고신뢰성 PCB 제어 보드와 반도체 부품의 세정 기술

전자, 반도체 부품 조립 시 세정 공정이 요구될 경우, 공정 비용 절감, 인체 유해성 조사, 환경안전 및 정밀 세정을 달성하기 위한 객관적이고 체계적인 기준 확립이 촉구되고 있다. 따라서 이 글에서는 보다 효과적인 세정 공정을 위한 접근 방법을 제시한다. 이를 위해 왜세정이 필요하고 언제, 무엇을 세정해야 하는지에 대해 먼저 살펴본다.

김상규 써니테크무역

 

세정의 필요성

 

현재 전자제품 분야에서는 국방, 항 공, 철도, 의료, 통신, 자동차 전장을 비 롯한 고신뢰성 소비자 제품(컨포멀 코 팅, 몰딩, 캡슐화, 접착이 요구되는 마 이크로프로세서, 메모리 등)과 반도체 (다이 본딩과 와이어 본딩, 플립칩, BGA 볼 부착, 카메라 모듈과 메모리 모 듈 등)와 같은 고집적 부품, 다층 보드를 통한 컴팩트화, 다기능 장착 기기가 요 구되고 있다.

이에 반해 PCB 컨트롤러와 부품의 경우는 사용시간, 날씨, 환경, 온도, 정 전기 등과 기기의 극한 활용, 사용자 남 용과 같은 거친 환경에 대한 극복이 필 요하기 때문에 세정을 통해 고객의 높 은 신뢰성 기준을 만족시킬 수 있을 것 으로 보여진다. 세정은 PCB 조립현장에서 재수리 횟 수와 고장율을 감소시키고 총 생산과 수리에 소요되는 비용과 시간을 절약하 는 장점을 제공한다. 뿐만 아니라 고집적 회로와 PCB 컨 트롤러의 신호감쇄로 인한 크로스토크 성능저하 없이 부품과 PCB 컨트롤러의 기능을 향상시키며 최소한의 운영비 증 가로 고품질의 PCB 컨트롤러와 기기 생산을 가능케 한다.

이 밖에도 세정은 어셈블러의 보호와 환경오염의 최소화를 위해 기여하며 부 품과 PCB 컨트롤러의 수리 또는 조립 시, 신뢰성과 내구성 향상을 위한 세정 공정에서의 필요악을 최소화함으로써 기존 기술에 부응하고 미래의 요구에 대비할 수 있도록 한다. 고장지점이 PCB 조립공장으로부터 멀어지고 사용자에게 가까워질수록 수 리비용이 기하급수적으로 증가하고 생 산제품 불량으로 부품과 기기는 물론 생산자의 신뢰성에도 심각한 악영향을 미칠 수 있기 때문에 세정에 대한 인식 은 날로 향상되고 있는 추세이다.

 

언제 세정이 필요한가?

 

세정이 필요한 경우를 살펴보면, 베 어 보드(PCB 원판)의 제조라인에서 도 금용 화공 약품 세정, BGA, SMT & PCB 어셈블리 공정 중 미스 프린팅된 베어 기판의 세정, 스탠실/마스크, 포스 트 솔더링 후 솔더 크림과 플럭스 세정, 솔더링 시 분산된 납 볼 세정, 기존 장착 된 제어 보드의 오버 홀 세정, 오동작 제 어 보드 수리와 재작업 후 보드 및 부품 의 세정 등 거의 공정 대부분에서 활용 되는 것을 알 수 있다.

 따라서 언제 어떤 세정이 필요한지 파악하고 적절히 적용 하는 것이 필요하다. 또한세정은국방(공군, 육군, 해군) 기 기, 항공, 철도, 의료, 통신, 자동차 전장, 모바일, 카메라 모듈, 반도체 칩 제조공 정(다이 본딩, 와이어 본딩, BGA 볼 부 착 후)에서 반드시 거쳐야 할 공정 중 하 나로 인식되고 있으며‘국민의 생명과 재산보호를 위해 정확하고 정밀한 동작 이요청되는분야’로정의할수있다.

 

무세정 보드의 문제점

 

다음에는 무세정으로 인해 발생할 수 있는 PCB 표면 현상들을 살펴본다. 먼저 컨포멀 코팅제와 PCB 표면의 밀착 방지 현상이 관찰되는 데 이는 컨 포멀 코팅액이 보드 표면에 결착되지 않았을 때 발생한다. 특히 이러한 불친 화성은 처리 후 시각적으로 확인하기 어렵기 때문에 컨포멀 코팅의 현장 오 류는 어셈블리가 현장에 도달하고 나서 야 발견된다는 데 문제가 있다.

또한 흡습성 잔류물로 인해 플럭스나 땜납이 부분적으로 덮일 경우, 흡습성 잔류물이 주변 환경으로부터 수분을 흡 수해 부식 등의 전기화학적 이온 이동 이 일어날 확률이 높아진다. 비활성 수지층에 흠집이 생기는 경우 에는 RF 어셈블리에 방류, 부식, 그리 고 임피던스 관련 비트 결함이 발생하 며, 리플로우 공정 후 잔류 플럭스는 유 전율 및 누설저항 변화에 의한 회로판 크로스토크 발생의 원인이 되는 것으로 밝혀진 바 있다.

이런 회로에서는 신호 대 노이즈 비율이 추가적으로 증가하기 때문에 1MHz 이상의 회로의 성능에 영 향을 미치게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해 전자, 반도체 제조 공정에서 세정을 검토할 때 다음과 같은 단계를 거친다면 보다 효과적이고 신속한 세정 공정을 적용 할 수 있을 것으로 판단된다.

 

세정의 5단계

 

1. 제1단계 : 세정의 목적을 확정

 

세정의 주요 목적으로, 고객이 제품 에서 오염을 발견했을 경우 품질이 기 대치에 못 미치기 때문에 신뢰성이 떨 어진다고 결정짓기 쉽다. 따라서 산업 표준에서 달리 정해진 바가 없다면 시 각적으로 청정의 확인을 규정할 필요가 있다. 효과적인 세정 공정이 제품의 신 뢰성을 증가시키고 수명을 늘리기 때문 에 제품이 시장 기대에 부응할 수 있도 록 해 준다.

부식이나 방류로 인한 전기적 고장, 특히 1GHz가 넘는 고클럭 회로판은 다 수의 경우에 오염에 민감하고, 물리적 잔류물은 라디오 주파수 표피효과(RF skin effect)와 데이터 전송 라인에 임 피던스 불일치로 인해 회로의 성능을 저하시킬 수 있다. 때문에 기판을 시험 할 때, 플럭스가 시험결과나 절차에 장 해가 되지 않으며 봉지제 및 언더필 수 지의 접착력을 강화시키는지 확인해야 한다.

 

2. 제2단계 : 적당한 용매

 

문제가 되는 잔류물을 제거할 수 있 는 용제를 찾는다. 이러한 용제에는 솔 더 페이스트 유형, 액상 플럭스, 웨이브 솔더 플럭스, 미경화 접착제가 포함된 다. 용제를 선택할 때에는 솔더 볼까지 세정 되도록 문제 잔류물 전부를 모두 제거 가능한 1액형 용제를 고른다(1단계 에서 확정한 것처럼). 가장 단순한 용제 형태는 물이며 다 음으로 물/용제 혼합물(수성 화합물)을 꼽을 수 있다. 고순도 용제에는 알콜류 (이소프로필알콜, 메틸알콜 등)와 유기 용제(HCFC, HFC, TCE, MC, 등)가 포 함된다.

또한 용제 선택 시에는 마스크와 반 응성, 부품과 기판에 대한 반응성, 어셈 블리에 적용된 코팅제와의 반응성 등 용제의 적합성 확인이 필수적이다. 이 밖에도 작업자와 환경에 미치는 영향은 어떤지 확인하는 것도 매우 중요하다. 용제를 선택한 후에는 가장 적당한 용매의 활용 및 분사 방식을 찾기 위해 실험실 시험을 거쳐야 한다.

이때 확인 사항으로는 소용되는 세정 시간, 필요 한 세정 온도, 물리적인 에너지의 양과 종류를 조사한다. 최적화된 세정 시스 템은 어셈블리를 세정할 때 소요되는 화학 에너지와 역학 에너지를 모두 고 려한 것이다.

 

3. 제3단계 : 세정 시스템 선택

 

적당한 세정 시스템을 찾는 것도 매 우 중요하다. 대상 시스템에는 단순히 솔로 문지르는 것부터 대량 생산용 인 라인 자동화 세정기, 복합 세정기 그리 고 고도의 화학기술을 응용하는 것까지 매우 다양하다. 세정 시스템을 선택할 때에는 세정 작업을 위한 최적 용제의 선택과 어떤 장비가 가장 효과적으로 조합될 수 있 는지를 고려해야 한다.

특히 세정 방식 이 정밀 PCB 제어 보드와 부품에 안전 성을 제공하는지 조사해야 하며 스프레 이 분사 방식인지 또는 초음파 방식인 지 여부도 살펴볼 필요가 있다. 또한 세척기가 표준화되고, 객관적인 다양한 세정 조건 입력 및 실행이 가능 한지 알아보기 위해 세정액 온도, 세정 시간, 헹굼 횟수, 건조 온도, 건조 시간 등을 정밀 조절 가능한지와 부식 방지 를 위한 완전 건조, 세정 결과를 객관적 으로 확인 가능한지를 검토해야 한다.

 

다음으로 세정 시스템의 물리적 임팩 트가 식기 세척기의 일반 흘림 방식인지 아니면 적정한 공급 압력을 가진 스프레 이 방식인지를 살펴본다. 이것은 세정 정도를 결정하는 가장 중요한 부분이다. 적합한 장비를 주문하기 위해 고려해 야 할 사항으로는 펌프/씰/필터가 용매 제에 적합한지를 알아본다. 보다 정밀한 세정을 위해서는 순수 제조 장치가 구비 되었는가, 환경 오염 방지를 위해 배수 된 폐수를 효과적으로 처리 할 수단이 있는가 등을 체크해 봐야 한다.

 

4. 제4단계 : 세정 공정의 시험과 결과 확인

 

세정 공정의 시험 결과를 확인할 경우 에는 장비가 기준 표면 절연 저항율(SIR) 을 상회하는지 실험 대상이 고객 기대치 에 부응하는지를 확인한다. 또한 시각에 의한전체적인정밀검사시잔류물을검 사할 때에는 화학적 불친화성 또는 플럭 스 제거 불충분의 흔적이 있는지 살펴보 고 추가 잔류물이 세정 전 공전(리플로우 단계)에서도 발생할 수 있으므로 보다 면 밀한검사가요구된다.

필요시에는모든 코팅 서로간의 친화성을 조사하고 잠재 적고장의원인을조기발견하기위해패 드와커넥터를전부확인한다. 마지막으로 공정이 계획된 처리량을 소화하는지, 생산량 증감에 유연하게 대 처할 수 있는지 여부를 살펴본다.

 

5. 제5단계 : 공정 관리의 통합

 

공정 중 생산 중단, 제품 고장, 안전성 문제가 야기될 경우 공정이 제어불능 상 태에 빠질 수 있다. 이처럼 공정에 하자 가 발생할 때 운영진이나 관리진은 변수 를 통해서 상황을 파악함으로써 추가적 인 장비손상과 제품손실을 막고 회복의 기회로 삼아야 한다. 따라서 공정 오류 판단에 사용되는 시스템은 단순하고 사 용이 용이하며 동일한 공정 결과를 표시 하고 변화에 민감하게 반응하는 것이 필 요하다. 또한 통계적 공정관리(SPC)를 사용해 결함율을 측정함으로써 공정에 대한 제 어를 유지하고 통합된 생산라인으로 공 정의 주요한 각 부문에 관한 표지를 수 집하는 등의 노력이 요구된다.

 

 

에너지 절약

 

현재 에너지는 두 가지 요인으로 계산 할 수 있다. 먼저 비용 상 가장 큰 부분 을 차지하는 것은 실제 에너지당 kwh 의 비용이며 실제 에너지 소비 비용은 제조사의 운영비용에 직접적인 영향을 미치고 있는 것으로 확인됐다. 두 번째 요인은 짧은 기간 동안 나타 나는 현상으로 에너지가 kwh당 소비될 때 환경에 미치는 영향이다.

이 복합물 은 사용자의 에너지 발생 비용에 직접적 영향을 주지는 않지만 기후에 큰 영향을 준다는 문제점이 제기되고 있다. 따라서 탄소이력(Carbon footprint) 뿐만 아니라 전체 운영운용을 절감하기 위해 기기의 에너지 소비량을 줄일 수 있도록 전념하고 있으며 여기에는 작은 규모의 특별 세정기기부터 최고 모델인 인라인 클리닝 기계까지 모두 활용할 수 있다.

 

환경 친화적 기계

 

세정비용 절감 및 작업자와 환경보호 를 위해 Green Water Cleaning System을 적용할 수 있으며 이 장비의 활용만으로 대부분의 문제를 해결 할 수 있을 것으로 보여진다. 실제 세정 과정에서는 잔여물과 폐기 물이 생성되는 화학적 배출물에 관한 세 정이 요구되고 있다. 일반적으로 해당 시와 지역 등에는 폐기물 관련 법적 사 항이 존재하기 때문에 전체적인 폐기물 을 제한 관리해 설비시설에 남아 있는 화학적 폐기물을 줄임으로써 비용 절감 을 달성할 수 있다.

이 시스템은 폐쇄 루프 시스템에서 폐 쇄루프솔벤트시스템까지적용할수있 다. 솔벤트재활용이가능한재활용기반 의 시스템을 만들기 위한 지속적인 연구 를통해개발된이시스템은솔벤트의수 명을 연장시키고 솔벤트의 성능과 폐수 배출을제한하는장점을제공한다.