KR20010066949A - 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치 - Google Patents

가스 적하방식의 솔더볼 제조장치

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Abstract

본 발명은 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자 및 기계적장치에 의해 300~5,000㎐의 진동으로 용융금속을 100~1500㎛범위로 파쇄하여 균일한 액적(용융금속)을 적하하는 액적형성장치를 구성하고, 이 액적형성장치에 일정량 수위를 유지하면서 용융금속을 공급하도록 하며, 적하되는 액적을 챔버에 유입된 분위기가스로서 냉각시켜 솔더볼을 형성하고, 이 챔버에 유입되는 분위기가스 및 압력을 일정한 레벨로 자동 유지되도록 하여 진구도, 표면조도, 입도분포가 양호하며 재용융 특성이 뛰어난 고품질 솔더볼을 제조할 수 있도록 함은 물론, 시스템 가동중에 제조된 솔더볼의 샘플채취가 가능하고, 제조된 솔더볼의 수거시 시스템의 중단없이 용기교체가 이루어질 수 있도록 함으로써 연속적인 작업으로 인해 작업의 효율성을 높일 수 있는 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치에 관한 것이다.
본 발명의 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치는 비지에이(BGA) 패키지, 시에스피(CSP), 플립칩에 사용되는 솔더볼의 제조장치에 있어서, 분리대가 설치된 상부챔버의 하측에 하부챔버가 설치되어 챔버를 구성하고, 상기 분리대 중앙부에는 높은 진폭의 진동으로 파쇄된 용융금속의 액적을 적하하고, 유입된 용융금속의 수위를 일정레벨로 유지하여 균일한 액적을 형성하는 액적형성장치가 설치되고, 상기 액적형성장치의 상측에는 투입되는 합금을 용융 혼합하여 상기 액적형성장치에 공급하고 상기 액적형성장치에 공급된 용융금속이 적정 레벨을 유지하도록 용융금속의 배출량을 조절하는 용융금속 공급장치가 설치되고, 상기 액적형성장치의 하측에는 상기 액적형성장치로부터 적하되는 용융금속을 분위기가스로서 냉각하여 진구도가 높은 솔더볼을 형성하는 하부챔버가 설치되고, 상기 하부챔버의 하측에는 낙하되는 솔더볼의 샘플을 채취하는 샘플채취기가 설치며 작업의 중단 없이 연속적으로 솔더볼의 포집이 가능한 포집부가 설치되고, 상기 상.하부챔버의 일측에는 불활성가스를 공급하여 내부의 압력차를 동일하게 유지시키기 위한 압력차유지장치가 설치되고, 상기 하부챔버의 타측에는 액적을 냉각하기 위한 분위기가스인 산소를 일정한 농도로 유지시키는 산소농도 조절장치가 설치된 것에 특징이 있다.

Description

가스 적하방식의 솔더볼 제조장치{Apparatus for producing a solder ball by dropping a metal droplet in the gas}
본 발명은 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자 및 기계적장치에 의해 300~5,000㎐의 진동으로 용융금속을 100~1500㎛범위로 파쇄하여 균일한 액적(용융금속)을 적하하는 액적형성장치를 구성하고, 이 액적형성장치에 일정량 수위를 유지하면서 용융금속을 공급하도록 하며, 적하되는 액적을 챔버에 유입된 분위기가스로서 냉각시켜 솔더볼을 형성하고, 이 챔버에 유입되는 분위기가스 및 압력을 일정한 레벨로 자동 유지되도록 하여 진구도, 표면조도, 입도분포가 양호하며 재용융 특성이 뛰어난 고품질 솔더볼을 제조할 수 있도록 함은 물론, 시스템 가동중에 제조된 솔더볼의 샘플채취가 가능하고, 제조된 솔더볼의 수거시 시스템의 중단없이 용기교체가 이루어질 수 있도록 함으로써 연속적인 작업으로 인해 작업의 효율성을 높일 수 있는 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치에 관한 것이다.
최근에 들어 통신장치, 영상장치, 컴퓨터 등 각종 전자기기는 소형화와 고기능화 추세이며, 이러한 기능을 갖도록 하기 위한 전자부품 중의 하나인 집적회로 (IC)를 기판의 표면에 실장하여 임의의 회로를 구성하고 있다.
이러한 집적회로는 도 1의 (가)에서와 같이 칩(Chip)(1)의 외주연에 상기 칩의 보호를 목적으로 하는 패키지(2)를 형성하고, 기역자(??) 형상으로 형성된 리드핀(3)이 패키지(2) 외부로 설치되는 구조의 절곡형 패키지가 주종을 이루고 있으며, 이러한 절곡형 패키지는 인쇄회로기판(4)에 형성된 유입홈(5)에 리드핀(3)을 삽입 후 납땜함으로써 인쇄회로기판(4)에 장착하고 있다.
그리고 각종 전자기기의 소형화 및 고기능화 요구에 따라 패키지 자체가 경박단소(輕薄短小)화 됨으로써 도 1의 (나)에서와 같이 리드핀(3)을 집적회로와 수평으로 내어 인쇄회로기판(4)의 표면에서 솔더 페이스트(8)를 사용하여 그대로 납땜할 수 있도록 하는 표면실장형 패키지가 수년전 부터 개발 사용되고 있고, 이는 인쇄회로기판에 유입홈을 뚫지 않고 기판 전체가 얇아지는 이점이 있으며, 이러한 기술을 표면실장기술(SMT : surface mounting technology)이라 한다.
또한 패키지의 경박단소화로 인한 다핀화와 파인 피치화에 대응하고자 개발된 쿼드 플래트 패키지(Quad Flat Package:QFP)에서는 최종 패키지의 불량률을 감안하면 최소 리드 피치가 0.3mm로서 다핀화에 리플로 솔더링의 한계가 있고, 테이프 캐리어 패키지(Tape Carrier Package:TCP)의 경우 0.25mm 피치를 끊어 마무리 실장에 있어서도 패키지의 소형화에 문제점이 드러나고 있다.
따라서 핀 그리드 어레이(Pin Grid Array:PGA)와 플립 칩(Flip Chip) 개념의 장점만을 응용한 것으로 리드를 대신해서 솔더볼을 입출력단자로 하여 패키지 아랫 면에 어레이 형상으로 배열한 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array:BGA)와, 이보다 진보된 칩 스케일 패키지(Chip Scale Package:CSP)가 개발되었으며, 전극 피치를 동일 핀 수의 쿼드 플래트 패키지(QFP)와 비교할 때 50∼60%까지 차지하는 공간을 줄일 수 있고 전기적, 열적 수행능력도 크게 향상됨은 물론 300핀 이상의 다핀화에 유리하여 향후 각광 받을 주요 패키지로서 어떤 패키지가 주력으로 사용될 것인가는 종합적인 설계 및 가격, 납땜방법 등에 의해 좌우된다.
이와 같은 볼 그리드 어레이(BGA) 또는 칩 스케일 패키지(CSP)의 표면실장방법은 도 1의 (다)에서와 같이 볼 그리드 어레이 또는 칩 스케일 패키지(9)의 저면전극에 솔더볼(37)을 부착하고, 이 솔더볼(37)이 부착된 패키지(10)를 인쇄회로기판(4)의 표면에 안착시킨 후 열을 가하여 장착시키게 되는 것이다.
이러한 BGA/CSP용 솔더볼은 크게 진동분무법과, 디스크 형태로 스탬핑(Stamping)하거나 솔더와이어를 잘라 만든 솔더칩 팁(Solder Chip Tip)을 1차로 준비한 후 가열된 냉각분위기가스 또는 플럭스 속에 적하(투입)하여 2차 구형화시키는 열매 투입방식의 분위기가스 적하방법이 사용되고 있고, 이와 같은 방법에 의해 제조되는 솔더볼은 매우 높은 진구도를 유지하여야 할 뿐만 아니라 크기가 일정하여야 하는 것이 필수적인 요건이며, 패키지의 종류에 따라 도 2에서와 같이 다양한 크기( 300㎛, 350㎛, 450㎛, 760㎛ 등)의 솔더볼이 제조되고 있다.
일반적으로 열매 투입방식에 비해 고속 생산할 수 있는 솔더볼과 같은 금속볼 제조장치 및 방법은 진동분무법을 통해 구현할 수 있으며, 1754년 프랑스의 Nollet가 최초로 연구를 시작한 이래 영국의 Lord Rayleigh에 의해 이론적 바탕이 확립되었고, 이후 잉크젯 프린트 등에 산업적으로 이용되기 시작하였다. 근래 이러한 원리를 이용하여 정밀 금속 및 세라믹 볼의 대량 제조에 적용하려는 시도와 연구가 진행중이다.
진동분무법은 분무조건에 따라 연속 액적형성모드(Continuous Pressurized Flow mode)와 비연속 액적형성모드(Drop On Demand mode)의 두가지 형태로 작동되는데, 미국 특허번호 제 5,266,098호에서 기술되어 있는 연속 액적형성모드를 이용한 금속분말 제조에서는 압전체와 같이 발생 진동의 진폭이 매우 작은 진동발생자를 채택함에 따라 노즐에서 분무된 입자들의 간격이 짧아 비산도중 합착이 발생하기 쉬우며, 이를 방지하기 위해 비산입자를 대전시켜, 입자간 전기적 반발력을 이용하였으나, 각 액적이 서로 엉겨 붙는 현상을 막기 위해 수백 볼트의 전압을 가하였지만 서로 붙는 현상을 산업적 의미에서 효과적으로 제어할 수 없고, 또한 고전압 취급에 따른 위험성이 뒤따른다.
따라서 상기의 기술을 보다 실질적으로 근접한 솔더볼과 같은 금속볼 제조장치는 미국 특허번호 제 5,609,919호가 제안되어 있고, 이는 용탕 또는 슬러리 상태의 물질을 기계적 또는 열적 응력을 지탱할 수 있을 정도의 충분한 두께를 가지며 하나 이상의 구멍(Opening)을 가지는 노즐을 장착한 용기에 장입한 다음, 노즐구멍 상부에 설치된 진동발생장치(Impulse Generator)에 의해 수직방향으로 진동을 전달하여 노즐을 통해 용탕 또는 슬러리를 밀어내도록 되어 있다.
상기 진동전달부에 의해 가해진 진동은 특성상 수직으로 진행하며, 흐름방향으로 노즐상의 유체에 불연속적으로 가해진 진동 힘은 구멍를 통해 환절된 정형의 액적을 흐름을 야기시키게 되고, 이러한 진동의 주파수는 넓은 영역에 걸쳐 변경될 수 있는데(예를 들어 10~20,000㎐이고, 예상컨대 60,000㎐만큼 높은 주파수 영역) 이때, 행정거리(진폭)는 대개 0.1∼8mm이고 1∼2mm가 가장 바람직한 것으로 나타나 있으며, 이것은 노즐로 밀어내는 압력을 가하는 작동이 진동에 의해서 수행되는 것이고, 결국 노즐의 출구를 통해 액적을 형성시키게 되는 것이다.
상기와 같은 종래 기술인 미국 특허번호 제 5,609,919호는 비연속 액적형성모드를 채택하고 일정대역에서 높은 진폭을 가지는 진동발생장치를 적용하여 비산 액적간 거리를 k π배이상 띄울 수 있도록 되어 있으나, 비연속 액적형성모드의 특성상 생산량이 연속모드에 비해 많이 떨어지고, 특히 기계적인 진동장치의 구성으로 불연속 액적형성을 시도하기 위해 진폭을 과도하게 크게하여 기계적 노이즈가 발생되어, 입도분포가 연속 액적형성모드에 비해 넓게 되는 관계로 인해 공차가 10수 ㎛ 정도의 내외 인 솔더볼을 제조하기에 부적합 한 것이다.
본 발명에서 가해주는 진동주파수와 생성 액적수는 거의 동일하거나 조금 많으며, 미국특허 제5,609,909에서 채택한 불연속 모드에서 나타나는 주파수와 생성액적수의 비에 대한 결과와 매우 흡사하다. 현재까지 그 형성기구에 대해서 잘 알려진 바는 없으나, 이것은 아마도 저주파와 적정가압 및 분사액체의 물성에 따라서 연속 액적형성 모드에서도 비산중 합착이 일어나지 않을 정도의 충분한 비산액적간의 거리(생성 액적의 중심을 기준으로 액적지름으로 약 3배)를 두면서, 균일한 입도를 구현할 수 있다는 의미이다. 따라서 본 발명에서는 불연속 모드에서와 같이 과도한 진폭의 진동을 가하지 않음으로써 기계적 노이즈를 줄여 더 좁은 입도분포를 구현할 수 있도록 하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 비지에이(BGA), 시에스피 (CSP) 및 플립칩에 사용되는 솔더볼의 제조장치에 있어 전자 및 기계적인장치에 의해 적하되는 입자의 합착을 방지하기 위해 300~5,000㎐의 주파수와, 1.8∼50㎛의 진폭의 연속 액적형성 모드를 기본으로 하여 직경 100~1500㎛ 범위의 솔더볼을 형성할 수 있도록 균일한 액적(용융금속)을 적하하는 액적형성장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명은 상기 액적형성장치에 일정량의 용융금속을 자동으로 공급되도록하는 용융금속 공급장치와, 적하되는 액적을 챔버에 유입된 분위기가스로서 냉각시켜 솔더볼을 형성하고, 이 챔버에 유입되는 분위기가스인 산소농도 및 압력을 일정한 레벨로 자동 유지되도록 하여 진구도, 표면조도, 입도분포가 양호하며 재용융 특성이 뛰어난 고품질 솔더볼을 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명은 시스템 가동중에 제조된 솔더볼의 샘플채취가 가능하고, 제조된 솔더볼의 수거시 시스템의 중단없이 용기교체가 이루어질 수 있도록 함으로써 연속적인 작업으로 인해 작업의 효율성을 높일 수 있도록 한 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치는 비지에이(BGA) 패키지, 시에스피(CSP), 플립칩에 사용되는 솔더볼의 제조장치에 있어서, 분리대가 설치된 상부챔버의 하측에 하부챔버가 설치되어 챔버를 구성하고, 상기 분리대 중앙부에는 높은 진폭의 진동으로 파쇄된 용융금속의 액적을 적하하고, 유입된 용융금속의 수위를 일정레벨로 유지하여 균일한 액적을 형성하는 액적형성장치가 설치되고, 상기 액적형성장치의 상측에는 투입되는 합금을 용융 혼합하여 상기 액적형성장치에 공급하고 상기 액적형성장치에 공급된 용융금속이 적정 레벨을 유지하도록 용융금속의 배출량을 조절하는 용융금속 공급장치가 설치되고, 상기 액적형성장치의 하측에는 상기 액적형성장치로부터 적하되는 용융금속을 분위기가스로서 냉각하여 진구도가 높은 솔더볼을 형성하는 하부챔버가 설치되고, 상기 하부챔버의 하측에는 낙하되는 솔더볼의 샘플을 채취하는 샘플채취기가 설치며 작업의 중단 없이 연속적으로 솔더볼의 포집이 가능한 포집부가 설치되고, 상기 상.하부챔버의 일측에는 불활성가스를 공급하여 내부의 압력차를 동일하게 유지시키기 위한 압력차유지장치가 설치되고, 상기 하부챔버의 타측에는 액적을 냉각하기 위한 분위기가스인 산소를 일정한 농도로 유지시키는 산소농도 조절장치가 설치된 것에 특징이 있다.
도 1은 인쇄회로기판에 반도체 패키지가 장착되는 상태의 예시도.
도 2는 크기에 따른 여러 종류의 솔더볼 확대도.
도 3은 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치의 전체구성도.
도 4는 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치에 있어 용융금속
공급장치 및 액적형성장치의 확대단면도.
도 5는 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치의 샘플채취기
확대단면도.
도 6은 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치에 있어 용융금속
공급장치의 다른 실시예를 나타낸 구성도.
도 7a 내지 도 7f는 챔버의 산소농도 및 용융금속 교반에 따른 솔더볼의
외관과 조직도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의설명>
10 : 용융금속 공급장치 10a : 교반기 10b : 배출조절기
11 : 용해로 12 : 가열부 13 : 교반날개
13a : 회전봉 14 : 교반모터 15 : 실린더
16 : 구동축 17 : 스토퍼 18 : 배출관
20 : 액적형성장치 21a : 요크 21b : 턴디쉬
23 : 진동발생장치 24 : 플란져 25 : 노즐
26 : 용탕공급관 27a : 제 1 레벨감지센서 27b : 제 2 레벨감지센서
28a : 통공 28b : 격벽 29a : 제 1 저장조
29b : 제 2 저장조 30 : 챔버 36 : 분위기가스
37 : 솔더볼 38a : 상부챔버 38b : 하부챔버
40 : 산소농도 조절장치 41 : 제 3 밸브 42 : 산소농도 감지부
43 : 순환팬 44 : 산소공급부 TH : 온도감지센서
50 : 샘플채취기 51a, 51b : 노브 52 : 샤프트
53 : 부싱 54 : 오링 55 : 요홈부
60 : 포집부 62 : 밸브 61 : 보조 포집탱크
63 : 주 포집탱크 70 : 압력차유지장치 71 : 압력차감지부
72, 73 : 제 1, 제 2 솔레노이드밸브 75 : 가스공급부
80 : 솔더와이어 81 : 케이스 82 : 보빈
83 : 와이어피더 19, 22, 26a, 38aa, 38ab : 히터
이하 첨부된 도 3에 의해 본 발명의 개략적인 구성과 시스템 전체의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 분위기가스적하방식의 솔더볼 제조장치의 전체구성도로서, 분리대(39)가 설치된 상부챔버(38a)의 하측에 하부챔버(38b)가 설치되어 챔버(30)를 구성하고 있으며, 상기 분리대(39) 중앙부에는 전자장치 및 기계적인 구조로서 높은 진폭을 가지며 300~5,000㎐의 진동수로 진동되는 진동발생장치에 의해 직경 100~1500㎛ 범위내에서 용융금속의 액적(液滴)을 적하(滴下)하고, 투입된 용융금속의 수위를 일정레벨로 유지하여 균일한 액적을 형성하는 액적형성장치(20)가 구비된다.
상기 액적형성장치(20)의 상측에는 투입되는 납(Pb)과 주석(Sn)을 비롯한 450℃ 이내의 용융점을 가지는 합금을 용융 및 고르게 혼합하여 상기 액적형성장치 (20)에 연속적으로 공급하되, 이 액적형성장치(20)에 유입된 용융금속이 적정 레벨을 유지할 수 있도록 용융금속의 배출량을 조절하는 용융금속 공급장치(10)가 설치된다.
상기 하부챔버(38b)의 하측에는 솔더볼(37)의 샘플을 채취할 수 있는 샘플채취기(50)가 연결 설치되어 작업의 중단없이 연속적으로 솔더볼의 포집이 가능하도록 하는 포집부(60)가 구비된다.
상기 상.하부챔버(38a)(38b) 일측에는 내부의 압력차를 동일하게 유지시키기 위한 압력차유지장치(70)가 설치되고, 상기 상.하부챔버(38a)(38b) 타측에는 분위기가스인 산소농도를 일정하게 유지시키는 산소농도 조절장치(40)가 설치된다.
상기와 같은 구조를 이루고 있는 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치의 개략적인 동작과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저 제어부(100)에서 압력차유지장치(70)에 의해 상부챔버(38a)와 하부챔버 (38b) 내부의 압력을 동일하게 유지시킴과 동시에 산소농도 조절장치(40)를 동작시켜 하부챔버(38b)에 분위기가스인 산소농도를 일정하게 유지시킨다.
이러한 상태에서 용융금속 공급장치(10)로부터 액적형성장치(20)에 용융금속을 공급하게 되고, 액적형성장치(20)내에 용융금속이 일정수위에 도달하게 되면 300~5,000㎐의 진동에 의해 용융금속을 100~1500㎛ 범위로 파쇄된 액적(液滴)을 형성하여 적하(滴下)시킨다.
따라서 상기 액적형성장치(20)로부터 적하되는 용융금속인 액적은 상.하부챔버(38a)(38b)내에 유입되어 있는 분위기가스(36)인 산소에 의해 서서히 냉각이 이루어지 짐으로써 표면장력에 의해 진구도가 높은 구형의 솔더볼(37)을 형성하게 되며, 지속적인 낙하로 완전히 냉각되어 고형화된 솔더볼(37)을 얻게된다.
이와 같이 상.하부챔버(38a)(38b)를 경유하여 고형화된 솔더볼(37)은 포집부 (60)의 보조 포집탱크(61)로 모이게되고, 이 포집된 솔더볼(37)은 밸브(62)의 개폐 동작으로 작업의 중단없이 연속적으로 포집이 가능하며, 샘플채취기(50)에 의해 임의적으로 솔더볼(37)의 채취가 가능 가능하게 되는 것이다.
이하 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치를 보다 구체적인 구성을 첨부된 도 3 내지 도 7에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
분리대(39)가 설치된 상부챔버(38a)의 하측에 하부챔버(38b)가 설치되어 챔버(30)를 구성하고 있으며, 상기 상부챔버(38a)의 분리대(39) 중앙부에는 액적형성장치(20)가 설치된다.
압력차유지장치(70)는 도 3에서와 같이 챔버(30)를 구성하고 있는 상.하부챔버(38a)(38b)의 내부 압력차를 센싱하여 그에 비례하는 전기적인 신호를 제어부 (100)로 출력하는 압력차감지부(71)와, 상기 상.하부챔버(38a)(38b) 내부에 일정한 압력을 유지하기 위해 헬륨등의 불활성가스를 제공하는 가스공급부(75)와, 상기 상.하부챔버(38a)(38b)의 내부 압력이 일정범위를 초과할 경우 내부가스를 배출하는 제 1 솔레노이드밸브(73)와, 상기 가스공급부(75)에 저장된 불활성가스를 상.하부챔버(38a)(38b)에 공급하는 제 2 솔레노이드밸브(73)로 구성된다.
또한 산소농도 조절장치(40)는 하부챔버(38a) 내부 두 지점의 산소농도를 센싱하여 그에 비례하는 전기적인 신호를 제어부(100)로 출력하는 산소농도감지부 (42)와, 상기 제어부(100)에 의해 구동되어 산소공급부(44)에 유입된 산소를 하부챔버(38a)로 공급 및 차단하는 제 3 솔레노이브밸브(41)와, 상기 하부챔버(38a)에 설치되어 내부에 유입된 분위기가스(36)를 고르게 분포시키기 위해 강제 순환시키는 순환팬(43)으로 구성된다.
그리고 포집부(60)는 상기 하부챔버(38a)의 하측에 설치되어 샘플채취기(50)가 설치되며 솔더볼(37)을 임시적으로 포집하는 보조 포집탱크(61)와, 상기 보조 포집탱크(61)의 하측에 설치되어 작업의 중단없이 연속적으로 솔더볼의 포집이 가능하도록 개폐가 가능한 밸브(62)와, 상기 밸브(62)의 하측에 설치되어 솔더볼(37)을 연속적으로 포집하는 주 포집탱크(63)로 구성되고, 상기 밸브(62)의 개폐 조작에 따라 작업의 중단없이 연속적으로 솔더볼의 포집이 가능하도록 구성되어 있다.
도 4는 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치에 있어 용융금속 공급장치 및 액적형성장치의 확대단면도로서, 용융금속 공급장치(10)는 원통형의 용해로(11) 외주면에 납땜용 금속을 용융시키는 가열부(12)가 설치되고, 상기 용해로(11)의 하측에는 외주면에 히터(19)가 설치된 토출관(18)을 통해 용융되어진 용융금속을 액적형성장치(20)로 공급하도록 구성된다.
그리고 상기 용해로(11) 상부에는 용융된 금속을 고르게 혼합시키는 교반기 (10a)가 설치되고, 상기 용해로(11)의 상부에는 액적형성장치(20)에 공급된 용융금속의 수위레벨에 따라 용융된 금속을 공급 및 차단하는 배출조절기(10b)가 설치되며, 상기 용해로(11) 내부 일측에는 용융금속의 온도를 센싱하여 그에 비례한 전기적신호를 제어부로 전송하는 온도감지센서(TH)가 설치된다.
여기서 상기 교반기(10a)는 종단부에 교반날개(13)가 설치된 회전봉(13)을 회전시키는 교반모터(14)를 구동하여 용융금속을 고르게 혼합하도록 구성되며, 배출조절기(10b)는 종단부에 스토퍼(17)가 형성된 구동축(16)을 실린더(15)로서 승하강시켜 용해로(11)의 토출관(18)을 개폐시킴으로써 용융금속의 배출을 제한하도록 구성된다.
또한 액적형성장치(20)는 외주면에 히터(22)가 설치된 턴디쉬(Turndish,) (21b) 및 이를 커버하고 있는 요크(Yoke)(21a)가 구비되고, 상기 턴디쉬(21b)는 통공(28a)이 형성된 격벽(28b)에 의해 제 1, 제 2 저장조(29a)(29b)로 구분되며, 상기 제 1 저장조(29a) 내부에는 외주에 히터(26a)가 설치되어 용융금속 공급장치 (10)로부터 배출되는 용융금속을 공급하는 용탕공급관(26)과, 공급된 용융금속의 수위를 감지하는 제 1, 제 2 레벨감지센서(27a)(27b)가 설치되고, 상기 제 2 저장조(29b) 의 하측 중앙부에는 직경 100~1500㎛의 노즐(25)이 형성되며, 제 2 저장조 (29b)의 중앙부에는 전자 및 기계적인 장치에 의해 300~5,000㎐의 주파수로 진동하여 플란져(Plunger)(24)로서 노즐(25) 부위로부터 수 ㎜ 떨어져 진동을 가하는 진동발생장치(23)가 설치되어 구성된다.
도 5는 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치에 있어 샘플채취기 (50)의 확대단면도로서, 샤프트(52)의 양측에 노브(51a)(51b)가 설치되고, 상기 샤트트(52)의 중앙부에 분위기가스(36)에 의해 냉각되어진 솔더볼(37)이 안치되는 요홈부(55)가 형성되며, 상기 샤프트(52)와 보조 포집탱크(61) 사이에 분위기가스 (36)의 유출을 방지하기 위해 부싱(53)과 오링(54)으로 밀폐되어 구성된다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저 미도시된 진공펌프를 사용하여 액적형성장치(20) 및 상.하부챔버(38a) (38b) 내부의 진공도를 1×10-2∼ 10-3torr 범위로 유지시킨 상태에서 압력차유지장치(70)와 산소농도 조절장치(40)에 의해 적정한 압력과 산소농도를 유지시킨다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 압력차유지장치(70)인 압력차감지부(71)에서 상.하부챔버(38a)(38b)의 압력차를 감지하여 그에 비례하는 전기적신호를 제어부 (100)로 전송하게 되며, 상기 제어부(100)에서는 압력차감지부(71)로부터의 신호를 판독하여 상.하부챔버(38a)(38b) 내부의 압력을 각각 감지하게 된다.
이때 상기 제어부(100)에서 감지된 상.하부챔버(38a)(38b)의 압력차가 설정된 범위에 미치지 못할 경우 제 2 솔레노이드밸브(73)를 개방하여 가스공급부(75)에 저장된 헬륨 등의 불활성가스를 공급하게 되며, 또한 내부 압력차가 설정된 범위를 초과할 경우 제 1 솔레노이드밸브(72)를 개방하여 내부압력을 낮추게되어 상.하부챔버(38a)(38b) 내부의 압력을 항시 550∼1500torr로 유지하도록 한다.
또한 산소농도 조절장치(40)인 산소농도감지부(42)에서 하부챔버(38b)의 임의의 한 지점에서 산소농도를 센싱하여 그 농도차에 비례하는 전기적인 신호를 제어부(100)로 출력하게 되며, 상기 제어부(100)에서는 산소농도감지부(42)에서 감지된 신호를 읽어들여 하부챔버(38b)의 산소농도를 지속적으로 체크하게 된다.
이때 하부챔버(38b)의 산소농도가 설정된 레벨에 도달되지 않을 경우 제 3 솔레노이브밸브(41)를 개방시켜 산소공급부(44)에 저장된 산소를 공급하게 되며, 상기 산소농도감지부(42)로부터의 지속적인 산소농도 검출에 의해 하부챔버(38b)의 산소농도가 설정된 레벨에 도달될 경우 제 3 솔레노이브밸브(41)를 폐쇄시켜 산소공급을 중단하는 한편, 순환팬(43)을 가동시켜 하부챔버(38b) 내의 분위기가스를 강제 순환시킴으로써 산소농도를 20∼50ppm 범위내에서 일정하게 유지시킨다.
이러한 상태에서 솔더볼을 형성하기 위한 금속을 용융금속 공급장치(10)의 용해로(11) 내부에 적정량 투입하여 가열부(12)의 히터에 전원을 공급하게 되면 상기 가열부(12)로부터 발생되는 고온의 열에 의해 용해로(11) 내부에 투입된 금속이 용융되며, 이때 교반기(10a)인 교반모터(14)의 동작으로 회전봉(13a)에 설치된 교반날개(13)가 일정한 속도로 회전하여 용융금속을 고르게 혼합시키게 되고, 용융금속의 온도는 온도감지센서(TH)에 의해 지속적으로 센싱되고 있다.
여기서 용해로(11)에 투입되는 금속이 Sn63 Pb37 공정 솔더 합금의 경우 가열부(12)의 온도를 185∼260℃의 온도로 제어하여 용융시킨다.
상기 온도감지센서(TH)에 의해 감지된 용융금속의 온도가 일정치 이상으로 도달될 경우 제어부에서는 배출조절기(10b)의 실린더(15)를 구동하여 구동축(16)에 연결 설치된 스토퍼(17)를 상승시킴에 따라 용융금속을 토출관(18)과 용탕공급관 (26)을 통해 액적형성장치(20)의 턴디쉬(21b)인 제 1 저장조(29a)에 유입된다.
이때 제 1 저장조(29a)로 유입된 용융금속은 격벽(28b)에 형성된 통공(28a)을 통해 제 2 저장조(29b)로 서서히 공급됨으로써 용탕공급관(26)으로부터 공급되는 용융금속에 의한 유동(출렁임) 없이 공급하게 되는 것이다.
또한, 상기 제 2 저장조(29a)에 지속적으로 저장되는 용융금속이 제 1 레벨감지센서(27a)가 설치된 위치에 도달되면 제어부에서 이를 감지하여 배출조절기 (10a)의 실린더(15)를 동작시킴에 따라 구동축(16)에 설치된 스토퍼(17)를 하강함으로써 용해로(11) 내부에 용융된 용융금속이 제 1 저장조(29a)에 유입되는 것을 차단하게 되고, 상기 제 1 저장조(29a)에 유입된 용융금속이 소모되어 제 2 레벨감지센서(27b)가 설치된 위치에 도달하면 스토퍼(17)를 다시 상승시켜 용융금속의 유입을 재개함에 따라 턴디쉬(21b) 내부에는 항시 일정한 범위내에서 용융금속이 존재하도록 함으로써 과도한 공급 또는 완전히 소진되는 문제를 해결하여 일정한 규격의 솔더볼을 제조할 수 있도록 되어 있다.
한편, 상기 제 2 저장조(29a)에 지속적으로 저장되는 용융금속이 제 1 레벨감지센서(27a)가 설치된 위치에 도달되면 제어부에서 이를 감지하여 전자장치 및 기계적인 구조로서 액적간 합착방지를 위해 비산 액적간 거리를 충분히 유지할 수 있을 정도의 높은 진폭을 가지며 300~5,000㎐의 주파수로 진동되는 진동발생장치 (23)를 구동하게 되며, 상기 진동발생장치(23)의 진동으로 인해 플란져(24)가 노즐 (25) 부위로부터 수직 방향으로 수 ㎜ 떨어져 진동함으로써 제 2 저장조(29b)에 유입된 용융금속을 파쇄하여 직경 100~1500㎛ 범위내에서 액적을 형성하고, 이 액적은 노즐(25)을 통해 상부챔버(38a)에 유입되어 있는 산소인 분위기가스(36)로 적하하게 된다.
따라서 상부챔버(38a) 내부로 적하된 200℃ 이상의 액적은 분위기가스(36)에 의해 냉각되며, 이때 액적이 냉각되는 과정에서 표면장력에 의해 진구도가 높은 구형의 솔더볼(37)을 형성하게 되며, 이러한 솔더볼(37)은 하부챔버(38b) 내부에서 계속적으로 하강하여 천천히 냉각이 이루어지면서 냉각부(40)의 보조 포집탱크(61)로 모이게 되고, 상기 밸브(62)의 개폐 조작에 따라 작업의 중단없이 연속적으로 솔더볼의 포집이 가능하도록 구성되어 있다.
즉, 밸브(62)를 개방시킨 상태에서는 고형화된 솔더볼(37)이 보조 포집탱크(61)와 밸브(62)를 통해 주 포집탱크(63)에 모이게 되나, 상기 주 포집탱크(63)에 솔더볼(37)이 적정량 포집되어 교체를 요할 경우에는 밸브(62)를 폐쇄시킨 상태에서 주 포집탱크(63)를 교체하게 되며, 이때 하부챔버(38b)를 통해 낙하되는 솔더볼 (37)은 보조 포집탱크(61)에 모이게 된다.
이 후 주 포집탱크(63)의 교체가 완료되면 밸브(62)를 원래의 상태로 개방시켜 보조 포집탱크(61)에 모여진 솔더볼을 주 포집탱크(63)로 배출하게 함으로써 시스템 작업의 중단없이 연속적으로 솔더볼의 포집이 이루어질 수 있는 것이다.
다음은 도 5에 의해 솔더볼(37)의 진구도 및 크기 등을 측정하기 위해 임의의 샘플을 채취하기 위한 샘플채취 과정을 설명하면, 하부챔버(38b) 내부에 유입된 산소의 분위기가스(36)에 의해 냉각되어 낙하되는 솔더볼(37)은 샤프트(52)의 중앙부에 형성된 요홈부(55)로 유입되고, 이 상태에서 샤프트(52)의 양측에 설치된 노브(51a)(51b)를 당기게되면 부싱(53)에 의해 요홈부(55)가 외부로 노출되어 샘플을 채취하게 되며, 상기 부싱(53)과 오링(54)에 의해 기밀을 유지하게 되어 분위기가스 및 불활성가스는 유출되지 않도록 되어 있다.
또한 상기의 솔더볼(37)의 포집과정에서 밸브(62)의 잦은 개폐로 인해 상.하부챔버(38a)(38b) 내부의 압력과 분위기가스인 산소농도가 떨어질 경우 균일한 솔더볼을 제조할 수 없게되므로 압력차유지장치(70) 및 산소농도 조절장치(40)에 의해 챔버(30) 내부의 압력과 산소농도를 일정하게 유지시키게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치에 있어 용융금속 공급장치의 다른 실시예를 나타낸 구성도로서, 케이스(81) 내부에 솔더와이어(80)가 권선된 보빈(82)이 설치되며, 상기 보빈(82)에 권선된 솔더와이어(80)는 와이어피더(83)에 의해 용탕공급관(26)으로 강제 이송되도록 하는 와이어 피딩장치를 적용한 것이다.
즉, 와이어피더(83)에 의해 보빈(82)에 권선된 솔더와이어(80)를 액적형성장치(20)의 용탕공급관(26)으로 강제로 이송시키게 되면 상기 솔더와이어(80)는 용탕공급관(26)의 외측에 설치된 히터(26a)에 의해 순간적으로 용융되어 용융금속으로 변화되고, 이 용융금속을 제 1 저장조(29a)에 유입되도록 한 것이다.
따라서 이와 같은 솔더와이어 피딩 공급방식은 액적형성장치(20)에 유입된 용융금속의 수위레벨에 따라 와이어피더(83)의 구동을 제한이 가능하여 액적형성장치(20)의 융금금속 수위를 보다 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있는 것이다.
상술한 바와 같이 동작되는 본 발명에 있어 상.하부챔버(38a)(38b)에 유입되어 있는 분위기가스(36)의 산소농도와 융융금속의 교반은 매우 중요하며, 이 산소농도에 의해 솔더볼(37)의 품질(진구도, 표면조도, 입도분포)이 결정된다.
즉, 도 7a 내지 도 7f는 산도농도에 따라 제조된 솔더볼을 전사주사현미경 (SEM:Scanning Electron Microscope, Model: JEOL820)으로 관측된 외관사진과 조직 사진으로써, 산소농도(O2)를 20PPM 이하로 유지할 경우 전체 외관 모양과 조직은 7a의 (가), (나)에 에서와 같이 전체적으로 솔더볼 표면에 각짐 현상이 나타났다.
그리고 산소농도를 50PPM 이상으로 유지할 경우 도 7b에서와 같이 패임 현상이나타나며, 산소농도를 약 100PPM 이상에서는 점점 계란과 같이 비대칭 타원형태로 변하다고 결국 약 1500PPM 이상에서는 도 7c에서와 같이 정충처럼 긴 꼬리를 가진 형태로 된다.
또한 용융금속 공급장치(10)에서 솔더금속이 용융될 때 40여분 이상 용탕을 교반을 해주지 않은 상태로 둘 경우 도 7d의 (가), (나)에서와 같이 부분편석이 발생하게되며, 현상은 제조하는 솔더볼의 구경이 작을수록 두드러지게 나타났다.
그리고 산소함량이 50PPM 이하인 상태에서 용융금속을 교반하지 않았을 경우에는 도 7e에서와 같이 저농도산소함량과 합금분리의 복합작용으로 인해 불량의 솔더볼이 제조되었다.
따라서 산소농도를 20∼50 PPM 사이를 유지하고 용융금속을 교반하거나, 와이어 피딩방식과 같이 필요한 만큼 바로 녹여 쓸수 있는 시스템을 활용하여 제조한 결과 도 7f에서와 같이 외관과 조직이 우수한 솔더볼을 얻을 수 있게 되었다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치는 전자 및 기계적인장치에 의해 300~5,000㎐의 진동으로 100~1500㎛ 범위에서 파쇄하여 솔더볼을 형성할 수 있도록 균일한 액적(용융금속)을 적하하는 액적형성장치와, 상기 액적형성장치에 일정량의 용융금속을 자동으로 교반 및 공급되도록 하는 용융금속 공급장치와, 적하되는 액적을 챔버에 유입된 산소의 분위기가스로서 냉각시켜 솔더볼을 형성하고, 이 챔버에 유입되는 분위기가스 및 압력을 일정한 레벨로 자동 유지되도록 하여 진구도, 표면조도, 입도분포가 양호하며 재용융 특성이 뛰어난 고품질 솔더볼을 제조할 수 있는 있을 뿐만 아니라 시스템 가동중에 제조된솔더볼의 샘플채취가 가능하고, 제조된 솔더볼의 수거시 시스템의 중단없이 용기교체가 이루어질 수 있도록 함으로써 연속적인 작업으로 인해 작업의 효율성을 높일 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (6)

  1. 비지에이(BGA) 패키지, 시에스피(CSP), 플립칩에 사용되는 솔더볼의 제조장치에 있어서,
    분리대(39)가 설치된 상부챔버(38a)의 하측에 하부챔버(38b)가 설치되어 챔버(30)를 구성하고,
    상기 분리대(39) 중앙부에는 높은 진폭의 진동으로 파쇄된 용융금속의 액적을 적하하고, 유입된 용융금속의 수위를 일정레벨로 유지하여 균일한 액적을 형성하는 액적형성장치(20)가 설치되고,
    상기 액적형성장치(20)의 상측에는 투입되는 합금을 용융 혼합하여 상기 액적형성장치(20)에 공급하고 상기 액적형성장치(20)에 공급된 용융금속이 적정 레벨을 유지하도록 용융금속의 배출량을 조절하는 용융금속 공급장치(10)가 설치되고,
    상기 액적형성장치(20)의 하측에는 상기 액적형성장치(20)로부터 적하되는 용융금속을 분위기가스로서 냉각하여 진구도가 높은 솔더볼을 형성하는 하부챔버 (38a)가 설치되고,
    상기 하부챔버(38a)의 하측에는 낙하되는 솔더볼의 샘플을 채취하는 샘플채취기(50)가 설치며 작업의 중단 없이 연속적으로 솔더볼의 포집이 가능한 포집부 (60)가 설치되고,
    상기 상.하부챔버(38a)(38b)의 일측에는 불활성가스를 공급하여 내부의 압력차를 동일하게 유지시키기 위한 압력차유지장치(70)가 설치되고,
    상기 하부챔버(38b)의 타측에는 액적을 냉각하기 위한 분위기가스인 산소를 일정한 농도로 유지시키는 산소농도 조절장치(40)가 설치된 것을 특징으로 하는 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치.
  2. 제 1항에 있어서 상기 액적형성장치(20)는,
    외주면에 히터(22)가 설치되며 통공(28a)이 형성된 격벽(28b)에 의해 제 1, 제 2 저장조(29a)(29b)로 구분되는 턴디쉬(21b)와,
    상기 턴디쉬(21b) 상측에 설치되어 이를 커버하고 있는 요크(21a)와,
    상기 제 1 저장조(29a) 내부에 설치되며 외주면에 히터(26a)가 설치되어 상기 용융금속 공급장치(10)로부터 배출되는 용융금속을 상기 제 1 저장조(29a)로 공급하는 용탕공급관(26)과,
    상기 제 1 저장조(29a) 내부에 설치되며 상기 턴디쉬(21b) 내부에 공급된 용융금속의 상.하한 수위를 감지하는 제 1, 제 2 레벨감지센서(27a)(27b)와,
    상기 제 2 저장조(29b)의 하측 중앙부에 형성되어 액적을 배출하는 노즐(25)과,
    상기 제 2 저장조(29b)의 중앙부에 설치되어 300~5,000㎐ 주파수로 플란져(24)의 수직방향 진동에 의한 융융금속을 파쇄하여 직경 100~ 1500㎛ 범위의 액적을 형성시키는 진동발생장치(23)로 구성된 것을 특징으로 하는 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서 상기 용융금속 공급장치(10)는,
    원통형의 용해로(11) 외주면에 설치되어 납땜용 금속을 용융시키는 가열부(12)와,
    상기 용해로(11)의 하측에 설치되고 외주면에 히터(19)가 설치되어 용융금속을 액적형성장치(20)로 공급하는 배출관(18)과,
    상기 용해로(11) 상부 일측에 설치되어 용융된 금속을 고르게 혼합시키는 교반기(10a)와,
    상기 용해로(11)의 상부 타측에 설치되어 상기 액적형성장치(20)의 제 1, 제 2 레벨감지센서(27a)(27b)의 수위레벨에 따라 용융금속을 공급 및 차단하는 배출조절기(10b)와,
    상기 용해로(11) 내부 일측에 설치되어 용융금속의 온도를 센싱하여 상기 배출조절기(10b)를 제어하는 온도감지센서(TH)로 구성된 것을 특징으로 하는 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서 상기 상.하부챔버(38a)(38b)의 내부 진공도는 1×10-2∼ 10-3torr, 내부압력은 550∼1500torr로 유지하고, 하부챔버(38b)의 산소농도는 20∼50ppm 범위를 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치
  5. 제 1항에 있어서 상기 샘플채취기(50)는,
    출몰이 가능한 샤프트(52)의 양측에 노브(51a)(51b)가 설치되고,
    상기 샤트트(52)의 중앙부에 분위기가스(36)에 의해 냉각되어진 솔더볼(37)이 안치되는 요홈부(55)가 형성되며,
    상기 샤프트(52)와 챔버(30) 사이에 부싱(53)과 오링(54)으로 밀폐되어 구성된 것을 특징으로 하는 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치.
  6. 제 1 항에 있어서 상기 용융금속 공급장치(10)는,
    케이스(81) 내부에 솔더와이어(80)가 권선된 보빈(82)이 설치되고,
    상기 솔더와이어(80)가 와이어피더(83)에 의해 용탕공급관(26)으로 강제 이송되도록 한 것을 특징으로 하는 가스 적하방식의 솔더볼 제조장치.
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