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문제 정의
- 본 연구에서는 PCB 표면 처리에 있어 기존에 사용되던 UV 장비를 대체하여 대기압 플라즈마 장비를 개발하고 이의 표면 처리 효과를 비교하고자 하는 것이다. 대기압 플라즈마 장비를 PCB 표면 처리에 적용함에 있어 기술적으로 문제가 되는 것은 스트리머(streamer) 현상 및아킹 (arching) 현상에 의한 PCB 표면 손상의 문제 이다.
- 본 연구에서는 PCB 표면 처리에 있어 기존에 사용되던 저압 수은 램프 방식의 UV 장비를 대체하여 새로이 개발된 리모트 DBD 방식의 인라인 대기압 플라즈마 장비를 적용하였으며, UV 장비와의 비교 실험을 통하여 이의 성능을 확인하고자 하였다. UV 장비 의 PCB 표면 처리 특성과 대기압 플라즈마 장비의 특성을 비교 평가 하기 위하여 PCB의 일종인 플립칩 BGA 기판을 이용하여 실험을 수행하였다.
- 접촉각은 고체 표면의 친수성 정도를 정량적으로 확인할 수 있는 척도로서 접촉각이 낮다는 것은 고체의 표면이 높은 친수성 임을 또는 높은 표면에너지를 가지고 있음을 의미한다. 본 연구에서는 표면 세정 및 개질 효과를 정량적으로 비교 측정하기 위하여 UV 장비 및 대기압 플라즈마 장비로 처리된 PCB 표면의 접촉각을 각각 측정하였다.
- 이와 같은 기술적 문제를 극복하기 위하여 본 연구에서는 Fig. 2(a)와 같은 리모트 DBD 방식 대기압 플라즈마 전극을 개발하였다. DBD 방식 대기압 플라즈마 전극의 구조적 특징은 금속 전극의 한쪽 또는 양쪽에 A12O3 와 같은 세라믹 계열의 유전체가 코팅되어 있다는 것이다.
- 대기압 플라즈마 장비의 처리 시간은 기판 진행 방향의 유효 플라즈마 전극 폭과 기판 이송속도로부터 환산된 값을 이용하였다. 처리 시간에 따른 접촉각을 측정한 목적은 UV 장비와 대기압 플라즈마 장비의 표면 처리 생산성을 비교하기 위한 것이다.
제안 방법
- 또한 처리 후 시간 경과에 따른 접촉각 증가 현상을 두 장비 에 대하여 비교 측정하였다. 2)다음으로 UV 및 대기압 플라즈마 처리에 따른 표면 조성의 변화를 측정하기 위하여 XPS(x-ray photoelectron microscopy) 측정 장비를 이용하였다. UV 및 대기 압 플라즈마 처리 전후의 XPS 측정 결과로부터 각각의 처리에 따른 기판 표면 조성의 변화를 확인할 수 있다.
- UV 및 대기압 플라즈마 처리 전후의 PCB 표면 조성의 변화를 비교 분석 하기 위하여 XPS 측정을 실시 하였다. XPS 측정은 화학 조성의 결합 에너지를 측정하여 표면조성의 정성적, 정량적 분석을 가능케 해주는 방법이다.
- UV 장비 및 대기 압 플라즈마 처리 전후의 기판 표면의 조성 변화를 측정하기 위하여 XPS 장비를 이용하였다. Cis 피크의 측정 결과로부터 UV 및 대기압 플라즈마 장비 모두의 경우 표면의 유기 오염이 비슷한 수준으로 감소되는 경향을 확인하였다.
- 성능을 확인하고자 하였다. UV 장비 의 PCB 표면 처리 특성과 대기압 플라즈마 장비의 특성을 비교 평가 하기 위하여 PCB의 일종인 플립칩 BGA 기판을 이용하여 실험을 수행하였다.
- 4는 UW 장비 와 대 기 압 플라즈마 장비로 처리 된 PCB 표면 접촉각을 처리 시간에 따라 측정한 값을 도시한 것이다. 각 처리 시간에 따른 접촉각은 3개의 위치에서 측정한 접촉각의 평균치를 이용하였다. 대기압 플라즈마 장비의 처리 시간은 기판 진행 방향의 유효 플라즈마 전극 폭과 기판 이송속도로부터 환산된 값을 이용하였다.
- 이로부터 접촉각 기준의 장비의 생산성이 대기 압 플라즈마 장비 가 UV 장비 에 비하여 월등함을 알 수 있었다. 다음으로 UV 및 대기압 플라즈마 처리 후 공기 중에 노출된 표면의 접촉각 증가 현상에 대하여 처리 직후부터 7일까지 비교 측정을 수행하였다. 측정 결과 초기접촉각 22~26도 수준에서 두 장비 처리 결과 모두 10도 내외의 접촉각 증가를 보여 주었다.
- 각 처리 시간에 따른 접촉각은 3개의 위치에서 측정한 접촉각의 평균치를 이용하였다. 대기압 플라즈마 장비의 처리 시간은 기판 진행 방향의 유효 플라즈마 전극 폭과 기판 이송속도로부터 환산된 값을 이용하였다. 처리 시간에 따른 접촉각을 측정한 목적은 UV 장비와 대기압 플라즈마 장비의 표면 처리 생산성을 비교하기 위한 것이다.
- 그러나 PCB의 경우 그 표면에 도체 및 부도체가 혼재되어 있어 플라즈마에 직접 노출시킬 경우 스트리머에 의해 표면이 손상될 수 있다. 따라서 Fig. 2(a)와 같이 전극 사이에서 형성된 플라즈마를 외부 기체의 흐름을 이용하여 전극 외부로 이동시킨 후 기판에 간접 분사하는 방법을 채택하였다. 이와 같은 방법을 사용함으로써 회로 패턴의 손상을 최소화 할 수 있다.
- 이는 제조 라인 각 단위 공정의 재공(stock) 상황에 따른 것이다. 따라서 Fig. 5 실험에서는 UV 및 대기압 플라즈마 장비로 처리 직후부터 7일까지의 경우에 대하여 공기 중에 노출된 PCB 표면 접촉각의 변화를 측정하였다. 각 경과 시간에 따른 접촉각은 Fig.
- UV 및 대기 압 플라즈마 처리 전후의 XPS 측정 결과로부터 각각의 처리에 따른 기판 표면 조성의 변화를 확인할 수 있다. 또한 각각의 처리에 따른 표면 조도의 변화는 처리 전후 표면의 SEM 사진을 통하여 비교 확인하였다. 와)이상의 실험으로부터 대기압 플라즈마 장비를 이용하여 PCB 표면을 처리 하는 경우 표면 조성 의 변화는 W 장비와 동일한 효과를 얻으면서 표면 처리의 생산성은 크게 증대 시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 먼저, 두 장비의 생산성을 비교 하기 위하여 처리 시간에 따른 표면 접촉각의 변화를 측정하였다. 또한 처리 후 시간 경과에 따른 접촉각 증가 현상을 두 장비 에 대하여 비교 측정하였다. 2)다음으로 UV 및 대기압 플라즈마 처리에 따른 표면 조성의 변화를 측정하기 위하여 XPS(x-ray photoelectron microscopy) 측정 장비를 이용하였다.
- 또한 플라즈마가 배출되는 하부의 전극 플레 이 트에는 등간격의 구멍을 여러 개 뚫어 플라즈마 처리 특성이 전극 전체적으로 균일하게 유지되도록 설계하였다. 이는 진공 플라즈마 장비 에서 사용되는 샤워 헤드(shower head) 방식 과 유사한 구조이다.
- 마지막으로 UV 장비에 비하여 샌사성이 높은 대기압플라즈마 장비를 플립칩 BGA 공정 중에서 플럭스 도포 공정의 전처리 공정에 적용하였다. 적용 결과 기판 전면의 플럭스 불균일 도포 문제를 대기압 플라즈마 처리함으로써 효과적으로 개선할 수 있음을 확인하였다.
- 먼저 두 장비의 생산성을 정량적으로 비교 측정하기 위하여 처리 시간에 따른 기판 표면의 접촉각 변화를 측정하였다. 측정 결과 솔더리지스트 영역의 경우 초기 접촉각 75도로부터 50도 수준까지 접촉각을 감소시 키는데 필요한 처리 시 간은 UV 장비 의 경우가 250초 수준인데 비하여 대기압 플라즈마 장비의 경우 2초에 불과한 것으로 나타났다.
- BGA 기판을 대상으로 실험을 수행하였다. 먼저, 두 장비의 생산성을 비교 하기 위하여 처리 시간에 따른 표면 접촉각의 변화를 측정하였다. 또한 처리 후 시간 경과에 따른 접촉각 증가 현상을 두 장비 에 대하여 비교 측정하였다.
- D PCB 기판과 같은 대면적 기판을 균일하게 처리하기 위해 서 는 DBD(dielectric barrier discharge) 방식의 대 기 압 플라즈마 장비가 이용된다. 본 연구에서는 DBD 방식의 문제 점 인 스트리 머 에 의한 기 판 손상을 최 소화하기 위 하여 리모트 DBD 방식의 전극을 개 발하였으며 이를 이용하여 인라인 방식의 장비를 구성하였다.
- 따라서도 영향을 받는다. 본 연구에서는 PCB 제조 공정에서 경험적으로 사용되고 있는 간격 및 출력을 사용하였다. UV장비의 경우 기판과 K램프의 간격은 10mm로 유지하였으며 전원 공급 장치의 출력은 양면 기준 2.
- 등이 있다. 본 연구에서는 공정 비용 등을 고려 하여 N2 및 Air만을 사용하는 방식을 채택 하였다. Ar, CF4, O2 등을 사용함으로써 방전 전압을 낮출 수 있고 또한 공정효율을 향상시 킬 수 있으나 추가적인 가스 비 용을 부담해야 하는 문제가 있다.
- 생산성으로 얻을 수 있음을 확인하였다. 이에 따라본 연구에서는 Fig. 3 플립 칩 BGA 기판의 반도체칩 부착공정(die attach process)에 대기압 플라즈마를 적용하여 실험을 수행하였다. 칩부착 공정은 플립칩 BGA 기판에 반도체 칩을 실장하는 공정으로서 반도체 칩 이 플립 칩 BGA 기판에 정상적으로 부착되기 위해서는 플럭스(flux) 를 기판 전면에 균일하게 도포(printing)하는 것이 중요하다.
- 이와 같은 문제를 개선하기 위하여 본 연구에서는 플럭스 프린트 공정 전에 기판의 표면을 Fig. 2 대기압 플라즈마 장비를 이용하여 처리하였다. 처리 전 70~80도 수준의 접촉각 특성을 가지는 기 판 표면을 대 기 압 플라즈마를 이용하여 2sec 정도 처리 함으로써 50도 이 하로 낮출 수 있었다.
- 그림 에서 실선은 처리 전, 일점쇄선은 UV 처리 후, 점선은 대기압 플라즈마 처리 후의 결과이다. 측정은 UV 및 대기 압 플라즈마를 충분히 처리하여 표면 접촉각을 30도 수준까지 낮춘 후 진행 하였다. XPS로 측정한 PCB 표면 조성 의 주요 성분은 C, O, Si 이다.
- 4 KW 로 하여 실험을 진행하였다. 한편 대기압 플라즈마 장비의 경우 기판 및 플라즈마 전극의 간격은 3 mm, 전원 공금 장치의 출력은 12KW로 하여 실험을 진행하였다.
- 한편 전극 내부에서 발생한 플라즈마를 균일하게 대 면적 기판 전면에 분사하기 위해서 복수의 전극을 병렬로 배치하여 각각에 별도로 공정 가스가 주입 되도록 설계하였다. 또한 플라즈마가 배출되는 하부의 전극 플레 이 트에는 등간격의 구멍을 여러 개 뚫어 플라즈마 처리 특성이 전극 전체적으로 균일하게 유지되도록 설계하였다.
대상 데이터
- 개발된 대기압 플라즈마 장비의 PCB 표면 처리 성능을 기존의 UV 장비와 비교하기 위하여 PCB의 일종인 플립칩 BGA 기판을 대상으로 실험을 수행하였다. 먼저, 두 장비의 생산성을 비교 하기 위하여 처리 시간에 따른 표면 접촉각의 변화를 측정하였다.
이론/모형
- 이와 같은 구조를 채택함으로써 플라즈마가 아킹으로 전이되는 것을 방지하고 안정적인 글로우 방전 상태가 유지되도록 할 수 있다. 또한 전극 구조적으로는 리모트 플라즈마(remote plasma) 방식을 적 용하였다. 일반적인 DBD 방식 전극을 이용하여 평판디스플레이 등의 대면적 기판을 처리할 때는 기판을 전극 사이에 위치시키고 플라즈마에 직접 노출시키는 방법을 사용한다.
성능/효과
- 대기압 플라즈마 장비로 처리 경우는 초기 22도에서 7일 경과 후 36도까지 접촉각이 증가하였다. 이상의 결과로부터 " 장비 및 대기 압 플라즈마 장비 모두 초기 접촉각 22~26도 수준에서 7일 경과 후 접촉각이 10도 내외로 증가함을 알 수 있다. 초기 접촉각의 차이를 고려할 때 UV 장비와 대기압 플라즈마 장비의 처리 후 시간 경과에 따른 접촉각의 증가 경향은 큰 차이가 없다고 결론 내릴 수 있다.
- (Fig. 4(a)) 접촉각의 감소 경 향은 처 리 시간 기준으로 750초 이하에서 급격하게 진행되며 750초 이상에서 는 처리 시간 증가에 따른 접촉각의 감소가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 영역 1은 처리 시간 증가에 따라 접촉각이 20도 수준까지 감소되며 영 역2의 경우는 40도 수준까지 감소하였다.
- Fig. 4(a)와 (b)의 결과로부터 알 수 있는 분명한 차이는 접촉각 기준으로 측정된 대기압 플라즈마 처리의 생산성이 UV 처리 경우보다 매우 높다는 것이다. 접촉각 50도를 기준으로 할 때 UV 장비로 처리할 경우 영역 1의 경우는 250초, 영 역2의 경우는 750초 이상을 처리 하여 야 함을 알 수 있다.
- 이용하였다. Cis 피크의 측정 결과로부터 UV 및 대기압 플라즈마 장비 모두의 경우 표면의 유기 오염이 비슷한 수준으로 감소되는 경향을 확인하였다. 또한, Ols 및 Si2p 피크의 측정 결과로부터 UV 및 대기압 플라즈마 처리함으로써 기판표면의 조성의 일부가 산화되는 것을 확인할 수 있었다.
- Cis 피크의 측정 결과로부터 UV 및 대기압 플라즈마 장비 모두의 경우 표면의 유기 오염이 비슷한 수준으로 감소되는 경향을 확인하였다. 또한, Ols 및 Si2p 피크의 측정 결과로부터 UV 및 대기압 플라즈마 처리함으로써 기판표면의 조성의 일부가 산화되는 것을 확인할 수 있었다.
- 최종적으로 개발된 대기 압 플라즈마 장비를 플립칩 BGA 기판의 플럭스 프린팅 공정에 적용하였다. 실험 결과 플럭스 프린팅 공정 전에 대기압 플라즈마를 처리하여 표면을 친수성 개질함으로써 플럭스가 기판 전면에 균일하게 도포되는 결과를 확인하였다.5)
- 또한 각각의 처리에 따른 표면 조도의 변화는 처리 전후 표면의 SEM 사진을 통하여 비교 확인하였다. 와)이상의 실험으로부터 대기압 플라즈마 장비를 이용하여 PCB 표면을 처리 하는 경우 표면 조성 의 변화는 W 장비와 동일한 효과를 얻으면서 표면 처리의 생산성은 크게 증대 시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 최종적으로 개발된 대기 압 플라즈마 장비를 플립칩 BGA 기판의 플럭스 프린팅 공정에 적용하였다.
- 측정 결과 솔더리지스트 영역의 경우 초기 접촉각 75도로부터 50도 수준까지 접촉각을 감소시 키는데 필요한 처리 시 간은 UV 장비 의 경우가 250초 수준인데 비하여 대기압 플라즈마 장비의 경우 2초에 불과한 것으로 나타났다. 이로부터 접촉각 기준의 장비의 생산성이 대기 압 플라즈마 장비 가 UV 장비 에 비하여 월등함을 알 수 있었다. 다음으로 UV 및 대기압 플라즈마 처리 후 공기 중에 노출된 표면의 접촉각 증가 현상에 대하여 처리 직후부터 7일까지 비교 측정을 수행하였다.
- 이상의 XPS 분석 결과로부터 표면의 유기 오염 제거 및 표면 조성의 산화 특성은 UV 처리 및 대기압 플라즈마 처리의 경우가 유사한 것을 확인할 수 있다. 따라서 기존에 UV 장비를 이용하여 PCB 표면 처리를 수행하는 공정을 대기압 플라즈마를 이용하여 대체하는 경우 동일한 공정 결과를 얻을 수 있으면서도 생산성을 크게 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 최근 저압 수은 램프의 이상과 같은 기판 이송속도 한계를 극복하기 위하여 저압 수은 램프를 대신하여 엑시머 UV 램프를 사용한 UV 장비가 개발되고 있으나 램프 가격이 매우 고가라는 단점이 있다. 이상의 결과로부터 접촉각 기준으로 측정된 PCB 표면 처리의 생산성은 대기압 플라즈마 장비가 UV 장비에 비하여 매우 우수하다고 결론 내릴 수 있다.
- 전처리 공정에 적용하였다. 적용 결과 기판 전면의 플럭스 불균일 도포 문제를 대기압 플라즈마 처리함으로써 효과적으로 개선할 수 있음을 확인하였다.
- 피크의 위치 및 상대 농도 변화 등 전반적인 결과는 영역 1의 결과와 유사하다. 즉 UV 및 대기압 플라즈마 처리에 따른 Cis 상대 농도의 감소, Ols 상대 농도의 증가 및 Si2p 피크의 이동이 관찰되었다.
- 지금까지의 결과로부터 PCB 표면 처리에 있어 대기압플라즈마를 사용함으로써 UV 장비와 동일한 효과를 더 높은 생산성으로 얻을 수 있음을 확인하였다. 이에 따라본 연구에서는 Fig.
- 이상의 결과로부터 " 장비 및 대기 압 플라즈마 장비 모두 초기 접촉각 22~26도 수준에서 7일 경과 후 접촉각이 10도 내외로 증가함을 알 수 있다. 초기 접촉각의 차이를 고려할 때 UV 장비와 대기압 플라즈마 장비의 처리 후 시간 경과에 따른 접촉각의 증가 경향은 큰 차이가 없다고 결론 내릴 수 있다.
- 측정 결과 솔더리지스트 영역의 경우 초기 접촉각 75도로부터 50도 수준까지 접촉각을 감소시 키는데 필요한 처리 시 간은 UV 장비 의 경우가 250초 수준인데 비하여 대기압 플라즈마 장비의 경우 2초에 불과한 것으로 나타났다. 이로부터 접촉각 기준의 장비의 생산성이 대기 압 플라즈마 장비 가 UV 장비 에 비하여 월등함을 알 수 있었다.
- 다음으로 UV 및 대기압 플라즈마 처리 후 공기 중에 노출된 표면의 접촉각 증가 현상에 대하여 처리 직후부터 7일까지 비교 측정을 수행하였다. 측정 결과 초기접촉각 22~26도 수준에서 두 장비 처리 결과 모두 10도 내외의 접촉각 증가를 보여 주었다.
후속연구
- 따라서 기존에 UV 장비를 이용하여 PCB 표면 처리를 수행하는 공정을 대기압 플라즈마를 이용하여 대체하는 경우 동일한 공정 결과를 얻을 수 있으면서도 생산성을 크게 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다.
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