KR100253995B1 - 액상 땜납의 분배 방법 및 장치 - Google Patents

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안드레 뮐러, 발터 베르취
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Abstract

액상땜납의 개별 적량부(1")를 생성하기 위하여 고형의 와이어나 봉재형 땝납(1)은 유도관(20)의 긴구멍을 통하여 유도된다.
구멍의 출구 오리피스(22)를 둘러싸고 있는 관(22)역은 땜납의 융해온도 이상으로 가열되어 땜납을 녹인다. 유도관의 접속부는 이에 대하여 냉각이 됨으로서 관(20)내에서 안정상태의 온도변환이 이루어 진다. 이리하여 교축된 출구 오리퍼스(62)에 의하여 준비된 융해량이 제어된다.
땜납(1)의 단계적인 전진운동(구동3)은 동시에 피스톤 역할을 하는바 이에 의하여 액상의 땜납부가 소위 오리피스(62)로 사출된다. 기판(4)상에 땜납부를 부치기 위하여 적합한 장치(5)는 상승 하강(a)이 가능하다. 이것은 오리피스(62)에 결합되어 밑이 개방된 금형공간을 가지고 기판위로 내려가는 금형(6)을 갖추고 있다. 이것은 기판(4)상에서 액상땜납(1')에 의하여 적셔지는 면적을 제어시켜 정해준다. 주용도로는 연납땜에 의한 반도체칩(8)의 조립이다.

Description

액체 땜납의 분배 방법 및 장치
제 1도는 금속기판에 반도체-칩을 연납땜하는 제 1 실시예의 장치와 금형을 도시한 부분 개략 종단면도
제 2도는 제 1도의 II-II 선에 따른 횡단면도
제 3도는 제 1도에서 III으로 표시된 고체 땜납과 액체 땜납 사이의 상변환 구역을 도시한 상세도
제 4도는 제 3도에 대한 온도 그래프
제 5도는 제 1도에 따른 장치에 사용된 금형의 저면도
제 6도는 금형의 부분 측단면도
제 7도는 금형의 평면도
제 8도는 캐비티로 배출된 일정량의 땜납과 기판에 얹혀진 금형을 도시한 단면도
제 9도는 제 1도와 유사한 연납땜하기 위한 장치의 다른 실시예를 도시한 종단면도
제 10도는 제 9도의 배출구를 도시한 상세도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 땜납 4 : 기판
6 : 금형 8 : 반도체 칩
22 : 배출구 25 : 전기히터
26 : 도가니 61 : 캐비티
63 : 통풍구
본 발명은 청구범위 제 1항의 상위개념에 따라 일정량의 액체 땜납을 각각 분배하는 방법과 상기 방법을 수행하기 위한 장치 더 나아가 상기 장치와 함께 사용하기 위한 교체가능한 금형에 관한 것이다.
이러한 종류의 납땜 방법은 일반적으로(통상적으로) 금속기판(리드 프레임)상에 반도체 소자(칩)를 조립할 때 사용된다.
반도체 조립 분야에는 주로 두가지 납땜 방법이 알려져 있으며, 실용화되어 있다.
이들 방법들 중 어느 한 방법은 와이어 형태의 금속 땜납 끝단을 땜납의 용융온도 이상으로 가열된 기판과 접촉시켜 용융시키는 것이다.
이러한 방법은 그의 단순성과 융통성으로 인하여 대량생산에 적합하다.
그러나 융융과정에서 무엇보다도 땜납의 용량과 땜납의 상변환 위치가 재료의 조합과 기판의 표면 특성에 크게 좌우되기 때문에 용융될 때마다 땜납의 량과 상변환 위치가 크게 변한다.
그러나, 연납땜으로 반도체 칩을 원형으로 적셔진 기판(보통 동)에 조립할때, 납땜은 조작중에 반도체 칩에서 발생하는 열을 유효 적절하게 분산시키는 것을 보장해 준다(접착제에 의한 조립과 대비).
물론 보다 고도의 성능에 적합하도록 밀도, 땜납 결합부의 균일성이 고도로 요구된다. 즉, 칩 표면 전체에 걸쳐 땜납층의 일정한 밀도, 균일한 분포, 완벽한 부착 및 땜납의 순도가 요구되고, 또한 기포가 전혀 없어야 한다.
한편으로 이러한 납땜은 땜납이 가급적 땜납 부위에서 측면으로 흐르지 말아야 하고, 칩 조립 구역 이상으로 번지지 말아야 한다. 또한 땜납의 정확한 량과 자리잡기를 요한다. 이밖에도 땜납이 원형으로 퍼지는 것은 칩의 정사각형이나 사각형 형태에는 적합치가 않다.
두번째로 공지된 방법은 그의 크기가 칩에 알맞는 땜납의 면 형태를 미리 만드는 것이다(소위 "솔더 프리폼"이라 일컬어 짐). 금형을 기판위에 얹히고 그 후 융착시키고 요구되는 크기의 땜납층을 형성시킨다(미국 -A 4,577,398 및 미국 -A 4,709,849). 사전에 요구되는 땜납 금형과 추가 조립작업으로 인하여 이러한 방법은 비용이 많이 들고 융통성이 적다. 전술한 두가지 방법에서는 또한 땜납의 용해열이 기판으로 유입되기 때문에 과열이 요구되고 기판-온도의 선택을 제약하는 어느 일정시간이 요구된다.
끝으로 미국-A 4,527,717에는 일정량의 액체 땜납을 공급하는 장치가 기술되어 있다·. 이에 의하면 가열된 도가니내에 대량의 땜납 금속이 계속 융융액으로 유지된다. 도가니 밑바닥에는 개폐밸브와 계량피스톤이 각각 해정기구와 함께 비치되어 있다. 밸브와 피스톤을 교대로 조작하여 용해 비축장으로부터 적정량의 땜납을 배출할 수 있다. 이러한 밸브-피스톤-기구는 싸이클 주기가 짧을 경우 부적합하며 부분 적정량을 허용하지 않는다. 용액의 비축을 위한 과다 에너지 소비 외에도 장비의 용도가 연속운행에 적합한지도 의문이다.
수동식 납땜 피스톤 및 이와 유사한 땜납장치에 있어서-청구범위 제 1항의 상위개념에서-또한 와이어 형태의 땜납을 장치의 유도용 긴 구멍을 통하여 용해온도로 가열하고 관통된 땜납노즐까지 단계적으로 전진시킴과 동시에 용액형태로 교축된 출구 오리피스를 통하여 땜납노즐에서 배출시키거나 또는 모세관 작용으로 배출시킨다(예, DE-A-36 12 341, DE-C 37 34 550, AT 291 716, 미국 2,875,719). 이때 땜납은 땜납노즐 자체내에서도 용해되는데 이 경우 그때 그때의 용해량이 일정치가 않다. 납땜 용구의 끝단이 가열되면 일반적으로 열은 뒤에서 끝단으로 향하며 납땜용구 또는 열원에 대하여 뒤로 연이어 유동하고, 대개 차열유도 슬리브가 들어 있는데 이것이 뒤로의 열 배출을 막아 준다.
이러한 기술 수준을 원천으로 본 발명은 공지된 장치에서 상술한 단점을 제거할 수 있다. 특히 본 발명의 목적은 칩 조립시 적용되는 특히 효과적인 방법과 땜납의 적정량을 고도의 정확성과 신뢰도로 대량 공급할 수 있도록 액체 납땜을 각각 일정량씩 분배하는 장치를 제공하는 것이다.
동시에 현대적인 대량생산의 요구조건에 따라 짧은 싸이클 주기 및 교체시 고도의 융통성을 얻을 수 있게된다.
이러한 목적은 본 발명에 따른 특허청구범위 제 1항에 의한 방법과 특허 청구범위 제 11항에 의한 장비로서 달성된다.
다양한 본 발명의 장점을 가진 예들이 당해 청구범위 제 2-10항(방법) 또는 제 12-17항(장치)에 언급되어 있다.
발명에 의하여 구체화된 금형도 청구범위 제 18-19항에 따라 보호를 요구하는 바이다.
발명의 장점을 들면 무엇보다도 고도의 사이클 속도를 허용하는 간단한 행정 운동에 의해 "한 사이클" 방식이 실용화된다는데 있다.
분배 성능은 동시에 주로 땜납 용융을 위한 가열 능력에 의해서만이 제약을 받는 바 그의 성능은 기판과는 무관하게 자동적으로 제어가능하다. 일정하게 제어되는 가열온도는 물론 각각의 사용되는 땜납합금에 알맞게 맞추어 진다. 한편 유도관의 가열 구역과 냉각 구역 사이의 상변환 지점에서 가능한 한 보다 큰 온도구배가 유지되며, 사이클에 맞는 땜납분배의 일정한 배출조건이 형성되는 바 협소한 배출구에 의해 균일한 금속정압이 유지된다. 이에따라서 량의 정확도는 사실상 와이어 형태의 땜납 공급 정확도에만 달려있으며, 유도관의 구멍내에 주어진 융액비축량의 한도 내에서 보다 폭 넓은 정량의 변화가 가능하도록 되어 있다.
일정량의 땜납을 기판에 접착시킬 때 금형을 사용하여 일정한 면확산과 두께를 가진 부분의 생성이 가능하게 한다. 이외에도 본 발명은 스스로 땜납에 의하여 젖은 상태가 불량하거나 또는 가열이 제대로 안된 기판상에 공급된 땜납에 일정량의 땜납이 보정형태로 도포될 수 있다.
첨부도면과 함께 다음의 상세한 설명으로 본 발명의 새로운 특징뿐만 아니라 다른 목적 및 장점을 더 잘 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 반도체 칩을 금속기판에 조립하는 것을 강조하여 여러 가지 타입으로 셜명될 것이다.
제 1도에 전체적으로 도시된 실시예는 연질 땜납(soft solder)으로 화살표(c) 방향으로 단계적으로 이송되는 박판형 금속기판(4)(리드 프레임)에 반도체-칩(8)올 납땜하는데 사용된다. 와이어 형태의 땜납(1)(예를 들어 직경이1mm 또는 0.76mm)은 릴(2)에서 풀려 장치(5)에 삽입되고 구동수단(3)에 의하여 장치(5)를 통해 위에서 아래로 길이방향으로 진행됨으로서 장치(5)의 하부구역에서 용융된다. 장치(5)는 일체형으로 승·하강이 가능하다(화살표 a). 액체 땜납(1')은 장치(5)가 하강하여 금형(6)이 기판(4) 위에 위치할 때마다 구동수단(3)의 단계적인 조작에 의하여(본 실시예의 경우 금형(6)에 의하여) 각각의 정량만큼씩 분배된다(제 8도 참조). 이것에 의해, 가열된 금속기판(4)이 금형에서 배출된 땜납에 의하여 적셔진다. 그 후 장치(5)가 상승되고 일정량의 땜납(1")이 쌓인 기판(4)이 계속해서 이송된다. 그 후 칩(8:개략적으로도시됨)이 일정량의 액체 땜납(1")에 자리를 잡게 된다.
장치(5)는 수직하게 위치하게 된다. 상기 장치는 주로 튜브형 하우징(10), 가이드 장치(12), 조인트 부재(14), 금형(6)을 포함한 용해장치(18) 및 구동수단(3)으로 구성된다. 가이드 장치(12)와 조인트 부재(14)는 하우징(10)에 고정된다. 금형(6)과 함께 용해장치(18)는 가이드 부재(12)에 대해 일정한 수직왕복운동을 행할 수 있다 (화살표 b).
가이드 장치(12)는 아래로 돌출한 관(13)을 가지고 있다. 관(13) 내부에는 다른 2개의 관(15,17)이 동심을 이루며 들어 있으며, 상기 2개의 관(15,17)은 조인트 부재(14)의 헤드(16)에서 연장된다. 관(15)과 관(13)의 하단은 동심을 이룬다. 고체 땜납(1)은 내부관(15)의 길이방향 구멍을 통과한다. 상기 길이방향 구멍은 하부의 환형 공간(15')이 확장되어 있어 용해장치(18)에 속하는 유도관(20)을 유동적으로 수용할 수 있다. 유도관(20)의 길이방향 구멍(21)(제 3도)은 배출구(22)까지 이르며 봉 또는 와이어 형태의 연질 고체땜납(1)의 직경에 매칭(matching)된다. 즉, 길이방향 구멍(21)은 고체 땜납의 직경보다 5-10% 이하로 더 넓어야 한다.
환형의 전기히터(25)는 하우징(10) 내부에 고정되어 용해장치(18)를 감싼다. 이것은 도가니(26)와 접촉하지 않은 상태로 원통형 도가니(26)를 가열한다. 상기 도가니의 상단은 슬리브(27)에 의해 고정되고, 슬리브(27)는 볼 베어링에 의하여 관(13) 상하로 슬라이딩(sliding)하도록 안내된다. 도가니(26)와 유도관(20)은 그 끝단이 서로 밀착되어 있다.
땜납을 용융시키기 위해, 전기히터(25)가 도가니(26)와 도가니에 형성된 배출구(22)를 비롯하여 유도관(20) 하부의 가열구역(제 3도의 x)을 가열함으로써 유도관(20)의 하부에 용융된 액체 땜납(1')이 생기게 된다. 유도관(20)에서 가얼되는 하부의 온도는 땜납이 완전히 용융되도록 일반적으로 땜납재료의 용융온도 보다 높아야 한다. 그러나 어떤 땜납 합금들은 용융온도 이하의 온도에서도 작업이 될 수 있으며 이 경우 땜납 재료는 일부분만이 용융상태가 된다(즉 고체 성분과 액체 성분이 혼합된 상태이다). 따라서 이러한 위의 경우에는 다음에 단순히 ''용해'' ''액체" 또는 "용융"이라고 언급이 될지라도 반드시 이를 포함시켜야 한다. 아래에서 보다 상세히 설명된 바와같이, 구동수단(3)이 고체 납땜(1)을 유도관(20)으로 이송시킬 때마다, 일정량의 액체 땜납(1')이 구멍(21)의 하단부에서 배출된다. 이 때 땜납은 금형(6)의 탕구(62)를 거쳐 배출되고, 상기 탕구(62)는 구멍(21)에 연결되어 있는 교축된 오리피스 배출구이다.
가열 구역(x)에 접한 유도관(20)의 상부 구역(제 3도의 y)은 온도가 땜납재료의 용융온도 이하로 정확하게 냉각된다. 이러한 목적으로 조인트 부재(14)는 예컨대 압축공기와 같은 적당한 냉매를 순환시키기 위한 장치를 포함하고 있다. 냉매는 챤넬(51)을 통하여 유입된 다음, 관(17)의 구멍에서 관(15)의 외측을 따라 아래의 환형 공간(52)으로 흐르고, 거기에서 다시 관(17)을 따라 위로 향하여 출구 챤넬(53)로 유동한다. 이때 유도관(20)의 상부구역(y)은 관(15)의 얇은 하부단면을 통해 냉각되는데 특히 항상 일정하게 조절된 냉각성능을 유지한다.
제 3도에는 유도관(20)이 용융된 액체 납땜(1')을 포함하는 하부의 가열구역(x)과 땜납(1)이 아직 고체인 상부의 냉각 구역(y) 사이에서 냅땜의 상변환(transition)이 상세하게 확대 도시되어 있다. 제 4도는 높이(h)의 함수로 유도관(20)의 상변환 구역에 대응하는 온도(T)를 나타낸 그래프이다. 도시된 바와같이 x구역(온도 TH1, TH2)과 y구역(온도 TK)사이에서 급격한 온도변화가 일어난다. 도가니(26)에 의해 유도관으로 공급되는 열은 도가니의 하부에 위치한 온도센서(도시하지 않음)에 의하여 항온으로 제어된다. 이때 x구역의 온도(TH1, TH2)는 사용되는 땜납의 유형에 적합하도록 조절할 수 있고, 이것에 의해 도 4에 도시된 바와같이 상변환 온도의 위치는 약간만 이동될 뿐이다. 일반적인 연땜납 합금의 용융점은 대략 15℃ 내지 410℃이다. 땜납이 완전히 용융되는 것을 보장하기 위헤, 작업온도(TH) 예컨대 450℃정도로 도가니와 관을 어느 정도 과열시키는 것이 필요하다. 따라서, 일반적으로 TH는 땜납의 용융점보다 더 높아야 한다. 그리나 이미 언급한 바와같이 완전히 용해되지 않은 상태에서 적용되는 땜납도 있다 (TH는 땜납 합금의 용해범위내의 온도).
실제로 (조절) 가열과 냉각에 의한 절충효과에 의하여 상변환 온도의 위치는 작업중에 아주 안정상태이다. 따라서 구멍(21)에서 용융된 땜납의 수위 및 배출전 주어진 시간에 얻을 수 있는 액체 땜납의 양이 제어될 수 있다. 협소한 탕구(62)로 인하여 비록 구멍(21)내의 모세관 효과와 용융재료의 응집력이 불충분해도 용융된 땜납을 배출시킬 수 있다.
고체 땜납(1)이 구멍(21)으로 공급되면 이것이 액체땜납(1')에 피스톤 역할을 한다. 고체 땜납(1)은 더 전진하여 안정한 상변환온도 위치에 도달하면 용해된다. 히터성능은 윈칙적으로 가동중 단위 시간당 분배되어야 할 땜납양에 따른다. 와이어 형태의 땜납중 고체 부분의 단부에서 어느 정도의 기밀 작용이 자동적으로 발생한다. 즉, 고체 땜납과 구멍벽 사이의 틈새에 어느정도 끼어 있는 용융 재료는 즉시 응고되어 와이어 형태의 고체 땜납과 함께 밀린다. 구역(x 와 y) 사이의 큰 온도구배 부위에서 일어나는 이러한 기밀작용으로, 액체땜납(1')에 상당한 펌핑압이 작용할 수 있다.
보호가스 또는 활성가스의 분위기는 유도관(20)의 구멍(21)에서 적당히 유지되고 용융된 액체 땜납(1')까지 도달한다. 이와같은 목적을 위해 제 1도에 도시된 바와같이 가스 조인트(54)가 조인트 부재(14)의 헤드(16)에 구비된다. 보호가스 또는 활성가스는 와이어 형태의 땜납(1)을 따라 관(15)내 확장구멍(15')까지 도달하고 거기서 더 나아가 구멍(21)의 링-틈새로 들어가 액체땜납(1')에 도달된다(제 3도). 예컨대 질소 또는 아르곤을 보호가스로 사용하는 것이 적합하다. 활성가스로 환원반응 가스 예컨대 수소와 질소의 혼합물이 사용되어야 한다. 활성가스는 액체 땜납과 구멍(21)이 산화물에 의해 막히는 것을 방지한다.
제 1 도에 도시된 와이어 또는 봉재형 땜납(1)의 단계적 공급을 위한 구동수단(3)은 구동롤러(31)와 가이드롤러(32)를 가지며, 이 사이를 땜납이 통과한다. 컨트롤 유니트(34)로부터 피드(공급)신호를 입력받는 모터(30)(바람직하게는 스텝 모터)가 구동롤러(31)에 연결된다. 모터로 입력되는 피드신호는 한편으로 주어진 시간에 배출될 땜납의 양을 나타내는 입력신호(35)로 다른 한편으로 땜납이 앞으로 이동한 실제 거리를 나타내는 가이드롤러(32)에 접속된 회전센서(엔코더)(33)에 의해 발생된 거리 측정신호로 컨트롤 유니트로부터 전송된다. 사용된 고체 땝납은 단면이 일정한 것으로 가정할 수 있음으로 와이어 형태의 고체 땜납(1)의 피드거리는 배출구(22)를 통해 배출되는 액체 땜납의 양에 정확히 대응한다.
위에서 상세히 언급한 바와같이 도시된 장치는 일정량의 땜납을 유도관(20)에 접한 금형(6)을 거쳐서 기판(4)으로 전달한다. 한편 관(20)과 도가니(26) 그리고. 다른 한편으로 금형의 몸체(60)가 배출구(22)를 포함하는 구면을 따라서 서로간에 접해 있다. 제 2도에서 볼 수 있듯이 카단식 지지(gimbal mount)에 의해 금형(6)이 구면(24)과 접해 있다. 2개의 로드(42)에 접해 있는 카단링(40)이 자유롭게 선회할 수 있도록, 상기 로드는 하우징(10)에 뻗어 있으며 캐리어 링(44)에 고정되어 있다. 캐리어 링(44)은 하우징(10)에 이완되어 얹혀 있다. 로드(42)에 90°각도로 편위된 카단링(40) 주위에는 2개의 안으로 돌출한 지지핀(45)이 들어 있다. 반원형 절개부(65)를 가진 칼라(64)가 금형몸체(60)에 얹혀 있다(제 6도와 7도 참조). 이러한 지지방법으로 인하여 금형(6)은 구면(24)에 대해 모든 방향으로 선회가 가능함으로 기판(4)으로 하강할 때 기판(4)의 상면에 정확히 밀착된다. 압축 스프링(29)은 슬리브(27)를 거쳐서 구면(24)에 일정한 접촉압력을 가함으로서 금형(6)은 상승될때마다 정위치에 위치하게 되고, 유도관(20)의 상변환위치에서 금형(6)의 탕구(62)로 땜납이 유출되는 것에 대하여 양호한 기밀작용을 수행한다.
또한 이러한 배열은 다양한 금형이 용이하게 서로 교환될 수 있다. 이러한 목적으로 각각 장착된 금형이 들어올려지면, 도가니(26)와 슬리브(27) 위의 압축 스프링 (29)이 압축된다. 들어올린 금형을 90°각도로 돌리면, 칼라(64)가 지지핀(45)에 의하여 회전됨으로서, 홈(65)이 로드(42)와 일치하게 되어 금형이 밑으로 빠진다. 아날로그 순서(반대 순서)로 새로운 금형이 장착된다. 이러한 설계는 높은 위치 정밀도와 금형을 교환한 후에 재조정을 할필요가 없는 것을 보장한다. 금형(6), 도가니(26) 및 관(20) 만이 액체 땜납과 접촉하게 되어 오염될 수 있다. 부연 설명한 구조는 관(20)과 도가니(26)의 간편하고 신속하면서도 반복 교환이 가능한 장점이 있다.
땝납의 작업온도(TH)로 금형(6)의 온도를 유지하기 위해, 도가니(26)는 열을 구면(24)을 경유하여 전달한다. 금형(6), 도가니(26) 및 유도관(20)은 용해된 땜납 (1')에 의하여 용해되지 않는 재질로 제작된다. 적합한 소재들은 예컨대 흑연, 세라믹, 유리, 스테인레스 스틸 또는 티타늄이다.
제 5,6 및 7도를 참조하여 금형의 캐비티와 관련하여 금형의 다른 특징을 살펴보기로한다. 금형의 캐비티(61)는 몸체(60)의 하부에 있는데 접촉단(66)에 의하여 경계가 정해지며, 기판을 향해 밑으로 개방되어 있다. 캐비티(61)는 상대적으로 협소한 탕구(62)에 의해 유도관(20)의 배출구(22)와 통해있다.
금형의 몸체(60)에는 라이저(riser) 또는 통풍구(63;vent hole)가 있는데 이것은 캐비티(61)에서 위로 개방되어 있다. 도시된 바와같이 통풍구는 땜납이 완벽하고도 신속하게 채워지는 것을 보장하기 위해 캐비티의 코너 또는 모서리 부위에 배치되는 것이 바람직하지만, 그러나 통풍구의 위치는 캐비티의 구조에 따라 정해져야 한다. 캐비티의 표면적은 기판에 조립될 칩의 크기에 좌우된다. 잘 알려진 바와같이, 칩과 기판이 칩의 모든 구역에 완전히 적셔질 때까지 용융된 액체 땜납은 스퀴징 가공(squeezing)에 의해 칩 주위의 납땜 간극에 채워지게 된다.
부연한 장치가 가동준비가 되었을 경우에는 유도관(20)의 가열 구역(x)에 액체땜납(1')의 일정 예비량이 확보되어 있다. 구멍(21)과 탕구(62)의 모세관작용(capillary action)은 액체 땜납이 자동으로 배출되는 것을 방지한다. 그후 금형(6)이 기판(4)에 자리잡을 때까지 장치가 화살표(a) 방향으로 하강한다. 장치가 약간의 과도 행정으로 하강되기 때문에 압축 스프링(29)이 약간 압축되고 캐리어 링(44)이 들린다. 압축 스프링(29)은 또한 기판과 마주치는 금형의 충격을 완화시켜 준다. 금형(6)이 기판(4)과 마주칠 때 카단식 지지와 압축 스프링의 작용에 의해 기판(4) 위치에서 생길 수 있는 근소한 기울어짐을 정확히 잡아주며 접촉단(66)이 캐비티(61)를 완전히 밀폐시킨다. 과도행정에 의하여 또한 기판의 높이 공차와 금형의 제작 높이 공차까지도 조정된다.
금형이 자리를 잡은 후 시발신호(35)(피드 거리의 실제값)에 의해서 고체땝납(1)이 공급됨으로서, 고체 땜납에 대응하는 액체땜납의 일정량이 배출구(22)를 통하여 캐비티(61)로 배출되며 이때 잔류공기가 통풍구(63)를 통하여 빠져 나간다. 캐비티(61)가 채워진 후 액체땜납 또한 제 8도에 도시된 바와 같이 통풍구(63)를 타고 올라간다.
금형(6)이 기판(4)에 접하기 바로 전에 땜납의 배출(시발신호(35)의 개시)이 시작될 겅우 다른 장점을 얻을 수 있다. 즉, 금형의 하강과 땜납의 배출시간이 일부 중첩되기 때문에, 총 싸이클 시간을 단축할 수 있다. 동시에, 기판에서 금형이 아직 떨어져 있을때에도, 일반적으로 캐비티(61)의 아주 근소한 높이에 의해 지장을 받지 않으면서도, 이미 배출된 땜납 방울이 목표 표면의 상당 부위에 걸쳐 측면으로 퍼져 기판을 적신다(몸체(60)에 있는 캐비티(61)의 깊이는 실제로 제1, 6 및 8도에 도시된 것보다도 작은데 명확히 표시하고자 확대하여 그린 것임). 액체땜납이 캐비티의 모서리에 이르는 측면 확산은 금형이 완전히 기판에 앉히는 동안에도 계속된다.
라이저 또는 통풍구(63)의 효과(즉, 금형이 완전한 채워지는 것올 보장함)에 대해선 이미 위에서 보다 상세히 부연한바 있다. 통풍구(63)에 의해 형성된 저장체적(캐비티(61)의 체적에 비하여 현저히 큼)을 이용하여, 조립된 칩 하부에 있는 땜납층의 최종 두께를 얻는데 필요한 것보다 캐비티(61)를 약간 더 얇게 만들 수 있는 장점이 있다. 제 8도에 도시된 바와같이 금형이 기판에 얹혀질 때, 땜납의 필요한 양 중 상당부분이 불가피하게 통풍구(63)위로 올라가게 되며, 이것에 의해, 배출된 땜납의 양에 다소 변화가 있더라도 기판 표면의 코너와 모서리까지 적시게 된다. 다음 금형(6)이 올라갈 때, 통풍구(63)에 저장된 땜납이 바로 거꾸로 흘러 적셔진 면에 고르게 분포된다. 통풍구(63)는 자체 체적을 이용하여 공급되는 고체 땜납의 양과 분배되는 액체 땜납의 양을 변화시킬 수 있다. 즉, 이것은 동일한 금형(6)을 이용하여 다양한 최종 두께의 납땜 조인트를 만들 수 있다.
고체 땜납의 공급과 필요한 액체 땜납을 배출하는 사이클이 완료된 다음 즉시 장치(5)가 기판에서 올려진다. 이것은 액체 땜납이 기판에 접착되게 하며 배출구(22) 하부의 탕구(62)에서 멈추게 한다. 통풍구(63)에 있는 액체땜납은 부연한 바와같이 땜납으로 적셔진 면에 분산된다. 그 후 가열된 기판(4)은 공지된 방법으로 화살표(c) 방향으로 한단계 전진하고, 새로운 기판이 장치 하부에 도달하며 칩(8)이 방금 도포된 액체 땜납(1")에 얹혀지게 된다. 그 후 다음 작업 사이클이 시작될 수 있다.
한 사이클에서 동일한 기판의 표면에 순서대로 미리 결정된 양과 정확한 상변화 위치를 갖는 2 이상의 서로 다른 양의 땜납을 분배할 수 있다. 이를 위하여, 금형에는 소요되는 양의 땜납에 상응하는 별도의 캐비티가 사용된다. 각각의 이들 캐비티는 배출구(22)로부터 자체 탕구를 통해 땜납을 공급받는다. 탕구의 유동 저항 즉 탕구의 직경과 길이를 조절함으로서 한 사이클에서 배출된 모든 납땜을 다양한 캐비티 체적에 알맞도록 분배할 수 있다.
끝으로 위에서 도시하고 설명한 것과 다른 장치와 본 발명에 따른 방법을 사용하여 금형을 사용하지 않고서도 기판에 일정량의 땜납을 도포할 수있다. 제 1안에 있어서, 고체 땜납이 주어진 양만큼 공급될 때 액체 땜납이 배출구에 형성되고, 액체 땜납이 기판과 접촉하여 기판에 접착될 때까지 배출구와 기판이 서로 접근하게 된다. 이러한 방법은 캐비티가 일정하게 주어진 표면 패턴을 제공하지 못하지만 정밀한 상변환위치를 가지며 정확한 정량을 갖는 땜납을 신속하게 연속적으로 분배할 수 있다.
금형을 사용하지 않는 다른 방안은 고체땜납을 빠르게 맥동적으로 협소한 배출구로 공급하여 일정량의 액체 땜납을 기판에 분사식으로 배출시키는 것이다. 일정한 배출 조건(짧은 맥동과 기판과 배출구 사이의 층분한 간격)하에서, 이러한 방법은 일정량의 땜납이 기판으로 배출되면 방울 또는 구형을 형성시킨다. 이러한 방법의 적용 또는 다른 변형에 있어서, 땝납의 배출은 기판 위의 주어진 높이에서 배출구의 측방향 이동과 동기될 수 있다. 이와같은 방법은 배출구의 이동에 대응하는 기판에서의 땜납 패턴을 설명할 수 있게 한다. 이와 동시에 정량의 땜납을 분배하고 기판에 정확하게 땜납을위치시킬 수 있는 장점이 있다.
제 9도에 도시된 장치는 전체 레이아웃으로 보아 제 1도의 장치와 같으며 장치의 주요부품들은 제 1도의 도면부호와 같은 도면부호로 표시되었다. 제 1 도와 관련하여 앞에서 설명한 방법이 여기에도 적용된다. 하지만 아래에 설명된 것처럼 어느 정도 유용한 변형례가 있다.
첫째로, 제 9도에서는 환형 공간(15' ; 제 1도에 도시된 관(15) 하부의 환형 공간(15')에 대응함)에서 고체 땜납(1)이 통과하는 방향에 반대로 활성가스 또는 보호가스가 강제적으로 제어되어 흐른다. 이것을 위해 가이드 장치 위 관(15) 내측에 관(17)이 추가로 장착되고, 상기 관(17)은 관(15)의 내면에서 다소 이격되어 있다. 활성가스나 보호가스는 조인트 부재(14)의 구멍(71)을 통하여 관(70)과 관(15) 사이의 환형챤넬로 공급되고 여기서 관(15)의 하부(15')에 유도된다. 또한 가스는 환형 공간(15')에서 관(70)의 구멍에 있는 와이어 형태의 고체 땜납(1)을 따라 상승하여 흡입작용에 의해 구멍(72)을 통해 외부로 배출된다. 이와같은 방법으로 환형 공간(15')에 진공이 발생하여 불필요한 가스 특히 산소가 용융땜납과 가열구역으로 안내되는 와이어 형태의 고체 땜납에서 제거된다. 그리하여 와이어(1) 인입시 유입되는 외부가스또는 유도관(20)과 관(15) 하부 사이의 섭동틈새에 있는 불필요한 가스가 계속해서 강제적으로 외부로 배출된다. 동시에 환형 공간(15')에서 과도한 압력이 와이어 형태의 고체땜납(1)을 따라 용융된 액체땜납(1')에 작용하여 용융상태의 유지 및 액체땜납의 배출과정을 간섭하지 않도록 환형 공간(15')에 과도한 압력이 걸리지 않도록 하는 것이 중요하다.
제 1도에 도시된 장치 및 이와 관련된 설명에 있어서, 관(제 1도의 관(20)에 대응하는 관)에서 얻을 수 있는 액체땜납(1')의 양은 고체 땝납과 배출구(22)위에 있는 액체 땜납 사이의 상변환 온도 높이와 원통형 구멍(제 3도의 구멍(21)에 대응하는 구명)의 직경에 대응하는 고체 땜납(1)의 직경을 제어함으로서 정해진다. 상기 상변환 온도 높이는 다양하게 설정될 수 있지만 높이가 증가함에 따라 금속정압이 증가하기 때문에 임의로 높게 설정할수 없다. 이론적으로, 액체 땜납의 양은 와이어 형태인 고체땜납의 직경이 큰 것을 쓰면 증대시킬 수 있으나, 실제로는 와이어가 릴에서 공급되기 때문에 이것에는 한계가 있다. 그러나 도 9에 도시된 것처럼 필요시 가열 구역의 하부구역 구멍(21a)을 확장시킬 경우 얻을 수 있는 용융된 액체 땜납의 양을 상당히 증가시킬 수 있다. 이것은 배출구(22)에 가해지는 금속정압을 증가시키지 않고 고체 땜납이 피스톤 작용을 함으로서 기밀효과가 감소하지 않는다.
마지막으르, 제 9도에 도시된 실시예에서는 금형(6) 대신에 바디(6a)를 갖는다. 상기 바디(6a)는 교환가능하고, 유도관의 하부 또는 도가니(26)의 구면에 밀착된다. 이와같은 실시예는 금형을 사용하지 않는 방법 즉, 액체 땝납 방울이 기판으로 배출되거나 장치가 측방으로 이동할 때 액체 땜납이 배출되는 방법에 바람직하다. 이러한 몸체(6a)는 금형과 똑같은 구조로 지지되어 있으며 동시에 쉽게 교환할 수 있다.
이미 제 1 실시예와 관련하여 위에서 언급한 것처럼, 일정량의 액체 땜납들이 탕구(62)내에서 중절된다. 구멍에서의 분리위치는 연속적으로 액체 땜납의 양이 변경되기 때문에 일정하지 않다. 보다 정확한 땜납의 적량을 얻기 위하여 제 10도에 도시된 것처럼 탕구(62)의 길이를 단축시키고 구멍의 상부(62a)를 확장시킬 수 있다. 제 10도에 도시된 수단은 금형(6) 뿐만 아니라 제 9도에 따른 바디(6a)에도 적합하다.

Claims (19)

  1. 와이어 또는 봉 형태의 고체 땜납을 가이드 장치에서 길이방향 구멍을 통해 단계적으로 공급하고, 용융된 형태로 협소한 배출구를 통해 배출되는 일정량의 액체 땜납을 각각 분배하는 방법에 있어서, 수직인 유도관(20)의 가열 구역(x)을 가열하고 상기 하부구역(y)에 이어지는 상부구역(y)을 냉각시킴으로서, 상기 유도관(20)에서 고체 땜납의 온도에서 고체 땜납이 최소한 부분적으로 용융되는 온도로 상변환 온도의 위치를 안정하게 유지시켜, 상기 유도관(20)의 구멍(21)내에서 용융된 액체 땜납의 수위와 상기 협소한 배출구와 상기 상변환 온도 지점 사이의 거리에서 배출시 얻을 수 있는 용융된 액체 땜납의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    냉각성능이 일정할 때 유도관(20)의 가열온도를 고체 땜납의 용융 온도에 따라 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    보호가스 또는 활성가스의 분위기를 용융된 액체 땜납(1') 위의 관의 구멍(21)에 유지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    가이드 장치의 구멍과 통해 있는 환형 공간(15')에서 고체 땜납이 통과하는 방향과 반대로 보호가스나 활성가스를 강제적으로 유동시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    기판에 일정량의 땜납을 도포하기 위해, 배출구(22)와 통해 있으며 기판(4)을 향해 개방된, 유도관(20)에 인접한 금형(6)을 기판(6)에 위치시키고, 일정량의 땜납(1")을 배출시키며, 그 후 금형(6)을 기판(4)에서 다시 들어올리는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    금형(6)이 기판(4)에 얹히기 전에 일정량의 땜납(1")의 배출을 시작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 따르는 방법에 있어서,
    캐비티(61)에서 위로 형성된 통풍구(63)를 가진 금형(6)을 사용하고, 금형이 상승될 때 배출시 땜납에 의해 적셔진 기판으로 통풍구(63)의 땜납이 역류하도록, 금형의 캐비티(61)와 통퐁구(63)의 땜납량을 서로 매칭시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    금속기판에 반도체 칩을 조립하기 위해, 금형(6)을 가열된 기판(4)에 주기적으로 위치시키고, 일정량의 땜납(1")을 배출시키고, 금형을 기판에서 들어올리고, 일징량의 땜납과 함께 기판을 길이방향(c)으로 전진시키고, 그 후 반도체 칩(8)을 땜납(1")에 위치시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기판에 일정량의 땜납을 도포하기 위해, 배출구(22)에 액체땜납 방울을 형성시키고, 액체 땜납 방울이 기판에 접촉하여 부착될 때까지 상기 배출구를 기판에 접근시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기판에 일정량의 땜납을 도포하기 위해, 기판을 향해 분사식으로 일정량의 액체땜납이 배출되도록, 고체 땜납을 맥동적으로 전진시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 가열된 수직 유도관(20)과 액체 땜납(1')용 배출구를 포함하는 와이어 또는 봉 형태의 고체 땜납(1)을 안내하기 위한 가이드 장치와, 상기 배출구를 향해 땜납을 단계적인 이동시키기 위해 고체 땜납(1)에 작용하는 구동수단(3)을 갖춘 땜납을 분배하기 위한 장치에 있어서, 고체 땜납을 용융시키기 위한 히터 수단(25,26)이 배출구(22)를 포함하는 유도관(20)의 가열 구역(x)으로 열을 공급하기 위해 배열되고, 유도관(20)용 냉각수단(51,52,53)이 상기 가열 구역(x)에 접한 유도관(20)의 상부 구역(y)을 고체 상태의 땜납 온도로 냉각시키는 냉각시키기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 일정량의 땜납을 분배하기 위한 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    금형(6) 및 바디(6a)는 협소한 탕구(62)가 형성되고, 유도관(20)의 하단부와접촉한 상태로 교환가능하게 고정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    기판(4)에 일정량의 땜납(1")을 도포하기 위해, 금형(6)은 용융된 액체 땜납(1')에 의해 적셔지지 않는 재료로 이루어지고, 기판(4)을 향해 개방된 캐비티(61)와, 유도관(20)의 구멍(21)과 통하는 탕구(62)를 가지며, 상기 유도관(20)과 금형(6)은 기판(4)에 대해 함께 상하로 상대 이동될 수 있는 깃을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 금형(6) 또는 바디(6a)는 구면(24)을 따라 유도관(20)의 하단부와 각각접한 상태로 있으며 유도관(20)의 하단부에 대하여 카르단식으로 지지되는것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 13항에 있어서,
    금형(6)은 용융된 액체 땜납(1')을 수용하는 통풍구(63)를 가지며, 상기 통풍구는 캐비티(61)에서 위로 수직하게 형성되고, 상기 캐비티의 코너에 위치되거나 모서리를 따라 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 11항에 있어서,
    냉각되어야 할 유도관(20)의 상부 구역(y)은 환형 공간(52)에 의하여 둘러싸여 있으며, 냉각가스가 상기 환형 공간을 통해 순환하는 것을 특징으로 하는장치.
  17. 제 11항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 유도관(20)의 구멍(21)은 더 많은 액체 땜납(1')을 수용하기 위해 가열 구역(x)의 하부에 확장부(21a)를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 탕구(62)와 연결되며 밑으로 개방된 캐비티(61)를 포함하며, 상기
    탕구의 상부(62a)가 캐비티(61)에 인접한 탕구(62)보다 더 넓은 것을 특징으로 하는 땜납을 분배하기 위한 장치와 함께 사용하는 금형.
  19. 제 18항에 있어서,
    탕구(62)와 연결되며 밑으로 개방된 캐비티(61)를 포함하고, 캐비티(61)와 연결된 통풍구(63)를 가지며, 통풍구(63)는 캐비티에 있는 땜납량에 비해 상당히 많은 양을 저장할 수 있는 것을 특징으로 하는 금형.
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