KR102282381B1 - 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법에 관한 것으로서, 자기장을 이용하여 솔더링 시의 조직을 미세화 시키고 방향성을 주어 접합강도 및 열전도도를 향상시킨다.
본 발명은 고온용 자석을 활용하여 자기장을 열전도도 방향에 평행하게 가하여 솔더 접합부의 미세하고 방향성 있는 결정립을 형성하여 기계적 특성 및 방향성 있는 열전도도 특성을 극대화시킨다.

Description

자기장을 이용한 솔더링 접합 방법 {Bonding method and apparatus of soldering assisted by magnetic field}
본 발명은 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법에 관한 것으로서, 자기장을 이용하여 솔더링 시의 조직을 미세화 시키고 방향성을 주어 접합강도 및 열전도도를 향상시킨다.
최근 전자제품의 미세화에 따라 전극 및 소자의 전기적 인터커넥션 및 열원으로부터 열을 효율적으로 방출시켜줄 수 있는 TIM (Thermal Interface Material) 기술이 필요한 실정이다. 현재는 주로 SAC305 (Sn-3.0Ag-0.5Cu)를 사용하고 있고 이를 보완하기 위하여 연구자들은 각종 첨가 금속 및 탄소소재를 활용하고 있다.
하지만 현재 SAC305의 솔더링 기술은 소자의 미세화 및 패키지의 경박단소화에 따른 강도 및 기타특성이 부족한 실정이다. 기술적으로는 1) 솔더 내부의 결정립 (Grain)의 커질수록 Hall-Petch equation에 따라 강도가 낮아지고 2) 결정립의 방향성이 없어질수록 방향성 있는 열전도도는 떨어진다. 따라서 최근 전자제품의 미세화에 따라 미세하고 방향성 있는 결정립을 가지는 솔더링 접합부 형성이 요구된다.
본 발명은 고온용 자석을 활용하여 자기장을 열전도도 방향에 평행하게 가하여 솔더 접합부의 미세하고 방향성 있는 결정립을 형성하여 기계적 특성 및 방향성 있는 열전도도 특성을 극대화 하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법은, 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 사이에 솔더 합금 조성물을 배치하는 단계; 상기 제 1 피접합체 및 상기 제 2 피접합체 중 어느 하나의 상기 솔더 합금 조성물과 대향한 면의 반대편에 자석을 배치하는 단계; 및 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 자석에 의한 자기장 하에서의 열처리에 의해 솔더 접합부의 결정립이 미세하고 자기장 방향을 따라 배향성을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 솔더 합금 조성물은 상자성체 또는 반자성체 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 자석은 180℃ 이상에서 자성을 유지할 수 있는 자석이 이용되는 것을 특징으로 한다.
상기 열처리는 리플로우(reflow) 또는 Thermal compression bonding(TCB) 공정에 의해 진행되는 것을 특징으로 한다.
상기 열처리는 상기 자석의 퀴리 온도 이하에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법은, 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 사이에 솔더 합금 조성물을 배치하는 단계; 상기 제 1 피접합체 및 상기 제 2 피접합체 모두의 상기 솔더 합금 조성물과 대향한 면의 반대편에 각각 자석들을 배치하는 단계; 및 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 자석들은 서로 반대 극성이 대향하도록 배치되며, 상기 자석에 의한 자기장 하에서의 열처리에 의해 솔더 접합부의 결정립이 미세하고 자기장 방향을 따라 배향성을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 솔더 합금 조성물은 상자성체 또는 반자성체 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 자석은 180℃ 이상에서 자성을 유지할 수 있는 자석이 이용되는 것을 특징으로 한다.
상기 열처리는 리플로우(reflow) 또는 Thermal compression bonding(TCB) 공정에 의해 진행되는 것을 특징으로 한다.
상기 열처리는 상기 자석의 퀴리 온도 이하에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 솔더링 접합 구조체는, 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 사이에 배치된 솔더 접합부를 포함하고, 상기 솔더 접합부의 결정립이 미세하고 배향성을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 솔더 접합부는 자기장을 이용하여 형성되었으며, 자기장의 방향에 따라 배향성을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 활용하면, 1) 전기적 인터커넥션, 2) TIM (Thermal Interface Material)에 적용이 가능하며 방향성 있는 결정립을 형성하여 열전도도를 높여 소자의 수명을 증대시킬 수 있고 결정립을 미세화 시켜서 외부 충격에 따른 접합 내구성 또한 확보가 가능하다. 대표적으로 사용가능한 분야는 CPU와 외부 방열판과의 TIM, 전력변환모듈의 방열판의 TIM 등 다양한 인터커넥션 및 TIM에 적용이 가능하다.
또한, 전자석(일반적으로 100℃ 미만 환경 요구)이 아닌 고온용 자석을 활용하기 때문에 직접 공정라인에 지그 등으로 활용이 가능하다.
도 1은 기존 솔더링과 본 발명의 자기 솔더링을 비교한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법의 순서도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합을 하기 위한 모식도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법의 순서도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합을 하기 위한 모식도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링에 의한 SEM 사진을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
솔더링의 원리는 열원에 의하여 녹은 후 냉각에 따라 응고되어 접합부를 형성하는 것이다. 최근 전자제품의 소자의 미세화 및 고성능화에 따라 기계적 특성 및 발열 문제에 대한 이슈가 대두되고 있다. 현재 다양한 합금조성의 솔더 및 각종 금속 및 기타 첨가제를 통해 향상을 시키려고 노력중이지만 실제 산업에 적용은 어려운 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 첫 번째로 결정립의 미세화를 통하여 전위의 이동을 방해하여 기계적 특성을 높이는 것, 두 번째로는 결정립의 방향성을 통하여 최적화된 열전달 경로를 확보하는 것이다.
선행연구에서는 결정립 미세화를 위하여 나노금속분말이나 탄소나노튜브 등을 첨가하였다. 하지만 첨가를 통한 결정립 미세화 방법은 첨가물질의 분산도에 따라 접합부의 미세화정도가 큰 차이가 나게 된다. 또한, 방향성있는 결정립을 형성하여 최적 열전달 경로를 확보하여 열전도도를 증가시키는 것에 대한 연구는 솔더링분야에서 전무한 실정이다.
따라서 본 발명에서는 퀴리온도를 고려하여 고온용 자석을 이용한 수직 자기장을 솔더링에 적용하여 최적의 수직 열전달 경로를 확보하고 (방향성 결정립) 결정립 미세화를 통하여 높은 기계적 특성을 얻고자함이 그 목적이다.
도 1은 기존 솔더링과 본 발명의 자기 솔더링을 비교한 도면이다. 기존에는 열원을 이용하여 솔더링공정을 진행하였고 그에 따른 결정립은 방향성이 무작위이고 크기가 크게 형성되었다. 방향성이 무작위일 때는 수직열전달 효율이 떨어지고, 결정립의 크기가 클 때는 Hall-Petch 공식에 따라 강도가 낮다.
따라서 본 발명에서는 열원을 효과적으로 방출하기 위하여 열원이 발생할 수 있는 피접합체의 수직방향에 자석을 놓고 자기장을 통하여 결정립을 수직적으로 배열하고 결정립을 미세화 시킨다. 결론적으로, 1) 수직배열된 결정립은 수직 열전도도를 향상시키고 2) 미세화된 결정립은 높은 강도를 가지게 됨으로써, 높은 방열 및 기계적 특성을 가지는 접합부를 얻을 수 있다.
기존에도 자기장을 이용하여 배열하는 기술은 있었으나 주로 고분자 내의 필러에 대한 배열 및 강자성체에 대한 배열에 대한 내용이었다. 본 발명은 필러가 아닌 결정립을 배열하고, 강자성체가 아닌 상자성체 혹은 반자성체를 제어하여 결정립을 제어하기 때문에 기존과는 큰 차이가 있다. 또한 솔더의 경우에도 전자석을 이용하여 강자성체를 배열하는 기술(본 발명은 강자성체 배열은 아님)은 존재하고 있지만 전자석 경우 주로 100도 미만에서만 사용이 가능하므로 직접 공정라인에는 넣기 어렵고 열원을 주는 고립계 밖에 위치시켜 활용이 가능했었다. 본 발명은 전자석이 아닌 고온용 자석을 활용하여 고립계가 아닌 직접 공정라인에 지그 등에 적용하여 활용이 가능한 것이 그 차이이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법의 순서도를 도시한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합을 하기 위한 모식도를 도시한다.
도 2에서 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법은, 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 사이에 솔더 합금 조성물을 배치하는 단계(S 210); 상기 제 1 피접합체 및 상기 제 2 피접합체 중 어느 하나의 상기 솔더 합금 조성물과 대향한 면의 반대편에 자석을 배치하는 단계(S 220); 및 열처리하는 단계(S 230)를 포함한다.
S 210 단계에서는 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 사이에 솔더 합금 조성물을 배치한다. 도 3에서 보는 것처럼, 제 1 피접합체(10) 및 제 2 피접합체(20)를 준비하고 그 사이에 솔더 합금 조성물(30)을 배치한다.
솔더 합금 조성물(30)은 상자성체 또는 반자성체 물질을 포함하며, 예시적으로 Sn, Ag, Cu 와 같은 물질의 합금 조성물이 이용될 수 있다. 본 발명에서 강자성체 물질은 솔더 합금 조성물로 이용되지 아니한다.
S 220 단계에서는 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 중 어느 하나의 솔더 합금 조성물과 대향한 면의 반대편에 자석을 배치한다. 도 3에서는 제 1 피접합체(10)의 솔더 합금 조성물과 대향하는 면의 반대편에 자석(41)을 배치한 것을 예시적으로 도시하고 있다.
자석(41)은 180℃ 이상 에서 자성을 유지할 수 있는 자석이 이용된다. 본 발명에서는 열처리 온도를 고려하여 전자석이 아닌 고온용 자석을 이용한다. 왜냐하면 고온에서 자성이 유지되는 자석이 필요하기 때문이다. 따라서 180℃ 이상, 바람직하게는 180℃ 내지 280℃에서 자성을 유지할 수 있는 자석(퀴리 온도가 높은 자석)이 이용되며, 이러한 자석의 예로는 사마륨코발트, 페라이트, 알니코 자석 등이 있다.
S 230 단계에서는 열처리를 수행하게 된다. 열처리는 리플로우(reflow) 공정에 의해 진행된다. 리플로우 솔더링이란 프린트 배선기판의 제조공정에서 접합하려고 하는 부분에 미리 크림상의 땜납을 인쇄하고 난 후, 땜납을 용융 처리하여 접합시키는 땜납의 방법을 의미한다. 또한, Thermal compression bonding(TCB) 공정도 가능하다. 열처리는 상기 자석의 퀴리 온도 이하에서 수행된다.
이와 같이 S 210 내지 S 230 단계를 통해 자석에 의한 자기장 하에서의 열처리에 의해 솔더 접합부의 결정립이 미세하고 자기장 방향을 따라 배향성을 갖는다. 즉, 열 전달이 원활히 되고자 하는 방향으로 고온용 자석을 배치하여 결정립을 미세하게 하여 강도를 향상시키고, 결정립이 배향성을 갖도록하여(anisotropic) 열전달을 향상시킨다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법의 순서도를 도시한다. 도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합을 하기 위한 모식도를 도시한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법을 나타내며, 이 경우에는 자석이 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체의 양쪽에 배치되는 실시예이다. 위에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 반복 설명을 생략하도록 하겠다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 자기장을 이용한 솔더링 접합 방법은, 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 사이에 솔더 합금 조성물을 배치하는 단계(S 410); 상기 제 1 피접합체 및 상기 제 2 피접합체 모두의 상기 솔더 합금 조성물과 대향한 면의 반대편에 각각 자석들을 배치하는 단계(S 420); 및 열처리하는 단계(S 430)를 포함한다.
이 경우 자석들은 서로 반대 극성이 대향하도록 배치된다. 예를 들어 제 1 피접합체 쪽에 배치된 자석(41)의 제 1 피접합체를 향한 극성이 N이라면, 제 2 피접합체 쪽에 배치된 자석(42)의 제 2 피접합체를 향한 극성은 S로 배치됨이 바람직하다.
솔더 합금 조성물은 상자성체 또는 반자성체 물질을 포함한다.
자석은 180℃ 이상, 바람직하게는 180℃ 내지 280℃에서 자성을 유지할 수 있는 자석이 이용되는 것이 바람직하다.
열처리는 리플로우 공정 혹은 Thermal compression bonding(TCB)에 의해 진행되며, 열처리는 상기 자석의 퀴리 온도 이하에서 수행된다.
본 발명에 따른 솔더링 접합 구조체는 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 사이에 배치된 솔더 접합부를 포함하고, 상기 솔더 접합부의 결정립이 미세하고 배향성을 갖는다. 솔더 접합부는 자기장을 이용하여 형성되었으며, 자기장의 방향에 따라 배향성을 갖는다(anisotropic).
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
실시예 1에서는 전극이나 소자의 표면처리에 주로 사용되는 구리를 이용하여 구리와 구리 접합을 진행하였다. 접합재는 가장 통상적으로 사용되는 녹는점 217도의 SAC305(Sn-3.0Ag-0.5Cu)를 활용하였다. 최대 공정온도는 270도로 설정하였으며, 공정 시간은 10분으로 고정하였다. 대조군으로서, 기존의 솔더링은 열원만 가하였으며, 본 발명의 자기 솔더링으로서는 자석의 퀴리온도를 고려하여 고온에서도 자기장을 방출할 수 있는 사마륨코발트 자석(300도 까지 자력발생가능)을 피접합재 Cu의 하부에 놓았다.
접합공정이 끝난 후 미세조직을 관찰하여 결정립이 수직배향된 것을 확인하였으며, 결정립이 미세화된 것 또한 확인하였다. 수직배향된 결정립은 수직 열전도도 향상에 기여할 수 있고 미세화된 결정립은 전위의 이동을 방해하여 접합강도를 높일 수 있다. 본 미세조직은 도 6에서 확인할 수 있다.
본 발명에서는 자기장을 이용하여 결정립을 수직배향함으로서 원하는 방향의 열전도성을 높이고, 미세화된 결정립에 따른 기계적특성 또한 향상시킨다. 또한 전자석(일반적으로 100도 미만에서 사용가능)을 이용하지 않고 고온용 자석(ex. 사마륨코발트, 페라이트, 알니코)을 활용하여 직접 공정라인에 지그 등으로 활용이 가능하다. 본 발명의 접합방법을 사용할 시 전자부품 인터커넥션에 적용이 가능하며, 대표적으로는 Heat sink 접합 (TIM소재), 일반 소자의 접합 (자기장에 손상되지 않는 종류) 등이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 제 1 피접합체 및 제 2 피접합체 사이에 솔더 합금 조성물을 배치하는 단계;
    상기 제 1 피접합체 및 상기 제 2 피접합체 중 어느 하나의 상기 솔더 합금 조성물과 대향한 면의 반대편에 자석을 배치하는 단계; 및
    열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 솔더 합금 조성물은 Sn, Ag, Cu으로 이루어진 합금 조성물을 이용하며,
    상기 자석은 사마륨코발트 자석을 이용하고,
    상기 자석에 의한 자기장 하에서의 열처리에 의해 솔더 접합부의 결정립이 미세하고 자기장 방향을 따라 배향성을 갖는 것을 특징으로 하는,
    자기장을 이용한 솔더링 접합 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔더 합금 조성물은 상자성체 또는 반자성체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    자기장을 이용한 솔더링 접합 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 리플로우(reflow) 또는 Thermal compression bonding(TCB) 공정에 의해 진행되는 것을 특징으로 하는,
    자기장을 이용한 솔더링 접합 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 상기 자석의 270℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    자기장을 이용한 솔더링 접합 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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