KR100469293B1 - 초음파/레이저 병용 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Al, Cu, Ni, Ag 박막 등의 정밀금속소재를 접합하거나 반도체 칩을 기판에 접합할 때 초음파와 레이저를 병용하여 소재를 접합하는 방법에 관한 것으로, 파장이 1000nm 이하로 짧은 레이저를 초점을 맞추지 않은 상태 또는 초점을 맞추지 않고 접합될 소재의 비교적 넓은 부위를 가열함과 동시에, 초음파만을 적용하여 접합하는 경우에 소요되는 에너지의 1/2 이하의 저 에너지의 초음파를 적용하여 접합하는 것을 특징으로 하는 초음파/레이저 병용 접합방법을 제공한다.

Description

초음파/레이저 병용 접합방법{WELDING METNOD UTILIZING COMBINATION OF ULTRASONIC AND LASER POWER}

본 발명은 초음파와 레이저를 병용한 접합기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Al, Cu, Ag, Ni 등의 박막(thin film)을 접합하거나 반도체 칩(chip)을 기판에 솔더 볼을 이용하여 접합할 때, 레이저를 이용하여 가열함과 동시에 저 에너지의 초음파 진동을 가함으로써 보다 우수한 성능의 접합상태를 얻도록 하는 초음파/레이저 병용 접합방법에 관한 것이다.

레이저 용접은 기존의 아크 용접에 비하여 자동화하기가 쉽고, 열연이 시편과 접촉하지 않으며 가열량이 적고 용접속도가 매우 빠른 등 많은 장점이 있다. 그러나 정밀장치에 사용되는 많은 부품들은 열에 민감하기 때문에 레이저와 같은 고밀도의 열에 쉽게 손상을 받게 되므로 적용이 곤란한다. 또한 Al, Cu와 같이 전도도가 높은 재료는 레이저 광에 대한 반사율이 커서 산업용으로 사용하기에 충분한 성능을 갖는 용접부를 얻는 것이 어렵다.

한편, 고 전력의 초음파는 반도체 부품 제조에 사용되고 있으며 Al, Cu, Ni, Ag 등의 고전도도 재료를 용접하거나 접합하는데 아주 효과적인 방법이다. 이 같은 재료들에 대한 초음파 접합 공정은 자동차의 각종 센서, 스위치, 제어부품의 회로 연결에 이용되고 있다. 이 공정은 적은 입열량으로도 매우 빠르게 재료를 접합할 수 있으며 우수한 고상접합부(solid-state joining)를 만들 수 있는데, 고상접합부는 모재의 강도 및 특성을 거의 그대로 유지하는 장점이 있다. 그러나 이 공정의 단점은 동 공정에서는 필요한 클램프(clamp)력을 수용할 수 있는 견고한 앤빌(anvil)과 지지 시스템이 필요한 점이다. 접합에 필요한 클램프력을 지지하기에 충분한 힘을 가해주게 되면 박막 또는 세선이 변형을 받아 접합부에 앤빌 자국이 깊게 남게 되며, 이 흠은 피로파괴의 개시점으로 작용하여 피로강도를 저하시키게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 문제점들을 해결하기 위하여 레이저와 초음파를 동시에 이용함으로써 각종 정밀부품들을 접합할 때 결함이 발생하지 않고 성능이 우수한 접합부를 얻을 수 있는 접합방법을 제안하게 된 것으로, 접합재에 레이저 광을 조사하여 접합해야 할 부분을 가열, 연화시킴과 동시에 낮은 진폭(amplitude)과 낮은 전력의 초음파 접합을 적용함으로써 접합부에 대한 기계적인 손상을 최소화함과 동시에 접합력이 우수한 접합부를 얻을 수 있는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 레이저 파장과 흡수율의 관계를 보여주는 그래프,

도2는 초음파와 레이저를 병용한 접합장치의 모식도,

도3은 초음파 에너지 변화에 따른 접합부 강도변화 그래프,

도4는 본 발명의 방법으로 접합한 접합부의 접합강도 시험결과 그래프.

* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

21 : 다이오드 레이저 전원 22 : 빔 주사장치

23 : 냉각장치 24 : 초음파 용접기 전원

25 :소노트로드(sonotrode) 26 : 앤빌

27 : 시험편(박막)

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부 도면에 예시된 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

레이저는 매우 높은 밀도의 에너지를 한 점에 집중시킬 수 있는 유용한 장치이다. 예컨대 200와트 용량의 레이저를 이용하더라도 10⁸W/cm²이상의 에너지를 한 점에 집중시킬 수 있다. 이 같은 장점 때문에 레이저는 용접뿐만 아니라 재료의 열처리, 천공, 절단, 표면처리 등 다양한 용도로 사용이 가능하다. 그러나 이처럼 에너지 밀도가 높기 때문에 레이저 빔이 조사되면 재료가 순식간에 손상을 입거나 특정 파장에서는 반사가 많아 효율적이지 못한 경우도 있다. 이 같은 경우에는 초점을 맞추지 않거나 초점렌즈를 사용하지 않으면 조사범위가 넓어져 적용이 가능하다. 최근에 와서 레이저 기술의 발달로 다양한 파장과 전력의 레이저가 이용가능하게 되었다.

도1은 반사율이 높은 재료에서 레이저 흡수율이 레이저 파장이 짧아짐에 따라 증가하는 것을 보여주고 있다. 따라서, 정밀부품의 접합에 필요한 레이저는 파장이 짧은 레이저가 바람직하며 그 대표적인 것이 다이오드(diode) 레이저이다.

한편, 초음파 용접은 저전력, 저응력의 조건에서는 두께 직경 0.1mm 이하의 세선 접합이 가능하며, 고응력, 고전력을 이용하면 두께 3mm의 판재까지 접합할 수 있다. 그러나 정밀부품 재료인 박막을 접합는 경우에는 가해지는 힘이 커지게 되면 앤빌의 자국이 표면에 남게 되며, 이 부분들이 피로파괴의 발생 개소로 작용하게 되기 때문에 가능하면 적은 힘으로 접합을 하는 것이 바람직하다.

도2는 상기의 개념을 접합에 적용하기 위하여 구성한 장치의 모식도로서, 여기에서 21은 다이오드 레이저 전원, 22는 빔 조사장치, 23은 냉각장치, 24는 초음파 용접기 전원, 25는 소노트로드(sonotrode), 26은 앤빌, 27은 시험편을 각각 나타낸다. 도3은 Al 박막의 적정 접합조건을 찾기 위하여 에너지 양을 변화시켜 가면서 접합시험을 한 후 접합부의 강도를 조사한 결과이며, 하기 표1은 각 조건별 시험결과를 보여 주고 있다.

시편번호	에너지(J)	힘(Ib)	압력(psi)	진폭(㎛)	시간(sec)	전력(W)	인장강도(kg)
							1	2	3
1	18	20	20	20	0.35	70	3.1	2.9	3.2
2	20	20	20	20	0.35	91	2.7	3.3	2.5
3	24	20	20	20	0.41	91	2.9	2.9	2.9
4	15	20	20	20	0.21	98	3.1	3.0	2.8
5	10	20	20	20	0.15	105	3.0	2.6	3.0
6	5	20	20	20	0.10	91	2.8	3.1	2.9
7	2	20	20	20	0.07	87	2.8	2.7	2.6
8	1	20	20	20	0.05	56		2.2
9	1	15	15	20	0.06	49	2.2	1.6	1.8

상기 시험결과에서 알 수 있듯이 에너지 양 5J 이상에서는 접합강도가 모재강도와 동등한 정도의 값을 나타내면서 포화되는 현상을 보여주고 있으며, 5J 이하에서는 파단강도가 급격히 떨어졌다. 시험시 파단은 5J 이상에서는 모재에서, 5J 이하에서는 접합부에서 일어났다. 그러나 Al 박막을 접합할 때 초음파 에너지의 양이 2J을 초과하면 박막 표면에 심한 요철부가 생성되며, 이 요철부는 접합부의 내구성을 저하시키게 되다.

따라서, 이같은 현상을 없애기 위하여 본 발명의 방법을 이용하여 표1중의 9번의 조건 즉, 1J의 에너지를 적용하여 Al 박막을 접합하였다.

접합방법을 보다 상세히 기술하면, 먼저 시험편을 앤빌위에 장착한 후 파장이 1000nm 이하로 짧고 초점을 맞추지 않은 레이저를 5초∼10초간 조사하여 시험편을 접합하였다. 도4에 시험결과를, 도3에 나타낸 초음파만을 적용하여 접한한 결과와 비교하여 나타내었다. 이 그래프에서 알 수 있듯이 본 발명에 의한 접합부는 1J의 에너지를 적용하여 초음파만으로 접합한 경우에 비해 접합강도가 현저히 증가되었으며 접합부의 파단도 접합부 바깥의 모재에서 발생하였다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같이 초음파와 레이저를 효과있게 병용하여 접합을 행하는 방법에 의해 반도체 소자와 같은 각종 정밀 부품들의 접합부에 대해 기계적인 손상을 최소화하면서 우수한 성능의 접합상태를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. Al, Cu, Ni, Ag 박막 등의 정밀금속소재를 접합하거나, 반도체 칩을 기판에 접합하는 방법에 있어서,

   금속 박막의 소재를 접합하거나 반도체 소자를 기판에 솔더 볼을 이용하여 접합할 때 사용하기 위한 접합방법으로서, 파장이 1000nm 이하로 짧고 초점을 맞추지 않은 레이저로 소재 접합부를 가열함과 동시에, 초음파만을 적용하여 접합하는 경우에 소요되는 에너지의 1/2 이하인 저 에너지의 초음파를 상기 접합부에 적용하여 접합하는 것을 특징으로 하는 초음파/레이저 병용 접합방법.