KR20060115145A - 침지형 냉각부를 구비하는 무연 솔더 리플로우 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 침지형 냉각부를 구비하는 무연 솔더 리플로우 장치에 관한 것으로서, 냉각수 침지에 의한 급랭 방식으로 무연 솔더 볼을 냉각한다. 솔더 리플로우 장치의 냉각부는 냉각수가 담긴 냉각수 탱크를 구비한다. 무연 솔더 볼이 형성된 반도체 제품은 이송 벨트를 통하여 냉각수 탱크 안의 냉각수에 침지되며 초당 10℃ 이상의 비율로 급속히 냉각된다. 따라서 무연 솔더 볼의 표면에 수지상 결정이 형성되거나 솔더 조직에 금속간 화합물이 형성되는 것을 방지하여 무연 솔더 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

무연 솔더 볼, 냉각, 급랭, 침지, 수지상 결정, 금속간 화합물

Description

침지형 냉각부를 구비하는 무연 솔더 리플로우 장치{LEAD-FREE SOLDER REFLOW APPARATUS HAVING DIP-TYPE COOLING UNIT}

도 1a 및 도 1b는 일반적인 무연 솔더 볼의 냉각 과정에서 발생하는 불량 현상을 보여주는 사진들이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무연 솔더 리플로우 장치의 개략적인 구성도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무연 솔더 리플로우 장치의 침지형 냉각부를 나타내는 단면도이다.

도 4a 내지 도 4d는 서랭 방식과 급랭 방식으로 냉각한 무연 솔더 볼의 상태를 비교하여 보여주는 사진들이다.

<도면에 사용된 참조 번호의 설명>

20: 반도체 제품 100: 솔더 리플로우 장치

110: 가열부 111: 히터

120: 냉각부 121: 냉각수

122: 냉각수 탱크 123: 개구부

124: 펌프 125: 냉각수 유입구

126: 냉각수 유입관 127: 히터

130: 건조부 131: 공기 분사기

140: 이송 벨트

본 발명은 솔더 리플로우 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 무연 솔더 볼의 용융 후 냉각 공정에서 냉각수 침지 방식을 이용하는 솔더 리플로우 장치에 관한 것이다.

솔더 리플로우 장치는 반도체 패키지에 솔더 볼을 형성할 때 및 솔더 볼이 형성된 반도체 패키지를 인쇄회로기판에 실장할 때 사용되는 장치이다. 일반적으로 솔더 리플로우 장치는 가열부와 냉각부로 이루어지며, 세척부와 건조부가 별도의 설비로 구성된다.

잘 알려진 바와 같이 솔더 볼의 소재는 주로 주석/납(Sn/Pb)이 사용되어 왔다. 주석/납 성분의 솔더 볼은 대략 200℃ 안팎의 용융점을 갖기 때문에 솔더 볼을 접합하려면 이보다 높은 온도로 열을 가해야 한다. 한편, 높은 온도에서 공정이 진행되다 보면 반도체 패키지에 열적 손상이 가해질 우려가 있으므로 솔더 볼 접합 후에는 바로 냉각을 시켜줘야 한다. 따라서 솔더 리플로우 장치는 가열부와 냉각부를 필수적으로 갖추고 있다.

한편, 근래에 들어 환경 문제를 유발하는 납의 사용이 엄격히 규제되면서 납 성분이 없는 소재로 이루어진 무연 솔더(lead-free solder)의 사용이 점차 늘고 있 다. 무연 솔더는 주석을 주성분으로 하되, 납 대신에 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 비스무트(Bi) 등의 소재를 사용한다. 그런데 무연 솔더를 적용한 솔더 볼은 솔더 볼 용융 후 냉각 과정에서 여러 문제점들을 발생시키고 있다.

첫 번째 문제점은 솔더 볼 냉각시에 솔더 볼 표면에 형성되는 수지상 결정(dendrite)이다. 수지상 결정은 도 1a에 나타난 바와 같이 수많은 기공(11)들을 포함하는데, 이러한 기공들의 내부에 물이나 기타 이물질들이 잔류하게 되면 패키지 실장시 솔더 계면의 접합력을 약화시키고 솔더 접합부의 크랙(crack)을 유발할 수 있다. 특히, 칩 스케일 패키지(chip scale package)와 같이 반도체 패키지가 소형화되면서 솔더 볼의 크기가 점점 작아질수록 솔더 접합부의 크랙은 더욱더 치명적인 문제가 된다.

무연 솔더 볼의 냉각 과정에서 나타나는 두 번째 문제점은 솔더 조직에 새롭게 형성되는 금속간 화합물이다. 예컨대 무연 솔더로 널리 사용되는 주석/구리/은 합금의 경우, 도 1b에 나타난 바와 같이 새로운 합금인 Ag₃Sn, Cu₆Sn₅ 등이 형성되고 있다. 이러한 금속간 화합물은 솔더 조직을 변화시켜 솔더 볼의 외형을 변형시키거나 솔더 볼의 외부로 돌출하여 이웃하는 솔더 볼과 전기적 단락을 유발할 수 있다. 특히, 이와 같은 현상은 개별 패키지 단위가 아닌 웨이퍼 단위로 솔더 볼 공정이 진행되는 웨이퍼 레벨 패키지(wafer level package)에서 더욱 심하게 나타난다. 더욱이, 웨이퍼의 크기가 8인치에서 12인치로 대구경화되면서 냉각 속도가 늦어지기 때문에 금속간 화합물은 더욱더 심각한 문제로 대두되고 있다.

이상 설명한 문제들은 모두 무연 솔더의 냉각 방식과 관련이 있다. 종래의 솔더 리플로우 장치는 물 순환 방식을 이용하거나 또는 공기와 같은 기체를 분사하는 방식을 이용하여 솔더 볼을 냉각하고 있다. 이러한 냉각 방식은 냉각 온도 변화율이 초당 수℃(예컨대, 3~5℃/초)에 불과한 서랭(徐冷) 방식이다. 서랭 방식은 솔더 용융 후의 냉각 속도가 빠르지 않기 때문에 솔더 볼 표면이 수지상 결정으로 거칠게 형성되고 솔더 조직에 금속간 화합물이 형성되는 원인으로 작용한다.

따라서 본 발명의 목적은 무연 솔더 볼의 용융 후 냉각 과정에서 나타나는 수지상 결정 및 금속간 화합물의 발생을 방지할 수 있는 솔더 리플로우 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 무연 솔더 볼의 접합력을 향상시키고 변형 및 전기적 단락을 방지할 수 있는 솔더 리플로우 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 무연 솔더 볼을 적용하는 반도체 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 솔더 리플로우 장치를 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 무연 솔더 볼의 용융 후 냉각 공정에서 냉각수 침지 방식을 이용하는 솔더 리플로우 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 솔더 리플로우 장치는 이송 벨트와 가열부와 냉각부를 포함한다. 이송 벨트는 솔더 볼이 형성된 반도체 제품을 적재하여 이송시키며, 가열부는 이송 벨트를 통과시키며 솔더 볼에 열을 가하여 용융시킨다. 또한, 냉각부는 가 열부에 이웃하여 배치되고, 이송 벨트를 통과시키며, 용융된 솔더 볼을 냉각시킨다. 특히, 본 발명에 따른 솔더 리플로우 장치의 냉각부는 냉각수가 담긴 냉각수 탱크를 구비한다. 냉각수의 수위는 적어도 일부가 이송 벨트에 적재된 반도체 제품보다 높고, 솔더 볼은 냉각수에 침지되어 급랭된다.

본 발명에 따른 솔더 리플로우 장치에 있어서, 냉각부는 이송 벨트와 반도체 제품이 통과되도록 냉각수 탱크의 양쪽 측벽에 형성된 개구부와, 냉각수 탱크의 하단에 설치되어 냉각수 탱크 안으로 냉각수를 공급하는 펌프를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 솔더 리플로우 장치에 있어서, 냉각부는 개구부와 인접하여 냉각수 탱크의 바깥쪽에 형성된 냉각수 유입구와, 냉각수 유입구와 펌프를 연결하는 냉각수 유입관을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 솔더 리플로우 장치에 있어서, 이송 벨트는 정지와 순환을 반복하는 단속 구동 방식으로 구동될 수 있다.

본 발명의 솔더 리플로우 장치에 적용되는 솔더 볼은 무연 솔더로 이루어질 수 있다.

실시예

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 보다 명확히 전달하 기 위함이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무연 솔더 리플로우 장치(100)의 개략적인 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예의 무연 솔더 리플로우 장치(100)는 가열부(110), 냉각부(120), 건조부(130), 이송 벨트(140)로 구성된다. 가열부(110)와 냉각부(120)와 건조부(130)는 연속적으로 이웃하여 배치되며, 이송 벨트(140)는 가열부(110), 냉각부(120), 건조부(130) 내부를 순차적으로 통과하도록 설치된다. 이송 벨트(140) 위에는 무연 솔더 볼이 형성된 반도체 제품(20)들이 다수 개 적재된다. 반도체 제품(20)은 개별 반도체 패키지일 수도 있고 반도체 웨이퍼일 수도 있다.

가열부(110)는 솔더 볼을 용융시켜 접합을 이룰 수 있도록 열을 가하는 구역이다. 따라서 가열부(110)는 소정의 열을 가할 수 있도록 히터(111)를 구비하고 있다. 히터(111)는 예열 영역, 안정화 영역, 피크(peak) 온도를 가지는 통상적인 솔더 리플로우 공정 조건에 따라 열을 발생시킨다. 피크 온도는 솔더 볼의 용융점보다 다소 높도록 설정된다. 예를 들어 무연 솔더가 주석/은/구리로 이루어지고 중량비가 96.5:3:0.5인 경우, 솔더 볼의 용융점은 217℃이므로 피크 온도는 약 230℃ 이상으로 설정된다.

냉각부(120)는 솔더 볼 접합이 완료된 반도체 제품(20)을 냉각시키는 구역이다. 특히, 본 발명에 따른 솔더 리플로우 장치(100)의 냉각부(120)는 냉각수 침지 에 의한 급랭(急冷) 방식을 이용하는 침지(浸漬)형 냉각부이다. 따라서 냉각부(120)는 냉각수(121)가 담긴 냉각수 탱크(122)를 구비하고 있다. 냉각부(120)에 대해서는 뒤에서 자세히 설명하겠다. 한편, 본 실시예의 솔더 리플로우 장치(100)는 냉각부(120)가 세척 작업도 동시에 수행할 수 있으므로 종래의 솔더 리플로우 장치와 달리 별도의 세척부를 설치하지 않아도 된다.

건조부(130)는 냉각 및 세척 작업이 완료된 반도체 제품(20)을 건조시키는 구역이다. 건조부(130)는 공기 분사기(131)를 구비하며 공기 분사기(131)를 통해 고온 건조 공기를 분사하여 건조 작업을 수행한다.

이송 벨트(140)는 가열부(110)와 냉각부(120)와 건조부(130) 내부를 순환한다. 따라서 이송 벨트(140) 위에 적재된 반도체 제품(20)들에 대하여 솔더 볼 접합, 냉각 및 세척, 건조 작업이 연속적으로 이루어질 수 있다. 이송 벨트(140)는 정지 없이 일정한 속도로 계속 순환하는 계속(繼續) 구동 방식으로 구동될 수도 있고, 정지와 순환을 반복하는 단속(斷續, step by step) 구동 방식으로 구동될 수도 있다. 특히, 단속 구동 방식은 가열부(110)에서 냉각부(120)로 이송할 때 이송 속도를 빠르게 함으로써 냉각수 침지에 의한 급랭 방식의 효율을 더 높일 수 있다.

이어서, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 무연 솔더 리플로우 장치의 침지형 냉각부(120)에 대하여 보다 자세히 설명하겠다.

침지형 냉각부(120)는 냉각수(121)가 담긴 냉각수 탱크(122)를 포함한다. 냉각수 탱크(122)의 양쪽 측벽에는 이송 벨트(140)와 그 위에 놓인 반도체 제품(20)이 통과할 수 있도록 개구부(123)가 형성된다. 반도체 제품(20)은 이송 벨트(140) 에 의하여 냉각수 탱크(122) 안으로 들어오며 냉각수(121)에 의하여 냉각됨과 동시에 세척된다.

냉각수 탱크(122) 내부에 있는 냉각수(121)의 수위는 적어도 일부가 반도체 제품(20)보다 높아야 한다. 그런데 개구부(123)의 하단은 이송 벨트(140)보다 낮기 때문에 개구부(123)를 통하여 냉각수(121)가 빠져나가면 원하는 수위를 유지할 수 없다. 따라서 냉각수 탱크(122)의 하단에 펌프(124)를 설치하여 개구부(123)를 통한 냉각수(121)의 유출량 만큼 냉각수(121)를 계속 공급해 준다. 이와 같이 펌프(124)를 이용하면 흘러 넘침(overflow) 방식으로 냉각수(121)의 수위를 지속적으로 적절하게 유지할 수 있다.

냉각수 탱크(122)의 바깥쪽에는 개구부(123)와 인접하여 냉각수 유입구(125)가 형성된다. 냉각수 유입구(125)는 개구부(123)를 통하여 유출되는 냉각수(121)가 모이는 장소이다. 냉각수 유입구(125)의 하단에는 냉각수 유입관(126)이 연결되며, 냉각수 유입관(126)은 펌프(124) 쪽으로 연결된다. 따라서 냉각수 유입구(125) 안으로 유출된 냉각수(121)는 냉각수 유입관(126)과 펌프(124)를 통하여 다시 냉각수 탱크(122) 안으로 공급된다. 이와 같이 냉각수(121)의 순환을 이용하면 일정량의 냉각수(121)만으로도 지속적인 공정 진행이 가능하다. 냉각수 탱크(122)에는 냉각수(121)의 온도를 조절하기 위하여 히터(127)와 같은 구성요소들을 설치할 수 있다.

이상 설명한 침지형 냉각부는 솔더 볼이 접합된 반도체 부품을 냉각수 침지 방식으로 냉각시키는 것이므로 솔더 볼의 급랭이 가능하다. 종래의 서랭 방식과 비 교하면, 급랭 방식은 냉각 온도 변화율이 10℃/초 이상이다. 급랭 방식은 수지상 결정이나 금속간 화합물이 형성될 수 있는 시간 여유를 주지 않고 솔더 볼을 신속하게 냉각하는 것이다. 따라서 급랭 방식은 무연 솔더 볼의 표면에 수지상 결정이 형성되거나 솔더 조직에 금속간 화합물이 형성되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 효과를 확인하기 위하여 서랭 실험과 급랭 실험을 실시하였다. 그 결과에 따른 것으로, 도 4a 내지 도 4d는 서랭 방식과 급랭 방식으로 냉각한 무연 솔더 볼의 상태를 비교하여 보여주는 사진들이다. 도 4a와 도 4b는 서랭 방식으로 냉각한 솔더 볼을, 도 4c와 도 4d는 급랭 방식으로 냉각한 솔더 볼을 각각 보여준다. 또한, 도 4a와 도 4c는 솔더 볼의 표면 상태를 1000배 확대한 사진이며, 도 4b와 도 4d는 솔더 볼의 내부 조직을 2000배 확대한 사진이다.

서랭 실험은 냉각 온도 변화율이 0.5~1℃/초가 되는 조건으로, 급랭 실험은 냉각 온도 변화율이 30~35℃/초가 되는 조건으로 실시하였다. 실험 후 메칠 알콜에 질산 5%를 혼합한 용액에 무연 솔더 볼을 약 15초간 전처리를 하고 솔더 볼의 표면 상태와 내부 조직을 관찰하였다. 도 4a와 도 4c를 비교하면, 서랭된 솔더 볼의 표면에서는 매우 거친 수지상 결정이 나타났으나(도 4a), 급랭된 솔더 볼의 표면은 매끄러운 상태를 보였다(도 4c). 도 4b와 도 4d를 비교하면, 서랭된 솔더 볼의 내부 조직에서는 금속간 화합물에 의한 그물 형태의 구조를 볼 수 있었고(도 4b), 급랭된 솔더 볼의 내부 조직에서는 미세한 금속 구조를 관찰할 수 있었다(도 4d).

다른 실험으로, 솔더 볼의 특성 변화를 알아보기 위하여 솔더 볼 전단강도(shear strength)를 측정하였다. 이 실험에서도 서랭보다 급랭의 경우에 솔더 볼의 전단강도가 더 우수함을 확인할 수 있었다.

또 다른 실험으로, 솔더 볼의 실장 신뢰성을 검사하였다. 이 실험은 모두 다섯 개의 인쇄회로기판에 각각 356개씩 모두 1780개의 솔더 볼을 대상으로 하였으며, 패키지에 솔더 볼을 형성할 때와 솔더 볼을 통하여 인쇄회로기판에 패키지를 실장할 때의 냉각 조건을 달리하였다. 그리고 -25℃~150℃의 범위에서 온도 순환(temperature cycle)을 실시한 후, 솔더 접합부에 크랙이 발생한 솔더 볼의 개수를 조사하였다. 실험 조건과 그 결과는 다음 표 1과 같다.

	냉각 조건		온도 순환
	볼 형성	패키지 실장	1000회	1500회	2000회
서랭	0.5~1℃/초	2~2.5℃/초	0개	1개	1개
급랭	30~35℃/초	6~7℃/초	0개	0개	1개

위 표 1에 나타난 바와 같이, 급랭을 이용한 솔더 접합부의 신뢰성이 서랭을 이용한 솔더 접합부의 신뢰성보다 더 우수한 것으로 나타났다.

지금까지 실시예를 통하여 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 솔더 리플로우 장치는 냉각수 침지에 의한 급랭 방식으로 무연 솔더 볼을 급속히 냉각시킴으로써 무연 솔더 볼의 표면에 수지상 결정이 형성되거나 솔더 조직에 금속간 화합물이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 수지상 결정에 의하여 야기되는 솔더 계면 접합력 약화, 솔더 접합부 크랙 등을 방지할 수 있으며, 금속간 화합물에 의하여 야기되는 솔더 볼 변형, 솔더 볼의 전기적 단락 등을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 솔더 리플로우 장치는 냉각수 침지 방식을 이용하므로 솔더 볼 냉각과 함께 세척 작업을 동시에 수행할 수 있다. 따라서 별도의 세척부를 설치하지 않아도 되며 장치 전체의 크기를 줄일 수 있는 이점이 있다. 아울러, 이송 벨트의 구동 방식을 단속 구동 방식으로 채택하면 냉각수 침지에 의한 급랭 방식의 효율을 더 높일 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 솔더 리플로우 장치는 무연 솔더 볼 제품에 유용하게 적용할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 솔더 리플로우 장치는 칩 스케일 패키지 및 웨이퍼 레벨 패키지와 같이 근래에 주목받고 있는 패키지 유형에서 더 큰 효과를 볼 수 있으며, 대구경 웨이퍼의 경우에 더욱더 효과를 발휘할 수 있다.

본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (5)

1. 솔더 볼이 형성된 반도체 제품을 적재하여 이송시키는 이송 벨트와, 상기 이송 벨트를 통과시키며 상기 솔더 볼에 열을 가하여 용융시키는 가열부와, 상기 가열부에 이웃하여 배치되고 상기 이송 벨트를 통과시키며 상기 용융된 솔더 볼을 냉각시키는 냉각부를 포함하는 솔더 리플로우 장치에 있어서,

   상기 냉각부는 냉각수가 담긴 냉각수 탱크를 구비하며, 상기 냉각수의 수위는 적어도 일부가 상기 이송 벨트에 적재된 상기 반도체 제품보다 높고, 상기 솔더 볼은 상기 냉각수에 침지되어 급랭되는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로우 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각부는 상기 이송 벨트와 상기 반도체 제품이 통과되도록 상기 냉각수 탱크의 양쪽 측벽에 형성된 개구부와, 상기 냉각수 탱크의 하단에 설치되어 상기 냉각수 탱크 안으로 상기 냉각수를 공급하는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로우 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 냉각부는 상기 개구부와 인접하여 상기 냉각수 탱크의 바깥쪽에 형성된 냉각수 유입구와, 상기 냉각수 유입구와 상기 펌프를 연결하는 냉각수 유입관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로우 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 이송 벨트는 정지와 순환을 반복하는 단속 구동 방식 으로 구동되는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로우 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 솔더 볼은 무연 솔더로 이루어지는 것을 특징으로 하는 솔더 리플로우 장치.

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