배치 세척 시스템은 투자 및 운영비용이 인라인 세척 장비보다 적게 들기 때문에 생산량이 적은 라인에서 주로 사용된다.
이 글에서는 배치 세척 시스템에서 비용 절감을 위해 반드시 고려되어져야 하는 잠재적 지출부분에 대해 설명했다.
우선 인라인 공정과 같이 배치 공정의 주요 비용요소는 세척제, 공정 파라미터, 시스템 주변장치이지만,
이러한 비용 요소들은 상호 유기적으로 조정되어야 한다.

배치 세척 시스템은 생산량이 적은 생산 라인에서 가장 많이 고려된다. 그 이유는 투자 및 운영비용이 인라인 세척 장비보다 훨씬 적게 들기 때문이다. 그러나 이같이 예상 산출량을 고려한 어셈블리 세척 시스템은 최적의 공정비용을 보장하지는 않는다.
사용자에게 더 나은 대안 제공을 위해, 다른 세척 공정과 원가 동인에 대한 상세한 연구 및 분석을 ZESTRON 기술센터에서 진행하고 있다.
본 시리즈의 마지막인 이 글에서는 배치 세척 공정비용을 좌우하는 요인에 대해 보다 상세히 설명한다.
이 시리즈의 첫 번째 아티클(본지 2014년 6월호 32∼36p)에서는 어셈블리 세척 공정에 미치는 일반적인 비용요소들에 대해 알아보았다. 또한 배치 타입뿐만 아니라 인라인 세척 공정     (본지 2014년 12월호 38∼41p)에 대해서도 살펴봤다.
한편, 공정에서 드는 전체 비용은 세척된 부품 수 및 생산량을 기준으로 측정해야 ‘세척 공정에 대한 정확한 비용’을 산출 할 수 있다. 일반적인 비용 계산법은 다음과 같다.
            
  = 세척된 부품당 비용
          
여기서 어셈블리 산출량을 고려해 세척 시스템을 선택하는 것은 세척된 부품당 최저비용을 실현하기 위해 중요하다. 그러나 이미 앞에서 언급한 바와 같이, 비용 최적화 과정이 완전히 자동으로 보장되는 것은 아니며, 비용요소는 각각의 세척 어플리케이션마다 다르기 때문에 모든 공정의 상세한 고려가 요구된다.
이에 대한 일환으로, 두 번째 아티클에서는 인라인 세척 공정에 대한 설명했다. 인라인 세척 공정은 특히나 소량 다품종 생산에 효과적이다.
이번 아티클에서는 배치 공정비용을 좌우하는 비용요소에 대해 상세히 설명하려 한다. 이 연구의 모든 결과는 ZESTRON 기술센터(그림 1)에서 다양한 실험을 통해 측정 된 것이다.

그림 1. 독일, 미국, 중국에 위치한 ZESTRON의 기술센터

배치 세척 공정의 개요

앞에서 언급 한 바와 같이, 배치 타입 공정은 작거나 중간 사이즈 또는 많은 산출량이 요구되는 부품을 세척할 때 효과적으로 적용된다. 하지만 대량 생산이 필요하거나 다양한 부품 공급업체에서 인라인 시스템에 비해 배치 시스템이 프로세스 변동이 필요할 때에도 최적의 솔루션이 될 수 있다.
배치 세척 시스템은 크게 두 가지로 분류 할 수 있다.
· 딥 탱크 세척 시스템
· 단일 챔버 스프레이 시스템
딥 탱크 세척 시스템에서는 일반적으로 어셈블리에 개별 세척, 린스 및 드라이 순으로 진행된다(그림 2).

그림 2. 침지세척 시스템의 개략도

딥 탱크 세척 시스템을 사용하면 초음파 또는 와류 방식의 세척이 가능하다. 또한 세척될 부품이 다음 단계로 넘어 갈 때 수동 및 자동을 선택하는 것은 산출량에 따라 좌우된다. 이 글에서는 자동화된 프로세스에 대해 초점을 두고 서술한다. 단일 챔버 스프레이 시스템에서의 세척 원리는 식기 세척기 원리와 유사하다(그림 3).

그림 3. 단일 챔버 스프레이 시스템의 개략도

모든 공정 단계는 하나의 챔버에서 실행되며, 회전 스프레이 노즐바가 회전하며 세척액을  전자 어셈블리에 분무하는 방식으로 세척된다. 세척 효과는 일반적으로 인라인 공정과 같이 분무 제트의 압력을 통해서가 아닌, 기판위에 세척액이 씻겨 지나감으로써 세정된다.

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투자를 위한 요인 결정

인라인 시스템에서는 후공정에 영향을 미치는 여러 비용 요인들을 고려해야 한다. 게다가 투자 예산, 예상 생산 속도, 사용 가능한 면적 및 자동화의 정도에 대한 결정은 새로운 투자를 진행할 때에도 매우 중요하다. 표 1은 이러한 부분들과 관련된 다양한 유형의 프로세스에 대한 예를 나타낸다.

표 1. 배치 시스템 투자를 위한 참조 값

표 2. 다양한 기본 재료에 따른 액 손실량

생산량에 초점을 맞추어 볼 때, 배치 시스템은 인라인 시스템에 비해 산출량이 적다. 따라서 배치 공정을 도입하는 것은 시프트당 500∼1500 부품 생산량이 요구 될 때 가장 효과적이다. 하지만 배치 시스템은 콤팩트한 디자인 때문에 인라인 공정보다 훨씬 적은 공간을 필요로 해 생산 통합이 보다 수월하다.
비록 단일 챔버 스프레이 시스템과 자동 침전 시스템 모두 높은 수준의 자동화를 달성했지만, 높은 산출량을 달성하는 것은 단일 챔버 스프레이 시스템보다 자동 침전형 세척 공정이 유리하다. 이는 침전형 시스템 공정 단계의 분리에 기인한다. 이 외에도 멀티 챔버 침전 시스템은 세척조를 다시 비우거나 채울 필요가 없다는 장점이 있다.
그러나 완전한 자동화 세척 공정은 높은 투지비용과 유지비용을 필요로 한다. 이를 상쇄하기 위해서는 시스템이 완벽하게 활용되고 대랑 세척을 가능케해야 한다. 공정 안전성과 적은 인건비용을 모두 충족하는 것은 자동화 공정 흐름과 자동 딥 탱크 시스템, 그리고 단일 챔버 스프레이 시스템을 통해 달성 될 수 있다.
이미 이 시리즈의 이전 아티클에서 언급 한 바와 같이, 에너지, 인력 및 유지 보수에 대한 운영비용의 대부분은 시스템에 의해 미리 결정되므로 비용 절감을 위해 미리 결정 할 수 있는 방안은 없다. 따라서 전자 제품 생산에서의 공정 운영비용 절감에 대한 결정이 매우 중요하다.

‌배치 시스템의 공정 운영비용

본 연구에서 배치 시스템 공정비용은 세척제, 공정 파라미터, 다양한 주변 장치 시스템과 밀접한 관련이 있다는 것을 입증했다(그림 4).

그림 4. 세정 공정에 최적화할 비용요소

이는 인라인 시스템 연구 결과와 유사하며 요소들이 서로 상호 의존적이라는 사실을 나타낸다.

그러나 자세한 공정 평가 결과를 보면, 각각의 요소들이 비용에 영향을 미치는 영향이 각기 다르다는 것으로 파악되었다. 이에 대한 설명은 지금부터 딥 탱크 공정은 단일 챔버 스프레이 세척과 별도로 설명한다.

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딥 탱크 세척 시스템의 운영비용

1. 세척액
일반적으로 최근 수용성 세척액은 원가 절감력이 탁월하다. 과거에 세척액들이 30% 이상의 고농도로 사용된 반면, 최근에는 15∼20%의 낮은 농도로도 우수한 세척 결과를 줄 수 있다. 낮은 농도로 사용할 수 있다는 것은 액이 묻어 나가는 것과 증발 손실을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 최근 세척액은 농도뿐만 아니라 세척액 수명 또한 비용 면에서 매우 중요한 부분을 차지한다.
최근 MPC기술로 개발된 세척액은 간단한 방법으로 액 수명을 연장 시킬 수 있다. 액 수명을 연장함으로써, 세척조의 교환 빈도수를 줄여 비용 절감 할 수 있다. 또한 유지 보수비용 명목의 인건비 절감이 가능하다. 게다가 수용성 세척액과 최근 개발된 솔벤트형 세척액은 인화점이 높아 침전형 세척 시스템에서 적용하는데 위험성이 없다.
이러한 세척액의 주요 특성은 다양한 공정에서 사용이 가능하며 건조가 빠름에도 불구하고 증발 손실량이 기존의 세척액들과 비교하여 매우 적어 비용 효과적이라는 것이다.

2. 공정 파라미터
낮은 농도의 세척액을 사용하면 액이 기판에 묻어나감으로써 발생하는 세척액 손실량을 줄일 수 있다. 특히, 침전방식 시스템의 액 손실량은 무시할 수 없을 정도로 큰데, 전체적인 공정 파라미터를 최적화하면 비용절감 가능성을 높일 수 있으며, 액 손실량 또한 줄일 수 있다.
PCB에 액이 묻어 나가는 것은 기판 재질과 drain 시간에 따라 다르다. 세척될 기판 구조는 액 손실량에 직접적인 영향을 미친다. 어셈블리의 구조를 바꿀 수는 없기 때문에 drain 시간 늘려 액 손실량을 줄이고, 지그(bas-ket) 고안을 통해 PCB에 묻어있는 액을 다시 세척조로 떨어뜨리도록 해야 한다. 기술연구를 통해 확인한 결과, 세척 후 린스존 투입 단계 전의 방치시간(세척 탱크 상부에 위치함)은 반드시 60∼90초가 되어야 한다. 그 이유는 이때 기판에 묻어 있던 많은 양의 세척액이 다시 세척조로 유입될 수 있기 때문이다.

3. 시스템 주변장치
린스 물 트리트먼트 장치는 세척 시스템 주변장치 관점에서 침정방식의 또 다른 중요한 비용절감 요소이다. 또한 활성탄과 혼합이온교환수지는 주요 비용요소이다. 수돗물 1차 린스는 가능하다면 반드시 DI-water 린스에 선행되어야 한다. 그러면 DI-water 생성장치인 활성탄과 혼합이혼교환수지의 로딩을 감소시킬 수 있다. 이러한 방법으로 인해 린스 물 트린트먼트 장치의 가동비용 및 작업 시간에 대한 비용을 절감할 수 있다.

표 3. 다양한 세척 장치에 따른 손실량

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단조 스프레이 세척 시스템의 운영비용

단일 챔버 스프레이 시스템의 비용도 침전 시스템과 유사하게 세척액과 공정 파라미터 및 시스템 주변장치 비용으로 구성된다.

1. 세척액
세척액 관점에서, 어플리케이션 농도와 세척액 수명은 가장 중요한 비용요소이다. 하지만 세척액 교환 주기, 즉 세척액 수명 그 자체는 단일챔버 시스템에서 세척액 전체 교환 시 발생하는 비용과는 크게 연관성이 없다.
그 이유는 세척액은 린스 존으로 드래그 오버 되는 것이 일반적 현상이며, 그 결과로 새로운 세척액이 유입되는데 그 유입된 세척액은 필터에 의해 반복적으로 정화되기 때문이다. 그래서 세척액 수명은 자동 연장되며 비용이 절감된다.

2. 공정 파라미터
단일 챔버 스프레이 공정에서 세척액이 묻어 나감으로써 발생하는 액 손실량은 drain시간을 통해 줄일 수 있다. 그러나 연구 결과를 보면 단조 스프레이 세척 시스템에서의 세척액 소모량은 기판 재질뿐만 아니라 시스템 자체와도 연관성이 있어 보인다.
세척 후 노즐, 펌프, 호스 연결 및 챔버의 벽면에 묻어 있는 세척액은 다음 린스 단계에서 린스 물에 의해 씻겨나간다.
이러한 시스템은 단일 챔버 스프레이 시스템에서 총 공정비용의 약 25%에 달하는 손실량을 차지한다. ZESTRON 기술센터에서 실시한 연구에서, 이러한 값은 세척 장치의 구조에 따라 다양하게 변할 수 있음을 보여주었다.
공정 파라미터 결정시 또 다른 주의 점은 세척조의 히터 설정이다.
예를 들어 지속적으로 공정이 가동되기 위해서는 공급 탱크의 세척액을 가열하는 것이 공정 챔버에서 재 가열하는 것보다 효과적이기 때문이다. 그러나 세척 사이클이 비연속적일 때에는 꾸준한 히팅이 불필요하다.
이는 불필요한 고 에너지 비용을 발생시키고 액 증발 손실량을 높이기 때문이다.

3. 시스템 주변장치
시스템 주변장치로써, 린스 물 처리 비용은 침전방식의 시스템과 유사하다. 하지만 한 가지 주의해야할 점은 오픈형과 폐쇄형 헹굼 회로 간의 차이이다.
만일 완전 폐쇄형 시스템이 가동되면 물 공급 및 폐기 비용이 들지 않지만, 활성탄과 혼합이온교환수지를 교체하는데 드는 비용이 발생할 것이다.
일반적으로 DI-water 트리트먼트 장치 비용은 활성탄과 혼합이온교환수지에 따라 비용이 발생하게 되므로, 이는 신중하게 선택해야 한다. 즉, 1kg당 단가만을 고려할 것이 아니라 카트리지의 흡수 능력을 따져 신중히 선택해야 한다.

요약

이 글에서는 배치 세척 시스템에서 비용 절감을 위해 반드시 고려되어져야 하는 잠재적 지출부분에 대해 설명했다.
우선 인라인 공정과 같이 배치 공정의 주요 비용요소는 세척제, 공정 파라미터, 시스템 주변장치이지만, 이러한 비용 요소들은 상호 유기적으로 조정되어야 한다.
예를 들어 배치 공정의 히팅 장치는 딥 탱크 공정에서 감소시킬 수 있다. 최근 개발된 세척액을 사용하면 낮은 온도에서도 적용할 수 있기 때문이다. 마찬가지로 세척액 손실량과 에너지 비용 또한 진공 배기 장치를 통해 손실을 줄일 수 있다.
이 글을 포함한 해당 시리즈에서 반복적으로 언급되었다시피, 인라인 시스템, 배치 타입의 딥 탱크 또는 단일 챔버 공정의 비용 요소들은 공정 전체의 비용에 다양하게 영향을 준다. 따라서 통합적인 솔루션보다 각 사용자의 개별적인 결정을 통해 공정비용 최적화를 실현해야 한다.

Stefan Strixner, Principal Engineer  ZESTRON Europe
최 준영, 김 도희  HC Corporation