KR101091652B1 - 전자 부품 접합에 사용되는 진동 에너지 인가 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 진동 에너지 인가 장치는 접합용 수지를 개재(介在)된 제1 전자 부품과 제2 전자 부품을 접합시키는 데에 사용되는데, 발진자와, 상기 발진자의 진동을 제어하는 제어부와, 상기 발진자의 진동을 전달받아 제1 전자 부품과 제2 전자 부품 중 적어도 어느 하나에 진동을 전달하는 파이프 형상의 혼(horn)과, 상기 혼의 진동이 전달되도록 전자 부품의 상기 혼에 대한 위치를 유지시키며 전자 부품이 대면하는 면이 평면인 전자 부품 유지부를 포함하고, 상기 전자 부품 유지부에는 상기 전자 부품을 상기 혼 쪽을 향해 당기는 음압이 제공되는 음압 제공부가 형성되어 있고, 상기 혼에는 공압제공구멍이 형성되어 있고, 상기 공압제공구멍은 상기 전자 부품 유지부의 음압제공부와 연결되어 있으며, 상기 전자부품유지부와 대향하는 혼의 부분의 단면적이 일정하다.

진동 에너지, 혼, 공압

Description

전자 부품 접합에 사용되는 진동 에너지 인가 장치{Vibration-Energy Applying Device to Be Used in Bonding Electronic Components}

본 발명은 전자 부품 접합에 사용되는 진동 에너지 인가 장치에 관한 것이다.

최근에 전자 기기의 소형화 추세에 따라 전자 부품도 소형화되고 있으며 전자 부품을 회로 기판에 연결하기 위한 핀(pin)도 고밀도로 구성되고 있다. 이러한 고밀도 핀 배열을 갖는 소형 부품을 실장하기 위해 플립칩 본딩에 기초한 BGA(ball grid array), CSP(chip scale packaging)과 같은 기술이 사용되고 있다. 플립칩 본딩을 위해서 열압착 방식이 널리 사용되고 있는데 열압착 방식을 이용하는 경우에는 초기에 높은 온도가 요구되며 공정 시간이 길어지는 단점이 있다.

이러한 열압착 방식의 단점을 해결하기 위한 공정으로서 초음파 진동 에너지를 이용하는 기술이 사용되고 있다. 초음파 진동 에너지를 이용하면 저온으로 짧은 시간에 전자 부품간을 접합하거나 실장하는 것이 가능해 진다.

최근에는 열압착 방식과 초음파 방식을 혼용하는 기술도 알려져 있다.

종래 기술에 의한 진동 에너지 인가 장치의 혼(horn)의 일례가 도 1에 도시되어 있다. 혼의 진동이 전자 부품에 전달되어야 하므로, 혼에는 섕크(shank)가 제공되고 이 섕크의 단부에는 전자 부품을 잡기 위한 다이 컬렉트(die collect)가 장착된다. 그리고 종래 기술에 의한 혼은 Exponential 또는 Catenoidal 형태와 같이 단면적이 일정하지 않고 변하는 비대칭 형상이었다. 이와 같은 형태의 혼으로 전자 부품을 가진하게 되면, 혼에서 큰 진폭을 얻을 수 있는 장점은 있지만 전자 부품을 접합시킬 때에 원하지 않는 방향으로의 진동(기생 진동)이 발생하는 문제점이 있다. 원하지 않는 방향으로 진동이 발생하면, 정밀 전자 부품인 경우 전자 부품 간의 정렬이 어긋나게 되어 접합 신뢰성에 문제가 생기게 된다.

이를 해결하기 위해서, 한국 특허출원 제10-2009-0012398호에서는 봉형의 혼과 공압을 사용하였고, 혼의 진동 진폭을 줄이기 위해 추가적인 전기회로부 또는 구동부를 이용하여 혼의 진폭을 제어한다는 내용이다. 좀더 구체적으로는 도 5 내지 도 7에 자세하게 도시되어 있다.

도 5에는, 종래 발명의 제1 실시예에 의한 혼(1')이 도시되어 있다. 혼(1')은 전체적으로 봉형(棒形)으로 형성되어 있다. 혼(1')은 제1 직경을 가지는 제1 부분(10)과, 제1 직경을 가지며 제1 부분과 이격되어 있는 제2 부분(20)과, 상기 제1 부분(10)과 제2 부분(20) 사이에 위치하며 제1 직경보다 작은 제3 부분(30)으로 구성되어 있다. 그리고 제3 부분(30)에는 음압 제공부(35)이 형성되어 있다. 그리고 혼(1')에는 공압제공구멍(50)이 혼(1')의 길이 방향을 따라서 형성되어 있 다. 혼(1')은 공압발생기인 전자 부품 유지부(40)과 협동하여 혼(1')의 진동이 전달될 수 있도록 제1 전자 부품(200)을 혼(1')에 대해 유지시킨다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 공압발생기가 음압을 발생시키고, 그러한 음압은 제3 부분의 음압 제공부(35)을 통해 제1 전자 부품(200)에 작용하여 제1 전자 부품(200)의 위치를 혼(1')에 대해서 유지시켜서 혼(1')의 진동이 제1 전자 부품(200)에 전달될 수 있도록 한다.

도 6에는, 종래 발명의 제2 실시예에 의한 혼(1'')이 도시되어 있다. 혼(1'')에는 서로 대향하도록 이격되어 있으며 혼(1'')의 둘레를 따라서 연장하는 한쌍의 플랜지(40a, 40b)가 형성되어 있다.

도 7에는, 종래 발명의 제3 실시예에 의한 혼(1''') 도시되어 있다. 도 6과 마찬가지로 혼(1''')에는 한쌍의 플랜지(40a', 40b')가 혼(1''')의 둘레를 따라서 형성되어 있다.

하지만, 이러한 종래의 발명들은 횡방향의 진동 공정을 사용하는데, 경화에 따라 변하는 접합용 수지의 물성치를 고려하지 않고 일정한 진폭의 진동을 가진하기 때문에 접합용 수지가 소성변형이 유발될 가능성이 있다. 따라서 정밀 접속 또는 접합을 위해서는 진동하는 진폭을 제어하기 위해 추가적인 전기회로부 또는 구동부를 추가하여 혼의 진동을 제어하였다. 이렇듯 진폭을 제어하기 위해서 추가적인 전기회로부와 구동부를 구비하는 것은 고비용의 문제가 발생한다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하여 평평한 평면을 갖는 전자 부품 유지부를 사용하여 추가적인 전기회로부와 구동부가 없이도 경화에 따라 변화하는 접합용 수지의 물성치에 맞춰 진동하는 부품의 진폭이 자가적으로 줄어드는 진동 에너지 인가 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 이는 부품간의 접속 또는 접합시 정렬 문제(mis-alignment)와 미스 크랙(micro-crack)과 같은 문제를 해결함과 동시에 특정 경화도 이상에서 진동을 절연시킴으로 추가적인 열 공급으로 인한 열적 충격을 막아 주어 신뢰성 있는 정밀한 접속 및 접합이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 진동 에너지 인가 장치는 접합용 수지가 개재(介在)된 제1 전자 부품과 제2 전자 부품을 접합시키는 데에 사용되는데, 발진자와, 상기 발진자의 진동을 제어하는 제어부와, 상기 발진자의 진동을 전달받아 제1 전자 부품과 제2 전자 부품 중 적어도 어느 하나에 진동을 전달하는 파이프 형상의 혼(horn)과, 상기 혼의 진동이 전달되도록 전자 부품의 상기 혼에 대한 위치를 유지시키며 전자 부품이 대면하는 면이 평면인 전자 부품 유지부(82)를 포함한다.

상기 전자 부품 유지부(82)에는 상기 전자 부품을 상기 혼 쪽을 향해 당기는 음압이 제공되는 음압 제공부(35)가 형성되어 있고, 상기 혼에는 공압제공구멍(50)이 형성되어 있고, 상기 공압제공구멍(50)은 상기 전자 부품 유지부(82)의 음압제 공부(35)와 연결되어 있으며, 상기 전자부품유지부와 대향하는 혼의 부분의 단면적이 일정하다.

또한, 상기 전자 부품 유지부(82)는 전자 부품과 맞닿는 면에 폴리머(84)가 제공될 수 있다.

또한, 상기 혼은 봉형 또는 장방형의 파이프 형상이다.

또한, 상기 혼의 진동 진폭은 아래의 식으로 결정되는 것이 바람직하다.

진폭 = (음압 제공부의 음압 × 전자 부품 유지부와 전자부품 간의 마찰계수) / (접합용 수지의 경화도에 따른 등가 스프링 상수)

본 발명에 의하면, 기존의 혼에서 섕크와 다이 컬렉트가 없어지므로 기생 진동이 방지되므로 접합되는 전자 부품간의 정렬이 어긋나는 문제가 사라지게 됨으로써 접합 신뢰성이 보장되는 효과가 있다.

또한, 추가적인 전기회로부와 구동부가 없이도 경화에 따라 변화하는 접합용 수지의 물성치에 맞춰 진동하는 부품의 진폭이 자가적으로 줄어드는 효과가 있다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 의한 진동 에너지 인가 장치(60)의 블록도가 도시되어 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 진동 에너지 인가 장치는 혼(1)과, 부스터(2)와, 발진자(3)와, 발진자 제어부(4)와, 전원(7)을 포함한다. 발진자 제어부(4)의 발진 회로(6)가 작동하여 발진자(3)에게 발진 신호를 전송하고, 이를 전달받은 발진자(3)가 진동한다. 발진자(3)로는 BLT(Bolt-clamped Langevin Transducer)를 사용할 수 있다. 발진자(3)의 진동은 혼(1)을 가진하기에 미약한 진동이므로 부스터(2)를 사용하여 진동(진폭)을 증폭시킨다. 부스터(2)에 의해 증폭된 진동을 전달받아서 혼(1)이 진동하게 되고, 혼(1)의 진동이 전자 부품에 전달된다. 그리고 전자 부품 유지부(82)는, 혼(1)이 후술하는 제1 전자 부품(200)에 진동을 전달할 수 있도록 제1 전자 부품(200)을 혼(1)에 대해서 유지시킨다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 전자 부품 유지부(82)는 공압 발생 장치일 수 있으며 본 명세서에서는 전자 부품 유지부(82)가 공압 발생 장치인 경우에 대해서 설명하지만, 당업자에게 자명한 다른 수단도 채용할 수 있으며, 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

도 3과 도 4에는 진동 에너지 인가 장치(60)에 의해 전자 부품을 접합하는 과정이 도시되어 있다.

제1 전자 부품(200)과 제2 전자 부품(300)이 서로 접합되는데, 제1 전자 부품(200)에는 범프(280)가 제공되고, 제2 전자 부품(300)에는 패드(350)가 제공된다. 범프(280)와 패드(350)가 도전 가능하게 접속함으로써 제1 전자 부품(200)과 제2 전자 부품(300)이 접합된다. 제1 전자 부품(200)과 제2 전자 부품(300) 사이에는 접합 수지(400)가 제공되는데, 예를 들어 ACF(anisotropic conductive film) 일 수 있다. 접합 수지(400)는 열경화성 에폭시 수지 또는 아크릴계 수지 등으로 구성되는 필름(450)과 필름(450) 내에 랜덤하게 존재하는 도전성 입자(430)로 구성되어 있다. 도 3과 도 4에 도시된 공정에서는 제1 전자 부품(200)을 진동 에너지 인가 장치(60)로 가진하고 제2 전자 부품(300)을 향해 압착하는데, 제1 전자부품의 범프와 제2 전자부품의 패드간의 평탄도를 향상시키기 위해 진동 에너지 인가 장치(60)와 제1 전자 부품(200) 사이에는 폴리머(70)를 개재(介在)시키는 것이 바람직하다.

도 4에는 제1 전자 부픔(200)과 제2 전자 부품(300)이 접합된 상태가 도시되어 있다. 접합 상태에서는 접합 수지(400) 내에 존재하는 도전성 입자(430)이 제1 전자 부품(200)의 범프(250)와 제2 전자 부품(300)의 패드(350) 사이에 배치되어서, 제1 전자 부품(200)과 제2 전자 부품(300)이 도전 가능하게 접속되게 된다. 도전성 입자(430)의 최외곽은 제1 금속층 예를 들어, 금으로 코팅된 층이, 그 안쪽은 제2 금속층 예를 들어, 니켈층, 중심부는 폴리머로 구성되어 있으며, 당업자가 필요에 따라서 적절한 접합 수지(400)를 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명과 관련하여, 경화도가 증가함에 따라 탄성영역이 늘어나게 된다. 따라서 경화가 완료된 후 지속적인 열 공급을 차단함으로써 기계적 또는 열적 데미지를 방지할 필요가 있다. 열적 데미지란 경화가 완료된 후 지속적인 열 공급으로 인해 접착제가 타는 현상을 말하며, 기계적 데미지란 접착제가 경화가 완료되어 분자구조가 밀접하게 연결된 상태에서 기계적인 움직임으로 가했을때 접착제에 미소 크랙(micro-crack)과 같은 데미지가 발생할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 진동하는 진폭이 자가적으로 조절되어 이러한 문제점을 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명의 기본 원리인 자가 진폭 제어의 원리에 대해 설명한다.

자가 진폭 제어의 원리는 전자 부품 유지부(82)와 부품 사이의 마찰력과, 접합용 수지가 경화됨에 따라 늘어나는 구속력 간의 힘의 균형을 이용한다.

접합 공정 중 마찰력의 크기는 전자 부품 유지부(82)와 부품간의 마찰계수와 부품을 잡고 있는 공압의 크기에 의해 일정하게 유지된다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.

마찰력 = 부품을 붙잡는 공압 × 전자 부품 유지부와 부품간의 마찰계수

접합 공정 중 구속력의 크기는 접합용 수지가 경화됨에 따라 증가하게 된다. 이는 접합용 수지가 경화가 진행됨에 따라 접합용 수지의 등가 스프링 상수가 발달하기 때문이다. 이를 수식적으로 표현하면 다음과 같다.

구속력 = 접합용 수지의 등가 스프링 상수 × 진동하는 부품의 진폭

여기에서 접합용 수지의 등가 스프링 상수는 경화도에 따라 변화하는 함수이다.

결국, 접합 공정이 진행될수록 마찰력은 일정하게 유지되나, 구속력은 접합용 수지가 경화됨에 따라 스프링 상수가 증가하게 되어 점점 증가하게 된다. 접합 공정이 진행된다고 하더라도 마찰력과 구속력은 힘의 균형을 이루어야 하기 때문에, 진동하는 부품의 진폭은 다음과 같다.

진폭 = (부품을 붙잡는 공압 × 전자 부품 유지부와 전자부품 간의 마찰계수) / (접합용 수지의 경화도에 따른 등가 스프링 상수)

이러한 자가 진폭 제어의 원리를 이용하여 진동 에너지 인가 장치를 만들기 위해서는 혼의 전자 부품 유지부는 전자 부품과 접하는 면이 평평하게 제공되어야 한다.

이하, 이러한 자가 진폭 제어의 원리를 이용하는 본 발명의 구성 요소에 대해 설명한다. 도 8은 본 발명의 진동 에너지 인가 장치의 사시도이다.

도 8에는 혼의 형상은 장방형으로 되어 있으나, 중공부를 가지는 파이프 형상이면 어느 것이라도 가능하다. 다만, 혼은 봉형 또는 장방형의 파이프 형상인 것이 바람직하다.

혼은 전자 부품 유지부(82)와 연결되어 있는데, 전자 부품 유지부(82)는 전자 부품이 대면하는 면이 평면인 것이 바람직하다. 전자 부품 유지부(82)는 전자 부품을 혼에 대하여 위치를 유지시키는 기능을 수행한다. 따라서 전자 부품 유지부(82)에는 전자 부품을 혼 쪽을 향해 당겨 고정시키기 위해 음압이 제공되는 음압 제공부(35)가 형성되어 있다. 혼에는 공압 제공 구멍이 형성되고 이는 전자 부품 유지부(82)의 음압제공부(35)와 연결되어 있다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 공압발생기(도시되지 않음)가 음압을 발생시키고, 그러한 음압은 공압제공구멍(50)을 통해 음압제공부(35)에 제공된다. 그러한 음압은 음압제공부를 통해 제1 전자 부품(200)에 작용하여 제1 전자 부품의 위치를 혼(1)에 대해서 유지시켜서 혼(1)의 진동이 제1 전자 부품(200)에 전달될 수 있도록 한다.

본 발명에 의한 진동 에너지 인가 장치는 열을 가하면서 진동을 가하는 경우에 그 효과가 증가될 수 있다. 도 8에서 도면 부호 50을 공압제공구멍(50)으로 설명하였으나, 본 발명의 또다른 실시예에서는 혼과 전자 부품 유지부(82)에 열을 공급하는 목적으로 활용될 수도 있다. 이 경우에는, 도면 부호 50은 전자 부품 유지부(82)의 음압제공부(35)에 연결될 필요는 없다. 음압제공부(35)는 별도의 공압을 제공하는 장치와 연결되는 것이 바람직하다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 진동 에너지 인가 장치의 사시도이다.

전자 부품 유지부(82)는 전자 부품과 맞닿는 면에 폴리머(84)가 제공될 수 있다. 이는 전자 부품 유지부(82)와 부품간의 마찰계수 증지과 전자 부품 유지부(82)와 부품간의 미끄러짐(slip)에 의해 기계적인 손상을 방지함과 동시에 부품간의 평탄도를 향상시키기 위함이다. 이를 통해 마찰계수를 높여 요구되는 음압을 줄일 수 있고, 발생하는 기계적인 손상을 방지하는 효과가 있다.

본 발명은 추가적인 전기회로부 또는 구동부를 추가하지 않고도 접합용 수지의 소성변형 문제를 해결할 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 진동 에너지 인가 장치는 아래의 식과 같은 진폭을 자가적으로 가지게 된다.

진폭 = (음압 제공부의 음압 × 전자 부품 유지부와 전자부품 간의 마찰계수) / (접합용 수지의 경화도에 따른 등가 스프링 상수)

음압 제공부의 음압은 부품을 붙잡는 공압과 동일하다.

이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정하여지며 전술한 실시예 및/또는 첨부 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 후술하는 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및/또는 수정도 본 발명의 권리범위에 포함됨이 자명하다.

도 1은 종래의 진동 에너지 인가 장치의 사시도.

도 2는 본 발명에 의한 접합 방법을 수행하는 장치의 개념도.

도 3은 본 발명에 진동 에너지 인가 장치의 접합 전의 개념도.

도 4는 본 발명에 진동 에너지 인가 장치의 접합 후의 개념도.

도 5는 종래의 진동 에너지 인가 장치의 사시도.

도 6은 종래의 진동 에너지 인가 장치의 사시도.

도 7은 종래의 진동 에너지 인가 장치의 사시도.

도 8은 본 발명의 진동 에너지 인가 장치의 사시도.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 진동 에너지 인가 장치의 사시도.

도 10은 본 발명에 의한 접합 방법에서 접합용 수지의 경화도에 따른 최대 허용 진폭의 일례를 도시한 그래프.

Claims (4)

1. 접합용 수지가 개재(介在)된 제1 전자 부품과 제2 전자 부품을 접합시키는 진동 에너지 인가 장치에 있어서,

   발진자와,

   상기 발진자의 진동을 제어하는 제어부와,

   상기 발진자의 진동을 전달받아 제1 전자 부품과 제2 전자 부품 중 적어도 어느 하나에 진동을 전달하는 파이프 형상의 혼(horn)과,

   상기 혼의 진동이 전달되도록 전자 부품의 상기 혼에 대한 위치를 유지시키며 전자 부품이 대면하는 면이 평면인 전자 부품 유지부를 포함하고,

   상기 전자 부품 유지부에는 상기 전자 부품을 상기 혼 쪽을 향해 당기는 음압이 제공되는 음압 제공부가 형성되어 있고,

   상기 혼에는 공압제공구멍이 형성되어 있고, 상기 공압제공구멍은 상기 전자 부품 유지부의 음압제공부와 연결되어 있으며,

   상기 전자부품유지부와 대향하는 혼의 부분의 단면적이 일정하며,

   상기 혼의 진동 진폭은 아래의 식으로 결정되는,

   진폭 = (음압 제공부의 음압 × 전자 부품 유지부와 전자부품 간의 마찰계수) / (접합용 수지의 경화도에 따른 등가 스프링 상수)

   진동 에너지 인가 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 전자 부품 유지부는 전자 부품과 맞닿는 면에 폴리머가 제공되는,

   진동 에너지 인가 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 혼은 봉형 또는 장방형의 파이프 형상인,

   진동 에너지 인가 장치.
4. 삭제

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