KR20090008239A

KR20090008239A - 납땜 공정 개선을 위한 열 전도 미터 분석기

Info

Publication number: KR20090008239A
Application number: KR1020087025328A
Authority: KR
Inventors: 브라이언 데람; 닉 신퀴노; 폴 클리마
Original assignee: 캐스터, 인크.
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2009-01-21
Also published as: CA2648768C; JP2009533695A; CN101437641A; CN101437641B; WO2007126749A1; EP2007540A1; US20070241165A1; CA2648768A1; JP5249198B2; US7653511B2

Abstract

납땜 공정에서 플럭스의 성능은, 맞물린 금속 트레이스를 갖는 프로브 및 온도 센서를 이용하여 측정된 전기 전도도를 통해 플럭스의 활성도를 모니터링함으로써 평가된다. 측정된 전도도-온도 시간 프로파일은, 주어진 응용에 대한 적합한 플럭스 구성 및 납땜 상태를 선택하고, 납땜 공정 문제의 원인을 결정하고 개선된 플럭스 구성을 전개하기 위해, 유용한 정보를 제공한다.

Description

납땜 공정 개선을 위한 열 전도 미터 분석기{THERMOCONDUCTIMETRIC ANALYZER FOR SOLDERING PROCESS IMPROVEMENT}

본 발명은 산업 공정의 제어, 특히 전자 회로에서 구성요소를 상호 연결하는데 사용된 납땜 공정의 제어에 관한 것이다.

현대 마이크로 전자 회로는 일반적으로 인쇄 배선 보드(PWB: Printed Wiring Board)를 통해 상호 연결된 전자 구성요소 및 디바이스를 포함하며, 상기 PWB는 상호 연결 배선의 역할을 하는 구리 라인과, 구성요소 및 디바이스 리드가 납땜되는 표면 접촉 패드를 포함한다. PWB는 다른 기능들, 예를 들어 에지 연결 또는 회로 테스트 지점을 제공하는 금속 표면 패드를 포함할 수 있다. PWB 라인 및 패드는 무전해 구리 증착, 포토리소그래피 및 구리 전기 증착의 조합에 의해 일반적으로 폴리머 적층물 또는 세라믹과 같은 유전 기판 상에 형성된다. 회로의 다중 층은 종종 함께 적층되어 비아 홀(via hole)에 의해 상호 연결되고, 이러한 비아 홀은 일반적으로 구리 도금 벽을 갖고 땜납으로 채워진다. 산화 방지 금속의 표면 마감재는 일반적으로 납땜 능력(solderability)을 감소시키는 표면 산화물의 형성을 막기 위해 PWB 구리 패드에 적용된다. 일반적인 표면 마감재는 무전해 니텔/금, 침전 주석, 및 전기 도금 주석-비스무스를 포함한다.

구성요소 및 디바이스 리드는, 일반적으로 미리 결정된 양의 땜납 페이스트를 PWB 접촉 패드에 적용하는 것과, 입/출력(I/O) 리드가 적절한 PWB 접촉 패드와 정렬되도록 구성요소 및 디바이스를 위치시킴으로써 PWB를 거주(populating)시키는 것과, 땜납 페이스트에서 땜납을 리플로우(용융)시키기 위해 거주된 PWB 조립체를 가열하는 것을 수반하는 리플로우 납땜 공정에 의해 PWB 접촉 패드에 납땜된다. 미리 결정된 양의 땜납 페이스트는 일반적으로 자동 주사 분배기, 또는 스텐실 및 스퀴지를 통해 PWB 접촉 패드에 적용된다. 미리 결정된 양의 땜납 페이스트는 납땜된 특정 구성요소 및 디바이스에 따라 변할 수 있다. 일반적인 디바이스는 디바이스의 일측상에 접촉 패드에 부착된 땜납 볼 어레이를 갖는 볼 그리드 어레이(BGA)이다. 많은 BGA 디바이스는 높은 I/O 리드 카운트를 가져서, 인접 접촉 패드 사이의 거리(피치)는 매우 작아진다.

땜납 페이스트는 일반적으로 땜납 조인트에서의 땜납의 많은 비율을 차지하는 땜납 질량(mass)을 형성하기 위해 리플로우 동안 유착하는 작은 땜납 회전 타원체의 분말을 포함한다. 땜납 페이스트는 또한 납땜 공정에 수반된 금속 표면으로부터 산화물을 용해하는 납땜 플럭스를 포함한다. 납땜 플럭스는, 일반적으로 금속 산화물을 용해하는데 효과적인 유기산 및 자유 할로겐 종을 산출하기 위해 충분히 상승된 온도에서 활성화되는 유기 할로겐화물을 포함한다. 땜납 페이스트는, 바람직한 유동학적 특성을 제공하고 플럭스가 땜납 리플로우 동안 소비될 때 금속 표면의 재산화를 방지하기 위한 성분을 또한 포함할 수 있다. 특히, 땜납 페이스트는, 땜납 리플로우 이전에 구성요소 및 디바이스를 적소에 유지하고 인접 접촉 패드 사 이에 브리징하는 땜납으로 인해 전기 단락을 초래할 수 있는 슬럼핑(slumping)을 저지하기 위해 충분히 경직(그리고 점착성)되어야 한다.

리플로우 납땜은, 일반적으로 오븐을 통해 전자 조립체를 운송하기 위한 금속 벨트 컨베이어를 포함하고 미리 결정된 온도-시간 프로파일에 따라 조립체가 가열되도록 하기 위해 상이한 가열 지역을 갖는 리플로우 오븐에서 수행된다. 몇몇 경우에, 리플로우 오븐 또는 리플로우 오븐 섹션은 리플로우 공정 동안 납땜될 표면의 산화를 막기 위해 질소로 덮여질(blanketed) 수 있다.

리플로우 납땜은, 낮은 전기 저항을 갖는 강한 땜납 조인트가 달성되도록 표면 산화물(PWB 패드 상의 땜납 페이스트에서의 구성요소 리드 및 땜납 입자)을 용해하기 위해 땜납이 리플로우(용융)하는 시간 바로 전에 충분한 플럭스 활성도(flux activity)를 요구하는 복잡한 공정이다. 필요한 플럭스 활성도는 결합될 표면상의 산화물의 양 및 유형에 크게 좌우된다. 신뢰성있는 리플로우 땜납 공정을 위해, 납땜될 특정 조립체에 대해 적절한 땜납 페이스트 및 리플로우 상태를 이용하는 것이 필요하다.

플럭스 활성도와 연관된 리플로우 납땜 문제는 일반적으로 다음과 같은 4개의 카테고리 중 하나에서 발생한다: (1) 저장 동안 화학 반응을 통해 땜납 페이스트에서의 플럭스가 활성도를 손실하여, 납땜 공정에서의 이용 시간에 나머지 활성도가 부적절한 경우; (2) 땜납 페이스트에서의 플럭스가 너무 일찍(땜납 리플로우 온도 아래의 온도에서) 활성화하여, 결합될 표면이 땜납 리플로우 이전에 재산화하는 경우; (3) 플럭스는 리플로우 온도에서 충분히 활성화하지 않는 경우; (4) 플럭 스는 납땜 공정 이후에 활성화로 남아있어서, 전기 단락, 개방, 또는 과도한 상호 연결 저항으로 인해 회로 장애를 초래할 수 있는 부식 및/또는 전자 이주(electromigration)를 초래하는 경우.

전자 디바이스를 조립하기 위해 산업계에서 현재 사용되는 다른 납땜 공정은, 디바이스(표면 장착 및/또는 관통-홀)로 거주된 PWB가 용융된 땜납의 웨이브(wave)에 걸쳐 통과되는 웨이브 납땜이다. 웨이브 납땜은 리플로우 납땜과 동일한 유형의 플럭스 활성도 문제를 가질 수 있다.

납땜 공정을 제어하는 이용가능한 방법은, (1) 땜납 결합 실패를 발생하는데 요구된 힘의 측정을 수반하는 볼/리드 전단 또는 풀(pull) 테스트; (2) 땜납 확산 테스트, 습식 균형 테스트(wetting balance test) 또는 순차 전기 화학 환원 분석(SERA)을 통한 납땜 능력 결정; (3) 표면 절연 저항(SIR) 측정, 할로겐화물 분석, 이온 청결 테스트, 전기 화학 이주 테스트, 및 구리 미러 및 구리 플레이트 부식 테스트를 통해 땜납 플럭스 잔여물의 검출; (4) 점도, 비중, 할로겐 함유물 백분율, 점착도(tackiness), 산성도 수(acid number), pH 및 임피던스 분광학(땜납 볼 산화물을 검출하기 위해)을 포함하는 땜납 페이스트의 물리적 및 화학적 특성의 측정; (5) 크로마토그래피(GC, HPLC, IC 및 GPC), 광 분광학(UV, FTIR, 라만 및 AA), 온도 기록 분석(DSC, TGA), 및 습식 화학 분석을 통한 플럭스 화학 분석을 포함한다.

이들 모든 방법은 땜납 공정 이전 또는 이후에 적용되고, 납땜 공정 성능에 관련된 하나의 파라미터에 대한 정보를 제공한다. 이들 방법 중 어느 것도 납땜 공 정 자체에 대한 정보를 제공하지 않는다. 이것은, 테스트 견본이 용융된 땜납과 접촉할 때 습식력(wetting force)(땜납 메니스커스의 무게를 통해)을 측정함으로써 납땜 공정을 시뮬레이팅하려는 시도가 이루어지는 습식 균형 테스터에 대해 동일하게 이루어진다. 습식 균형은 납땜 능력의 표시만을 제공하고, PWB 및 BGA에 적용하기에 어렵고, 견본 기하학적 구조, 플럭스 응용, 사전-가열(온도 프로파일), 및 견본 열 관성(specimen thermal inertia)에 관해 실제 납땜 공정을 적절히 시뮬레이팅하지 않는다. 납땜 공정이 중요한 모든 변수에 대해 최적화될 수 있도록 납땜 공정의 성능을 측정하는 방법이 명백히 필요하다.

본 발명은 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스 및 방법을 제공한다. 디바이스는 유전 기판 상의 2개의 인접한 금속 트레이스를 갖는 전도도 프로브, 전도도 프로브의 온도를 측정하는 온도 프로브, 2개의 금속 트레이스 사이의 전도도를 측정하는 전도도 미터를 포함한다. 2개의 금속 트레이스는 맞물린 콤 패턴을 형성하는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법의 바람직한 실시예에서, 납땜 플럭스(어떠한 금속 땜납도 포함하지 않음)는 각 금속 트레이스의 적어도 일부분과, 트레이스 사이에서 유전 기판의 적어도 일부분에 적용되고, 트레이스 사이의 전도도는 납땜 공정 이전에, 이 동안(웨이브 납땜을 제외하고) 및 이후에 측정된다. 이에 따라 생성된 전도도-온도 시간 프로파일은 납땜 공정에 대해 플럭스의 성능을 결정하도록 분석된다. 본 발명의 디바이스는 동일한 실행 동안 복수의 전도도 프로브를 동시에 평가하기 위한 회로 보드 랙을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전도도-온도 시간 프로파일의 분석은 땜납 리플로우 또는 웨이브 납땜 동작 이전, 이 동안(리플로우 납땜 공정 동안) 및 이후를 포함하는 실제 납땜 공정 전체에 상대 플럭스 활성도를 산출한다. 이것은 납땜 공정의 요건에 대해 플럭스 활성도 및 활성화 특성이 최적화되도록 한다. 주변 온도(납땜 공정 이전에)에서 플럭스에 대해 측정된 상당한 플럭스 활성도는 실온에서 플럭스의 화학 반응으로 인해 단축된 저장 수명(shelf life)을 나타낸다.

특히 바람직하게 열 전도메트릭 분석(TCA: Thermoconductimetric Analysis)이 땜납 리플로우 온도 바로 전에, 또는 웨이브 납땜 동작 바로 전에 발생하는, 피크 플럭스 활성도의 온도를 검출하는 것이 효과적이다. TCA 전도도-온도 시간 프로파일에 기초하여, 플럭스 활성화에 필요한 시간 및 온도는 플럭스 혼합물의 화학적 안정성 및 비등점을 통해 최적값으로 조정될 수 있다.

또한 본 발명에 따라, 부식 또는 전자 이주로 인한 회로 장애를 초래할 수 있는 이온 플럭스 잔여물은 납땜 공정 이후에 잔여 플럭스 활성도를 통해 검출된다. 종래 기술의 표면 절연 저항(SIR)과 유사하지만, 본 발명의 잔여 플럭스 활성도 측정은 전체 납땜 공정의 정황에서 이루어지고, 플럭스 활성도가 최저치에 도달하는 온도를 검출한다. 그러한 전치-납땜 전도도 측정은 또한 전자 기기에 대한 잔여 플럭스 활성도(동작 온도에서) 상의 동작 전압 및 주파수 또는 주파수 범위("스윕")의 효과를 평가하기 위해 교류(ac)로 이루어질 수 있다.

본 발명의 디바이스는 추가 환경 센서를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전도도 프로브 또는 회로 보드 랙은 저장 동안 잔여 플럭스 활성도에 대한 상대 습도의 영향을 모니터링하기 위해 RH 센서를 포함할 수 있다. 추가 예로서, 센서는 리플로우 납땜 공정 동안 리플로우 오븐에서, 또는 웨이브 납땜 공정 동안 사전 가열 오븐에서 국부 가스 압력 및/또는 산소 함유물을 모니터링하기 위해 전도도 프로브 또는 회로 보드 랙 상에 포함될 수 있다. 몇몇 응용에 대해 본 발명의 디바이스에 포함되기 위한 다른 유용한 센서는 당업자에게 명백할 것이다.

본 발명은 또한 리플로우 공정 동안 발생하는 온도 및 납땜 "슬럼프"를 검출하는데 사용될 수 있다. 이 경우에, 금속 땜납을 포함하는 땜납 페이스트는 트레이스 사이의 유전 기판이 아니라 전도도 프로브의 금속 트레이스 중 적어도 하나에 적용된다. 리플로우 공정 동안 땜납 페이스트 슬럼프는 전도도 프로브의 금속 트레이스 사이에 브리징하는 땜납과 연관된 높은 전도도(단락)로부터 검출된다. 금속 트레이스를 브리징하는 땜납 볼로 인한 단락도 또한 검출된다.

본 발명의 디바이스는 데이터 수집을 용이하게 하고 및/또는 결과의 신뢰성을 향상시키도록 설계된 하드웨어 및 소프트웨어를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선 링크는 데이터 신호를 전도도 프로브 및 온도 프로브(및 이용된 임의의 다른 센서)로부터 데이터 수집 및 처리 시스템으로 전송하는데 사용된다(하드 와이어 대신에). 대안적으로, 데이터는 수집되고, 온-보드 데이터 링크에 의해 저장되고, 전도도 프로브 또는 회로 보드 랙에 부착되고, 납땜 공정이 완료된 후에 다운로딩될 수 있다. 데이터 처리 시스템은 일반적으로 데이터의 그래픽 디스플레이를 제공하는 임의의 수의 상업적 또는 전용 데이터 분석 프로그램을 이용할 수 있다.

더욱이, 당업자에게 알려진 기술 및 기기는, 손상 없이 리플로우 오븐, 사전 가열 오븐, 또는 다른 부적절한 환경을 통과할 수 있도록 열적, 물리적 또는 화학적 저하에 대해 본 발명의 디바이스를 "강화(harden)"시키는데 사용될 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 디바이스는 상업적으로 이용가능한 기기를 이용하여 소형화될 수 있어서, 작은 환경에서 플럭스 평가를 가능하게 한다. 본 발명에 따른 측정이 결과의 정밀도를 실질적으로 감소시키는 플럭스 화학 시스템에 대한 변동(perturbation)을 피하도록 수행되어야 한다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 예를 들어, 전압은 전류 제한 저항에 의해 제공될 수 있는, 높은 입력 임피던스를 갖는 전압 전류계(voltameter)를 이용하여 측정되어야 한다.

본 발명은, 긴 저장 수명, 리플로우 납땜 온도(납땜 결함을 최소화하는데 필요한)에서의 우수한 플럭스 활성도, 낮은 잔여 플럭스 활성도(부식 또는 전자 이주로 인한 전자 기기의 필드 장애를 피하는데 필요한), 우수한 유동학적 특성(리플로우 납땜 동안 땜납 슬럼핑으로 인해 회로 브리징 및 전기 단락을 피하는데 필요함)을 갖는 땜납 페이스트 구성을 개발하는데 유용하다.

본 발명은 또한 웨이브 납땜에 대한 우수한 플럭스 활성화 특성, 및 낮은 잔여 플럭스 활성도를 갖는 플럭스 구성을 개발하는데 사용된다.

본 발명은 또한 주어진 리플로우 납땜 공정에서 특정 PWB 설계의 리플로우 납땜 동안 결함을 최소화하기 위한 최상의 땜납 페이스트 구성을 선택하는데 유용하다.

본 발명은 또한 주어진 웨이브 납땜 공정에서 특정 PWB 설계의 웨이브 납땜 동안 결함을 최소화하기 위한 최상의 플럭스 구성을 선택하는데 유용하다.

본 발명은 또한 특정 PWB 설계의 리플로우 납땜 동안 결함을 최소화하기 위한 최상의 리플로우 납땜 상태(예를 들어, 컨베이어 속도 및 지역 온도에 의해 결정된 오븐 온도-시간 프로파일)를 선택하는데 유용하다.

본 발명은 또한 특정 PWB 설계의 웨이브 납땜 동안 결함을 최소화하기 위한 최상의 사전 가열 상태(예를 들어, 컨베이어 속도 및 지역 온도에 의해 결정된 오븐 온도-시간 프로파일)를 선택하는데 유용하다.

본 발명은 또한 납땜 공정의 성능에 대한 리플로우 오븐 대기 또는 사전 가열 오븐 대기에서 산소의 영향을 결정하는데 유용하다. 이러한 정보는 질소(산소가 해로운 경우)의 비활성 블랭킷팅(blanketing) 대기의 이용에 의해 납땜 능력을 개선하거나, 비활성 블랭킷팅 대기(산소가 해롭지 않은 경우)를 제공하는 것과 연관된 비용을 절감하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 상당히 해로운 영향 없이 허용가능한 산소의 농도를 결정하는데 사용될 수 있다.

본 발명은 또한 특정한 전자 디바이스 동작 상태(예를 들어, ac 전압 및 주파수를 포함하여, 회로 트레이스 사이의 온도 및 인가 전압)에 대한 잔여 플럭스 활성도를 최소화하는 최상의 플럭스 구성 및 사전 가열/납땜 상태를 선택하는데 사용된다. 잔여 플럭스 활성도는 전자 디바이스, 예를 들어 높은 주파수에서 동작하는 셀 전화에 대한 특정한 고려사항이다.

본 발명은 또한 저장 동안 잔여 플럭스 활성도에 대한 저장 상태의 영향을 결정하는데 유용하다. 저장 동안의 온도는 본 발명의 온도 프로브를 통해 모니터링될 수 있다. 다른 센서는 다른 저장 상태를 모니터링하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, RH 센서는 저장 동안 잔여 플럭스 활성도에 대한 상대 습도의 영향을 모니터링하는데 사용될 수 있다. RH 센서는 예를 들어 본 발명의 전도도 프로브 또는 회로 보드 랙에 포함될 수 있거나, 저장 영역에 장착될 수 있다.

본 발명은 또한 뛰어난 성능을 나타내는 그래프를 제공함으로써 납땜 기기 및 땜납 페이스트 및 플럭스 구성의 효과적인 마케팅에 유용하다.

위에 제공된 응용은 포함하기보다는 예시적인 것을 의미하고; 본 발명의 범주 내의 다른 응용은 당업자에게 명백할 것이다.

본 발명의 추가 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백할 것이다.

도 1은, 전도도 프로브의 회로 트레이스가 맞물린 콤 패턴을 갖는 본 발명의 디바이스의 실시예를 도시한 도면.

도 2는 전도도 프로브의 회로 트레이스가 원형 패드 및 동심 링을 포함하는 본 발명의 디바이스의 실시예를 도시한 도면.

도 3은 맞물린 콤 패턴, 회로 보드 랙, 버퍼/증폭기 모듈, 아날로그-디지털 변환기, 개인용 컴퓨터, 및 프린터를 갖는 복수의 전도도 프로브를 포함하는 본 발명의 디바이스의 바람직한 실시예를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 전도도 프로브에 대한 바람직한 버퍼/증폭기 회로를 도시한 회로도.

도 5는 본 발명의 열전쌍에 기초한 온도 프로브에 대한 바람직한 버퍼/증폭 기 회로를 도시한 회로도.

도 6은 낮은 온도 가열 프로파일을 갖는 상업적 리플로우 오븐에서 리플로우 동안 2개의 상업적 납땜 페이스트 플럭스 구성(Kester 244 및 Kester 256GS)에 대해 본 발명의 방법 및 디바이스를 이용하여 측정된 예시적인 전도도-온도 시간 프로파일을 도시한 도면.

도 7은 중간 온도 프로파일을 이용하여 도 6의 2개의 상업적 땜납 페이스트 플럭스 구성에 대해 측정된 예시적인 전도도-온도 시간 프로파일을 도시한 도면.

도 8은 높은 온도 프로파일을 이용하여 도 6의 2개의 상업적 땜납 페이스트 플럭스 구성에 대해 측정된 예시적인 전도도-온도 시간 프로파일을 도시한 도면.

도 9는 땜납 페이스트에 사용된 일반적인 수용성 플럭스에 대해 높은 온도 프로파일을 이용하여 측정된 예시적인 전도도-온도 시간 프로파일을 도시한 도면.

도 10은 낮은 온도 프로파일을 이용하여 3개의 리플로우 캡슐화(encapsulant) 물질에 대해 측정된 예시적인 전도도-온도 시간 프로파일을 도시한 도면.

이들 도면은 축척대로 도시되지 않고, 몇몇 특징은 본 발명의 특징 및 동작의 더 나은 도시를 위해 확대된다.

이 문헌에 사용된 기술 용어는 일반적으로 당업자에게 알려져 있다. "금속 트레이스"라는 용어는 예를 들어 라인, 패드, 맞물린 콤 패턴 및 구불구불한 s자 패턴을 포함하는 임의의 회로 요소 기하학적 구성을 포함하도록 광범위하게 사용된 다. "땜납 페이스트"는 일반적으로 리플로우 납땜에 사용되고, 작은 땜납 입자의 분말 및 플럭스를 포함한다. 땜납 페이스트 플럭스는 일반적으로 금속 산화물을 용해하기 위한 활성제를 포함하고, 일반적으로 페이스트의 유동학적 및/또는 화학적 특성을 개선시키도록 설계된 다양한 첨가물을 포함한다. 땜납 페이스트 플럭스에 사용된 일반적인 첨가물은 용매, 유동제(rheological agent)(땜납 슬럼프를 이주시키기 위한), 부식 방지제, 및 열 안정 물질을 포함한다. 웨이브 납땜에 사용된 플럭스는 또한 다양한 첨가물(활성제 외에도)을 포함할 수 있지만, 땜납 입자를 포함하지 않고, 유동제를 필요로 하지 않는다.

이 문헌에서, "플럭스"라는 용어는 활성제만을 포함하는 플럭스 성분의 임의의 조합을 나타낼 수 있다. 몇몇 경우에, 평가될 플럭스는 원심 분리(centifugation) 또는 화학 추출에 의해 땜납 페이스트에서 금속 땜납 분말로부터 분리될 수 있다. 땜납 페이스트 슬럼프 평가를 위해, 땜납 페이스트는 일반적으로 금속 땜납 분말을 포함하는 통상 존재하는 모든 성분을 포함한다.

본 발명은 땜납 공정에서 플럭스의 성능을 평가하기 위한 방법 및 디바이스를 제공한다. 본 발명의 방법은, (1) 유전 물질의 기판 상에 미리 결정된 영역 내에 배치된 2개의 금속 트레이스를 포함하는 전도도 프로브를 제공하는 단계; (2) 전도도 프로브의 온도를 측정하는 온도 프로브를 제공하는 단계; (3) 미리 결정된 영역의 적어도 일부분에 걸쳐 플럭스의 미리 결정된 양을 적용하는 단계; (4) 미리 결정된 온도-시간 프로파일에 따라 적용된 플럭스로 전도도 프로브를 가열시키는 단계; (5) 전도도-온도 시간 프로파일을 생성하도록 온도 함수로서 전도도 프로브 의 금속 트레이스 사이의 전기 전도도를 측정하는 단계; (6) 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 결정하기 위해 전도도-온도 시간 프로파일을 분석하는 단계를 포함한다. 이들 단계는 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 플럭스 활성도 평가에 대해, 플럭스는 일반적으로 각 금속 트레이스의 적어도 일부분 및 그 사이의 유전 기판 상에 미리 결정된 영역 내에 적용된다. 땜납 페이스트 슬럼프 평가에 대해, 플럭스는 땜납 페이스트에 포함되고, 땜납 페이스트는 금속 트레이스 사이의 기판이 아닌 금속 트레이스 중 적어도 하나 상에 미리 결정된 영역 내에 적용된다. 이 경우에, 금속 트레이스 사이의 공간을 브리징하는 땜납 슬럼핑은 전도도 측정에서 전기 단락으로서 검출된다.

트레이스 쌍을 형성하는 본 발명의 2개의 금속 트레이스는 합금을 포함하는 임의의 적합한 금속을 포함할 수 있다. 구리는 전기 회로에 널리 사용되기 때문에 금속 트레이스에 대한 바람직한 금속이다. 표면 마감은 납땜 능력을 향상시키기 위해 구리에 적용될 수 있다. 일반적인 표면 마감은 땜납, 무전해 니켈/금, 침전 주석, 및 전기 도금 주석-비스무스를 포함한다. 그러한 표면 마감은 플럭스 활성화 특성에 영향을 미칠 가능성이 있다. 본 발명은 또한 플럭스의 활성화 특성에 대한 표면 마감의 영향을 조사하는 방법 및 디바이스를 제공한다.

본 발명의 2개의 금속 트레이스는 임의의 적합한 기하학적 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 작은 이격 거리, 맞물린 콤 또는 구불구불한 s자 패턴에 의해 분리된 긴 트레이스를 포함하는 기하학적 구조는 전도도 측정에 대한 신호-잡음비를 개선시키는데 유용할 수 있다. 트레이스 사이의 이격은 바람직하게 평가 하에 납땜 공정이 사용되는 가장 미세한-피치(finest-pitch) 표면 패드에 대한 이격과 유사하다. 평가 하에 리플로우 납땜 공정에서 납땜될 실제 회로 조립체의 트레이스 기하학적 구조를 시뮬레이팅하는 트레이스 기하학적 구조는 예를 들어 땜납 페이스트 슬럼프 또는 땜납 볼 구성의 영향을 검출하기 위해 유리할 수 있다. 일렬로(연쇄적으로) 연결된 복수의 전도도 프로브 트레이스 쌍은 또한 신호-잡음비를 증가시키는데 사용될 수 있다.

도 1은, 전도도 프로브의 회로 트레이스가 맞물린 콤 패턴을 갖는 본 발명의 디바이스를 도시한다. 이러한 패턴은, 폴리머 적층물, 세라믹 물질, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 임의의 유전 물질일 수 있는, 기판(100) 상에 배치된 한 쌍의 금속 트레이스(101 및 102)를 포함한다. 일반적인 적층 물질은 방화(fire-retardant) 에폭시 섬유 유리(FR-4)이다. 금속 트레이스(101 및 102)는 와이어(103 및 104)를 통해 전도도 미터(105)에 연결된다. 전도도 미터는 트레이스(101 및 102) 사이에 전압을 인가하고, 전류 응답으로부터 전도도를 결정한다. 인가된 전압 및 전류 응답은 직류(dc) 또는 교류(ac)일 수 있다. dc 측정에 대해, 1 내지 10V 범위의 인가된 전압은 적합한 것으로 발견되었지만, 이 범위를 벗어나는 전압이 사용될 수 있다.

도 1에 예시된 실시예에서, 온도 프로브는 와이어(107 및 108)를 통해 제 1 전압계(109)에 전기적 연결되는 열전쌍(106)을 포함한다. 제 1 전압계(109)의 부분일 수 있거나 분리될 수 있는 열전쌍 냉각 접합(미도시)은 바람직하게 온도 측정의 정밀도를 개선시키는데 사용된다. 열전쌍 냉각 접합은 실온에 있을 수 있거나, 더 높은 정밀도를 제공하기 위해 특정 온도에서 제어될 수 있다. 측정 온도 범위에 걸쳐 필요한 감도를 제공하는 임의의 열전쌍이 사용될 수 있다. 열전쌍(106)은 바람직하게 기판(100) 또는 기판 위의 금속 패드와 접촉하도록 위치되지만, 충분히 정밀한 온도 측정은 전도도 프로브 근처에(접촉 상태가 아님) 위치한 열전쌍에 의해 제공될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 리플로우 오븐에서 컨베이어를 따른 일련의 고정 열전쌍은 본 발명의 온도 측정을 제공하는데 사용될 수 있다. 대안적인 온도 측정 방법도 사용될 수 있다. 예를 들어, 전도도 프로브의 온도는 전도도 프로브에 의해 방출된 적외선 복사선을 검출 및 분석함으로써 모니터링될 수 있다.

일반적으로, 전도도 프로브{기판(100) 및 금속 트레이스(101 및 102)를 포함} 및 온도 프로브(106)는 본 발명에 따라 가열되는 반면, 전도도 미터(105) 및 제 1 전압계(109)는 주변 온도에 있다. 이 경우에, 와이어(103, 104, 107 및 108)의 적어도 부분은 내열 물질을 포함해야 한다. 본 발명의 범주 내에, 내열 회로는 또한 전도도 프로브 및 온도 프로브(106)와 함께 가열될 수 있도록 전도도 미터(105) 및/또는 제 1 전압계(109)를 위해 사용될 수 있다.

도 2는, 전도도 프로브의 회로 트레이스가 유전 기판(200) 상에 배치된 원형 패드(201) 및 동심 링(202)을 포함하는 본 발명의 디바이스의 실시예를 도시한다. 이러한 회로 트레이스 기하학적 구조는 동심 링의 내부의 비교적 긴 원주를 통해 트레이스간 전도도 변화에 대한 감도를 개선시키는 한편 회로 보드 접촉 패드의 기하학적 구조를 시뮬레이팅한다. 도 1의 실시예에서와 같이, 트레이스(201 및 202)는 와이어(203 및 204)를 통해 전도도 미터(205)에 연결되고, 열전쌍(206)은 와이 어(207 및 208)를 통해 제 1 전압계(209)에 연결된다. 금속 트레이스(201)와의 전기적 접촉은, 와이어(204)의 일부분이 동심 링 트레이스(202)(도시된 바와 같이)에서의 갭을 통해 이어지는 회로 라인이 되게 함으로써 제공될 수 있다. 대안적으로, 금속 트레이스(201)에 대한 접촉은 기판(200)에서 내부 회로를 통해 이루어질 수 있어서, 링(202)에서의 갭이 제거되도록 한다. 복수의 그러한 전도도 프로브(동일한 기판 상의)는 측정 감도를 개선시키고 신호-잡음비를 개선시키기 위해 병렬로 연결될 수 있다.

플럭스가 전도도 프로브의 금속 트레이스에 걸쳐 적용되는 방식은 수행될 플럭스 평가의 유형에 따라 좌우된다. 납땜 또는 사전 가열 공정 동안 땜납 플럭스의 활성도를 평가하기 위해, 플럭스(금속 땜납이 없음)는 각 금속 트레이스의 적어도 일부분과, 트레이스 사이의 유전 기판의 적어도 일부분에 적용된다. 리플로우 납땜 동안 땜납 페이스트 슬럼프 구성을 평가하기 위해, 플럭스는, 전도도 프로브의 금속 트레이스의 적어도 하나의 적어도 일부분에 적용되지만 트레이스 사이의 유전 기판에 적용되지 않는 땜납 페이스트(금속 땜납 분말을 포함)에 병합된다. 이 경우에, 리플로우 공정 동안 땜납 슬럼프 또는 땜납 볼 구성으로 인해 금속 트레이스 사이의 전기 단락은 트레이스간 전도도에서의 급격한 증가로서 쉽게 검출된다.

플럭스 또는 땜납 페이스트는 임의의 적합한 수단에 의해 전도도 프로브의 금속 트레이스( 및 기판)에 적용될 수 있다. 플럭스 또는 땜납 페이스트를 적용하는 바람직한 방법은 생산 리플로우 납땜 공정에 사용된 유형의 자동 주사 분배기를 이용하는 것이며, 이러한 분배기는 미리 결정된 양의 땜납 페이스트를 정확히 분배 한다. 플럭스 또는 땜납 페이스트를 적용하는 다른 바람직한 방법은 종래 기술에 잘 알려진 바와 같이 스텐실 및 스퀴지를 이용하는 것이다. 이 경우에, 적용된 플럭스 또는 땜납 페이스트의 두께는 스텐실의 두께에 의해 결정된다. 플럭스 또는 땜납 페이스트는 또한 예를 들어 분무, 딥 코팅, 브러싱 또는 프린팅에 의해 본 발명에 따라 적용될 수 있다.

전도도 측정에서 반영되는 플럭스의 활성도가 존재하는 플럭스의 양에 따라 좌우되기 때문에, 미리 결정된 양의 플럭스가 전도도 프로브에 적용되는 것이 바람직하다. 전도도 데이터로부터 플럭스의 전도도를 계산하는 것이 이론적으로 가능하지만, 이러한 접근법은 실용적이지 않은데, 이는 시간 및 온도에 따라 변하는, 플럭스 형태 및 부피에 관해 금속 트레이스의 기하학적 구조를 고려하고, 온도의 함수로서 플럭스의 전도를 인식하는 것이 필요하기 때문이다. 그러므로, 미리 결정된 양의 플럭스가 분배되고, 금속 트레이스 사이의 전도도는 전도도를 증가시키는 경향이 있는 이온 종의 형성에 따라 좌우되는 플럭스 활성도의 상대적인 척도로서 사용되는 것이 바람직하다. 또한 미리 결정된 양의 땜납 페이스트는 존재하는 땜납 페이스트의 양에 크게 좌우되는, 슬럼프 특성의 평가에 대한 금속 트레이스에 적용되는 것이 바람직하다.

미리 결정된 양의 플럭스 또는 땜납 페이스트는, 플럭스 또는 땜납 페이스트가 사용되는 생산 납땜 공정에 대한 것을 시뮬레이팅하도록 선택되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 금속 트레이스의 주어진 영역에 적용된 땜납 페이스트의 양은 금속 트레이스 사이의 갭을 포함하는 트레이스 기하학적 구조에 따라 조정될 수 있 다. 이러한 갭은 바람직하게 평가되는 리플로우 땜납 공정에 의해 납땜될 생산 보드 상의 접촉 패드 사이에 가장 작은 갭과 유사하도록 선택된다.

본 발명의 방법의 가열 단계는 온도 프로파일을 제어하기 위해 벨트 컨베이어 및 가열 지역을 갖는 리플로우 오븐 또는 사전 가열 오븐에 의해 수행되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명에 따른 가열은, 컨베이어를 갖지 않고 프로그래밍된 가열을 갖거나 없는 고정 오븐을 포함하는 임의의 적합한 수단에 의해 제공될 수 있다.

본 발명의 방법에 따른 전도도-온도 시간 프로파일의 분석은 일반적으로, 전도도 프로브가 리플로우 오븐을 통과하거나 다른 방식으로 가열될 때, 시간의 함수로서 측정된 전도도 및 온도를 그래프로 표시하는(plotting) 것을 포함한다. 이러한 분석은 또한 표로 이루어진(tabulated) 데이터를 이용하여, 바람직하게 컴퓨터를 통해, 또는 예를 들어 상이한 종류의 플롯, 온도의 함수로서 전도도를 이용하여 수행될 수 있다. 측정된 전도도는 일반적으로 플럭스 활성도에 비례하는 것으로 간주된다. 리플로우 납땜 공정에 대한 전도도-온도 시간 프로파일의 핵심 특징은, 저장 수명을 단축시키고 그 유효성을 감소시킬 수 있는 플럭스의 이른 활성화를 검출하는 초기 실온 플럭스 활성도와; 사용된 리플로우 상태 하에 플럭스의 유효성을 산출하는, 땜납 리플로우 시간 및 온도에 대해 플럭스 활성화의 시간 및 온도; 및 부식 또는 전자 이주로 인해 필드에서의 회로 고장을 초래할 수 있는 이온 플럭스 잔여물을 검출하는, 리플로우 공정에 후속하는 낮은 온도에서의 플럭스 활성도를 포함한다. 웨이브 납땜 공정에 대한 전도도-온도 시간 프로파일의 핵심 특징은 리 플로우 납땜 공정에 대한 것과 유사하다.

본 발명에 따라 얻어진 데이터는 납땜 공정의 성능에 대한 양적인 정보를 제공하기 위해 다양한 방식으로 분석될 수 있다. 예를 들어, 전도도 데이터는, 시간 또는 온도에 따른 전도도의 변화를 강조하는, 제 1 또는 제 2 미분 곡선을 생성하도록 직접 분석되거나 미분되는 곡선을 생성하기 위해 시간 또는 온도에 대해 그래프로 표시될 수 있다. 데이터 곡선은, 경사, 피크 영역, 피크 영역 비율, 피크 높이, 피크 높이 비율, 및 전도도가 미리 결정된 값보다 높은 시간을 포함하는(이에 한정되지 않음) 곡선 특징을 추출함으로써 및/또는 검사(당업자에 의한)에 의해 분석될 수 있다.

본 발명의 방법은 전도도 프로브 또는 전도도 프로브를 포함하는 회로 보드 랙에 부착된 환경 센서로부터 출력을 모니터링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 유용한 정보를 제공할 수 있는 환경 센서는 산소 농도, 상대 습도(RH), 리플로우 납땜에 사용된 오븐의 환경에서의 총 가스 압력, 또는 웨이브 납땜에 대한 사전 가열에 대한 정보를 포함한다. 본 발명에 따라 복수의 평가에 대한 그러한 센서의 출력을 모니터링 및 분석함으로써(및 바람직하게 환경을 조정함으로써 그 값을 변경시킴으로써), 플럭스 활성화 특성에 대한 감지된 파라미터 및 그 변동의 영향이 결정될 수 있다.

플럭스가 두 금속 트레이스 및 금속 트레이스 사이의 간격에 걸쳐 부착되면, 주변 온도에서의 트레이스 사이에 측정된 전도도는 측정 이전에 발생한 플럭스 활성도의 척도를 제공한다. 따라서, 신뢰성있는 납땜을 위해 단축된 플럭스 저장 수 명 및/또는 불충분하게 남아있는 플럭스 활성도를 나타낼 수 있는 이른 플럭스 활성화가 검출될 수 있다. Frederickson 등의 특허 5,656,933, 6,005,399, 6,278,281 및 6,300,778은 주변 온도에서 땜납 페이스트를 특징화하기 위해 ac 임피던스 분광기의 이용을 기재한다. 이러한 작업은, 생산 납땜 결함을 초래할 수 있는 땜납 페이스트에서의 땜납 입자의 산화를 검출하기 위해 등가 회로 모델링과 결합된, 인가된 전압 주파수의 함수로서 복잡한 임피던스 측정을 수반한다. 그러나, 본 발명자는, 납땜 플럭스의 전도도가 플럭스 활성도의 척도를 제공하고, 주변 온도에서의 플럭스 활성도가 플럭스 저장 수명을 평가하고 납땜 능력을 예측하는데 사용될 수 있다는 것을 먼저 인식하였다.

(사용 이전에) 납땜 플럭스의 활성도를 평가하는 방법을 제공하는 본 발명의 이러한 실시예는, (1) 유전 물질의 기판 상의 미리 결정된 영역 내에 배치된 2개의 금속 트레이스를 포함하는 전도도 프로브를 제공하는 단계와; (2) 각 금속 트레이스의 적어도 일부분과 금속 트레이스 사이의 유전 기판 상에 미리 결정된 영역 내에 미리 결정된 양의 플럭스를 적용하는 단계와; (3) 전도도 프로브의 금속 트레이스 사이의 전기 전도도를 측정하는 단계를 포함하는 간략한 절차를 수반한다. 이러한 경우에, 비교적 높은 전기 전도도는 납땜 플럭스에 대한 비교적 높은 활성도를 나타낸다.

본 발명의 디바이스는, (1) 유전 물질의 기판 상의 미리 결정된 영역에 배치된 2개의 금속 트레이스를 포함하는 전도도 프로브와; (2) 전도도 프로브의 온도를 측정하기 위한 온도 프로브와; (3) 전도도 프로브의 2개의 금속 트레이스 사이의 전디 전도도를 측정하기 위한 전도도 미터를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 플럭스는 미리 결정된 영역의 적어도 일부분에 걸쳐 적용되고, 전도도 프로브가 가열되는 한편, 전도도 프로브의 금속 트레이스 사이의 전기 전도도는 전도도-온도 시간 프로파일을 생성하도록 온도의 함수로서 측정되고, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 결정하도록 분석된다.

본 발명의 디바이스의 전도도 미터는 일반적으로 dc 또는 ac일 수 있는 전압원, 및 전류-측정 디바이스를 포함한다. 전류-측정 디바이스는 저항 및 제 2 전압계를 포함하는 간단한 디바이스일 수 있거나, 예를 들어 전류 종동부(current follower) 및/또는 버퍼/증폭기를 포함하는 더 복잡한 디바이스일 수 있다. 전도도가 저항의 역수이기 때문에, 저항 측정은 또한 전도도를 산출한다.

본 발명의 디바이스는, 동시에 다중 전도도 프로브를 테스트하기 위한 회로 보드 랙과; 열전쌍 프로브에 대한 신호-잡음비를 증가시키는 전압 증폭기와; 전도도 미터에 대한 신호-잡음비를 증가시키는 전류 증폭기와; 납땜 공정의 성능을 결정하는데 사용된 전도도-온도 시간 프로파일의 분석을 용이하게 하기 위한 아날로그-디지털 변환기 및 컴퓨터와; 데이터 신호를 전도도 프로브 및 온도 프로브로부터, 그리고 사용된 임의의 다른 센서로부터 데이터 수집 및 처리 시스템으로 송신하기 위한 무선 링크와; 가열 단계가 완료된 후에 다운로딩될 수 있는 데이터를 수집 및 저장하기 위한 온-보드 데이터 링크와; 전도도-온도 시간 프로파일의 하드 카피를 제공하기 위한 프린터를 더 포함할 수 있다.

바람직한 실시예의 설명

도 3은 본 발명의 디바이스의 바람직한 실시예를 도시하며, 이러한 디바이스는, 맞물린 콤 패턴을 형성하는 금속 트레이스 쌍(311 및 312, 331 및 332, 351 및 352)을 갖는 복수의 전도도 프로브(310, 330 및 350)와; 회로 보드 랙(370)과; 전도도 미터(370)와; 와이어(381 및 382)에 의해 제 1 전압계(383)에 연결된 열전쌍(380)을 포함하는 온도 프로브와; 전도도 미터(370) 및 제 1 전압계(383)로부터의 출력(371 및 384)에 대한 신호-잡음비를 개선시키기 위한 버퍼/증폭기 모듈(390)과; 버퍼/증폭기 모듈(390)로부터 출력(391)을 디지털화하기 위한 아날로그-디지털(A/D) 변환기(392)와; A/D 변환기(392)로부터 출력(393)을 분석하기 위한 개인용 컴퓨터(394)와; 컴퓨터(394)로부터 출력(395)의 하드 카피를 제공하기 위한 프린터(396)를 포함한다. 각 금속 트레이스 쌍(311 및 312, 331 및 332, 351 및 352)은 와이어(313, 314, 333, 334, 353 및 354)를 통해 회로 보드 에지 접촉부(315, 316, 335, 336, 355 및 356)에 연결되고, 이러한 에지 접촉부는 회로 보드 랙(370) 상의 슬롯(317, 318, 337, 338, 357, 358)에 접속되고, 이러한 슬롯은 다시 와이어(319, 320, 339, 340, 359, 360)를 통해 전도도 미터(370)에 연결된다. 버퍼/증폭기(390)는 2개의 회로를 포함하는데, 즉 하나의 회로는 전도도 미터(370)로부터의 출력(371)을 위한 것이고, 다른 하나의 회로는 온도 프로브의 제 1 전압계(383)의 출력(384)을 위한 것이다. 도 4 및 도 5는 각각 전도도 프로브 및 온도 프로브에 대한 바람직한 버퍼/증폭기의 개략적인 회로도를 도시한다.

복수의 전도도 프로브를 고정하는 회로 보드 랙을 이용함으로써, 실질적으로 동일한 상태 하에서 동일한 리플로우 납땜 실행시 복수의 테스트가 수행될 수 있 다. 전도도 프로브는 결과의 재현 가능성(reproducibility)의 표시를 제공하도록 실질적으로 동일할 수 있거나, 하나 이상의 변수의 영향의 표시를 제공하도록 상이할 수 있다. 예를 들어, 표면적으로 동일한 전도도 프로브에 적용된 플럭스의 양 또는 조성물은 변할 수 있거나, 상이한 전도도 프로브의 기하학적 구조는 동일한 플럭스로 테스트될 수 있다. 회로 보드 랙은 임의의 적합한 설계일 수 있고, 하나의 프로브만을 포함하는 임의의 수의 전도도 프로브를 고정할 수 있다.

본 발명의 효과는, 맞물린 콤 패턴을 형성하는 한 쌍의 구리 트레이스를 갖는 FR-4 회로 보드(대략 6.0cm 길이 x 6.0cm 폭 x 0.8mm의 두께)를 포함하는 전도도 프로브를 이용하여 시현되었다. 사용된 콤 패턴은 IPC-TM-650(방법 2.6.3.3)에 따라 표면 절연 저항(SIR) 측정에 대해 규정된 B-25 패턴과 동일하다. B-25 패턴은 총 41개의 톱니(teeth)(0.5mm 간격만큼 분리된, 0.4mm 폭 및 25mm의 길이)를 함께 포함하는 한 쌍의 맞물린 콤을 형성하기 위해 함께 연결된 5개의 콤 세그먼트를 포함한다. 구리 트레이스는 25㎛ 두께를 갖고, 표면 마감을 갖지 않는다. 하나 이상의 전도도 프로브 상의 에지 커넥터는 최대 5개의 전도도 프로브를 수용할 수 있는 스테인리스 스틸 회로 보드 랙(35cm 길이 x 25cm 폭 x 0.1cm 두께)에서의 슬롯에 삽입된다. 온도 프로브는 회로 보드 랙과 물리적 접촉하는 단일 열전쌍(Omega GG-K-30-SLE-500, Type K)을 포함한다.

플럭스 또는 땜납 페이스트는 일반적으로 생산 리플로우 납땜에 일반적으로 사용되는, 약 3밀(75㎛)의 플럭스 또는 땜납 페이스트 두께를 제공하는 스텐실 및 스퀴지를 이용하여 적용된다. 스텐실은 땜납 페이스트 슬럼프 테스트를 위해 금속 땜납을 포함하는 땜납 페이스트를 갖는 전도도 프로브 콤의 톱니의 맞물린 부분 모두를 커버하도록 설계된다. (금속 땜납 분말 없이) 플럭스를 수반하는 플럭스 활성도 측정에 대해, 스텐실은 전도도 프로브 콤에 대해 90°만큼 회전하여, 플럭스는 금속 트레이스 및 금속 트레이스 사이의 유전 기판에 걸쳐 수직으로 스트립 모양으로 적용된다.

삽입된 전도도 프로브를 갖는 회로 보드 랙이 45cm/분의 컨베이어 속도로 운반되는 Heller 1700 리플로우 오븐에 의해 가열이 제공된다. 리플로우 오븐은, 전도도 프로브가 미리 결정된 온도 세트에 순차적으로 노출되는 6개의 가열 지역(각각 대략 25cm의 길이를 가짐)을 갖는다. 낮은 온도의 프로파일에 대해, 미리 결정된 지역 온도는 차례로 160, 170, 180, 190, 215, 및 230℃이다. 중간 온도 프로파일에 대해, 미리 결정된 지역 온도는 차례로 180, 190, 190, 185, 185, 및 245℃이다. 높은 온도의 프로파일에 대해, 미리 결정된 지역 온도는 차례로 190, 190, 185, 180, 175 및 260℃이다. 컨베이어 속도는, 전체 프로파일을 완성시키는데 필요한 시간이 낮은, 중간 및 높은 프로파일에 대해 각각 3.5, 4.5, 6.0분이 되도록 조정된다.

예 1- 도 6은 낮은 온도 프로파일을 이용하여 2개의 상업적 땜납 플럭스 구성(Kester 24 및 Kester 256GS)의 리플로우에 대해 측정된 예시적인 전도도-온도 시간 프로파일을 도시한다. 측정가능한 전도도는 실온에서 두 땜납 플럭스 모두에 대해 명백하고, 이것은 플럭스의 저장 수명을 한정할 수 있는 몇몇 플럭스 활성도를 나타낸다. Kester 256GS에 대해 명백한 더 높은 실온 전도도는, 이러한 플럭스 가 저장 동안 더 빠르게 활성도를 손실할 경향이 있고 더 짧은 저장 수명을 갖는다는 것을 나타낸다. 실제 저장 수명 테스트는 Kester 256GS 플럭스에 대해 4개월의 저장 수명을 나타내고, Kester 244 플럭스에 대해 6개월의 저장 수명을 나타낸다.

도 6에서 약 45℃(0.5분)에서 시작하여, Kester 256GS 플럭스의 전도도는 급격히 증가하였고, 이것은 플럭스 활성제가 플럭스 용매에서 용해되어 분리될 때 증가하는 플럭스 활성도를 나타낸다. 측정된 전도도에 의해 표시된 바와 같이, Kester 244 플럭스의 활성도가 이러한 온도/시간 영역에서 약 6초만큼 Kester 256GS 플럭스의 활성도를 지연시킨다는 것을 알 수 있다.

도 6에서 약 140℃(1.4분)에서, Kester 256GS 플럭스의 전도도는 최대가 되고, 그런 후에 급격히 떨어지고, 이것은 플럭스 용매가 휘발될 때 감소하는 플럭스 활성도를 나타낸다. Kester 244 플럭스의 활성도는 이러한 온도/시간 영역에서 높은 상태로 남아있다. 도 6에서 약 180℃(2.1분)에서 시작하여, Kester 256GS 플럭스의 전도도는 다시 증가하고, 이것은 플럭스의 수지 시스템 및 약한 유기 활성제가 액화될 때 증가하는 플럭스 활성도를 나타낸다. 이러한 온도/시간 영역(232℃의 최대 온도)에서, Kester 244 플럭스의 활성도는 계속해서 증가하여, 이것은 244 활성제의 비교적 낮은 휘발성을 반영한다.

피크 온도에 도달하고, 도 6에서 이 온도가 약 220℃(3.6분)로 감소한 후에, 전도도는 두 땜납 플럭스 모두에 대해 감소하여, 온도가 감소할 때 감소된 플럭스 활성도를 반영한다. 그러나, Kester 244 플럭스의 활성도는 더 느리게 감소하고, 오랜 시간 동안 높게 유지하고, 피크 납땜 온도에 대응하는 최대치에 도달한다. Kester 256GS 플럭스가 약 3.6분까지 최고조의 활성도에 도달하지 않고, 이것은 리플로우 온도(180℃)가 2.2분에 도달한 후에 이루어진다는 것이 주지된다. 그러한 결과는 주어진 응용에 대해 최상의 땜납 플럭스를 선택하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 높에 유지된 플럭스 활성도를 제공하는 Kester 244 플럭스는 예 1의 낮은 온도 프로파일을 이용하여 비교적 불량한 납땜 능력을 갖는 납땜 부분에 대해 바람직하다.

도 6에서 약 115℃에서 시작하여, 두 땜납 플럭스 모두에 대한 전도도는 낮은 값에 도달하며, 이것은 플럭스 수지 시스템이 고체화될 때 미미한 플럭스 활성도를 나타낸다. 따라서, 이들 두 땜납 플럭스 모두는 필드에서 부식 및 전류 누출 문제를 피하기 위해 필요한 낮은 잔여 플럭스 활성도를 제공한다. 양쪽 플럭스는 전자 조립체 상에서 나가도록 용인가능한 납땜 후 잔여물을 갖는다.

예 2- 도 7은 낮은 온도 프로파일보다는 중간 온도 프로파일을 이용하여 예 1의 2개의 상업용 땜납 플럭스 구성(Kester 244 및 Kester 256GS)에 대해 측정된 예시적인 전도도-온도 시간 프로파일을 도시한다. 이러한 온도 증가는, 예를 들어 종래의 주석-납 땜납보다 더 높은 용융점을 갖는 주석-은-구리 땜납으로 리플로우 납땜하는데 필요할 수 있다. 중간 온도 프로파일에 대해, Kester 256GS 플럭스는 동일한 2개의 전도도 피크를 나타내지만, 그 성능은 개선되며, 이것은 최대 납땜 온도에서 상당히 더 높은 플럭스 활성도에 의해 표시된다. 다른 한 편으로, Kester 244 플럭스의 활성도는 비록 높은 경향이 있더라도, 더 높은 온도에서 상당한 변동을 나타내고, 이것은 Kester 244 활성제 시스템의 몇몇 구성요소가 중간 온도 프로 파일의 더 높은 온도에서 너무 많이 휘발성이 될 수 있다는 것을 나타낸다. 이 경우에, Kester 256GS 플럭스는, 특히 리플로우 사이클 시간이 증가하는 경우 바람직할 수 있다.

예 3- 도 8은 낮은 온도 프로파일보다 높은 온도 프로파일을 이용하여 예 1 및 2의 2개의 상업용 땜납 플럭스 구성(Kester 244 및 Kester 256GS)에 대해 측정된 예시적인 전도도-온도 시간 프로파일을 도시한다. 높은 온도 프로파일에 대해, Kester 256GS 플럭스는 또한 동일한 2개의 전도도 피크를 나타내고, 그 성능은 추가로 개선되는데, 이것은 최대 납땜 온도(중간 온도 프로파일과 비교하여)에서 상당히 더 높은 플럭스 활성도로 표시된다. 대조적으로, Kester 244 플럭스의 활성도는 높은 온도 프로파일(중간 온도 프로파일과 비교하여)의 더 높은 온도에서 감소된다.

예 1 내지 3에 주어진 결과로부터, Kester 256GS 플럭스가 높은 온도 프로파일에 대해 바람직한 반면, Kester 244 플럭스는 낮은 온도 프로파일의 비교적 불량한 납땜 능력을 갖는 납땜 부분에 대해 더 우수한 결과를 제공한다는 것이 명백하다. 낮은 실온 활성도에 근거하여, Kester 244 플럭스는 더 오랜 저장 수명을 가져야 한다.

예 4- 도 9는 일반적인 수용성 플럭스에 대한 높은 온도 프로파일을 이용하여 측정된 예시적인 전도도-온도 시간 프로파일을 도시한다. 그러한 플럭스는 일반적으로 낮은 납땜 능력의 다루기 힘든 금속 시스템을 납땜하는데 일반적으로 사용된다. 수용성 플럭스(도 9)의 활성도는 리플로우 공정 전체에 비교적 높게 유지되 는 것으로 보여진다. 더욱이, 플럭스 활성도는 납땜 공정(실온에서) 이후에 높게 유지되며, 이것은 세척 공정이 부식을 야기하고 및/또는 전자 이주를 유도할 수 있는 플럭스 잔여물을 제거하는데 필요하다는 것을 나타낸다.

예 5- 도 10은 낮은 온도 프로파일을 이용하여 3개의 리플로우 캡슐화 물질에 대해 측정된 예시적인 전도도-온도 시간 프로파일을 도시한다. 그러한 물질은 일반적으로 볼 그리드 어레이(BGA) 디바이스에 적용되고, 이러한 BGA 디바이스는 인쇄 배선 기판과의 상호 연결을 제공하는 땜납 구체(sphere) 어레이를 이용하는 무납(leadless) 전자 패키지이다. 캡슐화의 존재는 패키지와 기판 사이에 형성된 땜납 결합을 강화하여, 상호 연결의 부착 신뢰성을 개선한다. 일반적인 리플로우 납땜 공정 동안, 리플로우 캡슐화는 땜납 합금의 용융 온도까지 플럭스 특성을 나타내야 한다. 그런 후에, 리플로우 캡슐화는 크로스 링크하고, 완전히 중합화된 캡슐화로서 경화한다. 리플로우 캡슐화가 리플로우 공정에서 너무 일찍 경화되는 경우, Kirsten의 미국 특허 6,819,004에 기재된 바와 같이 결과적인 겔은 땜납 결합 구성과 간섭할 것이다. 리플로우 캡슐화가 경화할 때, 전기 전도도가 감소한다.

도 10으로부터, EL2-33-1 및 9110S 물질이 9101 물질보다 훨씬 더 낮은 온도에서 경화하여, 이들 물질이 몇몇 높은 온도 합금 시스템에 사용하는데 부적합하게 한다는 것이 명백하다. 실제 납땜 연구에서, EL2-33-1 및 9110S 리플로우 캡슐화 물질은 공융 Sn-Pb 땜납(63% Sn 및 37% Pb)에 대해 잘 수행되고, 이러한 땜납은 183℃에서 용융되고, 9101 물질은 용융점 221℃을 갖는 Pb-없는 합금(96.5% Sn, 3.0% Ag, 및 0.5% Cu)에 효과적이다. 이들 결과는, 본 발명이 또한 리플로우 캡슐 화 물질을 경화하기 위해 적절한 온도 프로파일을 확립하고 특정 리플로우 상태에 의해 제공된 경화도(degree of cure)의 척도를 제공하는데 사용될 수 있다는 것을 보여준다.

본 발명의 바람직한 실시예는 이전에 예시되고 설명되었다. 그러나, 변형 및 추가 실시예는 당업자에게 확실히 명백할 것이다. 더욱이, 등가 요소는 본 명세서에 예시되고 설명된 것으로 대체될 수 있고, 부분 또는 연결은 반대로 되거나 다른 경우 교환될 수 있고, 본 발명의 특정한 특징은 다른 특징과 독립적으로 이용될 수 있다. 따라서, 예시된 실시예는 총괄적이라기보다는 예시적인 것으로 고려되어야 하는 한편, 첨부된 청구항은 본 발명의 전체 청구 범위를 보다 잘 나타낸다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스 및 방법 등에 이용된다.

Claims

납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법으로서,

유전 물질의 기판 상에 미리 결정된 영역 내에 배치된 2개의 금속 트레이스를 포함하는 전도도 프로브를 제공하는 단계와;

전도도 프로브의 온도를 측정하기 위한 온도 프로브를 제공하는 단계와;

미리 결정된 영역의 적어도 일부분에 걸쳐 미리 결정된 양의 플럭스를 적용하는 단계와;

미리 결정된 온도-시간 프로파일에 따라 적용된 플럭스로 전도도 프로브를 가열하는 단계와;

전도도-온도 시간 프로파일을 생성하도록 온도의 함수로서 전도도 프로브의 금속 트레이스 사이의 전기 전도도를 측정하는 단계와;

납땜 공정에서 플럭스의 성능을 결정하기 위해 전도도-온도 시간 프로파일을 분석하는 단계를

포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 플럭스는 각 금속 트레이스의 적어도 일부분과 상기 금속 트레이스 사이의 유전 기판 상에 미리 결정된 영역 내에 적용되는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 플럭스는 땜납 페이스트에 포함되고, 상기 땜납 페이스트는 금속 트레이스 사이의 기판이 아닌 금속 트레이스의 적어도 하나 상의 미리 결정된 영역 내에 부착되고, 상기 측정 단계는 금속 트레이스 사이에서 발생하는 전기 단락을 검출하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 플럭스는 스텐실링(stenciling), 주사 분배, 딥 코팅, 분무, 브러싱 및 인쇄로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법에 의해 적용되는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 가열 단계는 리플로우(reflow) 오븐 또는 웨이브 납땜 사전 가열 오븐에 의해 수행되는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 1항에 있어서, 전도도 프로브의 금속 트레이스 사이의 전기 전도도는 2개의 금속 트레이스 양단에 인가된 전압에 대한 전류 응답으로부터 온도 함수로서 측정되는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 6항에 있어서, 2개의 금속 트레이스 양단에 인가된 전압은 미리 결정된 주파수의 ac 전압인, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 7항에 있어서, 상기 적용 단계, 가열 단계, 측정 단계 및 분석 단계는 복수의 미리 결정된 횟수 동안 반복되는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 분석 단계는 컴퓨터를 이용하여 수행되는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 분석 단계는 시간 또는 온도 함수로서 전도도의 데이터 곡선을 생성하는 단계를 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 10항에 있어서, 상기 분석 단계는, 경사, 피크 영역, 피크 영역 비율, 피크 높이, 피크 높이 비율, 전도도가 미리 결정된 값보다 높게 남아있는 시간으로 구성된 그룹으로부터 선택된 데이터 곡선으로부터 특징(feature)을 추출하는 단계를 더 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 1항에 있어서,

전도도 프로브 또는 전도도 프로브를 포함하는 회로 보드 랙에 부착된 환경 센서로부터 출력을 모니터링하는 단계를 더 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 12항에 있어서, 상기 환경 센서는 산소 농도 센서, 상대 습도 센서, 및 압력 센서로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
제 12항에 있어서, 상기 적용 단계, 가열 단계, 측정 단계, 모니터링 단계, 및 분석 단계는 환경 센서로부터 복수의 출력에 대해 반복되는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 방법.
납땜 플럭스의 활성도를 평가하는 방법으로서,

유전 물질의 기판 상에 미리 결정된 영역 내에 배치된 2개의 금속 트레이스를 포함하는 전도도 프로브를 제공하는 단계와;

각 금속 트레이스의 적어도 일부분 및 상기 금속 트레이스 사이의 유전 기판 상에 미리 결정된 영역 내에 미리 결정된 양의 플럭스를 적용하는 단계와;

전도도 프로브의 금속 트레이스 사이의 전기 전도도를 측정하는 단계를 포함하며,

비교적 높은 전기 전도도는 납땜 플럭스에 대해 비교적 높은 활성도를 나타내는, 납땜 플럭스의 활성도를 평가하는 방법.
납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스로서,

유전 물질의 기판 상의 미리 결정된 영역에 배치된 2개의 금속 트레이스를 포함하는 전도도 프로브와;

전도도 프로브의 온도를 측정하는 온도 프로브와;

전도도 프로브의 2개의 금속 트레이스 사이의 전기 전도도를 측정하는 전도도 미터를 포함하며,

상기 플럭스는 미리 결정된 영역의 적어도 일부분에 걸쳐 적용되고, 전도도 프로브는 가열되는 한편, 전도도 프로브의 금속 트레이스 사이의 전기 전도도는 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 결정하기 위해 분석되는 전도도-온도 시간 프로파일을 생성하도록 온도 함수로서 측정되는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 상기 2개의 금속 트레이스는 맞물린 콤 패턴(interdigitated comb pattern)을 형성하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 상기 유전 물질은 중합체를 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 상기 유전 물질은 세라믹을 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 상기 온도 프로브는 열전쌍 및 제 1 전압계를 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 20항에 있어서, 상기 열전쌍은 전도도 프로브의 부분과 물리적 접촉하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 상기 전도도 미터는 전압원 및 전류-측정 디바이스를 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 22항에 있어서, 상기 전압원은 ac 전압원인, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 22항에 있어서, 상기 전류-측정 디바이스는 전기 저항 및 제 2 전압계를 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 상기 전도도 프로브는 리플로우 오븐 또는 사전 가열 오븐에 의해 가열되는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 동시에 다중 전도도 프로브를 테스트하는 회로 보드 랙을 더 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 26항에 있어서, 상기 열전쌍은 회로 보드 랙의 부분과 물리적 접촉하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 열전쌍 프로브에 대한 신호-잡음비를 증가시키는 전압 증폭기를 더 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 상기 전도도 미터에 대한 신호-잡음비를 증가시키는 전류 증폭기를 더 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서,

아날로그-디지털 변환기와;

컴퓨터를 더 포함하고,

납땜 공정에서 플럭스의 성능을 결정하는데 사용된 전도도-온도 시간 프로파일의 분석이 용이해지는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 전도도 프로브 및 온도 프로브로부터 그리고 사용된 임의의 다른 센서로부터 데이터 신호를 데이터 수집 및 처리 시스템으로 전송하기 위한 무선 링크를 더 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.
제 16항에 있어서, 가열 단계가 완료된 후에 다운로딩될 수 있는 데이터를 수집 및 저장하기 위한 온-보드 데이터 링크를 더 포함하는, 납땜 공정에서 플럭스의 성능을 평가하는 디바이스.