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민서 정
5 years ago
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1 한국정밀공학회지제 5 권제 6 호 (8 년 6 월 ) Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 5, No. 6, June 8 특집 전자부품패키징기술 CCM 정밀공정에사용되는장비의청정도평가 이문석 *, 박영진 ** A Clean Level Test for a Precise Devise in CCM Assembly Process MoonSeok Lee * and Youngjin Park ** Key Words : Clean level test ( 청정도실험 ), Stage ( 스테이지 ) 1. 서론 현재반도체및 LCD, Compact Camera Module(CCM) 과같이고정밀도를요하는제조공정들이산업전반에걸쳐증가하고있다. 이런정밀공정은제조공정에서의고정밀도제어도중요하지만, 미세먼지에의해제품이오염되어제품의불량이발생하는문제도매우중요하다. 이런미세먼지에의한제품의오염을막기위해, 정밀제조공정외에작업환경을고청정의환경으로유지하는것도매우중요하다. 이런정밀공정이이루어지는 clean room 1 은 Federal Standard 9D 와 ISO standard 15-1 등에서 Table1~ 와같이제시되는청정기준으로평가되며, Federal Standard 9D 에따르면고정밀작업들은 Class 혹은 의깨끗한환경에서작업이이루어져야한다. 이를위해, 기존의많은연구와실험을통해 clean room 에대한여러청정방법들이제시되어왔다. 이런방법들은 clean room 의청정도를평가하는방법, 혹은외부에서유입되는먼지를효과적으로차단하는방식그리고원하는청정도에따른작업 * KAIST 기계공학과, Tel , Fax esteban@kaist.ac.kr ** KAIST 기계공학과, 구조동역학, 구조 / 음향연성문제에관심을두고연구활동을하고있다. 공간의공기순환방식 에관한여러지침들로이루어져있다. 이는 clean room 에대한전반적인내용들로정밀공정이이루어지는작업공간에대한기본적인내용들이다. 반면국부적으로는공정에필요한여러장비들이 clean room 내어서미세먼지를발생시킬수있는데, 이장비들은실제작업공정이이루어지는공간에가장가까이위치하고있어미세먼지에의한제품수율에큰영향을끼칠수있다. 하지만, 앞에서언급한청정기술들과기준들은직접적으로이런장비들의청정도평가에적용할수없으며, 그에따른효과도매우미비하다. 그래서, 현재로는이런 clean room 에서사용될장비에관한명확한청정기준및평가방법은마련되어있지않으며, 이를위한명확한해결방법이제시되어있지도않은상태이다. 그결과, 이런장비에서발생하는미세먼지는제품수율에직접적인영향을끼칠수있으며, 이런미세먼지들을효과적으로제거하지않으면지속적으로제품불량이야기된다. 그래서, 실제이런장치에대한청정도평가방식이마련되어야한다. 본연구에선고청정을요하는정밀공정에서사용되는장비들이작업환경의청정도에미치는영향을실험을통해살펴보도록한다. 또한, 특별히, Compact Camera Module 자동화공정에사용되는 Zθ stage 에대해서평가를수행하고자한다. 이를위해, Zθ stage 에서발생하는미세먼지량을

측정하는방식을제안하고, 이를실험을통해측정을한다. 또한측정된결과를토대로 Table 1~ 에서제시된 clean room 평가기준에따라발생된미세먼지가작업환경에미치는영향을평가하도록한다. 또한, stage 에서발생하는미세먼지로인해제품불량이일어나지않기위한기준과방식을제시하고자한다.

2 측정하는방식을제안하고, 이를실험을통해측정을한다. 또한측정된결과를토대로 Table 1~ 에서제시된 clean room 평가기준에따라발생된미세먼지가작업환경에미치는영향을평가하도록한다. 또한, stage 에서발생하는미세먼지로인해제품불량이일어나지않기위한기준과방식을제시하고자한다. Table 1 Maximum concentration limits (Particles/1ft 3 ) according to Federal Standard 9D Class Particle size (um) Class >=.1 >=. >=.3 >=.5 >=5 1 1,,, ,,, Table Maximum concentration limits (Particles/m 3 ) according to ISO Standard 16-1Class Particle size(um) Class >=.1 >=. >=.3 >=.5 >=1 >= Stage 에서의미세먼지측정 Stage 에서의미세먼지발생원인 Fig. 1 은본연구에서사용되는 Zθ stage 의모습을보여준다. 이 stage 는 shaft 가 coil motor 에연결되어있으며, shaft 의축방향으로직선운동과축을중심으로 θ 방향의회전운동을하는데, 이때베어링과의 shaft 사이에마찰이일어난다. 이런마찰에의한베어링수명단축을막고 shaft 의원활한운동을위해베어링내에윤활유가존재하는데, shaft 의운동시, 베어링과 shaft 사이의마찰에의해베어링부분에열이발생하고, 이열은윤활유의온도를상승시킨다. 이렇게윤활유의온도가상승하면, 윤활유의 viscosity 가감소 3 하면서윤활유의입자들이활성화되어외부로방출되는데, 이로인해, Fig. 1 에서보이는것처럼, 작업이이루어지는 target 영역으로미세먼지들이분사되어, 작업환경을오염시켜제품의불량을야기시킬수 있다. 이런미세먼지의방출을막고자윤활유가방출되지않도록 ball 베어링을완벽하게감싼베어링도있지만, 축방향왕복운동에선 shaft 와 ball 사이의마찰에의해 shaft 에윤활유가묻어져나올수있어미세먼지방출을막을수없다. 또, 미세먼지를없애고자, air- 베어링을사용하기도하는데이경우, shaft 축을완벽하게지지하지못해축방향의운동을정밀하게제어하기는힘들다. Fig. 1 Zθ stage Target Shaft Bearing. Stage 에서의미세먼지량측정방법앞에서설명한것처럼 stage 에서발생한미세먼지에의해주위의공기가얼마나오염되는지를파악하기위해선먼저작동중에 stage 에서발생되는미세먼지량을측정해야한다. 본연구에서는미세먼지 size 에따라미세먼지개수를측정하기위해 Hirac/Royco (Optical Particle Counter) 를사용하며, 이 OPC 는미세먼지크기.3,.5, 1.,.5, 5, um 단위로흡입한공기중의미세먼지개수를측정해준다. 일반공기중의미세먼지는 1cc 당수백개의미세먼지가존재하므로, 1m 3 안에서는헤아릴수없을만큼의미세먼지가존재한다. 이경우, 일반공기중에서 stage 를작동시켜미세먼지개수를측정하면, 주변의미세먼지가너무많기때문에 stage 에서발생한미세먼지양을구분해내기힘들다. 그러므로, stage 에서발생되는미세먼지의양에따라 Federal Standard 9D 기준으로 class 혹은 의청정한조건에서 stage 를작동시켜그때발생하는미세먼지개수를측정해야한다. 이를위해, 본연구에서는 Hepa filter 를통해외부로

3 부터의미세먼지유입을차단한밀폐공간을만들고, 이공간에서 stage 를작동시켜 stage 에서발생하는미세먼지개수를 OPC 를통해측정하였다. Hepa filter 는.3um 이상의크기를가지는미세먼지를 99.99% 걸러내주며, 밀폐공간은 OPC 에서흡입되는공기에의해내부공기가빠른속도로순환되도록작은크기의밀폐공간을 Fig. 에서처럼만들었으며, Fig. 는 stage 에서발생하는미세먼지측정을위한실험모습을보여준다. 8.3L/min Hiac /Royco Lpm filter.3lpm Zθ stage Hepa filter Fig. Experimental set up for clean test.3 Stage 에서발생한미세먼지개수 Fig. 와같은실험으로미세먼지크기에따라 stage 에서발생한미세먼지개수를 OPC 를통해측정하였다. 먼저, stage 작동전에밀폐된공간에존재하는미세먼지를 OPC 를통해뽑아내어밀폐된공간의공기가시간이지남에따라 Hepa filter 를통해걸러진공기로바뀌도록하였으며, 이를통해 stage 작동전에밀폐된공간을고청정환경으로만들었다. 하지만, Fig. 3 ~ 에서보이는것처럼밀폐된공간의미세먼지는완전하게제거되지는않는다. 이는 Hepa filter 자체가.3um 이상의미세먼지는 99.99% 걸러내지만, 일반적인주변공기에서는 1cc 당수백개에서수십개의미세먼지가존재하므로, 아무리 Hepa filter 로미세먼지를걸러밀폐된공간의공기를바뀌어도미세먼지가외부로조금씩밀폐된공간안으로유입된다. 그결과 Fig. 에서처럼 OPC 가 L/min 의공기를밀폐된공간에서뽑아낼경우, 수백에서수십개의미세먼지가 OPC 에측정될수있다. Fig. 3 ~ 6 은 stage 작동하기전, 작동중그리고작동한후에 분간격으로 OPC 에서측정된미세먼지개 수를시간에따라크기별로측정한결과를보여주고있다..3um 에서.5um 사이의미세먼지개수를측정한 Fig. 3 의경우, 작동전의상황을보면, 8L 당약 개의미세먼지가존재하므로 ISO 규격으로 Class 은조금넘고, Class 5 는만족한다. 이는 Federal Standard 9D 로 Class 과 Class 사이에해당한다. 반면,.5um 이상의미세먼지는모두 ISO Class (Federal Standard Class ) 을만족한다. 이를통해, 청정한환경에서실험을수행하였음을알수있으며, 또한 stage 에서발생하는미세먼지개수를주위환경의영향을덜받으면서측정해낼수있다 On On Fig. 3 Number of particles (size.3 ~.5 um) measured by OPC for min (stage : Hz round motion) On On Fig. Number of particles (size.5 ~ 1. um) measured by OPC for min (stage : Hz round motion)

4 Fig. 5 Number of particles (size 1. ~.5 um) measured by OPC for min (stage : Hz round motion) Fig. 6 Number of particles (size 5~.5 um) measured by OPC for min (stage : Hz round motion) Table 3 Average(Maximum) number of particles generated from the operating stage for 1 min Average number of particle per min (max) Hz >=.3 >=.5 >=1 >=.5 >= (18) 131(76) On On 3(71) 5(87) On On 13() 11() 1.8().96() ().(1) 본연구에서사용된 Zθ stage 는.1 장에서미세먼지발생원인을설명한것처럼작동시베어링부분에서미세먼지가발생할수있다. 본연구에서는 stage 에서발생하는미세먼지를 shaft 를 Hz 와 Hz 로왕복운동시키면서측정하였다. Fig. 3-6 은 Stage 작동중측정된미세먼지개수를보면시간이지남에따라발생되는미세먼지개수가조금씩증가하는것을볼수있다. 이는마찰에의해베어링부분의온도가증가하면서, 미세먼지발생량이증가한것으로추후이에대한원인분석이필요하다. Table 3 은이를종합하여작동중 stage 에서발생한미세먼지개수를크기별로분류한것이며, 작동중분당발생한미세먼지의평균값과최대값을보여준다. 이를보면, 발생한미세먼지의대부분은 1um 이하의미세먼지인것과.5um 이상의미세먼지는매우적은양이발생한것을알수있다. 여기서계산된평균값과최대값은작동전 OPC 에서측정된미세먼지의평균값을뺀나머지값으로작동중에는.5um 이하의미세먼지를제외하곤, 측정된미세먼지개수가작동전보다 배이상증가했다. 3. Stage 의청정도평가 3.1 Stage 에작업환경에미치는영향 stage 에서발생한미세먼지는실제작업조건에따라제조공정에미치는영향을달라진다. 만약 stage 가제조공정과정에정밀부품조립파트에근접하여작동하게되면, 매우작은양의미세먼지도제품의불량률을높이게되며, 미세먼지를많이발생시켜도작업위치가정밀조립파트에서멀리떨어져있으면, 제품에미치는영향이적게된다. 또한, 작동주파수와운동폭에따라서도발생한미세먼지의양에차이가날수있다. 그러므로실제작동조건에맞추어 stage 에서발생하는미세먼지량을측정해야한다. 반면, 이런작동조건이완벽하게정해져있지않을경우, 여러작동조건에대해실험을하여, stage 에서발생하는미세먼지의특성을파악해야한다. 본연구에서는사용되는 stage 의작동주파수가명확히제시되어있지않은관계, stage 의 shaft 가 Hz 로왕복운동한다고가정하고청정도를평가하도록하겠다. 3. Stage 의청정도평가방법정밀공정을요하는제조공정의 clean room 은정밀도에따라요구되는청정도조건이다르다. 초정밀을요하는반도체공정의경우 Federal Standard 로는청정도 class 이상을유지해야하

5 며, 그외의정밀공정의경우는 class 정도의청정도를유지해야한다. 이를위해, 외부로부터유입될수있는미세먼지를차단해야하며, 지속적으로작업공간의공기를깨끗한공기로환기시켜줘야한다. 이를위해, Federal Standard 9D 에따르면, class 에대해서는 clean room 의공기를전체적으로시간당 6 회로환기를시켜야한다. 1 하지만, 이는유지비용상쉽지않으며, 부분적으로공기흐름이정체될수있다. 그러므로, 본연구처럼부분적으로미세먼지가발생할경우, 전반적인 clean room 의공기순환이외에도미세먼지가발생할수있는부분에공기순환이빠르게이루어지도록해야한다. 그래서, clean room 에서의원활한공기순환이이루어지는지알기위해, clean room 에서의유동흐름에관한연구들이많이이루어졌으며 1,, 국소부분에대한유동해석을통해청정도를평가하는연구도이루어졌다. 본연구에선이런유동에관한연구들을바탕으로미세먼지가발생하는국부지점에필요한유동값을살펴보고이에따른국부지점에서의청정도를예측하도록하겠다 청정도에따른필요유량본연구처럼 clean room 내에미세먼지를발생시키는장비가있을경우, 발생지점 P 에서의미세먼지의실내평균농도 < CP ( part / m 3 ) > 는 m < Cp >= (1) Q 과같으며이때, mpart ( /min) 은 P 지점에서발생 3 하는미세먼지량이고, Qeff ( m /min) 은유효유량이다. 이식을이용하여, 장비가작동중인지점의실제유효유량을측정하고, 장의실험을통해얻은미세먼지발생량으로국소지점의미세먼지농도를예측할수있다. 만약이렇게예측된미세먼지농도가 Table 1 과 에서의원하는청정도를만족시키지못할경우, 반대로필요한청정도에대한유효유량을 Qeff eff m = < Cp > () 으로계산해서이유량이상으로공기가흐르도록 해야한다. 본연구에선 clean room 내에서실제장비가위치할지점에서의실제유효유량을알지못하므로, ISO 의 Class Level 5 을만족하도록, 필요유량을 장에서실험을통해얻은 Zθ stage 의미세먼지량을이용하여 Table 와같이구하였다. 이경우,.5um size 이하의미세먼지에대해서는약 13L/min 의유효유동으로 stage 부분의공기를환기시켜야 ISO 의 Class Level 5 을만족하며, 본연구의경우, Zθ stage 가사용될 CCM 공정에서제작되는 Chip pitch 기준으로.5um 이상의미세먼지는완전히제거해야한다. 만약이보다더높은청정도조건을만족해야하면, 그에따른미세먼지농도를통해미세먼지발생지점에서의유효유동을다시계산해야한다. 또한그지점에서의실제유효유동이필요유효유량을만족하지못할경우, 발생된미세먼지에의해제품수율에문제가될수있으며, 실제유효유동을증가시키거나, 미세먼지를줄이는추가적이방법을수행해야한다. Table Required flow rate according to clean standard ISO Class 5 Required flow rate according to ISO Class 5 Hz >=.3 >=.5 >=1 >=.5 1 (L/min) 결론 본논문은고청정환경을요하는정밀공정에사용되는장비의청정도를평가하는방법에관한내용이다. 이는기존의전반적인 clean room 에대한청정도기준과평가방법과달리, 실제 clean room 에사용되는장비에대한청정도평가방법으로기존의 clean room 기준을국부적으로적용할수있는있도록하였다. 이를적용하고자, 실험을통해 clean room 에사용되는장비가발생시키는미세먼지량측정방법보여주었으며, 이를이용하여원하는청정도에따라장비의청정도평가방법과이를해결하기위한필요유량을계산하였다. 이를통해, 실제 clean room 에사용되는장비가주위환경의청정도에얼마나영향을끼칠수있는지판단할수있다.

6 후기 본논문은 ( 과제명 : CCM (Compact Camera Module) 시스템통합및핵심요소기술개발, 과제번호 : ) 과 BK1 로수행된연구임. 참고문헌 1. Chung, M. S., Lee, C. S, Cho, S. J., Lee, C. H., Jung, J. S., Bae, G. N, Shin, H. T., Park, Y. S., Kim, S. H. and Chae, S. K., Development of Advanced Technology in Extreme Conditions : Development of Clean Rom Technology, Korea Standards Research Institute Reports, KSRI IR, Noh, K. C., Lee, H. C. and Oh, M. D., A Numerical Analysis on the Airflow Characteristics in Super Cleanrooms with Different Design Types, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, Vol. 15, No. 9, pp , Shigley, J. E. and Mischke, C. R., Mechanical Engineering Design 6 th Edition, Mac Graw Hill, pp , 1.. Noh, K. C., Lee, H. C., Park, J. I. and Oh, M. D., Evaluation and Prediction of Cleanliness Level in the Mini-Environment System Using Local Mean Air-Age, Trans. of the KSME (B), Vol. 31, No. 5, pp , 7.

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DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words