KR100321826B1 - 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법과 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 적은 비용으로 구형도와 입도분포가 우수한 양질의 분말을 제조할 수 있으며, 표면실장기술(SMT, Surface Mounting Technology)에서 사용되어지는 진구도가 우수하고 입도분포가 좁은(σ=1.3∼1.6) 크림솔더용 분말의 제조방법과 그 장치를 제공한다.

그 제조방법은, 연속공급이 가능하고 일정한 유량을 공급하는 액적낙하장치(2)로부터 용융상태의 물질의 액적을 불활성가스분위기에서 20∼50kHz 범위로 진동하는 초음파 혼 위에 적하시킴으로써 용융상태의 물질을 작은 액적들로 분무시키고, 그 분무된 작은 액적들을 냉각시켜 응고시키는, 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법에 있어서, 용융상태의 물질이 37Pb- 63Sn 공정조성을 가지며, 상기 초음파를 발생시키는 초음파혼(6)의 표면온도가 상기 용융상태의 물질의 용융점 이상의 온도로 유지되도록 가열되고, 상기 초음파 진동자(11)가 수평방향에서 초음파 혼(6)에 진동을 전달함으로써, 25㎛∼45㎛에 해당하는 입도의 분말의 수율이 45㎛∼75㎛에 해당하는 입도의 분말의 수율보다 높으며, 재용융특성과 구형도 및 입도분포를 향상시킨 것을 특징으로 한다.

Description

초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법과 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING FINE GRAINED POWDER SUCH AS CREAM POWDER USING AN ULTRA SONIC WAVE}

본 발명은, 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법과 그 장치에 관한 것으로, 더상세하게는 비지에이(BGA(Ball Grid Array) Package)용에 사용되는 표면실장기술(SMT, Surface Mounting Technology)에서 접합재료로 사용되어지는 크림솔더용 분말과 같은 미립자 분말의 제조방법과 그 장치에 관한 것이다.

최근, 전자기기의 소형화와 고기능화의 요구로 기판의 표면에 부품을 장착하여 임의의 회로를 형성하는 표면실장기술(SMT, surface mounting technology)의 파인 피치화와 다핀화가 진행되고 있다. 다핀화와 파인피치화에 대응하고자 개발된 QFP(Quad Falt Pack Package)에서는 최소 리드 피치가 0.3mm인 한계가 있어 파인 피치화에는 TCP(Tape Carrier Package), 다핀화에는 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Size Package 혹은 Chip Scale Packge)로 급속히 기술변혁이 이루어지고 있다. 각각의 패키지 실장에는 장단점이 있으며, 어떤 패키지가 주력으로 될 것인가는 납땜을 종합적인 가격 등에 의해 좌우된다.

특히, 패키지의 배면에 설치한 다수의 솔더볼(범프)을 갖는 BGA나 CSP에서는납땜과 다핀화가 용이하지만, 접합후 접합부위의 검사에 따른 비용이 문제가 되고 있기 때문에 범프 형성에 있어서 양산성이 높고 저가격화가 가능한 솔더 페이스트를 이용하는 것이 훨씬 유리하다. 이러한 표면실장에서 전자기기의 소형화 추세로 피치간의 간격이 점차 좁아짐에 따라 분말의 우수한 진구도와 입도크기도 Type Ⅱ(45㎛∼75㎛)에서 Type Ⅲ(25㎛∼45㎛)로 점차 작아지고 있는 추세이다.

현재 크림솔더용 분말제조에 사용되고 있는 방법은, 용융 금속을 불활성 가스로서 분쇄시키는 일반적인 가스분무법, 용탕을 가압하여 작은 오리피스(orifice)를 통과시킴으로써 분무되는 압력분무법, 고속으로 회전하는 원판위에 용융금속을 낙하하여 분말을 비산시켜 얻는 원심분무법 등이 있으나, 가장 많이 사용되고 있는 방법은 원심분무법이다.

그러나, 원심분무법은 15,000∼60,000rpm정도로 Motor를 고속으로 회전하는 기술과 이에 따른 큰 설비가 동반되어야 하는 등 장비 설치에 따른 고비용이 요구된다.

따라서 본 발명은 적은 비용으로 구형도와 입도분포가 우수한 양질의 분말을 제조할 수 있는 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법과 그 장치를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

또, 본 발명은 표면실장기술(SMT, Surface Mounting Technology)에서 사용되어지는 진구도가 우수하고 입도분포가 좁은(σ=1.3∼1.6) 크림솔더용 분말을 제조할 수 있는 방법과 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조장치(초음파 분무장치)의 개략적인 구조도,

도 2a는 도 1의 초음파 분무장치의 분무상태의 사진이고, 도 2b는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 상세 구성의 사시도이며, 도 2c는 도 2b의 측면도,

도 3a 및 도 3b는 초음파 분무장치로 제조된 분말의 주사전자현미경 사진으로 분말의 외형과 균일도 및 분말의 조직을 나타내는 100배 및 3,000배 배율의 사진,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 크림솔더용 분말의 입도분포도,

도 5는 도 4의 크림솔더용 분말의 재용융 시험의 열흐름 곡선,

도 6은 도 4의 실시예 크림솔더용 분말의 재용융 시험결과 확대 사진,

도 7은 초음파 분무장치로 제조된 분말의 입도분석표.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 용융로 2: 액적낙하장치

3: 초음파발생장치 4: 분무실

5: 저장용기 6: 초음파 혼

7: 진동자 8: 액적낙하장치

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법은, 연속공급이 가능하고 일정한 유량을 공급하는 액적낙하장치로부터 용융상태의 물질의 액적을 불활성가스분위기에서 20∼50kHz 범위로 진동하는 초음파 혼 위에 적하시킴으로써 용융상태의 물질을 작은 액적들로 분무시키고, 그 분무된 작은 액적들을 냉각시켜 응고시키는, 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법에 있어서, 상기 용융상태의 물질이 37Pb- 63Sn 공정조성을 가지며, 상기 초음파를 발생시키는 초음파혼의 표면온도가 상기 용융상태의 물질의 용융점 이상의 온도로 유지되도록 가열되고, 상기 초음파 진동자가 수평방향에서 초음파 혼에 진동을 전달함으로써, 25㎛∼45㎛에 해당하는 입도의 분말의 수율이 45㎛∼75㎛에 해당하는 입도의 분말의 수율보다 높으며, 재용융특성과 구형도 및 입도분포를 향상시킨 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조장치는, 초음파를 발생시키기 위해 진동자와 초음파 혼을 지니는 초음파발생장치와, 그 초음파속으로 용융상태의 액적을 낙하시킴으로써 용융상태의 물질을 작은 액적들로 분무시키기 위한 액적낙하장치를 포함하여 구성되며, 연속공급이 가능하고 일정한 유량의 용융상태의 물질을 초음파발생장치의 초음파 혼 위에서 낙하,분무시키기 위해 액적낙하장치의 용융상태의 물질의 수위가 조절되고, 용융물질이 제어되어 공급되도록 액적낙하장치에 용융로가 연결되며, 상기 분무되는 액적들의 산화를 방지하도록 진공상태에서 대기압하의 불활성 분위기를 형성하는 분무실이 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조장치에 있어서, 상기 용융상태의 물질이 37Pb-63Sn 공정조성을 가지며, 상기 초음파 혼의 표면온도는 용융상태의 물질의 용융점 이상의 온도가 유지되도록 히터로 가열되고, 상기 초음파 진동자가 수평방향에서 초음파 혼에 진동을 전달하며, 상기 초음파 혼의 표면이 액상의 금속과 반응하지 아니하는 재질로 되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들의 구성과 작용을 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조장치(초음파 분무장치)가 개략적인 구조도로 도시되고, 도 2a에는 도 1의 초음파 분무장치의 분무상태의 사진이 도시되며, 도 2b에는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 상세 구성도가 도시된다.

본 발명에 따른 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법의 특징은, 도 3에서 액적낙하장치(2)로부터 용융상태의 액적을 초음파 혼(6)으로 낙하시킴으로써 용융상태의 물질을 작은 액적들로 분무시키고, 그 분무된 작은 액적들을 도 1의 분무실(4)에서 냉각시켜 응고시키는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 초음파의 진동수를 가변시킴으로써 분말의 입도 크기를 조절할 수 있게 된다.

도 1 및 도 3에서 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조장치는, 기본적으로는 초음파발생장치(3)와 액적낙하장치(2)를 포함하여 구성되며, 연속 생산을 위해서는 용융로(1) 및 분무실(4)을 포함하고, 산화를 방지하기 위해서는 도시가 생략된 진공시스템과 불활성가스의 공급장치를 포함하는 것이 바람직하다.

그 초음파발생장치(3)는, 초음파를 발생시키기 위해 수평방향으로 진동을 전달하기 위한 진동자(12)와 그 진동자(12)에 연결된 초음파 혼(6)을 지니며, 액적낙하장치(2)는, 도 3에 구체적으로 도시된 바와 같이 그 초음파 혼(6)의 상부에 설치되어 초음파속으로 용융상태의 액적을 낙하시킴으로써 용융상태의 물질을 작은 액적들로 분무시키도록 구성된다.

초음파의 진동자(7)에서 전달된 초음파는 초음파 혼(6)의 표면에 대해 수직방향으로 진동시키고, 증가된 진폭이 특정 한계값을 넘을 때, 초음파 혼(6) 위에서 체스판 모양의 모세관 파동(Capillary Wave)을 형성한다. 초음파 혼(6)의 표면을 균일하게 덮은 액상 금속 막이 모세관의 끝에서 작은 액적으로 분무되고 분무실(4)에서 원형의 금속분말로 응고, 저장용기(5)에 수집된다. 액적의 직경은 모세관의 파동의 길이와 관계되기 때문에 입자의 직경은 진동자의 주파수가 증가함에 따라 감소한다. 이때 요구되는 특성으로는 초음파 진동자의 표면온도가 액상 금속의 용융점 이상의 온도가 유지되어야 하고 또한 액상의 금속과 반응하지 않아야 한다.

물질의 용융상태가 일정한 온도로 제어되어 유지되며, 이에 따라 용융물질의 점도가 조절되어 일정하게 유지될 수 있고, 또한, 연속생산을 위한 연속공급이 가능하고 일정한 유량을 초음파발생장치(3)의 초음파 혼(6) 위로 낙하,분무시키기 위해 액적낙하장치(2)내의 용융상태의 물질의 수위가 조절될 수 있도록 액적낙하장치(2)에는, 가열장치, 용융물공급관, 레벨센서, 및 열전대 등을 포함하여 구성될 수 있으며, 나아가, 진동장치를 구비하여 더욱 액적이 액적낙하장치(2)로부터 용이하게 파쇄되어 유출될 수 있도록 구성될 수도 있다.

이하 본 발명의 실험예를 설명한다.

사용된 합금의 마이크로 본딩(Micro-Bonding) 영역에서 주로 이용되는 전형적인 솔더재료인 주석(Sn)과 납(Pb)의 공정조성을 이용하였다.

도 1에서 크림솔더용 분말을 제조하기 위해 37Pb-63Sn 공정조성을 가지는 시료를 용융로(1)에 장입시켜 용해시킨 후, 초음파 분무장치내의 진공도를 1×10^-3torr.으로 만든 후, 불활성 가스로 챔버내 환경을 대기압으로 맞추었다.

초음파발생장치(3) 위에 위치한 턴디쉬(Tundish)에 수위 조절기로 일정양의 용탕이 초음파 혼(6)위에 공급될 수 있도록 하였고 초음파 혼(6)은 히터를 이용하여 시료의 용융점 이상으로 가열시켰다. 초음파의 주파수는 20∼44kHz 의 변위로 분무시켰고 이때의 분무모습은 도 2의 사진에서와 같았다. 이와 같이 하여 제조된 분말은 분무실(4) 아래에 위치한 저장용기(5)에 모았으며, 그 특성은 다음과 같이 나타났다.

입자형상 및 입도분석에 있어서는, 제조된 분말의 형상 및 크기분포를 측정하기 위해 전자현미경(SEM)을 이용하였고, 입도분석은 입도분석기인 레이저 디플렉커(Laser Deflector)를 이용하여 무작위로 20g씩 채취, 각 시료를 5회 측정하여 평균을 내는 방법을 택하였으며, 그 결과, 도 3a의 100배 배율의 전자현미경 사진에 나타난 바와 같이 균일하였으며, 분말의 조직도, 도 3b의 3,000배 배율의 전자현미경 사진에 나타난 바와 같았다. 또한, 도 7에서 분말의 입도분석표의 수치로부터 알 수 있는 바와 같이 Type Ⅲ(25㎛∼45㎛)에 해당하는 입도의 분말의 수율도 높게 나타났다.

도 7에서 본 발명에서 초음파 주파수 40kHz로 얻은 분말(No. 2)은 평균 입도가 57㎛, 표준편차(σ)가 1.53이고 입자형상은 도 3a에서 보듯이 구형을 띄고 있음을 알 수 있다.

재용융특성 면에서는 솔더크림의 안정성 시험인 채용융 특성시험은 초음파 분무법으로 제조된 분말(25㎛∼45㎛)로 크림솔더를 제조하고 스크린 프린트(screenprint)법으로 인쇄한 후, 도 5의 열흐름 곡선에 따라 재용융시켰다. 그 후 기판을 육안 및 실제 현미경을 이용해 인쇄성, 납땜성 및 퍼짐성을 관찰하여 합격/불합격을 판정한 결과, 도 6에 사진으로 도시된 바와 같이 우수한 상태를 얻을 수 있었다.

이와 같이 본 발명에 따라 크림솔더용 분말을 제조함으로써 도 1과 같이 장치규모가 타 공정에 비해 작아 초기 장치 설비면에서 유리하고 또한 좁은 입도 분포(도 4)와 구형도 (도 3a)가 우수하고, 불활성 분위기에서 제조되기 때문에 낮은 산소함량(0.01w/o이하)을 가지고 또한 생산된 분말의 재용융 특성도 우수하게 나타났기 때문에 크림솔더용 분말제조방법으로 아주 적합함을 알 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예들에 따른 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법과 그 장치의 구성과 작용에 의하면, 초음파를 이용하여 용융상태의 물질을 분무시킴으로써 적은 비용으로 구형도와 입도분포가 우수한 양질의 분말을 제조할 수 있고, 특히, 표면실장기술에서 사용되어지는 진구도가 우수하고 입도분포가 좁은(σ=1.3∼1.6) 크림솔더용 분말을 제조할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 연속공급이 가능하고 일정한 유량을 공급하는 액적낙하장치(2)로부터 용융상태의 물질의 액적을 불활성가스분위기에서 20∼50kHz 범위로 진동하는 초음파 혼 위에 적하시킴으로써 용융상태의 물질을 작은 액적들로 분무시키고, 그 분무된 작은 액적들을 냉각시켜 응고시키는, 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법에 있어서,

   상기 용융상태의 물질이 37Pb-63Sn 공정조성을 가지며, 상기 초음파를 발생시키는 초음파혼(6)의 표면온도가 상기 용융상태의 물질의 용융점 이상의 온도로 유지되도록 가열되고, 상기 초음파 진동자(11)가 수평방향에서 초음파 혼(6)에 진동을 전달함으로써, 25㎛∼45㎛에 해당하는 입도의 분말의 수율이 45㎛∼75㎛에 해당하는 입도의 분말의 수율보다 높으며, 재용융특성과 구형도 및 입도분포를 향상시킨 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 초음파의 진동수를 가변시킴으로써 분말 `입도 크기를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조방법.
4. 삭제
5. 초음파를 발생시키기 위해 진동자(12)와 초음파 혼(6)을 지니는 초음파발생장치(3)와, 그 초음파속으로 용융상태의 액적을 낙하시킴으로써 용융상태의 물질을 작은 액적들로 분무시키기 위한 액적낙하장치(2)를 포함하여 구성되며, 연속공급이 가능하고 일정한 유량의 용융상태의 물질을 초음파발생장치(3)의 초음파 혼(6) 위에서 낙하,분무시키기 위해 액적낙하장치(2)의 용융상태의 물질의 수위가 조절되고, 용융물질이 제어되어 공급되도록 액적낙하장치(2)에 용융로(1)가 연결되며, 상기 분무되는 액적들의 산화를 방지하도록 진공상태에서 대기압하의 불활성 분위기를 형성하는 분무실(4)이 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조장치에 있어서,

   상기 용융상태의 물질이 37Pb-63Sn 공정조성을 가지며, 상기 초음파 혼(6)의 표면온도는 용융상태의 물질의 용융점 이상의 온도가 유지되도록 히터로 가열되고, 상기 초음파 진동자(11)가 수평방향에서 초음파 혼(6)에 진동을 전달하며, 상기 초음파 혼(6)의 표면이 액상의 금속과 반응하지 아니하는 재질로 되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 크림솔더용 분말과 같은 미립자분말의 제조장치.