정전기 표준이행 경제성 분석 및 국내외 산업동향 · 2017-12-07 · Journal of...

정전 표 행 ․ 경제

내 산업동향

송 상 훈†

2)

한국산업기술시험원 표 기반기술센터

(2011년 5월 18일 수, 2011년 6월 5일 채택)

The Standard Execution & Economic Evolution for Electrostatic Discharge

and the States of the Industry

Song, Sang-Hoon

Standards & Technology Infrastructure Development Center, Korea Testing Laboratory

(Received May 18, 2011; Accepted June 5, 2011)

ABSTRACT

정전기방전(Electrostatic Discharge, ESD) 현상은 복사기, 분체도장 등 다양한 분야에서 활용되고

있으나 반도체, 디스플레이, 전자부품산업 등의 생산 공정상에서는 심각한 피해를 입히고 있는 중요

한 원인으로 이에 대해 기업들은 많은 인적, 물적자원 투자를 통해 이를 최소화하고자 한다. 본 논문

은 이러한 ESD 관련 표준제정 현황과 세부기술, 이러한 표준 이행에 따른 경제적 효과, 국제적 동향

을 소개하고자 한다.

1. 서 론

산업전반에 걸쳐 사용 되어지는 초소형 고속 집적화 회로는 구동 전원의 극소화로 인해 생산 공

정중 소량의 ESD에 의한 회로의 파괴현상이 지속적으로 증대되고 있으며, LED, LCD, TFT 등 평

판디스플레이 패널의 대형화에 따라 증착공정 중 정전기에 의한 패널의 불순물 오염은 심각한 불량

발생의 원인이 되고 있다. 뿐만 아니라 자동차, 군수 관련 전장품들의 ESD에 의한 오동작, 잠재적

불량(반(半)기능 상실) 내포는 국민의 안전을 크게 위협하고 있다. 국제적인 통계에 따르면 표 1과

같이 전기전자 분야의 정전기로 인한 평균적인 제품의 손실이 전체 불량률에 약 33 %를 차지하고

있는 것으로 보고되고 있다.

†2) 주저자 (E-mail : [email protected])

표준과 표준화 연구 제1권 제 1호, 2011, 20~32 초청논문

20 ∙ 제1권 제1호

Journal of Standards and Standardization ∙ 21

정전기 표준이행 ․ 경제성 분석 및 국내외 산업동향

정전기 손실

단계 최소손실 최대손실 평균 손실

컴포넌트 제조 4% 97% 16 ～ 22%

하도급 제조 3% 70% 9 ～15%

도급 제조 2% 35% 8 ～14%

사용자 5% 70% 27 ～33%

표 1. ESD에 의한 전기전자제품의 손실률1]

(a) 일본 M社 (b) 일본 H社

(c) 반도체공정 불량률 분석2]

그림 1. 전자제품 불량분석 사례

그림 1(a)는 일본 M社 제품불량 분석사례로서 공정전자부품 불량을 100%로 가정할 경우 80%는

반도체(IC)불량, 이중 50%는 제조공정상의 이상, 이중 25~30%가 ESD에 의한 절연막 파괴 불량으

로 분석되고 있다. 그림 1(b)의 경우 LD out 불량모드 중 Surge, 과도전류 등 ESD 관련 불량이

전체의 54%를 차지하는 것으로 보고되고 있다. 그림 1(c)의 경우 반도체 제조공정 중 불량률을 분

석한 자료로서 EOS 25%, ESD 17% 정도의 관련 불량률이 발생하고 있음을 알수 있다. 뿐만 아니

라 잠재적 불량을 내포한 제품판매로 인한 보상·수리비용, 제품의 신뢰도 하락에 따른 매출 감소

등을 고려한다면 경제적 손실의 규모는 증대될 것이다.

미국, 일본을 비롯한 기술선진국들은 이미 오랜 전부터 민간기구(미국, ESDA) 또는 정부기구

(일본, RCJ)를 통해 각국의 ESD 관리 표준을 제정하여 국가적 차원의 정전기 관리체계를 확립하고

22 ∙ 제1권 제1호

표준과 표준화 연구

이에 대응하여 왔다. 미국 Lockheed社, AT&T社, 등은 이러한 관리 시스템 도입을 통해 오래전부

터 연간 수십억 원의 원가 절감 효과를 이루어 왔다. 그러나 국내의 현실은 국내 유수의 대기업에

서 조차 정전기에 대한 대책마련에 많은 시간과 비용을 투자하고 있지만 대부분의 기업들이 아직

도 비효율적이고 즉흥적인 수준에 머물고 있거나 이에 대한 기술을 일본, 미국 등에 의존하고 있는

실정이다. 국내 전기전자관련 산업의 총생산규모로 추정해 볼 때 정전기로 인한 손실을 연간 수백

억원 규모로 추정할 수 있다. 그러므로 국제적인 시장개방에 앞서 시급하게 이에 관련된 국내 제품

의 대외경쟁력 확보를 위해서는 국내 실정에 맞는 체계화되고 전문화된 관리 체제를 확립, 보급하

고 이를 관리 운 할 수 있는 전문가의 양성은 현시점에서 매우 절실하다.3~5]

2. 본 론

2.1 관련 동향 및 표준 현황

2.1.1 국제적 동향 및 표준 제정 현황

ESD로 인한 손실을 최소화하는 기술은 ESD 내성 설계기술, ESD 내성 재료개발, ESD 방지 공

정관리기술로 크게 구분할 수 있다. 설계기술과 재료개발은 각 제조사의 고유기술로 표준화되거나

공개되어 있지 않다. 그러나 공정관리 기술은 다양한 분야에서 표준화되어 많은 분야에서 적용되고

있다.

그림 2. EPA(Electrostatic Protected Area) 개략도.

ESD 관련 국제적 표준은 미국, 유럽의 기술력을 바탕으로 한 각 국가표준(ANSI, EN 등) 및 산

업분야별 세부 표준(ESDA, MIL, ASTM 등)으로 다양하게 제정되어 있었다. 그러나 2000년을 전

후한 시점이후 다양한 표준에 대한 IEC 표준으로의 통합이 지속적으로 이루어지고 있다. 현재 IEC

산하의 ESD 관련 기술위원회인 TC101 'Electrostatics'가 30개 회원국으로 구성되어 WG5/6, MT8,

PT61340-1/613405-4-1/61340-4-5가 운 중이다. IEC 표준제정현황은 표2와 같다.



No. 표준명

IEC

61340-2-1

Measurement methods - Ability of materials and products to dissipate static electric

charge

IEC

61340-2-2Measurement methods - Measurement of chargeability

IEC

61340-2-3

Methods of test for determining the resistance and resistivity of solid planar

materials used to avoid electrostatic charge accumulation

IEC

61340-3-1

Methods for simulation of electrostatic effects - Machine model (MM) electrostatic

discharge test waveforms

IEC

61340-3-2



IEC

61340-4-1

Standard test methods for specific applications - Electrical resistance of floor

coverings and installed floors

IEC

61340-4-3Standard test methods for specific applications - Footwear

IEC

61340-4-4

Standard test methods for specific applications - Electrostatic classification of

flexible intermediate bulk containers (FIBC)

IEC

61340-4-6

Measurement methods - Ability of materials and products to dissipate static electric

charge

IEC

61340-4-7Measurement methods - Measurement of chargeability

IEC

61340-4-8

Methods of test for determining the resistance and resistivity of solid planar

materials used to avoid electrostatic charge accumulation

IEC

61340-4-9

Methods for simulation of electrostatic effects - Human body model (HBM)

electrostatic discharge test waveforms

IEC

61340-4-5

Standard test methods for specific applications - Methods for characterizing the

electrostatic protection of footwear and flooring in combination with a person

IEC

61340-5-1

Protection of electronic devices from electrostatic phenomena - General

requirements

IEC

61340-5-2Protection of electronic devices from electrostatic phenomena - User guide

IEC

61340-5-3



표 8. IEC 표준 제정현황

미국의 경우 관련 산업계가 정전기 방전협회 (ESDA)를 중심으로 전기 및 전자 부품, 조립품, 설

비 보호를 위한 ESD 컨트롤 프로그램, ANSI ESDA S20.20-1999 개발을 공표하 으며, 이 표준은

생산 공정 중 정전기 관리 프로그램의 기본 요소들을 정의하고 있다. 또한 이를 바탕으로 이러한

프로그램을 운 , 관리하기 위한 정전기 전문 관리자(ESD Program manager)를 교육, 양성하고

있다. 일본의 경우 일본전기전자부품신뢰성센터(RCJ)를 중심으로 IEC 61340ser. 표준을 기본으로

정전기 관리기술자인 ESD Coordinator 교육을 수년전부터 시행해 오고 있다.[6]

24 ∙ 제1권 제1호


2.1.2 국내 동향 및 표준제정 현황

ESD 관련 국내 동향은 1990년대 이후 국내 전기전자산업의 본격적인 발전을 거듭하면서 조금씩

관련기술에 대한 관심을 가지기 시작했다. 그러나 체계적인 ESD 관리체계에 비해 다소 낮은 수준

의 관리가 2000년 초까지 지속되었다. 최근 반도체, 평판디스플레이 관련분야 급속한 발전, 관련

부품의 소형화, 저전력화에 따라 ESD에 의한 제조공정에서의 불량률의 지속적인 증가에 따른 인식

변화로 점차 체계적인 수준의 관리시스템 구축에 많은 기업들이 관심을 가지고 있다. 그러나 관련

표준들의 방대함과 표준에 대한 공정적용과정에서 관련기술의 부재로 인해 실질적인 표준 적용이

기술선진국의 수준에 비해 다소 미흡한 실정이다. 현재 한국산업기술시험원에서는 이러한 정전기

관련 표준에 기반한 관리체계구축을 원하는 기업들을 상대로 기술지원사업을 수행 중에 있다.

국내 ESD 관련표준은 200년대 중반이후 IEC 표준으로부터의 KS부합화가 진행 중에 있으며, 현

재 11종의 KS 표준이 제정되어 있다. KS 표준제정 현황은 표3과 같다.

No. 표준명

KS C IEC

61340-2-1 제2-1부: 측정방법-재표및 제품에 대한 정전기 전하 확산도

KS C IEC

61340-2-2제2-2부: 측정방법-전하량 측정

KS C IEC

61340-2-3제2-3부: 정전기 방지용 고체평판의 저항 및 저항율 측정법

KS C IEC

61340-3-1 제3-1부: 정전기 영향의 시뮬레이션 방법 : 인체모델(HBM)-부품소자시험

KS C IEC

61340-3-2 제3-2부: 정전기 영향의 시뮬레이션 방법 : 기계모델(MM)-부품소자시험

KS C IEC

61340-4-1제4-1부: 특수응용분야에 대한 표준 시험방법: 설치형 바닥 및 바닥덮개의 정전기 반응

KS C IEC

61340-4-3제4-3부: 개별 제품의 표준 시험방법-신발류

KS C IEC

61340-4-4제4-4부: 개별 제품의 표준 시험방법-산업용 포장재(FIBC)의 정전 분류

KS C IEC

61340-4-5제4-5부: 개별제품의 표준 시험방법-인체와 접촉하는 신발류 및 바닥재의 정전보호기술 방법

KS C IEC

61340-5-1제5-1부: 정전기 현상에 대한 전자 디바이스의 보호-일반요구사항

KS C IEC

61340-5-2제5-2부: 정전기 현상에 대한 전자 디바이스의 보호-사용자 지침

표 9 KS 표준제정 현황



2.2 ESD 표준에 따른 기술 개선

2.2.1 국외 개선사례 (Lockheed 社)[7][8]

가. 원

1970~80년대를 거치면서 전 세계적인 반도체 집적회로의 급속한 발전은 ESD 관련 기술을 본격

적으로 연구하는 계기가 되었으며 제조공정상의 정전기의 필요성이 대두되기 시작하 다. 각 기업

들의 정전기 분야에서 가장 큰 문제점은 ESD에 대한 인식부족이다. Lockheed社에서는 원인 분석

을 위해 적절한 측정 장비를 가지고 공장이나 실험실 내의 각 부분을 검사하여 정전기 레벨의 프로

파일을 우선적으로 수집하 으며 작업장 내의 ESD 요인에 대한 연구결과를 분석하 다. 이를 관리

대책 수립을 위한 기초 분석 자료로 활용함과 동시에 관리대책시행 후 경제적 성과 분석을 위한 기

초적인 자료로 활용하 다. 표4는 이에 대한 원인분석결과이다.

원인 대전전압[V] 축적에너지

리놀륨 바닥 위를 걷는 행위 1 000～5 000 50 μJ～1.25 mJ

Wrist Strap을 미착용, 작업 행위 800～1 000 32 μJ～50 μJ

의자에 앉아 바닥에 마찰하는 행위 500～1 000 0.013 μJ～50 μJ

사출기 (Poly Sand Blast) 10 000 5.0 mJ

Plexiglass 5 000 5.0 mJ

마닐라 Tape 5 000 5.0 mJ

표 10. Lockheed社 ESD원인 분석

나. 책 수립

① ESD Control Program의 입안

위의 분석결과를 토대로 작업장 내에서의 정전기 방전에 대한 제어와 처리(Control and

Procedures)가 요구된 바에 의해 여러 공장에서 다양한 형태의 프로그램이 작성되어 수행 되

었으며, 그에 따른 효과는 그렇게 큰 차이가 없는 것으로 나왔습니다. 즉, 기본이 되는 설비

를 장치하는 단계는 필수적이지만 그 이후는 운용 면에서 제각기 알맞은 방법으로 발전

(Up-date) 시켜야 하는 것이다.

② ESD Control Program

- ESD Training Course도입 작업자, 품질보증 인력 교육운 (시청각자료 활용)

- ESD control Documents 제정

- Plastic Tote Box 교체 (70% Gray, 30% Pink-Poly)

- Wrist Strap 강제착용

- Pink-Poly Table Mats로 작업대 교체

26 ∙ 제1권 제1호


- Stainless Steel Bench Top(Hybrid제조)과 Overhead Ionizer 사용

- 3M 니켈 증착 Bag 사용(Anti-Static Polymer)

- 높은 정전압발생(ESD 原)인 사출기(Poly-Sandblaster)에 대해 정전기 제어기 추가

- 바닥 Conductive Floor 교체, Conductive Shoes와 Heel Grounder 사용

- 공정별 적합한 ESD Control 지시문헌 구비

- 품질관리 내규 제정, 관리자층에 ESD Control Program에 대한 강제권 부여, 운

다. 원가절감 개 효과

ESD Control Program 이행에 따른 경제성 분석은 ESD Control 수행비용, 유지비용, 제품불량

손실(Failure Cost)을 고려하여 프로그램의 수행으로 인한 경제적 성과이익을 산정하 다.

① 수행비용 (Implementation Cost)

아래 표 5에 주어진 각 항목의 비용을 합하여 수행비용의 총계를 계산하 다. Bench Top

Material은 3M Conductive Table Mat, Blue Benstat(Pink-Poly와 비슷한 Anti-Static

Type) Table Mat, Micastat (Conductive Formica Bench Top Material)를 포함한 합계이다.

구 분 수 행 비 용

Bench Top Material 48,000

Tote Box 21,000

Wrist/Ankle Strap 4,000

Conductive Flooring 100,000

Guideline Document 2,000

ESD Awareness Training 2,400

ESD Audit Procedure 5,000

Ionizer Air Blowers 2,700

합 계 185,100

표 11. 수행(설치) 비용 [단위:US$]

Grey Tote Box는 Richmond Pink-Poly Anti- Static Tote Box로 대치하 고, Black Carbon

Velostat는 부품의 손상을 입히므로 제외하 다. 또한 ESD Control 문헌제작, ESD 훈련비용 및

ESD 제어과정이 합계되었다.

② 유지비용

Wrist Strap, Grounder, Table Top Material 과 노화된 공기청정기의 대체비용이 포함되었

으며, 새로운 인력에 대하여 ESD Control Training, 그리고 전사원에 대한 새로운 프로그램

의 훈련비용이 합계되었으며 또한 감사비용과 ESD로 인한 잔여 피해비용도 포함되었다.



구 분 유 지 비 용

Wrist Strap/Heel Ground/Bench Top 등 20,000

훈련비용(2시간x100) 4,000

감사 5,000

잔여 피해분 16,000

합 계 45,000

표 12. 유지 비용[단위 : US$]

③ 원가절감 효과 (ESD Avoidance Cost Saving )

위에서 산정된 피해액, 수행비용, 유지비용을 고려하여 ESD Control Program 의 운용결과

생기는 원가절감 효과는 아래와 같다.

구 분 원가 절감액

예상피해액 1,800,000

ESD 대책수행비용 185,000

원가절감액 1,615,000

표 13. 1차년도 원가절감액[단위 : US$]

구분 원가절감액

1차년도 1,615,000

2차년도 1,775,000

3차년도 1,790,000

4차년도 1,890,000

표 14. 4년간 원가절감액 [단위 : US$]

2.2.2 국내 개선 사례 (A 社)

가. 원

반도체 패키징 공정의 Current leakage fail의 지속적인 발생에 따라 이에 대한 Failure

Analysis를 실시한 결과 ESD에 의한 불량으로 판명되었으며, 이에 대한 공정비교를 통해 Auto

wafer mount과 Manual wafer mount에 대한 공정개선의 결과를 도출하 다.

나. 공정개

① 이오나이저 개선

공정상 요구되는 이오나이저 제전성능 기준에 따른 공정평가 시 기존 Nozzle type 이오나이

28 ∙ 제1권 제1호


저의 제전성능 저하로 인해 불량발생이 발생하 으며 이에 따라 그림 3과 같이 이오나이저를

Fan type 이오나이저로 교체 설치하 다.

(a) 개선전

(b) 개선후

그림 3. 이오나이저 변경 개선.

뿐만 아니라 그림 4와 같이 wafer mount 공정상의 제전요구 위치와 이오나이저 방향 불일치로

인한 제전성능저하를 개선하기 위해 이오나이저 풍향을 고려한 재설치를 실시하 다.

(a) 개선전

(b) 개선후

그림 4. 이오나이저 위치 개선

② 재료 물성특성에 따른 자재 개선

ESD 발생 중 metal-metal 순간적인 접촉에 따른 급속한 방전 현상은 중요한 ESD 불량의

원인이다. 그림 5와 같이 Wafer ring frame stopper 재질과 ring frame과의 접촉시

metal-metal contact에 따른 ESD 불량이 발생함에 따라 wafer ring frame stopper의 재질

을 분산성 재질로 교체 설치하 다.

(a) 개선전

(b) 개선후

그림 5. Metal-Metal Contact 개선(1).



그림 6은 금속재질의 Lamination de-taping tool에 의해 de-taping 과정에서 발생하는 정전압

이 금속재질의 주변설비로 방전되면서 불량이 발생함에 따라 설비재질을 분산성 재질로 교체 설치

하 다.

(a) 개선전

(b) 개선후

그림 6. Metal-Metal Contact 개선(2).

그림 7은 wafer의 이동시 사용되는 컨베이어 벨트, 러버 팁 등의 표면저항 값이 1010Ω이상의 절

연특성 재질임에 따라 wafer의 이동시 접촉대전의 가능성이 높다. 따라서 이에 대한 재료 역시 분

산성 재질로 교체 개선하 다. 뿐만 아니라 ESD 발생의 한 원인이 되는 wafer frame pick-up

tool의 금속성분의 재질은 De-lamination시 현상은 pick-up tool의 아노다이징(anodizing)처리를

통해 개선되었다.

(a) 러버 팁

(b) 컨베이어 벨트

그림 7. 마찰대전 개선.

다. 개 효과

반도체 패키징 주간단위 생산량이 1,500,000unit 수준의 샘플 공정(line)에 대해 위에서 언급한

바와 같은 표준에 기반한 공정개선을 실시하 다. 동일 공정의 개선전의 평균 current leakage

fail의 비율 평균 0.5%/week가 발생하 으나 공정개선 후 평균 불량률은 0.05%/week 수준으로 감

소되어 개선전 대비 1/10수준으로 감소되었다. 이에 대한 경제적 효과 분석은 표 9, 10과 같다.

30 ∙ 제1권 제1호


구 분 수 행 비 용

Fan Ionizer 교체 500,000

이오나이저 위치 개선 -

frame stopper 개선 100,000

Lmination de-taping 개선 300,000

pick-up tool 2,000,000

기타 200,000

ESD Audit Procedure 3,000,000

합 계 6,100,000

표 9. 공정개선 비용 [단위:원]

구 분 환산금액

개선 후 손실 절감 추정액 240,000,000

공정개선 비용 6,100,000

유지비용 15,000,000

경제적 성과 218,900,000

표 10. 예상 경제적 성과 분석(연간)[단위:원]

그림 8. ESD Control Program 개발 절차.

위의 결과는 관련 제조사의 전체 공정개선에 따른 경제적 성과분석이 아니라 현재 한국산업기술

험원의 기술지원사업을 통해 그림 8의 ECP 개발절차를 적용하여 개선된 샘플공정에 대해 분석된

결과에 대한 연간 추정 예상치이다. 현재 반도체, 디스플레이, 전자제품 등 국내 ESD에 의한 피해

대상 산업의 규모와 이러한 형태의 개선 필요성이 있음을 가정할 경우 국내 산업전체에서 얻을 수

있는 경제적 효과는 명백할 것으로 생각된다.



3. 결 론

ESD에 손실은 관련 산업분야 제품의 집적화, 소형화, 회로 구동 전력의 저전력화 등의 발전에

따라 미래에도 지속적으로 증가 될 것으로 국내외 전문가들은 예측하고 있으며, 또한 이에 대한 대

책기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 국내에서도 관련 산업의 지속적인 발전과 품질 향상을

위해서는 ESD 관련표준에 대한 체계적인 시스템 구축이 필요하다.

그림 9. 정전기 표준분야 로드맵.

현재 국내 관련 정부부처와 관련 기관은 그림 9와 같이 표준의 보급, 관련인력 양성 및 자격인증

제도 도입, 기술지원 전문기관 설립 등 구체적인 ESD 표준분야의 로드맵을 수립하여 지속적으로

추진하고 있다.[9][10][11] 이에 따라 산업계는 ESD에 대한 인식의 개선이 필요하다. 전기전자제품

불량률의 상당한 비중을 차지하고 있는 정전기는 단순히 겨울철에만 일어나는 일시적인 현상이거

나 어쩔 수 없이 발생하는 관리 불가한 대상이 아니라 지속적이고 체계적인 관리와 투자가 이루어

진다면 충분히 관리가능하며, 이러한 관리 는 기대이상의 경제적 효과를 가져 올 것이다.

인용문헌

1. 스테판 할페린, "정전기 제어 관리를 위한 지침" 유로스태트.

2. J.E.Vinson, and J.J.Liu, "Electrostatic Discharge in Semiconductor Devices" Proc.

IEEE,86, pp399, (1998).

3. 靜電氣管理入門, 工業調査會(일본), (2004).

4. 靜電氣管理技術의 基礎, ESD코디네이터 자격 인증전문위원회(일본), (2004).

5. Electrostatic Discharge Application Report, TI Semicondutor Group, (1999).

6. Fundamentals of Electrostatic Discharge, ESDA, (2001).

7. Melvin Henry Downing “ESD CONTROLIMPLMENTATION AND COST AVOIDANCE

ANALYSIS” Lockheed Missiles and Space Company, May, (1985).

32 ∙ 제1권 제1호


8. G. T. Dangelmayer “A REALISTIC AND SYSTEMATIC ESD CONTROL PLAN” AT&T

Technologies, Incorporated.

9. Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium Proceedings, ESDA, (2004).

10. 송상훈, “정전기코디네이터 자격인증도입 방안에 관한 연구” 지식경제부, (2006).

11. 송상훈, “정전기분야 표준화로드맵 개발”, 지식경제부, (2010).

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