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문제 정의
- 본 연구에서는 CPU 칩 내 금이 국부적으로 존재한다는 사실로부터 CPU 칩의 해체공정을 전처리 방법으로써 제안하고자 한다. 먼저 CPU 칩을 베어다이, IC 기판, 터미널로 구분한 뒤 각 부분에 대한 금의 분포 형태를 확인하였다.
- 터미널의 경우 200℃ 내외에서 IC 기판과의 연결면에 있는 땜납(SnPb 합금)이 기계적 강도가 매우 약하고 낮은 융점으로 인해 쉽게 해체가 일어나지만 베어다이의 경우 IC 기판과 수지 성분의 접착제로 상호간 고정이 되어있어 좀 더 높은 열과 강한 외력을 필요로 한다. 이러한 점을 고려하여 터미널과 베어다이를 효율적으로 해체시키기 위해 각 연결 부위의 부착성분에 따라 온도와 외부로부터 작용하는 힘을 다르게 주고자 하였다.
제안 방법
- 2.터미널과 베어다이의 IC 기판과의 접착력 차이를 반영하여 두 개의 구역으로 나누어 상단은 터미널의 해체, 하단은 베어다이의 해체가 이루어지도록 해체 장치를 설계 및 제작하였다.
- 3. 칩 해체장치를 이용하여 터미널과 베어다이 해체 실험을 수행하였다. F-PGA 칩 터미널의 경우 온도 300℃, 가열시간 90초 경과 분리할 수 있었으며, FPGA 및 W-BGA 칩 공히 온도 300℃, 롤러속도 90 rpm에서 가열시간 180초 경과 베어다이를 100% 해체하는 조건을 확인하였다.
- 4. 해체 장치를 이용하여 CPU 칩의 해체 전/후 금 금속의 품위를 확인하였다. F-PGA 칩의 경우 금의 품위는 1,083 ppm였으며 터미널, 베어다이, IC 기판으로 해체 후 각각 3,782 ppm, 0 ppm, 219.
- CPU 칩 내 금의 분포 형태를 구체적으로 확인하기 위하여 금이 존재할 것으로 예상되는 곳을 세분화하여 선정한 뒤 각 부분의 금 함유량을 알아보았다. 금 함유율의 평가 대상은 1) 터미널, 2) 베어다이, 3) IC 기판 내부, 4) IC 기판의 표면, 5) 베어다이와 IC 기판 사이 경계면을 포함하는 총 다섯 부분이다.
- IR 히터 온도는 150℃에서 300℃까지 가열시간은 30초에서 180초까지 변화시켜가며 실험을 진행한 뒤 해체율을 측정하였다. 베어다이 해체실험 시에는 일차적으로 IR 히터의 온도에 따른 해체율을 평가해 최적의 온도 조건을 설정 후 다른 운전변수인 롤러회전속도를 50 rpm, 70 rpm, 90 rpm으로, 가열시간은 30초에서 240초까지 바꾸어가며 해체율을 평가하였다.
- 하단의 베어다이 해체 구간은 IR 히터, 톱니모양의 롤러 및 분리날로 구성하였다. IR 히터를 이용하여 온도를 높여줌과 동시에 톱니모양의 롤러를 설치하여 CPU 칩의 베어다이가 분리날에 의해 해체될 수 있는 충분한 외력이 가해질 수 있도록 하였다. 특히 분리날 끝을 날카롭게 하여 좁은 범위에 힘이 집중될 수 있도록 설계하였다.
- W-BGA 칩의 경우 터미널을 해체하기 어렵다는 점을 고려하여 베어다이의 해체 실험만을 진행하였다. Fig.
- 금 함유율의 평가 대상은 1) 터미널, 2) 베어다이, 3) IC 기판 내부, 4) IC 기판의 표면, 5) 베어다이와 IC 기판 사이 경계면을 포함하는 총 다섯 부분이다. 각 부분의 금 함유량을 평가하기 위해 CPU 칩을 순차적으로 해체 및 침출하였다. Fig.
- 베어다이 해체실험 시에는 일차적으로 IR 히터의 온도에 따른 해체율을 평가해 최적의 온도 조건을 설정 후 다른 운전변수인 롤러회전속도를 50 rpm, 70 rpm, 90 rpm으로, 가열시간은 30초에서 240초까지 바꾸어가며 해체율을 평가하였다. 각 조건에서 3번의 반복실험을 통하여 해체율의 평균값을 도출하였으며 해체율이 최대가 되는 조건을 최적의 운전조건으로 선정하였다.
- 칩 해체장치를 이용해 분리된 베어다이, IC 기판, 터미널 세 부분에 대해서 구리, 철, 니켈, 주석 금속 함유량을 확인하였다. 그리고 온전한 CPU 칩의 금속 품위와 해체된 CPU 칩의 각 부분에 대한 금속 품위를 비교하였다. 해체된 CPU 칩 시료는 부분별로 분쇄하여 분쇄 산물을 고액비 1 : 20로 하여 온도 60℃의 왕수에서 3시간 침출한 후 금속 함유량을 ICP-OES를 통해 분석하였다.
- 먼저 CPU 칩을 베어다이, IC 기판, 터미널로 구분한 뒤 각 부분에 대한 금의 분포 형태를 확인하였다. 그리고 칩 해체장치를 제작하여 가열온도, 롤러 회전속도, 가열시간 등의 조건을 변화시켜 주며 최적의 조건을 도출하였다. 마지막으로 최적의 조건 하에서 CPU 칩을 해체하고 각 부분에 대하여 금과 이외의 금속 품위를 확인함으로써 해체처리의 당위성을 다시 한 번 확인하였다.
- FPGA 칩의 경우 베어다이 구성성분의 대부분이 실리콘(Si)이므로 분석 대상에서 제외하였다. 또한 W-BGA 칩의 터미널은 IC 기판의 표면으로 취급하여 분석치를 해석하였다.
- 그리고 칩 해체장치를 제작하여 가열온도, 롤러 회전속도, 가열시간 등의 조건을 변화시켜 주며 최적의 조건을 도출하였다. 마지막으로 최적의 조건 하에서 CPU 칩을 해체하고 각 부분에 대하여 금과 이외의 금속 품위를 확인함으로써 해체처리의 당위성을 다시 한 번 확인하였다.
- 본 연구에서는 CPU 칩 내 금이 국부적으로 존재한다는 사실로부터 CPU 칩의 해체공정을 전처리 방법으로써 제안하고자 한다. 먼저 CPU 칩을 베어다이, IC 기판, 터미널로 구분한 뒤 각 부분에 대한 금의 분포 형태를 확인하였다. 그리고 칩 해체장치를 제작하여 가열온도, 롤러 회전속도, 가열시간 등의 조건을 변화시켜 주며 최적의 조건을 도출하였다.
- ratio)를 사용하였으며 침출 조건은 고액비 1:20, 온도 60℃, 침출 시간 3시간으로 고정하였다14-17). 반응기는 내부용량 0.5 L의 Double-jacket Pyrex Glass 용기를 사용하였고 항온조(CW-05G, JEIO TECH)를 설치하여 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하였으며 냉각기를 설치하여 침출 공정 중 높은 온도에 의한 침출 용액의 기화 현상이 최소화되도록 하였다. 분쇄 시료(터미널, 베어다이)의 경우 magnetic bar를 이용하여 200 rpm으로 교반과 동시에 침출을 실시하였고, CPU 칩 표면의 침출 실험에서는 침출시 발생하는 기포가 교반의 효과를 대신할 것으로 기대되어 기계적인 교반을 실시하지 않았다.
- IR 히터 온도는 150℃에서 300℃까지 가열시간은 30초에서 180초까지 변화시켜가며 실험을 진행한 뒤 해체율을 측정하였다. 베어다이 해체실험 시에는 일차적으로 IR 히터의 온도에 따른 해체율을 평가해 최적의 온도 조건을 설정 후 다른 운전변수인 롤러회전속도를 50 rpm, 70 rpm, 90 rpm으로, 가열시간은 30초에서 240초까지 바꾸어가며 해체율을 평가하였다. 각 조건에서 3번의 반복실험을 통하여 해체율의 평균값을 도출하였으며 해체율이 최대가 되는 조건을 최적의 운전조건으로 선정하였다.
- 베어다이 해체율(ηb)은 해체 전/후 베어다이의 디지털 화상을 촬영 후 면적을 구하여 이들 면적의 백분율로서 평가하였다.
- 본 연구에서는 해체 성능을 정량적으로 평가하기 위하여 ‘터미널 해체율’ 및 ‘베어다이 해체율’ 개념을 도입하였다.
- 이상의 실험 방법을 F-PGA 칩, W-BGA 칩에 공통적으로 적용하여 부품간의 금 분포 및 함유량을 비교 분석하였다.
- 첫번째 터미널 해체 구간에서는 IR 히터와 분리날을 설치하여 터미널이 분리날에 걸쳐진 상태에서 일정시간 동안 표면을 가열해주도록 하였다. 이후 CPU 칩의 자중 및 연이어 투입되는 CPU 칩의 무게와 분리날이 터미널을 밀어내는 힘에 의해 터미널이 해체가 되도록 하였다.
- 첫번째 터미널 해체 구간에서는 IR 히터와 분리날을 설치하여 터미널이 분리날에 걸쳐진 상태에서 일정시간 동안 표면을 가열해주도록 하였다. 이후 CPU 칩의 자중 및 연이어 투입되는 CPU 칩의 무게와 분리날이 터미널을 밀어내는 힘에 의해 터미널이 해체가 되도록 하였다.
- 분쇄 시료(터미널, 베어다이)의 경우 magnetic bar를 이용하여 200 rpm으로 교반과 동시에 침출을 실시하였고, CPU 칩 표면의 침출 실험에서는 침출시 발생하는 기포가 교반의 효과를 대신할 것으로 기대되어 기계적인 교반을 실시하지 않았다. 침출 용액 내 주요금속의 성분 조성은 ICPOES를 통해 분석하였다.
- 칩 해체장치 내 조작변수에 따라 CPU 칩을 베어다이, IC 기판, 터미널 세 부분으로 해체하는 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 해체 성능을 정량적으로 평가하기 위하여 ‘터미널 해체율’ 및 ‘베어다이 해체율’ 개념을 도입하였다.
- 칩 해체장치 제작 CPU 칩의 해체작업을 용이하게 하기 위하여 칩 해체장치를 제작하였다.
- 칩 해체장치를 이용해 분리된 베어다이, IC 기판, 터미널 세 부분에 대해서 구리, 철, 니켈, 주석 금속 함유량을 확인하였다. 그리고 온전한 CPU 칩의 금속 품위와 해체된 CPU 칩의 각 부분에 대한 금속 품위를 비교하였다.
- 칩 해체장치의 상·하단의 공통된 조작변수는 IR 히터 온도 및 가열시간이며 하단의 경우 롤러 회전 속도 영향을 추가로 확인하였다.
- IR 히터를 이용하여 온도를 높여줌과 동시에 톱니모양의 롤러를 설치하여 CPU 칩의 베어다이가 분리날에 의해 해체될 수 있는 충분한 외력이 가해질 수 있도록 하였다. 특히 분리날 끝을 날카롭게 하여 좁은 범위에 힘이 집중될 수 있도록 설계하였다.
- 그리고 온전한 CPU 칩의 금속 품위와 해체된 CPU 칩의 각 부분에 대한 금속 품위를 비교하였다. 해체된 CPU 칩 시료는 부분별로 분쇄하여 분쇄 산물을 고액비 1 : 20로 하여 온도 60℃의 왕수에서 3시간 침출한 후 금속 함유량을 ICP-OES를 통해 분석하였다.
- 해체된 CPU 칩의 각 부분별로 금을 제외한 주요 비금속(Base metal)의 함유량을 분석하여 비교하였다. FPGA 칩의 경우 베어다이 구성성분의 대부분이 실리콘(Si)이므로 분석 대상에서 제외하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 CPU 칩은 F-PGA 타입과 WBGA 타입이다. 대상 CPU 칩은 Fig. 1에서와 같이 베어다이, IC 기판, 터미널 등 세 부분으로 구성되어 있다. F-PGA 칩의 경우 1 cm 내외 정방형의 베어다이가 IC 기판에 부착된 형태를 하고 있으며 터미널은 핀 (Pin) 형태를 띠고 있다.
- 본 연구에서 사용된 CPU 칩은 F-PGA 타입과 WBGA 타입이다. 대상 CPU 칩은 Fig.
- 침출 용액으로는 왕수(HCl : HNO3 = 3:1, Vol. ratio)를 사용하였으며 침출 조건은 고액비 1:20, 온도 60℃, 침출 시간 3시간으로 고정하였다14-17). 반응기는 내부용량 0.
- 하단의 베어다이 해체 구간은 IR 히터, 톱니모양의 롤러 및 분리날로 구성하였다. IR 히터를 이용하여 온도를 높여줌과 동시에 톱니모양의 롤러를 설치하여 CPU 칩의 베어다이가 분리날에 의해 해체될 수 있는 충분한 외력이 가해질 수 있도록 하였다.
이론/모형
- 한편 베어다이의 면적은 촬영된 베어다이 화상의 pixel 개수를 카운팅하여 구하였으며 이를 위해 범용 이미지처리소프트웨어인 LAS(Leica Application Suite)를 사용하였다.
성능/효과
- 1. F-PGA 칩 내 금의 80.8%가 터미널에, W-BGA 칩 내 금의 89.8%가 베어다이에 편재되어 있었다. 이 외의 금은 두 CPU 칩 모두 베어다이와 IC 기판의 경계면 및 IC 기판 표면에 분포되어 있음을 확인하였다.
- 5. 본 연구에서는 F-PGA 칩은 터미널, W-BGA 칩은 베어다이에 금의 함량이 집중되어 높은 품위를 나타내었고 두 CPU 칩 모두 IC 기판에 함유된 금은 표면에 분포하여 용이하게 회수할 수 있을 것으로 판단된다.
- 칩 해체장치를 이용하여 터미널과 베어다이 해체 실험을 수행하였다. F-PGA 칩 터미널의 경우 온도 300℃, 가열시간 90초 경과 분리할 수 있었으며, FPGA 및 W-BGA 칩 공히 온도 300℃, 롤러속도 90 rpm에서 가열시간 180초 경과 베어다이를 100% 해체하는 조건을 확인하였다.
- F-PGA 칩과 마찬가지로 IR 히터 온도가 300sup>℃일 때 베어다이의 분리가 일어났으며 F-PGA 칩과 비교해서 좀 더 빠른 시간에 분리가 시작되는 것을 확인되었다.
- F-PGA 칩의 경우 터미널의 분리를 통해 전체 CPU 칩의 80.8%에 해당하는 금을 회수할 수 있었고 이 때 터미널 내 금의 품위는 3,782 ppm으로 나타났다. 이는 F-PGA 타입 CPU 칩의 금의 품위인 1,083 ppm의 약 3.
- 1% 로 나타났으며 철, 니켈 등의 금속이 소량 함유되어 있는 것으로 확인되었다. W-BGA 칩의 경우 금의 함유량이 4,511 ppm으로 매우 높게 나타났고 구리의 함유량도 28.4%로 비교적 높은 것으로 나타났다. 기타 철, 니켈 등의 금속은 F-PGA 칩에 비해 상대적으로 적은 것으로 확인되었다.
- 8%는 베어다이와 IC 기판의 경계면에 각각 존재하는 것을 확인하여 표면의 침출만으로도 상당량의 금을 회수할 수 있을 것으로 나타났다. W-BGA 칩의 경우 전체 금 함량의 약 90% 가까이가 베어다이 내부에 존재하는 것으로 확인되었으며 나머지 약 10%의 금은 해체된 IC 기판 표면에 존재하는 것으로 나타났다.
- F-PGA 칩과 마찬가지로 IR 히터 온도가 300sup>℃일 때 베어다이의 분리가 일어났으며 F-PGA 칩과 비교해서 좀 더 빠른 시간에 분리가 시작되는 것을 확인되었다. 가열시간이 길어질수록 해체율이 증가하였으며 180초 이상 가열을 가열하였을 때 베어다이는 완전히 해체되었다. Fig.
- 5 ppm으로 나타났다. 또한 W-PGA 칩의 금의 품위는 4,511 ppm이며 베어다이, IC 기판으로 해체 후 각각 8,678 ppm, 411.3 ppm으로 나타났다.
- 5(b)는 300℃ 온도에서 롤러회전속도와 가열시간을 변수로 하여 베어다이의 해체율을 측정한 결과이다. 롤러의 회전속도가 증가함에 따라 해체율이 증가되는 것을 확인하였다. 한편 가열온도 200℃ 이상의 범위에서 가열시간이 45초 이상 경과하였을 때 IC 기판의 표면이 부풀어 오르기 시작하였으며 60초 이후에는 미세한 연기가 나는 것을 확인할 수 있었다.
- 이는 W-BGA 타입 CPU 칩 내 금의 품위인 4,511 ppm과 비교해 2배 가까이 농축된 수치이다. 베어다이가 해체된 W-BGA 칩에는 IC 기판과 터미널이 남게 되는데 여기에는 CPU 칩 내 함유량의 약 10%정도에 해당하는 금이 410 ppm의 품위로 존재하고 있는 것으로 나타났다. F-PGA 칩에서와 마찬가지로 이들로부터의 금의 회수는 표면 침출을 통해서 용이하게 할 수 있었다.
- Table 1은 F-PGA 칩과 W-BGA 칩의 성분을 ICPOES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer) 분석을 통해 정리한 것이다. 분석 결과 F-PGA 칩의 경우 금과 구리의 함유량이 각각 1,083 ppm, 23.1% 로 나타났으며 철, 니켈 등의 금속이 소량 함유되어 있는 것으로 확인되었다. W-BGA 칩의 경우 금의 함유량이 4,511 ppm으로 매우 높게 나타났고 구리의 함유량도 28.
- 상술한 바와 같이 F-PGA 칩과 W-BGA 칩 내 금의 분포는 그 차이가 매우 큰 것으로 확인되었다. 두 종류의 CPU 칩 모두 80% 이상의 금이 특정 부분에 편재되어 있으나 편재된 부분은 각각 터미널과 베어다이로 상이했다.
- 7(b)는 300℃의 온도에서 롤러 회전속도와 가열시간을 변수로 하여 베어다이의 해체율을 측정한 결과이다. 앞선 실험에서와 마찬가지로 가열 시간이 길어질수록 분리율이 증가하다가 180초에 이르러 100%의 해체율을 달성할 수 있었다. 이 실험에서는 롤러의 회전속도가 베어다이의 해체율에 크게 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
- 앞선 실험에서와 마찬가지로 가열 시간이 길어질수록 분리율이 증가하다가 180초에 이르러 100%의 해체율을 달성할 수 있었다. 이 실험에서는 롤러의 회전속도가 베어다이의 해체율에 크게 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 최종적으로 베어다이의 최대 해체율 달성을 위한 운전조건은 롤러 회전속도 70 rpm, 가열온도 300℃, 가열시간 180초인 것으로 나타났다.
- 이 실험에서는 롤러의 회전속도가 베어다이의 해체율에 크게 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 최종적으로 베어다이의 최대 해체율 달성을 위한 운전조건은 롤러 회전속도 70 rpm, 가열온도 300℃, 가열시간 180초인 것으로 나타났다. Fig.
- 4는 F-PGA 칩을 대상으로 해체장치 내 IR 히터 온도와 가열시간에 따른 터미널의 해체율을 나타낸 것이다. 해체율은 온도가 높아지고 가열시간이 길어짐에 따라 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 터미널은 온도 150℃에서 가열시간 180초 경과 후 해체되기 시작하였으며 온도 조건 250℃부터는 가열시간을 120초 이상으로 하였을 때 터미널의 해체율이 77.
후속연구
- 5% 품위의 많은 양의 구리를 함유하고 있었으며 그 외의 금속의 함유량은 2% 내외로 나타났다. 이러한 결과를 통해 베어다이를 해체하여 금을 회수함과 동시에 구리 함유량이 높은 IC 기판의 리싸이클링 가능성 또한 검토해볼 수 있을 것으로 판단된다.
- 한편 CPU 칩 해체 실험 결과, 예상보다 높은 온도인 300℃이상에서 해체가 시작되었는데 이는 칩 해체 장치의 방열구조의 미흡으로 열의 손실이 발생했기 때문으로 판단된다. 이를 보완한다면 보다 낮은 에너지 비용으로 해체가 가능할 것으로 보인다. Fig.
- 이로부터 터미널의 해체를 통해 금 뿐 아니라 철, 니켈, 주석과 같은 금속의 농축을 기대할 수 있다. 이와 더불어 침출제를 다량 소비시키는 구리와 같은 금속을 IC 기판과 함께 사전 제거함으로써 금의 침출을 보다 경제적으로 행할 수 있을 것으로 기대된다. 터미널을 구성하는 혼합물 간의 침출 공정에 대해서는 앞으로 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 이와 더불어 침출제를 다량 소비시키는 구리와 같은 금속을 IC 기판과 함께 사전 제거함으로써 금의 침출을 보다 경제적으로 행할 수 있을 것으로 기대된다. 터미널을 구성하는 혼합물 간의 침출 공정에 대해서는 앞으로 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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