KR101062481B1 - 어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 방법 및 장치 - Google Patents

어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 잔류응력 제거 어닐링공정에서 결정립 조대화를 방지하도록 한 어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 방법 및 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 시편의 재결정활성화에너지와 결정성장활성화에너지를 입력하는 제1단계와; 시편의 목표 잔류응력과 목표 결정립크기를 입력하는 제2단계와; 노의 온도조건과 재결정활성화에너지 및 결정성장활성화에너지를 이용하여 각 누적에너지수치를 구하고, 다수의 모델링실험 통해 여러 다중회귀식 계수들을 확보하는 제3단계와; 시편의 현재 잔류응력 및 결정립크기를 모니터링시키는 제4단계와; 현재 등온선과 목표 등온선의 비교를 통해 추천온도를 구하여 모니터링시키는 제5단계와; 노 내부를 추천온도로 변경하면서 잔류응력과 목표 잔류응력을 비교하여 시편의 냉각 여부를 결정하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 따라, 실시간 모니터링되는 잔류응력이 목표 잔류응력에 도달할 때까지 시편을 가열시킬 뿐만 아니라, 실시간으로 결정립크기를 최소화할 수 있는 최적의 추천온도를 모니터링시켜 그 추천온도로 작업하게 함으로써, 미세패턴 형성에 유리한 동도금층을 확보할 수 있는 효과가 있다.
PCB, 잔류응력, 결정립크기, 재결정활성화에너지, 결정성장활성화에너지.

Description

어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING RESIDUAL SIMULTANEOUSLY WITH ANNEALING TEMPERATURE}
본 발명은 PCB 동도금층의 잔류응력제거를 위한 어닐링공정에서 결정립성장을 최대한 억제하면서 열처리 제어하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노내의 가열 온도를 에너지수치로 환산하여 누적하여 모니터링하면서, 잔류응력과 결정립 크기를 동시에 모니터링하여 결정 성장을 최대한 억제하면서 잔류응력 제거 어닐링 열처리할 수 있도록 한 어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 IT산업의 급속한 발전으로 전자부품의 초소형화, 회로기판의 초미세화가 절실히 요구되면서 회로기판의 우수한 열적, 전기적, 기계적특성이 중요하게 되었다.
고미세피치 동도금은 상온 근처의 공정에서 제조되므로 입자 크기가 작고 높은 잔류응력을 보유하고 있다. 잔류응력은 최종소비자의 사용이나 심지어 다음 제조공정에서 회선변형, 쇼트(short), 계면분리, 균열 등이 발생하여 회로자체가 파괴되는 현상이 발생한다. 이 현상은 통상의 피치인 50㎛ 이상에서는 문제가 되지 않았지만, 향후 회로기판의 피치가 10마이크론, 나아가 5마이크론이 구현되었을때 웨이퍼스케일(wafer scale)에서 발생되는 문제가 전자 페케이징 스케일에서도 심각한 문제가 된다.
따라서, 고미세피치 동도금의 경우 잔류응력을 제거하기 위해 어닐링열처리를 실시하게 된다. 이 같은 어닐링열처리시 잔류응력이 존재하지 않는(변형이 없는) 새로운 결정립이 생성되어 성장을 하는 재결정과정을 거친다. 이때, 잔류응력의 감소는 변형이 없는 재결정립 생성속도에 영향을 받으며, 결정립성장은 입계자기확산에 영향을 받으므로 결정성장활성화에너지(혹은 자기확산활성화에너지)에 의존한다.
그러나, 과도한 어닐링열처리는 피트(pit)와 보이드(void)의 급격한 증가와, 과도한 결정립 성장을 야기하므로 5~10㎛의 미세피치를 구현하는 것 자체가 불가능해지는 문제점이 있었다.
예를 들어, 5㎛ 미세피치를 구현하고자 하는데, 결정립 크기가 8㎛인 경우, 상대적으로 소수인 결정입계(grain boundary)에 에칭이 집중됨으로써, 에칭된 면이 불규칙해진다. 따라서, 최소한의 결정립 성장을 유지하면서 잔류응력을 최대한 제거할 수 있는 최적의 열처리 조건의 설정이 필요한 것이다.
한편, 도 1은 어닐링열처리 후, 에칭공정을 통해 미세 패턴이 형성된 PCB의 개략 단면도로써, 에칭 계수(factor)는 에칭 후 형성된 미세 패턴의 단면에서 H/a로 표현되며, 무한대(∞)에 가까울수록 우수한 에칭 패턴이다.
위의 H/a값을 크게 하기 위해서는 잔류응력이 최소화되고, 결정립 성장이 최 소화 및 균일화되어야 함으로써, 어닐링열처리시에는 결정립 크기의 모니터링이 필수적이며, 과도한 열처리로 인해 결정립이 8~10㎛ 이상으로 성장하는 것을 피해야 한다.
한편, 도 2는 본 출원인이 국내 특허 출원번호 제2008-0103686호로 선출원한 "전자페케이징용 도금층의 잔류응력 제거를 위한 열처리 제어방법 및 장치"에 대한 발명으로, 간단하게 살펴보면 잔류응력제거 열처리공정에 있어서, 노 내의 가열 온도를 재결정에 대한 누적에너지수치로 환산 및 모니터링하여, 열처리 공정 중에 실시간으로 잔류응력을 모니터링할 수 있게 된다.
이때, 재결정에 대한 누적에너지수치(θ재결정)의 계산에 사용되는 식은 아래의 수학식 1과 같다.
수학식 1.
Figure 112009072029744-pat00001
여기서 T= 절대온도, Q재결정=재결정활성화에너지(activation energy), R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.
그러나, 상기한 선출원 발명은 제품에 가해지는 에너지에 따라 잔류응력이 제거되는 양상을 모니터링할 수 있지만, 결정립이 얼마나 성장했는지에 대한 정보가 없으므로 과도한 결정립성장을 피할수 없는 문제점이 발생되었다.
도 3은 이와 같은 문제점을 해소하기 위해, 본 출원인이 국내 특허 출원번호 제2009-0011619호로 선출원한 "어닐링공정에서의 결정성장 모니터링 방법 및 장치"에 대한 발명으로, 간단하게 살펴보면 어닐링 공정에 있어서, 노내의 가열 온도를 결정립성장에 대한 누적에너지수치로 환산 및 모니터링하여, 열처리공정 중에 실시간으로 결정립크기가 모니터링된다.
이때, 결정성장에 대한 누적에너지수치(θ성장)의 계산에 사용되는 식은 아래의 수학식 2와 같다.
수학식 2.
Figure 112009072029744-pat00002
여기서 T= 절대온도, Q성장=결정성장활성화에너지(activation energy), R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.
그리고, 동도금층의 재결정활성화에너지(Q재결정)은 21kJ/mol이고, 결정성장 활성화에너지(Q성장)는 8.8kJ/mol이다.
그러나, 위와 같은 열처리 모니터링 방법은 가열온도를 잔류응력과 결정성장을 일으키는 각각의 누적에너지값으로 환산하여 각각의 물리량 변화를 보여 주기만 할뿐, 결정립성장의 최소화가 가능한 열처리에 대한 정보는 알수가 없는 문제가 있었다.
예를 들면, 잔류응력의 50% 감소(초기 잔류응력 -60MPa)를 목적으로 노 내부 를 200℃에서 50분간 가열할 경우, 상기한 수학식 1을 이용하여 재결정에 대해 잔류응력 제거에 기여한 누적에너지수치(x축)(θ재결정)를 환산하면 -3.5가 되므로, 도 2를 통해 잔류응력(y축)이 -31.3MPa이 됨을 알 수 있다.
그러나, 수학식 2를 이용하여 확산에 의해 결정립 성장에 기여한 누적에너지수치(x축)(θ성장)를 환산하면 -0.4가 되므로, 와 도 3을 통해 결정립크기(y축)는 8.4㎛로 조대해짐을 알 수 있다. 즉, 결과적으로 잔류응력은 50% 제거(열처리 전 -60MPa)가 되었지만, 결정립은 8㎛ 이상으로 조대화되는 문제점이 있는 것이다.
더우기, CCL, PCB, FPCB의 어닐링열처리는 제품의 연속투입이 가능하도록 설계되어 있기 때문에 ±10℃의 온도편차는 항시 존재하며, 또한 각 영역별 목표하는 유지온도도 다른 공정에서는 결정립 성장을 고려하여 열처리 온도를 설정하기가 더욱 어려워진다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 잔류응력과 결정립 크기로 이루어진 어닐링맵을 만들고, 노 내의 가열 온도를 매 초당 잔류응력과 결정립크기에 대한 에너지수치로 독립적으로 연산하여 두 값에 의해 만들어지는 포인트를 어닐링맵 상에 실시간 투영하여, 잔류응력 제거 어닐링공정에서 결정립 조대화를 방지하도록 한 어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모니터링방법은, 노 내에 시편을 장입한 후, 이를 가열 및 냉각시켜 열처리하는 공정을 모니터링하는 방법에 있어서, 열처리하고자 하는 시편의 재결정활성화에너지와 결정성장활성화에너지를 콘트롤러에 입력하는 제1단계와; 상기 시편의 목표 잔류응력과 목표 결정립크기를 임의로 설정하여 콘트롤러에 입력하는 제2단계와; 실시간 측정되는 노 내의 온도조건과 재결정활성화에너지 및 결정성장활성화에너지를 이용하여 수학식 1과 수학식 2에 의해 잔류응력 제거에 이용되는 누적에너지수치와 결정성장에 이용되는 누적에너지수치를 각각 구하되, 여러 온도변수에서 시편의 결정립크기값과 잔류응력값을 구할 수 있도록 다수의 모델링실험을 거치고, 상기 모델링실험을 통해 온도, 잔류응력, 결정립크기로 이루어진 다수의 다중회귀식 계수들을 확보하여, 이를 콘트롤러에 입력하는 제3단계와; 실시간 모니터링되는 상기 각각의 누적에너지수치와 동 기화되어 시편의 현재 잔류응력과 현재 결정립크기를 콘트롤러에 실시간 모니터링시키는 제4단계와; 실시간 모니터링되는 잔류응력 및 결정립크기에 의해 구해지는 현재 등온선과, 상기 제2단계에서 입력된 목표 잔류응력 및 목표 결정립크기에 의해 구해지는 목표 등온선을 비교하여 추천온도를 구하고, 이를 모니터링하는 제5단계와; 노 내부의 온도를 추천온도로 변경하면서 실시간 모니터링되는 잔류응력과 목표 잔류응력을 비교하여 시편의 냉각 여부를 결정하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
수학식 1.
Figure 112009072029744-pat00003
여기서 T= 절대온도, Q재결정=재결정활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.
수학식 2.
Figure 112009072029744-pat00004
여기서 T= 절대온도, Q성장=결정성장활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.
그리고, 상기 제5단계에서 상기 추천온도는 목표 등온선과 현재 등온선의 편차값을 구하고, 상기 편차값에 응답속도에 관련된 비례상수를 곱한 후, 이 값에 목 표 등온선값을 더하여 구한다.
또한, 상기 제6단계에서 실시간 모니터링되는 잔류응력이 목표 잔류응력보다 큰 경우 시편을 계속적으로 가열하고, 상기 잔류응력이 목표 잔류응력보다 작거나 같아지는 경우 시편을 냉각시킨다.
한편, 본 발명의 모니터링장치는, 노 내에 시편을 장입한 후, 이를 가열 및 냉각시켜 열처리하는 공정을 콘트롤러에 표시하여 모니터링하는 장치에 있어서, 노 내의 가열온도를 표시할 수 있도록 콘트롤러 전면에 구비한 현재온도표시부와; 열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 잔류응력을 표시할 수 있도록 상기 콘트롤러 전면에 구비한 목표 잔류응력표시부와; 재결정에 대한 누적에너지수치와 동기화되어 시편의 현재 잔류응력을 표시할 수 있도록 상기 콘트롤러 전면에 구비한 잔류응력표시부와; 열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 결정립크기를 표시할 수 있도록 상기 콘트롤러 전면에 구비한 목표 결정립크기표시부와; 결정성장에 대한 누적에너지수치와 동기화되어 시편의 현재 결정립크기를 표시할 수 있도록 상기 콘트롤러 전면에 구비한 결정립크기표시부와; 잔류응력과 결정립크기에 의해 구해지는 현재 등온선과, 목표 잔류응력과 목표 결정립크기에 의해 구해진 목표 등온선의 비교를 통해 추천온도를 표시할 수 있도록 콘트롤러 전면에 구비한 추천온도표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 수학식 1에 의해 계산되는 누적에너지수치를 잔류응력으로 변환하여 콘트롤러에 모니터링시키고, 수학식 2에 의해 계산되는 누적에너지수치를 결정립크기로 변환하여 콘트롤러에 모니터링시켜, 양자의 수치가 비교될 수 있도록 하였고, 이 두 조합에 의해 결정되는 등온선과 목표 등온선을 비교하여 최적의 열처리 추천온도를 실시간 모니터링되도록 하였다.
따라서, 실시간 모니터링되는 잔류응력이 목표 잔류응력에 도달할 때까지 시편을 가열시킬 뿐만 아니라, 실시간으로 결정립크기를 최소화할 수 있는 최적의 추천온도를 모니터링시켜 그 추천온도로 작업하게 함으로써, 미세패턴 형성에 유리한 CCL, PCB, FPCB 등을 확보할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 상술한 바와 같이 열처리 가공되는 제품의 잔류응력 뿐만 아니라, 결정립크기도 동시에 제어할 수 있으므로, 제품의 품질을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 공정 중에 불량품을 예측할 수 있어 불량품의 생산을 방지할 수도 있는 효과도 있는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4와 도 5는 본 발명의 누적에너지수치(θ)를 이용한 열처리 제어방법을 나타낸 블록도 및 흐름도로써, 각 단계별로 좀 더 상세히 설명하면, 먼저 제1단계는 열처리하고자 하는 시편의 재결정활성화에너지와 결정성장활성화에너지를 독립적 혹은 노 외부에 부착된 콘트롤러(10)에 입력시킨다.
여기서, 활성화에너지(activation energy)란 열처리와 같은 화학반응이 일어나기 위한 최소한의 에너지를 말하는 것으로, 열처리에 사용되는 물질마다 그 활성 화에너지가 다르고 상기 수치는 이미 공지되어 널리 알려져 있다.
일예로, 재결정활성화에너지는 동도금층의 경우 21kJ/mol이고, 냉간압연된 황동은 (Brass) 188kJ/mol, 냉간압연된 Mo 합금은 508kJ/mol이다. 그리고, 결정성장활성화에너지는 동도금층의 경우 8.8kJ/mol이고, ZnO은 188kJ/mol이며, Si는 238kJ/mol, 그리고 나노Ni은 428kJ/mol이다.
제2단계에서는 열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 잔류응력(잔류응력목표치)과, 목표(혹은 최대 허용) 결정립크기(결정립크기목표치)를 설정하여 콘트롤러(10)에 입력시킨다.
제3단계에서는 실시간 측정되는 노 내의 온도조건과 재결정활성화에너지를 이용하여 아래의 수학식 1에 의해 잔류응력 제거에 이용되는 누적에너지수치(θ재결정)를 구한다.
수학식 1.
Figure 112009072029744-pat00005
여기서 T= 절대온도, Q재결정=재결정활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.
이와 함께, 실시간 측정되는 노 내의 온도조건과 결정성장활성화에너지를 이용하여 아래의 수학식 2에 의해 결정성장에 이용되는 누적에너지수치(θ성장)를 구한다.
수학식 2.
Figure 112009072029744-pat00006
여기서 T= 절대온도, Q성장=결정성장활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.
그리고, 여러 온도변수에서 시편의 결정립크기값과 잔류응력값을 구할 수 있도록 다수의 모델링실험을 거치고, 상기 모델링실험을 통해 온도, 잔류응력, 결정립크기로 이루어진 다수의 다중회귀식 계수들을 확보하여, 이를 콘트롤러(10)에 입력한다.
즉, 미리 모델링실험을 통해 특정 항온에서 투입된 각각의 누적에너지가 증가함에 따라 잔류응력과 결정립크기가 어떻게 독립적으로 증가하는지를 아래의 표 1과 같이 데이터를 확보하고, 이 데이터를 다중회귀분석하여 표 2와 같이 계수들을 구한 후, 그 계수를 콘트롤러(10)에 입력하는 것이다.
특정 온도에서 투입된 에너지에 따른 잔류응력 및 결정립크기
온도 시간 누적에너지
(잔류응력해소에 기여)		 잔류응력 누적에너지
(결정성장에 기여)		 결정립크기
150 10 -5.6355957 -56.982689 -2.1648338 5.63114337
150 20 -4.9415799 -53.675179 -1.4716866 6.33137695
150 30 -4.5358254 -50.367669 -1.0662215 6.9715122
150 40 -4.2479987 -47.060159 -0.7785395 7.55154912
150 50 -4.0247684 -43.752649 -0.5553959 8.0714877
150 60 -3.842389 -40.445139 -0.3730743 8.53132795
150 70 -3.688197 -37.137629 -0.2189237 8.93106987
150 80 -3.5546346 -33.830119 -0.0853923 9.27071345
200 10 -5.115065 -54.312978 -2.0108748 5.7324581
200 20 -4.4210348 -48.326828 -1.3177177 6.48585927
200 30 -4.0152756 -42.340678 -0.9122493 7.1791621
200 40 -3.7274465 -36.354528 -0.6245656 7.8123666
200 50 -3.5042147 -30.368378 -0.4014211 8.38547277
200 60 -3.3218344 -24.382228 -0.2190988 8.8984806
200 70 -3.1676417 -18.396078 -0.0649477 9.3513901
250 10 -4.704141 -51.643266 -1.8964597 5.83377283
250 20 -4.0101038 -42.978476 -1.2032961 6.64034158
250 30 -3.6043421 -34.313686 -0.7978256 7.386812
300 5 -5.0681953 -54.64527 -2.4968985 5.48268253
300 10 -4.3732577 -48.973555 -1.8103549 5.93508757
300 15 -3.9671965 -43.30184 -1.404876 6.37246803
데이터를 다중분석한 결과 회귀식
항목 계수
상수 3707.29
결정립크기 -618.49
잔류응력 35.2691
결정립크기×결정립크기 26.4773
결정립크기×잔류응력 -3.51328
이때, 상기한 표 2를 수식으로 표현하면 아래의 수학식 3과 같다.
수학식 3.
등온선=3707.29+(-618.49)× 결정립크기+35.2691× 잔류응력+26.4773× 결정립크기2+(-3.51328)× 결정립크기× 잔류응력
그리고, 위의 수학식 3을 이용하여 그래프를 그리면 비로소 도 6의 실선으로 나타나고, 계산에 사용된 표 1의 실제 데이터는 "○"로 나타내었다.
물론, 다른 종류의 금속 혹은 세라믹을 이용할 때는 표 1의 투입된 각각의 누적에너지 증가에 따른 잔류응력 및 결정립성장이 모두 해당 재료에 대한 값으로 달라지게 되므로, 회귀식결과인 표 2와 수학식 3의 데이터도 달라지게 된다.
제4단계에서는 도 2와 같이 실시간 모니터링되는 재결정에 대한 누적에너지수치(θ재결정)와 동기화되어 시편의 현재 잔류응력을 콘트롤러(10)에 실시간 모니터링시키고, 이와 함께 도 3과 같이 실시간 모니터링되는 결정성장에 대한 누적에너지수치(θ성장)와 동기화되어 시편의 현재 결정립크기를 콘트롤러(10)에 실시간 모니터링시킨다.
제5단계에서는 실시간 모니터링되는 잔류응력 및 결정립크기에 의해 어닐링 맵에서 현재 등온선을 구하고, 상기 제2단계에서 입력된 목표 잔류응력 및 목표 결정립크기에 의해 어닐링 맵에서 목표 등온선을 구한다. 그리고, 현재 등온선과 목표 등온선을 비교하여 추천온도를 구하고, 상기 추천(최적)온도를 모니터링시킨다.
여기서, 상기 추천온도는 아래의 수학식 4를 통해 구하게 된다.
수학식 4.
추천(최적)온도 = (목표 등온선-현재 등온선) × a + 목표 등온선
즉, 목표 등온선과 현재 등온선의 편차값을 구하고, 상기 편차값에 응답속도에 관련된 비례상수를 곱한 후, 이 값에 목표 등온선값을 더하여 구하게 된다.
여기서, 상기 a는 응답속도에 관련되는 비례상수로 통상의 모니터링 및 제어를 위해서는 1을 사용하고, 실제 응답속도 및 열처리로의 안정적 분위기유지를 고려하여 위해서는 0.1~2 범위의 값을 선정할 수 있다.
0.1에 가까울수록 노내 온도분위기를 안정적으로 유지할 수 있지만 목표 등온선 도달에 시간이 많이 걸리며, 2에 가까울수록 열처리 시간이 0.5~5분인 짧은 공정에서 빠른 열처리 응답속도를 확보할 수 있지만 오히려 발산하여 목표 등온선에서 멀어지거나 온도헌팅이 심하게 된다.
마직막 단계인, 제6단계에서는 노 내 온도를 추천온도로 변경하면서 실시간 모니터링되는 잔류응력과 목표 잔류응력을 비교하여 시편의 냉각 여부를 결정하게 된다.
즉, 실시간 모니터링되는 잔류응력이 목표 잔류응력보다 큰 경우 시편을 계속적으로 가열하고, 상기 잔류응력이 목표 잔류응력보다 작거나 같아지는 경우 시편을 냉각시키게 된다.
한편, 본 발명의 모니터링장치에 대해 도 10을 통해 살펴보면, 콘트롤러(10) 전면 상단 좌측에는 노 내의 가열온도를 표시할 수 있도록 현재온도표시부(11)를 구비하고, 상기 현재온도표시부(11) 하단에는 재결정에 대한 누적에너지수치(θ재결정)와 동기화되어 시편의 현재 잔류응력을 표시할 수 있도록 잔류응력표시부(13)를 구비하며, 상기 잔류응력표시부(13) 하단에는 결정성장에 대한 누적에너지수치(θ성장)와 동기화되어 시편의 현재 결정립크기를 표시할 수 있도록 결정립크기표시부(15)를 구비한다.
그리고, 상기 잔류응력표시부(13) 일측에는 열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 잔류응력을 표시할 수 있도록 목표 잔류응력표시부(14)를 구비하고, 상기 결정립크기표시부(15) 일측에는 열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 결정립크기를 표시할 수 있도록 목표 결정립크기표시부(16)를 구비한다.
또한, 상기 현재온도표시부(11) 일측에는 잔류응력과 결정립크기에 의해 구해지는 현재 등온선과, 목표 잔류응력과 목표 결정립크기에 의해 구해진 목표 등온선의 비교를 통해 추천온도를 표시할 수 있도록 추천온도표시부(12)를 구비한다.
여기서, 상기 각각의 표시부 위치는 도 10에 도시한 위치에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라 각각의 표시부 위치를 변경하여 구성할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 활용되는 첫 번째 예를 설명하면, 임의의 온도에서 열처리를 할 경우(즉 정해진 온도에서), 실시간으로 결정립크기와 잔류응력 변화를 어닐링맵상에서 인디케이팅하게 된다. 따라서, 최종 값들을 실제로 열처리를 하지 않고도 예측할 수 있다.
예를 들면, 각각 20분간 열처리가 가능한 3개의 항온 zone(zone1,2,3)을 각각 250℃, 150℃, 250℃로 설정하고 열처리를 실시했을 경우, 시간이 지남에 따라 도 2와 도 3에 의해 잔류응력 크기와 결정립크기가 실시간 계산되고, 이 계산된 좌표값(x값:결정립크기, y값:잔류응력)이 도 7에서 붉은 색을 따라 어닐링맵 상에서 실시간으로 변화곡선의 투영이 가능하다.
전체 zone1,2,3을 모두 거치고 열처리가 종료되었을 때, 최종잔류응력과 결정립크기는 붉은 색의 종점인 "□" 지점으로 예측되며, 열처리 종료된 시편의 잔류응력은 -17.3MPa, 결정립크기는 9.0㎛이었다.
또한, 응용하여 본 발명이 활용되는 두 번째 예는 목표 잔류응력, 결정립크기를 고려하여 열처리 온도를 제어하는(변화시키는) 경우로, 도 8과 같이 잔류응력과 결정립크기 목표를 설정한 경우, 열처리공정을 추천온도에 따라 설계할 수도 있다.
예를 들어, 목표가 잔류응력 -24.4MPa, 결정립크기 8.9㎛으로 설정된 경우, 해당 목표점이 도 8의 검은색 실선인 등온선 200℃상에 "□" 지점으로 표시되므로 노 전체(zone1,2,3)의 온도를 200℃로 설정하여 잔류응력 목표점 도달시, 열처리를 종료하면 자연히 결정립성장은 8.9㎛ 이하를 유지할 수가 있다.
그러나, 상기의 공정에서 zone1의 온도를 150℃을 초과하여 과열할 수가 없는 경우에는 즉, 첫 번째 zone의 온도를 150℃로 필수적으로 설정해야 한다면, 도 8에서와 같이 두 번째 zone에서 더욱 가열을 하여 200℃ 등온선에 도달한 후, 세 번째 zone에서 200℃ 등온선을 탈 수도 있다. 이때는 도 8의 붉은색 실선을 따르게 된다.
이 경우, 추천온도와 실제 노상태를 읽고 있는 온도는 도 9와 같이 차이가 발생함을 알 수 있다. 즉, 첫 번째 zone에서 너무 낮은 설정(150℃)으로 인해 추천온도는 시간이 갈수록 200℃ 등온선과 멀어지므로 더욱 높은 온도를 요구하게 된다.
두 번째 zone이 시작되는 시점의 추천온도는 240℃이므로 zone2의 온도를 거기에 맞추어 설정하면 이번에는 높은 에너지가 제품에 투입되므로 시간이 갈수록 추천온도가 낮아지게 된다. 결국 세 번째 zone이 시작될 시점에는 본 등온선에 도달하여 추천온도가 200℃이 되므로 zone3을 그 온도로 설정하여 해당 등온선을 따라 종료하게 된다.
이처럼, 본 발명의 잔류응력, 결정립크기, 및 최적온도의 동시 모니터링방법 및 장치는 첨부도면 도 10과 같이 현재 온도가 나타나고 그 온도를 각각의 누적에너지로 환산하여 현재 잔류응력과 현재 입자크기를 실시간 모니터링하며, 동시에 등온선, 잔류응력, 결정립크기의 회귀식에 의해 설정되는 등온선과 현재온도의 편차를 이용하여 추천온도를 실시간 모니터링하여 비교될 수 있게 된다.
따라서, 사용자는 추천온도에 따라 목표 잔류응력값에 도달할 때까지만 시편을 가열시킴으로써, 제품의 결정립크기를 최소화시키게 되므로, 미세회로설계가 가능하고, 에칭성이 우수한 소재의 동도금층을 확보할 수 있다.
더욱이, 상술한 바와 같이 열처리 가공되는 제품의 잔류응력과 동시에 결정립크기를 실시간으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라 공정 중에 불량품을 예측할 수 있어 불량품의 생산을 방지할 수도 있다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
즉, 본 발명의 일실시예로 동도금층의 어닐링열처리 공정을 일예로 들었으나, 이외에도 다른 열처리 공정에 적용하여 사용할 수도 있다.
도 1은 통상의 어닐링 열처리 후 에칭공정을 통해 미세 패턴이 형성된 PCB의 개략 단면도,
도 2는 여러 항온 상태에서의 시간에 따른 잔류응력 제거 실험결과를 나타낸 그래프.
도 3은 여러 항온 상태에서의 누적에너지수치에 따른 결정성장 실험결과를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 방법을 단계적으로 나열한 블록도,
도 5는 본 발명에 의한 어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 방법을 순차적으로 도시한 흐름도,
도 6은 본 발명에 따라 콘트롤러에 입력되는 다중회귀분석결과와 그에 따른 어닐링맵,
도 7은 본 발명에 따라 콘트롤러에 입력되는 어닐링맵과 그 위에 표시된 일실시예의 열처리경로,
도 8은 본 발명에 따라 콘트롤러에 입력되는 어닐링맵과 그 위에 표시된 다른 일실시예의 열처리경로,
도 9는 본 발명에 따라 콘트롤러에서 실시간 모니터링되는 추천(최적)온도와 실제온도를 비교하여 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명에 의한 콘트롤러를 개략적으로 나타낸 정면도.
*도면 중 주요 부호에 대한 설명*
10 : 콘트롤러 11 : 현재온도표시부
12 : 추천온도표시부 13 : 잔류응력표시부
14 : 목표 잔류응력표시부 15 : 결정립크기표시부
16 : 목표 결정립크기표시부

Claims (4)

  1. 노 내에 시편을 장입한 후, 이를 가열 및 냉각시켜 열처리하는 공정을 모니터링하는 방법에 있어서,
    열처리하고자 하는 시편의 재결정활성화에너지와 결정성장활성화에너지를 콘트롤러(10)에 입력하는 제1단계와;
    상기 시편의 목표 잔류응력과 목표 결정립크기를 임의로 설정하여 콘트롤러(10)에 입력하는 제2단계와;
    실시간 측정되는 노 내의 온도조건과 재결정활성화에너지 및 결정성장활성화에너지를 이용하여 수학식 1과 수학식 2에 의해 잔류응력 제거에 이용되는 누적에너지수치(θ재결정)와 결정성장에 이용되는 누적에너지수치(θ성장)를 각각 구하되, 여러 온도변수에서 시편의 결정립크기값과 잔류응력값을 구할 수 있도록 다수의 모델링실험을 거치고, 상기 모델링실험을 통해 온도, 잔류응력, 결정립크기로 이루어진 다수의 다중회귀식 계수들을 확보하여, 이를 콘트롤러(10)에 입력하는 제3단계와;
    실시간 모니터링되는 상기 각각의 누적에너지수치(θ재결정)(θ성장)와 동기화되어 시편의 현재 잔류응력과 현재 결정립크기를 콘트롤러(10)에 실시간 모니터링시키는 제4단계와;
    실시간 모니터링되는 잔류응력 및 결정립크기에 의해 구해지는 현재 등온선과, 상기 제2단계에서 입력된 목표 잔류응력 및 목표 결정립크기에 의해 구해지는 목표 등온선을 비교하여 추천온도를 구하고, 이를 모니터링하는 제5단계와;
    노 내부의 온도를 추천온도로 변경하면서 실시간 모니터링되는 잔류응력과 목표 잔류응력을 비교하여 시편의 냉각 여부를 결정하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 방법.
    수학식 1.
    Figure 112009072029744-pat00007
    여기서 T= 절대온도, Q재결정=재결정활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.
    수학식 2.
    Figure 112009072029744-pat00008
    여기서 T= 절대온도, Q성장=결정성장활성화에너지, R=기체상수, dt=가열유지시간을 나타낸다.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제5단계에서 상기 추천온도는 목표 등온선과 현재 등온선의 편차값을 구하고, 상기 편차값에 응답속도에 관련된 비례상수를 곱한 후, 이 값에 목표 등온선값을 더하여 구하는 것을 특징으로 하는 어닐링온도와 잔류응 력의 동시 모니터링 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제6단계에서 실시간 모니터링되는 잔류응력이 목표 잔류응력보다 큰 경우 시편을 계속적으로 가열하고, 상기 실시간 잔류응력이 목표 잔류응력보다 작거나 같아지는 경우 시편을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 방법.
  4. 노 내에 시편을 장입한 후, 이를 가열 및 냉각시켜 열처리하는 공정을 콘트롤러에 표시하여 모니터링하는 장치에 있어서,
    노 내의 가열온도를 표시할 수 있도록 콘트롤러(10) 전면에 구비한 현재온도표시부(11)와;
    열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 잔류응력을 표시할 수 있도록 상기 콘트롤러(10) 전면에 구비한 목표 잔류응력표시부(14)와;
    재결정에 대한 누적에너지수치(θ재결정)와 동기화되어 시편의 현재 잔류응력을 표시할 수 있도록 상기 콘트롤러(10) 전면에 구비한 잔류응력표시부(13)와;
    열처리를 통해 요구되는 시편의 목표 결정립크기를 표시할 수 있도록 상기 콘트롤러(10) 전면에 구비한 목표 결정립크기표시부(16)와;
    결정성장에 대한 누적에너지수치(θ성장)와 동기화되어 시편의 현재 결정립크기를 표시할 수 있도록 상기 콘트롤러(10) 전면에 구비한 결정립크기표시부(15)와;
    잔류응력과 결정립크기에 의해 구해지는 현재 등온선과, 목표 잔류응력과 목표 결정립크기에 의해 구해진 목표 등온선의 비교를 통해 추천온도를 표시할 수 있도록 콘트롤러(10) 전면에 구비한 추천온도표시부(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 어닐링온도와 잔류응력의 동시 모니터링 장치.
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