스텐실/메탈마스크 세척: IPA를 대체하는 수용성의 원가 절감형 세척 방안
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스텐실/메탈마스크 세척: IPA를 대체하는 수용성의 원가 절감형 세척 방안
  • 김의겸
  • 승인 2009.04.01 00:00
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IPA


이 연구 논문은 IPA의 취약점에 대해 심층적으로 접근할 것이며, 특히 이와는 별도로 적합한 세척 공정의 도입에 크나큰 영향을 받게 되는 하이엔드 분야의 스텐실 프린팅의 기술 요구치에 대한 IPA의 세척 결과를 분석해 볼 것이다. 또한 이 논문은 최적의 세척 결과 및 작업 안전성을 가능케 하는 수용성의 대체 세척액에 대한 연구 분석도 있을 것이다.

글 : 최준영 대리 / HC산업㈜

서양의 대부분의 전자 제조업체들은 기존의 IPA(Isopropanol)세척에서 수용성 세척액(water based cleaning agents)으로 이미 오래 전부터 대체시켜 왔다. 하지만 상당수의 아시아 제조업체들은 원가 절감형의 안정적인 세척액이 출시되었음에도 불구하고, 아직까지도 IPA를 지속적으로 사용하고 있는 실정이다.
저비용의 단순 세척 분야에 있어서, IPA는 스텐실 세척, PCB플럭스 제거, 솔더링 장비 세척 등의 부문에 폭넓게 사용되고 있다. 수작업 세척(manual cleaning)에 있어서 IPA의 강한 휘발 특성으로 작업자들은 대개 IPA를 선호한다.
비록 IPA가 범용적으로 사용되는 세척액이라 할지라도, 이미 세척액 시장이 변화하고 있다는 사실은 주목할 만하다. 왜냐하면 인체유해성 및 안전성 문제가 이슈화되고 있으며, 갈수록 강화되는 세계 환경 규제 정책에 기인한 국내 환경 관련 법안 또한 변화되어 가고 있기 때문이다. 이러한 상황(동향)은, 엔지니어들로 하여금 기존의 IPA 세척 공정 및 그것의 취약점에 대해 더욱더 깊은 문제의식을 가지게 한다.
이 연구 논문은 이러한 IPA의 취약점에 대해 심층적으로 접근할 것이며, 특히 이와는 별도로 적합한 세척 공정의 도입에 크나큰 영향을 받게 되는 하이엔드 분야의 스텐실 프린팅의 기술 요구치에 대한 IPA의 세척 결과를 분석해 볼 것이다.
또한 이 논문은 최적의 세척 결과 및 작업 안전성을 가능케 하는 수용성의 대체 세척액에 대한 연구 분석도 있을 것이다.

IPA 취약점(disadvantages)

IPA는 원래 세척을 위해 개발된 물질은 아니다. 따라서 IPA는 최근의 수용성 세척액과 비교해 보았을 때, 여러 다양한 취약점을 가지고 있다.

o 낮은 인화점(flashpoint) : 12℃
o VOC(volatile organic compounds/휘발성 유기화합물) : 규제물질(100% VOC)
o 인체 유해성
o 한정된 세척 능력
o 높은 소모량으로 인한 세척 비용 증가

낮은 인화점(flashpoint)
강한 휘발성과 할로겐 프리(halogen-free)의 특성을 지니는 IPA는 12℃의 현저히 낮은 인화점을 가지고 있다. 따라서 이러한 인화점보다 더 높은 기온에서 작업을 하게 된다면, 이는 곧 화재 및 폭발의 위험성을 가중시키는 결과로 이어지게 된다. 다시 말하면 항상 발발 가능성이 있는 단순한 전기 스파크 혹은 노출된 불꽃(flame)은 모든 생산 기자재의 폭발을 야기시킬 수 있다(그림 1). 이러한 조건 하에서는, 심지어 상온에서의 세정 작업조차도 위험성을 내포하고 있다.  따라서 만약에 IPA가 자동화된 생산라인에서 사용될 경우에는 특별한 고가의 설비가 반드시 필요하다. 또 한편으로 취급, 저장, 운송에 있어서도, IPA는 특별한 주의사항이 요구되며, 고비용의 저장 장치 및 운송 시 별도의  위험 방지 장치가 필요하다 .

높은 휘발성 유기 화합물 함유량
IPA의 높은 휘발성 때문에 온실효과(지구 온난화)를 야기시키는 CO2 방출량은 절대 간과할 수 없는 문제이며, 따라서 이는 환경 법 조항에 의거, 규제 대상이 된다.

인체 유해성
IPA는 최근에 들어서 그것의 돌연변이 유발성 및 (임산부의 경우)불임 유발성에 대한 조사가 시행되었다. 또한 흡입할 경우, 어지러움 증 및 졸림 현상을 유발한다. 그러나 이러한 사실들이 MSDS에 표기되어 있고(그림 2), 또한 HMIS(Hazardous Material Identification System)에 수치가 2-3-1(인체유해성 - 인화성 - 화학반응성)로 표기되어 있다 하더라도(worst rating: 4-4-4) 이러한 사실은 자주 현장에서 무시되는 게 현실이다.
이러한 건강 유해성은 절대로 무시되어서는 안 된다. 왜냐하면 IPA의 직접적인 노출 때문이다. 때때로, 큰 생산 라인은 직접적으로 사무실 영역에 연결되어 있다. 따라서 IPA를 노출시키는 것은 사업장의 공기에 그것을 젖어 들게 하여, 결국 사무실까지 전달시킨다.

제한된 세척 능력
비단, 환경 안전적인 측면만이 IPA의 한계성을 보여주는 건 아니다. 프린팅 공정 및 최종 제품의 퀄리티를 좌우하는 IPA의 세척능력은 분명 한계성을 가지고 있다. 특히 무연 솔더의 경우, 그 세척 한계성은 더욱 심화된다. 세척 후 스텐실 개구부에 솔더 잔사를 남기게 하며, 이러한 상태로 프린팅을 하게 되면, 결국 PCB 보드 위에 솔더 브리지(bridge) 및 솔더 볼을 생성시키는 심각한 문제를 발생시킨다(그림 3).
더욱이 SMT접착제(SMT-adhesive) 프린팅의 경우, IPA는 더더욱 세척성에 문제를 가지게 된다. 시장에 나와 있는 어떠한 종류의 접착제도 IPA에 의해서 제거될 수 없다. 더욱 심각한 문제는 IPA는 개구부 주위의 접착제를 경화시키며, 이렇게 경화된 접착제는 곧 개구부 전 부위를 막아버리게 되므로, 결국 스텐실은 반드시 긁어내야 한다(그림 4).
적합한 세척액은 잔사를 남기지 않으며, 앞서 언급된 문제를 방지할 수 있다.

과도한 소모량으로 인한 높은 프로세스 비용
IPA 사용에 있어서 고려해야 할 마지막 포인트는 높은 프로세스 비용이다. IPA가 일반적으로 저가의 제품이라 할지라도 비용적인 측면을 상세히 분석해 본다면 높은 프로세스 비용임을 확인 할 수 있다.

IPA의 소모량은 아래의 요소들에 의해 정의된다:
o 휘발성(Volatility)
o 사용기간/수명(Bath lifetime = loading capacity)
o 사용/취급(Usage/handling)

강한 휘발성의 솔벤트는 최근의 수용성 세척액과 비교해 봤을 때, 사용 기간 중에 높은 휘발성으로 인한 극도의 액 손실을 야기시킨다. IPA는 매우 간단한 화학구조를 가지고 있기 때문에, 솔더 페이스트나 SMT 접착제(SMT-adhesive)를 제거하는데 개발된 케미컬은 아니다.
따라서 이러한 오염원들의 알코올에 대한 용해성은 당연히 한계성을 지닐 수 밖에 없다. 이러한 취약한 세척능력은 결국 매우 짧은 세척수명(사용수명) 및 그로 인한 세척액의 빈번한 교환을 필요로 하게 된다. 이는 결국 더욱 높은 프로세스 비용을 유발시킨다.
여러 테스트에서 입증되었듯, 세척액 소모량은 수용성 세척액을 적용함으로써, 확연히 줄일수 있다. 게다가, IPA를 사용할 경우 인화성 물질이므로 이에 대한 고비용의 저장 장치, 운송 시 별도의 위험 방지 장치, 고가의 방폭장치가 요구되며, 이는 결국 전체 프로세스 비용을 현저히 상승시킨다.
이러한 단점들로 인해 IPA의 대체 세척액을 찾는 사람들의 수가 증가 추세에 있으며, 이는 결국 인체 유해성, 세척성, 프로세스 비용 문제에서 기인한 것이다.

IPA를 대체하는 최근의 수용성 세척액

물론, 최근 들어 스텐실 세척에 있어서 IPA를 대체하는 솔벤트 세척액이 등장하기도 했지만, 세척성 및 인화성 부분에 관련하여 수용성 타입의 세척액이 더욱 주목을 받고 있는 것은 부정할 수 없는 사실이다.
수용성 세척액은 예를 들어, 특허를 획득한 'Micro Phase Cleaning'은 프린터 내/외부의 스텐실과 인쇄 불량 보드(misprinted boards)의 모든 솔더 페이스트 및 SMT접착제를 제거해 낼 수 있다.
이러한 세척액은 인화점이 존재하지 않으므로 탁월한 작업 안전성을 제공하며, 따라서 취급, 저장, 운송에 대해서 별도의 인화 방지 장치가 필요치 않다. 그리고 이러한 포인트 외에도 수용성 타입은 VOC 수치가 우수해 환경법의 규제를 피하거나 최소화 할 수 있다.
제품의 독특한 특성(formulation)으로써, MPC 세척액은 건조 후에 어떠한 잔사도 남기지 않으며, 솔벤트 및 계면 활성제와 비교 시, 세척액 수명 및 프로세스 비용에 대해 다음과 같은 장점을 가지고 있다.

쪾 이 시스템은 오염원을(solder paste/SMT-adhesives) 일시적으로 함유하고 있는 상태에서 곧바로 그 오염원을 필터쪽으로 방출시킴으로써 필터를 거친 후, 오염원은 세척액으로부터 쉽게 제거가 된다(그림 5).
쪾 세척액 속의 클리닝 분자는, 세척 작업동안 절대 고갈되지 않는다.
쪾 결과적으로 솔벤트와 계면 활성제를 비교하여, 현저히 길어진 세척액 수명은 결국 프로세스  비용을 감소시키게 된다.

이러한 최근의 수용성 세척액은 스텐실 세척 공정을 위해 개발됐으며, 수작업 세척 및 자동세척 분야에 적용된다. 산출량 및 기술 요구치를 감안하여 초음파나 스프레이 같은 여러 다양한 세척 장비에 투입이 가능하며, IPA보다 더욱 향상된 세척 결과를 낳을 수 있다.
아래의 업체는 세척 테스트를 시행하여, MPC 세척액(VIGON? SC200)은 가장 미세한 개구부 쪽에도 탁월한 세척 결과를 산출했고(그림 6) 또한 제품의 품질 및 산출량 증대 효과를 얻었음을 확인 알 수 있었다(그림 7).
제품 운송량 감소, 저장/설비비용 절약, 확연히 낮은 소모량, 그리고 긴 제품수명으로 인해, 수용성 세척액은 단위 스텐실에 대한 세척 비용이 IPA보다 낮아지게 된다. 따라서 비록 수용성 세척액의 가격이 일반적으로 IPA보다 높은 건 사실이지만, IPA보다 프로세스 비용을  더욱 낮게 가져갈 수 있다. 일반적으로 MPC 세척액의 세척수명(사용수명)은 IPA보다 4~6배 가량 된다.
아래의 예는 세척액의 소모량 감소, 그로 인해 파생되는 폐액처리 비용 감소, 액 교환 시의 발생 노동비용 감소를 따져 보았을 때, 전체적인 비용 절감은 약 24%까지 가능하다.

왜 IPA를 대체/교환해야 하는가?

최근의 세척액들이 여러 장점들을 보여주고 있음에도 불구하고, 아직도 많은 생산 현장에서는 IPA를 사용하고 있는 실정이다. 그 이유는 기술적인 부분보다 느낌에 의한 영향이 더 강하기 때문이다.
지금까지 언급된 수용성의 대체 세척액은 그것이 최적의 상태에서 사용되기 위해서, 대체적으로 약간의 세척장비 수정이 필요하다. 최상의 세척을 위해 요구되는 최소한의 온도를 확보하기 위해 세척 설비에 히팅 시스템을 구축한다면, 더욱 탁월한 세척 결과를 가질 수 있다.
또한 세척액으로부터 오염원을 분리시켜 필터쪽으로 방사시켜내는 이른바 'MPC 테크놀로지'의 효과를 극대화하기 위해 필터의 장착도 권장된다.
수용성 세척액은 IPA만큼 휘발성이 강하지 않으므로, IPA 사용자들은 스텐실이 완벽하게 건조되지 않음으로써 잔존한 세척액이 프린팅 작업에 부정적인 영향을 끼치지는 않을까 염려하기도 한다. 그러나 이러한 수용성 세척액을 장기간 사용한 업체들에 의하면, 적절한 열풍 건조 장치에 의해 완벽히 건조가 됨으로써 어떠한 세척액 잔사도 표면에 남지 않는다고 한다.
수용성 세척액의 효과성 및 신뢰성은 생산현장에서 20여년 간의 사용을 통해 이미 입증이 되었으며, 현재도 유럽과 미국시장에서 가장 일반적인 스텐실 세척액으로 사용되고 있는 실정이다. 지금 이 순간에도 매일 수천 장의 스텐실이 수용성 세척액에 의해 세척되고 있다.
게다가 최근 몇 년 새, 프린터 내에서의 스텐실 세척(underside wiping)에도, 수용성 세척액이 탁월한 세척 결과를 낳는다는 사실이 입증되었다. 이 부분에 대해서도 업체들의 많은 연구사례가 존재한다.

결론

IPA가 아직 사용되고 있다 하더라도, 높은 신뢰성 및 원가 절감형의 대체 세척액이 프린터 안팎(in/outside) 스텐실 세척에 적합하며, 또한 다른 세척분야(defluxing, 장비 세척)에도 적용 가능하다. 최적의 대체 세척 프로세스를 구축하기 위해서는, 전자 생산업계의 요구치에 부합할 수 있는 기술적 노하우를 갖추고 있는 파트너가 필요하다.
지금까지 소개한 이러한 지식은 IPA 공급업체처럼 단순히 케미컬만을 취급하는 업체로부터는 제공되지 못한다. 전자 세정 분야의 전문기업인 ZESTRON은 자체 기술 센터에서 무료로 시행하는 세척 테스트를 통해 전세계의 업체들에게 기술 지원을 하고 있다(중국 상해 기술 센터에서는 IPA보다 탁월한 세척액으로 교체하기 위한 테스트를 시행하고 있다).

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