[첨단 헬로티] 

이 글은 납땜에 대한 기술적인 소개가 아니며, IC 설계 엔지니어로서 연구실에서 지내는 동안 내가 갖고 있던 인식을 확 바꾸어 놓은 계기가 된 인쇄회로기판(PCB) 납땜 경험과 이해를 나누기 위한 글임을 밝힌다.

▲ 그림 1. 0.0402mm 커패시터의 한쪽 끝 납땜부에 닿아 있는 인두 팁

나는 지난 7년 간 반도체 업계에서 일해 왔지만, 납땜 작업은 지난주에 처음 해봤다. 이렇게 늦은 이유는 연구실에는 항상 나대신 납땜을 할 누군가가 있었기 때문이었다. 나 또한 납땜의 기본 원리를 이해하지 못했기 때문에 납땜을 늦게 시작하게 됐다는 사실도 인정해야겠다. 연구실에서는 사소한 작업들을 아웃소싱 하면 효율을 높일 수 있고 큰 그림에 집중할 수 있다. 하지만 납땜에 있어서는 그렇지 않다는 게 개인적인 생각이다.

실리콘랩스 입사 후 교육의 일환으로 나는 프로젝트에서 납땜 방법을 배우기로 했다. 과장 하나 보태지 않고, 이 작업 덕분에 나는 내 엔지니어링 인생을 바꾸는 경험을 시작하게 됐다. 납땜은 예술과 같다. 나에게 초소형 0.0201mm 회로 소자를 재사용 PCB에 납땜하는 기초 과제를 친절하게 안내해준 연구실 기술자의 표현을 인용하는 것도 좋겠다. 그는 내가 처음 그의 연구실에 들어갔을 때 이렇게 말했다: “납땜이란 기타 연주를 배우는 것과 마찬가지로 많은 노력과 열정이 필요하다.”

그렇게 나는 나의 첫 번째 납땜 과제를 시작했다. 연구실 기술자는 나에게 실습 PCB, 인두, 핀셋(납땜할 소자의 크기에 맞춰 선택한다), 실납, 솔더윅(solder wick), 납땜 플럭스를 주었다. 물론 자유롭게 실습할 수 있는 몇 개의 전기 소자와 현미경이 달려 있는 벤치도 제공됐다. 경험이 전혀 없던 나는 현미경으로 소자를 들여다보는 데만 30분을 보냈다. 혼잣말로 “이것들이 지금까지 내가 시뮬레이트하고 측정했던 것과 같은 소자들이라는거지”라고 했을 때 연결의 순간이자 소외를 극복하는 순간이 찾아왔다. 내가 회로 소자에 대해 가지고 있던 개념, 아이디어, 이론들이 초소형 스펙의 금속 패키징에 빠르게 합쳐졌다. 현미경 아래서도 보기 어려운 0.0201mm 커패시터는 커패시터에 대한 우리의 엔지니어링 지식과 실습을 물질로 표현하고 있는 것이다.

▲ 그림 2. 실습은 현미경이 달려 있는 벤치에서 진행된다

소자를 기판에 납땜하는 처음 두 번의 시도는 결과가 참담했다. 부품 크기의 두 배나 되는 납으로 부품을 덮어버렸다. 보기에도 좋지 않았다. 저항은 기판에 평평하게 놓여있지 않았다. 한 쪽은 다른 쪽보다 더 크게 납땜됐고, 다른 많은 미적 문제가 있었다(RF 레이아웃과 전자기 신호 흐름을 처리하는 많은 작업들의 관례상). 납땜 작업에서는 보기에 아름다운 작업이 늘 결과도 좋다. 대칭과 깔끔한 마감은 이론적이고 실험적인 증거에 의해 그 필요성을 쉽게 증명할 수 있다. 예를 들어 비대칭 납땜은 과도하게 납땜된 PCB 부분이 부품의 전기적 특성을 쉽게 변형시킨다는 것을 의미한다. 실제로 마이크로 전자공학 분야에서는 이러한 실수를 피해야 한다.

부품을 손상시키지 않으면서 기판에 부품을 자신 있게 깔끔하게 부착할 수 있는 수준까지 도달하려면 오랜 시간의 연습이 필요하다. 납땜 작업을 시작할 때, 목표를 염두에 두는 것이 도움이 된다. 그리고 실습 보드를 들어 현미경 아래에 놓고 부품을 납땜하고자 하는 패드 부위가 깨끗한지 살펴본다. 패드가 깨끗하지 않다면, 해야 할 작업이 있다. 우선, 패드에 플럭스를 한 방울 떨어뜨린 다음, 한 손에는 인두를 들고 다른 한 손에는 솔더윅을 풀어서 잡는다. 솔더윅을 깨끗하지 않은 패드에 갖다 대고 인두 팁을 가까이 가져간다. 중간에 현미경 바깥에서 인두 팁이 사용자나 사용자의 팔을 향하지 않는지 확인한다. 인두 팁의 온도는 420℃가 넘을 정도로 뜨겁다(나는 가끔 어째서 인두 팁이 녹지 않는지 의아할 때가 있다).

이제 인두 팁을 솔더윅에 살짝 갖다 대고 누른다. 그리고 잠시 납이 녹으면서 열원으로 빨려 들어가는 승리의 순간을 기다린다(이것이 우리가 플럭스를 바르는 이유이다. 플럭스는 납을 더 뜨거운 쪽으로 이동하게 만든다). 이제 원치 않는 납을 모두 빨아들인 솔더윅을 부드럽게 뗀다. 깨끗해졌는가? 그렇지 않다면 이 과정을 반복한다. 이 작업을 여러 번 반복한다고 해도 부끄러운 일이 아니다. 실제로 편안하게 제거할 수 있게 될 때까지 아무 패드에나 납땜을 하고 납을 제거하는 작업을 계속 반복하는 것은 좋은 연습이 된다. 패드가 깨끗해졌다면 부품을 납땜할 준비를 한다. 이제 납을 도포할 것이다. 우리는 이제 막 패드에 붙은 모든 땜납을 제거했으므로 이제 새로운 납을 올릴 차례다(다른 방식이 있는 것도 알지만, 나는 재사용하기보다 깨끗하게 제거한 후 새로운 납을 바르는 것을 선호한다. 이 방법이 더 깔끔하다고 생각한다).

자, 이제 본격적으로 시작해 보자. 약간의 플럭스를 패드에 바른다. 왼손이든 오른손이든 편한 손에 인두를 잡고 다른 손에는 실납을 잡는다. 작업하는 패드에 가능한 가깝게 양손을 가져간다. 현미경을 들여다 본다. 인두와 실납을 패드에 매우 가깝게 가져간다. 순식간에 실납이 패드 위에서 땜납을 형성한다. 그러면 이제 인두와 실납을 멀리 뗀다. 이것은 그리 쉽지 않다. 백여 번의 반복 끝에 기타 코드의 기본을 마스터하기 시작하는 것처럼 이 기술을 수행하는 데 편안함을 느끼려면 백여 번을 반복해야 할지 모른다.

▲ 그림 3. 육안으로는 잘 안 보이는 0.0201mm 2.7nH 인덕터

다음에는 핀셋을 사용해 납땜하고자 하는 부품을 잡는다. 핀셋을 편안한 자세로 잡는다. 부품을 0.01mm 정도 밀것이다. 부품을 방금 새로운 땜납을 도포한 패드에 매우 가깝게 가져간다. 다른 손에 잡고 있는 인두를 움직여 인두 팁이 패드의 땜납에 닿게 한다. 이제 땜납이 녹았으면, 빠르고 정확하게 부품이 도포한 땜납에 닿도록 옮긴다. 이 역시 마스터하려면 많은 연습이 필요하다.

이제 부품의 다른 쪽을 기판에 납땜해야 한다. 이것은 실납을 놓은 상태에서 부품의 한쪽 끝을 빠르게 가열하여 작업을 수행한다. 플럭스가 충분히 있으면 역시 순식간에 땜납이 부품과 패드 사이에 접점을 형성한다. 작업이 성공적이라면 축하한다. 하지만 아닐 가능성이 더 클 것이다. 그래도 상관없다. 다시 시도하면 점점 더 나아질 것이다.

PCB와 몇 개의 부품으로 할 수 있는 훨씬 많은 것들이 있다. 새 부품을 패드에 부착하는 것은 분명 맨 처음 단계다. 하지만 계속 하다 보면 부품을 제거하고 또 다른 부품을 부착해야 할 필요가 있다. 부품에 손상을 입히지 않으면서 부품을 제거한 다음 다시 붙이는 데에도 기술이 필요하다(이 기술을 능숙하게 구사하는 것을 본 적이 있다). 더 복잡한 수준으로는 IC 패키지 납땜이 있다. 나에게 납땜을 가르쳐준 연구실 기술자는 여분의 납땜을 사용해서 정합 네트워크 특성을 향상시킨 R&D 프로젝트의 이야기를 들려줬다.

▲ 그림 4. 소형 전기 소자로 작업하는 경우, 핀셋 한 벌을 준비하면 작업을 쉽게 할 수 있다.

내가 납땜에서 배운 교훈은 배워야 할 것이 무척 많다는 사실이다. 납땜 기술을 숙달했다고 느낄 때마다 새로운 과제가 등장한다. 그건 걱정할 일이 아니다. 우리 같은 엔지니어들은 도전을 즐긴다. 일반적인 대부분의 엔지니어링 작업과 달리, 납땜 기술을 익히기 위한 최상의 방법은 납땜을 책이나 글로 배우는 게 아니라 직접 해보는 것이다. 책이나 글은 기술적인 문제를 확장하거나 전문가로부터 통찰을 얻는 유용한 자료가 될 수 있지만, 역시 직접 해보는 것만큼 좋은 방법은 없다. 개인적으로 다른 사람들에게 조언과 통찰을 구하는 것도 도움이 된다. 한 시간에 서너 개의 칩을 납땜할 수 있는 사내 연구실의 기술자로부터 전문지식을 구할 수 있다. 몇 가지 간단한 질문만 던져도 그들은 유용한 많은 팁들을 전수해줄 것이다. 그들은 그러한 팁을 책을 통해 배운 것이 아니라 시행착오를 통해 배웠다.

끝으로, 프로젝트에서 더 많은 작업과 다양한 단계를 담당할 때 주인의식은 자라나며, 프로젝트는 고유한 창조가 된다. 이를 다른 방식으로 적용한다면, 전기 엔지니어로서 납땜 기술은 크게 도움이 될 수 있다. 이 기본 기술을 익힌다면 다음번에 오픈 솔더링이 의심스러울 때 문제점을 더 빨리 찾아낼 수 있을 뿐 아니라 납땜 전문가와 훨씬 쉽게 소통할 수 있을 것이다. 이제 여러분은 그 전문가들의 언어를 하고, 그들의 신비한 능력을 이해하게 된 것이다. 

글 : 아셈 엘쉬미(Asem Elshimi) 실리콘랩스 설계 엔지니어