KR101522687B1 - 마이크로 솔더볼 제조 장치 - Google Patents

마이크로 솔더볼 제조 장치 Download PDF

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Abstract

마이크로 솔더볼 제조 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 고온의 판상부에 원료 빌렛(billet)을 일정한 크기의 압력으로 밀어 접촉 용융시켜 균일한 용융금속을 공급하는 접촉 방식의 용융금속 주입부, 상기 용융금속 주입부로부터 공급된 용융금속을 저장하고, 용융금속을 냉각 챔버로 배출하기 위한 배출구멍이 형성된 카트리지 탱크, 상기 카트리지 탱크 상부에 설치되고, 상기 카트리지 탱크에 저장된 용융금속에 균일한 진동을 인가하여 일정한 크기와 형상의 액적을 생성하여 상기 배출구멍으로 배출하기 위한 진동자, 및 상기 진동자에 의하여 생성되어 상기 카트리지 탱크의 배출구멍으로부터 배출되는 용융금속의 액적을 냉각시켜 응고하여 솔더볼을 제조하기 위한 냉각 챔버를 포함한다.

Description

마이크로 솔더볼 제조 장치{APPARATUS FOR PRODUCING MICRO SOLDER BALL}
본 발명은 접촉 용융방식에 의한 마이크로 솔더볼 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 납땜용 솔더볼 제조를 위한 원료 금속 용융 시 일정한 크기의 빌렛(billet)을 자동 피딩 공급방식에 의해 고온 판상부분에 접촉하는 방식으로 일정량의 원료 용융금속을 공급하고, 공급된 금속은 진동자가 설치된 카트리지에 유입되며, 진동자의 진동에 의해 용융금속을 냉각챔버에 낙하시켜 균일한 크기(직경)와 형상을 갖는 마이크로 솔더볼을 제조할 수 있는 마이크로 솔더볼 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전자기기는 전자부품을 프린트 기판 등의 회로 상에 배치하여 특정한 기능을 갖게 한 것으로, 전자 부품과 프린트 기판 등의 회로 접합에는 낮은 온도에서 접합할 수 있고, 저렴하고, 접합 신뢰성도 높아서, 예로부터 땜납이 사용되어 왔으며, 최근 들어 각종 전자부품의 소형화, 경량화 추세에 따라 솔더볼을 이용한 BGA(Ball Grid Array)의 패키지 방식이 반도체 구동 칩과 외부회로와의 전기신호 전달의 주요 방식으로 구현되고 있다.
또한, 전자기기의 다기능화, 소형화가 진행됨에 따라, 각종 기능을 위한 전기입력 핀 수의 증가에 맞추기 위하여 패키지 기술은 구동되는 칩과 거의 같은 크기인 CSP(Chip Scale Package)기술로 발전되어 왔으며, 최근에는 칩과 칩을 적층하는 MCP(Multi Chip Package)로 까지 변화되고 있다.
이와 같은 패키지 전체 크기의 소형화에 따라 전기전달의 주요한 역할을 하는 솔더볼(solder ball)의 사이즈도 스마트 폰 등의 모바일(mobile) 시장의 확대에 따른 부품의 경박 단소화 요구로 기존 예컨대, 450㎛ ~ 760㎛ 사이에서 점차 예컨대, 300㎛ 이하의 소형 마이크로(micro) 솔더볼의 수요가 확대되고 있으며, 솔더볼의 사이즈가 소형화 진행됨에 따라, 솔더볼의 완벽한 진구도 및 구경의 균일함이 필수적인 요건이 되고 있다.
이와 같은 솔더볼 제조에 관한 종래의 기술은 솔더 조성과 같은 얇은 판재나 와이어(Wire)를 절단하여 이를 재 용융시켜 구형의 솔더볼을 제조하는 방법이 있으나, 이러한 방법은 소형 마이크로 솔더볼 제작에는 한계가 있고 생산공정이 복잡한 문제가 있었다.
이러한 문제를 개선한 방식으로 미국 MIT의 Chun 등은 용융된 솔더가 진동자를 통해 압력을 받아 미세한 노즐을 통과하여 균일한 구형구로 생성되는 DBM(Droplet Based Manufacturing)를 제안하였으며, 균일한 구형 솔더볼을 생산하기 위해 10 ~ 20,000Hz 대의 넓은 변경 가능한 주파수대에서 일정한 진동 주파수를 받은 진동자의 상하 진동으로 용융금속이 노즐을 통과되게 하면서 구형 볼이 형성되는 것이다.
상기 노즐을 통하여 용융금속을 밀어내어 솔더볼을 형성하는 방식은 제조공정이 단순하며, 비교적 구형의 솔더볼을 얻을 수 있지만, 용융금속 공급장치에서 진동자가가 있는 카트리지로 일정한 용융금속을 레벨에 따라 배출할 때 스토퍼가 달린 구동 축을 실린더로 승, 하강시켜 카트리지의 용융금속 주 입구를 개폐시키는데, 이때, 실린더의 축의 변화가 생기거나 주 입구와의 중심이 조금만 어긋나는 경우에도 주 입구와 스토퍼가 정확히 정렬되지 않아 용융금속이 계속 공급되어 넘쳐흐르거나, 스토퍼가 빠지지 않아 용융금속이 공급 안될 수도 있었다.
또한, 상하로 작용하는 진동자의 진동에 의하여 볼이 형성됨으로 제조 공정이 진행됨에 따라 진동을 받는 용융금속의 량의 변화 및 원료가 되는 용융금속의 불연속적인 주입에 따라 진동주파수가 영향을 받게 되며 결국에는 노즐을 통과해서 나오는 솔더볼의 구경 분포 및 구형 형상이 불완전 해지게 된다. 특히, 이러한 구형의 불완전성은 솔더볼의 크기가 작아 질수록 큰 영향을 받게 된다.
또 다른 문제점으로는 노즐을 통과해서 나오는 솔더볼 입자의 비산성 또는 노즐에 솔더 슬러지 낌으로 인한 입자의 분산으로 노즐을 통과한 액적 상태의 볼이 냉각챔버 내에서 완전한 응고가 진행되기 전에 냉각챔버의 벽면에 충돌하게 되면 구형의 형상이 불균일 해진다는 것이다. 솔더볼의 형상 불균일은 패키지 공정 중 솔더볼 붕괴(Collapse) 및 단락(Short) 등의 문제점을 유발할 수 있다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 용융금속 형성 시 고온의 판상에 원재료 빌렛(Billet)을 자동 피딩 방식으로 접촉 용융시켜 일정하고 균일한 용융금속을 진동자가 있는 카트리지로 직접 이송하게 함으로 연속적인 용융금속을 공급하여 안정적인 카트리지 진동을 유지시켜 우수한 구형도와 입자 균일성을 가지는 솔더볼 제조 장치를 제공하는 것이다.
이러한 접촉 용융방식은 종래의 원료 챔버에 미리 원료 금속을 녹여 보관하는 것에 의하여 생기는 슬러지 발생 부분을 최소화 하여 솔더볼의 노즐에 슬러지 끼임을 방지하여 노즐을 통과하는 솔더볼을 균일하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 균일한 용융금속이 주입되어 종래 스토퍼 방식의 용융금속 주입에 따른 카트리지 내부의 용융금속의 흔들림을 방지 할 수 있어 보다 균일하고, 구형도가 향상된 볼을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명은 불완전 응고 상태에서 냉각 챔버의 내부 벽면에 충돌하는 솔더 입자를 분리하기 위한 분리대를 냉각 챔버의 내부 벽면에 설치하여 구형 이상인 볼과 양품과의 선 분리 작업을 진행하여 생성되는 솔더볼의 수율을 현저히 증대시킬 수 있는 솔더볼 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고온의 판상부에 원료 빌렛(billet)을 일정한 크기의 압력으로 밀어 접촉 용융시켜 균일한 용융금속을 공급하는 접촉 방식의 용융금속 주입부,
상기 용융금속 주입부로부터 공급된 용융금속을 저장하고, 용융금속을 냉각 챔버로 배출하기 위한 배출구멍이 형성된 카트리지 탱크,
상기 카트리지 탱크 상부에 설치되고, 상기 카트리지 탱크에 저장된 용융금속에 균일한 진동을 인가하여 일정한 크기와 형상의 액적을 생성하여 상기 배출구멍으로 배출하기 위한 진동자, 및
상기 진동자에 의하여 생성되어 상기 카트리지 탱크의 배출구멍으로부터 배출되는 용융금속의 액적을 냉각시켜 응고하여 솔더볼을 제조하기 위한 냉각 챔버를 포함하는 마이크로 솔더볼 제조 장치가 제공될 수 있다.
상기 냉각챔버의 상단부에는 상기 카트리지 탱크로부터 배출되는 액적 중 지정 공차를 벗어나는 불량 액적 생성시 불량 액적을 채취하는 동시에 상기 냉각 챔버를 완전 밀폐시켜 상기 카트리지 탱크와 분리해주는 중앙 분리대가 설치될 수 있다.
상기 카트리지 탱크에는 용융금속의 수위를 감지하여 용융금속의 최적량을 제어하기 위한 용융금속 수위 감지센서가 설치될 수 있다.
상기 냉각 챔버의 벽면에는 상기 냉각 챔버의 벽면에 충돌하는 불완전 구형의 솔더볼을 미리 분리하기 위한 분리대가 설치될 수 있다.
상기 냉각 챔버 하단에는 상기 냉각 챔버에서 낙하되어 완전 응고된 솔더볼을 자동 수집하여 솔더볼의 형상 및 사이즈를 자동 측정할 수 있는 솔더볼 형상 측정 장치가 설치될 수 있다.
상기 카트리지 탱크 하단부와 냉각 챔버 하단부에는 상기 냉각 챔버에서 생성되는 솔더볼의 형상 및 입자 균일성에 따라 상기 카트리지 탱크와 상기 냉각 챔버의 압력을 조정하기 위한 솔더볼 형상분석 제어장치가 연결 설치될 수 있다.
상기 용융금속 주입부의 내부에는 용융금속을 접촉 용융하기 위한 고온 판상부가 설치되고, 상기 용융금속 주입부의 외부에는 원료 빌렛을 연속 주입 가능하게 하는 빌렛 주입부, 상기 빌렛 주입부에 주입된 빌렛을 상기 고온 판상부로 자동 이송시키기 위한 작동 실린더와 압력 피스톤이 설치될 수 있다.
상기 솔더볼 형상분석 제어장치는 상기 카트리지의 하단부 배출구멍에서 상기 냉각 챔버로 낙하하는 불완전 응고 상태인 액적을 촬영하는 카메라로부터 이미지 정보를 받아 액적의 사이즈와 형상을 측정하며, 상기 냉각 챔버 하단의 솔더볼 형상 측정 장치를 통하여 완전 응고 상태의 솔더볼 형상과 사이즈를 측정하여 피드백하여 최적의 솔더볼을 형성할 수 있도록 압력 제어 장치로 정보를 전달 제어하여 상기 카트리지 탱크와 상기 냉각 챔버의 압력을 조정할 수 있다.
상기 용융금속 주입부 내부에는 상기 고온 판상부에 접촉 용융되기 위한 빌렛이 놓여지기 위한 빌렛받이가 설치될 수 있다.
상기 용융금속 주입부에는 원료 금속 빌렛(Billet)을 주입하기 위한 빌렛 주입관이 설치되고, 상기 용융금속 주입부에는 상기 빌렛 주입관과 연통 형성되어 원료 금속 빌렛의 주입을 제어하기 위한 빌렛 주입관 개폐부가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 접촉 용융방식에 의한 마이크로 솔더볼 제조장치에 따르면, 원료 용융금속을 공급 시 일정한 크기의 빌렛(Billet)을 자동 피딩 공급방식에 의한 고온 판상부분에 접촉 용융방식으로 원료를 카트리지 탱크로 전달 시 원료 공급량에 의해 출렁임이 없이 정밀하게 공급 가능하여 안정적인 카트리지 탱크의 진동을 유지시켜 줄 수 있으며, 또한 저장되는 원료 용융금속을 없게 하여 저장되는 용융금속에 의한 슬러지 발생부분을 최소화 하여 균일하고 일정한 마이크로 솔더볼 생산이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 마이크로 솔더볼 제조장치에서 냉각 챔버와 카트리지 탱크를 완전 가능하고, 솔더볼 형상분석 제어 장치와 연동되어 생산공정 이상 시 자동으로 불량 액적의 채취가 가능하여 낙하되는 솔더볼의 입도 분포를 좋게 하여 생산 수율 향상의 효과가 있으며, 냉각 챔버 벽면에 별도의 분리대를 설치하여 냉각챔버 내로 낙하하는 이상 솔더볼을 걸러주어 보다 일정한 크기와 균일한 형상의 솔더볼을 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 용융방식의 마이크로 솔더볼 제조장치의 개략적인 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 솔더볼 제조 장치의 접촉 용융방식으로 주입되는 상태를 도시한 개략적인 일부 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 솔더볼 제조 장치의 중앙분리대의 이동 상태를 도시한 개략적인 일부 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 솔더볼 제조 장치의 냉각 챔버의 분리대를 도시한 개략적인 일부 상세 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 솔더볼 제조 장치의 솔더볼 형상 측정 장치의 일부 상세 구성도이다.
도 6은 본 발명의 접촉용융 방식(실시예1)에 의한 용융솔더 주입과 종래의 주입방식(비교예1)에 따라 제작된 솔더볼 구경 분포 비교를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 접촉용융 방식에 의한 용융솔더 주입(실시예1)과 종래의 주입방식(비교예1)에 따라 제작된 솔더볼 형상 비교를 나타낸 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 용융방식의 마이크로 솔더볼 제조 장치는, 접촉 용융 방식의 용융금속 주입에 의해 균일한 크기(직경)와 형상을 갖는 마이크로 솔더볼을 제조하기 위한 장치이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 용융방식의 마이크로 솔더볼 제조장치의 개략적인 전체 구성도이다.
이하, 첨부된 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 접합 방식의 마이크로 솔더볼 제조 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융 접합 방식의 마이크로 솔더볼 제조 장치는, 고온의 판상부(12)에 원료 빌렛(billet)을 압력으로 밀어 접촉 용융시켜 균일한 용융금속을 공급하는 접촉 방식의 용융금속 주입부(10),
상기 용융금속 주입부(10)로부터 공급된 용융금속을 저장하고, 용융금속을 냉각 챔버로 배출하기 위한 배출구멍(41)이 형성된 카트리지 탱크(40),
상기 카트리지 탱크(40)의 상부에 설치되고, 상기 카트리지 탱크(40)에 저장된 용융금속에 균일한 진동을 인가하여 일정한 크기와 형상의 액적을 생성하여 상기 배출구멍(41)으로 배출하기 위한 진동자(30), 및
상기 진동자(30)에 의하여 생성되어 상기 카트리지 탱크(40)의 배출구멍(41)으로부터 배출되는 용융금속의 액적을 냉각시켜 응고하여 솔더볼을 제조하기 위한 냉각 챔버(70)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 카트리지 탱크(40)에는 용융금속의 수위를 감지하여 용융금속의 최적량을 제어하기 위한 용융금속 수위 감지센서(42)가 설치될 수 있다.
상기 냉각챔버(70)의 상단부에는 상기 카트리지 탱크(40)로부터 배출되는 액적 중 지정 공차를 벗어나는 불량 액적 생성시 불량 액적을 채취하는 동시에 상기 냉각 챔버(70)를 완전 밀폐시켜 상기 카트리지 탱크(40)와 분리해주는 중앙 분리대(60)가 설치될 수 있다.
상기 냉각 챔버(70)의 벽면에는 상기 냉각 챔버(70)의 벽면에 충돌하는 불완전 구형의 솔더볼을 미리 분리하기 위한 분리대(71)가 설치될 수 있다.
상기 냉각 챔버(70) 하단에는 상기 냉각 챔버(70)에서 낙하되어 완전 응고된 솔더볼을 자동 수집하여 솔더볼의 형상 및 사이즈를 자동 측정할 수 있는 솔더볼 형상 측정 장치(80)가 설치될 수 있다.
상기 카트리지 탱크(40)의 상부에는 상기 카트리지 탱크(40)의 내부를 밀폐하기 위한 밀폐판(90)이 설치될 수 있다.
상기 카트리지 탱크(40) 하단부와 냉각챔버(70) 하단부에는 상기 냉각 챔버(70)에서 생성되는 솔더볼의 형상 및 입자 균일성에 따라 상기 카트리지 탱크(40)와 상기 냉각 챔버(70)의 압력을 조정하기 위한 솔더볼 형상분석 제어장치(100)가 연결 설치될 수 있다.
또한, 상기 중앙 분리대(60)의 상부에 배치되고, 상기 진동자(30)와 상기 카트리지 탱크(40)의 진공 상태를 유지하기 위한 상부 진공 챔버(200)가 설치될 수 있다.
상기 용융금속 주입부(10)와 상기 카트리지 탱크(40)에는 이들 내부의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부(120)가 연결 설치되고, 상기 온도 측정부(120)에 의하여 측정된 온도 정보는 중앙 제어 장치(130)로 전달되고, 상기 중앙 제어 장치(130)에 의하여 제어 가능하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 솔더볼 형상분석 제어 장치(100)는 상기 중앙 제어 장치(130)와 연결되어 상기 냉각 챔버(70)에서 생성되는 솔더볼의 형상 및 입자 균일성에 따라 상기 카트리지 탱크(40)와 상기 냉각 챔버(70)의 압력을 조정할 수 있다.
상기 냉각 챔버(70)와 상부 진공 탱크(200)에는 그 내부 압력을 제어하기 위한 압력 제어 장치(110)가 설치되고, 상기 압력 제어 장치(110)는 상기 중앙 제어 장치(130)와 연결되어 중앙 제어 장치(130)에 의하여 제어 가능하게 구성되어 있다.
이와 같이 구성되는 용융 접합 방식의 마이크로 솔더볼 제조 장치는 상부의 접촉 용융방식의 용융금속 주입부(10)로부터 원료(용융금속)를 공급받고, 공급되는 용융금속은 용융상태 유지를 위한 히터가 설치된 이송관(44)을 통하여 카트리지 탱크(40)으로 이송되고, 상기 카트리지 탱크(40)에는 용융금속의 수위를 감지하여 용융금속의 최적량을 제어하기 위한 수위감지센서(42)가 설치되어, 상기 용융금속 주입부(10)의 용융금속 공급량을 제어한다. 상기 카트리지 탱크(40)의 상부에는 상기 카트리지 탱크(40)의 내부를 밀폐하기 위한 밀폐판(90)이 설치되어 있으며, 상기 카트리지 탱크(40)와 상기 냉각 챔버(70)는 불활성 가스, 예를 들면 아르곤(Ar), 헬륨(He), 질소(N2) 등을 이용하여 내부 압력을 제어할 수 있도록 설치되어 있어, 상기 냉각 챔버(70)와의 압력 차이와 상기 진동자(30)의 진동 발생에 의한 진동을 상기 카트리지 탱크(40) 하단의 배출구멍(41) 상단부에 있는 진동로드(43)로 전달시켜 균일한 크기와 형상의 액적을 불활성 가스로 냉각되어 있는 냉각 챔버(70)로 낙하시킴에 따라 액적의 완전 응고가 진행된다.
이 때, 상기 냉각 챔버(70)의 벽면에는 용융금속의 슬러지 등에 의해 발생되는 배출구멍의 불완전성에 의해 낙하 방향이 굴절된 액적 등에 의하여 냉각 챔버 벽면에 충돌하는 불완전 구형의 액적 입자를 미리 분리하기 위한 분리대(71)가 설치되어 보다 균일한 직경의 마이크로 솔더볼을 제조 할 수 있다.
상기 냉각챔버(70)의 상단부에는 중앙 분리대(60)가 설치되어 공정 이상 시 불량 제품의 혼입을 막아주는 동시에 냉각 챔버를 완전 밀폐시켜 카트리지 탱크와 분리해주는 역할을 한다.
상기 카트리지 탱크(40) 하단부와 냉각챔버(70) 하단부에는 솔더볼 형상분석 제어장치(100)가 연결 설치되어 생성되는 솔더볼의 형상 및 입자 균일성에 따라 상기 카트리지 탱크(40)와 상기 냉각 챔버(70)의 압력을 조정한다.
또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 솔더볼 제조 장치의 접촉 용융방식으로 주입되는 상태를 도시한 개략적인 일부 구성도이다.
도 2를 참고하면, 상기 용융금속 주입부(10)의 내부에는 용융금속을 접촉 용융하기 위한 고온 판상부(12)가 설치되고, 상기 용융금속 주입부(10)의 외부에는 원료 빌렛(13)을 연속 주입 가능하게 하는 빌렛 주입부(15), 상기 빌렛 주입부(15)에 주입된 빌렛(13)을 상기 고온 판상부(12)로 자동 이송시키기 위한 작동 실린더(11)와 압력 피스톤(11-1)이 설치될 수 있다.
상기 용융금속 주입부(10)는 상기 카트리지 탱크(40)과 같은 압력의 불활성 가스 분위기에서 원료주입 제어장치(120)의 제어를 통하여 일정량 공급된다. 상기 용융금속 주입부(10)에는 원료 금속 빌렛(Billet)(13)을 주입하기 위한 빌렛 주입관(17)이 설치되고, 상기 용융금속 주입부(10)에는 상기 빌렛 주입관(17)과 연통 형성되어 원료 금속 빌렛의 주입을 제어하기 위한 빌렛 주입관 개폐부(18)가 설치되고, 상기 원료 금속 빌렛(Billet)(13)은 상기 빌렛 주입관(17)에 설치된 빌렛 주입부(15)를 통하여 개별 주입되며, 상기 빌렛 주입관(17)과 연결된 작동 실린더(11)의 압력 피스톤(11-1)을 통하여 일정한 압력을 받아 고온 판상부(12)로 밀림에 따라 접촉 용융되는 방식으로 일정한 융융금속을 상기 진동자(30)가 있는 상기 카트리지 탱크(40)에 직접 이송되게 함으로 기존의 원료공급 시 용융금속의 출렁임에 의한 진동을 피하고, 안정적인 카트리지 탱크의 진동을 유지시켜 우수한 구형도와 입자 균일성을 가지는 솔더볼을 제조 할 수 있다.
또한, 상기 용융금속 주입부(10)에는 상기 용융금속 주입부(10)에 불활성 가스를 주입하기 위한 불활성 가스 주입 밸브(14)가 적어도 하나 이상 설치될 수 있다.
상기 용융금속 주입부(10)의 하단에는 상기 용융금속 주입부에서 접촉 용융된 용융금속의 이송을 위한 이송관(16-1)이 설치되고, 상기 이송관(16-1)에는 상기 용융금속을 이송을 제어하기 위한 용융금속 이송관 개폐 밸브(16)가 설치될 수 있다.
상기 용융금속 주입부(10) 내부에는 상기 고온 판상부에 접촉 용융되기 위한 빌렛이 놓여지기 위한 빌렛받이(10-1)가 설치될 수 있다.
또한, 빌렛 주입관(17)에는 상기 빌렛 주입관(17)에 불활성 가스를 주입하기 위한 불활성 가스 주입 밸브(19)가 적어도 하나 이상 설치될 수 있다.
또한, 상기 용융금속 주입부(10)의 분위기 농도를 파괴하지 않고 연속으로 원료금속 빌렛(Billet)의 공급이 가능하여 용융금속의 외부 분위기 접촉에 의한 슬러지 발생을 최소화시킬 수 있다.
이와 아울러, 상기 카트리지 탱크의 용융금속 수위 감지 센스(42)에 연동되어 접촉 용융방식의 피딩 구동 제한이 가능하여 안정적이고 지속적인 원료공급이 가능하다. 빌렛(13) 주입부(15)의 작동은 작동실린더(11)의 압력 피스톤(11-1)을 원료주입 모드로 하고, 불활성 가스 주입부(14)를 통하여 원료 금속을 용융금속 주입 부(10)내로 주입 시 동일한 불활성 기체 조건을 맞춘 이후 작동 실린더(11)의 압력 피스톤(11-1)을 작동시키다.
즉, 먼저 압력실린더(11-1)을 도 2의 점선 위치로 이동시킨 후 상기 빌렛 주입관 개폐부(18)를 닫아 주고, 상기 빌렛 주입부(15)를 열고 빌렛을 상기 빌렛 주입관(17) 내에 주입한다. 그리고, 상기 빌렛 주입부(15)를 닫고 상기 불활성 가스 주입 밸브(19)를 열어 상기 빌렛 가스 주입관(17)에 불활성 가스를 주입하여 진공 분위기를 형성하고, 아울러 상기 불활성 가스 주입 밸브(14)를 열어 상기 용융금속 주입부(10) 내부에 불활성 가스를 주입하여 진공 분위기를 형성한 후 상기 빌렛 주입관 개폐부(18)를 열고 상기 작동실린더(11)를 작동시켜 압력 피스톤(11-1)을 도 2의 실선 위치로 이동시켜 준다. 상기 압력 피스톤(11-1)이 도 2의 점선 화살표와 같이 실선 위치로 이동됨에 따라, 빌렛은 상기 용융금속 주입부(10)의 빌렛받이(10-1)에서 상기 압력 피스톤(11-1)에 의하여 상기 고온 판상부(12)에 압착되어 접촉 용융된다.
또한, 상기 용융금속 주입부(10)의 고온 판상부(12)는 상기 빌렛 주입부(15)의 위치에 따라 수직으로 설치 될 수 있고, 도 2와 같이 상기 빌렛 주입부(15)와 일정한 각도를 이루면서 설치될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 솔더볼 제조 장치의 중앙분리대의 이동 상태를 도시한 개략적인 일부 상세 구성도이다.
도 3을 참고하면, 상기 중앙 분리대(60)는 상기 카트리지 탱크(40)로부터 배출되는 액적 중 지정 공차를 벗어나는 불량 액적 생성시 불량 액적을 채취하는 동시에 상기 냉각 챔버(70)를 완전 밀폐시켜 상기 카트리지 탱크(70)와 분리해주기 위한 것이다.
상기 중앙 분리대(60)의 상단부에는 불량 액적 생성시 불략 액적을 채취할 수 있는 불량 액적 채취기(61)가 설치되고, 상기 중앙 분리대(60)의 하단부에는 상기 냉각 챔버(70)를 상부의 상기 카트리지 탱크(40)과 진공 분리시켜 줄 수 있는 진공 실링 분리대(62)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 중앙 분리대(60)는 상기 불량 액적 채취기(61)와 연결되어, 솔더볼 제조 공정 중 지정된 공차를 벗어나는 불량 액적이 생성될 시 상기 냉각 챔버로 낙하하는 불량 액적을 차단할 수 있도록 상기 불량 액적 채취기(61)를 상기 카트리지 탱크(40)의 배출구멍(41) 하부로 이동시켜 주기 위한 작동 실린더(63)와 로드(64)를 포함할 수 있다.
상기 중앙 분리대(60)는 솔더볼 형상분석 제어장치(100)과 연동되어 솔더볼 제조 공정 중 공정 이상에 의해 지정된 공차를 벗어나는 액적이 생성될 시 자동으로 상기 냉각 챔버로 낙하되는 불량 액적을 차단해주는 역할을 한다. 또한, 중앙 분리대(60)의 하단에는 진공 실링 분리대(62)가 장착되어 상기 카트리지 탱크(40)의 이상 및 공정 변경 시 상기 냉각 챔버 상단부를 상기 카트리지 탱크와 완전 분리 밀폐하여 상기 냉각 챔버(70) 내 불활성가스의 재충전 없이 작업이 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 솔더볼 제조 장치의 냉각 챔버의 분리대를 도시한 개략적인 일부 상세 구성도이다.
도 4를 참고하면, 상기 분리대(71)는 상기 냉각 챔버(70)의 벽면에 설치되어 상기 냉각 챔버(70)의 벽면에 충돌하는 불완전 구형의 솔더볼을 미리 분리하기 위한 것이다.
상기 분리대(70)의 내측 끝단부를 이루는 분리대 끝단부(71-a)는 상기 냉각 챔버의 내부에 일정한 각도를 가지는 분리대 경사부(71-c)와 예컨대, 110도 정도의 각도를 이루도록 내측 방향으로 경사지게 하여 상기 냉각 챔버(70)에 충돌된 불량 솔더볼 입자를 용이하게 회수할 수 있다. 또한, 분리대(71)와 상기 냉각 챔버 연결부위는 투명창(71-b)을 통하여 상기 분리대(71)를 통하여 회수된 입자의 수량을 확인할 수 있도록 구성되어 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 솔더볼 제조 장치의 솔더볼 형상 측정 장치의 일부 상세 구성도이다.
도 5를 참고하면, 솔더볼 형상 측정 장치(80)는 상기 냉각 챔버(70) 하단에 설치되어 완전 응고된 솔더볼의 형상 및 사이즈 자동 측정이 가능하게 구성 되어 있다. 샘플받이(84)는 진공 개폐부(87)를 통하여 냉각 챔버(70)내로 주입 시 상기 냉각 챔버와 동일한 불활성 기체 압력을 맞추어 준다. 작동 실린더(81)의 로드(81-1)의 이동을 통하여 설정된 시간주기로 자동으로 샘플 채취가 가능하게 구성되며, 진공 개폐부(87)를 통해 채취된 샘플은 측정로드(83)을 통해 샘플 보관함(86)으로 이동함과 동시에 샘플로드(83) 위의 형상 측정 장치(82)를 통하여 솔더볼의 형상과 사이즈 정보를 얻게 된다.
이러한, 솔더볼의 형상과 사이즈 정보는 상기 카트리지 탱크(40)에서 바로 낙하되는 불완전 응고 상태의 액적의 정보와 연동되어 솔더볼 형상분석 제어 장치(100)로 전송된다.
상기 솔더볼 형상분석 제어장치(100)는 카트리지(40)의 하단부 배출구멍(41)에서 냉각 챔버(70)로 낙하하는 불완전 응고 상태인 액적을 촬영하는 카메라(50)로부터 이미지 정보를 받아 액적의 사이즈와 형상을 측정하며, 냉각 챔버(70) 하단의 솔더볼 형상 측정 장치(80)를 통하여 완전 응고 상태의 솔더볼 형상과 사이즈를 측정하여 피드백하여 최적의 솔더볼을 형성할 수 있도록 압력 제어 장치(110)로 정보를 전달 제어하여 카트리지 탱크(40)와 냉각 챔버(70)의 압력을 조정한다.
상기 냉각 챔버(70)에는 상기 진공 개폐부(87)를 통하여 냉각 챔버(70)내로 주입 시 상기 샘플받이(84)를 볼 수 있는 투명 창(85)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 진공 개폐부(87)에는 이에 불활성 가스를 주입하기 위한 불활성 가스 주입부가 설치될 수 있다.
그리고, 표 1은 고온 판상부 온도에 따른 솔더합금 빌렛의 용융시간과 이에 따른 용융솔더 주입성 및 솔더볼 형성상태를 도시한다.
접촉용융방식의 고온 판상부 작동온도 범위
고온 판상부 온도 용융시간 용융솔더 주입성 솔더볼 형성상태
230℃ 32분 Not Good Not Good
240℃ 31분 Good Not Good
250℃ 25분 Good Good
260℃ 24분 Good Good
270℃ 23분 Good Not Good
상기 [표 1]에는 고온 판상부의 온도에 따른 용융되는 솔더의 상태를 주입되는 솔더합금 빌렛(크기: 지름 70mm, 길이 100mm)를 기준으로 한 고온 판상부 온도에 따른 솔더합금 빌렛의 용융시간과 이에 따른 용융솔더 주입성 및 솔더볼 형성상태를 나타내고 있습니다.
여기서, 고온 판상부의 온도가 240℃ 이하의 경우 용융솔더를 카트리지 탱크에 주입해주는 카트리지 탱크 이송관에서 원활한 공급에 어려움이 있으며, 270℃ 이상의 온도에서는 솔더의 탄화 현상으로 인하여 카트리지 탱크의 배출구멍 부위의 슬러지 끼임 현상이 많아 짐이 확인되어, 정상적인 자동 가능한 온도 구간은 250℃를 중심으로 260℃까지의 범위가 효과적이다.
도 6은 본 발명의 접촉용융 방식(실시예1)에 의한 용융솔더 주입과 종래의 주입방식(비교예1)에 따라 제작된 솔더볼 구경 분포 비교를 나타낸 사진이다.
여기서, 실시예1은 본 발명에 따른 접촉용융 방식(실시예1)에 의한 용융솔더 주입으로 제작된 솔더볼은 균일한 사이즈 분포로 구경이 일정한데 비해, 종래 스토퍼 방식(비교예1)에 따라 제작된 솔더볼은 스토퍼를 통해 주입시 용융솔더의 출렁임에 의한 솔더볼 구경 불균일이 발생된다(붉은 원 안 참조).
도 7은 본 발명의 접촉용융 방식에 의한 용융솔더 주입(실시예1)과 종래의 주입방식(비교예1)에 따라 제작된 솔더볼 형상 비교를 나타낸 사진이다.
여기서, 본 발명의 접촉용융 방식에 의한 솔더볼 형상(실시예1)과 종래의 주입방식에서 스토퍼 열림에 의한 용융솔더의 출렁임 발생시의 솔더볼 형상(비교예1)을 비교하면, 실시예1에서는 솔더볼 형상이 균일하게 형성되는데 비해, 비교예1에서는 스토퍼 출렁임에 의한 솔더볼 형상의 불 균일한(타원형 볼) 형성을 확인할 수 있다.
10: 용융금속 주입부 12: 고온 판상부
30: 진동자 40: 카트리지 탱크
50: 카메라 60: 중앙 분리대
70: 냉각 챔버 71: 분리대
80: 솔더볼 형상 측정 장치 90: 밀폐판
100: 솔더볼 형상분석 제어 장치

Claims (10)

  1. 고온의 판상부에 원료 빌렛(billet)을 일정한 크기의 압력으로 밀어 접촉 용융시켜 균일한 용융금속을 공급하는 접촉 방식의 용융금속 주입부,
    상기 용융금속 주입부로부터 공급된 용융금속을 저장하고, 용융금속을 냉각 챔버로 배출하기 위한 배출구멍이 형성된 카트리지 탱크,
    상기 카트리지 탱크 상부에 설치되고, 상기 카트리지 탱크에 저장된 용융금속에 균일한 진동을 인가하여 일정한 크기와 형상의 액적을 생성하여 상기 배출구멍으로 배출하기 위한 진동자, 및
    상기 진동자에 의하여 생성되어 상기 카트리지 탱크의 배출구멍으로부터 배출되는 용융금속의 액적을 냉각시켜 응고하여 솔더볼을 제조하기 위한 냉각 챔버
    를 포함하고,
    상기 냉각챔버의 상단부에는 상기 카트리지 탱크로부터 배출되는 액적 중 지정 공차를 벗어나는 불량 액적 생성시 불량 액적을 채취하는 동시에 상기 냉각 챔버를 완전 밀폐시켜 상기 카트리지 탱크와 분리해주는 중앙 분리대가 설치되는 마이크로 솔더볼 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지 탱크에는 용융금속의 수위를 감지하여 용융금속의 최적량을 제어하기 위한 용융금속 수위 감지센서가 설치되는 마이크로 솔더볼 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 챔버의 벽면에는 상기 냉각 챔버의 벽면에 충돌하는 불완전 구형의 솔더볼을 미리 분리하기 위한 분리대가 설치되는 마이크로 솔더볼 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각 챔버 하단에는 상기 냉각 챔버에서 낙하되어 완전 응고된 솔더볼을 자동 수집하여 솔더볼의 형상 및 사이즈를 자동 측정할 수 있는 솔더볼 형상 측정 장치가 설치되는 마이크로 솔더볼 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 카트리지 탱크 하단부와 냉각 챔버 하단부에는 상기 냉각 챔버에서 생성되는 솔더볼의 형상 및 입자 균일성에 따라 상기 카트리지 탱크와 상기 냉각 챔버의 압력을 조정하기 위한 솔더볼 형상분석 제어장치가 연결 설치되는 마이크로 솔더볼 제조 장치.
  7. 제1항, 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융금속 주입부의 내부에는 용융금속을 접촉 용융하기 위한 고온 판상부가 설치되고, 상기 용융금속 주입부의 외부에는 원료 빌렛을 연속 주입 가능하게 하는 빌렛 주입부, 상기 빌렛 주입부에 주입된 빌렛을 상기 고온 판상부로 자동 이송시키기 위한 작동 실린더와 압력 피스톤이 설치되는 마이크로 솔더볼 제조 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 솔더볼 형상분석 제어장치는 상기 카트리지의 하단부 배출구멍에서 상기 냉각 챔버로 낙하하는 불완전 응고 상태인 액적을 촬영하는 카메라로부터 이미지 정보를 받아 액적의 사이즈와 형상을 측정하며, 상기 냉각 챔버 하단의 솔더볼 형상 측정 장치를 통하여 완전 응고 상태의 솔더볼 형상과 사이즈를 측정하여 피드백하여 최적의 솔더볼을 형성할 수 있도록 압력 제어 장치로 정보를 전달 제어하여 상기 카트리지 탱크와 상기 냉각 챔버의 압력을 조정하는 마이크로 솔더볼 제조 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 용융금속 주입부 내부에는 상기 고온 판상부에 접촉 용융되기 위한 빌렛이 놓여지기 위한 빌렛받이가 설치되는 마이크로 솔더볼 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 용융금속 주입부에는 원료 금속 빌렛(Billet)을 주입하기 위한 빌렛 주입관이 설치되고, 상기 용융금속 주입부에는 상기 빌렛 주입관과 연통 형성되어 원료 금속 빌렛의 주입을 제어하기 위한 빌렛 주입관 개폐부가 설치되는 마이크로 솔더볼 제조 장치.
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