KR102652950B1 - 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법 - Google Patents

레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Laser를 이용하여 수초 시간내에 솔더 솔더링을 진행함으로써 칩과 기판 사이간의 열팽창계수가 달라 발생하는 와페이지(warpage)를 감소시킬 수 있고, 이와 더불어 칩(컨포넌트 등)과 기판에서 발생하는 열충격을 감소시킬 수 있으며, 전체 공정 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 솔더의 가공 온도의 불균일에 의한 불량을 방지할 수 있는 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상부에 솔더가 위치된 기판을 솔더링 장치를 구성하는 기판 고정부재의 상부로 공급하는 공급 단계와, 상기 기판 고정부재와 함께 기판이 이동하는 과정에서 상기 기판 및 솔더를 예열하는 예열 단계와, 기판의 상부로 레이저를 조사하여 상기 솔더가 녹아 상기 기판의 상부에 부착되도록 하는 부착 단계와, 솔더가 부착된 기판을 트레이로 이동시키는 배출 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법{solder soldering method using laser}
본 발명은 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Laser를 이용하여 수초 시간내에 솔더 솔더링을 진행함으로써 칩과 기판 사이간의 열팽창계수가 달라 발생하는 와페이지(warpage)를 감소시킬 수 있고, 이와 더불어 칩(컨포넌트 등)과 기판에서 발생하는 열충격을 감소시킬 수 있으며, 전체 공정 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 솔더의 가공 온도의 불균일에 의한 불량을 방지할 수 있는 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법에 관한 것이다.
기존의 반도체나 PCB 제조공정에서는 기판-솔더(솔더볼, 범프, 카파필러, 솔더페이스트 등)의 전기적 접속을 수행하기 위해 오븐과 같은 구조 내에 고온의 열원을 인가하는 다소 고전적인 열풍 방식의 MR(Mass Reflow)과 IR Lamp등을 열원으로 사용하여 기판-솔더를 부착하고 있다.
이를 쉽게 설명하면 모든 칩과 기판을 고온에 장시간 노출하여 솔더를 녹이고 굳히는 방식이라고 할 수 있다.
그런데, 이런 방식은 시간도 오래 걸리고 칩(컴포넌트등)과 기판 전체에 열을 가하는 방식으로 열에 의한 변형 및 휨(Package warpage) 현상이 발생할 가능성이 매우 크다.
이 와페이지(warpage)는 칩과 기판 사이 간의 열팽창 계수(CTE)가 다름에 의해 발생하는 현상인 데 이로 인해 후단에서 진행되는 공정에서 많은 문제점을 야기하고 있다.
한국공개특허 10-2022-0083629(2022.06.20.공개)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 Laser를 이용하여 수초 시간 내에 솔더 솔더링을 진행함으로써 칩과 기판 사이간의 열팽창계수가 달라 발생하는 와페이지(warpage)를 감소시킬 수 있고, 이와 더불어 칩(컨포넌트 등)과 기판에서 발생하는 열충격을 감소시킬 수 있는 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법을 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 베이스에 공급된 기판과 솔더를 레이저 조사부로 이동하는 과정에서 기판을 상부와 하부에서 동시에 예열한 후, 레이저를 조사하도록 함으로써, 전체 공정 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 솔더의 가공 온도의 불균일에 의한 불량을 방지할 수 있는 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법을 제공하는 것이다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은;
상부에 솔더가 위치된 기판을 솔더링 장치를 구성하는 기판 고정부재의 상부로 공급하는 공급 단계와, 상기 기판 고정부재와 함께 기판이 이동하는 과정에서 상기 기판 및 솔더를 예열하는 예열 단계와, 기판의 상부로 레이저를 조사하여 상기 솔더가 녹아 상기 기판의 상부에 부착되도록 하는 부착 단계와, 솔더가 부착된 기판을 트레이로 이동시키는 배출 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 예열 단계는 상기 솔더링 장치의 하부에 구비되는 하부 히터에 의해 상기 기판의 하부를 설정된 온도로 가열하고, 상기 솔더링 장치의 상부에 구비되는 상부 히터에 의해 기판의 상부 및 솔더를 설정된 온도로 가열하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판 고정부재에는 상기 기판의 하면을 흡착하기 위한 흡착부가 형성되며, 상기 흡착부의 내부는 설정된 진공도를 유지하되, 상기 흡착부의 내부에 수용된 기체는 설정 온도 이상으로 가열되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 부착 단계에서는 상기 기판의 가장자리로 레이저가 조사되는 것를 방지하는 제1마스크를 사용하되, 상기 제1마스크는 조사되는 레이저를 차단하는 차단부와, 상기 기판의 상면과 접하여 과도한 열을 배출하는 방열(放熱)부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 부착 단계에서는 상기 기판과 레이저 조사부 사이에는 상기 기판에 설치된 칩을 레이저로부터 보호하기 위한 제2마스크를 더 사용하며, 상기 제2마스크는 레이저가 투과될 수 있는 투명한 재질로 이루어지는 투명판과, 상기 투명판의 일측에 상기 기판에 실장된 칩의 위치에 대응되도록 형성되어 레이저를 차단하는 마스킹부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, Laser를 이용하여 수초 시간 내에 솔더 솔더링을 진행함으로써 칩과 기판 사이간의 열팽창계수가 달라 발생하는 와페이지(warpage)를 감소시킬 수 있고, 이와 더불어 칩(컨포넌트 등)과 기판에서 발생하는 열충격을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 베이스에 공급된 기판과 솔더를 레이저 조사부로 이동하는 과정에서 기판을 상부와 하부에서 동시에 예열한 후, 레이저를 조사하도록 함으로써, 전체 공정 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 솔더의 가공 온도의 불균일에 의한 불량을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법의 예열 단계의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법의 부착 단계의 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법의 부착 단계에서 제2마스크를 사용하는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법의 부착 단계에서 제2마스크의 마스킹부가 기판의 칩으로 조사되는 레이저를 차단하는 개념도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 그리고, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 한정되지 않음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법의 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법의 예열 단계의 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법의 부착 단계의 개념도이고, 도 4는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법의 부착 단계에서 제2마스크를 사용하는 개념도이고, 도 5는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법의 부착 단계에서 제2마스크의 마스킹부가 기판의 칩으로 조사되는 레이저를 차단하는 개념도이다.
본 발명은 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법에 관한 것으로 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 그 구성은 상부에 솔더(미도시)가 위치된 기판(200)을 솔더링 장치를 구성하는 기판 고정부재(110)의 상부로 공급하는 공급 단계(S100)와 상기 기판 고정부재(110)와 함께 기판(200)이 이동하는 과정에서 상기 기판(200) 및 솔더를 예열하는 예열 단계(S200)와, 상기 기판(200)의 상부로 레이저를 조사하여 상기 솔더가 녹아 상기 기판(200)의 상부에 부착되도록 하는 부착 단계(S300)와 솔더가 부착된 기판(200)을 트레이로 이동시키는 배출 단계(S400)로 이루어진다.
여기서, 본 발명에 사용되는 솔더 솔더링 장치에서 상기 기판 고정부재(110)는 베이스(100)의 상부에 구비되어 별도의 이동장치(미도시)를 통하여 각각의 단계을 수행할 수 있도록 이동하게 된다.
그래서, 본 발명에서는 상기 기판(200)의 상부로 레이저를 조사하여 신속하게 솔더의 녹는점 이상으로 가열하여 솔더가 신속하게 기판(200)의 상부에 부착되도록 할 수 있고, 그에 따라 전체 단계에 소요되는 시간을 단축할 수 있게 된다.
그리고, 상기 공급 단계(S100)에서는 별도로 구비되는 매거진, 카세트 등의 기판 보관 장치(미도시)에서 기판(200)을 배출하여 상기 기판 고정부재(110)의 상부로 공급하게 된다.
이때, 상기 기판(200)을 상기 기판 고정부재(110)의 상부에 안착시킬 때, PRS(Pattern Recognition System) 또는 기구적인 얼라인 방식으로 기판상의 가공영역과 레이저 빔의 조사위치를 매칭하도록 하여 상기 부착 단계(S300)에서 안정적으로 솔더가 기판(200)의 상부에 부착될 수 있도록 한다.
한편, 상기 공급 단계(S100)가 완료된 후, 상기 기판(200)의 상부에 솔더가 안착된 상태로 부착 단계(S300)가 수행되는 위치로 이동하게 되는데, 이동하는 과정에서 기판(200) 및 솔더를 설정된 온도로 예열하는 예열 단계(S200)가 수행된다.
여기서, 상기 예열 단계(S200)에서는 상기 솔더링 장치에 구비되는 하부 히터(120)에 의해 상기 기판(200)의 하부를 설정된 온도로 가열하고, 상기 솔더링 장치의 상부에 구비되는 상부 히터(130)에 의해 기판(200)의 상부 및 솔더를 설정된 온도로 가열하게 된다.
이때, 상기 하부 히터(120)는 상기 기판 고정부재(110)의 내부에 설치되어 상부에 고정되는 기판(200)의 하부를 70 ~ 90℃로 가열하게 되고, 상기 상부 히터(130)는 베이스(100)의 상부를 이동하는 기판(200) 및 솔더의 상부를 95 ~ 105℃로 가열하게 된다.
그리고, 상기 기판 고정부재(110)에는 상기 기판(200)의 하면을 흡착하기 위한 흡착부(112)가 형성되는데, 상기 흡착부(112)의 내부는 설정된 진공도를 유지하여 상부에 위치하는 기판(200)을 견고하게 고정하게 된다.
여기서, 상기 흡착부(112)는 홀 또는 그루브 형상으로 형성되어 상부에 안착되는 기판(200)의 하부를 흡착하게 되는데, 상기 기판 고정부재(110)가 소정의 탄성력을 가지는 재질로 형성되어 상기 공급 단계(S100)에서 기판(200)을 설정된 압력으로 가압하여 상기 흡착부(112)의 내부 공기가 외부로 배출되도록 하여 설정된 진공도를 형성할 수 있다.
이때, 상기 기판 고정부재(110)의 내부에는 전술한 바와 같이 하부 히터(120)가 구비되어 상기 흡착부(112)의 내부에 수용된 기체를 설정된 온도로 가열하게 된다.
따라서, 상기 상부 히터(130) 및 하부 히터(120)에 의해 기판(200)의 상하부와 솔더뿐만 아니라 상기 흡착부(112)의 내부에 수용된 기체까지 설정된 온도로 가열하도록 함으로써, 후술할 부착 단계(S300)에서 레이저를 조사하여 기판(200) 및 솔더가 가열될 때, 하부로 열전달(손실)이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 상기 기판(200)의 하부 온도가 낮거나 상기 흡착부(112)의 내부에 수용된 기체의 온도가 낮을 경우에는 상기 부착 단계(S300)에서 레이저를 조사할 때, 상기 기판(200) 내의 I/O 회로 패드를 통해 하부로의 열이 전달되는 현상에서 열 손실이 발생하게 되고, I/O 회로 패드마다 연결부의 Metal Density가 달라 하부로의 열전달량의 차이가 발생하게 됨으로써, 각 솔더들의 온도가 균일하게 유지되지 않아 불량이 발생하게 된다.
그래서, 본 발명에서는 전술한 바와 같이, 상기 예열 단계(S200)를 통하여 기판(200), 솔더 및 상기 흡착부(112)에 수용된 기체까지 예열하도록 함으로써, 상기 부착 단계(S300)에서 열손실을 방지할 수 있고, 그에 따라 전체 솔더의 온도를 균일하게 유지할 수 있어 불량을 방지하게 된다.
추가로, 상기 기판 고정부재(110)가 경질의 재질로 이루어질 경우에는 도면에 도시되지는 않았지만 홀 또는 그루브 형상으로 형성되는 흡착부(112)에 외부와 연통되도록 통공을 형성하고, 상기 통공에는 외부에 구비되는 흡착장치(미도시)가 연결되어 상기 흡착부(112)의 내부를 설정된 진공도로 유지할 수 있도록 한다.
한편, 상기 부착 단계(S300)에서는 상기 기판 고정부재(110)의 상부에 고정된 기판(200)의 상부로 레이저를 조사하여 솔더를 용융시키게 되는데, 상기 부착 단계(S300)에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기판(200)의 가장자리로 레이저가 조사되는 것을 방지하는 제1마스크(150)를 사용하여 기판(200)의 가장자리가 열에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 상기 제1마스크(150)는 액자 형상으로 형성되어 상기 기판(200)의 가장자리로 조사되는 레이저는 차단하지만 중심부로 조사되는 레이저는 안정적으로 조사되도록 함으로써, 솔더를 신속하게 용융시켜 기판(200)의 상면에 부착되도록 한다.
이때, 상기 제1마스크(150)는 상부에 위치하여 조사되는 레이저를 차단하는 차단부(152)와 상기 기판(200)의 상면과 접하여 과도한 열을 배출하는 방열부(154)가 적층되어 이루어지는데, 상기 차단부(152)는 열전도도가 낮은 재질을 사용하게 되고, 상기 방열부(154)는 열전도성이 좋은 메탈이나 세라믹계열을 사용하게 된다.
그래서, 상기 기판(200)의 가장자리로 조사되는 레이저를 차단할 뿐만 아니라 기판(200)의 중심부로부터 전도된 열을 상기 방열부(154)에서 외부로 배출하도록 함으로써, 상기 기판(200)의 가장자리로 열기가 몰려 기판(200)을 구성하는 폴리머가 열에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같이 상기 기판(200)의 상면에는 칩(210) 등이 별도로 실장되지 않은 상태에서 수행할 수도 있지만, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 부착 단계(S300)에서는 상기 기판(200)과 레이저 조사부(미도시) 사이에는 상기 기판(200)에 설치된 칩(210)을 레이저로부터 보호하기 위한 제2마스크(160)를 더 사용할 수 있다.
여기서, 상기 제2마스크(160)는 레이저가 투과될 수 있는 투명한 재질(Quartz, Znse, Borosillca, Fused Sillica 등)로 이루어지는 투명판(162)과 상기 투명판(162)의 일측에 상기 기판(200)에 실장된 칩(210)의 위치에 대응되도록 형성되어 레이저를 차단하도록 특수 광학처리한 마스킹부(164)로 이루어진다.
이때, 상기 부착 단계(S300)에서는 상기 베이스(100)의 일측에 구비되는 승강장치(미도시)를 제어하여 상기 제1마스크(150)가 기판(200)의 가장자리와 접하도록 하고 상기 제2마스크(160)가 설정된 높이로 이동하도록 한 후, 레이저를 기판(200)의 상면으로 조사하게 된다.
그래서, 상기 제1마스크(150)와 제2마스크(160)의 마스킹부(164)에 의해 기판(200)의 가장자리와 칩(210)에는 레이저가 조사되지 않도록 하여 불량을 방지할 수 있다.
이 때, 제2마스크(160)의 마스킹부(164) 길이(L1) 및 레이저 헤드(L)로부터의 높이(H1)와 기판(200)의 칩(210) 길이(L2) 및 레이저 헤드(L)로부터의 높이(H2)는 식, L1:L2 = H1:H2을 만족하게 하여, 제2마스크(160)의 마스킹부(164)에 차단된 레이저의 면적은 칩(210)의 면적과 일치되도록 할 수 있다.
이렇게 상기 부착 단계(S300)를 통하여 솔더가 기판(200)의 상면에 안정적으로 부착된 후에는 상기 배출 단계(S400)가 수행되는데, 별도의 배출장치(미도시)를 통하여 솔더가 부착된 기판(200)을 별도로 구비되는 트레이(미도시)로 배출하게 된다.
한편, 상기 부착 단계(S300)에서는 솔더가 부착된 기판(200)의 불량 여부를 판단하기 위한 검사 단계(S310)가 더 수행될 수 있는데, 상기 검사 단계(S310)에서는 레이저 조사부의 측부에 구비되는 온도 센서(미도시)를 통하여 기판(200)의 상면의 온도를 감지하여 불량 여부를 판단하게 된다.
여기서, 상기 온도 센서는 비접촉식으로 온도를 측정할 수 있는 적외선 센서나 열적외선 카메라 등을 사용할 수 있는데, 통상적으로 무연 솔더의 녹는 점이 217℃이며, 이 경우 기판(200)의 온도는 240 ~ 350℃를 적정 온도로 판단한다.
따라서, 상기 부착 단계(S300)를 수행하는 과정에서 상기 온도 센서를 통하여 감지한 온도가 설정된 온도 범위 이내일 경우에는 양품으로 판단하고, 온도 범위를 벗어날 경우에는 불량으로 판단하게 된다.
물론, 정상 온도 범위는 솔더의 재질에 따라 달라질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리 범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
본 발명은 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Laser를 이용하여 수초 시간내에 솔더 솔더링을 진행함으로써 칩과 기판 사이간의 열팽창계수가 달라 발생하는 와페이지(warpage)를 감소시킬 수 있고, 이와 더불어 칩(컨포넌트 등)과 기판에서 발생하는 열충격을 감소시킬 수 있으며, 전체 공정 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 솔더의 가공 온도의 불균일에 의한 불량을 방지할 수 있는 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법에 관한 것이다.
100 : 베이스 110 : 기판 고정부재
120 : 하부 히터 130 : 상부 히터
150 : 제1마스크 160 : 제2마스크
200 : 기판 210 : 칩
S100 : 공급 단계 S200 : 예열 단계
S300 : 부착 단계 S310 : 검사 단계
S400 : 배출 단계

Claims (5)

  1. 상부에 솔더가 위치된 기판을 솔더링 장치를 구성하는 기판 고정부재의 상부로 공급하는 공급 단계와,
    상기 기판 고정부재와 함께 기판이 이동하는 과정에서 상기 기판 및 솔더를 예열하는 예열 단계와,
    상기 기판의 상부로 레이저를 조사하여 상기 솔더가 녹아 상기 기판의 상부에 부착되도록 하는 부착 단계와,
    솔더가 부착된 기판을 트레이로 이동시키는 배출 단계로 이루어지며,
    상기 부착 단계에서는 액자 형상으로 형성된 제1마스크를 사용하되,
    상기 제1마스크는 상부에는 상기 기판의 가장자리로 조사되는 레이저를 차단하여 기판의 가장자리가 레이저에 의해 흡수된 열에 의해 손상되는 것을 방지하기 위한 차단부가,
    하부에는 방열(放熱)부가 적층되어 이루어지고,
    상기 방열부는 상기 기판의 상면과 접하여 기판의 과도한 열을 배출할 수 있도록 열전도도가 좋은 메탈이나 세라믹계열로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예열 단계는 상기 솔더링 장치의 하부에 구비되는 하부 히터에 의해 상기 기판의 하부를 설정된 온도로 가열하고,
    상기 솔더링 장치의 상부에 구비되는 상부 히터에 의해 기판의 상부 및 솔더를 설정된 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판 고정부재에는 상기 기판의 하면을 흡착하기 위한 흡착부가 형성되며,
    상기 흡착부의 내부는 설정된 진공도를 유지하되, 상기 흡착부의 내부에 수용된 기체는 설정 온도 이상으로 가열되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부착 단계에서는 상기 기판과 레이저 조사부 사이에는 상기 기판에 설치된 칩을 레이저로부터 보호하기 위한 제2마스크를 더 사용하며,
    상기 제2마스크는 레이저가 투과될 수 있는 투명한 재질로 이루어지는 투명판과,
    상기 투명판의 일측에 상기 기판에 실장된 칩의 위치에 대응되도록 형성되어 레이저를 차단하는 마스킹부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 솔더 솔더링 방법.
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