기판 제조에서 세척·무세척의 경우, 각각의 시스템 비교

특별기고

글: 최준영 대리 / HC 산업(주)고성능 전자부품의 제조와 관련하여, 근래에 들어 회로기판을 세척하는 경향을 띄고 있다. 무세척 제조 공정이 10년 이상 사용된 점을 감안하여 볼 때, 이는 매우 흥미로운 사실이다. 그러나 갈수록 증가하는 전기 누전문제 그리고 기판 신뢰성 문제가 대두되고 있으며, 특히 코팅 기판에서 이러한 문제가 가장 많이 발견되고 있다. 따라서 이에 대한 찬반양론을 살펴보기로 하자. 무세척과 세척 제조를, 기술적인 면과 비용 면에서 비교 연구해 보기로 한다.회로기판(board assembly)이 갈수록 점점 더 많은 기능을 포함하고 있다. 예를 들어, 전체 전기 제품을 포함하는 보드를 보았을 때, 지금은 통합 전력 공급 장치, 제어/모니터 회로 그리고 전자식 스위치 등도 포함되어 있다. 동시에 필요전력에너지 및 고집적 회로의 장기적 신뢰성에 대한 관심이 증가 중이다.낮은 운영 전압(24V까지)의 경우, 접촉 부분 또는 구성요소들 사이에서의 전기적 격리로써, 전기 스파크를 피하기에 충분했다. 그러나 회로기판상의 통합 전력 공급 장치는 주요 전압이 240V까지 상승함으로 인해, 특정한 관심을 유발하게 되었다.항공 및 인공위성 분야에 있어 대기의 더 높은 이온 함유량이 서로 다른 전위(電位)들 사이에서 스파크를 유발시킬 수 있는 전압을 필요로 하게 되면서 이 사실은 더욱 중대하게 되었다. 전기적 안전은 고집적회로에 있어서의 무세척 기판으로 인해 특히 더욱 더 중대한 문제가 되었다.현재 동향무연(lead free) 제조까지의 전이 과정에서, 세척 공정과 비교했을 때 무세척 공정의 비용적인 측면에 대해서 궁금증이 발생할 것이다. 우리는 이러한 동향에 대해, 생산물의 품질과 신뢰성, 이점과 단점, 비용과 기술적인 양상 등을 고려해야 한다.예상하다시피, 대부분의 고집적회로 제조업자들은 실제로 적합하게 잘 구성된 세척공정과 관련된 현저한 원가절감의 이득을 극대화하기 위하여 세척공정으로 되돌아갈 것이다. 이에 무세척 공정이라는 용어는 세척공정의 배제를 통하여, 더욱 간략해진 전체 공정에서 동일한 제품 품질을 획득한다는 의미와 동동한 의미로 사용된다.실제적인 비용의 비교 평가를 위하여, 우선 양쪽 과정의 주요점을 더 가까이 살펴볼 필요가 있다.모든 특정 페이스트들에 대한 이익을 얻기 위하여, 유기 활성제(그림 1)를 캡슐화 형태로 투입한(encapsulation) 적합한 솔더링 프로파일을 사용하는 것이 중요하다. 그러므로 잔존한 잔사에 상관없이, 이론상의 전기적인 청결을 만들어야 한다. 그러나 불행히도, 때때로 당초 예상했던 것 보다 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 리플로우 프로파일은 일반적으로 유기 활성체의 캡슐화 형태 투입(encapsulation)의 목적과 일치하지 않는다.이처럼 무세척은 기후적 스트레스에 전혀 노출이 되지 않는 기판이나 혹은 실제적으로 제품 불량이 예상되는 경우에나 적용이 가능할 수 있다.대부분의 경우, 솔더링과 캡슐화 사이의 대립을 인식해야 한다. 누설 전류들의 제거와 응축(condensation) 현상에 요구되는 청정도 수준을 유지하기 위해, 추가 비용은 조달에서 제조, 저장, 처분 (표 1 참조)까지를 포함한다. 제조 공정 변화들 때문에 모든 각각의 비용 평가 및 산출은 사실상 어렵다.제조 원가세척 공정에서의 주요 비용은 세척액뿐만 아니라 예를 들어, 장비 투자도 한 몫을 한다. 또한 화학물질과 물에 소요되는 비용은 DI(de-ionized)만큼 자주 간과된다. 장비가 반등으로 거슬러 설치되어야 할 때, 장비 풋프린트만이 문제를 일으킨다. 무세척 공정 제조에서 아주 중요한 점은, 비활성 대기(N2) 하에서 솔더링 하는 것이다. 소요되는 비용 범위는 재료에서 운송과 저장까지를 말한다.산업의 경험은 질소(최근의 오븐에 쓰이는 것조차)의 소비도 페이스트와 물 이상으로 주요 비용 중의 하나를 반영한다는 사실을 보여준다. 무연 솔더의 경우에, 질소의 사용은 일반적으로 더 높은 솔더링 온도로 야기된 산화 작용으로 인해 소모가 덜할 것이다. 솔더링은 주로 신뢰할 만한 접합성을 도와준다. 통합세척 공정은 활성화된 솔더 페이스트나 플럭스를 통해 부가적인 유연성과 융통성을 확보한다.이것은 온도 프로파일 및 공차(tolerance)를 향상시키는 등 공정 윈도우를 현저히 확장시키는 결과를 낳을 수 있다. 적합한 솔더링 조건 외에도, 어셈블리의 청정도 수준은 무세척의 2번째 순으로 고려되어야 한다.대체로 무세척 공정 윈도우는 페이스트 프린팅을 하는 동안 일찍이 영향 받을 수 있다. 최소치의 솔더 페이스트는 동일 평면성의 목적을 절충하는 의미에서 무세척에 일반적으로 적용된다고 할 수 있다. 비교 시 세척 공정은 ‘기능’(솔더링 결과)이 가장 중요한 곳에 산출량의 증가와 재가공율의 감소를 가능케 하는 공정 구조의 향상을 기할 수 있다.무세척 공정의 또 다른 결점은 작업자가 보드 조종을 하는 동안에 상호오염이 최소한이거나 제거되도록 확실하게 해야 하는 것이다. 예를 들어 먼지나 지문 등은 고도의 자동화나 보호장갑들과 같은 예방책을 통해서만 감소될 수 있다.이러한 것들은 사용하기 번거로울 뿐 아니라 장기간의 비용 소모도 감수해야 한다. 두 가지 과정 모두 다양한 매체와 특정한 세부계획을 필요로 한다. 세척을 위하여 수용성 세척액(water based products)의 사용량을 늘린다면 운송과 저장 비용을 줄일 수 있다. 무세척을 위한 질소의 사용은 곤란하며, 저장과 운송비용을 초래할 뿐이다.비용의 숨은 요소는 PCB뿐만 아니라 성분이라고 할 수 있다. 저장기간 및 PCB와 어셈블리의 프로세싱 기능이 세척공정으로 향상될 수 있다. 이 사실은 제조자로 하여금 대량구매를 통해 원료비 절감효과를 파생시킬 수 있다. 또한 값비싼 보호 포장은 하지 않아도 무방하기까지 하다.세척에 있어서 또 다른 절감은 예를 들어, 물질이 오염과 관련하여 제거되는 것이다. 그리고 어셈블리 제조자들은 또한 결함률의 감소로 이익을 얻을 것이다. 세척 공정 하에서의 물질 친화성(material compatibility)에 대한 우려는 스위치나 계전기의 감소 때문에 낮아졌다. 그러나 이 염려는 구시대적인 기술의 세척액(계면 활성제) 공정에는 아직도 특이하리만치 지속되고 있다.생산물 확인전기적 시험은 물론 자동화된 광검사는 비용적인 측면과 반드시 관련이 있다. 앞서 언급했듯이, 무세척 공정은 부식과 전기누설을 일으키는 잔사들을 캡슐화함으로써 완전히 분리해야만 한다.한편으로 이 단단해진 표면(film)들은 핀 접촉력에 영향을 줄 수 있다. 적절한 접촉이 잔류물이 없는 표면에 이뤄졌을 때 측정의 에러율은 확실히 감소했다. 이 커버링은 원칙에 거스르는 전체 공정비용을 초래하는 잘못된 측정-오염된 테스트 핀들(그림 2)과 마멸된 어댑터의 증가로 까지 이어질 수 있다.남아있는 잔여 플럭스들은 또한 가시도에 영향을 줄 수 있다. 특히, 솔더 접합부의 자동화 검사 동안 반사와 대조 장애들은 주요 문제점(그림 3)이다. AOI-systems 공급자에 의하면, 더 낮은 결함률(궁극적으로 재가공 감소)은 세척 과정에서 이루어진다.작동 신뢰도기후 영향으로 인한 제품 불량률과 누설 전류 측정 간에 연관성 부재는 아직 없다. 불행히도, 실제 기상(대기) 상태는 인 필드(in field) 조건에는 적절하지 않으며, 어셈블리 현장에서 소기후(microclimate)는 특수 인자들에 의해 영향을 받는다. 전자 어셈블리를 위한 소기후 상태(응축의 가능성)의 문서화는 고도로 발전한 센서 기술들 때문에 최근에야 가능하게 되었다. 따라서 아직은 유용한 정보가 부족하다. 지난 2년 동안, 이러한 노력은 높은 실패율을 범했던 분야, 특히 오토모티브(자동차 전장품) 분야에서 주로 이루어졌다.노-클린 캡슐화들의 장기적 양상에 대한 연구는 필름의 보전이 쉽게 변화할 수 있음을 보여주고 있다. 이 현상은 주로 실제 인 필드 온도 변동(cycling으로 알려져 있음. 그림 1)의 정도뿐만 아니라 솔더링하는 동안의 캡슐링 품질에 달려있다. 또한 몇몇 합성수지 시스템은 산화 반응들을 통하여 무르게 되므로 오직 제한된 기간만의 보호를 보장한다.랜덤 샘플링이나 혹은 최종 품질 관리 방법과 같이, age-induced 전기누설의 정보를 얻기위한 추가적인 측정법들은 전반적인 제조 원가를 증가시킬 것이다. 보호 코팅과 같은 포스트 솔더링 단계는 반드시 세척-무세척 공정을 대비시킨 형태로써 협의되어야 한다.앞서 언급한 바와 같이, 표면에 남아있는 잔류물들(무세척)은 보호 코팅의 약한 점착력을 야기시키는 교차결합(화학-cross linking) 영향을 줄 수 있다.연구를 하는 동안 얇은 조각으로 갈라지는 것과 전기화학적 변화는 두께 10mm에 0.4까지의 코팅제 아래에 있음이 기록으로 증명되었다(그림 4, 5).설상가상으로 어셈블리와 성분들 내에서 흘러나오는 물질(액체)의 증가도 고려해야 할 것이다. 이것도 또한 피막제들의 장기 점착력과 하부면(underfill) 재료에 제한을 줄 수 있다. 불행하게도 이 중대한 침전현상은 일반적으로 정의되지 않았으며 성향을 규정짓거나 예상하거나 모니터 하기가 어렵다. 악화된 상태의 존속은 설명할 수도, 재생 시킬 수도 없을 것이다. 세척 과정은 확실히 이 타입의 생산성을 떨어뜨리는 침적물을 제거하는 목적을 달성할 수 있었다. 대신 이에 대한 해결책은 고품질의 재료이다.특히 고성능 어셈블리를 위해서, 기초가 튼튼한 회사 이미지는 값으로 따질 수 없다. 빠른 세계화, 비용, 병참학(마케팅 시간)을 고려하는 것은 경쟁적인 시나리오에 중요하다. 그래서 요구되는 장기적인 신뢰도 테스트는 유용할 뿐만 아니라, 심하게 손상된 품질을 회복시키는 데 활용할 수도 있다. 이러한 동향은 세척 단계의 활용으로 이어진다.무세척 과정은 그 유효함이 증명되는 데서 그치지 않고 계속해서 지배적인 역할을 해나갈 것이다. 고성능 조립 제조업자들의 많은 수가 세척적용으로 전환하고 있다. 능률, 비용, 공정 윈도우, 물질 친화성(material compatibility)에 관한 세척기술은 물론 노동자 안전도 등이 지속적으로 증가하고 있다. 그러므로 사용자들은 충분한 그 가능성을 이해하기 위하여 기술에 대한 상세한 비교를 해야 한다.세척은 종종 코팅과 유사한 작용을 한다. 그에 대한 소개가 늦어지면서, 비용이 불필요하게 비싸지는 않으면서 최적의 공정 셋업을 잡는 것도 결코 수월하지는 않다. 그러나 분명한 건, 재가공은 언제나 적당한 세척 공정보다 값비싼 비용을 야기 시킨다는 것이다.세척을 미루거나 무시한다면 바로 경쟁력에 영향을 줄 것이다. 만약 세척이 조달, 디자인, 제조 시에 고려사항이 된다면, 이 단계에서 거액의 비용을 절감할 수 있다.>>> 추가 정보 <<

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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