고신뢰성 확보를 위한 컨포멀 코팅법
전자 어셈블리의 코팅은 극한 조건에서도 어셈블리에 필요한 최고 품질을 보장할 수 있어야 하는데,
이를 위한 전단계로 어셈블리 표면에서는 매우 높은 청결도가 요구된다.
이 글에서는 이를 실현하는 방법으로 어셈블리의 청결도 테스트에 대한 경제적이고 빠른 분석 절차를 제시한다.
또한 전형적인 세척 시스템 사례를 통해 표면 청결도 요구를 충족시킬 수 있는 방법을 검토한다.
Dr. Helmut Schweigart ZESTRON Europe
최 준영, 김 도희 HC Corporation
자동차, 군사, 항공, 통신용 어플리케이션에 사용되는 전자 어셈블리에 대한 요구는 지속적으로 증가하고 있다. 이와 더불어 칩 패키지의 밀도도 점차 증가하고 있어 어셈블리 과정에서 표면 청결도에 대한 기준 역시 계속해서 높아지고 있는 실정이다.
하지만 온도와 습도 변화, 가혹한 기후 조건하에서 이러한 어셈블리의 사용은 기능 불량을 일으킬 가능성이 크다. 특히 이 같은 불량은 환경적 영향으로 발생하는 전류 이동 및 전기 누설이 주된 원인으로 작용하므로 이에 대한 주의가 필요하다(그림 1과 그림 2).
리드-프리 솔더 페이스트의 경우, 솔리드 및 활성체의 함유량이 높으므로 무엇보다 이러한 사실에 주목해야 한다. 그 이유는 이로 인한 오류가 고장 증가 및 전자 어셈블리의 안정성 및 수명 단축의 직접적인 원인이 될 수도 있기 때문이다.
신뢰성 확보를 위한 보호 코팅
전자 어셈블리에 대한 보호 코팅은 전자 제품의 신뢰성 보장을 위한 중요하고도 필수적인 조치이다.
그러나 이러한 어셈블리 코팅은 일반적으로 제조 공정의 최종 단계에서 이루어지기 때문에, 이 제조 단계에서발생하는 오류는 생산 비용에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 주의가 요구된다.
이 같은 문제에 대응해 보호 코팅의 우수한 접착성 확보, 이후 균열 형성 및 박리를 방지하려면 코팅 전 어셈블리에서 최상의 청결도를 보장하는 것이 매우 중요하다.
보호 코팅 전 최소한의 표면 청결도
일반적으로 코팅 공정을 위한 권장 청결도는 어셈블리 청결도와 관련해 가장 많이 적용되는 J-STD 001 D를 기반으로 한다. 이 기준에 따르면 다음에 표시한 것과 같은 자격이 요구된다.
· 외관(Visual) 검사 : 20 혹은 40 배율(IPC A610D에 의거)
· 레진 잔존량 검사(<40㎍/cm2-Class 3 assemblies)
· 이온 오염물 검사(<1.56㎍/cm2 NaCl)
· 기타 유기물 검사
· SIR 저항 검사
이 중 외관 검사는 통상적으로 현미경을 이용해 이루어진다. 그리고 어셈블리의 레진은 코팅 접착력에 영향을 미치기 때문에 어셈블리에서 그 잔존량 검사가 매우 중요한 것으로 알려져 있는데, 특히 레진 잔사는 보호 코팅의 불충분한 접착력으로 이어져 박리 현상을 초래 할 수 있으므로 상당한 주의가 필요하다.
이와 관련해 실제로 최근 개발된 리드-프리 솔더 페이스트의 레진 잔사는 페이스트 구성성분의 변화로 그 양이 증가하고 있는 것으로 확인된 바 있다.
지금까지 이러한 레진 잔사는 HPLC (high-pressure liquid chroma-tography)와 같은 매우 비싸고 복잡한 절차로 검출돼왔다. 하지만 지금은 ZESTRON Resin Test와 같은 빠른 화학적 테스트만으로도 쉽게 검출이 가능하다.
이 외에도 J-STD 001 D에 따르면, 잔존 이온 오염물 또한 매우 중요한 것으로 명시되어 있는데 이는 이때 관찰되는 다량의 이온 오염물은 흡습성 불순물이 많이 존재한다는 것을 의미하기 때문이다.
이러한 플럭스 잔사와 같은 유기물은 코팅 품질에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이에 대응하여 J-STD 001D에 의거해 잔존 유기물을 검출할 목적으로 ZESTRON Flux Test와 같은 빠르고 사용이 용이한 방법이 개발됐다.
이 기법은 infrared spectroscopy와 같은 비싼 테스트 기법을 충분히 대체 할 수 있을 뿐만 아니라 시약을 사용한 색 변화를 통해 플럭스의 활성제로서 사용되는 유기산의 검출도 가능하다(그림 4).
이 과정에서 SIR은 기판 표면의 저항값을 측정하는 데 사용된다. 이를 통해 측정된 높은 저항값은 어셈블리의 전기적 흐름이 패턴을 벗어나지 않도록 제어하는 역할을 한다. 반면 이러한 방식으로 제어되지 않은 플럭스 잔사 및 불순물은 전류 누설의 원인이 되어 기능 고장을 일으킬 수 있다.
결론적으로 앞서 제시한 측정법을 통해 여러 잔존 불순물들의 간단한 검출이 가능하다.
그럼에도 불구하고 전체적인 세척 공정은 J-STD 001-D에 준거해 안정적으로 가동돼야 하는데, 그 이유는 이러한 세척 공정은 단순히 불순물 제거뿐만 아니라 장기적으로는 균열 형성 및 박리의 위험을 최소화하기 위한 컨포멀 코팅의 접착에 긍정적인 영향을 미치기 때문이다.
적합한 세척 단계 선택
세척 단계를 선택할 때 가장 먼저 고려해야 할 것은 기술적 요구이다. 특히 후 코팅 공정의 경우에는 세척에서 우수한 표면 청결도가 우선적으로 보장돼야 한다. 이를 제대로 실현할 경우 어셈블리 표면 위, 코팅 물질의 접착도가 우수해진다.
그리고 이와 더불어 적절한 세척 공정을 선택하려면 세척 파라미터 및 세척액에 대한 최적의 조합도 중요하다는 사실을 명심해야 한다.
이 과정에서 필요한 세척 공정에는 유기 솔벤트, 수계-알칼리 계면 활성제, 수용성 세척제, 비계면활성제 타입의 MPC 세척제(Micro Phase Clean-ing) 등이 사용된다.
이 중 유기 솔벤트 세척제는 우수한 세척력, 넓은 공정 윈도를 장점으로 한다. 반면 인화성이 강하며 VOC 함유량이 높기 때문에 그 위험성으로 인해 방폭 장치가 요구된다는 점이 단점으로 제시되고 있다. 이로 인해 경제적, 생태학적, 안전 기술적 관점에서 낮은 인화점의 유기 솔벤트 용제를 사용할 수 있는 분야는 점점 줄어들고 있는 추세이다.
이와 비교해 기존 계면 활성제의 이점은 인화점이 없고 일반적으로 VOC수치가 낮다는 점이다. 이러한 기존 계면 활성제의 실제 세척 원리는 불순물을 액과 결합시키는 것인데, 이때 비효율적인 세척 공정을 거칠 경우엔 계면활성제를 더 첨가하거나 bath를 완전히 변경하는 방법을 통해서만 문제 해결이 가능하다.
그 결과 세척제, 노동력, 사용한 세척제의 제거 및 폐기 등에 드는 비용이 증가할 가능성이 있다. 또한 동시에 많은 계면활성제가 기판의 표면에 잔존하여 코팅과 같은 후 공정에 문제를 일으킬 수 있다.
이러한 문제점들을 고려해 개발된 MPC 기술은 수계 세척제와 솔벤트 세철제의 장점만을 결합한 기술이다(표 1). 
특히 이 기술의 Microphases는 플럭스 잔사, 레진 잔사 및 기판 표면의 불순물을 제거하며, 실제 세척 시 구성성분은 기존 계면활성제에서처럼(그림 5) 불순물과 결합하지 않는다. 
오히려Microphases에 의해 제거된 오염 입자들은 phase의 가장자리에 붙어 있다가 필터내에서 세척제로부터 걸러진다(그림 6). 
즉 오염 입자들은 간단한 필터링을 통해 제거가 가능하므로, MPC 세척제는 계면활성제처럼 세척활성성분을 소모하는 것으로 볼 수 없다.
또한 이로 인해 증가된 세척제의 긴 사용수명은 세척제 소모량을 절약할 수 있으며, 폐액처리비용 뿐만 아니라 bath 교체 비용까지 현저히 감소시키는 것으로 조사됐다(그림 7).
결론
기판 표면의 청결도와 세척 어플리케이션의 조합은 코팅 공정에 대한 경제적, 비용 효율적인 결과를 산출하며, 실제 공정 신뢰도 및 코팅된 어셈블리의 작동 신뢰도를 향상시키는 데 필수적이다.
따라서 이를 실현하기 위해 코팅 공정 이전의 생산 단계에서 최적의 세척액 사용 및 품질평가를 시행할 경우, 코팅 접착력을 보장하고 코팅된 어셈블리의 불량을 방지할 수 있다. 이 과정에서 어셈블리 제조 공정 엔지니어, 세척액 공급업체, 세척 장비 제조업체 간 파트너십은 매우 중요하다.
