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솔더링 101: II: 솔더링의 기적

Thursday, May 31, 2018

여러분,

불쌍한 왯츠, 아이스 맨, BC 3500년경. 그의 머리카락에서 구리 입자와 일부 구리 광석의 미량 원소인 비소가 발견되어 구리 제련에 관여된 것으로 여겨져요. 그는 비소에 천천히 중독되어쓸 뿐만 아니라 저의 지난 게시 글에서논의한 바와 같이 약 1085ºC (1985ºF)의 목재 화염 온도를 달성해야만 했던 구리를 제련해야만 했어요. 구리의 비소는 순수 구리의 경우 보다 약간 더 강하기 때문에 장점이 있었어요.

왯츠의 시대 직후, 금속 노동자들은 구리에 10% 주석을 첨가하면 청동이 생성된다는 것을 발견했어요. 청동은 현저하게 구리보다 단단할 뿐만 아니라 순수 구리보다 거의 100ºC 낮은 온도에서 녹아 금속 가공이 훨씬 쉬워지죠. 청동기 시대 가 시작되었어요. 이 시기는 학자들이 이집트와 그리스에서 처럼 근대 문명의 시작으로 인식할 수 있는 시기와 일치했어요.

낮은 온도에서 녹기 때문에 청동은 또한 금형을 더 충진해요. 이 개선된 금형 충진은 그림 1에서 분명히 나타나 있어요. 이것은 제가 만든 구리와 청동 손도끼 사진이에요. 왼쪽의 구리 손도끼는 불량한 금형 충진의 증거를 보여주죠.

그림 1. 론 박사가 다트머스 대학교 ENGS 3 과정에서 만든 만든 구리, 왼쪽, 및 청동 손도끼: 소재: 문명의 물질. 구리 도끼는 구리의 높은 용융 온도로 인해 금형 충진이 불량한 것을 나타내요.

제 생각에는 청동기 시대가 솔더링 개발과 관련이 있다는 것은 거의 확실해요. 첫 번째 솔더링의 증거는 논란의 여지는 있지만, 최초 문명인 수메르인이 고온 솔더로 그들의 검을 조립했던 약 BC 3000년 경이었어요. 대부분의 구리-구리 솔더링용 기저 금속이 주석이기 때문에 초기 금속 작업자들은 주석이 구리 또는 청동 조각의 제련보다 훨씬 낮은 온도에서 같이 사용하는 것을 거의 확실히 배웠어요.

2006 년 유럽 연합이 솔더에서 납에 대한 제한을 가할 때까지 대부분의 전자제품 솔더들은 주석-납 공정이었어요. 공정은 대략 "쉽게 녹는 것"으로 번역되는 그리스어에요. 그림 2는 주석-납 상태도 나타내요. 주석의 용융점은 232ºC이고 납의 용융점은 327ºC이지만 공정점 농도는 주석 63 %/납 37 %, 용융 온도는 183ºC로 떨어지죠. 이 농도와 온도는 공정점으로 알려져 있어요.

그림 2. 주석-납 상 도면. 공정점이 183ºC 인 것을 주목하세요.

EU의 납 성분 제한이 발효된 후 대부분의 전자 제품 솔더는 217-225ºC 범위에서 녹는 주석 -은 - 구리 합금 기저에요. 이들 합금 중 가장 흔한 것은 SAC305에요 (Sn_96.5Ag_3.0Cu_0.5, 숫자들은 중량 백분율임)

공정점은 낮은 용융점으로 인해 흥미롭고 일반적으로 유익한 현상이지만, 진정한 솔더링의 기적은 1085ºC에서 녹는 두 개의 구리 조각이 232ºC 미만의 온도에서 주석 기반 솔더와 함께 접합될 수 있다는 것이죠. 이 장점의 가치는 과장된 상태일 수 없어요. 자연은 전기 절연성이 있는 고분자 물질이 존재하는 환경에서 이 접합을 할 수 있을 만큼 충분히 낮은 온도에서 두 조각의 구리를 기계적으로 그리고 전기적으로 결합시키는 것을 우리에게 가능하게 해 주었죠. 솔더의 이러한 특징이 없었다면 우리에게 전자 산업은 없었을 거에요! 부가적인 이점은 접합이 재 작업 가능하므로 부품이 고장 나면 전체 전자 인쇄 회로 기판을 폐기하지 않고도 교체할 수 있다는 것이에요.

이 접합 발생 방법에 대해 질문하는 것은 자연스러운 것이에요. 솔더에 있는 주석은 구리와 함께 금속간 화합물을 형성해요. 일반적으로 Cu₆Sn₅는 주석 근처에서 형성되고 Cu₃Sn은 구리 근처에서 형성되요. 그림 3을 참조하세요.