KR20150006343A - 무-플럭스 솔더를 기판상에 분배 및 분포하기 위한 장치 - Google Patents

무-플럭스 솔더를 기판상에 분배 및 분포하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

플럭스 솔더를 기판(2)상에 분배 및 분포하기 위한 장치(1)는 세장 공구(7), 공구 마운트(9), 초음파 발생기(10), 와이어 안내 튜브(11)를 구비하고, 선택적으로 히트 싱크(14)와 하우징(15)을 구비한다. 공구(7)는 공구 마운트(9)에 고정될 수 있으며, 공구(7)의 선단부(8)상의 개부구 개방된 길이방향 보링 구멍을 갖는다. 상기 와이어 안내 튜브(11)는 중앙 길이방향 축을 따라 초음파 발생기(10)와 공구 마운트(9)를 통해 연장되며, 상기 공구(7)의 선단부(8) 위 위치까지 도달한다. 와이어 안내 튜브(11)은 공구(7)에 닿지 않는다. 초음파 발생기(10)는 공구 마운트(9)에 고정된다. 능동적으로 냉각될 수 있는 냉각 챔버(20)가 하우징(15)의 내벽과 초음파 발생기(10)의 사이에는 형성되는 것이 유리하다.

Description

무-플럭스 솔더를 기판상에 분배 및 분포하기 위한 장치 {DEVICE FOR DISPENSING AND DISTRIBUTING FLUX-FREE SOLDER ON A SUBSTRATE}
본 발명은 무-플럭스 솔더(flux-free solder)를 기판상에 분배 및 분포하기 위한 장치에 관한 것이다.
이러한 유형의 납접 방법은 전적으로는 아니지만 전형적으로 반도체 칩을 금속성 기판, 이른바 리드프레임 상에 실장하는데 사용된다. 전력 반도체는, 접착제에 의한 실장에 비해 납접된 조인트를 통한 반도체 칩으로부터의 열 손실의 더욱 효과적인 소산을 보장하기 위해, 보통 구리로 구성되는 기판과 보통 주로 연납접(soft soldering)에 의해 연결된다. 납접된 조인트의 균질도에 대해 높은 요건이 부과되며, 특히 증가된 전력 밀도, 즉 규정된 두께의 경우에, 전체 칩 영역에 걸친 솔더 층의 균일한 분포 및 완벽한 웨팅(wetting)에 더하여 납접된 조인트에 기포가 전혀 없고 혼입물이 없을 것이 요구된다. 다른 한편으로는, 솔더가 납접 간극으로부터 측방향으로 누출되어 반도체 칩 가까이로 확산되지 않아야 하며, 이는 다시 한번 솔더 분량의 정확한 주입 및 위치 설정을 필요로 한다.
반도체 칩 실장 분야에서, 솔더 와이어의 단부가 솔더의 용융 온도 위로 가열된 기판과 접촉되어 상기 와이어 단편을 용융시키키도록 하는 방법이 실제 사용에 널리 확산되어 사용되고 있다. 이러한 방법은 일반적으로 그 단순성 및 융통성으로 인해 대량 생산에 아주 적합하다. 그러나, 얻어진 대략 원형의 웨팅 표면은 반도체 칩의 직사각형 또는 정사각형 형상에 제대로 맞추어지지 못한다. 기판상에 부착된 솔더의 부분을 반도체 칩의 직사각형 형상으로 조절되는 평평한 형상으로 형성시킬 수 있는 펀칭 다이가 또한 미국 특허 제6,056,184호로부터 알려져 있다. 또한, 기록 헤드(writing head)로 납접 금속 와이어의 단부를 특정 경로를 따라 이동시키는 것이 알려져 있으며, 이때 가열된 기판이 솔더를 연속하여 용융시킨다. 이에 의해 솔더의 궤적이 기판상에 부착된다.
미국 특허 제5,878,939호로부터, 몰딩 다이와 기판 사이에 형성되는 캐비티 내로 액체 솔더가 주입되는 방법이 알려져 있다.
이들 알려진 방법은 다수의 단점을 동반한다. 부착된 솔더의 형상이 둥글거나, 또는 모든 직사각형 형상에 대해 특정 펀칭 다이가 제조될 필요가 있다. 이러한 펀칭 다이는 기판의 일부를 덮는 측벽을 포함한다. 따라서, 솔더가 반도체 칩을 수용하는 칩 아일랜드(chip island)의 에지까지 도포될 수 없다. 또한, 기판이 솔더의 용융 온도 위로 가열될 필요가 있고, 부착된 솔더가 도포 지점으로부터 반도체 칩의 배치 때까지 액체 형태로 유지될 필요가 있다. 또한, 액체 솔더와 접촉하는 부분이 규칙적으로 세정될 필요가 있고, 이 목적을 위해 생산이 중단될 필요가 있는 것이 불리하다.
미국 특허 제4,577,398호 및 미국 특허 제4,709,849호로부터, 납접 금속으로 제조되는 평평한 예비성형체(이른바 "솔더 예비성형체")가 사전 제조되고, 이 예비성형체의 치수가 반도체 칩에 맞추어지는 방법이 알려져 있다. 이어서 솔더 예비성형체는 기판상에 배치되어 기판에 의해 용융되어서 납접 층을 요구된 치수로 형성할 수 있도록 한다. 이러한 방법은 비교적 고가이고, 솔더 예비성형체의 요구되는 사전제조 및 추가의 실장 작업으로 인해 거의 융통성을 제공하지 못한다.
미국특허 공개공보 제2009-145950호로부터, 솔더 와이어가 솔더 분배기의 기록 헤드를 통해 안내되고, 솔더를 도포할 때 와이어가 가열된 기판과 접촉되어, 솔더가 와이어의 단부에서 용융되게 되고, 이때 기록 헤드가 기판의 표면에 평행한 사전결정된 경로를 따라 이동되는 방법 및 장치가 알려져 있다. 솔더 분배기는 이러한 방식으로 기판상에 솔더 궤적을 기록한다. 이 방법에서는 기판이 선행하는 세정이 없으면 단지 불충분하게 웨팅될 수 있는 것이 불리하다.
미국특허 공개공보 제2012-0298730호로부터, 솔더를 분배 및 분포하기 위한 방법이 알려져 있고, 상기 방법에서 솔더 부분이 제1 단계에서 기판에 도포되고, 상기 솔더 부분은 제2 단계에서 초음파가 가해질 수 있는 핀에 의해 기판상에 분포된다.
기판상에 무-플럭스 솔더를 분배하고 분포하는 것은 기판면상의 불순물과 산화막층, 상기 솔더를 각각 분배하고 분포시키기 위해 사용되는 공구들 사이에서의 화학 공정과 같은 다양한 요소에 의해 영향을 받으며, 이는 솔더의 분배 및 분포 작업을 어렵게 한다.
본 발명은 정밀하게 계량된 솔더 분량을 완벽한 품질로 기판상에 분배하기 위한 목적을 갖는다.
본 발명에 따른 무-플럭스 솔더를 기판상에 분배 및 분포하기 위한 장치는
개구를 갖는 선단부와 상기 선단부의 상기 개구로 개방된 길이방향의 보링 구멍을 갖는 세장 공구(elongated tool)와;
길이방향 보링 구멍을 갖는 공구 마운트와;
상기 공구 마운트에 고정된 길이방향 보링 구멍과 와이어 안내 튜브를 갖는 초음파 발생기를 구비하고;
길이방향 보링 구멍이 서로 정렬되게 상기 초음파 발생기가 상기 공구 마운트에 고정되는 방식으로 상기 공구는 상기 공구 마운트에 고정될 수 있고, 상기 와이어 안내 튜브는 상기 초음파 발생기와 상기 공구 마운트의 길이방향 보링 구멍을 통해 연장되며, 상기 공구의 선단부 위 위치까지 공구의 길이방향 보링 구멍으로 돌출되고 상기 공구에 닿지 않는다.
상기 공구 마운트는 상기 와이어 안내 튜브를 내부에서 지지하는 연장부를 구비할 수도 있다. 상기 연장부는 상기 초음파 발생기에 의해 발생된 초음파의 마디에 배치되는 것이 바람직하다.
능동적으로 냉각될 수 있는 냉각 챔버가 하우징의 내벽과 상기 초음파 발생기의 사이에는 형성될 수도 있다.
히트 싱크가 상기 와이어 안내 튜브에 고정될 수 있다.
상기 장치는 3차원 공간방향으로 이동 가능한 기록 헤드에 장착될 수 있고, 가열 및 냉각 장치는 상기 공구의 하단부가 돌출하여 통과하고, 상기 공구의 선단부의 온도를 기설정된 온도창 범위 내로 유지하기 위해 사용될 수도 있다.
본 발명에 의하면, 언급된 종래 기술의 단점을 더 이상 보이지 않는, 기판에 대한 무-플럭스 솔더의 적용을 위한 장치가 제공된다.
본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 하나 이상의 실시 형태를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리 및 구현을 설명하는 역할을 한다. 도면은 축척에 맞게 도시되지 않았다. 도면에서:
도 1은 무-플럭스 솔더를 기판상에 분배 및 분포하기 위한 본 발명에 따른 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 장치를 갖는 기록 헤드를 도시한다.
도 1은 무-플럭스 솔더를 기판(2)상에 분배 및 분포하기 위한 본 발명에 따른 장치(1)를 도시한다. 상기 기판(2)은 기설정된 이동 방향으로 노(furnace)(3)를 통과하여 이송되며, 이 노 내부는 통상 보호 가스 분위기 상태에 있다. 상기 보호 가스(4)는 예를 들면, H2N2이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 장치(1)는 구동 장치(미도시)에 의해 상기 기판(2)의 평면에 대한 평편한 방식으로 연장되는 2개의 방향 X 및 Y로 이동될 수 있고, 상기 기판(2)의 평면에 수직으로 연장되는 방향 Z로 승하강 할 수 있는 기록 헤드(writing head)(5)에 고정된다. 상기 기록 헤드(5)는 솔더의 공급 중 및/또는 공급 후에 기설정된 경로를 따라 이동되어 상기 솔더를 솔더 부분(6)으로서 상기 기판(2)상에 분포시킬수 있도록 한다. 상기 장치(1)는 개구가 제공된 선단부(8)를 갖는 세장 공구(elongated tool), 공구 마운트(tool mount)(9), 초음파 발생기(10) 및 와이어 안내 튜브(11)를 구비한다. 상기 공구(7)의 선단부(8)는 상기 공구(7)와 일체로 된 구성 요소이거나 상기 공구(7)에 고정되고 분리 가능하여 교환되어 질 수 있는 별개의 부품일 수 있다. 상기 솔더는 솔더 와이어(12)의 형태로 공급된다. 상기 솔더 와이어는 와이어 코일에 통상 감겨 있고, 와이어 공급 장치(13)에 의해 상기 와이어 안내 튜브(11)로 공급된다. 상기 장치(1)은 히트 싱크(heat sink)(14)와 하우징(15)을 선택적으로 더 구비한다. 상기 공구(7)의 하단부는 가열 및 냉각장치(16)를 통해 돌출되어 있는데, 상기 가열 및 냉각장치(16)는 상기 공구(7)의 선단부(8)의 온도를 기설정된 온도창(temperature window) 범위내로 유지하는데 사용된다. 상기 와이어 공급 장치(13) 및 상기 가열 및 냉각장치(16)는 상기 기록 헤드(5)에 고정되는 것이 바람직하지만, 상기 장치(1)의 베이스(18)에 또한 고정될 수 있다.
상기 공구(7)는 그 선단부(8)의 개구로 개방되어 있는 길이방향의 보링 구멍을 갖는다. 상기 공구(7)는 상기 공구 마운트(9)에 고정되어 있는데, 분리가 가능하여 교환될 수 있는 방식으로 구성되는 것이 유리하다. 상기 초음파 발생기(10)는 상기 공구 마운트(9)에 고정되는데, 달리 표현하면 상기 공구(7)의 반대편에 고정된다. 상기 공구 마운트(9)는 진동 몸체(oscillating body)로 형성되고 이와 동시에 상기 초음파 발생기(10)에 의해 발생된 초음파를 상기 공구(7)에 전달한다.
상기 공구 마운트(9)와 상기 초음파 발생기(10)는 보링 구멍을 구비하고, 이 경우에 길이방향의 보링 구멍으로 설계되는데, 이는 이들 보링 구멍이 상기 장치의 중앙 길이방향 축을 따라 배치되기 때문이다. 상기 공구(7), 상기 공구 마운트(9) 및 상기 초음파 발생기(10)의 길이방향 보링 구멍은 중앙 길이방향 축을 따라 연장되어 즉, 보링 구멍은 서로 정렬되어 있고, 상기 와이어 안내 튜브(11)는 중앙 길이방향 축을 따라 상기 초음파 발생기(10), 상기 공구 마운트(9) 및 상기 공구(7) 길이방향 보링 구멍을 통해 연장되고, 상기 공구(7)의 길이방향 보링 구멍으로 돌출되며, 상기 공구(7)에 닿지 않으면서 상기 공구(7)의 선단부(8) 위 위치까지 도달한다. 상기 초음파 발생기(10)에 의해 발생된 초음파는 상기 중앙 길이방향 축을 따라 연장되는 종파(longitudinal waves)이다.
상기 공구 마운트(9)에는 바람직하게는 초음파의 마디(node)에 배치된 플랜지(17)가 제공되고, 상기 공구 마운트(19)는 상기 플랜지(17)를 경유하여 상기 장치(1)의 베이스(18)에 고정된다. 상기 베이스(18)는 상기 기록 헤드(5)에 고정하도록 형성된다(도 2).
상기 와이어 안내 튜브(11)의 온도는 솔더의 용융 온도 아래로 반드시 놓여 있어서, 상기 와이어 안내 튜브(11)을 통해 안내되는 솔더가 용융되지 않고 충분히 단단한 상태를 유지해서, 정밀하게 한정된 솔더 분량이 상기 기판(2)으로 공급되어 질 수 있도록 한다. 이러한 작업을 수행하기 위해서, 상기 와이어 안내 튜브(11)는 원리적으로 베이스(18)에 고정 즉, 초음파 발생기(10) 및 공구(7)에 닿지 않고, 바람직하게는 공구 마운트(9)에 닿지 않는 직간접적인 방법으로 베이스(18)에 고정된다. 예시된 실시예에서, 상기 와이어 안내 튜브(11)는 상기 히트 싱크(14)에 고정되고, 상기 히트 싱크(14)는 상기 하우징(15)에 고정되며, 상기 하우징(15)은 베이스(18)에 고정된다, 상기 와이어 안내 튜브(11)의 위치 안정성을 증가시키기 위해서, 상기 공구 마운트(9)의 길이방향 보링 구멍에는 예를 들면 환형 연장부(19)가 제공될 수 있으며, 상기 와이어 안내 튜브(11)는 반경방향으로 상기 연장부(19)에 지지된다. 상기 연장부(19)는 상기 초음파 발생기(10)에 의해 발생된 초음파의 마디에 위치되는 것이 유리한데 이는 초음파 에너지가 자체에서 열로 변환되어질 수도 있는 상기 와이어 안내 튜브(11)로 전달되는 것을 방지할 수 있도록 하기 위한 것이다. 상기 연장부(19)내의 상기 안내 튜브(11)의 지지에는 바람직하게는 약간의 유격이 제공되어, 상기 와이어 안내 튜브(11) 및 상기 연장부(19)가 서로 닿는 접촉 영역을 가능한 작게 하여 열전달과 또한 초음파 에너지의 전달을 최소화할 수 있도록 하여야 한다.
상기 와이어 안내 튜브(11)의 온도를 솔더 와이어의 용융 온도 아래로 유지하기 위한 다른 실행 가능한 수단들은 다음과 같다:
- 상기 와이어 공급 영역에서 상기 와이어 안내 튜브(11)에 고정된 히트 싱크(14)의 사용을 예로 들 수 있다. 상기 히트 싱크(14)는 상기 와이어 안내 튜브(11)를 냉각하고, 솔더 와이어(12)의 용융 온도 아래로 놓여진 와이어 안내 튜브의 전체 길이에 대해 동일 온도를 유지하기 위해 사용된다. 상기 히트 싱크(14)와 상기 와이어 안내 튜브(11)는 서로 이에 따라 열적으로 잘 전도되는 방식으로 연결된다. 상기 히트 싱크(14)는 능동적으로 냉각될 수 있는데 즉, 냉각 가스를 공급하거나, 열을 상기 히트 싱크(14)로부터 대기 환경으로 배출하는 펠티에 소자(Peltier element)에 의하거나, 다른 수단에 의해 냉각될 수 있다.
- 냉각 챔버(20)가 하우징(15)의 내벽과 상기 초음파 발생기(10)의 사이에 형성되는 방식으로 형성된 하우징(15)의 사용을 예로 들 수 있으며, 여기서 상기 냉각 챔버는 능동적으로 냉각될 수 있는데 예를 들면 냉각 가스를 공급하거나 예를 들면 펠티에 소자와 같은 다른 수단에 의해 냉각될 수 있다. 상기 하우징(15)은 상기 베이스(18)에 고정된다. 상기 냉각 가스는 냉각 장치에 의해 제공되어, 폐회로인 상기 냉각 챔버(20)로 공급되고 냉각 챔버(20)으로부터 배출되는 것이 바람직하다. 상기 하우징(15)은 이를 위해 유입부 및 유출부가 제공된다. 상기 냉각 챔버(20)의 냉각은 상기 냉각 챔버(20)내의 온도가 충분히 낮아서 상기 초음파 발생기(10)의 피에조 소자의 원활한 동작을 보장할 수 있도록 하는 방식으로 제작된다. 상기 와이어 안내 튜브(11)는 연장되어 부분적으로 상기 냉각 챔버(20)을 통과하고 이에 따라 또한 냉각된다.
- 상기 공구 마운트(9)에는 냉각 리브(ribs)가 제공될 수 있어 상기 와이어 안내 튜브(11) 및 상기 초음파 발생기(10)의 냉각을 보조할 수 있도록 할 수 있다.
상기 와이어 안내 튜브(11)는 무-플러스 솔더에 의해서 잘 웨팅되지 않는 재료로 이루어져 있다. 세라믹 재료는 상기 안내 튜브(11)에 대해 특히 적합한 재료이지만, 스테인레스 스틸도 또한 적합하다. 상기 공구(7)는 순수한 형태로 사용될 수 있는 스테인레스 스틸 또는 티타늄과 같은 초음파를 매우 잘 전달하는 재료로 이루어지거나 알루미늄, 바나듐, 마그네슘, 몰리브덴, 백금, 구리, 지르코늄 및/또는 주석으로 이루어지는 대부분 소량의 합금 물질을 부가할 수 있다. 상기 공구(7)의 선단부(8)는 상기 개구를 감싸고 상기 기판(2)을 마주보는 작업 영역을 가지며, 무-플럭스 솔더에 매우 잘 웨팅될 수 있는 재료로 이루어지거나 이와 같은 재료로 코팅된다. 특정한 공정들에서, 상기 작업 영역은 상기 솔더의 도포 및/또는 분포 중 상기 기판(2)에 닿지만, 다른 공정들에서는 닿지 않는다. 상기 무-플러스 솔더에 의해 상대적으로 잘 웨팅되는 재료들은 구리와, 청동, 황동 등과 같은 구리 합금, 또는 주로 은-함유 합금 즉, 은과 소량의 합금 물질의 합금 예를 들면 스털링 은(sterling silver)이거나, 또는 소량의 합금 물질이 첨가된 금(gold)도 될 수 있다. 황동은 다양한 변형예가 가능하며, 그 변형예는 CuZn37 또는 CuZn38Pb2가 전형적인 대표예이다. 작업 영역을 제외하고는, 상기 세장 공구(7)의 외측은 적어도 상기 선단부(8)의 영역에서 예를 들면 크롬과 같이 무-플럭스 솔더에 의해 잘 웨팅될 수 없는 재료에 의해 코팅될 수 있다.
솔더의 상기 기판으로의 공급은 상기 솔더 와이어(12)가 기설정된 길이(L1) 만큼 전진되어지는 것과 같은 방식으로 되어, 솔더 와이어가 상기 기판(2)에 닿아 그 선단이 용융되어, 솔더 와이어는 이후 보다 짧은 기설정된 길이(L2) 만큼 후퇴된다. 상기 길이의 차이는 공급된 솔더양을 한정한다.
본 발명의 실시 형태 및 응용이 도시되고 기술되었지만, 본 개시의 이익을 향유하는 당업자에게 전술된 것보다 더욱 많은 변경이 본 명세서의 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고서 가능함이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부 특허청구범위와 그 균등물의 사상을 제외하고는 제한되지 않아야 한다.
1: 장치 2: 기판
3: 노(furnace) 4: 보호 가스
5: 기록 헤드(writing head) 6: 솔더 부분
7: 세장 공구(elongated tool) 8: 선단부(tip)
9: 공구 마운트(tool mount) 10: 초음파 발생기
11: 와이어 안내 튜브(wire guide tube) 12: 솔더 와이어
13: 와이어 공급 장치 14: 히트 싱크(heat sink)
15: 하우징 16: 가열 및 냉각장치
17: 플랜지 18: 베이스
19: 연장부 20: 냉각 챔버

Claims (6)

  1. 개구를 갖는 선단부(8)와 상기 선단부(8)의 상기 개구로 개방된 길이방향의 보링 구멍을 갖는 세장 공구(7)와;
    길이방향 보링 구멍을 갖는 공구 마운트(9)와;
    상기 공구 마운트(9)에 고정된 길이방향 보링 구멍과 와이어 안내 튜브(11)를 갖는 초음파 발생기(10)를 구비하고;
    길이방향 보링 구멍이 서로 정렬되게 상기 초음파 발생기(10)가 상기 공구 마운트(9)에 고정되는 방식으로 상기 공구(7)는 상기 공구 마운트(9)에 고정될 수 있고,
    상기 와이어 안내 튜브(11)는 상기 초음파 발생기(10)와 상기 공구 마운트(9)의 길이방향 보링 구멍을 통해 연장되며, 상기 공구(7)의 선단부(8) 위 위치까지 공구(7)의 길이방향 보링 구멍으로 돌출되고 상기 공구(7)에 닿지 않는 것을 특징으로 하는 무-플럭스 솔더를 기판(2)상에 분배 및 분포하기 위한 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 공구 마운트(9)는 상기 와이어 안내 튜브(11)를 내부에서 지지하는 연장부(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무-플럭스 솔더를 기판(2)상에 분배 및 분포하기 위한 장치(1).
  3. 제2항에 있어서, 상기 연장부(19)는 상기 초음파 발생기(10)에 의해 발생된 초음파의 마디에 배치된 것을 특징으로 하는 무-플럭스 솔더를 기판(2)상에 분배 및 분포하기 위한 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징(15)을 더 구비하며, 능동적으로 냉각될 수 있는 냉각 챔버(20)가 상기 하우징(15)의 내벽과 상기 초음파 발생기(10)의 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 무-플럭스 솔더를 기판(2)상에 분배 및 분포하기 위한 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어 안내 튜브(11)에 고정된 히트 싱크(14)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 무-플럭스 솔더를 기판(2)상에 분배 및 분포하기 위한 장치(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 무-플럭스 솔더를 기판상에 분배 및 분포하기 위한 장치(1)와, 가열 및 냉각 장치(16)를 구비하며,
    상기 가열 및 냉각 장치를 통해 상기 공구(7)의 하단부가 돌출되고, 상기 가열 및 냉각 장치(16)는 상기 공구(7)의 선단부(8)의 온도를 기설정된 온도창 범위 내로 유지하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 3차원 공간방향으로 이동 가능한 기록 헤드(5).
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