프로세스 제어를 통한 최적의 PCB 세척 방법

전자 어셈블리의 신뢰성 향상을 위해 PCB 세정 공정의 중요성이 높아지면서 세정 공정간 모니터링 작업의
중요성 또한 높아지고 있다.
따라서 이 글에서는 Bath Analyzer 10과 Bath Analyzer 20을 소개하고 모니터링의 중요성과
이를 통해 얻을 수 있는 이점에 대해 검토한다.

Michael Schneider  Production Technology, Projects Rohde & Schwarz
김 도희  HC Corporation


측정 및 통신 기술의 글로벌 제조업체로서 75년 이상의 역사를 가진 Rohde & Schwarz는  60개 이상의 지사를 보유하고, 70개국에 주재하며 전 세계의 고객을 지원하고 있다.
Rohde & Schwarz는 전자 테스트와 측정 기술뿐만 아니라 통신 기술의 효율성, 품질 및 신뢰성을 강화할 수 있는 솔루션을 제공한다.
또한 포트폴리오 범위는 테스트 분야의 애플리케이션에서부터 측정 기술, 무선 통신, HF와 microwave, 오디오, 비디오, 방송 등 일반적인 전자 애플리케이션 및 서비스까지 포함하고 있으며, 제품은 모바일 전송 장치, 민간용 및 군용 항공 안전 시스템, 암호화 시스템, 지상파 송신기, 비디오 처리 시스템 등을 생산하고 있다.
따라서 Rohde & Schwarz는 최고의 품질, 일관성, 신뢰성을 보장하는 것이 중요하다.
Rohde & Schwarz의 가장 큰 제조 공장은 독일의 Memmingen에 위치한다. 이 공장에서는 장비 생산과 전제적인 시스템, 마이크로 전자 공학, 어셈블리·모듈에 초점을 맞추고 있다. 일반적으로 PCB 제조 프로세스는 다음의 단계로 세분화할 수 있다(그림 1).



이 그림에 표기된 납땜 후 거치는 세척 공정으로 인해 성공적인 후 공정 단계를 보장할 수 있다. 추가적으로 이 그림에 표시된 전체적인 제조 공정은 품질 보증 프로그램과 어셈블리의 온도 및 기후 테스트를 포함하는 테스트 절차를 통해 제어된다(그림 2, 그림 3).





Bath 모니터링의 필요성

어셈블리 세척 후, 제거된 플럭스 잔사들은 세척 bath에 남는다. 이러한 세척 공정에서 세척 수명은 플럭스 종류와 양, 세척액 농도, 온도, 필터링 효과, bath 크기 등 여러 공정 파라미터에 의해 영향을 받는데, 이러한 파라미터들은 공정 안정성과 신뢰성 측면에서 핵심 요소로 작용하기 때문에 지속적인 모니터링이 필요하다(농도를 제외한 모든 파라미터는 세척 장비에 의해 컨트롤 및 적용 가능).
하지만 모니터링을 불규칙적이거나 비효과적으로 시행하면 그만큼 세척 공정에서 부적합한 결과를 초래할 가능성이 높아지며, 높은 수준의 표면 청결도가 요구되는 와이어 본딩 및 컨포멀 코팅과 같은 후 공정에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다. 따라서 세척 공정은 어셈블리의 기능성과 치명적인 영향을 미칠 수 있는 중요한 공정으로 볼 수 있다.
불충분한 세척의 결과 발생하는 대표적인 불량의 예로 전기화학적 마이그레이션, 누설전류 및 충분하지 못한 코팅 접착을 꼽을 수 있다.

초기 상황

SMT 및 Semiconductor Back end 산업의 세계적인 세척제 제조업체인 Zestron과의 협력을 통해 Rohde & Schwarz는 Vigon 제품을 어셈블리 세척에 적합한 제품으로 평가했다. 수용성인 이 제품은 약알칼리성을 띄며 Spray-in-air 또는 Spray-under-immersion agitation과 같은 세척 장비에서 사용할 수 있다.
후공정에 속하는 코팅에 들어가기에 앞서 기판은 최상의 표면 청결도를 유지해야 하기 때문에 신뢰성 있는 세척 공정이 필수적이라 할 수 있다.
하지만 현실적으로 세척 공정에서 세척액이 튀거나 희석되는 것을 막을 수 없기 때문에 세척 bath 농도는 변할 수밖에 없다.
따라서 지속해서 bath를 모니터링하는 것은 세척 공정의 안정성 및 신뢰성을 보장하는 데 있어 필수적이다. 이에 대해 생산 비용과 공정상 방해요소를 최소화하여 세척 결과를 최적화시키는 것이 중요하다.

모니터링 방법에 대한  요구 사항

Rohde & Schwarz는 다음과 같은 기능을 제공하는 수동 측정 방법을 알아봤다.
· 농도를 측정 가능한 간단하고 빠른 방법 실현
· bath 적재량에 관계없이 정확하고 신뢰성 있는 측정 가능
· 지속적으로 안정적인 세척 결과를 보장
· 비교 측정을 통해 확인 가능한 신뢰성 있는 결과를 및 서류 제공

‌선택 과정

Zestron은 전자 산업용 세척 공정에 대한 오랜 경험으로 많은 bath 모니터링 방법을 개발해왔고, 그 결과 안정적인 공정 컨트롤을 실현했다.
그 중 대표적으로 Bath Analyzer 20과 Bath Analyzer10을 꼽을 수 있는데, 이 테스트 키트는 몇 가지 간단한 단계로 실행할 수 있어서 특별한 교육 없이 SMT 생산 환경 내에서 사용할 수 있다.
이 테스트 키트의 사용방법은 실린더 내에서 작업자가 테스트 용액의 색 층을 구분해서 농도 레벨을 읽는 방식이다(그림 4).



각 테스트 키트의 사용범위에 대해 설명하면 Bath Analyzer 10 테스트 키트는 알칼리성 확인에 사용하며, PH-중성 세척액에는 Bath Analyzer 20이 사용된다.
Rohde & Schwarz와 Zestron의 오랜 공동연구 끝에 Bath Analyzer 20은 세척액 농도 측정에 적합한 테스트 방법으로 인정됐다.
이러한 공동 연구는 무작위로 샘플을 채취해서 측정했으며, 동시에 불충분하게 희석된 bath 샘플과 같은 잠재적인 문제점 및 결과 차이에 대한 원인에 대해 반복적인 실험을 통해 밝혀낼 수 있었다.
한편 테스트 키트를 사용하면 세척제의 농도를 별도의 장비 없이 세척기에서 직접 측정할 수 있다. 따라서 테스트 진행 시 실제 분석 시간이 빠르고, 효과적으로 진행될 수 있다(그림 5).



필요에 의해서 프로세스의 단기 적용 또한 가능하다.
그림 5에 나타낸 결과는 플럭스와 같은 불순물이나 적재량의 영향을 받지 않기 때문에 이 테스트는 신뢰성 있는 농도 측정법으로 인정받을 수 있었다. 또한 이는 Refractive index나 pH value와 같은 파라미터를 이용하는 다른 농도 측정 기술들과 비교해도 이점이 많고, 특히 농도 레벨을 이용하면 사용 전, 후의 세척액 모두에서 신뢰성을 검증할 수 있다.
또한 pH value, Refractive index, Conductibility와 같은 파라미터는 세척 bath에 대해 농도 레벨과 더불어 bath 적재량, 남은 세척 수명에 대한 정보를 제공한다. 따라서 pH값과 Refractive index는 보조 프로세스 지표로 고려된다.
Vigon 세척제는 약알칼리성을 띄기 때문에 pH값의 변화를 통해 세척 성능 및 남은 세척액 수명에 대해 파악할 수 있으며, Refractometer의 사용으로 얻어지는 Refractive index는 플럭스양에 대한 추가적인 정보를 제공할 수 있다(표 1).



한편 우리는 외부 실험실에서의 추가적인 농도 측정을 통해 Bath Ana-lyzer 20 결과에 대한 신뢰성 및 사용법에 대해 알 수 있었다.
표 1을 보면 알 수 있듯이 Bath An- alyzer는 세척액의 실제 농도를 반영한다.
Refractometer 수치는 세척액의 농도와 오염 정도의 합계치를 반영하며, 이는 일반적으로 겉보기보다 높은 수치를 나타낸다. 따라서 Bath Analyzer 결과와 비교해 보면 신뢰성 있는 오염도를 평가할 수 있다.

결론

Bath Analyzer 20은 Rohde & Schwarz의 높은 품질 기준을 충족시키며, 고신뢰성, 공정 투명성 및 추적성이 매우 뛰어난 특성이 있다. 또한 지속적인 bath 모니터링은 불필요한 bath 교환을 방지할 수 있기 때문에 전체적인 세척 공정 비용을 절감하는 효과를 볼 수 있다.