KR100442184B1 - 솔더볼의제조방법및그장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 균일한 크기의 구형 솔더볼(Solder Ball)을 제조하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 최근 전자 패키징에 많이 사용되고 있는 BGA(Ball Grid Array)용 솔더볼의 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 턴디쉬(1)의 하단면에 형성된 오리피스(2)를 통하여 하부로 흘러나가는 용탕(1-1)의 수위를 항상 일정하게 유지시켜 용탕의 흐름줄기(22)에 일정한 진동을 부여하여 일정한 크기의 액적(23)으로 분리시킨 후, 상기 액적(23)을 상기 용탕(1-1)의 융점보다 높은 온도로부터 상온에 이르기까지의 온도구배를 가지면서, 비등점이 상기 용탕(1-1)의 융점보다 높고 그 밀도는 상기 용탕(1-1)의 밀도보다 작은 냉각액(9-1)에 떨어뜨려 구형화하는 것을 특징으로 하는 솔더볼의 제조방법 및 그 제조장치를 제공한다.

이와 같이, 본 발명에 따른 솔더볼의 제조방법 및 그 장치는 공정의 단순화에 의한 비용절감은 물론, 입도분포가 균일하고 우수한 표면품질을 갖는 금속볼을 생산할 수 있고 그 수율도 극대화시키는 효과를 제공한다.

Description

솔더볼의 제조방법 및 그 장치

본 발명은 균일한 크기의 구형 솔더볼(Solder Ball)을 제조하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 최근 전자 패키징에 많이 사용되고 있는 BGA(Ball Grid Array)용 솔더볼의 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 분말과 같은 작은 크기의 금속구를 만드는 방법은 원심분무나 가스분무와 같은 방법이 사용되어 왔는데, 이러한 방법은 그 제조 특성상 생산되는 볼의 크기 범위가 넓은 특성을 갖기 때문에 수율이 낮고 비경제적일 뿐만 아니라 볼에 큰 가속을 주게 되므로 이것을 기체 내에서 구형인 상태로 응고시키기 위해서는 매우 복잡하고 큰 설비가 요구되는 단점이 있었다.

다른 방법으로, 일정한 무게의 금속을 절단하여 냉각액 중에서 재 용융시킨 후 구형화시키고 다시 응고시키는 방법이 있으나, 이 또한 금속을 일정한 크기로 절단한 후 재용융시키기 위해서는 재용융 전에 많은 공정을 거쳐야 하므로 급격한 제조비용의 상승을 초래하게 되어 제조상의 실익이 없다는 단점이 있었다.

또한, 다른 방법으로, 용탕을 작은 노즐 구멍을 통하여 얇은 줄기로 흘러 내려서 액적을 생성시키는 방법이 있으나, 이는 얇은 줄기로 흘러내리는 용탕이 계면장력에 의하여 불안정한 상태가 되어 표면의 약간의 굴곡에 의하여도 끊어져서 액적을 형성하기 되는 원리를 이용한 것으로서 불안정한 굴곡의 파장으로 인하여 균일한 크기의 액적 생성이 어렵고, 생성된 액적도 기체 중에서 낙하하면서 급속히 응고가 되므로 급속 응고에 따른 조직변태로 볼의 완전한 구형화가 이루어지지 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 용탕에 일정한 진동을 가하여 용탕에서 직접 일정한 크기의 액적을 분리하고 분리된 액적을 냉각액에서 서서히 냉각시켜 솔더볼을 제조함으로써 공정단순화에 의한 비용절감은 물론 볼의 크기 조절 및 구형화가 용이하고 그 수율이 크게 향상될 수 있는 솔더볼의 제조방법및 그 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 솔더볼 제조장치의 전체 개략도,

도 2는 본 발명에 의한 오리피스의 단면도와 솔더볼의 생성과정을 나타내는 개략도이다.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♣

1:턴디쉬, 1-1:용탕, 2:오리피스(Orifice), 3:진동기, 5:챔버

7:용탕받이, 9:냉각액탱크, 9-1:냉각액, 10:가열부재

11:냉각액배수관 12:볼수거통 13:냉각부재 14:냉각액 수급관

15:볼차단 밸브 16:볼배출 밸브 17:저장탱크 18:볼수거용체

22:용탕흐름줄기 23:액적

상기한 본 발명의 목적은 턴디쉬의 하단면에 형성된 오리피스를 통하여 하부로 흘러나가는 용융금속인 용탕의 흐름줄기에 일정한 진동을 주어 상기 용탕을 일정한 크기의 액적으로 분리시킨 후, 상기 용탕의 융점보다 높은 온도로부터 상온에 이르기까지의 온도구배를 갖는 냉각액에 떨어뜨려 구형화하는 것을 특징으로 하는 솔더볼의 제조방법을 제공함에 의해 달성된다.

또한, 상기한 본 발명의 목적은 용탕의 수위조절이 가능하고 그 하단면에 적어도 하나 이상의 오리피스가 형성된 턴디쉬와; 상기 용탕에 일정한 진동을 부여할 수 있도록 상기 턴디쉬 내에 침적 설치되는 진동기와; 상기 턴디쉬의 하부에 위치하며, 그 외측면 및 외측하부면에 가열부재 및 냉각부재가 각각 취부되고, 일측 상부면에는 냉각액배수관이 배설된 냉각액탱크와; 상기 냉각액탱크의 냉각액 상면과 턴디쉬의 하단면 사이에 위치되고 불활성가스가 충전된 챔버와; 상기 챔버의 일측면에 좌우 이동가능하게 설치되는 용탕받이와; 상기 냉각액탱크의 하단부에 그와 연통되게 설치되며, 그 상, 하단에는 각각 볼차단밸브 및 볼배출밸브가 설치되고 그 외주 일측에는 냉각액수급관이 형성된 볼수거통과; 상기 볼수거통의 직하방에 위치되며 그 상면에는 볼수거용체가 설치되고 상기 냉각액배수관 및 냉각액수급관이 각각 연결된 저장탱크를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조장치를 제공함에 의해 달성된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 솔더볼 제조장치의 개략적인 작동상태 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 오리피스 및 솔더볼의 생성과정을 나타내는 요부 확대 단면도이다.

도 1 내지 도 2에 따르면, 수위조절이 가능한 턴디쉬(1)가 구비되고, 상기 턴디쉬(1)의 하단면에는 적어도 하나 이상의 오리피스(2)가 형성된다.

상기한 턴디쉬(1)의 수위조절은 턴디쉬(1) 일측면의 소정위치에 수위감지센서가 구비되고, 이의 신호에 의하여 자동적으로 개폐 작동하도록 턴디쉬(1)의 일측면에 관통 결합된 용탕 공급관(1-2)에 조절밸브가 설치됨으로써 이루어질 수 있으며,

이로부터 공급되는 용탕량의 결정은 상기 턴디쉬(1)로부터 배출되는 액적(23)의 량과 동일하게 항시 일정하게 공급되어 턴디쉬(1) 내의 용탕 수위가 항상 일정하게 유지될 수 있는 것이다.

상기 오리피스(2)들 간의 거리는 최소한 15mm 정도 이격되어 유지되도록 함으로써 후술할 액적(23)들간의 충돌을 방지토록 함이 바람직하다.

또한, 상기 오리피스(2)는 진동에 의한 용탕(1-1)의 흐름성을 좋게 하기 위해 상부는 넓고 하부는 좁게 형성된 상광하협의 형상으로 형성함이 바람직하다.

턴디쉬(1)의 용탕(1-1) 내에는 용탕(1-1)에 일정한 진동을 가하여 배출되는 용탕흐름줄기(22)를 일정한 액적(23)으로 분리시킬 수 있도록 한 진동기(3)가 침적되어 설치된다.

턴디쉬(1)의 하단부에는 냉각액(9-1)이 수용되는 냉각액탱크(9)가 설치된다.

냉각액탱크(9)는 턴디쉬(1)의 하단부를 밀폐할 수 있도록 하며, 그 주연 일측에는 냉각액(9-1)의 수위를 일정하기 유지할 수 있도록 저장탱크(17)와 연결된 오버플로우(Over Flow)관인 냉각액배수관(11)이 연결된다.

그리고, 상기 냉각액탱크(9)에 수용된 냉각액(9-1)의 상면과 턴디쉬(1)의 하단면 사이에는 불활성가스로 충전된 챔버(5)가 형성되며, 상기 챔버(5)의 일측면에는 좌우로 이동할 수 있는 용탕받이(7)가 설치된다.

챔버(5)는 상기 턴디쉬(1)의 하단면으로부터 냉각액(9-1)의 상면과 대략 10∼20mm 정도 이격됨이 바람직하고, 용탕받이(7)는 상기 턴디쉬(1)의 하단면과 대응되는 크기를 갖도록 함이 바람직하다.

불활성가스는 이를테면, 아르곤이나 질소와 같은 것으로서 오리피스(2)를 통해 떨어지는 액적(23)이 낙하되는 동안 그 표면에서 산화가 진행되어 구형화를 방해하지 않도록 하기 위해 충전되는 것으로 통상 용량(1-1)의 온도와 유사하게 예열된 상태로 상기 챔버(5) 내에 충전됨이 바람직하다.

냉각액(9-1)은 낙하되는 액적(23)을 실질적으로 구형화시키는 요소이므로, 다음과 같은 조건을 구비하여야 한다.

첫째, 냉각액의 비등점이 금속(용탕=액적)의 융점보다 충분히 높아야 한다.

둘째, 냉각액의 밀도가 금속보다 작아야 한다.

아울러, 부수적으로 사용온도에서 금속과 반응하지 않아야 하고, 일정한 점성계수를 가져야 한다.

이러한 냉각액(9-1)의 조건은 이를테면, 오일이나 용융염과 같은 것에 의해 충족될 수 있다.

물을 냉각액(9-1)으로 사용할 수도 있으나 물의 경우는 액적(23)이 낙하되자마자 물의 표면에서 급속히 비등하게 되므로 볼의 표면품질이나 구형도가 우수하지 못하므로 볼의 표면품질과 구형도에 제약이 없는 경우에는 물도 가능하다.

본 발명에서는 볼의 표면품질과 구형도가 매우 우수하여야 하므로 물은 냉각액(9-1)으로서 적당하지 않다.

통상 솔더볼이 규석과 납의 합금이기 때문에 그 융점은 대략 150±20℃ 이내이고 비중이 8.3g/cm³이다.

따라서, 본 발명에서 사용될 냉각액(9-1)은 예컨대, 그 비등점이 상기 합금의 융점보다 충분히 높은 약 200℃ 이상, 바람직하게는 230℃ 정도이고, 비중은 상기 합금의 비중보다 작은 0.9∼2.0g/cm³로 하여줌이 바람직하며, 점성계수는 상기 합금이 쉽게 낙하되지 못하도록 0℃에서 80∼200 P, 20℃에서는 5∼40 P(Poise = 1 Dyne·s/cm²= 1g/cm ·s) 정도가 바람직하다. 이와 같은 예시는 본 발명에서 보호받고자 하는 바를 결정짓는 중요한 요소는 아니며 이러한 예시의 범위는 당업계에 종사하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 정도라면 족하다.

만약, 냉각액(9-1)의 비등점이 금속의 융점보다 낮을 경우에는 액적(23)이 낮은 온도에서 끓으면서 단시간에 응고되게 되므로 완전한 구의 형상으로의 응고가 방해되어 구형화가 용이치 못함은 물론 표면품질도 좋지 않게 된다. 뿐만 아니라금속의 비중이 높기 때문에 점성계수가 낮으면 볼의 낙하속도가 빨라져 충분히 냉각되지 못하고 배출되기 때문에 구형도의 악화를 초래할 수 있다.

그러므로, 냉각액(9-1)은 적당한 온도구배를 가지면서 액적(23)이 서서히 냉각되도록 하여 볼의 표면품질과 구형도를 향상시켜야 하는 바, 이를 위해 상기 냉각액탱크(9)의 외주면에는 냉각액(9-1)의 상면으로부터 하방향으로 일정길이 히터와 같은 가열부재(10)가 설치되고, 상기 가열부재(10)의 하측에는 냉각부재(13)가 설치된다.

가열부재(10)는 상기 냉각부재(13)보다 훨씬 길게 설치되어야 하는 바, 이를테면 상기 냉각액탱크(9) 길이의 2/3 정도로 함이 바람직하다.

또한, 상기 가열부재(10)는 그 길이를 3등분하여, 상부는 금속의 융점, 이를테면 150±20℃일 경우 이보다 높은 약 200±10℃, 중부는 약 100±10℃, 0℃, 하부는 약 50±10℃로 유지되는 온도구배를 갖도록 하여 금속의 액적(23)이 낙하되면서 서서히 냉각되어 우수한 표면과 완전한 구형을 이룰 수 있도록 함이 바람직하다.

냉각부재(13)는 그 위치된 부위의 냉각액(9-1)이 상온정도로 유지될 수 있도록 냉각시킴이 바람직하다.

상술한 경우는 금속의 융점이 150±20℃일 경우에 한정되는 것으로 금속의 융점이 이보다 높거나 낮을 경우 그에 대응되게 상기 가열부재(10)에 의한 상, 중, 하부의 온도구배를 조절할 수 있음은 물론이다.

특히, 상부의 온도를 금속의 융점온도보다 높게 설정한 이유는 오리피스(2)를 통해 낙하하여 챔버(5)를 여행하는 동안 미세하게 응고되면서 표면이 불균일하게 되는 바, 그 온도보다 약간 높은 온도를 유지하는 냉각액(9-1)속으로 침투됨과 동시에 다시 일정정도 가열되면서 표면장력에 의해 완전한 구형을 이룰 수 있도록 구형화작용을 촉진시키기 위함이다.

한편, 상기 냉각액탱크(9)의 하단부에는 볼수거통(12)이 연통 설치되는 바, 상기 볼수거통(12)의 상단과 하단에는 각각 볼차단밸브(15)와 볼배출밸브(16)가 설치되며 상기 볼수거통(12)의 일측에는 냉각액수급관(14)이 배설된다.

상기 볼수거통(12)의 직하방에는 상기 냉각액배수관(11) 및 냉각액수급관(14)과 각각 연결된 저장탱크(17)가 설치되는 바, 저장탱크(17)의 상면에는 그물형상의 볼수거용 체(18)가 구비된다.

상기와 같은 장치를 이용하여 본 발명은 일정한 크기의 오리피스(2)로 흘러나가는 용융금속의 흐름(22)에 일정한 진동을 주어 용융금속을 일정한 크기의 액적(23)으로 분리시킨 후, 상기 용융금속의 융점보다 높은 온도부터 상온에 이르기까지의 온도구배를 갖는 냉각액(9-1)에 떨어뜨려 구형화함으로써 균일한 크기의 솔더볼을 제조한다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 작동관계 및 솔더볼의 제조방법은 다음과 같다.

먼저, 조업 전에 미리 냉각액탱크(9)의 외주에 설치된 가열부재(10)를 작동시켜 냉각액(9-1)의 상, 중, 하부에 온도구배가 생기도록 함과 동시에 챔버(5)에 불활성가스를 충전시킨다.

조업이 시작되면 우선 용탕(1-1)을 일정한 수위에 이를 때까지 빠른 속도로 턴디쉬(1)에 주입한다.

용탕(1-1)이 어느 정도의 수위에 도달하면 용탕 수위조절부재(미도시)에 의하여 조업 중에도 계속 일정한 수준을 유지토록 하며, 이러한 작업이 완료되면 진동기(3)를 작동시켜 정현파의 진동을 부여한다.

이 때, 용탕흐름줄기(22)의 표면에는 진동수와 용탕(1-1)의 유출속도에 의해 정현파의 굴곡이 생기게 되고 용탕(1-1)의 표면장력에 의해 마디부부니 불안정하게 되어 이 부분에서 용탕흐름줄기(22)가 끊어지게 된다. 끊어져 생긴 액적(23)은 곧바로 냉각액(9-1)속으로 낙하되게 된다.

여기에서, 볼의 크기는 오리피스(2)의 크기와 용탕(1-1)의 수위 그리고 진동기(3)의 진동수를 바꿈으로써 조절할 수 있는 바, 이를테면 용탕(1-1)의 유출속도가 빠르고 오리피스(2)의 직경이 크며 정현파의 진동수가 작을수록 액적(23)은 커지므로 큰 볼을 형성시킬 수 있다.

이와 같이, 진동기(3)를 작동시켜 원하는 크기의 액적(23)을 배출하게 될 때 진동기(3)의 작동 전에 상기 오리피스(2)를 통해 흘러내린 부적절한 용탕(1-1)은 미리 대기된 용탕받이(7)에 의해 수거되며, 진동기(3)가 작동되어 정상적인 용탕(1-1)의 배출이 시작되면 상기 용탕받이(7)를 취외시켜 불량 볼의 발생을 미연에 방지하도록 하는 과정이 선행되도록 한다.

일정한 크기의 액적(23)으로 분리된 후 냉각액(9-1) 속에서 응고되어 구형화된 볼은 볼수거통(12)에 쌓이게 된다.

볼수거통(12)에 쌓인 볼의 수거를 위해 일정 시간마다 볼수거통(12) 상부와 볼차단밸브(15)를 닫고 볼배출밸브(16)를 열어 볼수거용 체(18)를 이용하여 볼을 수거한 후, 볼배출밸브(16)를 막고 볼수거통(12)에 펌프(19)를 이용하여 냉각액(9-1)을 채운 후 다시 볼차단밸브(15)를 열어 볼을 다시 볼수거통(12)으로 수거할 수 있도록 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 솔더볼의 제조방법 및 그 장치는 공정의 단순화에 의한 비용절감은 물론, 입도분포가 균일하고 우수한 표면품질을 갖는 금속볼을 생산할 수 있고 그 수율도 극대화시키는 효과를 제공한다.

Claims (3)

1. 턴디쉬(1)의 하단면에 형성된 오리피스(2)를 통하여 하부로 흘러나가는 용탕(1-1)의 수위를 항상 일정하게 유지시켜 용탕의 흐름줄기(22)에 일정한 진동을 부여하여 일정한 크기의 액적(23)으로 분리시킨 후,

   상기 액적(23)을 상기 용탕(1-1)의 융점보다 높은 온도로부터 상온에 이르기까지의 온도구배를 가지면서, 비등점이 상기 용탕(1-1)의 융점보다 높고 그 밀도는 상기 용탕(1-1)의 밀도보다 작은 냉각액(9-1)에 떨어뜨려 구형화하는 것을 특징으로 하는 솔더볼의 제조방법.
2. 용탕(1-1)의 수위조절이 가능하고, 그 하단면에 적어도 하나 이상의 오리피스(2)가 형성된 턴디쉬(1)와;

   상기 용탕(1-1)에 일정한 진동을 부여할 수 있도록 상기 턴디쉬(1)내에 침적 설치되는 진동기(3)와;

   상기 턴디쉬(1)의 하부에 위치하며, 그 외측면 및 외측 하부면에 가열부재(10) 및 냉각부재(13)가 각각 취부되고, 일측 상부면에는 냉각액배수관(11)이 배설된 냉각액탱크(9)와;

   상기 냉각액탱크(9)의 냉각액(9-1) 상면과 턴디쉬(1)의 하단면 사이에 위치되고 불활성가스가 충전된 챔버(5)와;

   상기 챔버(5)의 일측면에 좌우 이동가능하게 설치되는 용탕받이(7)와;

   상기 냉각액탱크(9)의 하단부에 그와 연통되게 설되며, 그 상, 하단에는 각각 볼차단밸브(15) 및 볼배출밸브(16)가 설치되고, 그 외주 일측에는 냉각액수급관(14)이 형성된 볼수거통(12)과;

   상기 볼수거통(12)의 직하방에 위치되며, 그 상면에는 볼수거용체(18)가 설치되고 상기 냉각액배수관(11) 및 냉각액수급관(14)이 각각 연결된 저장탱크(17)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 오리피스(2)는 진동기(3)에 의한 진동이 흘러나가는 용탕흐름줄기(22)에 잘 전달되도록 상부를 넓게 하고, 하부 쪽으로 점차 좁아지게 구성되는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조장치.