KR100356413B1 - 부분용융 상태에서의 리플로우 솔더링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부분용융 상태에서의 리플로우 솔더링 방법에 관한 것으로서, 리플로우 용접방식에 있어서: 솔더가 고상선(solidus line)과 액상선(liquidus line) 사이의 범위에서 공정선에 가까운 온도이면서 접합에 필요한 최소한의 액상을 생성할 수 있는 온도범위로 접합되도록 하는 것을 특징으로 함에 따라, 용융 용접이 불가능한 재료 및 열에 민감한 재료를 접합할 때 공정온도 부근의 비교적 낮은 온도에서 솔더링이 이루어지도록 하여 신속한 작업으로 견실한 접합 상태를 유지하는 동시에 제품의 열화를 방지하는 효과가 있다.

Description

부분용융 상태에서의 리플로우 솔더링 방법{METHOD OF REFLOW SOLDERING IN PARTIAL MELTING ZONE}

본 발명은 부분용융 상태에서의 리플로우 솔더링 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용융 용접이 불가능한 재료 및 열에 민감한 재료를 접합할 때 공정온도 부근의 비교적 낮은 온도에서 솔더링이 이루어지도록 하여 신속한 작업으로 견실한 접합 상태를 유지하는 동시에 제품의 열화를 방지하는 부분용융 상태에서의리플로우 솔더링 방법에 관한 것이다.

일반적으로 솔더링은 융점이 낮은 삽입재인 땜납(주로 Sn-Pb 합금)을 융점이 높은 모재 사이에서 완전히 용융시켜 모재를 접합하는 기술을 말한다. 이중 리플로우(reflow)를 이용한 SMT(surface mount technology), BGA(ball grid array), 플립칩(flip chip) 등이 최근에 마이크로 용접 및 패키징 법으로 많이 사용되고 있다.

종래의 솔더링은 땜납재료를 융점보다 높은 온도에서 완전히 용융시켜 액상상태의 땜납재료와 모재의 젖음현상에 의하여 접합되도록 하는 방법이다. 땜납재료를 짧은 시간내에 완전히 용융시키기 위하여 땜납재료의 융점보다 30∼50℃ 정도 높은 온도범위에서 접합을 진행하게 되는데, 모재 및 모재와 연결되어 있는 전사부품이 고온상태에서 변형되거나 성능이 저하될 우려가 있으므로 융점이 비교적 낮은 (200℃ 이하) 합금에만 적용할 수 있다.

솔더링에 사용되는 대표적인 재료인 Sn-Pb 합금의 상태도를 도시하는 도 1을 참조하면, 합금에서 Sn 및 Pb 성분의 조성에 따라 융점이 달라지는 것을 알 수 있다. 이러한 상태도에 기초하여 사용하는 모재 및 모재와 연결되어 있는 부품의 열적 특성이 양호하여 고온에서 견딜 수 있으면 융점이 높은 조성의 합금을 땜납재료로 사용하게 되고, 이와 반대로 고온에서 견디기 힘든 재료를 접합하고자 할 때에는 융점이 낮은 조성의 합금을 땜납재료로 사용하게 된다.

그런데 일반적으로 사용되는 전자부품의 열적 특성은 양호한 편이 아니기 때문에 가능한 낮은 온도에서 솔더링하는 것이 유리하므로 대게는 공정조성(eutecticcomposition)의 솔더를 땜납재료로 사용하여 가능한 낮은 온도에서 솔더링을 수행하게 된다. Sn-Pb의 경우 공정조성의 융점이 약 183℃ 이므로 실제 리플로우 솔더링은 이 온도보다 높은 210℃ 이상에서 실행하게 된다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 용융 용접이 불가능한 재료 및 열에 민감한 재료를 접합할 때 공정온도 부근의 비교적 낮은 온도에서 솔더링이 이루어지도록 하여 신속한 작업으로 견실한 접합 상태를 유지하는 동시에 제품의 열화를 방지하는 부분용융 상태에서의 리플로우 솔더링 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 땜납의 상태도,

도 2는 본 발명에 따른 방법의 실험과정을 개략적으로 나타내는 모식도,

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 방법으로 솔더링한 상태를 확대하여(배율 ×20) 나타내는 사진,

도 6은 본 발명의 부분용융 솔더링을 실시한 부분의 미세조직을 확대하여(배율 ×400) 나타내는 사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

A, B, C : 온도구간

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 리플로우 용접방식에 있어서: 솔더가 고상선(solidus line)과 액상선(liquidus line) 사이의 범위에서 공정선에 가까운 온도이면서 접합에 필요한 최소한의 액상을 생성할 수 있는 온도범위로 접합되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 땜납의 상태도가 도시된다.

종래의 솔더는 주로 200℃ 전후의 공정온도(eutectic temperature)를 가지는 합금을 기반으로 하고 공정, 과공정, 아공정 조성을 선택적으로 수행한 형태를 제작하여 사용하였다. 완전 용융상태를 만들기 위한 공정조성의 솔더인 경우 공정온도를 기준으로, 과공정 또는 아공정 조성의 솔더인 경우 액상선 온도를 기준으로 약 30∼50℃ 정도 높은 온도에서 리플로우 솔더링을 행한다. 실제 솔더링 기술이 적용되는 전자부품의 경우 플라스틱 기판을 사용하거나 플라스틱 패키지를 사용하기 때문에 300℃ 이상의 고온에서 솔더링 작업을 수행하기 어렵다.

따라서 완전 용융상태에서 솔더링을 수행하는 종래의 일반적인 기술로 솔더링 작업을 수행하는 경우 다음과 같은 한계를 지닌다.

(1) 공정조성에서의 융점이 200℃ 전후인 솔더 합금을 땜납재료로 사용하고 그 합금의 조성도 공정조성이나 공정조성에 가까운 조성으로 제조하여야 한다.

(2) 과공정 또는 아공정 조성의 솔더를 사용하는 경우 완전한 용융을 위하여 액상선 온도보다 높은 온도에서 작업하게 되므로 공정온도와 비교하여 50∼100℃ 이상의 고온에서 솔더링하게 된다.

(3) 상기 (2)와 같은 이유에 기인하여 액상선 온도가 300℃ 이상되는 조성의 합금은 솔더로 사용하는 것이 곤란하다.

(4) 상기 (1) 내지 (3)과 같은 이유에 기인하여 땜납재료로 쓰일 수 있는 합금 선택의 범위가 좁아진다.

(5) 솔더링 장비의 경우 땜납재료의 융점보다 30∼50℃ 이상의 온도에서 작업할 수 있는 환경을 갖추어야 하고 그에 따른 전력소모도 증가된다.

(6) 볼(ball) 형태로 솔더링하는 경우(예컨대 ball grid array) 액상의 모세관 효과(capillary effect)에 의한 피치간의 단락(short)을 막기 위한 최소한의 간격을 필요로 한다.

이에 반하여 본 발명은 공정조성을 벗어나는 과공정 또는 아공정의 합금원소를 땜납재료로 제작하는 것이 가능하다. 조성의 선택은 공정조성을 벗어난 범위에서 자유롭게 이루어질 수 있는데, 납땜하고자 하는 전자부품이 요구하는 기계적 특성에 부합하는 조성을 선택할수록 유리하다.

솔더링 온도는 선택한 합금원소의 조성에서 고상선(solidus line)과 액상선(liquidus line) 사이의 범위를 택한다. 전자부품에 대한 영향을 최소화하기 위하여 가능한 낮은 온도, 즉 공정조성에서의 융점에 가까운 온도이면서 접합에 필요한 최소한의 액상을 생성할 수 있는 온도범위를 선택하여야 한다.

도 1에서, 부호 A 종래의 공정조성에서의 리플로우 솔더링 온도구간을 나타내고 부호 B는 종래의 과공정 조성에서의 리플로우 솔더링 온도구간을 나타내고, 부호 C는 본 발명의 부분용융 솔더링에서의 리플로우 솔더링 온도구간을 나타낸다. 예컨대 Sn이 90%, Pb가 10% 함유된 솔더 합금의 경우 공정온도인 183℃보다는 높고, 액상선의 온도인 230℃보다는 낮은 온도에서 솔더링을 수행할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 방법의 실험과정을 개략적으로 나타내는 모식도가 도시된다.

실제 실험에 있어서, 기판으로 사용하기 위해 순도 99.99%의 무산소 동판을 준비하고 각각 70wt%Sn-30wt%Pb, 80wt%Sn-20wt%Pb, 90wt%Sn-10wt%Pb 성분의 합금을 기본으로 한 과공정 솔더를 볼형태로 제작한 후 다음의 순서로 진행한다.

(1) 기판위에 솔더볼을 올려놓는다.

(2) 최고온도가 200℃가 유지되도록 리플로우 장비를 설정한다.

(3) 솔더볼이 장착된 기판을 리플로우 장비의 컨베이어에 올려놓는다.

(4) 컨베이어를 가동하여 솔더볼이 장착된 기판이 200℃ 구간을 통과하도록 한다. 이때 200℃ 구간을 통과하는 시간은 약 3분으로 한다.

(5) 솔더볼이 200℃ 구간을 떠나 냉각구간을 통과하면서 냉각되도록 한다.

(6) 솔더볼의 퍼짐과 접합상태를 확인한다.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 방법으로 솔더링한 상태를 확대하여 나타내는 사진이다.

도 3a 및 도 3b는 70wt%Sn-30wt%Pb 성분의 과공정 솔더를 사용한 경우이고, 도 4a 및 도 4b는 80wt%Sn-20wt%Pb 성분의 과공정 솔더를 사용한 경우이며, 도 5a 및 도 5b는 90wt%Sn-10wt%Pb 성분의 과공정 솔더를 사용한 경우이다.

히터에 의해 200℃의 온도가 유지되는 구간에서 3분간 유지함에 따라 솔더의 일부는 액상으로 변하고 액상으로 변태한 솔더가 모재와 반응하여 접합을 유지하고 솔더의 나머지 부분은 고상으로 솔더의 모양을 유지함을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 부분용융 솔더링을 실시한 부분의 미세조직을 확대하여 나타내는 사진이다.

솔더합금의 원소 중 주석(Sn)이 구리(Cu)와 반응하여 계면에서 금속간화합물을 형성하였음을 알 수 있다. 이러한 금속간 화합물의 형성은 솔더가 기판에 젖었음을 확인시켜 준다. 따라서 공정조성이 아닌 솔더를 융점보다 낮은 온도에서 솔더링하는 방법, 즉 부분용융 상태에서의 솔더링이 가능함을 알 수 있다.

본 발명의 방법에 의하면 종래의 솔더링과는 달리 땜납재료를 완전히 용융시키지 않고 합금의 일부는 용융되고 일부는 용융되지 않아 고상으로 남아 있는 상태에서 모재를 접합시킬 수 있도록 한다. 이에 따라 종래에 비하여 더 낮은 온도에서 솔더링을 시행할 수 있기 때문에 온도 제한으로 인해 종래의 솔더링 과정에서 사용할 수 없었던 합금도 땜납재료로 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 부분용융 상태에서의 리플로우 솔더링 방법은 용융 용접이 불가능한 재료 및 열에 민감한 재료를 접합할 때 공정온도 부근의 비교적 낮은 온도에서 솔더링이 이루어지도록 하여 신속한 작업으로 견실한 접합 상태를 유지하는 동시에 제품의 열화를 방지하는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 리플로우 용접방식에 있어서:

   솔더가 고상선(solidus line)과 액상선(liquidus line) 사이의 범위에서 공정선에 가까운 온도이면서 접합에 필요한 최소한의 액상을 생성할 수 있는 온도범위로 접합되도록 하는 것을 특징으로 하는 부분용융 상태에서의 리플로우 솔더링 방법.