KR20130141926A - 솔더 페이스트 토출 장치, 이를 포함한 패터닝 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

솔더 페이스트 토출 장치, 이를 포함한 패터닝 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR20130141926A
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unit
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이영주
김윤복
명선영
함석진
박성찬
이현정
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치는 외형을 이루고 가열용 전열선을 내부에 구비한 노즐캡, 상기 노즐캡에 의해 이격되어 둘러싸인 노즐부, 상기 노즐부에 의해 이격되어 둘러싸인 토출 탐침, 및 상기 노즐캡의 상부에 미세 이동을 위해 구비된 이송부를 포함하고, 상기 노즐부와 상기 토출 탐침 사이의 공간에 공급된 솔더 페이스트가 상기 토출 탐침을 따라 액적 형태로 토출한다.

Description

솔더 페이스트 토출 장치, 이를 포함한 패터닝 시스템 및 그 제어 방법{SOLDER-PASTE DROPLET EJECTION APPARATUS, PATTERNING SYSTEM HAVING THE SAME AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 솔더 페이스트 토출 장치, 이를 포함한 패터닝 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
솔더 페이스트는 디바이스를 PCB 기판에 실장하기 위한 솔더 범프(solder bump)를 형성하기 위해 이용되는 핵심 재질이다. 일반적으로, 솔더 범프를 형성하는 방법에는 전해도금법, 잉크젯 방법, 및 스크린 프린팅 방법 등을 예로 들 수 있다.
그 중에서도 잉크젯 방법은 프린터 외에도 MEMS, 반도체 공정 등에서 폭넓게 사용되고 있는 방법으로 특히, 금속 잉크를 이용한 회로 패터닝 및 전자 패키징 공정에서의 범프 형성과정에서 매우 중요한 역할을 하고 있다.
그러나, 전자기기의 고밀도화, 소형화, 고성능화의 요구에 부합하기 위해, 특히 나노 패터닝 공정을 획기적으로 줄일 수 있고, 범프 크기와 피치 간격을 나노 급으로 미세하게 제어 가능한 나노 패터닝 방법이 필요한 상황이다.
이러한 요구에 부합하는 종래의 나노 패터닝 기술로는 국내공개특허공보 제 2010-0043542호(2010년 4월 29일 공개)에 기재된 딥펜(dip-pen)을 이용하는 방식과 나노 잉크-젯 방식 등이 있다.
그러나, 솔더 볼(solder ball)과 같이 일정한 사이즈의 패턴을 형성하는데에는 상기의 방식들이 적합하지 않다.
즉, 딥펜을 이용하는 방식은 팁(tip)에 잉크를 공급하여 패터닝하는 방식 때문에 연속적인 공정이 불가능하여 대량 생산을 하는데 문제가 있고, 잉크젯 방식은 나노 수준의 패터닝은 가능하지만 장시간이 걸린다는 문제점이 있다.
본 발명의 관점은 상기의 문제점을 해소하기 위해 솔더 페이스트를 연속적으로 토출하여 패터닝 공정을 수행할 수 있는 솔더 페이스트 토출 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기의 문제점을 해소하기 위해 솔더 페이스트를 연속적으로 토출하여 패터닝 공정을 수행할 수 있는 솔더 페이스트 토출 장치를 포함한 패터닝 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 관점은 상기의 문제점을 해소하기 위해 솔더 페이스트를 연속적으로 토출하여 패터닝 공정을 수행할 수 있는 패터닝 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치는 외형을 이루고 가열용 전열선을 내부에 구비한 노즐캡; 상기 노즐캡의 내부에 이격되어 둘러싸인 노즐부; 상기 노즐부의 내부에 이격되어 둘러싸인 토출 탐침; 및 상기 노즐캡의 상부에 미세 이동을 위해 구비된 이송부;를 포함하고, 상기 노즐부와 상기 토출 탐침 사이의 공간에 공급된 솔더 페이스트가 상기 토출 탐침을 따라 액적 형태로 토출한다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치에서 상기 노즐캡은 하부 방향으로 폭이 좁아지는 관통 형태로 구비되고, 상기 노즐부와의 사이에 비활성 가스가 주입되어 단부 방향으로 분사되는 가스 통로를 형성한다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치에서 상기 토출 탐침은 금속 재질을 이용하여 단부 방향으로 뾰족한 침의 형태로 형성되고, 상기 노즐캡의 단부 관통공에서 돌출되도록 구비된다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치에서 상기 노즐부는 내부에 상기 솔더 페이스트의 온도를 검출하기 위한 온도 검출기를 구비한다.
본 발명의 일실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치에서 상기 이송부는 피에조 액츄에이터(piezo-actuator) 또는 모터를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 시스템은 대상을 거치하고 전기적인 극성을 갖는 스테이지; 상기 대상으로 솔더 페이스트를 액적 형태로 토출하는 솔더 페이스트 토출 장치; 상기 솔더 페이스트의 저장부로부터 상기 솔더 페이스트 토출 장치로 상기 솔더 페이스트를 공급하는 가압부; 상기 솔더 페이스트 액적의 토출에 관한 제어를 수행하는 제어부; 상기 제어부에 연결되어 상기 솔더 페이스트 토출 장치로 불활성 가스를 공급하는 가스 펌프부; 및 상기 제어부에 연결되어 상기 솔더 페이스트 액적을 이용한 나노 패터닝 과정의 제어 정보를 디스플레이하는 디스플레이부;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 시스템에서 상기 스테이지는 상기 제어부에 연결되어 상기 솔더 페이스트 토출 장치와 반대되는 전기적인 극성을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 시스템에서 상기 솔더 페이스트 토출 장치는 외형을 이루고 가열용 전열선을 내부에 구비한 노즐캡; 상기 노즐캡에 의해 이격되어 둘러싸인 노즐부; 상기 노즐부에 의해 이격되어 둘러싸인 토출 탐침; 및 상기 노즐캡의 상부에 미세 이동을 위해 구비된 이송부;를 포함하고, 상기 가압부에 의해 상기 노즐부와 상기 토출 탐침 사이의 공간에 공급된 솔더 페이스트가 상기 가열용 전열선에 의해 가열되어 상기 토출 탐침을 따라 액적 형태로 토출된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 시스템에서 상기 제어부는 상기 토출 탐침에 인가되는 전압을 제어하여 상기 액적의 크기를 제어한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 시스템에서 상기 제어부는 상기 전압의 펄스 폭을 조절하여 인가한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 시스템에서 상기 노즐캡은 하부 방향으로 폭이 좁아지는 관통 형태로 구비되고, 상기 가스 펌프부로부터 공급된 비활성 가스가 상기 노즐부와의 사이에 주입되어 단부 방향으로 분사되는 가스 통로를 형성한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 시스템에서 상기 토출 탐침은 금속 재질을 이용하여 단부 방향으로 뾰족한 침의 형태로 형성되고, 상기 노즐캡의 단부 관통공에서 돌출되도록 구비된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 시스템에서 상기 노즐부는 내부에 상기 솔더 페이스트의 온도를 검출하기 위한 온도 검출기를 구비한다.
그리고, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 패터닝 제어 방법은 제어부가 솔더 페이스트 토출 장치에 공급된 솔더 페이스트를 용융 상태로 변환하기 위한 예열 처리를 수행하는 단계; 상기 제어부가 상기 솔더 페이스트 토출 장치에 인가되는 전압 또는 불활성 가스를 이용하여 상기 용융된 솔더 페이스트를 미세 액적 형태로 대상에 토출하는 단계; 상기 제어부는 상기 토출된 미세 액적에 의해 상기 대상에 형성된 패턴의 사이즈가 원하는 사이즈를 갖는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 패턴의 사이즈가 원하는 사이즈를 갖지 않는 판단 결과에 따라, 상기 제어부는 상기 솔더 페이스트 토출 장치에 대해 수정한 토출 조건에 따라 상기 솔더 페이스트를 미세 액적 형태로 다시 토출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 패터닝 제어 방법에서 상기 예열 처리를 수행하는 단계는 상기 제어부가 상기 대상을 거치한 스테이지와 상기 솔더 페이스트 토출 장치 각각에 전기적인 극성을 인가하여, 상기 대상과 상기 솔더 페이스트 토출 장치 사이에 정전기력을 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 패터닝 제어 방법에서 상기 예열 처리를 수행하는 단계는 상기 제어부가 상기 솔더 페이스트 토출 장치의 외형을 이루는 노즐캡에 구비된 가열용 전열선에 전압을 인가하여, 상기 솔더 페이스트 토출 장치에 함유된 솔더 페이스트를 용융 상태로 변환한다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 패터닝 제어 방법에서 상기 미세 액적 형태로 대상에 토출하는 단계는 상기 제어부가 상기 솔더 페이스트 토출 장치의 토출 탐침에 인가되는 토출 인가 전압(V), 상기 토출 인가 전압(V)의 펄스 파형, 및 상기 토출 탐침과 상기 대상 사이의 거리를 설정하여 상기 용융된 솔더 페이스트를 미세 액적 형태로 토출한다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 패터닝 제어 방법에서 상기 토출 인가 전압(V)은
Figure pat00001
(γ: 상기 용융된 솔더 페이스트의 표면 장력[N/m], ε0: 진공의 유전율[F/m], d: 상기 토출 탐침의 뾰족한 단부의 직경, h: 상기 토출 탐침과 대상 사이의 거리, k: 비례 상수)
의 범위를 갖는 수치로 인가된다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 패터닝 제어 방법에서 상기 미세 액적 형태로 대상에 토출하는 단계는 상기 솔더 페이스트 토출 장치에 주입되는 불활성 가스의 분사압을 이용하여 형성과정 중에 있는 상기 액적을 토출한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 패터닝 시스템은 솔더 페이스트 토출 장치를 이용하여 솔더 페이스트를 미세 액적으로 형성하고 안정적으로 토출하게 되므로, 패키징 공정에 필요한 미세 크기의 범프(bump)를 형성하고 피치 간격을 미세하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 패터닝 제어 방법은 솔더 페이스트 토출 장치에 인가되는 토출 인가 전압을 이용하여 솔더 페이스트를 미세 액적의 사이즈로 조절하여 토출함으로써, 미세한 솔더 범프 등을 포함한 솔더 패턴을 용이하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치를 포함한 패터닝 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 예시도.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치의 노즐부에 대한 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치의 노즐캡에 대한 하면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 솔더 페이스트를 토출하여 패터닝 공정을 수행할 수 있는 패터닝 제어 방법을 설명하기 위한 순서도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치를 포함한 패터닝 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 예시도이며, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치의 노즐부에 대한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트 토출 장치의 노즐캡에 대한 하면도이다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패터닝 시스템은 솔더 페이스트를 인쇄회로기판 등의 대상에 솔더 범프로 패터닝하는 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되지 않고 전도성 페이스트를 이용하여 나노 차원의 전도성 패턴을 포함한 다양한 나노 패턴을 기판 등에 형성할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 패터닝 시스템은 인쇄회로기판 등의 대상(110)을 거치하고 전기적인 극성을 갖는 스테이지(100), 솔더 페이스트 토출 장치(200), 저장부(400)로부터 솔더 페이스트 토출 장치(200)로 솔더 페이스트(410)를 공급하는 가압부(300), 솔더 페이스트의 토출에 관한 전반적인 제어를 수행하는 제어부(500), 제어부(500)에 연결되어 솔더 페이스트 토출 장치(200)로 불활성 가스를 공급하는 가스 펌프부(600), 및 제어부(500)에 연결되어 나노 패터닝 과정의 제어 정보를 디스플레이하는 디스플레이부(700)를 포함한다.
솔더 페이스트 토출 장치(200)는 제어부(500)의 제어에 따라 가압부(300)에 의해 공급된 저장부(400)의 솔더 페이스트(410)를 정전기력에 의해 토출 탐침(220)의 단부에서 미세한 액적으로 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 솔더 페이스트(410)의 미세한 액적은 정전기력 또는 불활성 가스에 의해 대상(110)에 토출될 수 있다.
구체적으로, 솔더 페이스트 토출 장치(200)는 외형을 이루고 가열용 전열선(212)을 내부에 권취한 노즐캡(210), 노즐캡(210)의 내부에 가스 통로(250)를 형성하도록 노즐캡(210)의 내측으로 이격된 노즐부(230), 노즐부(230)에 의해 둘러싸인 토출 탐침(220), 및 상부에 미세 이동을 위한 이송부(260)를 포함할 수 있다.
노즐캡(210)은 도 2a에 도시된 바와 같이, 원통형의 외형으로 노즐부(230)를 이격하여 둘러싸고 단부 방향으로 폭이 좁아지는 관통 형태로 구비되고, 노즐부(230)와의 사이에 가스 통로(250)를 형성한다. 또한, 노즐캡(210)은 그 내부에 가열용 전열선(212)을 구비하기 위해 관통공(211)을 테두리 내부를 따라 단부까지 형성한다. 가열용 전열선(212)이 이러한 관통공(211)에 구비되고, 가열용 전열선(212)의 전기적 가열에 의해 노즐캡(210)은 발열 기능을 수행할 수 있다.
이에 따라, 노즐캡(210)은 고온에 의해 변형이 되지 않은 내열성 및 솔더 페이스트가 잘 붙지 않는 재질로서, 예컨대 Al, 스테인레스 등과 같은 금속 재질, 세라믹 재질, 또는 플라스틱과 같은 고분자 재질로 형성될 수 있다.
이러한 노즐캡(210)은 발열 작용에 의해 노즐부(230)에 함유된 솔더 페이스트(410)를 가열하여 솔더 페이스트(410)를 용융 상태로 변화시킬 수 있다.
노즐부(230)는 내부에 토출 탐침(220)을 둘러싸고 그 사이의 공간에 가압부(300)에 의해 공급된 솔더 페이스트(410)를 담아 토출 탐침(220)의 단부 방향으로 유도한다. 이때, 노즐부(230)와 토출 탐침(220) 사이의 공간에 담긴 솔더 페이스트(410)는 노즐캡(210)의 발열 작용에 의해 용융 상태로 토출 탐침(220)의 단부 방향으로 원활하게 유동할 수 있다.
또한, 노즐부(230)는 내부에 솔더 페이스트(410)의 용융 온도를 검출하기 위해, 예를 들어 백금 저항 온도계, 열전쌍(thermocouple), 적외선 온도계 등의 온도 검출기를 구비할 수 있다.
토출 탐침(220)은 금속 재질로 노즐부(230)의 내부에서 끝부분이 뾰족한 침의 형태를 갖는다. 이런 구조의 토출 탐침(220)은 노즐부(230)의 단부 관통공을 거쳐 노즐캡(210)의 선단부 관통공에서 돌출되도록 구비될 수 있다.
이러한 토출 탐침(220)에 대해 도 2a에 도시된 바와 같이 스테이지(100)의 극성과 반대되는 극성을 인가하여 전기장을 형성하고, 용융된 솔더 페이스트(410)가 전기장에 의해 토출 탐침(220)의 표면을 따라 흘러, 도 2b에 도시된 바와 같이 토출 탐침(220)의 선단부에서 전하를 갖는 미세 액적(411)으로 맺히게 된다.
이때, 미세 액적(411)의 증발을 최소화하기 위해, 도 3에 도시된 토출 탐침(220)과 노즐캡(230) 사이의 이격 간격(L)을 최소화하여 토출 탐침(220) 표면을 타고 흐르는 솔더 페이스트(410)의 증발을 최소화할 수 있다.
이러한 미세 액적(411)은 토출 탐침(220)에 인가되는 전압 또는 가스 통로(250)를 거쳐 분사되는 불활성 가스에 의해 대상(110)에 토출된다.
여기서, 토출 탐침(220)의 단부가 서브마이크로 단위 또는 나노 단위로 작아지게 되면, 정전기력에 의해 전계 강도가 강해져 저전압에서도 액적(411)의 토출이 용이해진다.
또한, 토출 탐침(220)과 대상(110) 사이에 형성된 정전기장에 의해, 액적(411)은 대상(110)으로 안정된 궤적의 토출 직진성을 획득할 수 있기 때문에, 토출된 액적(411)의 착탄 위치 정밀도가 향상될 수 있다.
따라서, 이러한 토출 탐침(220)을 통해 미세 액적(411)의 형성 및 안정된 액적 토출이 가능하게 되므로, 패키징 공정에 필요한 미세 크기의 범프(bump)를 형성하고 피치 간격을 미세하게 제어할 수 있다.
이송부(260)는 제어부(500)에 연결되어 X-Y-Z 축으로 이동하는 피에조 액츄에이터(piezo-actuator) 또는 모터를 포함할 수 있고, 바람직하게 이동 길이의 미세 제어가 가능한 피에조 액츄에이터를 이용한다.
제어부(500)는 패터닝 시스템을 구성하는 구성요소에 각각 연결되어 나노 패터닝 과정을 전반적으로 제어하며, 특히 솔더 페이스트 토출 장치(200)를 이용하여 솔더 페이스트(410)의 미세 액적(411)을 형성하고, 설정된 사이즈의 미세 액적(411)을 대상(110)으로 토출하는 과정을 제어할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 패터닝 시스템은 노즐부(230)에서 토출 탐침(220)을 거쳐서 솔더 페이스트(410)의 액적(411)이 토출될 때 노즐부(230)를 감싸는 노즐캡(210)에 의해 점성이 있는 솔더 페이스트(410)를 용융 온도 이상으로 유지하고, 토출 탐침(220)의 상온 대기 접촉면을 최소화하여 솔더 페이스트(410)의 온도 감소 방지, 노즐부(230)의 토출 막힘 등을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 패터닝 시스템은 가스 펌프부(600)를 통해 노즐캡(210)과 노즐부(230) 사이에 형성된 가스 통로(250)에 질소, 아르곤 등의 불활성 가스를 주입 분사하여, 가열에 의한 기체 발생, 증발, 산화 등에 의해 솔더 페이스트(410)의 조성이 변하는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 패터닝 시스템은 토출 탐침(220)과 노즐캡(230) 사이의 이격 간격을 최소화하여, 토출 탐침(220) 표면을 타고 흐르는 솔더 페이스트(410)의 증발을 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따라 솔더 페이스트를 토출하여 패터닝 공정을 수행할 수 있는 패터닝 제어 방법을 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 솔더 페이스트를 토출하여 패터닝 공정을 수행할 수 있는 패터닝 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 제어 방법은 먼저 솔더 페이스트(410)를 용융 상태로 변환하기 위한 예열 처리를 수행한다(S410).
구체적으로, 제어부(500)는 노즐캡(210)에 구비된 가열용 전열선(212)에 전압을 인가하여, 토출 탐침(220)과 노즐부(230) 사이에 함유된 솔더 페이스트(410)를 용융 상태로 예열할 수 있다.
이때, 제어부(500)는 인쇄회로기판 등의 대상(110)을 거치한 스테이지(100)와 토출 탐침(220) 각각에 전기적인 극성을 인가하여, 대상(110)과 토출 탐침(220) 사이에 정전기력을 발생시킬 수 있다.
이에 따라, 토출 탐침(220)의 단부에 형성되는 솔더 페이스트(410)의 미세 액적(411)은 전하를 갖게 되고, 제어부(500)는 토출 탐침(220)에 인가되는 전압(이하, 토출 인가 전압으로 지칭함) 또는 가스 통로(250)에 주입되는 불활성 가스를 이용하여 미세 액적(411)을 대상(110)으로 토출한다(S420).
구체적으로, 토출 탐침(220)에 인가되는 토출 인가 전압(V)은 아래의 [수학식 1]의 관계를 갖고 제어되어 인가된다.
Figure pat00002
(γ: 용융된 솔더 페이스트의 표면 장력[N/m], ε0: 진공의 유전율[F/m], d: 토출 탐침의 뾰족한 단부의 직경, h: 토출 탐침과 대상 사이의 거리, k: 비례 상수)
상기 [수학식 1]에서 좌측항은 일반적으로 전극간 전계를 이용하여 액적 토출을 수행하는 경우의 최저 토출 전압을 나타낸 것이며, 우측항은 본 발명의 다른 실시예에 따른 최저 토출 전압을 나타낸 것이다.
토출 탐침의 뾰족한 단부에 전계가 집중하는 효과를 고려할 때, 상기 [수학식 1]에서 토출 탐침(220)의 뾰족한 단부의 직경(d)이 감소함에 따라 토출 인가 전압(V)은 비례하여 낮아지는 것을 알 수 있으며, 이러한 특징에 따라 낮은 토출 인가 전압(V)에서도 미세 액적(411)의 토출이 가능하다는 것을 알 수 있다.
또한, 액적(411)의 크기는 토출 전압의 펄스 폭에 의해 제어될 수 있어서, 액적(411)의 형성과정 중에 단일 펄스 파형의 전압을 시간차를 두고 탐침에 인가하면 형성과정 중에 있는 액적(411)의 크기를 미세하게 조절하여 토출할 수 있다.
또는, 선택적으로 가스 통로(250)에 주입되는 불활성 가스의 분사압을 이용하여 형성과정 중에 있는 액적(411)을 토출할 수도 있다.
미세 액적(411)을 대상(110)으로 토출한 후, 토출된 액적(411)에 의해 대상(110)에 형성된 솔더 패턴의 사이즈가 원하는 사이즈를 갖는지 여부를 판단한다(S430).
예를 들어, 솔더 패턴의 사이즈가 원하는 사이즈를 갖는지 여부를 판단하기 위해, 제어부(500)는 별도로 연결된 촬상 장치(도시하지 않음)로부터 대상(110)에 형성된 솔더 패턴의 이미지 정보를 분석하여 솔더 패턴의 사이즈가 나노 단위의 원하는 사이즈를 갖는지를 판단할 수 있다.
솔더 패턴의 사이즈가 원하는 사이즈를 갖지 않는 것으로 판단되면, 제어부(500)는 [수학식 1]을 기반으로 토출 조건을 수정하여 원하는 사이즈의 솔더 패턴을 형성하기 위한 미세 액적을 토출한다(S440).
즉, 제어부(500)는 토출 탐침(220)에 인가되는 토출 인가 전압, 토출 탐침과 대상 사이의 거리(h), 토출 인가 전압의 단일 펄스 파형 등을 포함하는 토출 조건을 수정하여 원하는 사이즈의 솔더 패턴을 형성하기 위한 미세 액적(411)을 토출할 수 있다.
특히, 제어부(500)는 토출 인가 전압의 단일 펄스 파형에서 시간차를 조정하여 미세 액적(411)의 크기를 미세하게 조정함으로써, 솔더 패턴을 원하는 사이즈로 형성할 수 있다.
원하는 사이즈의 솔더 패턴을 형성하기 위한 미세 액적을 토출함에 따라, 제어부(500)는 이송부(260)를 통해 솔더 페이스트 토출 장치(200)를 미세하게 이동시키면서 미세 액적(411)의 토출을 계속 진행하여 솔더 범프 등을 포함한 솔더 패턴의 형성 공정을 수행한다(S450).
이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 제어 방법은 솔더 페이스트 토출 장치(200)를 이용하여 미세 액적(411)의 사이즈를 조절하여 서브 마이크로 단위 또는 나노 단위의 미세한 솔더 범프 등을 포함한 솔더 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 패터닝 제어 방법은 토출 탐침(220)을 통해 나노 단위의 미세 액적(411)을 형성하고, 미세 액적(411)을 안정적으로 토출하게 되므로, 패키징 공정에 필요한 미세 크기의 솔더 범프를 형성하고 피치 간격을 미세하게 제어할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 스테이지 110: 대상
200: 솔더 페이스트 토출 장치 210: 노즐캡
212: 전열선 220: 토출 탐침
230: 노즐부 250: 가스 통로
260: 이송부 300: 가압부
400: 저장부 410: 솔더 페이스트
411: 액적 500: 제어부
600: 가스 펌프부 700: 디스플레이부

Claims (20)

  1. 외형을 이루고 가열용 전열선을 내부에 구비한 노즐캡;
    상기 노즐캡의 내부에 이격되어 둘러싸인 노즐부;
    상기 노즐부의 내부에 이격되어 둘러싸인 토출 탐침; 및
    상기 노즐캡의 상부에 미세 이동을 위해 구비된 이송부;
    를 포함하고,
    상기 노즐부와 상기 토출 탐침 사이의 공간에 공급된 솔더 페이스트가 상기 토출 탐침을 따라 액적 형태로 토출되는 솔더 페이스트 토출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐캡은 하부 방향으로 폭이 좁아지는 관통 형태로 구비되고, 상기 노즐부와의 사이에 비활성 가스가 주입되어 단부 방향으로 분사되는 가스 통로를 형성하는 솔더 페이스트 토출 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 토출 탐침은 금속 재질을 이용하여 단부 방향으로 뾰족한 침의 형태로 형성되고, 상기 노즐캡의 단부 관통공에서 돌출되도록 구비되는 솔더 페이스트 토출 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐부는 내부에 상기 솔더 페이스트의 온도를 검출하기 위한 온도 검출기를 구비하는 솔더 페이스트 토출 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 이송부는 피에조 액츄에이터(piezo-actuator) 또는 모터를 포함하는 솔더 페이스트 토출 장치.
  6. 대상을 거치하고 전기적인 극성을 갖는 스테이지;
    상기 대상으로 솔더 페이스트를 액적 형태로 토출하는 솔더 페이스트 토출 장치;
    상기 솔더 페이스트의 저장부로부터 상기 솔더 페이스트 토출 장치로 상기 솔더 페이스트를 공급하는 가압부;
    상기 솔더 페이스트 액적의 토출에 관한 제어를 수행하는 제어부;
    상기 제어부에 연결되어 상기 솔더 페이스트 토출 장치로 불활성 가스를 공급하는 가스 펌프부; 및
    상기 제어부에 연결되어 상기 솔더 페이스트 액적을 이용한 나노 패터닝 과정의 제어 정보를 디스플레이하는 디스플레이부;
    를 포함하는 패터닝 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 스테이지는 상기 제어부에 연결되어 상기 솔더 페이스트 토출 장치와 반대되는 전기적인 극성을 갖는 패터닝 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 솔더 페이스트 토출 장치는
    외형을 이루고 가열용 전열선을 내부에 구비한 노즐캡;
    상기 노즐캡에 의해 이격되어 둘러싸인 노즐부;
    상기 노즐부에 의해 이격되어 둘러싸인 토출 탐침; 및
    상기 노즐캡의 상부에 미세 이동을 위해 구비된 이송부;
    를 포함하고,
    상기 가압부에 의해 상기 노즐부와 상기 토출 탐침 사이의 공간에 공급된 솔더 페이스트가 상기 가열용 전열선에 의해 가열되어 상기 토출 탐침을 따라 액적 형태로 토출되는 패터닝 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는 상기 토출 탐침에 인가되는 전압을 제어하여 상기 액적의 크기를 제어하는 패터닝 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전압의 펄스 폭을 조절하여 인가하는 패터닝 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 노즐캡은 하부 방향으로 폭이 좁아지는 관통 형태로 구비되고,
    상기 가스 펌프부로부터 공급된 비활성 가스가 상기 노즐부와의 사이에 주입되어 단부 방향으로 분사되는 가스 통로를 형성하는 패터닝 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 토출 탐침은 금속 재질을 이용하여 단부 방향으로 뾰족한 침의 형태로 형성되고, 상기 노즐캡의 단부 관통공에서 돌출되도록 구비되는 패터닝 시스템.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 노즐부는 내부에 상기 솔더 페이스트의 온도를 검출하기 위한 온도 검출기를 구비하는 패터닝 시스템.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 이송부는 피에조 액츄에이터(piezo-actuator) 또는 모터를 포함하는 패터닝 시스템.
  15. 제어부가 솔더 페이스트 토출 장치에 공급된 솔더 페이스트를 용융 상태로 변환하기 위한 예열 처리를 수행하는 단계;
    상기 제어부가 상기 솔더 페이스트 토출 장치에 인가되는 전압 또는 불활성 가스를 이용하여 상기 용융된 솔더 페이스트를 미세 액적 형태로 대상에 토출하는 단계;
    상기 제어부는 상기 토출된 미세 액적에 의해 상기 대상에 형성된 패턴의 사이즈가 원하는 사이즈를 갖는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 패턴의 사이즈가 원하는 사이즈를 갖지 않는 판단 결과에 따라, 상기 제어부는 상기 솔더 페이스트 토출 장치에 대해 수정한 토출 조건에 따라 상기 솔더 페이스트를 미세 액적 형태로 다시 토출하는 단계;
    를 포함하는 패터닝 제어 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 예열 처리를 수행하는 단계는
    상기 제어부가 상기 솔더 페이스트 토출 장치의 외형을 이루는 노즐캡에 구비된 가열용 전열선에 전압을 인가하여, 상기 솔더 페이스트 토출 장치에 함유된 솔더 페이스트를 용융 상태로 변환하는 패터닝 제어 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 예열 처리를 수행하는 단계는
    상기 제어부가 상기 대상을 거치한 스테이지와 상기 솔더 페이스트 토출 장치 각각에 전기적인 극성을 인가하여, 상기 대상과 상기 솔더 페이스트 토출 장치 사이에 정전기력을 발생시키는 단계를 포함하는 패터닝 제어 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 미세 액적 형태로 대상에 토출하는 단계는
    상기 제어부가 상기 솔더 페이스트 토출 장치의 토출 탐침에 인가되는 토출 인가 전압(V), 상기 토출 인가 전압(V)의 펄스 파형, 및 상기 토출 탐침과 상기 대상 사이의 거리를 설정하여 상기 용융된 솔더 페이스트를 미세 액적 형태로 토출하는 패터닝 제어 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 토출 인가 전압(V)은
    Figure pat00003

    (γ: 상기 용융된 솔더 페이스트의 표면 장력[N/m], ε0: 진공의 유전율[F/m], d: 상기 토출 탐침의 뾰족한 단부의 직경, h: 상기 토출 탐침과 대상 사이의 거리, k: 비례 상수)
    의 범위를 갖는 수치로 인가되는 패터닝 제어 방법.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 미세 액적 형태로 대상에 토출하는 단계는
    상기 솔더 페이스트 토출 장치에 주입되는 불활성 가스의 분사압을 이용하여 형성과정 중에 있는 상기 액적을 토출하는 패터닝 제어 방법.
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