KR102227913B1 - 컴포넌트들의 임시 연결을 위한 접착제를 사용하는 솔더링 장치 및 컴포넌트들의 솔더 연결을 생성하는 방법 - Google Patents

컴포넌트들의 임시 연결을 위한 접착제를 사용하는 솔더링 장치 및 컴포넌트들의 솔더 연결을 생성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 주위로부터 밀봉된 프로세스 챔버(74) 내에서 연결될 컴포넌트들(12A, 12B) 사이에 놓이는 솔더 재료(16)를 가열 및 용융함으로써 복수의 컴포넌트들(12A, 12B) 사이의 솔더 연결(solder connection)을 생성하는 방법에 관한 것이다.
연결될 컴포넌트들(12A, 12B)은 본딩 재료(18)로 임시 연결됨으로써 컴포넌트들(12A, 12B)이 결합 위치에서 서로에 대해 고정되는 솔더 그룹(10)을 형성하는 것이 제안된다.

Description

컴포넌트들의 임시 연결을 위한 접착제를 사용하는 솔더링 장치 및 컴포넌트들의 솔더 연결을 생성하는 방법
본 발명은 본 발명은 연결될 컴포넌트들 사이에 배치되는 솔더 재료를 가열 및 용융함으로써 주위로부터 밀봉되는 프로세스 챔버 내의 복수의 컴포넌트들 사이의 솔더 연결을 생성하는 방법에 관한 것이다.
"컴포넌트(component)"라는 용어는 일반적으로 금속, 세라믹, 플라스틱 또는 다른 재료로 제조되는 회로 캐리어, 기판, 기판 캐리어, 베이스 플레이트, 워크피스 캐리어, 장착 캐리어 등을 의미하거나 전력 반도체 칩, (반도체) 어셈블리 등과 같은 컴포넌트들과 함께 거기에 고정될 재료의 임의의 원하는 조합을 의미한다.
본 유형의 방법은 특히 반도체 컴포넌트, 마이크로 전자 컴포넌트 또는 전력 반도체 칩(예를 들면, 인쇄 회로 기판의 트랜지스터 또는 다이오드, IGBT, MOSFET 또는 금속화 세라믹 기판 또는 다른 회로 캐리어의 다이오드)이 솔더링되거나 또는 함께 솔더링되거나, 금속화된 세라믹 기판이 금속 베이스 플레이트 및/또는 히트 싱크에 솔더링되는, 대면적 솔더링 작업에 사용된다. 히트 싱크에 연결될 인쇄 회로 기판도 또한 본 유형의 솔더링 장치에서 솔더링될 수 있다.
최적의 솔더링 결과를 달성하기 위해, 제어된 방식으로 연결될 컴포넌트들과 함께 용융된 솔더를 솔더의 융점 이상으로, 또한 1013 mbar보다 높은 고압에서 가열한 후에, 공극없이 컴포넌트들을 함께 연결하기 위해 솔더의 응고점 아래로 제어된 방식으로 냉각을 수행하기 위한 노력이 이루어지고 있다.
솔더 연결은 일반적으로 그 주변으로부터 밀봉되어 있으며 특히 배기 가능한 프로세스 챔버에서 생성되며, 이 프로세스 챔버에는 그 사이에 컴포넌트(들) 및 솔더 재료를 포함하는 솔더 그룹이 수용되는 베이스 플레이트(base plate)와 가압 플레이트(pressure plate)를 포함하는 솔더링 장치가 배치된다. 베이스 플레이트 및 가압 플레이트는 솔더 그룹에 압력을 가하기 위해 그 간격과 관련하여 서로에 대해 조절 가능하다. 동시에, 가압 플레이트 및/또는 베이스 플레이트는 컴포넌트들과 솔더 재료를 가열 및/또는 냉각시킬 수 있다. 이를 위해, 상기한 플레이트들은 적절한 히트 소스(heat source)들 및/또는 히트 싱크(heat sink)들과 열적으로 결합될 수 있다.
일반적으로, 예를 들어 솔더 칩 또는 솔더 파우더 형태의 솔더 재료 및 컴포넌트들은, 프로세스 챔버로 도입되기 전에 스택을 형성하도록 조립된다.
필요에 따라, 컴포넌트들이 프로세스 챔버 외부 및/또는 내부에서 처리될 때 그리고 또한 실제 솔더링 작업 중에, 용융된 솔더 재료가 응고되고 나면, 컴포넌트들이 서로에 대한 원하는 위치에 있지 않을 위험이 있다. 컴포넌트들의 측면 위치 및 이들의 상대적 간격과 관련하여 편차가 발생할 수도 있다.
US 4 801 069 A에는 가스 분위기에서 컴포넌트들을 솔더 연결하기 위한 방법 및 장치가 개시되어 있으며, 여기서는 첫 번째 단계에서 솔더 칩이 회로 캐리어로서 인쇄 회로 기판 상에 본딩 재료에 의해 위치되고 나서 가열에 의해 적어도 일시적으로 고정되며, 후속 단계에서 솔더링될 컴포넌트가 솔더링 작업 이전에 압력을 가하여 추가의 본딩 재료에 의해서 솔더 칩 및 회로 캐리어에 일시적으로 고정된다. 이 작업은 여러 단계를 가지며 컴포넌트들에 대한 반복적인 가열 및 냉각을 포함하고, 이것은 에너지 측면에서 비용이 많이들고 높은 열 부하에 노출될뿐만 아니라 상대적으로 시간 소모적이라는 것을 의미한다. 이러한 다단의 구성 단계들은 오정착을 쉽게 초래할 수 있다. 이 방법의 다단 특성은 진공 분위기에서 구현될 수 없음을 의미한다.
US 2009/0 085 227 A1은 컴포넌트를 회로 캐리어에 플립 칩 연결하기 위한 방법 및 장치를 제안하며, 여기서는 진공 흡입 장치에 의해 안내되어 회로에 연결될 컴포넌트를 배치하는 배치 프레임을 갖는 장착 장치에 의해 미리 정해진 간격이 달성된다. 연결될 컴포넌트가 배치 프레임에 의해 회로 캐리어 상에 위치되고 나면, 그 사이에 배치된 솔더 파우더 수지를 가열함으로써 이것이 연결되며, 여기서 솔더 재료의 가스 분위기가 형성되어 대류에 의해 가스가 방출되고, 이에 따라 연결될 접촉 표면만이 솔더링된다. 후속적으로 서로에 대한 최소 간격 및 배향을 유지하기 위해 결합 작업 동안 및 결합 이후의 일시적 정렬 및 고정을 위한 결합제 또는 추가의 압력 적용이 여기서는 제안되지 않는다.
US 5 175 410 A에는 칩-온-테이프 장착을 위해 회로 캐리어 상에 솔더링될 컴포넌트의 전기 접점 풋에 대한 홀드 다운 픽스처가 개시되어 있으며, 여기서 홀드 다운 픽스처는 솔더링 작업 동안 컴포넌트의 둘레로부터 돌출하는 접점 풋을 회로 캐리어의 표면으로 가압한다. 외부 바아(bar)들이 회로 캐리어의 솔더 패드들에 대해 접점 풋의 솔더링될 단부 영역들을 가압하는 한편, 내부 바아들은 솔더링될 컴포넌트의 패키지에 직접 닿게 된다. 따라서, 연결될 컴포넌트의 선택된 영역들만이 회로 캐리어로 직접 가압되어, 전체 솔더 그룹의 사전 정의될 수 있는 구조적 높이가 가능하지 않게 되므로, 이 방식에서는 컴포넌트와 회로 캐리어 사이의 영역들에 대한 제어된 솔더링이 불가능하다. 홀드 다운 픽스처는 둘레의, 외부 배치된 접점 풋을 갖는 컴포넌트들에 대해서만 사용될 수 있다.
본 발명에 의해 다루어지는 문제점은 컴포넌트들이 보다 신속하고 저렴하며 개선된 치수 정확도로 함께 연결될 수 있는 초기에 언급된 유형의 방법을 제공하는 것이다.
이 문제점은 청구항 1의 특징들을 갖는 방법에 의해 해결된다. 본 방법의 유리한 구성들은 종속 청구항들의 주제이다.
본 발명은 연결될 컴포넌트들이 본딩 재료로 임시 연결됨으로써 컴포넌트들이 결합 위치에서 서로에 대해 고정되는 솔더 그룹을 형성하는 것을 제안한다. 이것은 솔더 그룹을 형성하기 위한 조립 동안 및/또는 예를 들어 프로세스 챔버로의 도입 시에 솔더 그룹을 취급하는 동안 컴포넌트들이 서로에 대하여 미끄러지는 것을 방지한다.
컴포넌트들은 유리하게는 본딩 재료와 컴포넌트들 또는 솔더 재료 사이의 계면들에서 작용하는 접착력에 의해서 본딩 재료에 의해 일시적으로 연결된다.
하나의 유리한 구성에 따르면, 본딩 재료는 솔더 연결 생성 동안 어떠한 잔류물도 남기지 않고 증발하도록 선택된다. 결과적으로, 본딩 재료의 잔류물에 의해 솔더 연결의 품질이 손상되지 않는 것이 보장된다.
본딩 재료는 워크피스 캐리어 상에 컴포넌트들을 위치시키기 이전 또는 동안에 넓은 영역에 걸쳐 스프레잉되거나, 예를 들어 XY 플로터 방식, 스폿, 라인 또는 넓은 영역에 걸쳐서 미리 결정된 지점들 및 기판 캐리어 및/또는 워크피스 캐리어의 이러한 컴포넌트들을 위해 제공된 영역에 목적에 맞게 적용될 수 있다. 본딩 재료의 적용은 바람직하게는 고스루풋 대량 생산을 가능하게 하기 위해 자동이다.
솔더링 방법은 바람직하게는 솔더 칩 또는 "프리폼(preform)"으로 수행되며, 선택적으로 플럭스(flux)를 함유하는 솔더링 페이스트의 사용을 생략할 수 있다.
다른 유리한 구성에 따르면, 대기압보다 낮은 증발 압력에서, 본딩 재료의 증발 온도는 대기압 또는 심지어 1013 mbar 이상의 고압에서 솔더 재료의 용융 온도보다 낮다. 결과적으로, 솔더 재료가 용융되기 전에도 본딩 재료가 완전히 증발될 수 있는 것이 보장된다. 이 목적을 위해 대기압에서 본딩 재료의 증발 온도가 솔더 재료의 용융 온도보다 절대적으로 낮을 필요는 없으며, 더 높을 수도 있다.
추가의 유리한 구성은 솔더 그룹이 대기압 또는 1013 mbar 이상의 고압에서 솔더 재료의 용융 온도보다 낮은 중간 온도로 가열되고, 프로세스 챔버 내의 압력이 중간 온도에서 증발 압력 미만의 압력으로 감소됨으로써, 본딩 재료가 증발하게 되도록 하는 것을 제공한다. 유리하게는 프로세스 챔버 내의 압력은 솔더 그룹이 중간 온도로 가열되고 난 후에만 감소될 수 있다. 그러나, 중간 온도에 도달하기 전에도 압력을 감소시킬 수 있다. 압력은 연속적으로 또는 단계적으로 감소될 수 있다. 그러나, 솔더 재료가 녹기 전에 본딩 재료가 증발할 수 있어야 한다.
추가의 유리한 구성은 프로세스 챔버 내의 압력이 초기에 중간 온도에서 본딩 재료의 증발 압력 이상의 압력으로 감소됨으로써, 본딩 재료가 아직 증발하지 않도록 하고, 후속적으로 세정제, 특히 메탄산, 수소 또는 플라즈마가 프로세스 챔버 내로 도입되어 솔더 그룹을 세정하고, 후속적으로 프로세스 챔버 내의 압력이 중간 온도에서 본딩 재료의 증발 압력 미만의 압력으로 감소되는 것을 제공한다. 프로세스 챔버 내로의 플라즈마의 도입은 특히 프로세스 챔버 자체 내에서의 플라즈마 생성을 의미하는 것으로 취해지며, 여기서 이온화될 적합한 물질이 프로세스 챔버 내로 선택적으로 도입될 수 있다. 이 구성의 장점은, 세정 작업 중에도 컴포넌트들 및/또는 솔더 재료 사이에 여전히 임시 연결이 존재한는 것이다. 중간 온도에서 프로세스 챔버 내의 압력을 본딩 재료의 증발 압력 미만의 압력으로 감소시키면, 본딩 재료 및 세정 재료가 프로세스 챔버로부터 공동으로 배출될 수 있다.
그러나, 대안적으로는, 초기에 본딩 재료를 증발시킨 후에만 세정제를 프로세스 챔버 내로 도입하는 것이 또한 가능하다.
추가의 유리한 구성에 따르면, 프로세스 챔버 내의 압력이 본딩 재료의 증발 압력 미만의 압력으로 감소되는 동안 중간 온도는, 적어도 본딩 재료의 증발이 완료될 때까지 미리 결정된 온도 값으로 유지되거나 또는 미리 결정된 온도 범위 내에서 유지될 수 있다. 상기한 온도 값 또는 상기한 온도 범위는 항상 표준 압력 또는 1013 mbar 이상의 고압에서 용융 온도보다 낮다. 결과적으로, 솔더 재료가 용융되는 동안 솔더 그룹 상에 본딩 재료가 여전히 존재할 위험이 더욱 감소된다.
추가의 유리한 구성은 본딩 재료가 연결될 컴포넌트들의 및/또는 솔더 재료의 에지(edge)들 및/또는 코너(corner)들 및/또는 중앙(centre)의 영역에 배치되는 것을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 본딩 재료가 매우 간단하게 적용될 수 있다.
유리한 실시예는 솔더 재료의 오염을 방지하기 위해 본딩 재료가 증발되고 나면 솔더 재료가 용융되는 것을 제공한다.
추가의 유리한 구성은 본딩 재료가 액체이거나 또는 페이스트성이고 특히 테르펜 알콜, 특히 이소보르닐 시클로헥산올을 포함하는 것을 제공할 수 있다. 원하는 액체 또는 페이스트성 물질 상태는 적어도 실온 및 대기압에서 지배적이어야 한다.
다양한 물질의 적합한 혼합물 또는 용액이 또한 본딩 재료로서 사용될 수 있다. 특히, 충전제(filler) 또는 증점제(thickener)가 또한 본딩 재료에 첨가될 수 있다. 그러나, 선택적으로 실온 및 대기압에서 고체인 본딩 재료의 성분들조차도 솔더 재료가 용융되기 전에 상기 언급된 조건들에 따라 상승한 온도 및 감소된 압력에서 증발할 수 있는 것이 보장되어야 한다.
추가의 유리한 구성은, 적어도 솔더 재료가 용융되는 동안, 솔더 그룹이 프로세스 챔버 내에 배치된 솔더링 장치에 수용되며, 솔더링 장치는 베이스 플레이트(base plate)와 가압 플레이트(pressure plate)를 갖고, 이들 사이에 솔더 그룹을 수용하고 솔더 그룹에 압력을 가하기 위한 이들의 간격과 관련하여 서로에 대해 조절 가능하며, 또한 솔더링 장치는 베이스 플레이트와 가압 플레이트 사이의 간격을 최소 간격으로 제한함으로써, 솔더 재료가 용융되고 나면, 솔더 그룹이 미리 결정된 두께를 갖도록 하는 멈춤 장치를 갖는 것을 제공한다. 솔더링 장치는 컴포넌트들과 솔더 재료가 서로에 대해 미리 로드되는 것을 보장하며, 솔더 재료가 용융되고 나면, 용융된 솔더 재료가 컴포넌트들 사이에 더 퍼져서 선택적으로 거기에 존재하는 임의의 작은 공간을 채울 수 있기 때문에 계속 가압된다. 여기서 멈춤 장치는 일단 솔더 재료가 응고되고 나면 솔더 그룹이 한정된 두께 또는 높이를 갖도록 가압 정도를 제한한다. 결과적으로 측면 시프트뿐만 아니라 컴포넌트 어셈블리의 미리 결정된 두께 또는 높이로부터의 이탈이 확실하게 방지될 수 있기 때문에 치수 정확도가 더욱 향상된다. 또한, 가압이 과도하게 강한 경우, 솔더 재료가 컴포넌트들 사이에서 측면으로 밀려나가는 것이 방지된다. 본 발명은 직접적인 물리적 접촉이 짧은 동안에만 발생한다는 점, 즉 솔더가 용융 상태에 있거나 또는 응고 단계의 시작에 있는 동안에만 발생한다는 점에서 통상적으로 사용되는 솔더링 프레임과 상이하다. 재료의 손상이나 스트레스를 방지하기 위해 영구적 또는 기계적 고정 접촉이 회피된다.
멈춤 장치는 유동 생산(flow production)을 위한 멀티 챔버 시스템에서 특히 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 예열, 연결 및 냉각을 위한 적어도 2개의 챔버, 특히 3개의 챔버를 포함한다. 유리하게는 솔더의 응고 동안 기계적 정렬을 보장하기 위해 적어도 냉각 챔버 내에 멈춤 장치가 제공된다. 멈춤 장치는 또한 컴포넌트들을 연결하기 위해 솔더링 챔버에서 사용될 수 있으며 또한 결합 작업 전에 정렬을 위해 예열 챔버에서 사용될 수도 있다. 이를 위해, 멈춤 장치는 유리하게는 변위 가능한 워크피스 캐리어를 갖는 시스템을 통해 안내될 수 있다.
하나의 유리한 구성에 따르면, 멈춤 장치는 베이스 플레이트 또는 가압 플레이트 상에 배치된다.
다른 유리한 구성에 따르면, 멈춤 장치는 최소 간격이 설정될 수 있도록, 조절 가능하다. 이것은 연결될 컴포넌트들의 상이한 치수 또는 상이한 개수에 대한 멈춤 장치의 가변적 적응을 허용한다.
추가의 유리한 구성은 멈춤 장치가 복수의 특히 길이 조절 가능한 멈춤 요소를 포함하는 것을 제공한다. 결과적으로, 솔더 그룹의 전체 측면 범위에 걸쳐 치수 정확도가 유지될 수 있도록 보장할 수 있다. 특히, 서로에 대한 압력 및 베이스 플레이트들의 틸팅(tilting) 또는 팁핑(tipping)이 방지될 수 있다.
하나의 유리한 구성에 따르면, 멈춤 요소들은 조정 장치, 특히 베이스 플레이트 또는 가압 플레이트 상에 제공된 상보 조정 장치, 특히 상보 나사산과 상호 작용하는 조정 나사산을 가질 수 있다. 그 결과, 멈춤 장치에 대한 원하는 조절 기능이 간단하게 달성될 수 있다.
추가의 유리한 구성은 멈춤 요소가, 최소 간격에 도달할 시에, 솔더 그룹의 컴포넌트에 대해, 컴포넌트들 중 하나를 운반하는 베이스 프레임에 대해 또는 베이스 플레이트에 대해 각각의 자유 단부로 지탱하도록 배치되는 것을 제공한다. 멈춤 요소들이 솔더 그룹의 컴포넌트를 지탱하도록 의도되는 경우, 상기 컴포넌트는 컴포넌트 스택의 하부 또는 상부를 형성하고 솔더 그룹의 다른 컴포넌트들을 넘어 측면으로 돌출하는 종단 컴포넌트인 것이 합리적이다. 그러나, 멈춤 요소들은 또한 다른 어셈블리들을 멈추게 할 수 있다. 예를 들어, 가압 플레이트에 고정된 멈춤 요소들은 컴포넌트 캐리어로서 사용되는 베이스 프레임을 멈추게 하거나, 또는 심지어 베이스 플레이트 자체를 멈추게 할 수 있다. 베이스 프레임은, 예를 들어, 솔더 그룹의 종단 컴포넌트로서 회로 캐리어를 구비할 수 있다.
전기 공학 및 전자 제품의 솔더링 및 소결 본딩 공정에서 온도 관리는 제품의 품질, 신뢰성 및 수명에 큰 영향을 미친다. 솔더 재료 냉각 단계 동안에, 경화가 진행됨에 따라 솔더 그레인(solder grains) 또는 아일랜드(islands)가 형성될 수 있으며, 여기서 탄성 계수, 솔더 재료의 온도 계수 및 솔더의 그레인 형상 정렬과 같은 재료 고유의 특성들이 결합에 대하여 실질적인 영향을 미칠 수 있다. 결합의 피로 특성은 솔더 그레인 크기에 따라 실질적으로 달라진다. 본 발명의 맥락에서, 그레인 크기 및 정렬은 가열 단계 동안, 특히 냉각 단계 동안 목적 온도 조절에 의해 목적에 맞게 영향을 받을 수 있는 것으로 밝혀졌다. 공정 조절을 개선하기 위해 온도 조절이 컴포넌트 아래에서뿐만 아니라 위에서도 수행되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 결합된 부분들 사이에서 발생하는 임의의 기계적 응력이 감소될 수 있으며, 정렬이 개선되고, 휨 경향이 최소화될 수 있다. 유리한 실시예에 따르면, 베이스 플레이트 및/또는 가압 플레이트는 가열 및/또는 냉각 가능하다. 베이스 플레이트 및/또는 가압 플레이트는 이를 위해 베이스 플레이트 또는 가압 플레이트에 통합될 수 있는 히트 소스 및/또는 히트 싱크를 가질 수 있다. 베이스 플레이트 및/또는 가압 플레이트는 또한 열적으로 결합 가능하거나 히트 소스 및/또는 히트 싱크, 예를 들어 가열 및/또는 냉각 플레이트와 결합될 수 있다. 특히, 베이스 플레이트 및/또는 가압 플레이트는 컴포넌트들과의 접촉 에어리어의 영역에 있어서, 컴포넌트들의 에지에 가까운 영역들은 에지에서 떨어진 영역들보다 온도가 더 높게 되는 방식으로 컴포넌트들을 가열 및/또는 냉각시킬 수 있는 온도 구배를 갖도록 구성될 수 있다. 이것은 솔더 재료가 내부에서 바깥쪽으로, 즉 에지들을 향해 고화될 수 있게 한다. 냉각 공정 동안, 여전히 액체 솔더 재료가 외부로부터 안쪽으로 계속 흐를 수 있다. 결과적으로, 냉각 동안의 솔더 재료 부피의 수축으로 인해 솔더 재료에 공극 및/또는 공동이 형성되는 것을 피할 수 있다. 이러한 장치의 하나의 예시적인 구성이 문헌 WO 2016/091962 A1에 개시되어 있으며, 이 문헌의 전체 내용은 본원에 참조로서 포함된다. 이러한 방식으로, 컴포넌트들의 온도가 목적에 맞게 위로부터 제어될 수 있다. 이와 관련하여, 기계적인 정렬을 제공하는 것 외에도, 가압 플레이트는 컴포넌트들의 상부의 목적 가열 및/또는 냉각에 의한 온도 제어를 가능하게 한다. 이것은 결합 기술로서 특히 소결 동안, 특히 가압 소결 동안 사용될 수 있으며, 이에 따라 소결 프레스로부터 이탈한 후에도 정렬 및 온도 제어를 가능하게 한다.
베이스 플레이트 및/또는 가압 플레이트의 온도 조절 기능에 대한 전술한 예시적인 실시예에 따르면, 특히 열 유체 또는 하나 이상의 온도 조절 요소에 의해 컴포넌트의 상부를 향하는 가압 플레이트 또는 가압 플레이트의 표면 영역들의 온도 조절을 수행하는 것이 특히 유리하다. 사용되는 열 유체는 급속 가열 또는 냉각을 허용하기 위해, 바람직하게는 2-3 bar 또는 그 이상의 높은 유체 압력에서 가열 가능한 액체, 특히 물 또는 물-글리콜 혼합물일 수 있다. 전기 온도 조절 요소, 특히 전기 가열 저항기 또는 펠티에 냉각 요소 등이 마찬가지로 유리하게 사용될 수 있다. 여기서 전기 요소는 예를 들어 히터 및 냉각용 냉각 유체로서 사용되거나 그 반대로 사용될 수도 있다. 예를 들어 적외선 방출기 형태의 복사 히터가 마찬가지로 사용될 수 있으며, 이러한 방식으로 가압 플레이트는 예를 들어 IR 방출기에 의해 위로부터 가열될 수가 있고, 바람직하게는 IR 스폿 방출기들에 의해 또는 IR 광만 통과시켜서 선택된 위치들에서 가압 플레이트에 충돌하게 하는 IR 방사 마스크에 의해 불균일하게 가열될 수도 있다. 개별의 가열 및 냉각 요소들이 편리하게 조합될 수 있다. 따라서, 상이한 공정 단계 동안 및 장치의 상이한 영역들에서의 구역 가열이 가능하며, 이에 따라 컴포넌트들의 하부 및 상부 모두에서 접합 공정 동안에 엔드-투-엔드 온도 제어를 달성할 수 있다.
돌출 계단부들, 특히 열 전도 계단부들 및 돌출부들뿐만 아니라 오목부들 및 함몰부들이 온도 조절 가능한 가압 플레이트 상에 특히 유리하게 형성될 수 있으며, 이에 따라 상이한 높이의 컴포넌트들을 압력에 노출시키고 양호한 열 결합(thermal coupling)을 달성할 수 있다. 멈춤 요소들은 이를 위해 워크피스 캐리어 또는 베이스 플레이트를 직접 지탱하거나, 또는 지그, 컴포넌트 프레임 등과 같은 추가 컴포넌트 부품들을 지탱할 수 있다. 커버 플레이트의 돌출부들 및 계단부들은 커버 플레이트에 대해 스프링 장착될 수 있으며, 이에 따라 컴포넌트 표면에 대한 계단부들의 접촉 압력이 컴포넌트 표면으로부터 커버 플레이트의 상대 간격에 의존하게 되도록 한다. 이러한 방식으로, 최대 압력 적용 이전에 컴포넌트의 조기 온도 조정을 가능하게 함으로써, 최대 접촉 압력이 가해지기 전에 가소화 또는 액체 단계에서 솔더 온도를 선택적으로 유지할 수 있다.
유리하게는 워크피스 캐리어에 대해 공동으로 또는 개별적으로 높이 조절 가능하고 변위 가능한 멈춤 장치가 각각 구비된 복수의 가압 플레이트을 제공하는 것이 가능하다. 따라서 개별 컴포넌트들이 압력 하에 배치되어 시간 오프셋에 따라 온도 조절을 위해 접촉될 수 있다. 가압 플레이트들이 각각의 경우에 개별 온도 조절 구역들을 정의하거나, 또는 단일 온도 조절 매체 또는 단일 온도 조절 장치에 의해 설정될 수 있으며, 이에 따라 컴포넌트들이 열 용량에 따라 다르게 위에서 열적 처리될 수 있다. 개별 가압 플레이트들을 개별적으로 교체할 수 있는 경우, 컴포넌트 그룹에 따라 접촉 압력이 다르게 설정될 수 있다.
멈춤 장치의 멈춤 요소(들)이 컴포넌트들의 표면 영역들과 열 결합하기 위해 제공될 수 있으며, 그 치수 및 형상은 불균일한 열 입력 또는 소산을 위해 구체적으로 구성될 수 있다.
다른 유리한 구성에 따르면, 솔더링 장치는 가압 플레이트가 직접 또는 간접적으로 스프링 지지되거나 스프링 장착되는 캐리어 유닛을 갖는다. 그러나, 원칙적으로, 베이스 플레이트는 대안적으로 또는 추가적으로는 직접 또는 간접적으로 스프링 지지되거나 스프링 장착될 수 있다. 특히 스프링 지지 또는 장착은 멈춤 장치(특히 복수의 멈춤 요소들이 존재하는 경우)가 베이스 플레이트의 대응하는 대향 표면(즉 컴포넌트)에 대해, 또는 베이스 프레임에 대해 균일하게 지지될 수 있도록 보장한다. 추가적으로, 베이스 플레이트와 가압 플레이트 사이의 상대 위치를 조절하기 위해 제공되는 조정 장치가 허용할 수 없을 정도로 높은 압력을 가하지 않게 되며, 그 결과 잠재적으로 솔더링 장치를 손상시키지 않게 되는 것이 보장된다.
다른 유리한 구성은 가압 플레이트가 솔더 그룹에 가하는 스프링 력이 설정될 수 있는 것을 제공할 수 있다. 이것은 예를 들어 상이한 길이 및/또는 상이한 스프링 상수를 갖는 교환 가능한 스프링들에 의해 진행될 수 있다. 예를 들어 스프링들의 유효 길이를 설정하는 조정 가능한 스프링들이 또한 제공될 수 있다. 결과적으로, 멈춤 장치에 의해 제공되는 압력 제한에 추가하여 솔더 그룹에 작용하는 압력이 제한될 수 있다.
다른 유리한 구성에 따르면, 베이스 플레이트는 캐리어 유닛에 대해 조정 가능하다. 따라서, 예를 들어 베이스 플레이트가 조정될 수 있는 동안에, 프로세스 챔버 상에서 캐리어 유닛을 지지하는 것이 가능하다. 그러나, 고정식 베이스 플레이트 및 조절 가능한 가압 플레이트를 갖는 역 솔루션도 고려될 수 있다.
추가의 유리한 구성은 베이스 플레이트와 관련된 가압 플레이트의 측면이 평면이거나, 또는 솔더 그룹과 접촉하는 적어도 하나의 돌출된, 특히 평면인 계단부를 갖는 것을 제공할 수 있다. 돌출 계단부는 유리하게는 그 계단부와 접촉하는 솔더 그룹 또는 컴포넌트보다 단면(즉, 그 측면 범위)이 더 작으며, 이에 따라 측면 온도 구배가 적어도 그 계단와 직접 접촉하는 컴포넌트에서 생성될 수 있다.
본 발명의 사용은 소결, 바람직하게는 가압 소결에서 특히 유리하며, 여기서 감소된 온도들에서의 압력을 사용하여 컴포넌트들의 영구적인 연결이 달성될 수 있다. 컴포넌트들을 서로에 대해 목적에 맞게 정렬하고 높이 제어를 가능하게 함으로써 생산 결함 및 부적절한 연결을 현저하게 줄일 수 있다. 특히, 추가적인 위로부터의 멈춤 장치에 의한 목적 온도 조정은, 추가 공정 파라미터들이 목적에 맞게 영향을 받아 최적화될 수 있는 효과로 결합 공정을 개선할 수 있다.
본 발명의 다른 유리한 실시예들은 상세한 설명 및 도면에 의해 밝혀진다.
본 발명은 예시적인 실시예들에 기초하여 그리고 도면을 참조하여 아래에 설명된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 방법을 사용하여 본딩 재료로 임시 연결되는 솔더 그룹들의 개략적인 측면도 및 일부 평면도이다.
도 3은 제 1 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 방법을 수행하기 위한 개략적인 압력/온도 다이어그램을 도시한 것이다.
도 4는 제 2 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 방법을 수행하기 위한 개략적인 압력/온도 다이어그램을 도시한 것이다.
도 5는 제 1 및/또는 제 2 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 방법을 수행하기 위한 개략적인 온도/시간 다이어그램을 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 다양한 조정 위치들에서 제 1 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 솔더링 장치의 개략적인 부분 단면 측면도들을 도시한 것이다.
도 8은 다양한 솔더 그룹들의 측면도를 도시한 것이다.
도 9 및 도 10은 제 2 및 제 3 예시적인 실시예에 따른 프로세스 챔버 내에 배치된 본 발명의 솔더링 장치의 개략도를 도시한 것이다.
도 11a, 도 11b는 제 4 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 솔더링 장치의 개략도를 도시한 것이다.
도 12a, 도 12b는 제 5 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 솔더링 장치의 개략도를 도시한 것이다.
도 13a, 도 13b는 제 6 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 솔더링 장치의 개략도를 도시한 것이다.
도 14a, 도 14b는 제 7 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 솔더링 장치의 개략도를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2는 솔더 재료의 보조로 함께 연결되는 컴포넌트들(12A, 12B)을 도시한 것이다. 예를 들어 BGA(Ball Grid Array)에 사용되는, 예를 들어 하나 또는 복수의 솔더 패드 형태의 솔더 재료(16)가, 각각의 경우에 컴포넌트들(12A 및 12B) 사이에 배치된다. 컴포넌트들(12A, 12B)은 각각의 경우에 회로 캐리어(14) 형태의 다른 컴포넌트 상에 적층되며, 여기서 회로 캐리어(14) 상에 직접 놓이는 컴포넌트(12B)는 이미 이전 단계에서 회로 캐리어(14) 또는 아직 용융되지 않은 형태가 제공될 수 있는 솔더 재료(16)와 연결되어 있다.
컴포넌트들(12B)은 컴포넌트들(12A)과 그 단면이 동일하거나 다소 크므로 측면들 모두에서 컴포넌트(12A)를 약간 넘어서 돌출할 수 있다. 대조적으로, 패드 형태로 배치되는 솔더 재료(16)는 컴포넌트(12A)보다 그 단면이 다소 작으며, 이에 따라 컴포넌트들(12A 및 12B)의 에지들을 따라 원주형의 좁은 공동(cavity)들이 존재하게 된다. 컴포넌트들의 코너 영역에서, 각각의 솔더 그룹(10)을 형성하기 위해 컴포넌트들을 임시로 연결하는 작은 방울 형태의 본딩 재료(18)가, 각각의 경우에 이들 공동에 도입된다. 본딩 재료(18)는 바람직하게는 액체 또는 페이스트성이며, 특히 테르펜 알콜, 특히 이소보르닐 시클로헥산올을 포함한다. 이소보르닐 시클로헥산올은 예를 들어 Nippon Terpene Chemicals, Inc.로부터 상표명 "Terusolve MTPH"에 따라 입수 가능하다.
본딩 재료(18)는 예를 들어 프로세스 챔버로 이송 동안의 진동에 의한 의도하지 않은 미끄러짐 또는 변위에 대비해 적어도 측면 방향으로 고정되도록, 접착에 의해 결합 위치에서 서로에 대해 컴포넌트들(12A, 12B)을 고정시킨다.
도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 솔더링 장치를 포함할 수 있는 프로세스 챔버 내에 솔더 그룹(10)이 도입될 수 있다. 도 9 및 도 10은 예시적인 프로세스 챔버들을 도시하고 있으며, 이 프로세스 챔버들에 대해 아래에서 더 상세히 설명된다.
프로세스 챔버는 그 주변으로부터 밀봉되며, 또한 프로세스 챔버 내의 압력을 변경하고 컴포넌트들(12A, 12B) 및 솔더 재료(16)를 각기 가열 또는 용융시킬 수 있는 각각의 장치들을 갖는다. 연결된 컴포넌트들(12A, 12B)을 다시 냉각시킬 수 있는 추가 장치들이 프로세스 챔버 내에 더 존재할 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 추가 프로세스 챔버가 제공될 수 있으며, 하나 이상의 솔더 그룹(10)이 냉각 및/또는 추가 처리 단계들을 위해 자동 또는 수동으로 이송될 수 있다.
이제 컴포넌트들(12A, 12B) 사이의 솔더 연결을 생성하기 위한 방법에 대하여 2개의 상이한 구성에 따라 설명할 것이다.
도 3 및 도 4의 압력/온도 다이어그램(p/t 다이어그램)은 화살표를 사용하여 다양한 프로세스 포인트(process point)들 사이의 압력 및 온도 변화들을 개략적으로 나타낸다. 액상 곡선 L은 솔더 재료(16)(예를 들어 주석-은-구리 솔더)의 고체 및 액체 물질 상태 사이의 상 경계(phase boundary)를 나타내며, 약 220 ℃의 온도에서 압력과 실질적으로 독립적으로 연장된다. 상 경계 P는 본딩 재료(18)가 액체상(liquid phase)으로부터 기체상(vapour phase)으로 전이하는 것을 온도 및 압력의 함수로서 나타내고 있으며, 여기서 곡선의 위쪽 좌측에서는, 본딩 재료(18)가 액체상이고, 곡선의 아래쪽 우측에서는, 이것이 기체상이다.
본딩 재료(18)로서 이소보르닐 시클로헥산올의 경우, 도시된 p/t 다이어그램이 기초하는 대기압에서의 비점(boiling point)은 308 ℃ 내지 313 ℃이다. 본딩 재료의 비점은 프로세스 챔버 내의 압력을 감소시킴으로써 솔더 재료의 융점 미만으로 감소될 수 있다. 이로써, 본딩 재료(18)가 이미 증발되는 것 없이 솔더 그룹(10)을 솔더 재료(16)의 융점에 근접하도록 가열할 수 있다.
대기압 및 실내 온도가 우세한 프로세스 포인트 A에서 시작하여, 처음에는 온도만이, 프로세스 포인트 B에서 약 180 ℃의 온도에 도달할 될 때까지 상승한다.
도 3에 따른 예시적인 실시예에서는, 후속 단계에서, 프로세스 챔버 내의 압력이, 온도 180 ℃ 및 압력 1 내지 10 mbar에서의 프로세스 포인트 C가 달성될 때까지 감소된다. 프로세스 포인트 B에서 프로세스 포인트 C로의 전이 동안 상 경계 P를 가로지르게 되며, 이에 따라 본딩 재료(18)가 증발하여 프로세스 챔버로부터 배출될 수 있다.
이어서, 세정제, 예를 들어 메탄산 또는 수소가 프로세스 챔버 내로 도입거나 플라즈마가 도입 또는 생성될 수 있으며, 이에 따라 연결될 컴포넌트들(12A, 12B)을 세정할 수 있다.
다음 단계에서는, 그 후 온도가 180 ℃로부터 220 ℃ 이상의 솔더 재료(16)의 용융 온도로 상승될 수 있으며, 이에 따라 프로세스 포인트 D에 도달하게 된다.
도 4에 따른 제 2 예시적인 실시예에서는, 도 3에 따른 제 1 예시적인 실시예와의 차이에서, 일단 프로세스 포인트 B에 도달하고 나면, 계속 본딩 재료(18)의 상 경계 P의 위에 있게 되는, 즉 계속 본딩 재료의 액체상 내에 존재하게 되는 프로세스 포인트 B'에 도달할 때까지 압력이 단순히 감소된다. 프로세스 포인트 B'는 예를 들어 온도 180 ℃ 및 압력 10 내지 100mbar에 위치한다.
프로세스 포인트 B'에 도달하면, 오염을 가진 컴포넌트들(12A, 12B)을 세정하기 위해 전술한 바와 같이 세정제가 프로세스 챔버 내로 도입된다. 제 1 예시적인 실시예와 달리, 본딩 재료(18)는 프로세스 지점 B'에서 아직 증발되지 않는다. 세정이 완료되면 180℃의 온도 및 1 내지 10 mbar의 압력을 가진 프로세스 포인트 C에 도달할 때까지 대체적으로 일정한 온도에서 압력이 더욱 감소된다. 본딩 재료(18)가 이제 증발하기 시작하여, 세정제와 함께, 프로세스 챔버로부터 배출된다.
대략 일정한 압력 하에서, 프로세스 포인트 D에서 액상 곡선 L에 도달하거나 가로지르게 될 때까지, 솔더 그룹(10)의 온도가 상승하고, 솔더 재료(18)가 용융되어 컴포넌트들(12A, 12B)과 연결될 수 있다.
이 포인트에서 다양한 프로세스 포인트들 A, B, B', C 및 D 사이의 전이는 개략적인 것임에 유의해야 한다. 따라서, 적어도 곳곳에서 온도와 압력이 동시에 변화될 수 있으며, 이에 따라 상태들이 반드시 등온적으로 또는 등압적으로 변화될 필요가 없다. 그러나, 본딩 재료(18)의 증발을 야기하는 조건들을 확립하기 전에, 본딩 재료(18)가 이미 증발했지만 컴포넌트들이 아직 연결되지 않은 기간을 가급적 최소화하기 위해, 솔더 그룹(10)의 온도를 가능한 한 솔더 재료(16)의 액상 온도에 가깝게 하려는 노력이 이루어진다.
또한, 발생하는 임의의 가스는 시간 지연을 가지면서 프로세스 챔버의 대응하는 진공 장치에 의해 프로세스 챔버로부터 제거될 수 있을 뿐이므로, 본딩 재료(18) 및/또는 용매 또는 세정제의 증발에 의해 야기되는 압력 편차가 공정 중에 발생할 수 있다는 것은 말할 것도 없다.
도 5는 솔더 그룹 온도의 시간 프로파일이 온도 곡선 T로 표시되는 예시적인 온도/시간 다이어그램을 도시한 것이다.
솔더링 공정은 도 5에 따라 표시된 다양한 공정 단계 P1 내지 P4로 세분될 수 있다. 프로세스 챔버에서 특정 분위기 상태들이 우세하게 되는 다양한 영역 또는 시간이 다이어그램에 더 표시되어 있다. 질소 분위기가 존재하는 영역은 참조 부호 N으로 표시되고, 진공(상이한 압력들을 가짐)이 우세한 영역은 참조 부호 V로 표시되며, 세정제 분위기가 존재하는 영역은 참조 부호 R로 표시된다.
예열 단계 P1 동안, 솔더 그룹의 온도는 160 ℃ 내지 180 ℃로 상승된다. 예열 단계 P1의 대부분의 기간 동안 질소 분위기 N이 존재하며, 여기서 예열 단계 P1의 끝에서 진공 V가 잠깐 생성된다.
이어서, 세정제 분위기 R이 우세하고 최종적으로 단시간 동안 진공 V가 생성되는, 세정 단계 P2가 이어진다. 이 짧은 진공 단계는 증발된 본딩 재료질 또는 세정제의 배출을 나타낸다. 세정 단계 P2 동안에는 온도만이 약간 변경된다.
예열 단계 P1 및 세정 단계 P2는 유리하게는 멀티 챔버 시스템의 제 1 챔버(예열 챔버)에서 진행된다.
그 다음, 용융 단계 P3 동안에는, 온도가 약 220℃의 솔더 재료 용융 온도로 상승하게 되며, 여기에서는 일단 용융 온도에 도달하면 진공 V로 대체되는 질소 분위기 N이 초기에 존재한다. 용융 단계 P3의 끝에서, 질소가 프로세스 챔버로 다시 유입되며, 이 질소 분위기 N은 또한 후속 냉각 단계 P4 동안에도 유지되고, 여기서 온도는 50 ℃ 미만으로 감소된다.
용융 단계 P3는 유리하게는 제 2 챔버(솔더링 챔버)에서 진행되며, 냉각 단계 P4는 제 3 챔버(냉각 챔버)에서 진행되고, 이러한 2개의 단계 P3 및 P4는 단일 챔버에서 진행될 수도 있다.
개별 챔버들이 유리하게는 기밀(gas-tight) 방식으로 서로 분리될 수 있으며, 개별 챔버들을 통해 워크피스 캐리어들을 통과시키기 위한 이송 장치가 제공되어, 유동 생산에서 더 높은 스루풋이 달성될 수 있다.
제 1 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 솔더링 장치(50)가 도 6 및 도 7을 참조하여 아래에서 설명된다. 후술되는 멈춤 장치는 솔더가 여전히 액체인 동안 냉각 단계 P4 중에 적어도 냉각 챔버에서 유리하게 사용된다. 여기서 접촉 압력이 컴포넌트들 상부에 작용할 수 있다.
솔더링 장치(50)는 베이스 프레임(54) 및 베이스 프레임(54)과 연결된 캐리어 유닛(52)을 포함한다. 솔더 그룹(10)의 기판(14)은 베이스 프레임(54)에 배치되고, 캐리어 유닛(52)에 대항하는 압력 스프링들(72)에 의해 베이스 프레임(54)을 향해 사전 로드된다. 가압 플레이트(64)는 캐리어 유닛(52) 상의 압력 스프링(70)에 의해 스프링 장착된다. 가압 플레이트(64)는 나사산들을 조정함으로써 가압 플레이트(64)에 길이 조절 가능하게 고정되는 복수의 멈춤 요소들(68)이 있는 멈춤 장치를 갖는다. 베이스 플레이트(66)의 관통 구멍에는 기판(14)의 온도를 측정할 수 있는 스프링 장착 온도 센서가 포함되어 있다.
솔더 그룹(10)이 베이스 프레임(54) 및 이 베이스 프레임(54)에 고정된 캐리어 유닛(52)에 배치되고 나면, 캐리어 유닛(52) 및 베이스 프레임(54)을 포함하는 유닛이 유지 유닛(56)에 삽입될 수 있으며, 여기서 베이스 프레임(54)은 가이드 롤러들(58, 60) 및 유지 스트립들(62)에 의해 고정된다.
솔더링 장치(50)는 하부가 개방된 베이스 프레임(54)을 통해 기판(14)과 직접 접촉할 수 있는 높이 조절 가능한 베이스 플레이트(66)를 더 포함한다.
솔더링 장치(50)는 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 배기 가능한 프로세스 챔버 내에 배치될 수 있다.
베이스 플레이트(66) 및/또는 가압 플레이트(64)는 솔더 그룹(10)을 가열 또는 냉각할 수 있게 하는 히트 소스 및/또는 히트 싱크(미도시)와 연결될 수 있다. 베이스 플레이트(66)가 가압 플레이트(64)를 향해 화살표 방향(도 7)으로 조정되면, 그 위에 장착된 컴포넌트들(12A, 12B)을 포함하는 회로 캐리어(14)가 압력 스프링(72)의 힘에 따라 베이스 프레임(54)에서 들어 올려진다. 특정 조정 이동 이후에, 상부 컴포넌트(12B)가 가압 플레이트(64A)와 접촉하게 됨으로써 솔더 그룹(10)에 압력이 가해지고 컴포넌트들(12A, 12B) 또는 회로 캐리어(14)는, 멈춤 요소들(68)의 자유 단부가 회로 캐리어(14)와 접촉하게 될 때까지 가압된다. 도 7에 도시된 이 위치에서, 가압 플레이트(64)와 베이스 플레이트(66)가 최소 간격에 도달하게 되며, 이에 따라 솔더 그룹(10)이 더 이상 가압될 수 없게 된다. 결과적으로, 도 8에 따르면 정의된 높이 h를 갖는 솔더 그룹(10)을 생성하는 것이 가능하다.
회로 캐리어(14) 대신에, 보조 캐리어 플레이트(미도시)가 베이스 프레임(54)에 배치되고, 그 위에 하나 이상의 컴포넌트들(12A, 12B)이 솔더 재료 없이 단순히 놓이는 경우, 이들 컴포넌트들(12A, 12B)에는, 솔더 연결이 실제 생성되기 전에, 정의된 높이 h를 갖는 용융된 솔더 재료(16)의 코팅이 제공될 수 있다(도 8 참조). 이를 위해 가압 플레이트(64)에는 솔더 재료(16)와의 접점에 이형제(release agent) 코팅이 제공될 수 있다.
이제 제 2 또는 제 3 예시적인 실시예에 따른 솔더링 장치(150, 250)에 대하여 각각 도 9 및 도 10을 참조하여 설명하도록 한다. 솔더링 장치(150, 250)는 그것의 환경으로부터 밀봉되는 배기 가능한 프로세스 챔버(74)를 포함한다. 프로세스 챔버(74)에는, 베이스 프레임(54)을 수용 또는 장착하는 개략적으로 도시된 유지 유닛(56)만이 나타나 있다. 베이스 프레임(54)에는 2개의 솔더 그룹(10)의 컴포넌트 부품으로서 회로 캐리어(14)가 장착된다.
솔더링 장치(150)(도 9)는 프로세스 챔버(74) 상에 장착되는 가압 플레이트(64)를 포함한다.
솔더링 장치(250)(도 10)는 제 1 예시적인 실시예(도 6 및 도 7)와 유사한 방식으로 베이스 프레임(54) 상에 장착되는 가압 플레이트(64)를 포함한다.
솔더링 장치들(150, 250)은 베이스 프레임(54)의 개구를 통해 기판과 접촉할 수 있는 높이 조절 가능한 베이스 플레이트(66)를 더 포함한다. 2개의 솔더 그룹(10)을 갖는 기판은 여기서 가압 플레이트(64)에 대해 가압될 수 있다. 베이스 플레이트(66)와 가압 플레이트(64) 사이의 최소 간격에 도달하면, 회로 캐리어(14) 상에 있게 되며 이에 따라 솔더 그룹들(10)이 더 이상 가압되지 않게 됨으로써 정의된 높이를 갖도록 하는 멈춤 요소들(68)이 가압 플레이트(64)에 고정되어 있다.
멈춤 요소들(68)은 또한 여기서 높이 조절 가능 구조일 수 있다.
가압 플레이트(64)는 평면일 수 있거나(도 6, 7 및 10), 변형예에 따라 솔더 그룹들(10)(도 9)과 접촉하는 하나 이상의 돌출 계단부들(76)을 갖는다. 계단부들(76)은, 도 9에 도시된 바와 같이, 최상부 컴포넌트의 표면의 일부와만 접촉하도록 하는 다소 작은 단면을 가질 수 있다. 결과적으로, 컴포넌트들 내에서 온도 구배가 생성될 수 있다.
유리하게는, 수평 정렬과 관련하여 다양한 선택적인 냉각 개념들이 가압 플레이트에 의해 달성될 수 있다. 솔더링 작업 완료시의 선택적 냉각이 종래 기술에 공지되어 있으며, 예를 들어 솔더링된 물품을 하부로부터 냉각제 증기에 노출시키거나 냉각 핀과 기계적으로 접촉시키는 개념들이 포함된다. 따라서, 응고 공정 동안, 솔더링제가 내부로부터 바깥쪽으로 규정된 방식으로 응고되며 이에 따라 솔더의 미세 구조에 공극 및 결함이 형성되지 않는 것이 보장된다. 나머지 도 11 내지 도 14(먼 가압 플레이트가 적용되는 각각의 경우)는 냉각 또는 가열 장치를 컴포넌트의 상부와 기계적으로 접촉시킴으로써, 가압 플레이트에 의한 기계적 연결에 의해 솔더링제의 응고 공정이 위로부터 선택적으로 영향을 받을 수 있도록 하는 방식으로 가열 또는 냉각에 대한 선택적 제어를 허용하는 다양한 개념을 도시한 것이다.
도 11 내지 도 14는 상부로부터 균일 또는 불균일하게 솔더 그룹들을 선택적으로 냉각 또는 가열하기 위한 다양한 옵션들을 나타내는 상이한 실시예들을 도시한 것이다.
도 11a(이격된 가압 플레이트(64)를 가짐)에서는, 냉각 가능하거나 가열 가능한 가압 플레이트(64)의 계단부(76)가, 솔더 재료(16)에 의해 연결된 적층 컴포넌트들(12)의 솔더 그룹(10)을 향해 전진해 있으며(도 11b 참조), 이에 따라 위로부터의 냉각/가열을 제공한다. 가압 이동은 컴포넌트 프레임(82) 또는 지그의 상부에 있는 멈춤 요소(68)에 의해 제한된다. 멈춤 플레이트(64)는 가압 플레이트(64)를 위한 프레임으로서 작용하는 압력 장치 유지 프레임(84)에 의해 안내되며, 여기서 유지 프레임(84)은 열 유체를 위한 포트들(78)에 의해서 대안적으로 가열 또는 냉각될 수도 있다. 열 유체는 가압 플레이트의 온도가 빠르게 설정될 수 있게 하는 가압수(pressurised water)와 글리콜의 혼합물일 수 있다. 회로 캐리어(14)를 운반하는 베이스 플레이트(66)는 마찬가지로 온도가 위와 아래 모두에서 설정될 수 있도록, 포트들(78)에 의해서 열 유체로 가열 또는 냉각될 수 있다. 압력을 가하기 전에는, 솔더 재료(16)가 솔더 그룹(10) 아래에 불균일하게 분포됨으로써, 솔더 그룹(10)이 회로 캐리어(14)에 대해 비스듬히 기울어지며, 이에 따라 가변적인 솔더 분포를 초래한다. 도 11b에 압력을 가한 이후에는, 수평 정렬이 달성될 수 있어서 솔더 재료가 솔더 그룹(10) 내부 및 하부에 균일하게 분포될 수 있다.
도 11a에 대해 수정된 것인, 도 12a(이격된 가압 플레이트(64)) 및 도 12b(솔더 그룹(10)에 압력을 가함)의 예시적인 실시예의 구성에서는, 복수의 컴포넌트들(12a 내지 12d)을 포함하는 전체 솔더 그룹(10)이 단일의 가압 플레이트(64)에 의해 가압된다. 가압 플레이트(64)의 온도는 유체가 통과하는 유지 프레임(84)에 의해 조정되며, 솔더 그룹(10) 아래에 배치된 베이스 플레이트(66)의 온도도 마찬가지로 회로 캐리어(14)를 통해 조정될 수 있다. 솔더 그룹은 베이스 및 커버로서 더 큰 컴포넌트들(12a, 12b)에 의해 샌드위치된 복수의 인접한 컴포넌트들(12c, 12d)을 포함한다. 더 큰 컴포넌트들(12a, 12b), 예를 들어 냉각 플레이트 및 백 플레인을 정렬하면, 더 작은 컴포넌트들(12c, 12d)이 정렬된다.
도 13a, 도 13b에 도시된 멈춤 장치의 실시예에서(각각 개방 및 가압된 표현으로), 개별적으로 및 따로 변위될 수 있지만 유지 프레임(84)상에서 공동으로 변위될 수 있는 복수의 가압 플레이트들(64a, 64b)이 제공된다. 각각의 경우에 가압 플레이트들(64a, 64b)은 개별적으로 설정 가능한 가압 요소들(68)을 포함하며, 이 가압 요소들(68)은 예를 들어 상이한 높이들을 가질 수 있고 유체 포트들(78)에 의해 개별적으로 또는 공동으로 온도 조절 가능하다. 계단부들(76)로 인해, 상이한 솔더 그룹(들10a, 10b)이 표면의 높이 및 크기에 적응된 방식으로 기판 캐리어(14) 상에 가압될 수 있다. 이러한 방식으로, 상이한 높이들의 솔더링된 물품들(10)이 선택적으로 냉각 및 정렬될 수 있다. 가열 또는 냉각 용량은 다른 가압 요소들에 개별적으로 설정될 수 있다. 다양한 멈춤 요소들(76)은 가압 플레이트들(64a, 64b)의 개별적으로 설정 가능한 멈춤 높이들을 보장한다.
마지막으로, 도 14a, 14b에 도시된 실시예(개방 및 가압 상태)는 자체 냉각 또는 가열 장치가 없는 가압 플레이트(64)를 도시한 것이다. 가압 플레이트(64)의 온도는 가압 플레이트(64)의 유지 프레임(84)에 통합되는 측방 배치된 냉각 또는 가열 장치를 통해 간접적으로 조정될 수 있다. 가압 플레이트(64)는 이에 따라 예를 들어 홀드-다운 장치에 통합될 수 있고/있거나 솔더링된 물품 아래에 배치되는 냉각 또는 가열 장치에 의해 온도가 조절될 수 있다. 수직 계단부들(76)은 솔더 그룹(10)의 개별 표면 영역들 상에 선택적으로 구비될 수 있으며 또한 선택적으로 열을 도입 또는 제거할 수 있는 가압 플레이트 상에 배치된다. 계단부들(76)은 동시에 멈춤 요소들(68)로서 기능한다. 여기서 개별 컴포넌트들(12a)이 가압 및 온도 조절될 수 있는 반면에, 솔더 그룹(10)의 다른 압력 감지 컴포넌트들(12b, 12c)은 자유로이 남는다.
도 11 내지 도 14에 도시된 실시예들은 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있으며, 상호 협력적으로 보완되어 서로 결합되거나 그들의 유리한 효과를 개별적으로 발휘할 수도 있다.
솔더링 장치(50, 150, 250)(도 6 내지 도 14)의 모든 실시예들에서, 컴포넌트들(12A, 12B)은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 방식으로 솔더 재료(16) 및/또는 회로 캐리어 또는 기판(14)과, 서로 본딩 재료(18)에 의해 임시로 연결될 수 있다.
10 솔더 그룹
12A, 12B 컴포넌트
14 기판/회로 캐리어
16 솔더 재료
18 본딩 재료
50, 150, 250 솔더링 장치
52 캐리어 유닛
54 베이스 프레임
56 유지 유닛
58, 60 가이드 롤러
62 유지 스트립
64 가압 플레이트
66 베이스 플레이트
68 멈춤 요소
70, 72 압력 스프링
74 프로세스 챔버
76 계단부
78 온도 조절 유체 포트
82 컴포넌트 프레임
84 압력 장치 유지 프레임
A, B, B', C, D 프로세스 포인트
L 액상 곡선
N 질소 분위기
P 상 경계
P1 예열 단계
P2 세정 단계
P3 용융 단계
P4 냉각 단계
R 세정제 분위기
T 온도 곡선
V 진공

Claims (20)

  1. 주위로부터 밀봉된 프로세스 챔버(74) 내에서 연결될 컴포넌트들(12A, 12B) 사이에 놓이는 솔더 재료(16)를 가열 및 용융함으로써 복수의 컴포넌트들(12A, 12B) 사이의 솔더 연결(solder connection)을 생성하는 방법으로서, 상기 연결될 컴포넌트들(12A, 12B)이 본딩 재료(18)로 임시 연결됨으로써 상기 컴포넌트들(12A, 12B)이 결합 위치에서 서로에 대해 고정되는 솔더 그룹(10)을 형성하는, 방법에 있어서,
    상기 솔더 그룹(10)은 대기압에서의 상기 솔더 재료(16)의 용융 온도보다 낮은 중간 온도로 가열되며, 상기 프로세스 챔버(74) 내의 압력은 상기 중간 온도에서 본딩 재료(18)의 증발 압력 미만의 압력으로 감소됨으로써, 상기 본딩 재료(18)가 증발하게 되고,
    상기 프로세스 챔버(74) 내의 압력이 초기에는 상기 본딩 재료(18)가 아직 증발되지 않도록 상기 중간 온도에서 본딩 재료(18)의 증발 압력보다 높은 압력으로 감소되고, 후속적으로 세정제가 상기 프로세스 챔버(74) 내로 도입되어 상기 솔더 그룹(10)을 세정하고, 후속적으로 상기 프로세스 챔버(74) 내의 압력이 상기 중간 온도에서 본딩 재료(18)의 증발 압력 미만의 압력으로 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩 재료(18)는 상기 솔더 연결의 생성 동안 증발되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    대기압보다 낮은 증발 압력에서, 상기 본딩 재료(18)의 증발 온도는 대기압에서의 상기 솔더 재료(16)의 용융 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버(74) 내의 압력이 본딩 재료(18)의 증발 압력 미만의 압력으로 감소되고 있는 동안, 상기 중간 온도는 적어도 본딩 재료(18)의 증발이 완료될 때까지 미리 결정된 온도 값으로 유지되거나 또는 미리 결정된 온도 범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본딩 재료(18)는 연결될 컴포넌트들(12A, 12B) 또는 솔더 재료(16)의 에지(edges) 또는 코너(corners) 또는 중앙(centre)의 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본딩 재료(18)가 증발되고 나면, 상기 솔더 재료(16)가 용융되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본딩 재료(18)는 액체이거나 또는 페이스트성(pasty)인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 솔더 재료(16)가 용융되는 동안, 상기 솔더 그룹(10)은 프로세스 챔버(74) 내에 배치된 솔더링 장치(50, 150, 250)에 수용되며, 상기 솔더링 장치(50, 150, 250)는 베이스 플레이트(base plate)(66)와 가압 플레이트(pressure plate)(64)를 갖고, 상기 베이스 플레이트(66)와 가압 플레이트(64) 사이에 상기 솔더 그룹(10)을 수용하고 상기 솔더 그룹(10)에 압력을 가하기 위한 이들의 간격과 관련하여 서로에 대해 조절 가능하며, 상기 솔더링 장치(50, 150, 250)는 상기 베이스 플레이트(66)와 가압 플레이트(64) 사이의 간격을 최소 간격으로 제한함으로써, 솔더 재료(16)가 용융되고 나면 상기 솔더 그룹(10)이 미리 결정된 두께를 갖도록 하는 멈춤 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 멈춤 장치는 상기 베이스 플레이트(66) 또는 가압 플레이트(64) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 멈춤 장치는 최소 간격이 설정될 수 있도록 조절 가능한 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 멈춤 장치는 복수의 멈춤 요소들(68)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    각각의 멈춤 요소는 상기 베이스 플레이트(66) 또는 가압 플레이트(64) 상에 제공되는 상보적인 조정 장치와 상호 작용하는 조정 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 멈춤 요소(68)는, 최소 간격에 도달할 때, 각각의 자유 단부가 상기 솔더 그룹(10)의 컴포넌트들(12A, 12B, 14), 상기 컴포넌트들(12A, 12B, 14) 중 하나를 운반하는 베이스 프레임(54), 또는 상기 베이스 플레이트(66)에 대해 지지되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트(66) 또는 가압 플레이트(64)는 가열 또는 냉각 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 솔더링 장치(50, 150, 250)는, 상기 가압 플레이트(64)가 직접 또는 간접적으로 스프링 지지되거나 스프링 장착되는 캐리어 유닛(carrier unit)(52)을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 가압 플레이트(64)가 솔더 그룹(10)에 가하는 스프링력은 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트(66)는 상기 캐리어 유닛(52)에 대해 조절 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 8 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트(66)와 관련된 상기 가압 플레이트(64)의 측면은 평면이거나, 또는 상기 솔더 그룹(10)과 접촉하는 적어도 하나의 돌출된 계단부(76)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
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