KR100726448B1 - 미세 볼 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구형의 미세 볼 제조장치에 관한 것으로서, 오리피스를 통하여 용융액으로부터 액적을 형성하여 낙하시키는 액적 형성장치와, 불활성 가스 분위기에서 낙하하는 액적을 미세 볼로 형성하는 챔버와, 챔버에 불활성 가스를 공급하기 위한 가스 공급부와, 챔버의 상부 주위에 마련되어 오리피스로부터 챔버의 소정의 구간까지 불활성 가스 분위기의 온도가 액적의 용융 온도보다 높은 온도가 유지되도록 열을 발생하는 가열수단을 포함한다. 이에 의하여, 표면 조도가 우수하고 표면에 함몰 및 결함이 없으며 구형도가 우수한 미세 볼을 제조할 수 있고, 또한 표준 편차가 작고 균일도가 우수한 미세 볼을 제조할 수 있다.
솔더볼, 미세 볼, 오리피스, 액적, 기상, 불활성 가스, 용융 온도

Description

미세 볼 제조장치 및 제조방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING A SOLDER BALL}
도 1은 본 발명에 따른 미세 볼 제조장치의 내부구조를 표시한 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 볼의 크기와 응고 시작 거리를 표시한 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 가열수단과 영상 감시부의 상세한 구성을 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 액적형성장치 112 : 오리피스
120: 챔버 130 : 가스 공급부
150 : 가열수단 152 : 제1의 열원
154 : 제2의 열원 156 : 제3의 열원
158 : 열원구간 제어부 180 : 영상 감시부
182 : 영상 카메라 186 : 컴퓨터
본 발명은 금속, 산화물 및 플라스틱 등의 구형의 미세 볼 제조장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, BGA(Ball Grid Array)나 CSP(Chip Size Package) 등의 반도체 패키징에 이용되는 솔더볼의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
최근 전자제품의 소형화와 경량화가 가속적으로 진행될 수 있었던 것은 반도체 등의 전자산업에서 고밀도, 고집적화가 뒷받침되고 있기 때문이며, 이러한 전자산업의 고성능화를 위해서는 무엇보다도 패키징 기술의 개발이 요구되고 있고, 이 패키징 기술의 하나인 BGA 패키징 기술의 주요 부품중의 하나가 솔더볼이다.
이 솔더볼을 제조하는 종래의 기술로는, 솔더 재료를 와이어의 형태로 제조하여 일정한 크기로 잘라서 용융시켜서 볼의 형태로 구형화시키는 기술과 오리피스를 통하여 용융 솔더로부터 액적을 형성하여 낙하시키면서 이 액적을 오일 등의 액상에서 냉각시키는 기술이 이용되고 있다.
한편, 솔더볼의 크기가 미세화되고 대량 생산을 요구하는 바, 최근에는 오리피스를 통하여 용융액으로부터 액적을 형성하여 낙하시키면서 이 액적을 기상에서 냉각시키는 기술에 관심이 높아지고 있다.
예를 들면, 일본특허공개 2002-192388에는 용융 솔더의 액적을 액적의 용융 온도보다 10 ~ 50℃ 낮은 온도로 유지된 불활성 가스 분위기에 낙하시켜서 표면 경도가 높은 솔더볼을 제조하는 방법이 기재되어 있다.
그러나 이 일본특허공개 2002-192388의 솔더볼 제조장치 및 제조방법은 불활성 가스 분위기가 용융 솔더의 용융 온도보다 낮으므로, 용융 솔더의 액적의 구형화가 완전히 이루어지기 전에 표면이 응고되어 솔더볼의 구형도가 낮고 표면에 함 몰 및 결함이 발생하게 되며, 용융 솔더의 점도가 높아 균일한 액적을 얻을 수 없어 솔더볼의 표준 편차가 크다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구형도가 우수하고 표면에 함몰이나 결함이 없는 미세 볼의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 표준 편차가 작고 균일도가 우수한 금속, 산화물 및 플라스틱 등의 미세 볼의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 구형의 미세 볼 제조장치에 있어서, 오리피스를 통하여 용융액으로부터 액적을 형성하여 낙하시키는 액적 형성장치와, 불활성 가스 분위기에서 상기 낙하하는 액적을 상기 미세 볼로 형성하는 챔버와, 상기 챔버에 불활성 가스를 공급하기 위한 가스 공급부와, 상기 챔버의 상부 주위에 마련되어, 상기 오리피스로부터 상기 챔버의 소정의 구간까지 상기 불활성 가스 분위기의 온도가 상기 액적의 용융 온도보다 높은 온도가 유지되도록 열을 발생하는 가열수단을 제공한다.
상기 가열수단은, 상기 불활성 가스 분위기의 온도가 상기 액적의 용융 온도보다 20℃ 이상의 높은 온도를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 가열수단은, 상기 오리피스로부터 상기 챔버의 소정의 구간이 상기 낙하하는 액적의 파장이 10개 이상이 되는 거리인 것이 바람직하다.
상기 가열수단은, 가열구간의 조정이 가능한 복수의 열원과, 상기 복수의 열원에 전원을 스위칭하는 열원구간 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 낙하하는 액적을 촬영하는 영상 카메라와, 상기 영상 카메라의 영상에서 상기 낙하하는 액적 사이의 거리를 계산하여 상기 액적의 크기에 해당하는 데이터를 구하여 상기 데이터를 상기 열원구간 제어부에 송신하는 컴퓨터를 갖는 영상 감시부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은, 구형의 미세 볼 제조 방법에 있어서, 오리피스를 통하여 용융액으로부터 액적을 형성하여 낙하시키는 액적 형성단계와, 상기 액적의 용융 온도보다 높은 온도의 불활성 가스 분위기 중에서 상기 낙하하는 액적을 구형화시키는 액적 구형화단계와, 상기 구형화된 액적을 상기 액적의 용융 온도보다 낮은 불활성 가스 중에서 응고시켜 상기 미세 볼을 만드는 액적 냉각단계에 의해서도 상기 목적을 달성할 수 있다.
상기 액적형성단계의 액적의 형성이 용이하도록 상기 액적의 용융 온도보다 20℃ 이상 높은 온도의 불활성 가스 분위기를 유지하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세 볼 제조장치의 내부구조를 표시한 단면도로, 액적형성장치(100), 챔버(120), 가스공급부(130) 및 가열수단(150)으로 분류되어 있다.
액적형성장치(110)는 용융된 솔더 등의 용융액(104)을 저장하고 있는 용 기(102)와 오리피스(112)를 통하여 용융액으로부터 액적(114)을 형성하기 위해 진동을 발생하는 파동발생기(106)와 이 진동을 용융액에 전달하기 위한 로드(108)로 구성되어 있다.
챔버(120)는 불활성 가스 분위기에서 낙하하는 액적(114)을 미세 볼로 형성하는 영역이며, 불활성 가스 분위기는 가스 공급부(130)에서 공급되는 아르곤 가스(132)와 수소 가스(134) 등으로 만들어진다.
가열수단(150)은 챔버(120)의 상부 주위에 마련되어, 낙하하는 액적(114)이 표면장력에 의해 충분한 구형을 형성할 수 있도록 불활성 가스 분위기가 액적의 융점 이상의 온도가 유지되도록 열을 발생한다. 가열수단(150)의 열원으로는 할로겐 램프, 저항 가열 코일, 히팅 오일 또는 고주파 유도 가열기가 사용된다.
이하에서는 도 1의 구성에 의한 솔더볼 제조 과정을 설명한다.
액적형성장치(100)의 파동발생기(106)는 공급되는 주파수에 따라 진동을 발생하고, 이 진동은 로드(108)에 의해 용기(102)에 저장된 용융액(104)에 전달되어 오리피스(112)에 미세하고 규칙적인 압력 펄스를 가하게 된다. 이 압력 펄스는 와이어 형상의 용융액(110)으로부터 규칙적인 간격으로 유체를 끊어서 일정한 크기의 액적(114)을 만들게 된다.
한편, 액적의 용융 온도 이상의 불활성 가스 분위기에 의해 와이어 형상의 용융액(110)의 점성이 낮아져 액적(114)을 만드는 것이 쉬워지므로 균일도가 좋은 미세 볼을 얻을 수 있다. 균일도가 더 좋은 미세 볼을 얻기 위해서는 불활성 가스 분위기의 온도가 액적의 용융 온도보다 20℃ 이상 유지되어야 하며, 더욱 바람직하 게는 불활성 가스 분위기의 온도가 액적의 용융 온도보다 50℃ 이상되어야 한다.
또한, 도시하지 않았지만, 가열수단에 의해 가열된 챔버 쪽의 불활성 가스 분위기를 위로 상승시킨 후, 와이어 형상의 용융액이 있는 중앙부에서 아래로 하강하는 기류를 형성시키면 미세 볼의 균일도를 더 향상시킬 수 있다.
액적형성장치(100)에 의해 생성된 액적(114)은 낙하하면서 액적의 용융 온도 이상의 불활성 가스 분위기에 의해 용융 온도 이상의 온도를 유지하게 되므로, 액적(114)의 표면장력으로 인하여 충분한 구형을 형성할 수 있게 되고, 와이어 형상의 용융액(110)으로부터 분리됨과 동시에 표면에 응고가 발생하지 않아 표면에 함몰이나 결함이 발생하지 않는다.
실험에 의하면, 오리피스(112)를 통하여 용융액(104)으로 액적(114)이 형성되어 낙하할 때 액적과 액적 사이의 거리가 오리피스(112) 직경에 대하여 4.51배가 되는 파장이 발생하며, 액적의 파장 개수가 10 파장 이상의 길이까지 불활성 가스 분위기를 액적의 용융 온도 이상으로 유지하여야 구형도가 좋은 미세 볼을 얻을 수 있다.
바람직하게는 액적의 파장 개수가 15 파장 이상의 길이까지 불활성 가스 분위기를 액적의 용융 온도 이상으로 유지하면, 더욱 완전한 구의 형상을 얻을 수 있다.
따라서 불활성 가스 분위기의 온도가 액적의 용융 온도 이상으로 유지되는 구간 L은,
L > 4.51 * D * X (D :오리피스의 직경, X : 액적의 파장 개수)
이다.
챔버(120) 상부의 액적의 용융 온도 이상의 불활성 가스 분위기에서 우수한 구형을 형성한 액적(114)은 액적의 용융 온도 이하의 불활성 가스 분위기에서 낙하하면서 응고되어 미세 볼을 얻게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 미세 볼의 직경과 응고 시작 거리를 표시한 도면으로, 볼의 직경에 따라 불활성 가스 분위기의 온도가 액적의 용융 온도 이상을 유지하는 구간이 길어져야 함을 알 수 있다. 이는 볼의 직경이 크면 클수록 액적과 액적 사이의 파동이 길어지고 또한 완전한 구형을 만드는데 시간이 더 요구되기 때문이다.
한편, 솔더볼의 직경은 고객의 요구에 부응하여 100μm이하에서부터 500μm이상까지 다양하며, 이렇게 직경이 다른 다양한 솔더볼을 생산하기 위해서는 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 그 가열구간의 조절이 요구된다.
도 3은 이러한 가열구간의 조절이 가능한 본 발명에 따른 가열수단과 영상감시부의 상세한 구성을 도시하고 있다.
가열수단(150)은 가열구간을 조절하기 위해 불활성 가스 분위기의 구간을 나누어 가열하는 제1의 열원(152), 제2의 열원(154) 및 제3의 열원(156)과, 이들 열원에 전력을 공급하는 전원부(160)를 포함한다. 그리고 오리피스(112)로부터 소정거리까지 불활성 가스 분위기를 가열하는 가열구간을 제어하기 위해, 각각의 열원에 전원부(160)를 연결하는 열원구간 제어부(158)를 구비한다.
영상 감시부(180)는 볼의 직경을 정밀하게 제어하기 위해 액적(114) 사이의 거리를 측정하기 위해 종래부터 사용되고 있는 구성으로, 영상 카메라(182), 모니터(184), 컴퓨터(186) 및 입력부(188)를 포함한다.
종래의 영상 감시부(180)의 동작은 영상 카메라(182)에 의해 액적(114)의 영상을 얻어 이를 모니터(184)에 의해 표시하거나 컴퓨터(186)에 송부하여 액적 사이의 거리를 계산하고, 이 계산 간격이 목표 간격과 다르면 컴퓨터(186)는 그 차이만큼 주파수를 가변시켜 파동발생기(106)에 공급하여 낙하하는 액적(114)의 크기를 제어하고 있다.
이하에서는 도 3의 구성에 의한 가열수단(150)의 제어 과정을 설명한다.
생산하고자 하는 미세 볼의 직경이 정해지면, 오리피스(112)의 직경이 결정되므로 작업자는 영상 감시부(180)의 입력부(188)에 의해 가열수단(150)의 가열구간을 제어하는 데이터를 입력할 수 있다.
또한, 작업자가 가열수단(150)의 가열구간을 제어하는 데이터를 입력하지 않았거나 입력할 수 없는 경우에는, 영상 감시부(180)에서 구한 액적 간격의 데이터를 컴퓨터(186)가 가열수단(150)을 제어할 수 있는 데이터로 변환하여 열원구간 제어부(158)로 송신하게 된다. 열원구간 제어부(158)는 미세 볼의 직경에 따라 가열구간을 조절하기 위해 컴퓨터(186)에서 송신된 데이터에 기초하여 스위치를 제어하여 그 가열구간에 해당하는 열원을 전원부(160)에 연결한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 표면조도가 우수하고 표면에 함몰 및 결함이 없으며 구형도가 우수한 금속, 산화물 및 플라스틱 등의 미세 볼을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 표준 편차가 작고 균일도가 우수한 금속, 산화물 및 플라스틱 등의 미세 볼을 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 구형의 미세 볼 제조장치에 있어서,
    오리피스를 통하여 용융액으로부터 액적을 형성하여 낙하시키는 액적 형성장치와;
    불활성 가스 분위기에서 상기 낙하하는 액적을 상기 미세 볼로 형성하는 챔버와;
    상기 챔버에 불활성 가스를 공급하기 위한 가스 공급부와;
    상기 챔버의 상부 주위에 마련되어, 상기 오리피스로부터 상기 챔버의 소정의 구간까지 상기 불활성 가스 분위기의 온도가 상기 액적의 용융 온도보다 높은 온도가 유지되도록 열을 발생하는 가열수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 볼 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열수단은, 상기 불활성 가스 분위기의 온도가 상기 액적의 용융 온도보다 20℃ 이상의 높은 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 미세 볼 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열수단은, 상기 오리피스로부터 상기 챔버의 소정의 구간이 상기 낙하하는 액적의 파장이 10개 이상이 되는 거리인 것을 특징으로 하는 미세 볼 제조 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 가열수단은, 가열구간의 조정이 가능한 복수의 열원과, 상기 복수의 열원에 전원을 스위칭하는 열원구간 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 볼 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 낙하하는 액적을 촬영하는 영상 카메라와, 상기 영상 카메라의 영상에서 상기 낙하하는 액적 사이의 거리를 계산하여 상기 액적의 크기에 해당하는 데이터를 구하고 상기 데이터를 상기 열원구간 제어부에 송신하는 컴퓨터를 갖는 영상 감시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 볼 제조 장치.
  6. 구형의 미세 볼 제조 방법에 있어서,
    오리피스를 통하여 용융액으로부터 액적을 형성하여 낙하시키는 액적 형성단계와;
    상기 액적의 용융 온도보다 높은 온도의 불활성 가스 분위기 중에서 상기 낙하하는 액적을 구형화시키는 액적 구형화단계와;
    상기 구형화된 액적을 상기 액적의 용융 온도보다 낮은 불활성 가스 중에서 응고시켜 상기 미세 볼을 만드는 액적 냉각단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미 세 볼 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 액적형성단계의 액적의 형성이 용이하도록 상기 액적의 용융 온도보다 20℃ 이상 높은 온도의 불활성 가스 분위기를 유지하는 것을 특징으로 하는 미세 볼 제조방법.
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