어펌프에서흡입된땜납을비울필요가있다. 땜납제거용구리심지사용 (copper wick, copper braid) 1. 구리심지끝과인두팁을접합부에접촉시킨다. 2. 땜납이녹으면서대부분심지로스며들어연결부위에서떨어진다. 3. 구리심지를제거한후인두를제거한다. 4. 땜납으로코팅된심지의끝을잘라버린다. 대부분의납땜을연결부분에서제거후전선또는부품단자를바로제거할수있습니다 ( 냉각 되는몇초필요 ). 연견부분이쉽게분리되지않을경우인두를다시접촉시켜남은납을녹임 과동시에접합부를당겨분리시킨다. 이때화상을주의하라. 그림 5 땜납제거용펌프 그림 6 땜납제거용구리심지 ( 왼쪽 ), 땜납제거전 ( 오른쪽위 ) 과후 ( 오른쪽아래 ) 의심지형상
3. 실험기기및부품납땜인두, 인두거치대, 땜납 ( 직경 0.7 mm), 땜납페이스트 ( 플럭스 ), 브레드보드용전선, 에나멜선 ( 직경 0.1 mm), 땜납제거펌프, 10 Ω 저항 4개, 구리심지, 악어클립, 일반문서용클립, 핀셋, 만능기판, 8 pin IC 소켓, 사포 (emery paper) 4. 실험방법 4-1. 납땜연습 1 위이론부분에서술된납땜하는방법을숙지하라. 2 브레드보드용전선과저항을납땜으로연결하라. 3 연결된부위를각자의핸드폰카메라로촬영하라. 4-2. 문서용클립과브레드보드용전선과납땜 1 문서용클립과전선에플럭스를묻혀인두로연결부분을먼저세정한다. 2 핀셋과악어클립으로각각전선과클립을잡고접촉시킨후인두도접촉시킨다. 3 땜납을공급하여클립과전선을연결시킨다. 4 2-3번반복대도연결되지않으면실험을중단하라. 4-3. 에나멜선의납땜 1 네줄의에나멜선을준비한다. 2 에나멜층을사포로갈아제거한다. ( 에나멜선은고온에서녹기때문에납땜전반드시제거해야한다.) 3 플럭스를사용하지않고, 땜납만으로두선을연결해본다. 4 사포로벗긴두에나멜선에플럭스를약간묻히고약간의땜납을인두에녹여땜납을에나멜선에코팅한다. 5 두에나멜선을인두와접촉시켜접합한다. 6 플럭스를사용했을때와하지않았을때의차이를확인하라. 4-4. 만능기판에 IC소켓의납땜 1 만능기판에 8 pin IC 소켓을정확하게삽입시킨다. 2 기판을뒤집어핀 2개를기판과납땜한다. 3 연결된부위를각자의핸드폰카메라로촬영하라. 4-5. 만능기판에서 IC소켓의탈착 ( 땜납제거펌프사용 ) 1 위이론부분에서술된펌프로땜납을제거하는방법을숙지하라. 2 펌프로만능기판에서납땜된 IC소켓을탈착시켜라. 3 탈착된부품과만능기판의탈착부위를각자의핸드폰카메라로촬영하라.
4-6. 만능기판에서 IC소켓의탈착 ( 구리심지사용 ) 1 위이론부분에서술된펌프로땜납을제거하는방법을숙지하라. 2 구리심지로만능기판에서납땜된 IC소켓을탈착시켜라. 3 탈착된부품, 만능기판의탈착부위그리고땜납이묻은구리심지를각자의핸드폰카메라로촬영하라. 5. 예비과제 1. 열이제일잘전달되는금속을순서대로 5개적어라. 2. 열전달계수와전기전도도사이에상관관계가있는가? 있다면대략적으로어떤관계인가? 3. 굵은전선과가는전선중어떤것이납땜이잘되겠는가? 4. 저항단자는구리로만든다. 그런데회색으로보이는것은주석을코팅했기때문이다. 주석을코팅하는이유는무엇인가? 5. 거의모든금속은대기중에서산화되므로금속표면엔산화층이존재한다. 전선에산화층이있게되면납땜이불가능할수도있다. 이산화층을어떻게없앨수있겠는가? 6. 에나멜선이란무엇이고, 어떻게납땜해야하는가?
6. 실험결과및과제 6-1. 납땜연습 사진및설명 6-2. 문서용클립과브레드보드용전선과납땜 사진및설명 6-3. 에나멜선의납땜 두경우중어떤방식에서납땜이더잘되는가? 그리고그이유는? 6-4. 만능기판에 IC 소켓의납땜
사진및설명 6-5. 만능기판에서 IC 소켓의탈착 ( 땜납제거펌프사용 ) 사진및설명 6-6. 만능기판에서 IC 소켓의탈착 ( 구리심지사용 )
사진및설명 7. 과제 1. 에나멜선을납땜할때에나멜선을반드시제거해야하는이유는? 2. 전선이오래되면표면에산화물이잔뜩묻어있다. 이전선을어떻게납땜해야하는가? 3. 오차 1% 인 10 Ω 두저항을손으로꼬아연결했더니 25 Ω으로저항이측정되었다. 이저항을납땜하였더니 20 Ω으로측정되었다. 왜차이가났을까? 4. 트랜지스터가열에취약한이유는무엇인가?