KR19990025166A

KR19990025166A - 레이저 납땜 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR19990025166A
Application number: KR1019970046690A
Authority: KR
Inventors: 박인태
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1997-09-11
Filing date: 1997-09-11
Publication date: 1999-04-06

Abstract

본 발명은 종래의 레이저 납땜 장치가 집광부를 크게 할 경우 솔더링부 사이에 브리지가 형성되어 불량률이 높고, 리드를 스캐닝하여 순차적으로 납땜할 경우 솔더 볼이 형성된 후 기판에 잔류되어 불량의 원인이 되고 별도의 스캐닝 장치를 필요로 하는 문제점이 있기 때문에; 납을 용융시키기 위한 레이저 빔을 발진시키는 발진기와, 레이저 빔의 경로상에 설치되어 빔을 확대시키는 빔 익스팬더와, 레이저 빔의 경로를 변환시키면서 빔을 전달하는 복수개의 미러와, 레이저 빔의 경로상에 설치되어 빔을 집광시키는 복수개의 렌즈와, 홈을 이용하여 빔의 형상을 변경함으로써 솔더링 형상이 결정되도록 하는 마스크로 구성되어; 기판이 받는 열을 최소화하여 기판 변형을 방지할 수 있고 솔더 볼이나 브리지의 형성이 억제되어 불량률이 떨어지며 장치의 구조를 단순화할 수 있는 레이저 납땜 장치와; 레이저의 출력을 다단계로 제어하여 기판이 받는 열이 최소화되도록 하고, 일정한 형상을 가진 마스크를 사용하여 빔의 형상을 변화시킨 후 집광부에 일정 시간 동안 레이저 빔을 조사함으로써 마스크에 가공된 형상대로의 솔더링이 레이저 빔의 1회 조사로 완료되도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 납땜 방법에 관한 것이다.

Description

레이저 납땜 장치 및 그 방법

본 발명은 레이저를 이용하여 기판에 IC 칩의 리드를 솔더링하는 레이저 납땜 장치에 관한 것으로서, 특히 레이저 빔을 기판에 조사할 때 레이저 빔의 출력이 다단계로 이루어지고 1회의 조사로 솔더링이 완료되도록 함으로써 솔더 볼의 형성을 억제하고 기판 입열량의 감소를 통해 기판 변형을 방지할 수 있는 레이저 납땜 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 납땜 장치를 이용하여 기판에 IC 칩을 솔더링할 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 기판(1) 위에 IC 칩(4)을 올려 놓고, IC 칩(4)의 리드(5)와 기판(1) 내의 회로를 연결하기 위한 패드(2)를 솔더링한다. 여기서, 상기 리드(5)와 패드(2) 사이에는 솔더링부(8)의 산화막을 제거하고 솔더의 유동성을 증가시키기 위한 솔더 페이스트(3)를 위치시킨다. 이후, 레이저 출사부(6)에서 레이저 빔(7)을 솔더링부(8)에 조사하여 솔더링을 완료한다.

종래의 레이저 솔더링 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 납을 용융시키기 위한 레이저 빔을 발진시키는 발진기(11)와, 상기 발진기(11)에서 발진된 빔의 온/오프 제어를 위한 Q-스위치 소자(12)와, 상기 Q-스위치 소자(12)를 제어하기 위한 Q-스위치 소자 드라이브(13)와, Q-스위치 소자(12)를 거쳐 방출된 레이저 빔을 이송하면서 반사시키는 갈바노 스캐너(14)와, 상기 갈바노 스캐너(14)를 제어하는 스캐너 드라이브(15)와, 상기 Q-스위치 소자 드라이브(13)와 스캐너 드라이브(15)를 제어하는 컨트롤러(19)와, 레이저 빔의 경로상에 설치되어 빔을 확대시키는 빔 익스팬더(16)와, 레이저 빔의 경로를 변환시키면서 빔을 전달하는 복수개의 미러(18)와, 레이저 빔의 경로상에 설치되어 빔을 집광시키는 복수개의 렌즈(17)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 종래의 레이저 납땜 장치는 레이저 빔을 가공부에 조사하여 솔더링하도록 되어 있다.

발진기(11)에서 발진된 원형의 레이저 빔은 빔의 온/오프 제어를 위한 Q-스위치 소자(12)를 거쳐 방출되고, 이를 갈바노 스캐너(14)가 반사하여 빔 익스팬더(16)로 보내게 된다. 빔 익스팬더(16)는 상기 갈바노 스캐너(14)에서 반사된 레이저 빔의 직경을 확대시키는데, 렌즈(17a)가 이를 평행광으로 전환시키게 된다. 평행광으로 전환된 레이저 빔은 미러(18)에 의해 반사되어 렌즈(17b)로 전달되고, 렌즈(17b)는 이를 집광시켜 가공부(20)에 조사하게 된다.

여기서, 컨트롤러(19)는 레이저의 출력과 갈바노 스캐너(14)를 동기시키기 위하여 Q-스위치 소자 드라이브(13)와 스캐너 드라이브(15)를 제어한다.

상기한 레이저 납땜 장치를 이용하여 솔더링하는 방법에는 도 3에 도시된 바와 같이 A형과 B형이 있다. A형은 집광부(8)를 크게하여 동시에 여러개의 리드(5)를 동시에 솔더링하는 방법이고, B형은 개별적으로 리드(5)를 1개씩 순차적으로 스캐닝하여 솔더링하는 방법이다.

상기한 B형의 솔더링 방법을 상세하게 살펴보면 도 4에 도시된 바와 같이 집광부(8)를 매우 작게 하고 리드(5)를 따라 집광부(8)를 이송하면서 솔더링하는 방법으로서, 하나의 리드(5)에 여러번의 점용접을 하는 것이다. 여기서, 솔더링부의 단면을 살펴보면 도 5에 도시된 바와 같이 리드(5)가 기판(1)의 패드(2)에 솔더링될 때 솔더링 필렛(21)이 형성되어 기판에 리드를 견고하게 부착시키게 된다.

그런데, 복수의 점용접을 실시할 경우 레이저를 조사할 때 다단계로 제어하면 시간이 너무 많이 소요되므로 한번에 고열의 레이저를 조사하여 솔더링을 하게 된다. 이를 위한 발진기의 파워를 살펴보면 도 6에 도시된 바와 같이 처음부터 끝까지 동일한 파워의 레이저 출력이 연속적으로 공급되거나 펄스 파형으로 출력된다.

그러나, 상기와 같이 구성된 종래의 레이저 납땜 장치는 집광부를 크게 할 경우 솔더링부 사이에 브리지가 형성되어 불량률이 높고, 리드를 스캐닝하여 순차적으로 납땜할 경우 솔더 볼이 형성된 후 기판에 잔류되어 불량의 원인이 되고 별도의 스캐닝 장치를 필요로 하는 문제점이 있다.

즉, 집광부(8)를 크게하는 경우에는 도 7에 도시된 바와 같이 리드(5)의 솔더링부(22) 사이가 솔더로 이어지는 브리지(23)가 형성되어 불량을 일으키고, 리드(5)를 스캐닝하는 경우 도 8에 도시된 바와 같이 집광부(8)에 높은 에너지가 짧은 시간에 입사되므로 솔더 페이스트(3)의 온도가 급격히 상승되어 솔더 볼(24)이 형성되고 그것이 기판(1)에 잔류되어 불량을 일으키며, 납땜부의 스캐닝을 위한 갈바노 스캐너(14)와 스캐너 드라이버(15)를 필요로 한다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하나의 리드를 한번에 솔더링하되 레이저 빔의 출력을 다단계로 제어함으로써 입열량을 감소시켜 기판 손상을 방지할 수 있고 구조가 간단해지는 레이저 납땜 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 레이저 납땜 장치의 솔더링 모식도,

도 2는 종래의 레이저 납땜 장치가 도시된 구성도,

도 3은 종래의 레이저 납땜 방법이 도시된 개념도,

도 4는 도 3의 B 타입이 도시된 상세도,

도 5는 솔더링 부분의 단면도,

도 6은 솔더링시 발진기의 레이저 출력이 도시된 도면,

도 7은 도 3의 A 타입에서의 납땜 불량이 도시된 도면,

도 8은 도 3의 B타입에서의 납땜 불량이 도시된 도면,

도 9는 본 발명에 의한 레이저 납땜 방법의 개념도,

도 10은 본 발명에 의한 레이저 납땜 장치의 구성도,

도 11은 솔더링시 발진기의 레이저 출력이 도시된 도면,

도 12는 마스크를 이용한 빔의 형상 변환이 도시된 개념도,

도 13은 종래의 납땜 장치와 본 발명의 납땜 장치에서 솔더링 온도의 프로파일이 도시된 시간-온도선도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

51 : 발진기 52 : Q-스위치 소자

53 : Q-스위치 소자 드라이브 54 : 미러

55 : 빔 익스팬더 56 : 렌즈

57 : 마스크 60 : 가공부

70 : IC 칩 71 : 리드

72 : 빔 출사부 73 : 빔 집광부

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 납땜 장치는 납을 용융시키기 위한 레이저 빔을 발진시키는 발진기와, 레이저 빔의 경로상에 설치되어 빔을 확대시키는 빔 익스팬더와, 레이저 빔의 경로를 변환시키면서 빔을 전달하는 복수개의 미러와, 레이저 빔의 경로상에 설치되어 빔을 집광시키는 복수개의 렌즈와, 홈을 이용하여 빔의 형상을 변경함으로써 솔더링 형상이 결정되도록 하는 마스크로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 레이저 납땜 방법은 레이저 빔을 조사하여 리드의 납을 용융시킴으로써 솔더링을 완료하는 레이저 납땜 방법에 있어서, 레이저의 출력을 다단계로 제어하여 기판이 받는 열이 최소화되도록 하고, 일정한 형상을 가진 마스크를 사용하여 빔의 형상을 변화시킨 후 집광부에 일정 시간 동안 레이저 빔을 조사함으로써 마스크에 가공된 형상대로의 솔더링이 레이저 빔의 1회 조사로 완료되도록 한 것을 특징으로 한다.

또, 발진기에서 레이저 빔을 발진시켜 납을 용융시킴으로써 솔더링을 시행하는 레이저 납땜 방법에 있어서, 솔더 페이스트의 활성화 온도 부근까지 작은 승온 기울기로 가열하는 예열 단계와, 레이저 빔의 출력을 크게 하여 입열량을 증대시킴으로써 솔더링을 진행하는 가열 단계와, 가열 완료후 일정 온도 부근까지는 급속한 냉각이 이루어진 다음 실온까지는 냉각 슬로프가 작아지도록 레이저 빔의 출력을 제어하는 후열 단계에 따라 발진기의 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 레이저 납땜 장치는 도 10에 도시된 바와 같이 납을 용융시키기 위한 레이저 빔을 발진시키는 발진기(51)와, 상기 발진기(51)에서 발진된 빔의 온/오프 제어를 위한 Q-스위치 소자(52)와, 상기 Q-스위치 소자(52)를 제어하기 위한 Q-스위치 소자 드라이브(53)와, 레이저 빔의 경로상에 설치되어 빔을 확대시키는 빔 익스팬더(55)와, 레이저 빔의 경로를 변환시키면서 빔을 전달하는 복수개의 미러(54)와, 레이저 빔의 경로상에 설치되어 빔을 집광시키는 복수개의 렌즈(56)와, 사각형의 홈(57')을 이용하여 빔의 형상을 변경함으로써 솔더링 형상이 결정되도록 하는 마스크(57)로 구성된다.

여기서, 상기 발진기(51)는 예열, 가열, 후열의 다단계로 각기 다른 출력의 레이저 빔을 발진시켜 1회 조사로 납땜이 완료되도록 하고, 상기 마스크(57)에는 필요에 따라 도우넛 형상의 홈을 가공할 수도 있다. 또, 상기 발진기(51)의 출력은 각 단계에서 연속적으로 출력될 수 있고, 각 단계에서 일정한 펄스 파형으로 출력될 수도 있다.

또한, 본 발명의 레이저 납땜 방법은 도 12에 도시된 바와 같이 레이저의 출력을 다단계로 제어하여 기판이 받는 열이 최소화되도록 하고, 일정한 형상의 홈을 가진 마스크(57)를 사용하여 빔의 형상을 변화시킨 후 가공부(60)에 일정 시간 동안 레이저 빔을 조사함으로써 마스크(57)에 가공된 형상대로의 솔더링이 레이저 빔의 1회 조사로 완료되도록 한다.

여기서, 다수의 리드(71)가 형성된 칩(70)을 기판에 솔더링할 때 도 9에 도시된 바와 같이 레이저 빔의 1회 조사로 하나의 리드(71)를 솔더링한 후, 집광부(73)를 다음 리드(71)로 이동시켜 리드(71)를 기판에 솔더링하도록 하는 순차 솔더링 방식이 사용된다.

또, 발진기(51)의 출력은 솔더 페이스트(미 도시)의 활성화 온도(A℃) 부근까지 작은 승온 기울기로 가열하는 예열 단계와, 레이저 빔의 출력을 크게 하여 상당한 고온(B℃)까지 입열량을 증대시킴으로써 솔더링을 진행하는 가열 단계와, 가열 완료후 일정 온도(C℃) 부근까지는 급속한 냉각이 이루어진 다음 실온까지는 냉각 슬로프(slope)가 작아지도록 레이저 빔의 출력을 제어하는 후열 단계로 이루어지도록 다단계로 제어된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 레이저 납땜 장치는 마스크에 형성된 홈의 형상과 같은 형상의 레이저 빔을 솔더 페이스트에 조사하여 IC 칩의 리드를 기판에 솔더링하게 된다.

발진기(51)에서 발진된 원형의 레이저 빔은 빔의 온/오프 제어를 위한 Q-스위치 소자(52)를 거쳐 방출되고, 이를 미러(54)가 반사하여 빔 익스팬더(55)로 보내게 된다. 빔 익스팬더(55)는 상기 미러(54)에서 반사된 레이저 빔의 직경을 확대시키는데, 렌즈(56a)가 이를 평행광으로 전환시키게 된다. 평행광으로 전환된 레이저 빔은 도 11에 도시된 바와 같이 마스크(57)를 통과하면서 사각 형상으로 변환된 후 미러(54)에 의해 반사되어 렌즈(56b)로 전달되고, 렌즈(56b)는 이를 집광시켜 가공부(60)에 조사하게 된다.

이때, 상기 발진기(51)의 파워를 도 12에 도시된 바와 같이 예열, 가열, 후열의 단계로 제어함으로써 레이저 빔의 출력을 변화시키게 된다. 즉, 솔더 페이스트의 활성화 온도 부근까지 작은 승온 기울기로 예열하고, 레이저 빔의 출력을 크게 하여 일정한 고온까지 입열량을 증대시킴으로써 솔더링을 진행한다. 가열이 완료된 후 일정 온도 부근까지는 급속한 냉각이 이루어진 다음 실온까지는 냉각 슬로프가 작아지도록 레이저 빔의 출력을 약하게 제어하여 후열시킨다.

본 발명의 레이저 납땜 장치 및 그 방법은 상기와 같은 레이저 출력 조절을 통하여 기판에 전달되는 입열량을 제어함으로써 기판이 받게 되는 열을 최소화할 수 있으므로, 도 13에 도시된 바와 같이 종래의 납땜 방법에 비해 기판의 온도가 낮아지게 된다.

이와 같이 본 발명에 의한 레이저 납땜 장치 및 그 방법은 기판이 받는 열을 최소화하여 기판 변형을 방지할 수 있고 솔더 볼이나 브리지의 형성이 억제되어 불량률이 떨어지며 장치의 구조를 단순화할 수 있는 이점이 있다.

Claims

납을 용융시키기 위한 레이저 빔을 발진시키는 발진기와, 레이저 빔의 경로상에 설치되어 빔을 확대시키는 빔 익스팬더와, 레이저 빔의 경로를 변환시키면서 빔을 전달하는 복수개의 미러와, 레이저 빔의 경로상에 설치되어 빔을 집광시키는 복수개의 렌즈와, 홈을 이용하여 빔의 형상을 변경함으로써 솔더링 형상이 결정되도록 하는 마스크로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 납땜 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 발진기에서 발진된 빔의 온/오프 제어를 위한 Q-스위치 소자와, 상기 Q-스위치 소자를 제어하기 위한 Q-스위치 소자 드라이브가 부가된 것을 특징으로 하는 레이저 납땜 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 발진기는 예열, 가열, 후열의 다단계로 각기 다른 출력의 레이저 빔을 발진시켜 1회 조사로 납땜이 완료되도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 납땜 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 마스크는 빔의 형상이 사각형이 되도록 사각형 형상의 홈이 가공된 것을 특징으로 하는 레이저 납땜 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 마스크는 빔의 형상이 도우넛형이 되도록 도우넛 형상의 홈이 가공된 것을 특징으로 하는 레이저 납땜 장치.
레이저 빔을 조사하여 리드의 납을 용융시킴으로써 솔더링을 완료하는 레이저 납땜 방법에 있어서,

레이저의 출력을 다단계로 제어하여 기판이 받는 열이 최소화되도록 하고, 일정한 형상을 가진 마스크를 사용하여 빔의 형상을 변화시킨 후 집광부에 일정 시간 동안 레이저 빔을 조사함으로써 마스크에 가공된 형상대로의 솔더링이 레이저 빔의 1회 조사로 완료되도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 납땜 방법.
제 6 항에 있어서,

다수의 리드가 형성된 칩을 상기 기판에 솔더링할 때 레이저 빔의 1회 조사로 하나의 리드를 솔더링한 후, 상기 집광부를 다음 리드로 이동시켜 리드를 기판에 솔더링하도록 하는 순차 솔더링 방식이 사용된 것을 특징으로 하는 레이저 납땜 방법.
발진기에서 레이저 빔을 발진시켜 납을 용융시킴으로써 솔더링을 시행하는 레이저 납땜 방법에 있어서,

솔더 페이스트의 활성화 온도 부근까지 작은 승온 기울기로 가열하는 예열 단계와, 레이저 빔의 출력을 크게 하여 입열량을 증대시킴으로써 솔더링을 진행하는 가열 단계와, 가열 완료후 일정 온도 부근까지는 급속한 냉각이 이루어진 다음 실온까지는 냉각 슬로프가 작아지도록 레이저 빔의 출력을 제어하는 후열 단계에 따라 발진기의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 납땜 방법.