융제

융제(融剤) 또는 플럭스(flux)는 금속공학에서 화학적 환원제, 유동제 또는 정제제이다. 융제는 동시에 여러 기능을 가질 수 있다. 융제는 추출 야금과 금속 접합에 모두 사용된다. 융제는 제련 중에 녹은 금속을 더 쉽게 흐르게 하는 능력 때문에 이름이 붙었다.

알려진 가장 초기 융제 중 일부는 탄산 나트륨, 포타시, 숯, 코크스, 붕사, 석회, 황화 납(II) 및 특정 인 함유 광물이었다. 철광석은 구리 제련 시 융제로도 사용되었다. 이러한 물질들은 다양한 기능을 수행했는데, 가장 단순한 기능은 환원제로서 용융 금속 표면에 산화물이 형성되는 것을 방지하는 것이었고, 다른 물질들은 불순물을 슬래그에 흡수시켜 용융 금속에서 긁어낼 수 있도록 했다.

융제는 주조장에서도 알루미늄과 같은 비철금속에서 불순물을 제거하거나 타이타늄과 같은 바람직한 미량 원소를 추가하는 데 사용된다.

환원제로서 융제는 접합할 금속의 산화를 제거하여 납땜, 경납땜 및 용접을 용이하게 한다. 일부 응용 분야에서는 용융 융제가 열 전달 매개체 역할도 하여 납땜 도구에 의한 조인트 가열을 용이하게 한다.

 용도 
 금속 접합 
고온 금속 접합 공정(용접, 경납땜 및 납땜)에서 융제는 상온에서는 거의 비활성이지만, 고온에서는 강력한 환원 특성을 띠어 모재 및 필러 재료의 산화를 방지한다. 융제의 역할은 일반적으로 두 가지이다. 금속 표면에 이미 존재하는 산화물을 용해하여 용융 금속의 젖음을 용이하게 하고, 뜨거운 표면을 코팅하여 산소를 차단함으로써 산화를 방지하는 것이다.

예를 들어, 주석-납 땜납은 구리 금속에는 매우 잘 부착되지만, 납땜 온도에서 빠르게 형성되는 산화물에는 잘 부착되지 않는다. 금속 산화물의 형성을 방지함으로써 융제는 땜납이 산화된 표면에서 구슬처럼 뭉치는 대신 깨끗한 금속 표면에 접착되도록 한다.
 납땜 
금속 납땜에서 융제는 세 가지 목적을 달성한다. 납땜할 표면에서 산화된 금속을 제거하고, 공기를 차단하여 추가 산화를 방지하며, 액체 땜납의 젖음 특성을 개선한다. 일부 융제는 부식성이 있으므로, 손상을 방지하기 위해 납땜 후 젖은 스펀지나 다른 흡수성 재료로 부품을 닦아내야 한다. 전자 제품에는 여러 종류의 융제가 사용된다.

다양한 융제 유형을 정의하는 여러 표준이 존재한다. 주요 표준은 J-STD-004이다.

ROSE 테스트를 포함한 다양한 테스트는 납땜 후 단락 또는 기타 문제를 일으킬 수 있는 이온성 또는 기타 오염 물질의 존재를 확인하는 데 사용될 수 있다.

 경납땜 및 은 납땜 
경납땜(때때로 은 납땜 또는 하드 납땜으로 알려짐)은 연성 납땜보다 높은 온도(> 450 °C)를 필요로 한다. 기존 산화물을 제거하는 것 외에도 고온에서 금속의 빠른 산화를 피해야 한다. 이는 융제가 더 공격적이어야 하고 물리적 장벽을 제공해야 함을 의미한다. 전통적으로 붕사는 경납땜용 융제로 사용되었지만, 지금은 플루오린화물과 같은 활성 화학 물질과 계면활성제를 사용하는 다양한 융제가 많이 있다. 이러한 화학 물질 중 다수는 독성이 있으므로 사용 시 주의를 기울여야 한다.

 제련 
제련 과정에서 무기 염화물, 플루오린화물(형석 참조), 석회암 및 기타 물질은 인과 같은 화학적 불순물을 제거하고 제련 온도에서 슬래그를 더 액체 상태로 만들기 위해 용광로나 큐폴라로의 내용물에 첨가될 때 "융제"로 지정된다. 슬래그는 재, 융제 및 기타 불순물의 액체 혼합물이다. 제련에서 슬래그의 흐름을 증가시키는 온도에 따른 슬래그 점성도 감소가 금속학에서 융제라는 단어의 기원이다.

철 및 강철 용광로에서 가장 일반적으로 사용되는 융제는 석회암이며, 철 및 연료와 적절한 비율로 장전된다.

 단점 
융제에는 몇 가지 심각한 단점이 있다.
 부식성: 이는 주로 활성제의 공격적인 화합물 때문이다. 융제 잔여물의 흡습성 특성이 영향을 악화시킬 수 있다.
 테스트 장비 간섭: 전자 회로 기판의 테스트 접점에 침착된 절연 잔여물 때문이다.
 머신 비전 시스템 간섭: 융제 층이나 그 잔여물이 너무 두껍거나 부적절한 위치에 있을 때 발생한다.
 민감한 부품 오염: 예를 들어, 레이저 다이오드의 면, 커넥터 및 기계식 스위치의 접점, MEMS 어셈블리 등이다.
 인쇄 회로 기판의 전기적 특성 저하: 납땜 온도가 기판 재료의 유리 전이 온도 이상이며 융제 구성 요소(예: 글리콜, 염화물 및 브롬화물 이온)가 매트릭스 내부로 확산될 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌 글라이콜을 함유한 수용성 융제는 이러한 영향을 미 미치는 것으로 입증되었다.
 융제 잔여물로 인한 고주파 회로 성능 저하
 표면 절연 저항 저하: 재료의 벌크 저항보다 최대 3배 정도 낮아지는 경향이 있다.
 이온 잔여물, 표면 수분 및 바이어스 전압에 의해 촉진되는 인접 트레이스 간의 일렉트로마이그레이션 및 휘스커 성장
 납땜 시 방출되는 연기는 건강에 해로운 영향을 미치며, 휘발성 유기 화합물은 공정 중에 배출될 수 있다.
 납땜 후 기판 세척에 필요한 용제는 비싸고 환경에 해로운 영향을 미칠 수 있다.

특별한 경우, 이러한 단점이 너무 심각하여 융제 없는 기술을 사용하는 것이 정당화된다.

 위험성 
산성 융제(전자 제품에는 사용되지 않음)에는 염산, 염화 아연 또는 염화 암모늄이 포함될 수 있으며, 이는 사람에게 해롭다. 따라서 융제는 장갑과 보안경을 착용하고 충분한 환기가 되는 곳에서 취급해야 한다.

납땜 시 방출되는 송진 연기에 장기간 노출되면 민감한 사람에게 직업성 천식(이전에는 콜로포니 질환으로 불림)을 유발할 수 있지만, 연기 중 어떤 성분이 문제를 일으키는지는 알려져 있지 않다.Controlling health risks from rosin (colophony) based solder fluxes, IND(G)249L, United Kingdom Health and Safety Executive, 1997 (online PDF) 

녹은 땜납은 유기 재료에 잘 부착되지 않는 경향이 있지만, 녹은 융제, 특히 수지/송진 유형은 손가락에 잘 부착된다. 뜨거운 끈적이는 융제 덩어리는 피부에 더 많은 열을 전달하여 빠르게 털어낼 수 있는 달라붙지 않는 녹은 금속 입자보다 더 심각한 화상을 유발할 수 있다. 이 점에서 녹은 융제는 녹은 글루건과 유사하다.

 융제 없는 기술 
어떤 경우에는 융제의 존재가 바람직하지 않다. 융제 흔적은 예를 들어 정밀 광학이나 MEMS 어셈블리에 간섭을 일으킨다. 융제 잔여물은 또한 진공 및 우주 응용 분야에서 아웃개싱되는 경향이 있으며, 물, 이온 및 유기 화합물의 흔적은 비밀봉 패키지의 장기 신뢰성에 악영향을 미칠 수 있다. 또한 갇힌 융제 잔여물은 조인트에서 대부분의 보이드(void)의 원인이 된다. 따라서 융제 없는 기술이 바람직하다.

성공적인 납땜 및 경납땜을 위해서는 재료 표면과 필러 금속 예비 성형품 표면 모두에서 산화물 층을 제거해야 한다. 또한 노출된 표면은 가열 중 산화로부터 보호되어야 한다. 융제 코팅된 예비 성형품은 납땜 공정에서 융제 잔여물을 완전히 제거하는 데에도 사용될 수 있다.

표면을 추가 산화로부터 보호하는 것은 진공 또는 불활성 분위기를 사용하여 비교적 간단하다. 천연 산화물 층을 제거하는 것은 더 번거롭다. 물리적 또는 화학적 세척 방법을 사용해야 하며, 표면은 예를 들어 금 도금으로 보호할 수 있다. 금 층은 합리적인 보관 기간 동안 보호를 제공하기에 충분히 두껍고 비다공성이어야 한다. 두꺼운 금속화는 또한 납 기반 땜납이 금을 용해하고 취성이 있는 금속간 화합물을 형성하여 조인트가 취성화될 수 있으므로 납땜 합금의 선택을 제한한다. 두꺼운 금 코팅은 일반적으로 인듐 기반 땜납 및 금 함량이 높은 땜납에만 사용이 제한된다.

납땜 프리폼에서 산화물을 제거하는 것도 어렵다. 다행히 일부 합금은 융점보다 몇 도 높은 과열 상태에서 자체 산화물을 녹여낼 수 있다. Sn-Cu1 및 Sn-Ag4는 18-19°C의 과열이 필요하고, Sn-Sb5는 10°C 정도의 낮은 과열만 필요하지만, Sn-Pb37 합금은 표면 산화물을 용해시키기 위해 융점보다 77°C 높은 온도가 필요하다. 자가 용해된 산화물은 땜납의 특성을 저하시키고 용융 상태에서 점도를 증가시키므로 이 방법은 최적이 아니다.

땜납 프리폼은 산화물 형성량을 제한하므로 부피-표면적 비율이 높은 것이 좋다. 페이스트는 매끄러운 구형 입자를 포함해야 하며, 프리폼은 이상적으로는 둥근 와이어로 만들어진다. 프리폼의 문제는 예를 들어 화학적 또는 전기화학적 방법으로 땜납 합금을 부품이나 기판 표면에 직접 증착함으로써 회피할 수 있다.

화학적으로 환원성이 있는 보호 분위기는 어떤 경우에 유익할 수 있다. 분자 수소는 430°C 및 470°C 이상의 온도에서 주석 및 인듐의 표면 산화물을 환원시키는 데 사용될 수 있다. 아연의 경우 500°C 이상이며, 이 온도에서는 아연이 이미 휘발되고 있다. (더 낮은 온도에서는 반응 속도가 실제 응용 분야에 비해 너무 느리다.) 반응이 진행되려면 매우 낮은 산소 및 수증기 부분압을 달성해야 한다.

다른 반응성 분위기도 사용된다. 폼산과 아세트산 증기가 가장 일반적으로 사용된다. 일산화 탄소와 할로젠 가스(예: 테트라플루오린화 탄소, 육플루오린화 황 또는 다이클로로다이플루오로메테인)는 효과를 보려면 몇 분 동안 상당히 높은 온도를 필요로 한다.

원자 수소는 분자 수소보다 훨씬 반응성이 높다. 표면 산화물과 접촉하면 수산화물, 물 또는 수소화된 복합체를 형성하며, 이들은 납땜 온도에서 휘발성이다. 실용적인 해리 방법은 방전이다. 수소 농도가 낮은 가연성 한계 미만인 아르곤-수소 가스 조성물을 사용하여 안전 문제를 제거할 수 있다. 대기압에서 원자 수소의 안정성이 불충분하므로 저압에서 작동해야 한다. 이러한 수소 플라즈마는 융제 없는 리플로우 납땜에 사용될 수 있다.

활성 분위기는 노 경납땜에서 비교적 흔하다. 높은 공정 온도 때문에 반응이 상당히 빠르다. 활성 성분은 일반적으로 일산화탄소(연소된 연료 가스 형태일 수 있음)와 수소이다. 암모니아의 열 해리는 값싼 수소와 질소 혼합물을 생성한다.

원자 입자 빔으로 충격하면 분당 수십 나노미터의 속도로 표면층을 제거할 수 있다. 플라즈마에 수소를 추가하면 화학적 메커니즘을 통해 제거 효율이 증가한다.

산화물 층을 파괴하는 또 다른 방법은 기계적 교반이다. 초음파는 주석 도금 및 납땜을 돕는 데 사용될 수 있다. 초음파 변환기는 납땜 인두에, 땜납조에, 또는 웨이브 납땜을 위한 파동에 장착될 수 있다. 산화물 파괴 및 제거는 용융 땜납과 모재 표면 사이의 공동현상 효과를 포함한다. 초음파 융제의 일반적인 응용 분야는 수동 부품의 주석 도금이다(능동 부품은 관련된 기계적 스트레스를 잘 견디지 못한다). 알루미늄도 이런 방식으로 주석 도금될 수 있다. 그런 다음 부품은 기존 방식으로 납땜 또는 경납땜될 수 있다.

가열된 표면을 용융 땜납으로 기계적으로 문질러 표면을 코팅할 수 있다. 접합할 두 표면 모두 이런 방식으로 준비한 다음 함께 놓고 다시 가열할 수 있다. 이 기술은 이전에 알루미늄 항공기 외피의 작은 손상을 수리하는 데 사용되었다.

매우 얇은 아연층을 사용하여 알루미늄 부품을 접합할 수 있다. 필러 금속의 부피가 작기 때문에 부품은 완벽하게 가공되거나 함께 압착되어야 한다. 오랜 시간 동안 고온을 가하면 아연이 조인트에서 확산된다. 결과로 얻은 조인트는 기계적 약점을 나타내지 않으며 부식에 강하다. 이 기술은 확산 납땜으로 알려져 있다.

구리 합금의 융제 없는 경납땜은 자가융제 필러 금속으로 할 수 있다. 이러한 금속은 산소와 반응할 수 있는 원소, 일반적으로 인을 포함한다. 좋은 예는 구리-인 합금 계열이다.

 특성 
융제는 몇 가지 중요한 특성을 가지고 있다.
 활성 – 금속 표면의 기존 산화물을 용해하고 땜납으로 젖음을 촉진하는 능력. 고활성 융제는 종종 산성이거나 부식성이 있다.
 부식성 – 융제 및 그 잔여물에 의한 부식 촉진. 대부분의 활성 융제는 상온에서 부식성이 있으므로 조심스럽게 제거해야 한다. 활성도와 부식성은 관련되어 있으므로, 접합할 표면의 준비는 더 약한 융제를 사용할 수 있도록 해야 한다. 일부 수용성 융제 잔여물은 흡습성이 있어 전기 저항에 문제를 일으키고 부식에 기여한다. 할로젠화물 및 무기산을 함유한 융제는 부식성이 매우 높으므로 철저히 제거해야 한다. 특히 붕사를 기반으로 하는 경납땜용 일부 융제는 매우 단단한 유리 같은 코팅을 형성하여 제거하기 어렵다.
 세척성 – 납땜 작업 후 융제 및 그 잔여물을 제거하는 어려움. 고형분 함량이 높은 융제는 더 많은 잔여물을 남기는 경향이 있다. 일부 운반체의 열분해는 또한 제거하기 어려운 중합되고 심지어 탄화된 침전물(특히 수동 납땜의 문제)을 형성한다. 일부 융제 잔여물은 유기 용제에 용해되고, 다른 것들은 물에 용해되며, 일부는 둘 다에 용해된다. 일부 융제는 휘발성이 충분하거나 휘발성 생성물로 열분해되어 세척 단계가 필요하지 않으므로 무세척(no-clean) 융제이다. 다른 융제는 비부식성 잔여물을 남겨둘 수 있다. 그러나 융제 잔여물은 후속 작업에 방해가 될 수 있다. 도형 코팅의 접착력을 손상시키거나 테스트 장비의 커넥터 및 접촉 패드에 원치 않는 절연체 역할을 할 수 있다.
 잔여물 점착성 – 융제 잔여물 표면의 끈적임. 제거하지 않으면 융제 잔여물은 매끄럽고 단단한 표면을 가져야 한다. 끈적이는 표면은 먼지와 미립자를 축적하는 경향이 있으며, 이는 전기 저항 문제를 일으킨다. 입자 자체는 전도성이거나 흡습성이거나 부식성일 수 있다.
 휘발성 – 이 특성은 예열 단계에서 용제가 쉽게 제거되도록 하면서도 공정 장비에서 용제를 너무 자주 보충할 필요가 없도록 균형을 맞춰야 한다.
 점성도 – 특히 솔더 페이스트의 경우 중요하다. 솔더 페이스트는 적용하기 쉽지만 원치 않는 위치로 퍼지지 않도록 충분히 두꺼워야 한다. 솔더 페이스트는 납땜 전후에 전자 부품을 제자리에 고정하는 임시 접착제 역할도 할 수 있다. 예를 들어 폼으로 적용되는 융제는 낮은 점도를 필요로 한다.
 가연성 – 특히 글리콜 기반 운반체 및 유기 용제와 관련이 있다. 융제 증기는 자연발화온도가 낮아 융제가 뜨거운 표면과 접촉할 때 섬광 화재의 위험이 있다.
 고형분 – 융제 내 고형 물질의 백분율. 고형분이 적은 융제(때로는 1-2%에 불과함)를 저고형분 융제, 저잔여 융제 또는 무세척 융제라고 한다. 이들은 종종 약한 유기산과 소량의 송진 또는 기타 나뭇진으로 구성된다.
 전도성 – 일부 융제는 적절하게 세척되지 않으면 납땜 후에도 전도성을 유지하여 높은 임피던스 회로에서 무작위 오작동을 유발할 수 있다. 다양한 유형의 융제는 이러한 문제를 유발할 가능성이 다르다.

 조성 
 금속 접합용 융제 
융제의 구성은 필요한 특성(모재 및 표면 처리(표면 산화물의 구성 및 두께를 결정), 땜납(젖음 특성 및 납땜 온도를 결정), 부식 저항성 및 제거 용이성 등)에 맞게 조정된다.

연성 납땜용 융제는 일반적으로 유기성 물질이지만, 무기 융제(주로 할로젠화물 또는 산 기반)도 비전자 응용 분야에 사용된다. 경납땜용 융제는 훨씬 더 높은 온도에서 작동하므로 대부분 무기성이다. 유기 화합물은 보조적인 성격(예: 저온에서 융제를 끈적하게 만들어 쉽게 적용할 수 있도록 함)을 띠는 경향이 있다.

주석 기반 땜납의 표면은 주로 주석 산화물로 코팅되어 있다. 합금에서도 표면층은 주석이 상대적으로 풍부해지는 경향이 있다. 인듐 및 아연 기반 땜납용 융제는 다른 납땜 온도와 관련된 산화물의 다른 화학적 특성 때문에 일반적인 주석-납 및 주석 기반 땜납용 융제와 다른 조성을 갖는다.

유기 융제는 화염 납땜 및 화염 경납땜에는 부적합하다. 유기 융제는 탄화되어 땜납 흐름을 방해하는 경향이 있기 때문이다.

일부 금속은 공기 중에서 "납땜 불가능"으로 분류되며, 납땜 전에 다른 금속으로 코팅하거나 특수 융제 또는 보호 분위기를 사용해야 한다. 이러한 금속으로는 베릴륨, 크로뮴, 마그네슘, 타이타늄 및 일부 알루미늄 합금이 있다.

고온 납땜용 융제는 저온에서 사용되는 융제와 다르다. 고온에서는 비교적 약한 화학 물질도 충분한 산화물 파괴 활성을 가지지만, 금속 산화 속도가 상당히 높아진다. 따라서 운반체의 장벽 기능이 융제 활성보다 더 중요해진다. 고분자량 탄화수소가 이 응용 분야에 자주 사용되며, 일반적으로 예열 단계에서 비등하는 저분자량 희석제가 적용을 돕기 위해 사용된다.

일반적인 융제로는 구리 및 주석 납땜용 염화 암모늄 또는 레진산(송진에 포함됨), 아연 표면을 아연 도금한 철 (및 기타 아연 표면) 납땜용 염산 및 염화 아연, 경납땜, 철 금속 용접 및 단조 용접용 붕사가 있다.

 유기 융제 
유기 융제는 일반적으로 네 가지 주요 구성 요소로 구성된다.
 활성제 – 금속 산화물을 파괴/용해하는 화학 물질. 이들의 역할은 산화되지 않은, 쉽게 젖는 금속 표면을 노출시키고, 예를 들어 모재와의 교환 반응을 통해 납땜을 돕는 것이다.
 고활성 융제는 상온에서 부식성인 화학 물질을 포함한다. 사용되는 화합물로는 금속 할로젠화물(대부분 염화 아연 또는 염화 암모늄), 염산, 인산, 시트르산 및 브롬화 수소산이 있다. 무기산의 아민 염도 공격적인 활성제로 사용된다. 공격적인 융제는 일반적으로 부식을 촉진하고, 조심스러운 제거가 필요하며, 정교한 작업에는 부적합하다. 알루미늄 납땜 및 경납땜용 융제의 활성제는 종종 플루오린화물을 포함한다.
 더 약한 활성제는 고온에서만 산화물과 반응하기 시작한다. 사용되는 일반적인 화합물은 카복실산(예: 지방산(대부분 올레산 및 스테아르산), 다이카복실산)이며 때때로 아미노산도 사용된다. 일부 약한 융제는 또한 할로젠화물 또는 유기 할로젠화물을 포함한다.
 운반체 – 비휘발성 액체 또는 적절한 융점을 가진 고체 형태의 고온 내성 화학 물질. 이들은 일반적으로 납땜 온도에서 액체이다. 이들의 역할은 뜨거운 금속 표면을 산화로부터 보호하는 산소 장벽 역할을 하고, 활성제와 산화물의 반응 생성물을 용해하여 금속 표면에서 제거하며, 열 전달을 용이하게 하는 것이다. 고체 운반체는 주로 천연 또는 변형된 송진(대부분 아비에트산, 피마르산 및 기타 레진산) 또는 천연 또는 합성 나뭇진을 기반으로 한다. 수용성 유기 융제는 고비점 폴리올(글라이콜, 다이에틸렌 글라이콜 및 고폴리글라이콜, 폴리글라이콜 기반 계면활성제 및 글리세롤)을 기반으로 하는 운반체를 포함하는 경향이 있다.
 용제 – 접합부로의 처리 및 증착을 용이하게 하기 위해 첨가된다. 용제는 일반적으로 납땜 작업 전 예열 단계에서 건조된다. 불완전한 용제 제거는 솔더 페이스트 입자 또는 용융 땜납의 비등 및 비산을 초래할 수 있다.
 첨가제 – 융제 특성을 변형시키는 수많은 다른 화학 물질. 첨가제는 계면활성제(특히 비이온성), 부식 억제제, 안정제, 항산화 물질, 점착제, 농후제 및 기타 유변학적 변형제(특히 솔더 페이스트용), 가소제(특히 플럭스 코어 땜납용) 및 염료가 될 수 있다.

 무기 융제 
무기 융제는 유기 융제와 동일한 역할을 하는 성분을 포함한다. 이들은 유기 융제가 충분한 열 안정성을 가지지 못하는 경납땜 및 기타 고온 응용 분야에서 더 자주 사용된다. 사용되는 화학 물질은 종종 운반체와 활성제로 동시에 작용하며, 일반적인 예로는 붕사, 붕산염, 플루오로붕산염, 플루오린화물 및 염화 이온이 있다. 할로겐화물은 붕산염보다 낮은 온도에서 활성을 나타내므로 알루미늄 및 마그네슘 합금의 경납땜에 사용되지만, 부식성이 매우 높다.

 활성제의 작용 
활성제의 역할은 주로 금속 표면(및 용융 땜납)의 산화물 층을 파괴하고 제거하여 용융 땜납과 금속 사이의 직접적인 접촉을 용이하게 하는 것이다. 반응 생성물은 일반적으로 용융 운반체에 용해되거나 적어도 분산될 수 있다. 활성제는 일반적으로 산이거나, 고온에서 산을 방출하는 화합물이다.

일반적인 산화물 제거 반응은 다음과 같다.
금속 산화물 + 산 → 염 + 물
염은 이온성이며 금속 침출 또는 덴드라이트 성장으로 인한 문제를 일으켜 제품 고장을 유발할 수 있다. 일부 경우, 특히 고신뢰성 응용 분야에서는 융제 잔여물을 제거해야 한다.

활성제의 활성도는 일반적으로 온도가 증가함에 따라 증가하며, 열분해 또는 과도한 휘발로 인해 활성이 멈추는 특정 값까지 증가한다. 그러나 금속의 산화 속도도 온도에 따라 증가한다.

고온에서 구리 산화물은 염화 수소와 반응하여 수용성 및 기계적으로 약한 염화 구리를 형성하며, 송진과 반응하여 용융 송진에 용해되는 구리 및 아비에트산 염을 형성한다.

일부 활성제는 또한 금속 이온을 포함할 수 있으며, 이는 아래 금속과의 교환 반응이 가능하다. 이러한 융제는 노출된 모재에 더 쉽게 납땜할 수 있는 금속의 얇은 층을 화학적으로 증착하여 납땜을 돕는다. 한 예로는 아연, 주석 또는 카드뮴 화합물, 일반적으로 염화물, 때로는 플루오린화물 또는 플루오로붕산염을 포함하는 융제 그룹이 있다.

 무기 활성제 

일반적인 고활성 활성제는 무기산이며, 종종 할로젠화물, 아민, 물 또는 알코올과 함께 사용된다.
 염산, 가장 일반적임
 인산, 덜 일반적이며 고온에서 중합으로 인해 사용이 제한됨

무기산은 상온에서도 금속에 매우 부식성이 있어 보관, 취급 및 적용 시 문제가 발생한다. 납땜은 고온을 포함하므로, 산을 생성물로 하여 분해되거나 반응하는 화합물이 자주 사용된다.
 염화 아연, 고온에서 수분과 반응하여 염화 옥시염화물 및 염산을 형성함
 염화 암모늄, 암모니아 및 염산으로 열분해됨
 아민 염산염, 아민 및 염산으로 분해됨

 송진 융제 
나뭇진 융제 및 송진 융제라는 용어는 모호하며 다소 상호 교환적으로 사용되며, 공급업체마다 다른 할당 방식을 사용한다. 일반적으로 융제는 주로 천연 송진을 기반으로 하는 경우 송진으로 분류된다. 일부 제조업체는 송진 기반 군용 융제(R, RMA 및 RA 조성)에 "송진" 명칭을 지정하고 다른 융제는 "나뭇진"으로 분류한다.

송진은 좋은 융제 특성을 가지고 있다. 유기산(주로 아비에트산과 피마르산, 아이소피마르산, 네오아비에트산, 다이하이드로아비에트산, 다이하이드로아비에트산)의 혼합물인 송진은 유리질 고체로, 정상 온도에서는 거의 비활성이며 비부식성이지만, 용융 상태에서는 액체이고 이온성이며 금속 산화물에 약하게 반응한다. 송진은 60-70°C 사이에서 연화되는 경향이 있으며 약 120°C에서 완전히 유동성이 있다. 용융된 송진은 약산성이며 추가 첨가제 없이 구리 표면에서 얇은 산화물 층을 용해할 수 있다. 더 심한 표면 오염이나 공정 속도 향상을 위해서는 추가 활성제를 첨가할 수 있다.

송진에는 몇 가지 가능한 활성제 그룹이 있다.
 할로젠화물 활성제 (유기 할로젠화물 염, 예: 염화 다이메틸암모늄 및 염화 다이에틸암모늄)
 유기산 (모노카복실산, 예: 폼산, 아세트산, 프로피온산, 그리고 다이카복실산, 예: 옥살산, 말론산, 세바크산)

송진에는 세 가지 종류가 있다. 소나무 올레오레진에서 얻는 검 송진, 나무 그루터기 추출로 얻는 우드 송진, 크라프트지 공정의 부산물인 탈유에서 얻는 탈유 송진이다. 검 송진은 우드 송진보다 향이 부드럽고 용액에서 결정화되는 경향이 낮아 융제 용도로 선호된다. 탈유 송진은 열 안정성이 높고 불용성 열분해 잔여물을 형성하는 경향이 낮아 사용이 증가하고 있다. 송진의 조성과 품질은 나무 종류뿐만 아니라 지역 및 심지어 연도에 따라 다르다. 유럽에서는 융제용 송진이 주로 특정 종류의 포르투갈 소나무에서 얻어지며, 미국에서는 노스캐롤라이나 변종이 사용된다.

천연 송진은 그대로 사용하거나 에스터화, 중합, 수소화 등 화학적으로 변형할 수 있다. 변형되는 특성은 열 안정성 증가, 세척성 향상, 용액 점성도 변경, 더 단단한 잔여물(또는 반대로 더 부드럽고 끈적한 잔여물) 등이다. 송진은 또한 에톡실화된 송진 아민, 폴리글리콜과 아민의 부가생성물을 형성함으로써 수용성 송진 융제로 전환될 수도 있다.

초기 융제 중 하나는 같은 양의 송진과 바세린을 혼합한 것이었다. 더 강력한 초기 조성은 포화 염화 아연 용액, 알코올, 글리세롤의 혼합물이었다.

융제는 또한 합성 나뭇진, 종종 폴리올과 지방산의 에스터를 기반으로 하여 제조될 수 있다. 이러한 나뭇진은 연기 냄새가 개선되고 잔여물 점착성이 낮지만, 융제 활성도와 용해도는 천연 나뭇진보다 낮은 경향이 있다.

 송진 융제 등급 

송진 융제는 활성 등급에 따라 분류된다. L은 낮음, M은 중간, H는 높음을 나타낸다. 다른 송진 융제 등급에 대한 약어도 있다.
 R (Rosin) – 순수 송진, 활성제 없음, 낮은 활성, 가장 약함
 WW (water-white) – 가장 순수한 송진 등급, 활성제 없음, 낮은 활성, 때때로 R과 동의어
 RMA (rosin mildly activated) - 약한 활성제를 포함하며, 일반적으로 할로젠화물은 없음
 RA (rosin activated) – 강한 활성제를 포함한 송진, 높은 활성, 할로젠화물을 포함함
 OA (organic acid) – 유기산으로 활성화된 송진, 높은 활성, 부식성이 매우 높음, 수성 세척
 SA (synthetically activated) – 강한 합성 활성제를 포함한 송진, 높은 활성, 유기 용제(염화 플루오린화 탄소, 알코올)에 쉽게 용해되도록 조제되어 세척 용이
 WS (water-soluble) – 일반적으로 무기 또는 유기 할로젠화물 기반, 부식성 잔여물이 매우 높음
 SRA (superactivated rosin) – 매우 강한 활성제를 포함한 송진, 매우 높은 활성
 IA (inorganic acid) – 무기산(주로 염산 또는 인산)으로 활성화된 송진, 최고의 활성, 부식성이 매우 높음

R, WW, RMA 등급은 쉽게 세척할 수 없거나 부식 위험이 너무 높은 접합부에 사용된다. 더 활성적인 등급은 잔여물을 철저히 세척해야 한다. 부적절한 세척은 융제 잔여물에서 갇힌 활성제를 방출하여 부식을 악화시킬 수 있다.

 특수 융제 
 특정 금속 납땜용 융제 
일부 재료는 납땜하기가 매우 어렵다. 어떤 경우에는 특수 융제를 사용해야 한다.
 알루미늄 및 그 합금 
알루미늄 및 그 합금은 산화 알루미늄의 부동태 층 형성으로 인해 납땜하기 어렵다. 융제는 이 층을 파괴하고 땜납으로 젖음을 용이하게 할 수 있어야 한다. 일부 금속의 염 또는 유기 복합체를 사용할 수 있다. 이 염은 산화물 층의 균열을 통과할 수 있어야 한다. 알루미늄보다 귀금속인 금속 이온은 산화·환원 반응을 거쳐 알루미늄의 표면 층을 용해하고 그곳에 침전물을 형성한다. 그런 다음 이 다른 금속의 중간층은 땜납으로 젖을 수 있다.

이러한 융제의 한 예는 트리에탄올아민, 플루오로붕산 및 플루오로붕산 카드 뮴의 조성물이다. 그러나 합금에 1% 이상의 마그네슘이 있으면 마그네슘 산화물 층이 더 내화성이 있어 융제 작용을 방해한다. 또 다른 가능성은 염화 아연 또는 염화 주석(II)US Patent 3988175, Soldering flux and method . Baker, James C.; Bauer, Robert E., 염화 암모늄 및 플루오린화물(예: 플루오린화 나트륨)로 구성된 무기 융제이다. 합금에 규소가 존재하면 알루미늄이 하는 교환 반응을 규소가 하지 않기 때문에 융제 효과가 떨어진다.

 마그네슘 합금 
마그네슘 합금. 이러한 합금을 저온에서 납땜하기 위한 가상의 융제는 용융 아세트아마이드이다. 아세트아마이드는 알루미늄과 마그네슘 모두의 표면 산화물을 용해하며, 마그네슘에 주석-인듐 땜납용 융제로 사용하는 유망한 실험이 진행되었다.

 스테인리스강 
스테인리스강은 안정적이고 자가 치유되는 표면 산화물 층과 낮은 열전도율 때문에 납땜하기 어려운 재료이다. 염산에 염화 아연을 녹인 용액은 스테인리스강에 흔히 사용되는 융제이지만, 공식 부식을 일으킬 수 있으므로 사용 후에는 철저히 제거해야 한다. 또 다른 매우 효과적인 융제는 인산이지만, 고온에서 중합되는 경향이 있어 적용이 제한된다.

 고온 부식에서 금속 염을 융제로 사용 
고온 부식은 고염 환경(예: 해안 근처)에서 작동하는 가스 터빈에 영향을 미칠 수 있다. 염화 이온 및 황산염을 포함한 염분은 터빈에 흡입되어 엔진의 고온 부분에 침착된다. 연료에 존재하는 다른 원소도 바나듐산염과 같은 염분을 형성한다. 엔진에서 발생하는 열은 이러한 염분을 녹여 엔진 금속 부품의 부동태화 산화물 층을 융제 처리하여 부식이 가속화될 수 있도록 한다.

 융제 목록 

 붕사 – 경납땜용
 밀랍
 시트르산 – 구리/전자제품 납땜용
 탤로 및 납
 파라핀
 팜유
 염화 아연 ("사멸된 정신")
 염화 아연 및 염화 암모늄
 올리브유 및 염화 암모늄 – 철용
 송진, 탤로, 올리브유 및 염화 아연 – 알루미늄용
 빙정석 (헥사플루오로알루민산 나트륨)
 빙정석 및 인산
 인산 및 알코올
 빙정석 및 염화 바륨
 올레산
 염화 리튬
 염화 마그네슘
 염화 나트륨
 염화 칼륨
 생석회

 융제 회수 
잠호 아크 용접 공정 중 모든 융제가 슬래그로 변하지는 않는다. 용접 공정에 따라 융제의 50%에서 90%가 재사용될 수 있다.

 표준 
땜납 융제는 여러 표준에 따라 지정된다.

 ISO 9454-1 및 DIN EN 29454-1 

유럽에서 가장 일반적인 표준은 ISO 9454-1(DIN EN 29454-1로도 알려짐)이다.

이 표준은 각 융제를 융제 종류, 기본 물질, 활성제, 형태를 나타내는 네 자리 코드로 지정한다. 형태는 종종 생략된다.

 융제 종류  기본 물질  활성제  형태 1 나뭇진 1 송진
 2 송진 없음 1 활성제 없음
 2 할로젠화물 활성제
 3 비할로젠화물 활성제 A 액체
 B 고체
 C 페이스트 2 유기 1 수용성
 2 물에 녹지 않음 3 무기 1 염 1 염화 암모늄
 2 염화 암모늄 없음 2 산 1 인산
 2 기타 산 3 알칼리성 1 아민 및 암모니아

따라서 1.1.2는 할로젠화물을 포함하는 송진 융제를 의미한다.

 DIN 8511 

오래된 독일 DIN 8511 규격은 상점에서 여전히 자주 사용된다. 아래 표에서 DIN 8511과 ISO 9454-1 코드 간의 대응 관계는 일대일이 아님을 유의해야 한다.

 잔여물  DIN 8511  ISO 9454-1  설명 강부식성 F-SW-11  3.2.2  인산 외 무기산 강부식성 F-SW-12  3.1.1  염화 암모늄 강부식성 F-SW-13  3.2.1  인산 약부식성 F-SW-21  3.1.1  염화 암모늄 약부식성 F-SW-22  3.1.2  염화 암모늄 없는 무기염 약부식성 F-SW-23  2.1.3  할로겐화물 없는 유기 수용성 약부식성 F-SW-23  2.2.1  활성제 없는 유기 물불용성 약부식성 F-SW-23  2.2.3  할로겐화물 없는 유기 물불용성 약부식성 F-SW-24  2.1.1  활성제 없는 유기 수용성 약부식성 F-SW-24  2.1.3  할로겐화물 없는 유기 수용성 약부식성 F-SW-24  2.2.3  할로겐화물 없는 유기 물불용성 약부식성 F-SW-25  2.1.2  할로겐화물 있는 유기 수용성 약부식성 F-SW-25  2.2.2  할로겐화물 있는 유기 물불용성 약부식성 F-SW-26  1.1.2  할로겐화물 있는 송진 약부식성 F-SW-27  1.1.3  할로겐화물 없는 송진 약부식성 F-SW-28  1.2.2  할로겐화물 있는 송진 없는 나뭇진 비부식성 F-SW-31  1.1.1  활성제 없는 송진 비부식성 F-SW-32  1.1.3  할로겐화물 없는 송진 비부식성 F-SW-33  1.2.3  할로겐화물 없는 송진 없는 나뭇진 비부식성 F-SW-34  2.2.3  할로겐화물 없는 유기 물불용성

 J-STD-004 

(예: 미국에서) 점점 더 많이 사용되는 표준 중 하나는 J-STD-004이다. 이는 DIN EN 61190-1-1과 매우 유사하다.

네 문자(두 글자, 한 글자, 마지막 숫자)는 융제 조성, 융제 활성, 그리고 활성제에 할로겐화물이 포함되는지 여부를 나타낸다.

 첫 두 글자: 기본 물질
 RO: 송진
 RE: 나뭇진
 OR: 유기
 IN: 무기
 세 번째 글자: 활성
 L: 낮음
 M: 중간
 H: 높음
 숫자: 할로겐화물 함량
 0: 0.05% 미만(중량 기준) ("할로겐화물 불포함")
 1: 할로겐화물 함량은 활성도에 따라 다름:
 낮은 활성도: 0.5% 미만
 중간 활성도: 0.5% ~ 2.0%
 높은 활성도: 2.0% 초과

모든 조합이 가능하며, 예를 들어 ROL0, REM1 또는 ORH0 등이 있다.

J-STD-004는 표면 절연 저항(SIR) 및 일렉트로마이그레이션 관점에서 잔여물의 신뢰성을 특징으로 한다. 이는 일렉트로마이그레이션 및 표면 절연 저항 테스트를 포함하며 (직류 바이어스가 인가된 상태에서 고온 및 습도에서 168시간 후 100 MΩ 이상이어야 함).

 MIL-F-14256 및 QQ-S-571 

오래된 MIL-F-14256 및 QQ-S-571 표준은 융제를 다음과 같이 정의했다.
R (송진)
RMA (약활성 송진)
RA (활성 송진)
WS (수용성)

이러한 범주 중 어떤 것도 화학 물질 선택 및 제조업체가 요구하는 표준에 따라 무세척일 수도 있고 아닐 수도 있다.

 같이 보기 
 플럭스 코어 아크 용접
 가스 금속 아크 용접
 차폐 금속 아크 용접

 각주 

 외부 링크 

 MetalShapers.Org Tips & Tricks from the Pros: Aluminum Welding"'' (includes Filler Metal chart)
 Solder Fume and You

분류:금속공학
분류:납땜