KR20030039430A - 오일 적하방식의 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상기한 문제점 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 그 목적은 노즐의 내부에 진동자를 설치하여 용융금속을 일정하게 배출시킴과 함께 상기 용융금속이 이동되는 경로의 둘레면에 오일을 가열하는 히터를 설치하여 솔더볼의 진구도, 표면조도, 입도분포가 양호하며 재용융 특성이 뛰어난 솔더볼을 제조할 수 있는 오일 적하방식의 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치를 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원료가 수용되는 수용홈(11)과 원료를 공급하는 투입구(12)가 형성된 용융조(10), 상기 용융조에 설치된 구동수단(21)에 의해서 회전되면서 용융조에 담겨진 원료를 교반시키는 교반날개(20), 상기 용융조와 관통되게 설치되어 용융조에서 용융된 용융금속이 저장되는 턴디쉬(30), 상기 턴디쉬(30)의 저면에 설치되어 용융금속을 분사시키는 분사부(40), 상기 분사부에서 분사되는 용융금속을 냉각시키는 오일챔버(50), 상기 분사부의 직하방에 위치되도록 오일챔버의 내부에 설치되고 저부에는 배출밸브(63)가 구비된 이동관(60), 상기 이동관을 통하여 이동되는 솔더볼을 저장하는 볼탱크(80), 상기 볼탱크를 통하여 배출되는 오일을 저장하는 오일탱크(90)를 포함하여서 된 것이다.

Description

오일 적하방식의 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치{Solder ball making apparatus for semiconductor parkage using oil dropping type}

본 발명은 오일 적하방식 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비지에이(BGA), 시에스피(CSP)패키지, 또는 플립칩에 사용되는 솔더볼을 제조함에 용융로에서 용융된 후 턴디쉬의 하부로 용융금속이 배출될 때 진동자를 연속적으로 진동시켜 솔더볼을 형성하고 그 형성된 솔더볼이 통과되는 경로상에 히터를 설치하여 솔더볼의 분위기 온도를 일정하게 유지하여 진구도, 표면조도, 입도분포가 양호한 고품질 솔더볼을 제조할 수 있는 오일 직하방식의 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치에 관한 것이다.

산업의 발달 특히 전자산업의 발달로 통신장치, 영상장치, 컴퓨터 등 각종 전자기기는 소형화와 고기능화 추세이며, 이러한 기능을 갖도록 하기 위하여 전자부품 중의 하나인 집적회로(IC)는 인쇄회로기판(PCB)의 표면에 실장하여 임의의 회로를 구성하고 있다.

상기 집적회로는 각종 전자기기의 소형화 및 고기능화 요구에 따라 패키지 자체가 경박단소(輕薄短小)화 됨으로써 리드핀을 집적회로와 수평으로 내어 인쇄회로기판의 표면에서 솔더 페이스트를 사용하여 그대로 실장 할 수 있도록 하는 표면실장형 패키지가 수년 전부터 개발 사용되고 있고, 이는 인쇄회로기판에 삽입홈을 천공하지 않게 되므로 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 FlatPackage : 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, 그 볼 그리드 어레이보다 진보된 칩 스케일 패키지(Chip Scale Package:CSP)가 개발되었으다. 이는 전극 피치를 동일 핀 수의 쿼드 플래트 패키지(QFP)와 비교할 때 50∼60%까지 차지하는 공간을 축소시킬 수 있는 것이다.

이와 같은 볼 그리드 어레이(BGA) 또는 칩 스케일 패키지(CSP)의 표면실장방법은 볼 그리드 어레이 또는 칩 스케일 패키지의 저면 전극에 솔더볼을 부착하고, 이 솔더볼이 부착된 패키지를 인쇄회로기판의 표면에 안착시킨 후 열을 가하여 장착시키게 되는 것이다.

이러한 BGA/CSP용 솔더볼은 크게 진동분무법과, 디스크 형태로 스탬핑(Stamping)하거나 솔더 와이어를 잘라 만든 솔더칩(Solder Chip)을 1차로 준비한 후 가열된 냉각오일 또는 플럭스 속에 적하(투입)하여 2차로 구형화시키는 투입방식인 오일 적하방법이 사용되고 있다.

이와 같은 방법에 의해 제조되는 솔더볼은 매우 높은 진구도를 유지하여야할 뿐만 아니라 크기가 일정하여야 하는 것이 필수적인 요건이며, 패키지의 종류에 따라 다양한 크기(300㎛, 350㎛,450㎛, 760㎛ 등)의 솔더볼이 제조되고 있다.

또한, 열매 투입방식에 비해 고속 생산할 수 있는 솔더볼과 같은 금속볼 제조장치 및 방법은 진동 분무법을 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 세라믹볼의 대량 제조에 적용하려는 시도와 연구가 진행중이다.

진동 분무법은 분무조건에 따라 연속 액적형성모드(Continuous Pressurized Flow mode)와 비연속 액적형성모드(Drop OnDemand mode)의 두가지 형태로 작동되는데, 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 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(ImpulseGenerator)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 일정한 크기의 액적들의 흐름을 야기시키게 되고, 이러한 진동의 주파수는 넓은 영역에 걸쳐 변경될 수 있으며 그 주파수는 예를 들어 10~20,000㎐이고, 예상컨대 60,000㎐만큼 높은 주파수 영역이다. 이때, 행정거리(진폭)는 대개0.1∼8mm이고 1∼2mm가 가장 바람직한 것으로 상기와 같은 종래 기술은 비연속 액적형성모드를 채택하고 일정대역에서 높은 진폭을 가지는 진동발생장치를 적용하여 비산 액적간 거리를 띄울 수 있도록 되어 있으나, 비연속 액적형성모드의 특성상 생산량이 연속모드에 비해 많이 떨어지고, 특히 기계적인 진동장치의 구성으로 불연속 액적형성을 시도하기 위해 진폭을 과도하게 크게 하여 기계적 노이즈가 발생되어, 입도분포가 연속 액적형성모드에 비해 넓게 되는 관계로 인해 공차가10수 ㎛ 정도의 내외 인 솔더볼을 제조하기에 부적합 한 것이다.

또한 상기 액적형성장치에 일정량의 용융금속을 자동으로 공급되도록 하는 용융금속 공급장치와, 적하되는 액적을 냉각오일로서 냉각시켜 솔더볼을 형성하는 챔버에 구간별로 온도구배를 일정하게 유지하고, 냉각오일의 온도상승에 의한 대류현상을 방지하기 위한 장치가 개발되었으나 챔버에 저장된 오일의 온도유지가 매우 곤란하고 연속적으로 솔더볼을 생산도중 샘플을 채취할 경우 챔버의 압력변화로 인하여 불량품이 생산되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 그 목적은 노즐의 내부에 진동자를 설치하여 용융금속을 일정하게 배출시킴과 함께 상기 용융금속이 이동되는 경로의 둘레면에 오일을 가열하는 히터를 설치하여 솔더볼의 진구도, 표면조도, 입도분포가 양호하며 재용융 특성이 뛰어난 솔더볼을 제조할 수 있는 오일 적하방식의 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 솔더볼 제조장치를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 솔더볼 제조장치의 용해로를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 솔더볼 제조장치의 노즐부를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 솔더볼 제조장치의 가열부를 나타낸 단면도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10 : 용융조11 : 수용홈

12 : 투입구20 : 교반날개

21 : 구동수단30 : 턴디쉬

40 : 분사부41 : 진동자

42 : 배출공50 : 오일챔버

60 : 이동관61 : 히터

63 : 배출밸브70 : 샘플러

71 : 제1밸브72 : 제2밸브

73 : 채취판74 : 분기관

80 : 볼탱크90 : 오일탱크

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 오일 적하방식의 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치는 원료가 수용되는 수용홈이 구비되고 상면에는 원료를 공급하는 투입구가 형성된 용융조와, 상기 용융조의 상면 일측에 설치된 구동수단에 의해서 회전되면서 용융조의 내부에 담겨진 원료를 교반시키는 교반날개와, 상기 용융조의 내부가 관통되게 용융조의 저면에 설치되어 용융조에서 용융된 용융금속이 저장되는 턴디쉬와, 상기 턴디쉬의 저면에 설치되어 용융금속을 분사시키는 분사부와, 상기 분사부에서 분사되는 용융금속을 냉각시키는 오일이 충진되는 오일챔버와, 상기 분사부의 직하방에 위치되도록 오일챔버의 내부에 설치되고 저부에는 배출밸브가 구비된 이동관과, 상기 이동관을 통하여 이동되는 솔더볼을 저장하기 위하여 이동관의 하단부에 설치된 볼탱크와, 상기 볼탱크를 통하여 배출되는 오일을 저장하는 오일탱크를 포함하여서 된 것이다.

이와 같은 특성을 갖는 본 발명을 나타낸 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 솔더볼 제조장치를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 솔더볼 제조장치의 용해로를 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 솔더볼 제조장치의 노즐부를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 솔더볼 제조장치의 가열부를 나타낸 단면도이다.

여기에서 참조되는 바와 같이 본 발명은 솔더볼을 제조하기 위한 원료를 용융시키는 용융조(10)의 내부에는 상기 원료가 수용되는 수용홈(11)이 형성되어 있고 그 상측에는 커버(13)가 설치되어 있다.

한편, 상기 커버(13)의 상면에는 원료를 공급하는 투입구(12)가 형성되어 있고, 그 투입구(12)의 일측에는 구동수단(21)이 설치되어 있으며 그 구동수단(21)의 저부에는 용융조(10)의 내부에 삽입된 상태로 회전되면서 상기 용융조(10)에 담겨진 원료를 교반시키는 교반날개(20)가 설치되어 있다.

그리고 상기 용융조(10)의 하부에는 그 용융조(10)의 내부와 관통되어 용융조에서 용융된 용융금속을 저장하는 턴디쉬(30)가 설치되어 있고 그 턴디쉬(30)의 저면에 는 용융금속을 분사시키는 분사부(40)가 설치되어 있다.

상기 분사부(40)는 턴디쉬(30)의 하단부에 용융금속이 배출되는 배출공(42)이 형성되고 그 배출공(42)의 상측에는 배출공(42)을 통하여 용융금속이 순차적으로 배출되도록 배출공(42)을 연속적으로 개폐시키는 진동자(41)가 설치되어 있는 것으로서, 솔더볼의 크기는 배출공(42)의 크기 및 진동자(41)의 진폭에 의해서 결정되어 지는 것이다.

또한 상기 턴디쉬(30)의 하부에는 분사부(40)에서 분사되는 용융금속을 냉각시키는 오일챔버(50)가 설치되어 있되, 그 오일챔버(50)의 내부에는 오일이 충입되는 것이고 상기 오일챔버(50)의 저면 일측에는 오일을 배출시키는 배출관(62)이 설치되어 있으며 그 배출관(62)의 하단부는 오일을 저장하는 오일탱크(90)의 상단부에 위치되어 있다.

그리고 상기 오일챔버(50)의 내측 중앙에는 이동관(60)이 설치되어 있되, 그 이동관(60)은 분사부(40)에서 배출되는 용융금속이 이동될 수 있도록 상기 분사부(40)의 직하방에 위치되어 있고 상기 이동관(60)의 상단에는 용융금속이 이동하는 경로상에 위치한 오일을 직접 가열할 수 있도록 히터(61)가 설치되어 있으며 이동관(60)의 저부에는 배출밸브(63)가 구비되어 있다.

한편, 상기 이동관(60)의 하단부에는 그 이동관(60)을 통하여 이동되는 솔더볼을 저장하기 위하여 볼탱크(80)가 설치되어 있고, 그 볼탱크(80)의 하단부에는 솔더볼은 차단하고 오일은 통과시킬 수 있도록 필터(도면 미도시)가 내장된 차단밸브(81)가 설치되어 있다.

상기 볼탱크(80)의 저부에는 차단밸브(81)를 통하여 배출되는 오일을 저장하는 오일탱크(90)가 설치되어 있되, 그 오일탱크(90)의 상측에는 오일에 포함된 이물질을 분리시키는 거름망(91)이 설치되어 있다.

또한, 상기 오일탱크(90)의 하단부에는 펌프(93)가 구비된 공급관(92)이 연결되어 있고 그 공급관(92)의 상단은 분기되어 이동관(60)상에 설치된배출밸브(63)의 상/하부로 오일을 각각 공급할 수 있도록 연결되어 있고 그 이동관(60) 상에는 제1솔레노이드 밸브(94) 및 제2솔레노이드 밸브(95)가 각각 설치되어 있다.

그리고 상기 이동관(60) 상에는 샘플러(70)가 설치되어 있고 그 샘플러(70)는 배출밸브(63)의 상단에 'T'자 형상의 분기관(74)이 연결되어 있고 그 분기관(74)의 양단에는 제1밸브(71) 및 제2밸브(72)가 각각 설치되어 있으며 분기관(74)의 또다른 일단에는 솔더볼을 채취하기 위한 채취판(73)이 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작동상태를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 용융조(10)의 상측에 설치된 투입구(12)를 통하여 원료를 투입하고 그 용융조(10)가 가열되도록 가열수단(도면 미도시)을 작동시킴과 동시에 구동수단(21)을 작동시키면 그 구동수단(21)에 의해서 작동되는 교반날개(20)는 용융조(10)이 내부에서 회전되면서 용융조(10)에 공급된 원료를 교반시키게 되는 것이다.

이와 같이 용융된 용융금속은 턴디쉬(30)로 공급되게 되는 것이고 그 턴디쉬(30)에 공급된 용융금속은 분사부(40)에 설치된 진동자(41)가 진동함에 따라서 배출공(42)을 통하여 배출된다.

상기와 같이 배출되는 용융금속은 이동관(60)을 통하여 이동되는 것이며 상기 이동관(60)은 오일이 담겨진 오일챔버(50)에 내장되어 있으므로 용융금속은 오일에 접촉면서 냉각되는 것이다.

한편, 상기 용융금속이 냉각되면서 솔더볼로 성형될 때 그 솔더볼의 진구도,표면조도, 입도분포가 양호하게 될 수 있도록 이동관(60)의 상단부에 설치된 히터(61)가 작동되어 상기 솔더볼이 이동되는 경로상의 오일을 직접 가열시키게 되므로 솔더볼의 성형조건을 최적의 상태로 유지하게 되는 것이다.

이와 같이 오일을 통과하면서 성형된 솔더볼은 이동관(60)의 하부에 설치된 볼탱크(80)의 내부에 쌓여지게 되는 것이며 솔더볼의 성형과정 중 솔더볼의 성형 상태를 확인할 때에는 샘플러(70)를 이용하여 샘플링하는 것이다.

상기 솔더볼을 샘플링 할 때에는 분기관(74)에 설치된 제2밸브(72)를 닫고 제1밸브(71)를 열면 그 제1밸브(71)를 통하여 솔더볼의 일부가 이동되어 채취판(73)에 부착된다.

상기 채취판(73)에 솔더볼이 부착된 후 제1밸브(71)를 닫고 제2밸브(72)를 열면 상기 채취판(73)에 채취된 솔더볼은 제2밸브(72)를 통하여 외부로 배출되므로 솔더볼의 샘플링 작업이 완료되는 것이며 이와 같이 채취된 솔더볼을 확인하면서 성형조건을 변경시키면서 솔더볼을 연속적으로 성형하는 것이다.

상술한 바와 같이 솔더볼의 성형이 완료된 후 솔더볼을 세척하고자 할 때에는 차단밸브(81)와 제1솔레노이드 밸브(94)를 닫고 제2솔레노이드 밸브(95)와 차단밸브(81)를 개방시킨 상태에서 펌프(93)를 작동시키면 오일탱크(90)에 보관된 오일은 공급관(92)을 통하여 차단밸브(81)의 하부 즉 볼탱크(80)의 상부로 공급되므로 상기 볼탱크(80)에 보관된 솔더볼을 세척하게되는 것이며, 상기 볼탱크(80)에 저장된 솔더볼을 인출하면 솔더볼의 성형이 완료되는 것이다.

그리고 상기 오일챔버(50)에 충입된 오일은 배출관(62)을 통하여 배출시키고이동관(60)에 충입된 오일은 배출밸브(63)를 개방시키면 오일탱크(90)의 상부로 배출되는 것이다.

상기 오일탱크(90)의 상측에는 거름망(91)이 설치되어 있으므로 이물질은 그 거름망(91)에 의해서 분리되므로 오일탱크(90)에는 이물질의 유입이 차단되는 것이다.

그리고 솔더볼을 성형하고자 할 때에는 이동관(60)의 하부에 설치된 배출밸브(63)를 닫고 공급관(92) 상에 설치된 펌프(93)를 작동시키면 오일탱크(90)의 오일은 공급관(92)을 통하여 공급되는 것이며, 이때 제2솔레노이드 밸브(95)를 닫고 제1솔레노이드 밸브(94)를 개방시키면 상기 오일은 이동관(60)의 내부로 충입되므로 그 오일은 이동관(60)의 상부로 오버플로우되어 오일챔버(50)의 내에 충입되는 것으로서, 상술한 공정을 수행하면 솔더볼을 연속적으로 성형할 수 있게되는 것이다.

이와 같은 본 발명은 진동자의 연속적인 동작에 의해서 용융금속이 연속적으로 배출되어 솔더볼의 크기가 일정하게 유지됨은 물론 그 용융금속을 냉각시키는 오일에 히터를 설치하여 오일의 온도를 최적의 상태로 유지하게 되므로 진구도, 표면조도, 입도분포가 양호하며 재용융 특성이 뛰어난 솔더볼을 제조할 수 있게되는 것이다.

또한 본 발명은 내부의 압력이 변화되지 않은 상태에서 솔더볼을 샘플링 하게 되므로 연속적이 작업이 가능하게 되어 대량생산이 가능하게 되는 특유의 효과가 있다.

Claims (4)

1. 원료가 수용되는 수용홈(11)이 구비되고 상면에는 원료를 공급하는 투입구(12)가 형성된 용융조(10),

   상기 용융조의 상면 일측에 설치된 구동수단(21)에 의해서 회전되면서 용융조의 내부에 담겨진 원료를 교반시키는 교반날개(20),

   상기 용융조의 내부가 관통되게 용융조의 저면에 설치되어 용융조에서 용융된 용융금속이 저장되는 턴디쉬(30),

   상기 턴디쉬(30)의 저면에 설치되어 용융금속을 분사시키는 분사부(40),

   상기 분사부에서 분사되는 용융금속을 냉각시키는 오일이 충진되는 오일챔버(50),

   상기 분사부의 직하방에 위치되도록 오일챔버의 내부에 설치되고 저부에는 배출밸브(63)가 구비된 이동관(60),

   상기 이동관을 통하여 이동되는 솔더볼을 저장하기 위하여 이동관의 하단부에 설치된 볼탱크(80),

   상기 볼탱크를 통하여 배출되는 오일을 저장하는 오일탱크(90)를 포함함을 특징으로 하는 오일 적하방식의 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분사부는 턴디쉬의 하단부에 용융금속이 배출되는 배출공(42)이 형성되고 그 배출공의 상측에는 배출공을 통하여 용융금속이 순차적으로 배출되도록 배출공을 개폐시키는 진동자(41)를 포함함을 특징으로 하는 오일 적하방식의 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 이동관의 상단에는 분사부를 통하여 배출되어 이동되는 용융금속의 이동경로상의 오일을 직접가열 방식으로 가열하기 위한 히터(61)가 설치됨을 특징으로 하는 오일 적하방식의 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 이동관 상에는 솔더볼을 샘플링 할 수 있도록 샘플러(70)가 설치되어 있되, 그 샘플러는 이동관에 설치된 배출밸브의 상측에 'T'자 형상의 분기관(74)이 연결되고 그 분기관의 양단에는 제1밸브(71) 및 제2밸브(72)가 각각 설치되며 또다른 일단에는 솔더볼을 채취하기 위한 채취판(73)이 설치됨을 특징으로 하는 오일 적하방식의 반도체 패키지용 솔더볼 제조장치.