비교 세척 테스트로 고주파 PCB의 수(水)세척 공정 개선

최근 전자부품 분야의 한 제조업체는 기존의 계면활성제를 이용하는 세척 공정을 자동화된 수세척 공정으로 대체했다.
그 결과 플럭스 잔사와 솔더 볼을 완전히 제거하는 것은 물론 완전 자동화된 4챔버 세척 장비로 보다 많은
산출량 생산이 가능해졌다.
이 글에서는 이러한 장비를 선택하기에 앞서 기존의 계면활성제 세척 공정의 문제점을 파악하고,
다양한 세척 시스템의 비교 테스트를 통해 최적의 시스템을 적절히 채택하는 방법을 실제 사례를 통해 보여준다.

최준영  HC corporation


현재 유럽 전자부품 분야에서 선두적인 위치를 차지하고 있는 한 제조업체는 기존의 전통적인 계면활성제(surfactant) 세척 공정을 최첨단의 100％ 자동화된 수세척(water-based Cleanign) 공정으로 대체했다. 이는 고주파 PCB 어셈블리 세척에 대한 고객의 높은 요구사항에 부응하기 위함이었다.
이 업체는 전자부품 제조 분야에서 10년 이상 동안 고속성장을 기록해 온 업체로, 초창기에는 주로 틈새시장 공략에만 집중했으나 지금은 제조 분야의 유럽 선두업체로 성장했다. 이 기간 동안 제품 수명에 대한 최고의 신뢰성을 보장하기 위해 이 업체는 생산 초기 단계부터 세척 공정을 도입하는 방법을 시도했다.
또한 이와 함께 진행된 수년간에 걸친 사업 확장으로 인해 이들의 고객층과 제품범위는 광범위하게 확대됐으며, 그 결과 현재 가동 중인 세척 공정에 대한 수요 역시 증가했다.
따라서 이 업체는 전반적으로 기존의 전통적인 세척 공정을 최신 세척 공정으로 단계적으로 전환해 나가기로 결정했다.




기존의 계면활성제 세척 공정의 한계

기존의 세척 공정을 살펴보면, 초음파 발진기가 장착된 첫 번째 단계에서는 주로 알칼리성 계면활성제가 세척제로 사용됐다. 그 다음에는 잔류 세척액 및 플럭스 잔사 제거를 위한 1차 및 2차 린스가 실시됐으며, 공정 최종 단계로는 열풍 건조가 실행됐다.
하지만 이러한 세척 공정을 사용할 경우, 세척 후에도 기판에 남아있는 플럭스 잔사 때문에 최종 고객들로부터 요구된 세척 관련 품질 기준을 충족시킬 수 없는 사례가 많았다. 게다가 이를 개선하기 위한 몇 번의 공정 최적화 시도에도 불구하고 이 같은 세척 결과는 바뀌지 않아 고객들의 요구를 충족시키는 데 많은 어려움이 있었다.
이러한 상황에서 본 업체는 기존의 계면활성제 세척 공정을 대체할 만한 새로운 세척 공정의 필요성을 절감하고 다음의 요건들을 충족시킬 수 있는 새로운 세척 공정의 도입을 시도했다.
솔더 볼과 플럭스 잔사를 완전히 제거해 고객의 요구를 충족시킨다.
새로운 세척 공정은, 현재뿐만 아니라 향후 생산 품목에도 부합될 수 있도록 완전히 자동화돼야 한다.
환경/안전적 문제가 없어야 한다.

신규 프로젝트 착수

앞에서 설명한 요건들을 달성하기 위해 공정기술 매니저의 참여 하에 새로운 세척 설비의 설치를 목표로 하는 신규 프로젝트가 진행됐다. 이 프로젝트의 개선 사항에는 품질 기준 준수뿐만 아니라 장비와 공정 개선까지도 포함됐다. 결국, 새로운 세척 설비의 최종 목표는 기존의 PCB 세척 장비를 활용해, 우수한 세척 결과를 달성하는 것은 물론 작동하기 쉬운 공정법으로 대체하는 것이었다.
이러한 신규 프로젝트 활동을 지원하기 위해 기존 세척장비 업체들에 대한 연구 조사도 동시에 실시됐는데, 이는 무역 전시회, 워크샵, 유통시설 방문 등을 통해 이루어졌다.
이 과정에서 담당 공정기술 매니저는 독일 Zestron사의 기술 센터를 방문하는 것이 이 프로젝트에 착수하는데 있어 상당히 유익한 시작 포인트가 될 것으로 판단했다.

기술 센터에서 실시된 비교 세척 테스트

Zestron의 기술 센터를 방문한 공정기술 매니저는 담당 엔지니어로부터 기술지원을 받았다.
우선 공정 요건을 세밀히 분석한 후, 단조 세척기와 복수조 세척기 그리고 스프레이와 초음파 시스템을 포함하는 여러 가지 방식에 대한 설명을 들었다.
다음에는 이 같은 설명을 바탕으로 세척 실험을 실시하기 위해, 다음의 세 가지 세척시스템을 최종적으로 채택했다.
· A. One chamber spray-in-air (SIA) dish washer system
· B. Four chamber dip tank machine with both ultrasonic (US) and spray-under-imm-ersion(SUI) agitation
· C. Four chamber dip tank machine with spray-in-air (SIA) cleaning and spray-un-der-immersion(SUI) rinsing
이를 활용해 실시된 각 시스템의 비교 테스트 조건은 표 1에 자세히 나타낸다.



더불어 각각의 세척 테스트 결과는 Zestron사의 분석 센터에서 즉시 평가되었는데, 그 결과를 정리한 것은 표 2에서 확인할 수 있다.



그 결과를 자세히 살펴보면 첫 번째 세척 테스트의 경우, 플럭스 잔사는 dish washer system으로 완전히 제거된 것으로 나타났다. 이 테스트는 전체 테스트 중에서 가장 오랜 시간이 걸리기는 했지만, 장비는 가장 우수한 건조 능력을 보여주었다. 하지만 리플로우 공정으로부터 적용된 솔더 볼은 완전히 제거되지는 않았다. 따라서 이 세척 기계(공정)는 향후에 개선하기로 하고, 일단 대상에서는 배제시켰다. 두 번째 세척 테스트의 경우는 ultr-asonic과 spray underim-mersion 기능이 모두 장착된 four chamber dip tank 시스템이 사용됐다. 이 시스템을 사용했을 때 담당 매니저는 세척 품질 관점에서 가장 양호한 결과를 얻었기 때문에 향후에 보다 높은 산출량을 충족시킬 수 있는 가능성이 있다고 판단했다.
이 두 번째 시스템은 세정, 사전 린스, 최종 린스, 건조 챔버의 4가지 싱글 탱크(Single Tank)로 구성된다. 또한 다량의 PCB를 한꺼번에 꽂아놓을 수 있는 매거진을 각각의 탱크에 동시에 투입 및 가동시킬 수 있으므로, 단조 세척기에 비해 보다 많은 산출량을 확보할 수 있다.
세 번째 세척 테스트는 four cham-ber machine을 사용해 spray-in-air와 spray-under-immersion 형식으로 실시됐다. 구체적으로 이 프로세스는 dip tank machine과 유사한 방식인 세정, 사전 린스, 최종 린스, 건조 과정으로 실시됐다. 하지만 공정의 세정 단계에는 spray-in-air가, 사전 린스, 최종 린스 단계에는 sprayunder immersion이 구분되어 적용됐다.
이 시스템은 완전 자동화가 가능하기 때문에, 솔더 볼뿐만 아니라 플럭스 잔사 제거 또한 완벽하게 실시할 수 있다. 또한 건조도 최적화된 air flow system으로 인해 양호한 결과를 나타냈다.





제조 측면에서의 새로운 세척 공정

이러한 테스트 결과, 세 번째 세척 테스트에서 만족할 만한 결과가 관찰돼 spray-in-air와 spray-under-immersion으로 구성된 four chamber 세척 장비를 구매하기로 최종 결정했다.
이 장비를 통해 제공된 세척 공정의 완전 자동화는 통합된 터치스크린 메뉴를 통해 지원되며, 이를 사용할 경우 작업자는 모든 프로세스 단계에 간단히 접근할 수 있어, 특히 세척, 린스, 건조 단계에서 아주 중요한 영향을 미치는 온도와 시간의 세팅 값에 개별적으로 접근할 수 있다.
또한 이 장비의 챔버 양쪽에는 spray arms가 장착돼 있는데, 실제적으로는 spray jet가 오른쪽 측면에서부터 기판을 세척하게 된다. 여기에 3.5bar의 스프레이 압력을 적용하면, PCB 어셈블리의 솔더 볼뿐만 아니라 모든 플럭스 잔사들까지도 완전히 제거할 수 있다. 이때 세척액으로는 수용성 타입인 vigon A 250이 사용됐다.
이러한 세척 다음 단계로는 spray-under-immersion 형태를 사용해 사전 린스와 최종 린스가 실시된다. 이 경우 양쪽 린스 존에는 이른바 water treatment 시스템이 장착돼 있는데, 이 장치는 활성탄 및 이온교환수지로 구성되어 있다. 이는 지속적으로 물을 필터링 해, 항상 깨끗한 물이 헹굼 작업에 제공되도록 지원한다.
이때 사용되는 헹굼 물의 품질은 항상 기판에 대한 엄격한 세척 요구도를 충족시키는 척도가 되므로 중요하다. 린스 후에는 기판 위에 남아있는 물이 건조 챔버에서 열풍으로 제거된다.

결론

유럽에서 선두적인 위치를 차지하고 있는 어느 전자부품 제조 업체는 최근 새로운 세척 공정을 도입했다. 이 새로운 세척 공정은 기존의 계면활성제 세척 공정과 비교해 여러 가지 장점을 제공하기 때문에, 최종적으로 고객들의 모든 요구를 충족시킬 수 있는 세척 공정으로 평가받고 있다. 이 공정으로 제공되는 장점을 요약하면 다음과 같다.



· 플럭스 잔사와 솔더 볼 완전 제거
· 완전히 자동화된 four-chamber 세척 장비를 사용해, 산출량 증가
· 모든 프로세스에 대한 완전한 접근성을 가지는 통합된 터치스크린 메뉴로 인해 작업자들의 조작 용이해짐
이와 같은 신규 세척설비를 설치한 이후, 지난 3년간 이 업체의 세척 공정은 아무런 문제없이 운영되고 있으며, 생산 산출량 요구조건을 충족시키는 동시에 작업자에게 쉬운 조작법을 보증해 주는 것은 물론 완전한 세척 결과를 제공하는 것으로 입증됐다.
이러한 성공적인 사례 연구에서 주의 깊게 살펴봐야 하는 것은 세척 담당자가 새로운 세척 공정을 찾거나 혹은 기존의 것을 개선시키고자 할 때, 전문 업체의 컨설팅이 커다란 영향을 미친다는 점이다. 즉, 이러한 사례에서 알 수 있듯이 전문 업체의 컨설팅은 최적의 세척 솔루션에 도달하기 위한 효과적인 방법으로 판단된다.