Update2024.05.03 (금)
IPA 대체하는 원가 절감형 수용성 세척 방안
대부분의 해외 전자제조업체들은 기존의 IPA(Isopropanol)세척에서 수용성세척액(water based cleaning agents)으로 이미 오래 전부터 대체시켜왔다. 하지만, 상당수의 아시아 제조업체들은 원가 절감형의 안정적인 세척액이 출시됐음에도 불구하고 아직까지도 IPA를 지속적으로 사용하고 있는 실정이다.
저비용의 단순세척 분야에 있어서 IPA는 솔더링장비세척(maintenance cleaning)부문에 폭넓게 사용되고 있다. 수작업세척(manual cleaning)에 있어서 IPA의 강한 휘발 특성으로, 작업자들은 일반적으로 IPA를 선호한다.
비록 IPA가 범용적으로 사용되는 세척액이라고 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 변화돼 가고 있다.
이러한 상황(trend)은 엔지니어들로 하여금 기존의 IPA 세척공정 및 그것의 취약점에 대해 더욱더 깊은 문제의식을 가지게 한다.
본문에서는 이러한 IPA의 취약점에 대해 심층적으로 접근할 것이며, 특히 이와는 별도로 세척 공정에 의해 크나큰 영향을 받게되는 고급품(high end)분야에 있어서 스텐실 프린팅의 기술요구치에 대한 IPA의 세척 영향정도를 분석해 볼 것이다. 또한 최적의 세척 결과 및 작업 안전성을 가능케 하는 수용성의 대체 세척액에 대한 연구분석도 있을 것이다.
■ IPA 취약점
케미컬의 관점에서 보았을 때, IPA는 원래 세척을 위해 개발된 물질은 아니다. 따라서 IPA는 최근의 수용성 세척액과 비교해 보았을 때, 다양한 취약점을 가지고 있다.
◇ 낮은 인화점(flashpoint)
여타 강한 휘발성의 솔벤트 세척액이 그러하듯 IPA는 12°C 의 현저히 낮은 인화점을 가지고 있다. 따라서 이러한 인화점 보다 더 높은 기온에서 작업을 하게 된다면 단순한 스파크에 의해서도 모든 생산 기자재의 화재 및 폭발을 야기할 수 있다. 이러한 조건 하에서는 심지어 상온에서의 세정작업 조차도 위험성을 내포하고 있다.
따라서 고가의 방폭세정 설비가 반드시 필요하며, 또 한편으로 취급, 저장, 운송에 있어서도 IPA는 특별한 주의사항이 요구된다. 이에 따라 고비용의 저장 장치 및 운송 시 별도의 위험 방지 장치가 필요하다.
◇ 제한된 세척능력
IPA의 세척 한계성은 프린팅 공정에서 주로 나타난다.
IPA는 솔더 페이스트(solder paste) 잔사를 스텐실 개구부에 남길 수 있으며 특히 lead-free 솔더의 경우, 이는 다음의 프린팅 및 솔더링 공정에 브리지(Bridge)나 솔더 볼과 같은 문제를 야기시킨다.
더욱이 SMT접착제(SMT-adhesive) 프린팅의 경우, IPA는 더더욱 세척성에 문제를 가지게 된다. 시장에 나와 있는 거의 대다수의 접착제는 IPA에 의해서 제거될 수 없다. 더욱 심각한 문제는 IPA가 개구부 주위의 접착제를 경화시키며, 이렇게 경화된 접착제는 곧 개구부 전부위를 막아버리게 되므로, 결국 스텐실은 반드시 긁어내야 한다.
대조적으로 적합한 세척액은 잔사를 남기지 않으며 앞서 언급된 문제를 방지할 수 있다.
높은 프로세스 비용·제한된 세척능력 등 취약점 多
제스트론 등 해외업체 수용성 타입의 세척액 주목
◇ 과도한 소모량으로 인한 높은 프로세스 비용
IPA의 취약점에 있어서 고려해야 할 또 하나의 포인트는 높은 프로세스 비용이다. IPA가 일반적으로 저가의 제품이라 할지라도, 비용적인 측면을 상세히 분석해 본다면 높은 프로세스 비용임을 확인할 수 있다.
강한 휘발성의 솔벤트는 최근의 수용성 세척액과 비교해 보았을 때, 사용 기간 중 높은 휘발성으로 인한 극도의 액손실을 야기한다. IPA는 매우 간단한 화학구조를 가지고 있기 때문에 솔더 페이스트나 SMT 접착제(SMT-adhesive)를 제거하는데 개발된 화학제품은 아니다. 따라서 이러한 오염원들의 알코올에 대한 용해성은 당연히 한계성을 지닐 수 밖에 없다. 이러한 취약한 세척 능력은 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 줄일 수 있다.
◇ 높은 VOC-휘발성유기화합물(Volatile Organic Compound) 함유량
IPA의 높은 휘발성 때문에 온실효과(지구온난화)를 발생시키는 CO2 방출량은 절대 간과할 수 없는 문제이며, 이는 환경법 조항에 의거 규제 대상이 된다.
◇ 인체유해성
IPA는 최근에 들어서서 그것의 돌연변이 유발성 및 불임 유발성에 대한 조사가 시행됐다. IPA는 흡입할 경우, 어지러움증 및 졸림현상을 유발한다. 그러나 이러한 사실들이 MSDS에 표기가 되어있고, HMIS (Hazardous Material Identification System)에 수치가 2-3-1(인체유해성-인화성-화학반응성)로 표기돼 있다 하더라도,(cf.최악의 수치: 4-4-4) 이러한 사실은 자주 현장에서 무시되는 게 현실이다.
이러한 건강 유해성은 절대로 무시돼서는 안 된다. 왜냐하면 IPA의 직접적인 노출 때문이다. 때때로 큰 생산라인은 직접적으로 오피스 영역에 연결돼 있다. 따라서 IPA를 노출시킴은 사업장의 공기에 그것을 젖어 들게 해 결국 오피스까지 전달시킨다.
앞서 언급한 이러한 문제들로 인해 세척능력, 인체 영향성, 비용의 측면에서 IPA 보다 뛰어난 세척액을 찾는 사용자가 증가 추세에 있다.
■ IPA를 대체하는 최근의 수용성 세척액
최근 들어 스텐실 세척에 있어서 IPA를 대체하는 솔벤트 세척액이 등장하기도 했지만 세척성 및 인화성 부분에 관련해, 수용성 타입의 세척액이 더욱 주목을 받고 있는 것은 부정할 수 없는 사실이다.
솔벤트 세척액과는 대조적으로, 특허를 획득한’Micro Phase Cleaning’과 같은 수용성세척액은 프린터 내외부의 스텐실과 인쇄불량보드(misprinted boards)의 모든 솔더 페이스트 및 SMT접착제(SMT-adhesives)를 제거해 낼 수 있다.
이러한 세척액은 인화점이 존재하지 않으므로 탁월한 작업 안전성을 제공하며, 취급, 저장, 운송에 대해서 별도의 인화방지 장치가 필요치 않다. 그리고 이러한 포인트 외에도 수용성타입은 VOC 수치가 우수하며, 따라서 환경법의 규제를 피하거나 최소화할 수 있다.
제품의 독특한 특성(formulation)으로써 MPC세척액은 건조 후에 어떠한 잔사도 남기지 않으며 솔벤트 및 계면활성제와 비교시 세척액 수명 및 프로세스 비용에 대해 다음과 같은 장점을 가지고 있다.
이 시스템은 오염원을(solder paste /SMT-adhesives) 일시적으로 함유하고 있는 상태에서 곧바로 그 오염원을 필터쪽으로 방출시킴으로써 필터를 거친 후 오염원은 세척액으로 부터 쉽게 제거가 된다. 또한 세척액 속의 클리닝 분자는 세척 작업동안 절대 고갈되지 않는다. 결과적으로 솔벤트와 계면활성제와 비교해 현저히 길어진 세척액 수명은 결국 프로세스 비용을 감소시키게 된다.
이러한 최근의 수용성 세척액은 스텐실 세척 공정을 위해 개발됐으며, 수작업(manual) 세척 및 자동세척 분야에 적용된다. 산출량 및 기술 요구치를 감안해 초음파나 스프레이 같은 여러 다양한 세척 장비에 투입이 가능하며 IPA보다 더욱 향상된 세척 결과를 낳을 수 있다.
수용성 세척액은 IPA만큼 강한 휘발성을 띄지 않으므로 효과적인 열풍 건조 장치를 구비한다면, 어떠한 세척액 잔사도 스텐실 표면에 남기지 않는다. 이러한 수용성 세척액의 모든 장점들은 IPA가 가진 제한적인 장점들보다 훨씬 중요한 요소로 작용한다.
IPA는 고가의 방폭 설비에만 사용될 수 있는 점에 비해 MPC세척액은 다양한 타입의 설비에 두루 적용될 수 있으며 때로는 최소한의 설비 사양을 필요로 하기도 한다.
여러 세척 설비에 적용 가능한 수용성 세척액의 장점 외에도, 프린터 내 스텐실 세척(underside wiping) 분야도 이미 그 탁월한 세척능력이 많은 생산 현장에서 검증됐다. 많은 업체들이 이 부분 관련해, 이미 사례 연구를 실시했다.
zestron과 같은 해외 업체에서는 세척테스트를 시행해 MPC 세척액(VIGON짋 SC200)은 가장 미세한 개구부 쪽에도 탁월한 세척 결과를 산출했고 또한 제품의 품질 및 산출량 증대 효과를 낳았음을 확인할 수 있었다.
제품의 운송·저장·방폭 설비 비용 감소, 확연히 낮은 소모량 그리고 긴 제품 수명으로 인해 수용성 세척액은 단위 스텐실에 대한 세척비용이 IPA보다 낮아지게 된다. 따라서 비록 수용성 세척액의 가격이 일반적으로 IPA보다 높은 건 사실이지만 IPA 보다 프로세스 비용을 더욱 낮게 가져갈 수 있다.
일반적으로 MPC 세척액의 세척수명(사용수명)은 IPA보다 4-6배 가량 된다. 하기의 예는 세척액의 소모량 감소, 그로 인해 파생되는 폐액처리 비용 감소, 액교환시의 발생 노동비용감소를 따져 보았을 때, 전체적인 비용절감은 약24%까지 가능하다.
IPA가 아직 사용되고 있다 하더라도, 더욱 신뢰성있는 원가 절감형의 대체 세척액이 효과적임을 우리는 확인할 수 있다. 또한 지금까지 소개한 이러한 지식은 IPA공급업체처럼 단순히 케미칼만을 취급하는 업체로부터는 제공되지 못한다.
따라서 최적의 대체 세척 프로세스를 구축하기 위해서는 전자 생산 업계의 요구치에 부합할 수 있는 기술적 노하우를 갖추고 있는 파트너가 필요할 것으로 생각된다.
