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납땜 (Brazing/Soldering)
젖음성·모세관 현상·FLUX·8종 경납과 진공 BRAZING
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납땜 vs 용접 — 본질적 차이
납땜은 모재를 녹이지 않고 모재보다 낮은 융점의 용가재(납재)를 이음부에 흘려 접합하는 방법입니다. 모재간 결합은 ① 원자간 인력 ② 성분 확산으로 이루어집니다.
| 구분 | 모재 융점 | 용가재 융점 | 결합 메커니즘 |
|---|---|---|---|
| 용접 | 녹임 | 모재와 유사 | 융합 |
| 경납(Brazing) | 안 녹임 | 450℃ 이상 | 모세관 + 확산 |
| 연납(Soldering) | 안 녹임 | 450℃ 미만 | 모세관 + 확산 |
450℃를 경계로 경납/연납을 구분하는 것이 AWS 정의입니다. 연납은 Sn-Pb 또는 Sn-Ag-Cu(SAC)을 사용하며 전자 산업의 주력 기술입니다.
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젖음성(Wettability) — 납땜 성공의 기본 조건
액체(용융 납재)가 고체 면에 달라붙는 정도. 액체-고체 부착장력이 액체 응집력보다 크면 잘 달라붙습니다. 접촉각 θ(theta)로 정량 평가:
| 접촉각 θ | 젖음성 | 납땜 적합성 |
|---|---|---|
| 0° | 완전 젖음 | 이상적 |
| θ < 30° | 양호 | 적합 |
| 30° ≤ θ < 90° | 보통 | 어려움 |
| θ ≥ 90° | 불량 | 불가 (수은 위 물방울처럼) |
모세관 현상(Capillary Action)
간극이 매우 좁으면 액체가 중력에 거슬러 빨려 들어갑니다. 납땜에서 양호한 모세관 작용을 얻기 위한 권장 클리어런스:
| 납재 | 권장 갭 (mm) |
|---|---|
| 은납 (BAg) | 0.05~0.13 |
| 동납 (BCu) | 0.0~0.05 (스미음) |
| 황동납 (RBCuZn) | 0.05~0.13 |
| 알루미늄납 (BAlSi) | 0.15~0.25 |
| 연납 (Sn-Pb) | 0.08~0.13 |
간극이 너무 좁으면 납재가 흐르지 못하고, 너무 넓으면 모세관 작용이 사라져 강도 저하.
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경납 8종 분류 — AWS A5.8 기준
| 분류 (AWS) | 주성분 | 융점 (℃) | 용도 |
|---|---|---|---|
| BCu (동납) | Cu ≥ 99% | 1,083 | 철강, Ni, Cu합금 — 좁은 틈 우수 |
| RBCuZn (황동납) | Cu-Zn (40~60%Zn) | 820~930 | 철강, Cu합금 — 저렴, Zn 증발 주의 |
| BAg (은납) | Ag-Cu-Zn (±Cd/Ni/Sn) | 600~840 | 철강, STS, Cu합금 — 유동성·강도 우수 |
| BCuP (인동납) | Cu-Ag-P (P 0.3~7%) | 645~825 | Cu 및 Cu합금 — Fe/Ni에는 부적합 |
| BNi (니켈납) | Ni-Cr-B-Si-P | 880~1,135 | STS, 내열강 — 진공/H₂ 분위기 |
| BAu (금납) | Au-Cu / Au-Ni | 890~1,020 | 반도체, 보석, 의료 |
| BCuZnNi (양은납) | Cu-Zn-Ni (Ag-Free) | 720~940 | 철강·황동·Ni합금 |
| BAlSi (알루미늄납) | Al-Si (4~13%Si) | 575~615 | AL 합금 — 모재 융점에 매우 근접·주의 |
핵심 선택 규칙:
- Fe 함유 모재: 인동납(BCuP) 사용 불가 — 취약한 인화철(Fe₃P) 형성
- STS·내열강: 은납 또는 니켈납
- AL 합금: 알루미늄납만 가능, 작업 윈도우 좁음 (모재 융점 660℃ vs 납재 615℃)
- 고온 + 진공: 니켈납 또는 금납
**왜 인동납은 Fe·Ni에 쓸 수 없나?** 인동납(BCuP)의 P(인)는 Cu와 동시에 자기탈산하므로 Cu 모재에서는 FLUX 불필요한 자가 플럭스 효과를 가집니다. **그러나 Fe·Ni 모재에서는 P가 Fe·Ni와 결합하여 인화철(Fe₃P)·인화니켈(Ni₃P) 같은 매우 취약한 화합물을 형성**합니다. 이는 이음부 충격에 의해 쉽게 균열을 일으킵니다. 비슷한 이유로 Sb(안티몬)을 함유한 연납도 Cu 도금재에 안 됩니다.
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FLUX의 역할과 구비 조건
납재가 흐르기 전 산화막을 제거하고 재산화를 방지하는 화학약품. 종류는 무기산·유기산·염류 등.
FLUX의 5대 기능
1. 산화막 용해·박리
2. 납재와 치환 (납재가 흐를 자리 확보)
3. 응고 후 산화 방지 피복
4. 모재 활성 유지
5. 납재의 유동성 향상
구비 조건
- 융점 = 납재 융점 − 50℃ (납재보다 먼저 녹아야 함)
- 부식성 강함 (산화 AL 등 안정 막도 용해)
- 용융 점도 낮음 (잘 흐름)
- 납재와 잘 치환됨
- 납땜 후 잔류물 제거 용이
대표 FLUX
| 납재 분류 | FLUX 주성분 |
|---|---|
| 은납·동납·황동납 | 붕사(Na₂B₄O₇), 붕산, KF |
| 알루미늄납 | KCl + LiCl + NaCl (염화물계, 부식성↑) |
| 연납 | 송진(Rosin) — 비활성, 활성, 강활성 |
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진공 Brazing (Vacuum Brazing) — 무 FLUX 첨단 기술
진공로(10⁻⁵ mbar) 또는 환원 분위기(H₂, Ar)에서 FLUX 없이 납땜하는 방법. 항공우주·반도체·열교환기에 사용.
| 항목 | 진공 Brazing | 대기 Brazing |
|---|---|---|
| FLUX | 불필요 | 필요 |
| 잔사 세정 | 불필요 | 필수 (염화물 잔존 시 부식) |
| 부식성 | 무 | FLUX 잔사 부식 |
| 작업 환경 | 양호 (염화/불화물 無) | 유해 가스 |
| 가공 정밀도 | ◎ (열변형 최소) | 中 |
| 기공 결함 | 무 (탈가스 작용) | 多 |
| 비용 | 高 (진공 장비) | 低 |
| 고증기압 원소 (Zn, Cd) | 증발 손실 → 강도↓ | 가능 |
진공 Brazing 단점
- 고가의 진공로
- Zn·Cd 등 증기압 높은 원소 증발 → 황동납·일부 은납 부적합
- AL의 Zn 희생양극 효과 손실로 내식성 저하
- 복사가열 방식이라 승온 시간 길어짐 (열효율↓)
주로 사용 납재: BAu(금납), BNi(니켈납), 무Zn BAg.
**3종 접착 메커니즘 — 야금학적 결합 유형** 1. **고용체형 접착**: 모재-납재가 전율 고용체 형성 (예: Ni을 동납으로). **이음 성질 우수**. 2. **공정형 접착**: 공정 반응으로 가늘고 긴 결정 상호 맞물림 (예: Cd을 Bi납). 보통 성질. 3. **금속간 화합물형 접착**: 양 금속간 화합물 사이에 두고 결합 (예: Ce-Cd). **취약한 이음** — 회피 권장. 납재 선정 시 이 접착 유형을 야금학적으로 검토해야 합니다.
1
이음 설계 — 모세관 갭 결정
LAP 이음을 우선 선택(BUTT는 강도 ↓). 모세관 갭을 납재별 권장값(0.05~0.13mm 보편)으로 설계. 이음 길이는 **모재 두께의 3배 이상** — 강도 확보.
2
표면 청정 + FLUX 도포
유분·산화막을 알코올/산세정으로 제거. FLUX를 페이스트 또는 액상으로 이음부와 납재에 도포. 진공 Brazing 시 FLUX 생략, 그러나 표면은 더 깨끗해야 함.
3
가열 — 균일 승온
토치(산소-아세틸렌, 약 환원 불꽃), 유도가열, 진공로 등으로 균일 가열. **납재 융점 + 30~50℃**까지 도달. 모재가 균일 가열되도록 회전·이동. 부분 가열 시 모세관 작용 불완전.
4
냉각 + 잔류 FLUX 제거
서냉으로 잔류응력 최소화. 응고 후 잔류 FLUX는 **열수·증기 세정**으로 완전 제거 — 잔존 시 모재 부식 유발(특히 염화물계). 진공 Brazing은 세정 불필요.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
AWS 정의에서 경납(Brazing)과 연납(Soldering)을 구분하는 용가재 융점 기준은?