KR20110129151A - 부력 인가 수단을 가진 웨이브 솔더링 장치와 솔더링 방법 및 플립 칩용 솔더 범프 형성 방법 - Google Patents

부력 인가 수단을 가진 웨이브 솔더링 장치와 솔더링 방법 및 플립 칩용 솔더 범프 형성 방법 Download PDF

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박재용
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Abstract

웨이브 솔더링 장치와 이를 이용한 솔더링 방법 및 플립 칩용 솔더 범프 형성 방법이 개시된다. 개시된 웨이브 솔더링 장치는, 용융 솔더를 담고 있는 솔더 배스를 포함한다. 솔더 배스에는 솔더 배스의 상부를 통과하는 기판의 저면을 향해 용융 솔더를 상향 분출시키는 노즐이 설치된다. 솔더 배스의 하류측 영역에는 용융 솔더와 분리되는 액체가 저장되며, 이 액체에 의해 기판에 부착된 용융 솔더에 부력이 인가될 수 있다. 부력에 의해 기판에 부착된 용융 솔더의 양이 증가하므로, 플립 칩용으로 사용할 수 있을 정도로 충분히 높은 높이를 가진 솔더 범프가 형성될 수 있다.

Description

부력 인가 수단을 가진 웨이브 솔더링 장치와 솔더링 방법 및 플립 칩용 솔더 범프 형성 방법{Wave soldering apparatus having buoyancy force applying means, soldering method, and method for forming flip chip solder bump}
본 발명은 웨이브 솔더링 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융 솔더에 부력을 인가하는 수단을 가진 웨이브 솔더링 장치와 솔더링 방법 및 플립 칩용 솔더 범프 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 집적 회로에 있어서, 고속의 라인 특성과 함께 고성능화가 요구됨에 따라 I/O(Input/Output) 수가 증가되면서, 그 개발 형태가 와이어 본딩 제품에서 플립 칩(Flip Chip) 제품 형태로 변화되고 있다. 그러나, 플립 칩 제품은 일반적인 BGA(Ball Grid Array) 타입의 제품보다 제조 원가가 높아서 시장 경쟁력이 낮은 문제점을 가지고 있다. 플립 칩 제품의 제조원가를 낮추기 위한 방법 중에서 가장 효과가 큰 것이 바로 현재의 전기 도금(Electro-Plating) 방식으로 진행되는 솔더 범프 형성 방식을 보다 낮은 원가의 솔더 범프 형성 방식으로 전환하는 것이다. 이를 위해, 플립 칩용 솔더 범프의 형성에 웨이브 솔더링 장치를 이용하는 것이 고려될 수 있다.
웨이브 솔더링 장치는 기판 상에 용융 솔더를 플로우시키면서 솔더링하는 장치로서 주로 PTH(Pin Through Hole) 인서트 부품의 솔더링이나 TSOP(Thin Small Outline Package) 패키지의 스택용으로 사용되고 있다. 그런데, 이러한 종래의 웨이브 솔더링 장치를 사용하여 형성된 솔더 범프는 그 높이가 매우 낮아서 플립 칩용으로 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 실시예들은, 용융 솔더에 부력을 인가하는 수단을 가짐으로써 플립 칩용으로 사용 가능한 충분히 높은 솔더 범프를 형성할 수 있는 웨이브 솔더링 장치를 제공한다.
그리고, 본 발명의 실시예들은, 상기 웨이브 솔더링 장치를 사용한 솔더링 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 상기 솔더링 방법에 의해 플립 칩용 솔더 범프를 형성하는 방법을 제공한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 웨이브 솔더링 장치는,
용융 솔더를 담고 있는 솔더 배스; 상기 솔더 배스에 설치되어 상기 솔더 배스의 상부를 통과하는 기판의 저면을 향해 상기 용융 솔더를 상향 분출시키는 노즐; 및 상기 기판에 부착된 용융 솔더에 부력을 인가하는 수단;을 구비한다.
상기 부력 인가 수단은, 상기 기판의 이동 방향과 상기 노즐을 기준으로 상기 솔더 배스의 하류측 영역 내에 담겨진 액체일 수 있다.
상기 솔더 배스의 하류측 영역에 상기 액체를 상향 플로우시키는 펌프가 설치될 수 있다.
상기 솔더 배스의 하류측 영역의 둘레에 상기 솔더 배스를 넘쳐 흐르는 액체를 회수하는 회수 포트가 설치될 수 있다. 상기 회수 포트는 상기 솔더 배스에 형성된 연결 통로를 통해 상기 솔더 배스의 하류측 영역과 연통될 수 있다.
상기 액체는 상기 용융 솔더와 화학 반응을 일으키지 않으며 물리적으로 서로 분리되는 오일 또는 플럭스를 포함할 수 있다. 상기 액체는 상기 용융 솔더의 비중보다 낮은 비중을 가질 수 있으며, 상기 용융 솔더의 융점보다 높은 기화 온도를 가질 수 있다.
상기 기판의 이동 방향과 상기 노즐을 기준으로 상기 솔더 배스의 상류측 영역에 예비 노즐이 설치될 수 있다.
그리고, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 솔더링 방법은,
용융 솔더가 저장된 솔더 배스의 상부를 통과하는 기판의 저면을 향해 상기 용융 솔더를 상향 분출시켜 상기 기판의 저면에 부착시키는 단계; 및
상기 기판의 저면에 부착된 상기 용융 솔더에 부력을 인가하는 단계;를 구비한다.
상기 솔더 배스에는 상기 용융 솔더와 화학 반응을 일으키지 않으며 물리적으로 서로 분리되는 액체가 저장되고, 상기 액체에 의해 상기 용융 솔더에 부력이 인가될 수 있다.
상기 솔더링 방법은, 상기 액체를 상향 플로우시켜 상기 기판의 저면에 부착된 상기 용융 솔더에 상기 액체의 상향 플로우에 따른 힘을 인가하는 단계를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 솔더링 방법에 의해 상기 기판의 저면에 형성된 다수의 패드에 상기 용융 솔더를 부착시켜 플립 칩용 솔더 범프를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 웨이브 솔더링 장치와 방법에 의하면, 용융 솔더에 부력이 인가됨으로써 기판에 부착되는 용융 솔더의 양이 증가하여 솔더 범프의 높이가 높아지게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 웨이브 솔더링 장치와 방법에 의하면, 플립 칩용으로 사용할 수 있을 정도로 충분히 높은 솔더 범프를 형성할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이브 솔더링 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 표시된 A 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3a는 용융 솔더에 부력이 인가되지 않는 상태에서 용융 솔더가 기판에 부착되는 과정을 보여주는 개략적인 도면이고, 도 3b는 도 1에 도시된 웨이브 솔더링 장치에 의해 용융 솔더에 부력이 인가되는 상태에서 용융 솔더가 기판에 부착되는 과정을 보여주는 개략적인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 웨이브 솔더링 장치, 솔더링 방법 및 플립 칩용 솔더 범프 형성 방법에 대해 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이브 솔더링 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 표시된 A 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 웨이브 솔더링 장치(100)는 반도체 웨이퍼 또는 인쇄회로기판 등의 기판(10) 상에 용융 솔더(112)를 플로우시키면서 솔더링하는 장치로서, 용융 솔더(112)를 담고 있으며 이 용융 솔더(112)를 적정 온도로 유지하는 솔더 배스(110)를 포함한다. 상기 솔더 배스(110)의 상부에는 솔더링 될 기판(10)이 배치되고, 이 기판(10)은 일정한 방향, 예컨대 화살표 D 방향으로 이동한다. 그리고, 상기 기판(10)은 이동 방향을 따라 약간 상승하도록 기울어져 배치될 수 있으며, 수평으로 배치될 수도 있다.
상기 솔더 배스(110)에는 솔더 배스(110)의 상부를 통과하는 기판(10)의 저면을 향해 용융 솔더(112)를 상향 분출시키는 노즐(124)이 설치된다. 상기 노즐(124)의 하단부에 인접하여 펌프(134)가 설치되고, 상기 펌프(134)는 용융 솔더(112)를 흡입하여 상기 노즐(124)을 통해 상부로 밀어 올리고, 용융 솔더(112)는 노즐(124)의 상단부로부터 양측 방향으로 마치 폭포처럼 유출하여 솔더 배스(110)로 되돌아 간다. 이와 같이 유동하는 용융 솔더(112)의 상면을 보통 "웨이브(113)"라고 지칭한다. 상기 기판(10)의 저면이 용융 솔더(112)의 웨이브(113)에 접촉하게 되고, 용융 솔더(112)는 솔더링할 기판(10)의 저면에 부착된다.
상기 솔더 배스(110)는 기판(10)의 이동 방향과 노즐(124)을 기준으로 상류측 영역(110a)과 하류측 영역(110b)으로 나뉠 수 있다. 상기 솔더 배스(110)의 상류측 영역(110a)에는 예비 노즐(122)이 설치될 수 있다. 상기 예비 노즐(122)은 상기 노즐(124)로부터 이격되도록 설치되고, 역시 기판(10)의 저면을 향해 용융 솔더(112)를 상향 분출시키는 역할을 하게 된다. 상기 예비 노즐(122)의 하단부에 인접하여 펌프(132)가 설치된다.
상기 솔더 배스(110)의 하류측 영역(110b)에는 상기 기판(10)에 부착되는 용융 솔더(112)에 부력을 인가하는 수단이 마련된다. 상기 부력 인가 수단으로서, 상기 솔더 배스(110)의 하류측 영역(110b) 내에 부력을 발생시키는 액체(140)가 담겨진다. 상기 액체(140)는 기판(10)의 저면에 접촉될 정도의 높이로 담겨진다. 이에 따라, 상기 액체(140)는 솔더 배스(140)를 넘쳐 흐를 수 있으며, 이와 같이 넘쳐 흐르는 액체(140)를 회수하기 위해 회수 포트(142)가 마련될 수 있다. 상기 회수 포트(142)는 솔더 배스(110)의 하류측 영역(110b)의 둘레에 설치될 수 있으며, 상기 회수 포트(142)의 하부는 솔더 배스(110)에 형성된 연결 통로(144)를 통해 솔더 배스(110)의 하류측 영역(110b)과 연통될 수 있다.
상기 솔더 배스(110)의 하류측 영역(110b)에는 상기 액체(140)를 상향 플로우시키는 펌프(146)가 설치될 수 있다. 상기 액체(140)가 기판(10)을 향해 상향 플로우됨으로써, 기판(10)의 저면에 부착되는 용융 솔더(112)에는 액체(140)에 의한 부력과 함께 액체(140)의 상향 플로우에 따른 힘(Fu)이 인가될 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다.
상기한 바와 같이, 솔더 배스(110)의 하류측 영역(110b)에는 용융 솔더(112)와 부력 인가 수단으로서의 액체(140)가 함께 담겨진다. 상기 액체(140)는 용융 솔더(112)와 화학 반응을 일으키지 않으며 물리적으로 서로 분리되는 오일 또는 플럭스를 포함할 수 있다. 상기 액체(140)는 용융 솔더(112)의 비중보다 낮은 비중을 가진다. 이에 따라, 상기 액체(140)는 용융 솔더(112)와 물리적으로 분리되고 용융 솔더(112)의 상부에 위치하게 된다. 한편, 상기 액체(140)가 보다 높은 부력을 발생시키기 위해서는, 액체(140)의 비중은 높을 수록 바람직하다. 따라서, 상기 액체(140)의 비중은 용융 솔더(112)의 비중보다 낮은 한도 내에서 가능한 한 높은 것이 바람직하다고 할 수 있다. 그리고, 상기 솔더 배스(110)의 하류측 영역(110b) 내에서 상기 액체(140)가 액상을 유지하기 위해, 상기 액체(140)는 용융 솔더(112)의 융점보다 높은 기화 온도를 가진다. 예컨대, 상기 액체(140)의 기화 온도는 상기 용융 솔더(112)의 유지 온도보다 대략 50 ~ 100℃ 높을 수 있다.
상기한 구성을 가진 웨이브 솔더링 장치(100)는 플립 칩용 솔더 범프(20)를 형성하는데 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 기판(10)의 저면에는 다수의 패드(12)가 마련될 수 있으며, 상기 용융 솔더(112)는 상기 패드(12)에 부착되어 솔더 범프(20)를 형성하게 된다. 이 과정에서, 용융 솔더(112)에는 상기한 바와 같이 액체(140)에 의한 부력과 함께 액체(140)의 상향 플로우에 따른 힘(Fu)이 인가되고, 이에 따라 플립 칩용으로 사용될 수 있을 정도의 충분한 높이를 가진 솔더 범프(20)가 형성될 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다. 한편, 참조부호 14는 기판(10)에 형성된 패드(12)를 제외한 표면에 도포된 플럭스를 가리킨다.
도 3a는 용융 솔더에 부력이 인가되지 않는 상태에서 용융 솔더가 기판에 부착되는 과정을 보여주는 개략적인 도면이고, 도 3b는 도 1에 도시된 웨이브 솔더링 장치에 의해 용융 솔더에 부력이 인가되는 상태에서 용융 솔더가 기판에 부착되는 과정을 보여주는 개략적인 도면이다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 용융 솔더(112)의 웨이브(113) 표면이 기판(10) 저면의 패드(112)에 접촉되면, 일정 량의 용융 솔더(112)가 패드(12)에 부착된다. 상기 패드(12)에 부착된 용융 솔더(112)에는 서로 반대 방향의 부착력(Fa)과 중력(Fg)이 작용한다. 기판(10)이 화살표 D 방향으로 이동함에 따라, 패드(12)에 부착된 용융 솔더(112)는 웨이브(113) 표면으로부터 분리된다. 이때, 패드(12)에 부착된 용융 솔더(112)는 상기한 부착력(Fa)과 중력(Fg)이 균형을 이루는 양만큼 남게 된다. 상기한 바와 같이, 패드(12)에 부착된 용융 솔더(112)에 부착력(Fa)과 중력(Fg)만 작용하고 부력이 인가되지 않는 경우, 패드(12)에 부착된 용융 솔더(112)의 양이 적어서 스몰 범프를 형성하게 되고, 이러한 스몰 범프는 그 높이가 낮아서 플립 칩용으로 사용하기 힘들다.
다음으로, 도 3b를 참조하면, 도 1에 도시된 웨이브 솔더링 장치에 있어서, 용융 솔더(112)의 웨이브(113) 표면이 기판(10) 저면의 패드(112)에 접촉되면, 일정 량의 용융 솔더(112)가 패드(12)에 부착된다. 이때, 상기 패드(12)에 부착된 용융 솔더(112)에는 위쪽, 즉 패드(12) 쪽을 향하는 부착력(Fa)과 아래쪽을 향하는 중력(Fg)이 작용하며, 또한 액체(140)에 의한 부력(Fb)이 인가된다. 상기 부력(Fb)은 위쪽을 향하게 되므로, 패드(12)에 부착되는 용융 솔더(112)의 양을 증가시키는 작용을 하게 된다. 그리고, 패드(12)에 부착된 용융 솔더(112)에는 액체(140)의 상향 플로우에 따른 힘(Fu)도 인가될 수 있으며, 이러한 힘(Fu)도 위쪽을 향하게 되므로, 패드(12)에 부착되는 용융 솔더(112)의 양을 더욱 증가시킬 수 있다. 기판(10)이 화살표 D 방향으로 이동함에 따라, 패드(12)에 부착된 용융 솔더(112)는 웨이브(113) 표면으로부터 분리된다. 이때, 패드(12)에 부착된 용융 솔더(112)는 상기한 부착력(Fa), 액체(140)에 의한 부력(Fb) 및 액체(140)의 상향 플로우에 따른 힘(Fu)의 합과 중력(Fg)이 균형을 이루는 양만큼 남게 된다. 상기한 바와 같이, 패드(12)에 부착된 용융 솔더(112)에 부착력(Fa), 액체(140)에 의한 부력(Fb) 및 액체(140)의 상향 플로우에 따른 힘(Fu)이 작용하게 되면, 웨이브(113) 표면으로부터 분리된 후 패드(12)에 부착된 상태로 남게 되는 용융 솔더(112)의 양은 도 3a에 도시된 경우에 비해 많이 증가하게 되며, 이에 따라 패드(12)에는 플립 칩용으로 사용할 수 있을 정도로 충분히 높은 높이를 가진 라지 범프가 형성될 수있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10...기판 12...패드
100...웨이브 솔더링 장치 110...솔더 배스
112...용융 솔더 122...예비 노즐
124...노즐 132,134...용융 솔더용 펌프
140...액체 142...회수 포트
144...연결 통로 146...액체용 펌프

Claims (10)

  1. 용융 솔더를 담고 있는 솔더 배스;
    상기 솔더 배스에 설치되어 상기 솔더 배스의 상부를 통과하는 기판의 저면을 향해 상기 용융 솔더를 상향 분출시키는 노즐; 및
    상기 기판에 부착된 용융 솔더에 부력을 인가하는 수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 웨이브 솔더링 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 부력 인가 수단은, 상기 기판의 이동 방향과 상기 노즐을 기준으로 상기 솔더 배스의 하류측 영역 내에 담겨진 액체인 것을 특징으로 하는 웨이브 솔더링 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 솔더 배스의 하류측 영역에 상기 액체를 상향 플로우시키는 펌프가 설치된 것을 특징으로 하는 웨이브 솔더링 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 솔더 배스의 하류측 영역의 둘레에 상기 솔더 배스를 넘쳐 흐르는 액체를 회수하는 회수 포트가 설치된 것을 특징으로 하는 웨이브 솔더링 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 액체는 상기 용융 솔더와 화학 반응을 일으키지 않으며 물리적으로 서로 분리되는 오일 또는 플럭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이브 솔더링 장치.
  6. 용융 솔더가 저장된 솔더 배스의 상부를 통과하는 기판의 저면을 향해 상기 용융 솔더를 상향 분출시켜 상기 기판의 저면에 부착시키는 단계; 및
    상기 기판의 저면에 부착된 상기 용융 솔더에 부력을 인가하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 솔더링 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 솔더 배스에는 상기 용융 솔더와 화학 반응을 일으키지 않으며 물리적으로 서로 분리되는 액체가 저장되고, 상기 액체에 의해 상기 용융 솔더에 부력이 인가되는 것을 특징으로 하는 솔더링 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 액체를 상향 플로우시켜 상기 기판의 저면에 부착된 상기 용융 솔더에 상기 액체의 상향 플로우에 따른 힘을 인가하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 솔더링 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 액체는 오일 또는 플럭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더링 방법.
  10. 제 16항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 솔더링 방법에 의해 상기 기판의 저면에 형성된 다수의 패드에 상기 용융 솔더를 부착시켜 플립 칩용 솔더 범프를 형성하는 것을 특징으로 하는 플립 칩용 솔더 범프 형성 방법.
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