KR100679797B1

KR100679797B1 - 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치

Info

Publication number: KR100679797B1
Application number: KR1020040065951A
Authority: KR
Inventors: 전주선
Original assignee: 전주선
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2007-02-07
Also published as: KR20060017313A

Abstract

본 발명에 의한 초음파 솔더링 장치는 전기 신호의 입력에 따라 초음파를 발생시키는 진동자와, 솔더 포트 내부에서 용융된 상태로 채워지는 무연 솔더에 상기 진동자로부터 발생되는 초음파를 전파시키는 혼과, 용융 무연 솔더의 열이 상기 혼으로부터 상기 진동자로 전달되는 것을 최소화하기 위해 상기 진동자와 혼 사이에 결합되는 부스터를 포함하는 구성으로, 백라이트용 형광램프 솔더링 작업시 플럭스를 사용하지 않더라도 냉납 현상이 발생되지 않고, 유리 소재로 이루어지는 형광램프의 하단 일부도 함께 솔더링 가능하므로 더욱 견고한 체결이 가능하며, 솔더링 부위가 강하고 작게 형성되므로 백라이트 휘도의 균일도를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

초음파, 혼, 진동자, 부스터, 백라이트, 리드선, 납땜, 솔더링, 브레이징.

Description

유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치 {Ultrasonic waves soldering apparatus for soldering of glass material}

도 1은 종래의 액정 표시 장치의 백라이트에 적용되는 형광램프의 솔더링 구조를 보여준다.

도 2는 본 발명에 의한 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치를 보여주는 단면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치의 혼 형상에 따른 여러 실시예를 도시한 분해 사시도이다.

도 4는 본 발명에 의한 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치를 이용하여 액정 표시 장치의 백라이트에 적용되는 형광램프를 솔더링한 형상을 보여준다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 솔더 포트 102 : 무연 솔더

104 : 주입구 110 : 혼

112 : 원주홈 120 : 부스터

130 : 진동자 140 : 외피 커버

142 : 관통홈 200 : 형광램프

210 : 리드선 220 : 커넥터 와이어

222 : 연결부 230 : 솔더링 부위

본 발명은 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 솔더 포트 내부에서 용융되는 무연 솔더에 종진동 초음파를 전파시킴으로써 피 납땜 부분에 플럭스를 칠하지 않고도 솔더링이 가능하며, 유리 소재로 구성되는 액정 표시 장치의 백라이트용 형광램프와 리드선을 함께 솔더링 가능하도록 구성되는 장치에 관한 것이다.

전자 부품을 인쇄 회로 기판 또는 그 밖의 부품에 결합시키기 위해 일반적으로 행해지는 브레이징과 솔더링(brazing and soldering)은 모재를 용융하지 않고 모재보다도 용융점이 낮은 금속(납의 일종)을 용융시켜 접합하는 방법으로 접합면 사이에 표면장력의 흡인력이 작용되어 접합되며, 솔더의 용융점이 450℃이하일 때를 연납(soft solder)이라 하고 450℃이상일 때를 경납(hard solder)이라 한다. 이와 같은 브레이징 및 솔더링 과정에서 모재가 가열되면 산화물이 발생되어 접합성이 떨어지게 되는 바, 이러한 산화물 또는 그 이외의 불순물을 직접 분해하거나 생성되지 않게 하기 위해 일반적으로 플럭스(Flux)를 사용한다.

상기와 같은 플럭스는 산화물을 제거하고, 그 산화물의 형성을 방지하며, 이에 의하여 회로와의 계면에서 솔더의 습윤 및 연속성을 촉진시키고, 인접 표면 사 이의 전기 기계적 연결부의 품질 및 완전성도 개선시킬 수 있는 화학적 구성으로 이루어져 있다.

도시된 바와 같이, 종래의 백라이트용 형광램프의 솔더링 구조는 형광램프(10) 내부에 장착되는 니켈 전극(13)에 텅스텐(15)이 연결되고, 상기 텅스텐(15)의 일단은 램프 외부의 리드선(17)과 연결되어 상기 리드선(17)과 커넥터 와이어(20)의 연결부(22)가 서로 접촉되는 상태로 전기적으로 연결될 수 있도록 솔더링하는 방식을 사용하였다.

그러나, 상기 램프 리드선과 커넥터 와이어를 겹친 상태로 솔더링을 진행할 경우, 연결부분에 냉납 현상 등이 발생되어 접촉불량이 일어나는 경우가 빈번하였고, 이와 같은 접촉불량으로 인하여 스파크 발생과 함께 탄화, 발연 등의 현상으로 진전될 가능성이 있었으며, 또한 솔더링 부위가 커짐으로써 휘도의 균일도 및 램프 전극 부분에서 어두운 부분이 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 냉납 현상을 방지하기 위해 플럭스를 사용한다할지라도 브레이징 및 솔더링 이후 두 모재를 세척하는 과정에서 오염물이 발생되므로 작업환경을 깨끗하게 유지 할 수 없는 단점이 있었다.

본 발명은 상기 전술한 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 전기 신호의 입력에 따라 초음파를 발생시키는 진동자와, 솔더 포트 내부에서 용융된 상태로 채 워지는 솔더에 상기 진동자로부터 발생되는 초음파를 전파시키는 혼과, 용융 솔더의 열이 상기 혼으로부터 상기 진동자로 전달되는 것을 최소화하기 위해 상기 진동자와 혼 사이에 결합되는 부스터를 포함하는 구성으로, 백라이트용 형광램프 솔더링 작업시 플럭스를 사용하지 않더라도 냉납 현상이 발생되지 않고, 유리 소재로 이루어지는 형광램프의 하단 일부도 함께 솔더링 가능하므로 더욱 견고한 체결이 가능하며, 솔더링 부위가 작게 형성되므로 휘도의 균일도를 향상시킬 수 있는 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치를 제공하는데 목적이 있다.

아울러, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급된 목적들에 국한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치는 전기 신호의 입력에 의해 초음파가 발생되는 진동자와, 부스터 및, 혼으로 구성되는 초음파 솔더링 장치에 있어서, 중심부가 개방되는 용기 형상으로 형성되고, 내부의 개방면을 가열하는 히터가 구비되며, 상기 히터에 의해 상기 내부의 개방면에서 용융 상태로 유입되어 상기 초음파에 의해 유리 또는 세라믹 재질로 구성되는 모재에 형성되는 미세홈으로 침투되어 증착되는 무연 솔더가 수용되는 티타늄 재질의 솔더 포트를 포함하고, 상기 부스터는 상기 진동자의 상단면에 결합되고, 상기 혼은 상기 부스터의 상단면에 결합되고 상기 솔더 포트의 하단부를 관통하여 상단부가 일정길이 인입되는 상태로 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초음파는 19~20 kHz 또는 39~40 kHz의 주파수 범위를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 혼은 상단면의 중심을 따르는 원주 형상의 원주홈이 포함되는 원통형상의 관으로 형성되는 것을 특징으로 하며, 또는 최 상단부에 하나의 모서리가 형성되고, 상기 모서리를 따라 좌측과 우측으로 라운딩되는 형상의 면을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하고, 또는 원기둥 또는 다각형 기둥의 상단부 또는 하단부 일부가 서로 다른 단면 크기를 갖도록 길이방향으로 일정길이 절단되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 초음파 솔더링 장치는 상기 솔더 포트의 하단에 결합되어 지지되고, 상기 혼과, 부스터와, 진동자가 내부에 위치되도록 중공되는 관 형상으로 형성되며, 상기 혼과, 부스터와, 진동자에서 방출되는 열이 외부로 방출되도록 형성되는 다수개의 관통홈을 포함하는 외피 커버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치는 침식 방지에 유리하고, 양호한 음향 특성을 갖는 소재인 티타늄(Ti) 합금으로 이루어지며, 내부로 열을 가할 수 있도록 구비되는 히터에 의해 용융되는 용융 무연 솔더(102)가 내부에 채워질 수 있도록 중심부가 개방되는 용기 형상으로 형성 되는 솔더 포트(Solder pot)(100)가 최 상단에 구비되어 있으며, 상기 솔더 포트(100)의 하단면에 결합되고, 내부에서 발생되는 열을 외부로 방출할 수 있도록 형성되는 다수개의 관통홈(142)이 상단부와 하단부에서 정렬되는 외피 커버(140)가 하단의 지지부 위에 결합되어 있다.

전술한 바와 같이, 상기 솔더 포트(100)의 재질을 티타늄 합금으로 구성하는 보다 구체적인 이유는, 유리 재질과의 땜질이 가능하도록 구리, 은, 금, 주석 등과 같은 재료로 이루어져 납이 첨가되지 않는 무연 솔더(102)를 사용하면, 솔더 포트(100)의 재질이 티타늄이 아닌 스테인리스 스틸 등과 같은 기타 다른 재료로 구성될 경우 쉽게 침식이 일어나게 되기 때문이다.

상기 외피 커버(140)의 내부에는 용융 무연 솔더(102)에 초음파가 전파되도록 상기 솔더 포트(100)의 용융 솔더 주입구(104)의 중심부를 관통하여 일정 깊이 인입되는 상태로 결합되는 혼(Horn)의 나머지 부분과, 상기 혼(110)의 하단에 결합되어 하단에 결합되는 진동자(130)로 용융 무연 솔더(102)에서 발생되는 고온의 열이 전달되는 것을 방지하는 부스터(120)가 결합된다. 상기 진동자(130)는 초음파가 발생되는 음원 소스로서의 역할을 하며 바람직하게는 원판 형 압전 세라믹의 상단면과 하단면에 전극이 형성되어 공진을 일으키는 주파수의 전기를 인가 받아 종진동을 발생시키는 압전 변환기(Piezoelectric transducer)를 이용하는 것이 바람직하며, 또한 상기 혼(110)과 부스터(120) 모두 공히 침식 방지에 유리하고, 양호한 음향 특성을 갖는 소재인 티타늄(Ti) 합금을 이용하는 것이 바람직하며, 상기 진동자(130)에서 발생되는 초음파의 주파수 또는 파장 또는 진폭 등과 같은 특성을 조 절하여 우수한 솔더링 품질을 얻을 수 있도록 제어부를 구비하는 것이 바람직하다.

도 3a는 도 2의 단면도에 따른 솔더 포트(100), 혼(110), 부스터(120), 진동자(130)를 나타낸 사시도로서, 솔더 포트(100)의 용융 솔더 주입구(104)에 담겨지는 용융 무연 솔더(102) 내부로 초음파가 전파되도록 구비되는 혼(110)은 여러 가지 형상을 가질 수 있으나, 도 3a에서처럼 상단면의 중심을 따르는 원주 형상의 원주홈(112)이 포함되는 원통형상의 관으로 구성할 경우, 단면의 변화 없이 균일한 원통형상의 혼(110)에 비해 더욱 큰 진폭을 얻을 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 또한, 도 3b에서처럼 최 상단부에 하나의 모서리가 형성되고, 상기 모서리를 따라 좌측과 우측으로 라운딩되는 형상의 면이 형성되도록 혼(110)을 구성할 경우 또는 도 3c에서처럼 원기둥 또는 다각형 기둥의 상단부 또는 하단부 일부가 서로 다른 단면 크기를 갖도록 길이방향으로 일정길이 절단되는 형상으로 형성되도록 혼(110)을 구성할 경우도 마찬가지로 단면이 얇아지는 끝단으로 더욱 큰 진폭의 초음파가 전파될 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 아울러, 이와 같이 혼의 단면 형상 변화에 의해 목표하는 특성을 갖는 진폭으로 변화시킬 수 있음은 널리 공지되어 주지된 사실이므로 이외에도 실시 가능한 여러 가지 다양한 형상이 있을 수 있음을 당업자는 주의하여야 한다.

도 4는 본 발명에 의한 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치를 이용하여 액정 표시 장치의 백라이트에 적용되는 형광램프를 솔더링한 형상을 보여준 다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치를 이용하여 리드선(210)과 커넥터 와이어(220)를 솔더링하는 경우, 리드선(210)과 커넥터 와이어(220)의 연결부(222)와 같은 솔더링을 위한 모재는 용융 무연 솔더(102)가 수용된 용기 형상의 솔더 포트(100)에 삽입되어 리드선(210)과 커넥터 와이어(220)의 연결부(222) 간에 솔더링이 이루어지도록 한다.
예컨대, 솔더 포트(100) 내측에 수용된 용융 무연 솔더(102)으로 솔더링하기 위한 모재들, 즉 액정 표시장치의 리드선(210)과 커넥터 와이어(220)의 연결부(222)를 인입하여 이들을 접촉시킨다. 이때, 초음파 에너지 전파에 따른 진동에 의해 용융 무연 솔더(102) 내부에서는 미세한 기포 상태의 공동(Cavitation)이 발생하다 소멸되는 현상이 수없이 반복되게 되며, 이러한 공동이 순간적으로 진공상태로 유지되어 상기 리드선(210)과 커넥터 와이어(220)의 연결부(222) 그리고 형광램프(200)의 하단 일부면에 부딪혀 파열될 때, 열적 화학적 작용으로 인하여 용융 무연 솔더(102) 내에 설치된 상기 리드선(210)과 커넥터 와이어(220)의 연결부(222) 그리고 형광램프(200)의 하단 일부면의 피막이 제거됨과 동시에 무연 솔더와 부착되게 된다. 이와 같은 초음파 전파 방식의 솔더링 방법은 상기 리드선(210)과 커넥터 와이어(220)의 재질이 다르더라도 냉납 현상이 발생되지 않게 되며, 실질적으로 솔더링이 불가능한 형광램프(200)와 같은 유리 소재의 부품에도 직접 솔더링하는 것이 가능하므로 보다 견고한 솔더링을 가능하게 한다.

전술한 바와 같이 유리 소재의 부품에도 솔더링이 가능한 이유는, 진동자로 부터 발생되는 초음파 에너지에 의해 금속 및 세라믹의 산화막이 기계적으로 제거되어 초음파 에너지에 의한 금속화가 촉진되고, 금속 및 세라믹 표면과 무연 솔더 사이에 있는 기포 또는 기공이 제거되어 생성되는 미세홈에 무연 솔더가 침투되어 증착되기 때문으로, 유리 및 세라믹의 주성분인 SiO₂가 초음파에 의해 가진되면 Si+2O가 되어 옥시즌은 외부로 방출되고 Si와 무연 솔더의 성분이 결합됨으로써 이루어지게 된다.

상기 표는 초음파의 주파수가 대략 20kHz 정도일 때와 40kHz 정도일 때 용융 무연 솔더의 온도에 따른 땜성을 나타낸 것으로서, 구체적으로 주파수 20kHz일 때의 파장은 1/2파장으로 125mm 정도, 주파수 40kHz일 때의 파장은 60mm 영역에서 발진되는 경우이다. 상기 땜성은 MIL 14256, IPC TM 650 표준에 근거를 두고 있으며, 80% 이상의 수치를 가질 때 우수한 땜성을 보인다고 판단할 수 있고, 70% 이하에서는 불량으로 판단할 수 있다.

상기 표를 살펴보면, 온도와 주파수에 따라서 각기 다른 땜성을 나타내는 바 , 재료 구성에 따라 대략 190℃ 내지 400℃정도의 온도에서 용융되는 무연 솔더 에 주파수 19.2~19.7kHz와 39.2~39.8kHz 사이의 초음파가 전파되어 솔더링 될 때 양호한 땜성을 보이는 것을 확인할 수 있었고, 이중에서도 특히 주파수 19.4~19.6 KHz 및 39.4~39.6 KHz 대역에서 가장 우수한 효과를 나타냄을 확인 할 수 있었다.

또한, 19.7kHz~39.8kHz 영역에서는 종파와 횡파가 동시에 나타나게 되어 너무 강한 진폭을 갖게 되므로 땜성이 불량으로 판단됨 또한 확인 할 수 있었다.

상기와 같은 방식으로 솔더링하면, 플럭스를 바르고 적당량의 솔더를 녹여 직접 솔더링하는 방식에 비해 피막이 제거되어 물리 화학적 반응에 의해 일부분 솔더링되는 방식이므로 솔더링 부위(230)가 비교적 얇게 형성되어 형광램프(200) 휘도의 균일도가 향상되는 효과를 얻을 수도 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 이용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명에 의한 초음파 솔더링 장치는 전기 신호의 입력에 따라 초음파를 발생시키는 진동자와, 솔더 포트 내부에서 용융된 상태로 채워지는 솔더에 상기 진동자로부터 발생되는 초음파를 전파시키는 혼과, 용융 무연 솔더의 열이 상기 혼으로부터 상기 진동자로 전달되는 것을 최소화하기 위해 상기 진동자와 혼 사이에 결합 되는 부스터를 포함하는 구성으로, 백라이트용 형광램프 솔더링 작업시 플럭스를 사용하지 않더라도 냉납 현상이 발생되지 않고, 유리 소재로 이루어지는 형광램프의 하단 일부도 함께 솔더링 가능하므로 더욱 견고한 체결이 가능하며, 솔더링 부위가 작게 형성되므로 백라이트 휘도의 균일도를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

Claims

전기 신호의 입력에 의해 초음파가 발생되는 진동자(130)와, 부스터(120) 및, 혼으로 구성되는 초음파 솔더링 장치에 있어서,

중심부가 개방되는 용기 형상으로 형성되고, 내부의 개방면을 가열하는 히터가 구비되며, 상기 히터에 의해 상기 내부의 개방면에서 용융 상태로 유입되어 상기 초음파에 의해 유리 또는 세라믹 재질로 구성되는 모재에 형성되는 미세홈으로 침투되어 증착되는 무연 솔더(102)가 수용되는 티타늄 재질의 솔더 포트(100)를 포함하고,

상기 부스터(120)는 상기 진동자(130)의 상단면에 결합되고,

상기 혼(100)은 상기 부스터의 상단면에 결합되고 상기 솔더 포트(100)의 하단부를 관통하여 상단부가 일정길이 인입되는 상태로 결합되는 것을 특징으로 하는 유리 재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 초음파는,

19~20 kHz 또는 39~40 kHz의 주파수 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 유리 재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 혼(110)은,

상단면의 중심을 따르는 원주 형상의 원주홈(112)이 포함되는 원통형상의 관으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 혼(110)은,

최 상단부에 하나의 모서리가 형성되고, 상기 모서리를 따라 좌측과 우측으로 라운딩되는 형상의 면을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 혼(110)은,

원기둥 또는 다각형 기둥의 상단부 또는 하단부 일부가 서로 다른 단면 크기를 갖도록 길이방향으로 일정길이 절단되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 초음파 솔더링 장치는,

상기 솔더 포트(100)의 하단에 결합되어 지지되고, 상기 혼(110)과, 부스터 (120)와, 진동자(130)가 내부에 위치되도록 중공되는 관 형상으로 형성되며, 상기 혼(110)과, 부스터(120)와, 진동자(130)에서 방출되는 열이 외부로 방출되도록 형성되는 다수개의 관통홈(142)을 포함하는 외피 커버(140)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유리재질의 솔더링을 위한 초음파 솔더링 장치.