KR20050098692A - 솔더 리플로 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 솔더 리플로 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 소자가 장착된 기판에 부분적으로 열을 가하여 기판과 소자 간의 본딩을 수행하는 솔더 리플로 방법 및 장치에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 의한 솔더 리플로 방법은 패드가 형성되어 있는 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판을 열전도가 가능한 지그 상에 부착하는 단계와, 상기 기판 상의 패드에 솔더를 피킹하는 단계와, 상기 기판 상의 패드 위치에 대응하는 소자를 장착하는 단계와, 상기 지그에 열을 가하는 단계와, 상기 지그를 통해 상기 기판 상의 패드에 열이 전도되면서 상기 솔더가 용융되는 단계와, 상기 솔더의 용융에 의해 상기 패드와 상기 소자가 접착되면서 상기 기판과 상기 소자가 전기적으로 본딩되는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

솔더 리플로 방법 및 장치{SOLDER REFLOW METHOD AND APPARATUS}

본 발명은 솔더 리플로 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 표면실장 공정 중 소자가 장착된 기판에 부분적으로 열을 가하여 기판과 소자 간의 솔더링을 수행하는 솔더 리플로 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 광소자 또는 반도체소자를 기판에 본딩(bonding) 또는 솔더링(soldering)하는 공정 중에 솔더 리플로(solder reflow)라는 단계가 있다.

솔더 리플로 단계는 기판 상의 패드(pad)에 솔더크림을 피킹(picking)하고 그 위에 광소자 또는 반도체 소자를 표면실장 한 후 수행되는 것으로서, 광소자 또는 반도체 소자가 안착된 기판을 솔더 리플로 오븐(solder reflow oven)에 넣고 가열하여 솔더를 녹임으로써 기판과 소자를 융착시키는 단계를 말한다.

솔더 리플로 단계는 크게 네 가지 과정, 즉 예열(preheat), 소킹(soak), 리플로(reflow) 및 냉각(freezing) 과정으로 나눌 수 있다.

소자가 장착된 기판이 솔더 리플로 오븐에 들어가면, 먼저 예열 과정에서 솔더의 용융점 이하로 기판이 가열된다. 다음, 소킹 과정에서 솔더에 제공된 플럭스가 활성화되고 기판과 솔더의 온도가 균일해지고 안정화된다. 다음, 리플로 과정에서 온도는 급속히 증가하여 솔더의 용융점까지 도달하면서 솔더가 녹고, 마지막으로 냉각 과정에서 용융점 아래로 온도가 떨어지면서 솔더가 응고된다.

도 1은 종래 솔더 리플로 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 솔더 리플로 방법에서는 소자(1)가 장착된 기판(2)을 솔더 리플로 오븐에 넣고 가열하게 되면 기판(2)의 모든 부분으로 열(화살표 방향 참조)이 공급된다. 보통 패드(3) 상에 피킹되어 있는 솔더(4)의 용융점은 180℃ 정도가 되므로, 본딩을 위해서는 솔더 리플로 오븐의 내부 온도를 적어도 180℃ 까지 증가시켜야 한다. 그러나 기판에 장착되어 있는 소자가 고온의 열에 민감한 것이면, 고온 가열에 의해 소자의 특성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.

또한, 하청업체가 PCB 기판을 납품할 때, 예를 들어 주문업체가 「반도체 칩에 가해지는 온도를 80℃ 이하로 유지하면서 솔더링 작업을 해야 한다」라는 제작 스펙(SPEC)을 요구하는 경우, 종래 솔더 리플로 방법으로는 주문업체가 요구하는 제작 스펙을 만족시킬 수 없다는 문제점이 있다.

물론 주문업체가 이러한 제작 스펙을 요구하면, 수작업 또는 자동화 로봇을 이용하여 기판을 제작할 수도 있으나, 수작업의 경우 다수의 인원이 필요하고 작업에 소요되는 시간이 많아서 생산성이 떨어지고 다량의 불량품이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 자동화 로봇을 이용하는 경우 인원 문제 및 불량품 문제는 해결될 수 있으나 고가의 비용이 들고 유지 보수에 어려움이 있을 수 있다. 더욱이, BGA(Ball Grid Array) 방식의 소자인 경우에는 수작업으로도, 자동화 로봇에 의한 방법으로도 솔더링을 수행할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 기판에 장착되는 소자의 특성에 영향을 주지 않고 주문업체가 요구하는 제작 스펙을 만족시키면서 적은 비용과 노력으로 기판과 소자 간의 솔더링을 수행할 수 있는 솔더 리플로 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명에 의한 솔더 리플로 방법은 패드가 형성되어 있는 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판을 열전도가 가능한 지그 상에 부착하는 단계와, 상기 기판 상의 패드에 솔더를 피킹하는 단계와, 상기 기판 상의 패드 위치에 대응하는 소자를 장착하는 단계와, 상기 지그에 열을 가하는 단계와, 상기 지그를 통해 상기 기판 상의 패드에 열이 전도되면서 상기 솔더가 용융되는 단계와, 상기 솔더의 용융에 의해 상기 패드와 상기 소자가 접착되면서 상기 기판과 상기 소자가 전기적으로 본딩되는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 솔더 리플로 장치는 소자가 장착된 기판을 부착시키는 지그와, 상기 지그에 열을 가하는 히터와, 상기 지그를 이동시키는 구동부와, 상기 지그의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 온도센서의 측정값을 입력 받아 상기 구동부를 제어하는 마이크로프로세서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 명세서에 첨부된 도면 전체에 걸쳐서, 동일한 부분 또는 대응되는 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 있음에 유의한다.

도 2는 본 발명에 의한 솔더 리플로 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2(a)에 도시된 바와 같이, 먼저 패드(3)가 형성되어 있는 기판(2)을 준비한다. 패드(3)는 기판(2)과 반도체 소자 등이 전기적으로 접촉되는 부분으로서, 기판(2)에 패턴을 그린 후 에칭을 통해 형성할 수 있다.

다음, 패드(3)가 형성되어 있는 기판(2)을 본 발명의 실시예에 의한 지그(5)에 부착한다. 지그(5)는 리플로 단계에서 기판(2)을 고정시키고 기판(2)으로 열을 전달하는 기능을 수행한다.

기판(2)을 지그(5)에 부착한 후, 솔더 크림(solder cream)을 사용하여 기판(2) 상의 패드(3)에 솔더(4)를 피킹(picking)한다. 이어서, 솔더가 묻어 있는 패드(3) 위치에 대응하는 소자(1)를 표면 실장한다.

상기와 같이, 기판(2) 상에 소자(1)의 표면 실장이 완료되면 히터(6)를 동작시키고, 지그(5)를 이동시켜 지그(5)가 히터(6)에 접촉되도록 한다. 지그(5)가 히터(6)에 접촉되면 히터(6)에서 발생한 열이 지그(5)에 전달되면서 지그(5)가 가열되기 시작한다. 도 2(b)는 지그(5)가 하부의 히터(6)에 접촉된 후, 히터(6)에서 발생한 열(화살표 방향 참조)에 의해 지그(5)가 가열되고 있는 것을 도식적으로 나타내고 있다.

지그(5)가 가열되고 이 지그(5)를 통해 기판(2) 상의 패드(3)에 열이 전도되면서 패드(3) 위에 묻혀 있는 솔더(4)가 용융되기 시작한다. 이 때 냉각 팬 등의 방열장치를 가동시켜 기판(2)의 패드(3)를 통해 소자(1)로 열이 전달되는 것을 억제할 수 있다. 솔더(4)의 용융점은 대략 200℃ 이므로, 지그(5)의 온도가 200℃ 정도가 되면 패드(3) 위의 솔더(4)가 녹게 된다. 솔더(4)의 용융에 의해 소자(1) 및 패드(3)가 상호 융착되고 기판(2)과 소자(1)가 전기적으로 본딩(bonding)된다.

다음, 지그(5)가 위로 이동하여 히터(6)에서 떨어지고, 솔더(4)가 냉각되면서 응고되어 소자(1)와 기판(2)간의 솔더링이 완료된다. 이 때, 지그(5)는 히터(6)에서 떨어지면서 자연적으로 냉각되는 것과 함께 냉각 팬 등의 냉각장치에 의해 신속히 냉각된다.

도 3은 본 발명에 의한 솔더 리플로 장치의 구성도를 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 솔더 리플로 장치는 기판(2)을 부착시키는 지그(5)와, 지그(5)에 열을 가하는 히터(6)와, 지그(5)를 이동시키는 구동부(9)와, 지그(5)의 온도를 측정하는 온도센서(7)와, 지그(5) 및 소자(1)를 냉각시키는 냉각장치(10)와, 온도센서(7)의 측정값을 입력 받아 구동부(9) 및 냉각장치(10)를 제어하는 마이크로프로세서(8)로 구성되어 있다.

지그(5)는 히터(6)에서 발생한 열을 기판(2)의 패드(3)에 전달할 수 있도록 열전도가 가능한 금속물질로 이루어져 있으며, 일반적으로 금속판으로 제작될 수 있다.

한 편, 본 발명의 실시예에서는 도 4(a)와 같이 휴대폰에 내장되는 카메라 칩(1)과 같은 모듈 또는 원자재가 표면 실장되는 연성기판(FPCB)(2)을 사용한다. 연성기판(2)은 일반 PCB 기판과 달리 유연성이 있어서 지그(5) 상에 올려놓으면 밀착되지 않고 들뜨기 때문에 리플로 시 열전도가 제대로 이루어지지 않을 가능성이 있다.

따라서 지그(5) 상에 연성기판(2)의 전체 모양을 음각시키거나 적어도 연성기판(2)에서 카메라 칩(1)과 본딩되는 부분(도 4(a)의 점원 부분)의 모양을 음각시켜서, 그 음각된 부분에 연성기판(2)이 고정될 수 있도록 한다. 음각된 부분에 연성기판(2)이 부착 고정되면, 연성기판(2)의 패드(3)는 지그(5)를 통해 전달되는 열을 효과적으로 받을 수 있게 된다.

도 4(b)는 본 발명의 실시예에 따라 지그(5)에 연성기판(2)이 부착되어 있는 것을 나타낸 평면도이다. 도 4(b)에서는 지그(5)에 4개의 연성기판(2)이 세로 방향으로 나란히 배열되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 연성기판(2)의 종류 및 크기에 따라 다양한 배열이 가능하다. 따라서 지그(5)는 그 위에 부착되는 기판(2)에 따라 다양하게 준비될 수 있고, 솔더 리플로 장치에서 교체 삽입될 수 있다.

히터(6)는 지그(5)의 하부에 위치하여 지그(5)에 열을 공급하는 부분이다. 종래 솔더 리플로 오븐에서는 도 1과 같이 기판 및 소자의 모든 방향으로 열이 공급되었으나, 본 발명에서는 히터(6)가 지그(5)와 접촉되어 아래 방향에서만 열을 공급하고 있다.

구동부(9)는 지그(5)를 상하로 이동시키는 부분으로서, 리플로 시 지그(5)를 아래로 이동시켜 히터(6)에 접촉시키고, 기판(2)과 소자(1)간 융착이 이루어지면 지그(5)를 위로 이동시켜 히터(6)에서 떨어지게 한다.

온도센서(7)는 지그(5)의 온도를 측정하는 부분으로서, 금속판으로 제작된 지그(5)의 온도를 정확히 측정할 수 있도록 지그(5)의 양단에 온도센서를 설치한다. 즉, 금속판의 온도분포가 균일하지는 않기 때문에 양단에 설치된 온도센서로부터 측정값을 받아 보다 정확한 지그(5)의 온도를 측정할 수 있다.

냉각장치(10)는 지그(5)가 히터(6)에서 떨어지면서 자연 냉각되는 것과 함께 지그(5)의 열을 방출시켜 지그(5) 및 소자(1)가 신속히 냉각될 수 있도록 한다.

마이크로프로세서(8)는 솔더 리플로 장치의 전체적인 동작을 제어하는 부분으로서, 온도센서(7)의 측정값을 입력 받고 구동부(9) 및 냉각장치(10)에 제어신호를 보내어 지그(5)의 상하 이동 및 냉각장치(10)의 구동을 제어하는 역할을 수행한다.

이제, 상기와 같이 구성된 솔더 리플로 장치의 동작을 구체적으로 설명한다.

지그(5)에 기판(2)을 부착하고 기판(2) 상에 원하는 소자(1)를 표면 실장한 후 솔더 리플로 장치를 가동시키면, 히터(6)가 동작하고 마이크로프로세서(8)가 구동부(9)에 제어신호를 보낸다. 구동부(9)는 제어신호에 따라 지그(5)를 아래 방향으로 이동시킨다.

지그(5)가 아래 방향으로 이동하여 하부의 히터(6)에 접촉하면 구동부(9)의 동작은 정지된다. 다음, 히터(6)에서 발생된 열은 열전도 현상에 의해 지그(5)에 전달된다. 이 때, 지그(5)를 통해 열이 기판(1)에 전달되어 소자(2)에 열로 인한 큰 영향을 주지는 않지만, 소자(2)가 장착되어 있는 위치에 냉각 팬 등의 방열장치(미도시)를 부가적으로 설치하여 소자(2)로의 열전도를 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, 지그(5)가 가열되고 있을 때 방열장치를 가동시켜 소자(2)에 열이 전달되는 것을 사전에 억제할 수 있다.

지그(5)에 설치된 온도센서(7)는 지그(5)의 온도를 측정하여 그 측정값을 마이크로프로세서(8)에 전달한다. 마이크로프로세서(8)가 계속적으로 온도센서(7)로부터 측정값을 입력 받다가, 소정의 측정값(예를 들어, 솔더(4)의 용융점 180℃)을 입력 받으면 구동부(9)에 제어신호를 보낸다.

제어신호를 받은 구동부(9)는 지그(5)를 위 방향으로 이동시켜서 지그(5)가 히터(6)로부터 떨어지게 한다. 이와 같이 지그(5)가 소정의 온도에 도달할 때 지그(5)를 히터(6)에서 떨어뜨림으로써, 소자(1)에 고온의 열이 도달되어 소자(1)의 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 마이크로프로세서(8)는 히터(6)로부터 지그(5)가 떨어지면 냉각장치(10)에 제어신호를 보내어 냉각장치(10)를 구동시킨다. 냉각장치(10)는 냉각 팬 등으로 구성되어 제어신호를 받으면 팬이 회전하면서 지그(5) 및 소자(1)의 열을 방출시킨다. 지그(5)는 자연 냉각과 함께 냉각장치(10)에 의해 신속히 냉각되면서 솔더(4)가 응고되고 기판(1)과 소자(2)간의 전기적 본딩이 완료된다.

상기와 같이, 종래 솔더 리플로 오븐에서 본딩을 수행할 때 모든 방향으로 열이 공급되어 표면 실장되는 소자의 특성을 저하시키는 문제점이 있었으나, 본 발명은 기판에 부분적으로 열을 가함으로써 원하는 기판 부분에만 전도열을 이용하여 본딩을 할 수 있기 때문에, 소자의 특성에 전혀 영향을 주지 않고 기판과 소자 간의 본딩을 수행할 수 있는 효과가 있다.

특히, 열에 민감한 카메라 칩을 연성기판에 장착할 때 적은 비용과 노력으로 주문업체가 요구하는 까다로운 제작 스펙을 만족시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 솔더 리플로 방법을 설명하기 위한 도면.

도 2는 본 발명에 의한 솔더 리플로 방법을 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명에 의한 솔더 리플로 장치의 구성도.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 기판 및 지그의 예시도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **

1 : 소자 2 : 기판

3 : 패드 4 : 솔더

5 : 지그 6 : 히터

7 : 온도센서 8 : 마이크로프로세서

9 : 구동부 10 : 냉각장치

Claims (14)

1. 패드가 형성되어 있는 기판을 준비하는 단계와,

   상기 기판을 열전도가 가능한 지그 상에 부착하는 단계와,

   상기 기판 상의 패드에 솔더를 피킹하는 단계와,

   상기 기판 상의 패드 위치에 대응하는 소자를 장착하는 단계와,

   상기 지그에 열을 가하는 단계와,

   상기 지그를 통해 상기 기판 상의 패드에 열이 전도되면서 상기 솔더가 용융되는 단계와,

   상기 솔더의 용융에 의해 상기 패드와 상기 소자가 접착되면서 상기 기판과 상기 소자가 전기적으로 본딩되는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 지그를 히터에 접촉시켜 열을 가하는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 지그가 소정의 온도에 이르게 되면 상기 히터에서 떨어지는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 소자는 휴대폰에 내장되는 카메라 칩인 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 전기적인 본딩 후 냉각장치에 의해 상기 지그 및 상기 소자가 냉각되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 지그에 열을 가하는 동안 상기 소자로의 열전달을 억제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 방법.
7. 소자가 장착된 기판을 부착시키는 지그와,

   상기 지그에 열을 가하는 히터와,

   상기 지그를 이동시키는 구동부와,

   상기 지그의 온도를 측정하는 온도센서와,

   상기 온도센서의 측정값을 입력 받아 상기 구동부를 제어하는 마이크로프로세서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 지그가 상기 히터에 의해 가열될 때 상기 구동부는 상기 지그를 이동시켜 상기 히터에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 장치.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 지그는 상기 히터의 열을 상기 기판에 전달할 수 있는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 장치.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 지그는 부착되는 기판에 따라 교체 가능한 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 장치.
11. 제 7항에 있어서,

    상기 지그가 가열되면서 상기 마이크로프로세서는 상기 온도센서로부터 계속적으로 측정값을 입력 받다가, 소정의 측정값을 입력 받으면 상기 구동부에 제어신호를 보내어 상기 지그가 상기 히터에서 떨어지도록 하는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 장치.
12. 제 1항에 있어서,

    상기 지그 및 상기 소자를 냉각시키는 냉각장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 장치.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 냉각장치는 상기 지그가 상기 히터에서 떨어질 때 구동되는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 장치.
14. 제 1항에 있어서,

    상기 지그가 가열될 때 상기 소자로의 열전달을 억제하는 방열장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로 장치.