KR20010009108A

KR20010009108A - 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법

Info

Publication number: KR20010009108A
Application number: KR1019990027290A
Authority: KR
Inventors: 고흥석; 유명기; 장준연; 문인기
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2001-02-05
Also published as: KR100324622B1

Abstract

본 발명은 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법에 관한 것으로, 저융점 합금을 용융하여 용탕을 형성하고, 상기 용탕에 불활성 가스를 주입하여 상기 용융합금을 노즐을 통하여 줄기형으로 분사시키고, 상기 줄기형으로 분출되는 용융합금을 유기 액상에 주입시키는 것으로 이루어지는 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의하여 제조된 합금분말은 조직이 미세하고, 매우 균일한 분포의 입도를 나타내며, 표면이 매끄럽고, 진구 형태를 갖고 있다. 또한 본 발명에 의한 분말 제조공정은 매우 단순하여 제조장비의 구성이 쉬워 다른 제조방법 보다 제조비용을 훨씬 절감할 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 합금 분말들을 반도체칩 또는 인쇄회로기판의 표면실장형 회로구성을 위한 솔더 부품으로 사용할 경우 전자기기의 I/O핀의 수를 증가시키고 핀의 간격을 보다 작게 할 수 있어 반도체 또는 시스템용 보드의 고집적 BGA 패키징 작업을 보다 용이하게 할 수 있다.

Description

이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법{METHOD FOR PRODUCING SPHERICAL POWDER USING PERTURBATION PHENOMENA ON THE DISSIMILAR LIQUID INTERFACE}

본 발명은 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법에 관한 것으로, 특히 전자부품의 소형화, 고속화, 고집적화 추세에 따라, 최근 주목받고 있는 반도체 칩과 패키지의 크기가 거의 차이가 없을 정도로 얇고 작은 CSP(chip scale package)용 구형 솔더 볼 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래에는 완성된 칩을 리드프레임에 접착시키고 칩(다이)의 회로단자와 리드(lead) 사이를 Au선(gold wire)을 이용해 연결하고, 연결된 다이와 회로를 외부환경으로부터 보호하기 위해서 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)로 몰딩하고, 인쇄회로기판((printed circuit board: PCB)에 실장시 납땜(솔더링)이 용이하도록 주석(Sn) 또는 납(Pb)로 표면처리된 리드를 사용하고 있다. 그러나 최근 전자부품 영역에서 반도체의 패키징 기술은 전자기기의 경박단소화 추세에 따라 표면실장기술(SMT)로 대체되고 있다. 이러한 표면실장기술은 I/O핀의 수를 증가시킬 수 있고, 고집적화를 위한 다핀화 경향과 경량화 수요에 대응할 수 있기 때문에 패키징 기술의 주류를 이루고 있다. 이는 패키지 밑면에 수직형으로 단자를 배열하는 BGA(ball grid array)기술이 개발되면서 가능해졌다.

BGA기술은 기존의 QFP(Quad Flat Package)와 비교해 동일단자 수 대비 패키지의 크기가 수십% 작고 전기적 열적 수행능력이 우수하며 비용면에서도 유리한 것으로 알려져 있다. 특히 마이크로 BGA는 기존의 리드프레임 대신 박막형의 회로필름(circuit film)위에 칩이 올려져있고 그 밑에 미세구경의 저융점 합금이 접착되어 있는 간단한 형태를 특징으로 하고 있다. 따라서 이러한 패키지 구조가 일반화될 경우 기존 반도체 조립공정에서 널리 이용되고 있는 Au선 본딩, 몰딩 그리고 리드형성을 위한 트리밍 및 포밍공정이 더 이상 필요하지 않게된다. 이러한 장점으로 인해 표면실장형 기술의 하나인 BGA용 저융점 미세 구형분말의 제조방법이 개발되고 있다. 그러나 BGA 패키지에서 요구하는 미세 구형 분말은 그 진구도가 높아야하고, 크기가 매우 균일하여야 하며 산소농도가 낮아야 한다.

균일한 분포의 분말을 제조하는 방법으로서 용융금속을 형성하고 이를 작은 구멍(orifice 또는 노즐)으로부터 분사시키기 전에 용탕에 대하여 진동을 주거나 분출되는 용융금속에 대하여 전압을 인가하여 형성되는 액적(droplet)들을 대전(charge)시켜 분사하는 방법이 있다.(Jung-Hoon Chun and Christian H.Passow; Production of Charged Uniformly Sized Metal Droplets, USP 5,266,098A) 그러나 이 방법은 균일한 분포의 액적을 형성하기에 유리하지만 대전 판(charging plate)을 설치하여야 하고, 이에 대하여 전압을 인가하는 별도의 장치가 필요하다. 또한 분출되어 비산(flighting)되는 과정에서 응고가 부분적으로 일어날 수 있고, 견고한 고상의 substrate등에 부딪히기 때문에 저융점 합금과 같은 연한 재료의 경우 substrate와 충돌하는 과정에서 변형되어 진구의 분말을 변형없이 제조하기 곤란한 문제점을 갖는다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 대전 판 등을 설치할 필요가 없고, 합금 분말들은 매우 균일한 분포의 입도를 나타낼 뿐만 아니라 공정이 단순하여 제조 비용이 적게 드는 표면실장형 패키징용 구형분말 제조방법을 제공하는데 그 목적을 두고 있다.

도 1은 본 발명에 의한 구형분말의 제조 과정을 개략적으로 보인 모식도이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1: 용탕을 형성하는 용기 2: 노즐

3: 가스 주입구 4: 줄기형으로 분사되는 용융금속

5: 액상 유기물질 7: 섭동현상

8: 액적 9: 응고된 액적

10: 발열체 11: 발열체

12: 응고된 분말의 수집부위

본 발명은 상기의 목적을 이루기 위하여 500℃이하의 저융점 합금을 용융하여 용탕을 형성하고, 상기 용탕에 불활성 가스를 주입하여 상기 용융합금을 노즐을 통하여 줄기형(linear-shaped)으로 분사시키고, 상기 줄기형으로 분출되는 용융합금을 유기 액상(organic liquid)에 주입시키는 것으로 이루어지는 이종액체 계면의 섭동(perturbation)원리를 이용한 구형분말 제조방법을 제공한다.

용융합금을 노즐을 통하여 줄기형으로 분사시키고, 분사된 용융합금을 액상의 유기물질과 접촉시키면 계면이 불안정해지는 섭동현상이 일어난다. 섭동현상이란 원통형, 막대기형, 줄기형 또는 바늘모양의 액상이 길이 방향을 따라서 계면이 불안정해지면서 작은 액적(droplet) 행렬로 분리되는 현상으로, 줄기형 액상의 길이(L) 및 직경(R)의 비에 의해서 섭동의 임계파장(λ)이 결정된다. 유기 액상 내에서 분리된 액적은 표면장력에 의해서 계면에너지를 최소화하기 위해 구형으로 응고되고, 응고 중에 발생되는 열은 액상의 유기물질 속으로 전달되기 때문에 응고속도가 매우 빠르고 그 조직(microstructure)이 미세해질 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 구형분말의 제조 과정을 개략적으로 보인 것이다. 발열체(10)에 의해 500℃이하의 저융점 합금을 용융시켜 용탕을 형성하고, 상기 용융합금에 대하여 불활성 가스(inert gas)를 주입시켜 용융합금이 용탕 밑에 제공된 작은 구멍의 노즐(2)을 통하여 줄기형으로 분사시킨다. 상기 줄기형 용융합금(4)을 액상 유기물질(5)과 접촉시켜 줄기형 용융합금 표면에 섭동현상(7)을 일으키게 함으로써 액적(8) 행렬을 형성시키고, 형성된 액적들은 표면장력에 의해서 구형으로 응고됨으로써 구형분말(9)로 제조된다.

상기 저융점 합금으로는 Pb-Sn, Pb-Sn-Ag, Pb-Sn-Bi, Au-Sn, Sn-Sb, Sn-Cu, Sn-Zn, Sn-Ag, In-Ag, Sn-Bi, Sn-In 등을 사용한다. 용탕의 밑면에 형성된 노즐의 직경은 0.1에서 0.5mm 의 크기가 적당하며, 노즐과 유기액상 표면과의 거리는 10 ~ 300cm, 바람직하게는 10 ~ 100cm의 범위가 적당하다. 불활성 가스로는 Ar, 질소 등을 사용하고, 유기 액상으로는 에탄올(ethanol), 글리콜(glycol), 디에틸렌글리콜 글리세롤(glycerol), 폴리디메틸실록산(polydemethylsiloxane) 등을 사용한다.

상기 불활성 가스의 압력은 1∼10kg/cm²범위로 유지하여 분출되는 용융금속이 유기액상과 접촉되기 전에 응고되지 않도록 그 분출속도를 유지시킨다.

용융금속에 대한 산소용해를 억제시키기 위하여 용탕과 유기액상을 진공 챔버속에 설치하여 공기를 제거한 후 불활성 가스를 주입시킨다. 용탕의 온도는 합금의 융점 보다 50℃이상 유지하며, 응고되는 용융금속의 표면조도를 향상시키기 위하여 가열 장치(11)를 설치하고 유기액상의 온도를 용융금속의 융점보다 10℃에서 180℃ 낮게 유지한다.

본 발명에 의하면 진구도가 높고(구형분말의 장축과 단축의 비가 같을수록 진구도가 높다.), 응고된 분말의 직경이 최대 0.6mm이하로서 SMT 패키징에 적합한 BGA 패키징용 미세 구형 분말을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 액상 유기물질 속에서 응고를 진행시키기 때문에 응고조직이 미세하며 그 표면이 매끄럽고, 노즐의 직경을 조절하여 100 ~ 600㎛ 직경의 구형분말이 제조된다.

특히, 본 발명은 용탕으로부터 직접 진구의 분말을 제조하기 때문에 그 공정이 매우 단순하여 제조장비의 구성이 쉽고, 응고속도가 빨라 액적의 응고 도중의 산화반응이나 응고분말내의 산소농도를 최소화시킬 수 있다. 또한 줄기형으로 분출되는 용융금속의 섭동 파장을 조절하여 분말의 크기를 용이하게 제어할 수 있기때문에, 선재 또는 판재로부터 일정 부피(크기)로 절단하여 이를 개별적으로 용융시키고 그로부터 응고시켜 분말을 제조하는 방법 보다 제조 비용을 절감할 수 있다.

이렇게 제조된 합금 분말들은 매우 균일한 분포의 입도를 나타내며, 대표적으로 Pb-Sn 공정합금은 BGA 패키징용 솔더제품으로 사용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 이종 액상계면의 섭동원리를 이용한 구형 분말 제조방법을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

도 1에서와 같이 밑면에 0.1mm의 직경을 갖는 노즐이 제공된 용기 속에 목적 조성으로 Pb-63%Sn 원료를 장입하고 불활성 가스로서 알곤(Ar)을 흘려주어 용기내의 공기를 밀어내고 용기내부가 Ar분위기로 유지되게 하였다. Ar을 5분간 흘려준 후 용기의 내부 온도를 Pb-Sn원료의 융점(183℃) 보다 100℃ 높게 가열 하였다. 그 후 8kg/cm²의 압력으로 Ar가스를 용탕의 상부에 제공된 5mm 직경의 튜브를 통하여 주입하였다. 이때 용기밑면의 노즐로부터 용융금속이 줄기형으로 분출되었다. 분출되는 용융금속은 글리콜과 같은 유기 액체속으로 진입하게 하였다. 이때 분출되는 용융금속이 유기 액체속에 진입되기 전에 응고되지 않도록 분출 속도를 초당 10m이상이 되게 하였으며 유기액상과 노즐사이의 거리를 20cm 이내가 되게 위치시켰다.

줄기형으로 분출되는 용융금속은 상온의 글리콜 속에서 그 표면으로부터 섭동현상이 일어나 작은 액적행렬로 분리되면서 응고되었다. 응고된 금속분말은 그 표면의 거칠기가 서브 미크론 수준으로 매우 매끄럽고 장축 대 단축의 비가 99.9%이상으로 진구에 가까운 형상을 나타내었다. 또한 그 미세조직은 2 ~ 5㎛으로서 매우 미세한 공정조직으로 이루어졌다. 응고된 분말의 평균입도는 200±10㎛으로 매우 균일하였다.

실시예 2

본 발명의 도 1에서와 같이 밑면에 0.5mm의 직경을 갖는 노즐이 제공된 용기 속에 목적 조성으로서 Pb-63%Sn 원료를 장입하고 불활성 가스로서 알곤(Ar)을 흘려주어 공기를 밀어내고 용기내부가 Ar분위기로 유지되게 하였다. Ar을 5분간 흘려준 후 용기의 내부 온도를 Pb-Sn원료의 융점(183℃) 보다 50℃ 높게 가열 하였다. 그 후 6kg/cm²의 압력으로 Ar가스를 용탕의 상부에 제공된 5mm 직경의 튜브를 통하여 주입하였다. 이 때 용기밑면의 노즐로부터 용융금속이 줄기형으로 분출되었다. 분출되는 용융금속은 글리콜과 같은 유기 액상속으로 진입되게 하였다. 이때 분출되는 용융금속이 유기액상 속에 진입되기 전에 응고되지 않도록 분출 속도를 초당 10m이상이 되게 하였으며 유기액상과 노즐사이의 거리를 30cm 이내가 되게 위치시켰다.

줄기형으로 분출되는 용융금속은 100℃로 유지시킨 유기 액체 속에서 그 표면으로부터 섭동현상이 일어나 작은 액적행렬로 분리되면서 응고되었다. 응고된 금속분말은 그 표면의 거칠기가 수 미크론 수준으로 매우 매끄럽고 장축 대 단축의 비가 99.9%이상으로 진구에 가까운 형상을 나타내었다. 응고된 분말의 평균입도는 600±20㎛ 이었다.

실시예 3

Pb-Sn-Ag, Pb-Sn-Bi, Au-Sn, Sn-Sb, Sn-Cu, Sn-Zn, Sn-Ag, In-Ag, Sn-Bi, Sn-In 등의 합금에 대하여 용탕의 온도를 400℃로 유지하고, 0.1에서 0.5mm 직경의 노즐을 통해 6kg/cm²의 압력으로 Ar가스를 주입함으로써 용융금속을 줄기형으로 분사시켰다. 분사된 줄기형 용융금속은 초당 10m의 속도로 유기액상으로서 글리세롤 속에 진입시켰다. 실시 예 1 또는 2에서와 같이 줄기형의 용융금속은 유기액상으로 글리세롤과 접촉되면서 그 표면에서 섭동현상을 일으켰고 99% 이상의 진구 형태로 응고되었다. 그 평균크기는 0.1mm 직경의 노즐을 사용했을 때는 200㎛, 0.5mm 직경의 노즐을 사용했을 때는 600㎛을 나타냈다.

본 발명에 의하여 제조된 합금분말은 조직이 미세하고, 매우 균일한 분포의 입도를 나타내며, 표면이 매끄럽고, 진구 형태를 갖고 있다. 또한 본 발명에 의한 분말 제조공정은 매우 단순하여 제조장비의 구성이 쉬워 다른 제조방법 보다 제조비용을 훨씬 절감할 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 합금 분말들을 반도체칩 또는 인쇄회로기판의 표면실장형 회로구성을 위한 솔더 부품으로 사용할 경우 전자기기의 I/O핀의 수를 증가시키고 핀의 간격을 보다 작게 할 수 있어 반도체 또는 시스템용 보드의 고집적 BGA 패키징 작업을 보다 용이하게 할 수 있다.

Claims

500℃이하의 저융점 합금을 용융하여 용탕을 형성하고, 상기 용탕에 불활성 가스를 주입하여 상기 용융합금을 노즐을 통하여 줄기형으로 분사시키고, 상기 줄기형으로 분출되는 용융합금을 유기 액상에 주입시키는 것으로 이루어지는 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 저융점 합금은 Pb-Sn, Pb-Sn-Ag, Pb-Sn-Bi, Au-Sn, Sn-Sb, Sn-Cu, Sn-Zn, Sn-Ag, In-Ag, Sn-Bi, Sn-In 으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 불활성 가스로는 알곤 또는 질소를 사용하는 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 유기 액상으로는 에탄올, 글리콜, 디에틸렌글리콜 글리세롤, 폴리디메틸실록산 으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 노즐의 직경은 0.1에서 0.5mm의 범위인 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 노즐은 유기액상 표면과 10 ~ 300cm의 범위로 거리를 유지하는 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 불활성 가스의 압력은 1 ~ 10kg/cm²범위로 유지하는 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 용탕과 유기액상을 진공 챔버속에 설치하여 공기를 제거한 후 불활성 가스를 주입시키는 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 용탕의 온도는 합금의 융점 보다 50℃이상으로 하는 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 유기액상의 온도를 용융금속의 융점보다 10 ~ 180℃ 정도 낮게 유지하는 이종액체 계면의 섭동원리를 이용한 구형분말 제조방법.