KR20120107087A - 솔더링 방법, 자이로스코프 및 솔더링된 부분 - Google Patents

솔더링 방법, 자이로스코프 및 솔더링된 부분 Download PDF

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Abstract

본 발명은 크롬, 티타늄 및 티타늄 합금에서 선택된 화학 성분 중 임의의 하나를 갖는 타이층을 기판에 증착하는 단계(6) 및 백금과 팔라듐에서 선택된 물질을 포함하는 확산 방지층을 증착하는 단계(10)를 포함하는 기판의 금속화 단계; 및 금을 포함하는 웨팅층을 증착하는 단계와 전도체와 금속화된 기판 사이에 주석-은 합금과 주석-은-구리 합금에서 선택된 합금을 포함하는 솔더의 부착 단계(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주석-은 합금 및 주석-은-구리 합금에서 선택된 합금을 사용하여 기판에 전도체를 솔더링하는 방법에 관한 것이다.

Description

솔더링 방법, 자이로스코프 및 솔더링된 부분{SOLDERING METHOD, GYROSCOPE AND SOLDERED PART}
본 발명은 유해물질사용제한 지침(directive RoHS)(2002/95/CE)에 따라 무연 솔더링(lead-free soldering) 방법 및 이 솔더링 방법을 사용하여 제조된 자이로스코프(gyroscope)와 솔더링된 부분에 관한 것이다.
참고문헌 EP 1 542 271은 반도체 발광 소자로의 열손상을 감소시키는 반도체 발광 소자를 기판(4)에 솔더링하는 방법을 개시한다. 이 방법에 따라, 서브마운트(submount)가 기판에 증착된다. 이 서브마운트는 연이은 다음의 층을 포함한다: 백금 또는 티타늄을 포함하는 접착층(adhesion layer); 팔라듐 또는 백금을 포함하는 방지층(barrier layer); 전극층; 티타늄 및 백금을 포함하는 접착층; 및 최종적으로 솔더층.
금층(gold layer)은 발광 소자를 제어하도록 형성된 전기 전도층으로서 기능한다. 이 금층은 솔더링 후에 다른 층들과 용융되지 않는다. 백금층이 금층의 위아래에 증착되어 금층이 주석-은 합금층 및 접착층과 혼합되지 않도록 보장한다.
그러나, 서브마운트는 많은 수의 층들을 포함한다. 그래서, 일련의 공정으로 생산하는 것이 복잡하고 고비용이다.
게다가, 이 서브마운트는 두께가 너무 높아서 어떤 기술적 적용들과는 양립할 수 없다.
상세히, 본 발명은 주석-은 합금 또는 주석-은-구리 합금을 사용하여 기판에 전도체를 솔더링하는 방법뿐만 아니라 이 솔더링 방법에 의해 제조되는 자이로스코프 및 솔더링된 부분에 관한 것이다.
현재, 박막의 무연 주석 솔더링에 관한 방법은 없다. 이는 주석-납 솔더보다 더 높은 주석-은 솔더의 리플로우(reflow) 온도가 용해(dissolution)를 증가시키고 이들 막의 두께가 증가되도록 하기 때문이다. 취성(brittle) 기판, 예컨대 세라믹형 기판에서는, 기계적 응력을 낮추므로 박막의 두께를 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 박막의 무연 솔더링 방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 한 주제는 크롬(chromium), 티타늄(titanium) 및 티타늄 합금에서 선택된 화학 성분 중 임의의 하나를 갖는 타이층(tie layer)을 기판에 증착하는 단계 및 백금(platinum)과 팔라듐(palladium)에서 선택된 물질을 포함하는 확산 방지층(diffusion barrier layer)을 증착하는 단계를 포함하는 기판의 금속화 단계; 및 전도체와 금속화된 기판 사이에 주석-은 합금과 주석-은-구리 합금에서 선택된 합금을 포함하는 솔더의 부착 단계를 포함하는 주석-은 합금 및 주석-은-구리 합금에서 선택된 합금을 사용하여 전도체라고 하는 적어도 부분적 전도성 물체를 기판에 솔더링하는 방법으로서, 확산 방지층을 증착하는 단계와 솔더를 부착하는 단계 사이에 증착되며, 금을 포함하는 웨팅층(wetting layer)을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 솔더링 방법은 백금과 팔라듐에서 선택된 물질을 포함하는 확산 방지층의 증착 및 타이층과 선택적으로 확산 방지층의 결함을 보상하기 위한 웨팅층의 증착을 포함한다.
특정 실시예에 따라, 상기 방법은 다음의 특징 중 하나 이상을 포함한다:
- 타이층은 5와 50 나노미터의 두께를 갖는 박막이다;
- 타이층은 약 30 나노미터의 두께를 가진다;
- 확산 방지층은 약 100 나노미터와 1500 나노미터 사이의 두께를 갖는 박막이다;
- 확산 방지층은 약 200 나노미터의 두께를 가진다;
- 솔더는 웨팅층에 곧바로 증착된다;
- 웨팅층은 솔더의 두께의 0.4%와 대략 동일한 두께를 갖는 박막이다;
- 웨팅층은 약 5 나노미터와 1 미크론 사이의 두께를 갖는 박막이다;
- 웨팅층은 약 50 나노미터의 두께를 가진다; 그리고
- 타이층은 크롬을 포함하며, 확산 방지층은 백금을 포함한다.
게다가, 예컨대 특허출원 FR 2 805 039에 기술된 형태의 자이로스코프는 전도성 지지 로드를 통해 베이스와 결합되는 실리카(silica) 전극 캐리어를 포함한다. 공진기, 전극 캐리어 및 지지 로드를 포함하는 커버는 밀폐형으로 베이스에 고정된다. 이후, 고진공(high vacuum)이 커버 아래 형성된다.
전극은 전극 캐리어의 상부면의 부분에 형성된다. 이들은 여기 신호를 수신하고 검출 신호를 전송하기 위해 지지 로드와 각각 연결된다.
이를 위해, 전극 캐리어는 관통홀(through-holes)에 설치되는 금속 부시(bushes)를 포함한다. 지지 로드는 부시에 끼워지며 전도성 접착제, 특히 에폭시(epoxy) 접착제에 의해 부시에 고정된다.
그러나, 이들 접착제는 크게 가스를 방출시킨다. 이런 가스 방출은 커버 아래에 고진공을 형성하고, 무엇보다도 유지하는 것을 어렵게 만든다. 가스 방출을 최소화하고 전극 캐리어와 지지 로드 사이의 전기 전도성이 있도록 하면서, 전극 캐리어가 지지 로드와 견고히 고정되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 주제는 공진기; 공진기를 지지하는 기판; 및 기판에 고정되며, 전도체라고 하는 적어도 부분적 전도성 물체를 포함하는 자이로스코프로서, 상기 언급된 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 솔더링 방법을 구현하여, 상기 전도체가 솔더에 의해 기판에 고정되는 것을 특징으로 한다.
변형으로서, 본 발명에 따른 자이로스코프에서, 기판은 전도체와 연결되는 적어도 하나의 여기/검출 전극을 포함한다.
마지막으로, 본 발명의 또 다른 주제는 적어도 한 기판 및 전도체라고 하는 적어도 부분적 전도체를 포함하며, 기판에 고정되는 솔더링된 부분으로서, 상기 언급된 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 솔더링 방법을 구현하여, 전도체가 솔더에 의해 기판에 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
본 발명은 단지 예로서 제공되고 도면을 참조하는 하기의 상세한 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 솔더링 방법의 블록도이다.
도 2는 솔더링된 부분의 횡단면의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 자이로스코프의 축단면의 개략도이다.
본 발명은 기판(4)에 물체(2)를 솔더링하는 방법에 관한 것이다.
상기 물체(2)는 적어도 부분적으로 전도성을 가진다. 이하에서는, 이를 전도체라고 한다. 상세히, 전도체는 기판(4)에 솔더링되는 적어도 하나의 전도성 면을 가진다. 전도성 면은, 예컨대 금속성 물질 또는 금속을 포함하는 합성 물질과 같은 전도성 물질로 구성된다.
예컨대, 기판(4)은 실리카, 실리콘, 세라믹, 금속 산화물, 결정형(crystalline) 물질 또는 유리에 의해 형성된다.
도 1과 2를 참조하면, 솔더링 방법은 기판을 금속화하는 단계로 시작한다. 이 금속화 단계는 기판(4)에 타이층(8)을 증착하는 단계(6), 타이층(8)에 확산 방지층(12)을 증착하는 단계(10) 및 확산 방지층(12)에 웨팅층(16)을 증착하는 단계(14)를 포함한다.
타이층(8)은 물체(2)가 기판(4)과 강하게 연결되도록 하는데 적합하다. 타이층(8)은, 예컨대 크롬으로 구성된다. 이는 약 5와 50 나노미터 사이의 두께를 가진다. 바람직하기로, 이 층은 약 30 나노미터의 두께를 가진다.
변형으로, 이 타이층(8)은 티타늄 또는 그 합금 중 하나로 구성된다.
확산 방지층(12)은, 예컨대 백금, 팔라듐 또는 니켈로 구성된다. 확산 방지층(12)은 솔더링 합금에서 기판(4)으로의 주석의 전진 속도(rate of advance)를 감소시키는데 적합한 확산 장벽을 생성한다. 게다가, 이 확산 방지층(12)은 주석에 깨짐성이 없는(non-brittle) 내부금속(intermetallics)을 생성한다.
확산 방지층(12)은 약 100과 1500 나노미터 사이의 두께를 갖는 박막이다. 바람직하기로, 이 층(12)은 약 200 나노미터의 두께를 가진다.
웨팅층(16)은 금으로 구성된다. 웨팅층(16)은 솔더링 합금의 확산 방지층(12)으로의 직접 습윤성(direct wettability)을 촉진시킨다.
웨팅층(16)은 약 5 나노미터와 1 미크론 사이의 두께를 갖는 박막이다. 바람직하기로, 웨팅층(16)은 약 50 나노미터의 두께를 가진다. 웨팅층은 솔더, 즉 주석-은 합금 또는 주석-은-구리 합금에 의해 흡수될 희생층(sacrificial layer)이다. 이런 금층은 주석-은 합금 또는 주석-은-구리 합금의 점착성(adhesion)을 강화하기 위해 부가된다. 예컨대, 이런 타이층(8), 확산 방지층(12) 및 웨팅층(16)은 스퍼터링 또는 증착(evaporation)에 의해 생산된다.
단계(18) 동안, 솔더(20)가 금속화된 기판(4)과 전도체의 전도면(25) 사이에 부착된다. 솔더(20)는 주석-은 합금 또는 주석-은-구리 합금으로 구성된다. 본 발명에 따라, 솔더(20)는 웨팅층(16)에 직접적으로 또는 곧바로, 즉 임의의 다른 중간층 없이 증착된다.
웨팅층(16)은 솔더(20)의 두께의 대략 0.4%와 동일한 두께를 갖는 박막이다.
솔더링 방법에 의해 제조된 솔더 접합부는 기판(4)에 적용된 박막 3중층을 포함한다. 이런 3중층은 타이층(8), 확산 방지층(12) 및 웨팅층(16)을 구비한다. 이런 3중층은 3 미크론 미만 그리고 바람직하게는 1 미크론 미만의 두께를 가진다.
도 2는 상기 기술된 솔더링 방법에 따라 제조된 솔더링된 부분(21)의 예를 도시한다. 이 예에서, 솔더링된 부분(21)은 SMC(표면실장용 부품, Surface Mounted Component) 타입의 전자 회로의 일부이다. 이 전자 회로는 기판(4), 특히 알루미나 또는 실리카 웨이퍼 및 전자 소자(23)와 금속화된 수직인 측면(25)으로 된 전도체(2)를 포함한다.
변형으로써, 솔더링된 부분은 예컨대 전자 소자, 하이브리드 회로, 센서 등이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 솔더링 방법을 구현하여 제조된 자이로스코프(22)는 고정을 위한 샤프트(26)를 갖는 벨 형상 또는 구형 캡 형상의 공진기(24) 및 공진기(24)의 샤프트(26)가 고정되며 이하 전극 캐리어(28)라고 하는 전극(30)을 운반하는 부분(28)을 포함한다. 공진기(24)는 실리카로 구성되며, 전극 캐리어(28)는 에어갭(air gap)의 안정성을 보장하기 위해 세라믹 또는 실리카로 구성된다.
전극 캐리어(28)는 공진기(24)의 내부면을 향하여 위치되는 전극을 갖는 반구형일 수 있다. 이런 경우, 공진기(24)의 내부면은 전극 캐리어(28)의 외주(outer perimeter)의 주위에 뻗어 있다(미도시).
또한, 전극 캐리어(28)는 도 3에 도시된 대로 공진기(24)의 단부면을 향하여 위치되는 전극을 갖는 평편한 형태일 수 있다.
자이로스코프(22)는 베이스(32), 예컨대 Kovar®로 구성된 전극 캐리어(28)를 지지하는 로드(34) 및 베이스(32)에 고정되는 커버(36)를 더 포함한다.
지지 로드(34)는 전극 캐리어(28)가 "파일(piles)"을 통해 베이스(32)에 실장되는 배치(arrangement)를 형성한다. 이런 "파일" 실장형 배치는 열팽창의 경우 전극 캐리어(28)가 베이스(22)에 평행하게 병진적으로(translationally) 이동하는 것을 가능하게 한다. 이런 병진 이동은 지지 로드(34)의 변형으로 얻어진다. 이런 "파일" 실장형 배치는 특허 FR 2 805 039에 기술된다.
예컨대, 11개의 지지 로드(34)는 전극 캐리어(28)를 지지한다. 지지 로드(34)는 전도성이다. 이들은 전극 캐리어(28)의 하측, 특히 전극(30)에 고정되어, 전극(30)과 지지 로드(34) 사이의 전기 연결을 보장하도록 한다. 지지 로드(34)의 일부는 공진기의 여기 신호 또는 검출 신호를 전도할 수 있다. 다른 지지 로드(34)는 단지 전극 캐리어(28)에 안정성을 제공한다.
본 발명에 따라, 도 1에 도시된 솔더링 방법은 지지 로드(34)를 전극 캐리어의 전극(30)에 고정하도록 구현된다. 특히, 솔더링 방법은 솔더 접합부(38)를 생성하도록 구현된다.
베이스(32)는 도시된 예에서 지지 로드(34)가 관통해 체결되는 11개의 절연 진공 밀봉(vacuum-tight) 부싱(42)을 운반하는 원형 부분이다.
커버(36)는 베이스(32)와 함께 고진공이 생성되는 밀폐하여 밀봉된 밀봉체(enclosure)로 정의된다. 가스방출 및 밀봉 후 내부의 잔류 가스를 흡수하기 위해 상기 밀봉체와 결합하여 일반적으로 게터 재료(getter material)가 제공된다.
변형으로써, 지지 로드는 금속으로 구성된다.
도 3을 참조하여 본 특허출원에서 기술된 솔더링 방법은 벨 형상 또는 구형 캡 형상의 공진기를 갖는 자이로스코프의 제조를 가능하게 한다. 그러나, 이 방법은 또한 전도성 지지 로드에 의해 지지되는 셀을 갖는 다른 센서를 제조하도록 구현될 수 있다.
이점적으로, 본 발명에 따른 솔더링 방법은 또한 솔더 하이브리드 회로, 센서, 로드, 패드, 커넥터, MEMS 장치를 위한 두 기판 사이의 연결용 또는 진공 밀봉 커버를 기판에 밀봉하는 부품에 사용될 수 있다.
이점적으로, 이 솔더링 방법은 가령 결정형 기판, 세라믹, 유리 프릿(glass frit) 및 약한 탄성 재료와 같은 본래 솔더링할 수 없는 재료를 솔더링하는 것을 가능하게 한다.
이점적으로, 주석-은 합금은 임의의 다른 타입의 솔더링 또는 접착성 본딩과 같은 다른 타입의 조립에 의해 제공되는 것보다 더 큰 강성(stiffness)을 가진다. 이런 강성은 자이로스코프의 주파수 평면을 안정화시킨다. 이 합금은 자이로스코프의 충격 강도를 증가시킨다.
이점적으로, 자이로스코프에서 본 발명에 따른 솔더링 방법을 구현하여, Kovar® 지지 로드와 기판 사이의 차동 팽창(differential expansion)을 보상하는 것이 가능하다.
이점적으로, 본 발명의 방법에 따라 제조된 솔더의 가스 배출은 고진공하에서 접착제로부터의 가스 배출과 비교하여 무시해도 좋다. 따라서, 커버 아래의 모든 가스가 게터에 의해 쉽게 펌핑된다.
이점적으로, 주석-은 합금 및 주석-은-구리 합금은 230℃의 융해점을 가지기 때문에, 커버 내의 더 나은 진공도를 보장하기 위해 약 200℃까지 가스 방출 온도를 증가시킬 수 있다.
이점적으로, 전도성 접착제와 달리, 전극과 지지 로드 사이의 전기 연속성이 시간이 지남에 따라 보장된다.
이점적으로 그리고 접착성 본딩와 대조적으로, 본 발명의 방법에 따라 기판의 물체로의 솔더링은 시간이 경과함에 따라 그 기계적 강성을 잃지 않는다.

Claims (13)

  1. 크롬, 티타늄 및 티타늄 합금에서 선택된 화학 성분 중 임의의 하나를 갖는 타이층(8)을 기판(4)에 증착하는 단계(6) 및 백금과 팔라듐에서 선택된 물질을 포함하는 확산 방지층(12)을 증착하는 단계(10)를 포함하는 기판(4)의 금속화 단계; 및 전도체(2, 34)와 금속화된 기판(4) 사이에 주석-은 합금과 주석-은-구리 합금에서 선택된 합금을 포함하는 솔더(20)의 부착 단계(18)를 포함하는 주석-은 합금 및 주석-은-구리 합금에서 선택된 합금을 사용하여 전도체(2, 34)라고 하는 적어도 부분적 전도성 물체를 기판(4, 28)에 솔더링하는 방법으로서,
    금을 포함하는 웨팅층(16)을 증착하는 단계를 포함하며, 상기 웨팅층은 확산 방지층(12)을 증착하는 단계(10)와 솔더(20)를 부착하는 단계(18) 사이에 증착되는 것을 특징으로 하는 물체를 기판에 솔더링하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타이층(8)은 5와 50 나노미터 사이의 두께를 갖는 박막인 물체를 기판에 솔더링하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 타이층(8)은 약 30 나노미터의 두께를 갖는 물체를 기판에 솔더링하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산 방지층(12)은 약 100 나노미터와 1500 나노미터 사이의 두께를 갖는 박막인 물체를 기판에 솔더링하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산 방지층(12)은 약 200 나노미터의 두께를 갖는 물체를 기판에 솔더링하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 솔더(20)는 웨팅층(16)에 곧바로 증착되는 물체를 기판에 솔더링하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨팅층(16)은 솔더(20)의 두께의 0.4%와 대략 동일한 두께를 갖는 박막인 물체를 기판에 솔더링하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨팅층(16)은 약 5 나노미터와 1 미크론 사이의 두께를 갖는 박막인 물체를 기판에 솔더링하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨팅층(16)은 약 50 나노미터의 두께를 갖는 물체를 기판에 솔더링하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 타이층(8)은 크롬을 포함하며, 상기 확산 방지층(12)은 백금을 포함하는 물체를 기판에 솔더링하는 방법.
  11. 공진기(24);
    공진기(24)를 지지하는 기판(28); 및
    기판(28)에 고정되며, 전도체(2, 34)라고 하는 적어도 부분적 전도성 물체를 포함하는 자이로스코프(22)로서,
    제 1 항에 따른 솔더링하는 방법을 구현하여, 상기 전도체(2, 34)가 솔더에 의해 기판(28)에 고정되는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판(28)은 전도체(2, 34)와 연결되는 적어도 하나의 여기/검출 전극(30)을 포함하는 자이로스코프.
  13. 적어도 한 기판(4) 및 전도체(2)라고 하는 적어도 부분적 전도성 물체를 포함하며, 기판(4)에 고정되는 솔더링된 부분(21)으로서,
    제 1 항에 따른 솔더링하는 방법을 구현하여, 전도체(2)가 솔더에 의해 기판(4)에 고정되는 것을 특징으로 하는 솔더링된 부분.
KR1020127014583A 2009-11-12 2010-11-10 솔더링 방법, 자이로스코프 및 솔더링된 부분 KR20120107087A (ko)

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