KR101435367B1 - 전기력을 이용한 균일한 미세 솔더볼 제조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융 챔버에 기계적인 진동을 가하지 않고 전기장에 의해서 생성된 테일러 콘 형태의 액주에 교류 전압을 가해서 노즐 파이프 크기보다 작은 균일한 액적을 생성하되, 전압의 세기와 주파수를 이용해서 생성되는 액적의 크기를 조절하는 방식을 통해서 수율을 향상시키고 제조 공정을 단순화하여 저비용으로 연속적으로 생산하는 솔더볼의 제조방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

전기력을 이용한 균일한 미세 솔더볼 제조 방법 및 장치 {Method and Apparatus for Fabricating Uniform Fine Solder Ball using Electric Field}

본 발명은 반도체 패키지에 사용되는 솔더볼 제조 방법과 그 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 대전된 용융 금속이 노즐 파이프를 지나며 테일러 콘(Taylor cone) 형태의 액주를 형성하고 고전압에 의한 외란을 통해서 액주는 일정한 부피의 액적으로 떨어지고 표면장력에 의해서 구형의 액적이 되며 냉각과정을 통해서 솔더볼을 제작하는 방법과 장치에 관한 것이다.

솔더볼은 반도체 패키지 제작공정에서 사용되는 솔더(solder), 범프(bump), 또는 볼(ball)의 의미를 포함하며, 특히 반도체 칩과 그 패키지, 또는 패키지와 회로모듈이나 PCB 기판을 기계적으로 접착시키고 전기적 신호가 전달될 수 있도록하는 미세한 볼 형태의 땜납 또는 솔더(solder)를 의미한다. 휴대폰이나 PC 등의 전자제품의 소형화와 다기능화에 따라서 I/O count(Input/Output 갯수)의 증가와 pad-pitch(I/O pin 사이의 거리)가 작아지는 문제가 있으며, 기판과 칩을 전기적으로 연결하는 단자의 수를 늘리기 위해서 단자를 패키지 옆면 모서리의 한곳에만 형성한 SIP(Single Inline Package), 패키지 양쪽에 모두 형성한 DIP(Dual Inline Package), 패키지의 사방 네 군데에 모두 리드를 형성한 QFP(Quad Flat Package) 등의 반도체 패키지 기술이 개발되어 왔다. 그러나 패키지의 모든 모서리 부분에서 리드 수를 늘리는 것도 한계가 있기 때문에 패키지 아래에 볼 형태의 납을 배열하는 볼그리드 어레이 패키지(Ball Grid Array)와 칩 크기와 거의 같은 크기의 패키지인 칩 스케일 패키지(Chip Scale Package) 기술이 개발되어 이용되고 있다. 이러한 반도체 패키지 공정에 사용되는 납땜용 솔더볼은 크기가 1mm 이하이며 균일한 크기의 구형으로 이루어져야하는데 이러한 반도체 칩의 소형화에 따라 더 미세하고 균일한 크기의 구형의 솔더볼의 제조 방법과 그 장치에 대한 연구가 필요하다.

고속 생산을 통한 솔더볼 등의 금속볼 제조장치 및 방법으로서 기존의 진동분무법이 사용되고 있다. 이러한 기술은 Lord Rayleigh와 Weber Ohnesorge에 의해서 이론적으로 확립되었고 잉크젯 프린트 등에도 산업적으로 이용되기 시작하였다. 또한 최근에는 정밀 금속 및 세라믹 볼의 대량 제조에 적용하려는 시도가 진행 중이다. 진동분무법은 분무조건에 따라 연속 액적형성모드(Continuous Pressurized Flow mode)와 비연속 액적형성모드(Drop On Demand mode)의 두 가지 형태로 작동되는데, 미국 특허번호 제 5,266,098호의 연속 액적형성모드에서 진동을 발생시켜 노즐에서 액적을 만드는데, 액적에 대전을 시켜 액적들이 전기적 반발력을 통해서 합착되는 것을 제어하였다. 그러나 이러한 방식에서 이용하는 진동은 고온에서 작동하는 시스템에 장기간 작용할 경우, 부품의 변형과 파괴를 일으키기 때문에 균일한 미세 액적을 제조하는데 제한이 된다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 용융 챔버에 기계적인 진동을 가하지 않고 전기장에 의해서 생성된 테일러 콘 형태의 액주에 교류 전압을 가해서 노즐 파이프 크기보다 작은 균일한 액적을 생성하되, 전압의 세기와 주파수를 이용해서 생성되는 액적의 크기를 조절하는 방식을 통해서 수율을 향상시키고 제조 공정을 단순화하여 저비용으로 연속적으로 생산하는 솔더볼의 제조방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른 솔더볼 제조 장치는, 담긴 용융 금속을 하단의 노즐로 흘려 보내기 위한 챔버; 상기 용융 금속을 대전시키기 위해 상기 용융 금속에 전압을 인가하기 위한 전원; 상기 챔버의 하부에 설치된 링 형태의 전극이며, 상기 노즐을 통해 나오는 대전된 테일러 콘 형태의 액주에 교류 전압을 인가하기 위한 제1전극; 및 상기 제1전극의 하부에 설치되며, 상기 제1전극에 인가된 교류 전압에 의해 상기 제1전극의 구멍을 통과하면서 상기 액주가 액적으로 분리되어 표면장력에 의해 구형으로 떨어지는 상기 액적을 냉각시켜 솔더볼을 형성하기 위한 냉각 시스템을 포함한다.

상기 노즐은, 상기 챔버 하단의 구멍에 결합되는 결합부와 상기 결합부에 연결되어 상기 테일러 콘 형태의 액주 형성을 위한 일정 직경의 구멍을 갖는 파이프를 포함한다.

상기 솔더볼 제조 장치는, 상기 챔버와 상기 제1전극 사이에 설치되며, 상기 액주를 구멍으로 통과시키는 접지된 링형태의 제2전극을 더 포함한다.

상기 솔더볼 제조 장치는, 상기 용융 금속을 녹는점 이상의 온도로 유지시키기 위하여 상기 챔버를 가열하기 위한 가열시스템을 더 포함한다.

상기 솔더볼 제조 장치는, 상기 챔버로 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스통; 및 상기 불활성 가스통에서 상기 챔버로 공급되는 불활성 가스의 양을 조절하기 위한 압력조절기를 더 포함한다.

상기 솔더볼 제조 장치는, 상기 챔버 내부의 펌핑을 통하여 상기 용융 금속의 산화를 방지하기 위한 진공 펌프를 더 포함한다.

상기 솔더볼 제조 장치는, 일정 전압크기와 주파수를 갖는 교류 전압을 발생하는 시그널 발생기; 및 상기 시그널 발생기에서 출력되는 교류 전압을 증폭하여 상기 제1전극으로 인가하는 증폭기를 더 포함한다.

상기 제2전극은, 링형, 링-평판형, 또는 그리드형 전극일 수 있다.

상기 솔더볼 제조 장치는, 상기 챔버에 내부를 조망하기 위한 조망창을 포함한다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 솔더볼 제조 방법은, 챔버에 담긴 용융 금속을 대전시키면서 상기 챔버의 하단에 결합된 노즐로 흘려 보내는 단계; 상기 노즐을 통해 나오는 대전된 테일러 콘 형태의 액주를, 상기 챔버의 하부에 설치된, 교류 전압이 인가된 링 형태의 제1전극의 구멍으로 통과시키는 단계; 및 상기 구멍을 통과하면서 상기 액주가 액적으로 분리되어 표면장력에 의해 구형으로 떨어지는 상기 액적을 냉각시켜 솔더볼을 형성하는 단계을 포함한다.

상기 챔버와 상기 제1전극 사이에 설치된 접지된 링형태의 제2전극의 구멍으로 상기 액주가 통과되도록 하여, 상기 테일러 콘 형태의 액주에 대한 상기 교류 전압으로부터의 영향을 제거할 수 있다.

상기 흘려 보내는 단계에서 가열시스템을 통해 상기 챔버를 가열해 상기 용융 금속을 녹는점 이상의 온도로 유지시키면서 상기 용융 금속을 흘려 보낸다.

상기 흘려 보내는 단계에서, 불활성 가스를 상기 챔버로 공급하면서 상기 용융 금속을 흘려 보낸다.

상기 흘려 보내는 단계에서, 상기 챔버 내부의 펌핑을 통하여 상기 용융 금속의 산화를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 솔더볼 제조 방법 및 장치에 따르면, 균일한 크기의 미세 솔더볼의 생산과 그 크기의 제어가 용이하여 수율을 극대화 할 수 있고 공정 단순화에 의한 비용 절감이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼 제조 장치에 대한 도면이다.
도 2는 도 1에서 테일러 콘 형태의 액주를 생성하기 위한 노즐 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에서 전기력을 액주에 가하기 위한 접지전극과 고전압 전극을 설명하기 위한 도면이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼 제조 장치(10)에 대한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 솔더볼 제조 장치(10)는, 용융 금속을 담고 액주를 흘리기 위해 하단에 노즐(111)을 갖는 용융 챔버(107), 용융 챔버(107) 내의 펌핑(pumping)을 위한 진공펌프(100), 용융 챔버(107) 내로 불활성 가스 공급을 위한 불활성 가스통(109)와 압력조절기(108), 용융 챔버(107)의 가열을 위한 가열시스템(110), 용융 금속을 대전시키기 위한 고전압 전원(102)를 포함하며, 이외에 용융 챔버(107) 하부에 설치되는 접지 전극(112)(옵션), 고전압 전극(113), 냉각 시스템(115)을 포함하고, 고전압 전극(113)에 고전압 교류 신호를 인가하기 위한 시그널 발생기(105)와 고전압 증폭기(106)를 포함한다.

도 1의 솔더볼 제조 장치(10)를 이용한 솔더볼 제조를 위하여, 먼저, 용융 챔버(107) 내에 용융 금속을 담는다. 도면에는 도시하지 않았지만 용융 챔버(107)의 상부에 열고 닫는 덮개가 있을 수 있으며 덮개를 열고 용융 금속을 용융 챔버(107) 내에 넣고 덮개를 닫는다. 이때 조망창(101)을 통하여 용융 금속이 담기는 양을 확인할 수 있다. 용융 금속의 재질은 남땜(soldering) 대상 부위의 패드의 성질, 예를 들어, PCB, 패키지 리드선, 실리콘 상의 패드 등의 재질에 따라, 납(Pb), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금 등 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

용융 챔버(107) 내에 용융 금속을 넣은 후, 가열시스템(110)을 이용해 용융 챔버(107)를 가열하여 용융 금속이 녹는점 이상의 온도(예, 300℃ 이상)로 유지되도록 하며, 이때 진공 펌프(100)를 동작시켜 용융 챔버(107) 내의 펌핑으로 그 안에 존재할 수 있는 수증기와 산소 등을 제거하고 압력을 낮춤으로써 용융 금속의 산화를 방지할 수 있도록 하며, 동시에 압력조절기(108)를 이용해 불활성 가스통(109)에서 용융 챔버(107)로 흘러 들어가는 불활성 가스(예, He, Ne, Ar 등)의 양을 적절히 조절해 용융 챔버(107) 내부가 일정한 압력으로 유지되도록 하고 용융 금속의 산화가 더욱 방지되도록 할 수 있다.

이에 따라 용융 챔버(107) 내의 용융 금속이 적절한 점도를 갖는 온도까지 올라가면, 용융 챔버(107) 내외 간의 압력차에 의해서 용융 챔버(107) 내의 용융 금속은 노즐(111)을 통하여 흘러 나올 수 있다. 노즐(111)은 도 2와 같이 용융 챔버(107) 하단의 구멍에 결합될 수 있도록 하기 위한 결합부(111a)와 그에 연결된 테일러 콘 형태의 액주 형성을 위한 일정 직경의 구멍을 갖는 파이프(111b) 형태일 수 있다.

이때 고전압 전원(102)을 이용해 용융 금속에 일정 전압 크기를 갖는 고전압(예, 음(-)의 고전압)을 인가하면, 노즐(111)을 통하여 음(-)의 전하를 갖도록 대전된 용융 금속이 흘러 나오게 된다.

노즐(111)를 지나면서 용융 금속은 테일러 콘 형태의 액주를 형성하게 되고 이 현상에 의해서 액주의 직경이 노즐 파이프(111b)의 직경보다 매우 작아지게 된다.

이와 같이 음(-)의 전하를 갖도록 대전된 용융 금속이 노즐(111)을 통하여 테일러 콘 형태의 액주를 형성하면서 노즐 파이프(111b)의 직경보다 매우 가늘게 하부로 떨어질 때, 도 3과 같이 링형태의 접지 전극(112)(옵션)과 고전압 전극(113)의 구멍을 통과하면서 구형의 액적으로 분리되고 냉각 시스템(115)에서 냉각되어 균일한 미세 체적의 솔더볼 형태로 PCB, 패키지 리드선, 실리콘 등의 패드 등에 떨어져 반도체 칩의 패드나 리드선과 기계적으로 고착시키고 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.

이와 같이 테일러 콘 형태의 액주가 접지 전극(112)(옵션)과 고전압 전극(113)을 통과하면서 구형의 액적으로 분리되도록 하기 위하여, 시그널 발생기(105)는 일정 전압크기와 주파수를 갖는 교류 전압을 발생하며, 고전압 증폭기(106)는 시그널 발생기(105)에서 출력되는 교류 전압을 액적을 만들기 적절한 정도의 전압 크기로 증폭하여 케이블을 통해 고전압 전극(113)에 인가한다. 이에 따라 고전압 전극(113)에 필요한 전압 크기와 주파수의 교류 전압(예, 1kV ~50kV)이 가해지면 액주는 교란에 의해서 하부로 갈수록 일정한 미세 체적의 액적으로 분리되고 표면장력에 의해서 구형의 액적으로 분리되면서 떨어진다.

접지 전극(112)은 반드시 사용해야 하는 것은 아니고 필요에 따라서 사용할 수도 있고, 없어도 된다. 접지 전극(112)은 케이블을 통해서 외부 접지부와 연결될 수 있으며, 접지 전극(112)은 노즐(111) 구멍(오리피스)에서 테일러 콘 형태의 액주가 생성되는 과정 또는 액주가 생성된 이후 액주 흐름(유동)이 고전압 전극(113)에 의해 영향을 받지 않도록 하기 위하여 설치할 수 있다. 접지 전극(112)이 없다면 음(-)의 전하로 대전된 용융 금속 액주가 고전압 전극(113)에 의해 테일러 콘 형태의 액주를 형성하지 못하거나 떨어지는 방향이 바뀔 수 있기 때문이다.

이와 같은 접지 전극(112)은 도 3과 같이(위에서 본 도면임), 중심에 일정 직경의 구멍을 가지며 재료의 두께와 상하부 테두리의 폭이 유사한 길이를 갖는 링형 전극(112a), 중심에 일정 직경의 구멍을 가지며 재료의 두께 보다 상하부 면의 폭이 커서 상하부 테두리가 평판 형태인 링-평판형 전극(112b), 중심에 일정 직경의 구멍을 가지는 그리드(망사)형 재료로 이루어진 링-그리드형 전극(112c) 등의 형태로 제작되어 사용될 수 있으며 용융 금속의 특성에 따라서 그에 적합한 형태를 선택하여 사용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

진공펌프(100)
조망창(101)
고전압 전원(102)
시그널 발생기(105)
고전압 증폭기(106)
용융 챔버(107)
압력조절기(108)
불활성 가스통(109)
가열시스템(110)
노즐(111)
접지 전극(112)
고전압 전극(113)
냉각 시스템(115)

Claims (14)

1. 담긴 용융 금속을 하단의 노즐로 흘려 보내기 위한 챔버;
   상기 용융 금속을 대전시키기 위해 상기 용융 금속에 전압을 인가하기 위한 전원;
   상기 챔버의 하부에 설치된 링 형태의 전극이며, 상기 노즐을 통해 나오는 대전된 테일러 콘 형태의 액주에 교류 전압을 인가하기 위한 제1전극; 및
   상기 제1전극의 하부에 설치되며, 상기 제1전극에 인가된 교류 전압에 의해 상기 제1전극의 구멍을 통과하면서 상기 액주가 액적으로 분리되어 표면장력에 의해 구형으로 떨어지는 상기 액적을 냉각시켜 솔더볼을 형성하기 위한 냉각 시스템을 포함하며,
   상기 노즐은,
   상기 챔버 하단의 구멍에 결합되는 결합부와 상기 결합부에 연결되어 상기 테일러 콘 형태의 액주 형성을 위한 일정 직경의 구멍을 갖는 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 장치.
2. 삭제
3. 솔더볼 제조 장치에 있어서,
   담긴 용융 금속을 하단의 노즐로 흘려 보내기 위한 챔버;
   상기 용융 금속을 대전시키기 위해 상기 용융 금속에 전압을 인가하기 위한 전원;
   상기 챔버의 하부에 설치된 링 형태의 전극이며, 상기 노즐을 통해 나오는 대전된 테일러 콘 형태의 액주에 교류 전압을 인가하기 위한 제1전극; 및
   상기 제1전극의 하부에 설치되며, 상기 제1전극에 인가된 교류 전압에 의해 상기 제1전극의 구멍을 통과하면서 상기 액주가 액적으로 분리되어 표면장력에 의해 구형으로 떨어지는 상기 액적을 냉각시켜 솔더볼을 형성하기 위한 냉각 시스템을 포함하며,
   상기 솔더볼 제조 장치는,
   상기 챔버와 상기 제1전극 사이에 설치되며, 상기 액주를 구멍으로 통과시키는 접지된 링형태의 제2전극
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 용융 금속을 녹는점 이상의 온도로 유지시키기 위하여 상기 챔버를 가열하기 위한 가열시스템
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 챔버로 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스통; 및
   상기 불활성 가스통에서 상기 챔버로 공급되는 불활성 가스의 양을 조절하기 위한 압력조절기
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 챔버 내부의 펌핑을 통하여 상기 용융 금속의 산화를 방지하기 위한 진공 펌프
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 장치.
7. 솔더볼 제조 장치에 있어서,
   담긴 용융 금속을 하단의 노즐로 흘려 보내기 위한 챔버;
   상기 용융 금속을 대전시키기 위해 상기 용융 금속에 전압을 인가하기 위한 전원;
   상기 챔버의 하부에 설치된 링 형태의 전극이며, 상기 노즐을 통해 나오는 대전된 테일러 콘 형태의 액주에 교류 전압을 인가하기 위한 제1전극; 및
   상기 제1전극의 하부에 설치되며, 상기 제1전극에 인가된 교류 전압에 의해 상기 제1전극의 구멍을 통과하면서 상기 액주가 액적으로 분리되어 표면장력에 의해 구형으로 떨어지는 상기 액적을 냉각시켜 솔더볼을 형성하기 위한 냉각 시스템을 포함하며,
   상기 솔더볼 제조 장치는,
   일정 전압크기와 주파수를 갖는 교류 전압을 발생하는 시그널 발생기; 및
   상기 시그널 발생기에서 출력되는 교류 전압을 증폭하여 상기 제1전극으로 인가하는 증폭기
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 장치.
8. 제3항에 있어서,
   상기 제2전극은, 링형 전극, 링-평판형 전극, 및 링-그리드형 전극 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 챔버에 내부를 조망하기 위한 조망창을 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 장치.
10. 챔버에 담긴 용융 금속을 대전시키면서 상기 챔버의 하단에 결합된 노즐로 흘려 보내는 단계;
    상기 노즐을 통해 나오는 대전된 테일러 콘 형태의 액주를, 상기 챔버의 하부에 설치된, 교류 전압이 인가된 링 형태의 제1전극의 구멍으로 통과시키는 단계; 및
    상기 구멍을 통과하면서 상기 액주가 액적으로 분리되어 표면장력에 의해 구형으로 떨어지는 상기 액적을 냉각시켜 솔더볼을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 챔버와 상기 제1전극 사이에 설치된 접지된 링형태의 제2전극의 구멍으로 상기 액주가 통과되도록 하여, 상기 테일러 콘 형태의 액주에 대한 상기 교류 전압으로부터의 영향을 제거하는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 방법.
11. 삭제
12. 제10항에 있어서,
    상기 흘려 보내는 단계에서 가열시스템을 통해 상기 챔버를 가열해 상기 용융 금속을 녹는점 이상의 온도로 유지시키면서 상기 용융 금속을 흘려 보내는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 방법.
13. 제10항에 있어서,
    상기 흘려 보내는 단계에서, 불활성 가스를 상기 챔버로 공급하면서 상기 용융 금속을 흘려 보내는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 방법.
14. 제10항에 있어서,
    상기 흘려 보내는 단계에서, 상기 챔버 내부의 펌핑을 통하여 상기 용융 금속의 산화를 방지하는 것을 특징으로 하는 솔더볼 제조 방법.

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