전자 제조 업계에서 20년 동안 일해 오면서, 불활성 분위기 납땜 공정에서 질소를 사용하는 것에 대해 수많은 주장을 들어왔는데, 그중 상당수는 완전히 틀린 내용입니다. 이번 논의에서는 밀폐형 오븐에서의 리플로우 공정을 예로 들겠지만, 이러한 논의의 상당 부분은 웨이브 납땜은 물론 진공 납땜에도 적용될 수 있습니다.
조립 엔지니어가 불활성 납땜에 질소를 사용하는 진짜 이유부터 살펴보겠습니다. 바로 질소가 뜨거운 금속 표면과 반응하여 납땜이 불가능한 막을 형성하지 않으면서도 시중에서 구할 수 있는 가장 저렴한 가스이기 때문입니다. 그게 전부입니다. 그게 전부입니다. 리플로우 공정에 질소를 사용하는 사람들은 질소가 어떤 놀라운 특성을 가지고 있어서가 아니라, 산소와 수분 함량이 낮고, 가열 과정에서 금속 표면의 산화를 방지하거나 늦출 수 있을 만큼 산소 농도를 충분히 낮게 희석(퍼지)할 수 있기 때문에 사용하는 것입니다.
불활성(비반응성) 가스를 사용하는 어떤 공정을 이해하려면, 우리가 가장 많이 접할 수 있는 가스인 공기의 성분을 이해해야 합니다. 공기는 약 78%가 질소, 20.9%가 산소, 0.9%가 아르곤으로 구성되어 있으며, 이 외에도 이산화탄소 등 소량의 다른 가스와 양이 변하는 수증기가 포함되어 있습니다. 수증기 함량은 최대 약 4%까지 올라갈 수 있으며, 물론 이 수준에서는 다른 가스의 농도를 (96/100)만큼 희석시키게 됩니다. 혹시 계산에 문제가 있다고 생각하실까 봐 미리 말씀드립니다. 산소 농도(20.9%)는 209,000ppm(백만 분의 일)에 해당합니다. ppm 단위는 백분율 수치가 낮은 경우 훨씬 더 유용한 측정 단위입니다. 예를 들어, 0.01%는 100ppm에 해당합니다. 또한 분수 단위(ppm 또는 %)는 부피 비율과 상관관계가 있으며, 이상 기체 방정식에 따르면 몰 백분율과도 상관관계가 있다는 점을 유의해야 합니다.
지금은 오해 중 절반을 다루고, 나머지 절반은 다음 시간에 다루겠습니다.
오해 1: “질소는 산화물을 제거한다”
사실: 리플로우 온도에서 사용되는 질소는 플럭스 작용(산화물 제거) 특성을 전혀 가지고 있지 않으며, 이 온도에서는 어떤 물질과도 화학적으로 반응하지 않습니다. 질소는 산화성 가스가 아니기 때문에 산화를 방지하거나 지연시키거나 (플럭스로 세정된 표면의 경우) 재산화를 방지합니다. 포밍 가스(수소와 질소의 혼합물)는 상황이 매우 다르며, 이에 대해서는 다음 글에서 다루겠습니다.
오해 2: “질소는 열전달을 향상시킨다”
사실: 이는 납땜 공정에 실질적인 열적 영향을 미치지 않습니다. 동일한 압력과 온도 조건에서 기체 내의 열전달은 기체의 분자량에 의해서만 결정되며, 그 외의 요인은 전혀 영향을 미치지 않습니다. 질소의 분자량은 28이고 산소의 분자량은 32로 거의 동일하기 때문에, 층류이든 난류이든 상관없이 공기와 질소 간의 열전달 특성 차이는 미미합니다.
오해 3: “유입되는 질소의 산소 농도를 측정하면 오븐 내부의 산소 농도를 알 수 있다”
사실: 겉보기에는 완벽하게 밀폐되고 불활성 가스가 주입된 리플로우 오븐이라 하더라도, 실제로는 어느 정도 주변 공기가 질소와 혼합되고 있습니다. 이는 단순한 확산(공기 중 산소 분압과 오븐 내부 산소 분압의 차이에 의해 발생)을 통해서나, 개구부 근처에서 질소와 공기가 난류 혼합을 일으키면서 발생합니다. 실제 오븐에서 일어나는 현상은 위 그림에 나와 있습니다. 오븐에 낮은 유량의 질소를 주입하면 거의 또는 전혀 효과가 없습니다(a). 그 다음 더 많은 양을 주입하면 산소 농도가 감소하지만, 큰 변동이 나타납니다(b). 마지막으로 가능한 최저 산소 농도에 도달한 평형 상태(c)에 이르지만, 난류 혼합으로 인해 외부 공기의 산소가 여전히 유입되고 있습니다. 질소 유량을 증가시키면 단순히 난류를 증가시키는 것이며, 결과적으로 혼합 속도도 증가하게 됩니다.
오해 4: “순도가 높은 질소를 사용하면 더 좋은 결과를 얻을 수 있다”
사실: 표준 극저온 등급 질소에는 약 2~5ppm의 산소가 포함되어 있습니다. 밀폐가 잘 된 오븐을 퍼징하더라도 유입 가스와 정확히 동일한 수준까지 산소 농도를 낮출 수는 없습니다. 산소 농도가 10ppm이든 10ppt(조 분의 1)인 질소 공급원을 사용하더라도 아무런 차이를 느끼지 못할 것입니다. 위의 그림 (c)에서 볼 수 있듯이, 고순도 가스의 효과는 공기와 혼합됨으로써 완전히 상쇄됩니다.
오해 5: “질소는 모든 납땜 결함을 줄여준다”
사실: 질소는 일부 습윤 관련 결함을 개선하는 데 도움이 될 수 있으며, 종종 그저 그런(간신히 허용 가능한) 납땜 공정을 허용 가능한 수준으로 끌어올릴 수 있습니다. 또 다른 사실: 질소는 리드프레임이나 기타 표면으로의 습윤(“위킹”)을 통제할 수 없을 정도로 증가시킬 뿐만 아니라, 솔더 스패터를 유발하고 다이 기울어짐(전력 반도체 조립)이나 툼스톤 현상( SMT)을 초래할 수도 있습니다.
다음에 계속하겠습니다. 이 게시물의 2부는 여기에서 확인하실 수 있습니다 .
건배! Andy
