KR20210138386A - 솔더링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

솔더링 면을 갖는 솔더링 대상 부품의 측면에 배치되는 가이드 지그 및 평탄면을 가지며, 상기 솔더링 대상 부품의 솔더링 면에서 이격되도록 상기 평탄면이 배치되어, 상기 솔더링 면, 상기 가이드 지그 및 상기 평탄면에 의해 형성된 캐비티를 형성하는 평탄화 지그를 포함하는 솔더링 장치가 개시된다. 상기 솔더링 장치는, 상기 캐비티에 용융 솔더를 주입 후 상기 용융 솔더의 고체화에 의해 상기 솔더링 면에 프리 솔더층을 형성할 수 있다.

Description

솔더링 장치 및 방법{APPARTUS AND METHOD FOR SOLDERING}

본 발명은 솔더링 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융 솔더를 이용하여 생성되는 프리 솔더층의 표면을 평탄화 하여 이후 솔더링 공정에서 솔더의 쏠림 현상을 예방할 수 있는 솔더링 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 양면냉각형 파워모듈의 경우 반도체 칩과 반도체 상하부에 배치되는 기판이 서로 접합되어 전기적 연결을 형성하는 구조를 갖는다. 특히, 반도체 칩과 기판 과의 전기적/물리적 접속을 위해 스페이서라는 부품이 사용되고 있다.

스페이서는 기판 및 반도체 칩과 솔더링을 통해 전기적/물리적 접속이 이루어지는데, 솔더링은 솔더 소재에 사전 설정된 온도, 가스 분위기를 도입하여 솔더 소재를 용융/응고하는 공정이다.

양면냉각형 파워모듈은 주로 하부기판에 일부 부품을 솔더링하여 일 파트를 형성하고, 상부기판에 나머지 부품을 솔더링하여 나머지 파트를 형성한 후 두 파트를 서로 포개어 추가로 솔더링 공정을 진행함으로써 완성될 수 있다. 각 파트를 형성하는 솔더링을 1차 솔더링, 두 파트를 서로 결합하는데 적용되는 솔더링을 2차 솔더링이라고 한다.

1차 솔더링시 주로 하부기판에는 반도체 칩을 실장하게 되고, 상부기판에는 스페이서를 실장한다. 또한, 2차 솔더링시 별도의 솔더를 삽입하는 공정을 생략하기 위하여 스페이서의 노출면, 즉 상부기판과 접합되지 않은 일단의 면에 미리 접합재인 솔더를 녹여 프리 솔더(pre-solder)층을 형성한 후 2차 솔더링시 이 프리 솔더층을 재용융시켜 두 파트를 접합하는 방식이 적용되고 있다.

이러한 프리 솔더층은 솔더 용융시 표면장력에 의하여 노출되는 면, 즉 스페이서와 접촉하지 않는 면이 아치형으로 형성된다. 프리 솔더층의 노출면이 아치형으로 형성됨에 따라 2차 솔더링시 하부기판의 소자와 프리 솔더층이 접촉할 때 균일한 면접속이 이루어지 못하여 용융된 솔더가 한쪽으로 치우쳐 넘치게 되는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 넘침 현상에 의해 솔더가 반도체 칩의 측면을 따라 흘러내림으로써 전기적 단락이 발생하는 위험성이 증가하며, 솔더가 넘치는 반대 영역에서는 솔더가 부속하여 접합력이 감소함으로써 파워모듈의 물리적/기계적 내구특성의 감소가 발생하는 문제가 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2017-0092750 A KR 10-2017-0069363 A

이에 본 발명은, 용융 솔더를 이용하여 형성되는 프리 솔더링층의 노출면을 평탄화함으로써 추후 솔더링 공정에서 프리 솔더링층이 타 부품과 접촉하는 면의 균일화를 통해 솔더의 쏠림 현상을 예방할 수 있는 솔더링 장치 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

솔더링 면을 갖는 솔더링 대상 부품의 측면에 배치되는 가이드 지그; 및

평탄면을 가지며, 상기 솔더링 대상 부품의 솔더링 면에서 이격되도록 상기 평탄면이 배치되어, 상기 솔더링 면, 상기 가이드 지그 및 상기 평탄면에 의해 형성된 캐비티를 형성하는 평탄화 지그;를 포함하며,

상기 캐비티에 용융 솔더를 주입 후 상기 용융 솔더의 고체화에 의해 상기 솔더링 면에 프리 솔더층을 형성하는 것을 특징으로 하는 솔더링 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 평탄면은 상기 솔더링 면과 평행하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 평탄화 지그는 상기 솔더링 면 방향으로 돌출된 돌출부를 가지며 상기 돌출부의 단부에 상기 평탄면이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 가이드 지그는 상기 솔더링 대상 부품의 측면과 접촉하여 상기 솔더링 면으로부터 연장되는 공간을 형성하며, 상기 돌출부는 상기 연장되는 공간에 삽입되어 상기 캐비티를 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 솔더링 대상 부품은 기판에 일단 면이 솔더링된 스페이서이며, 상기 솔더링 면은 상기 기판에 솔더링된 면의 타단 면일 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

가이드 지그를 솔더링 대상 부품의 측면에 배치하는 단계;

상기 솔더링 대상 부품의 솔더링 면에서 이격된 위치에 평탄면을 갖는 평탄화 지그를 배치하는 단계;

상기 솔더링 대상 부품의 솔더링 면, 상기 가이드 지그 및 상기 평탄화 지그에 의해 형성된 캐비티에 용융 솔더를 주입하는 단계; 및

상기 용융 솔더를 고체화 시켜 상기 솔더링 면에 평탄화된 노출면을 갖는 프리 솔더층을 형성하는 단계;

를 포함하는 솔더링 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 평탄면은 상기 솔더링 면과 평행하게 형성될 수 있으며, 상기 평탄화 지그는 상기 솔더링 면 방향으로 돌출된 돌출부를 가지며 상기 돌출부의 단부에 상기 평탄면이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 가이드 지그는 상기 솔더링 대상 부품의 측면과 접촉하여 상기 솔더링 면으로부터 연장되는 공간을 형성하며, 상기 지그를 배치하는 단계는, 상기 돌출부를 상기 연장되는 공간에 삽입하여 상기 캐비티를 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 솔더링 대상 부품은 기판에 일단 면이 솔더링된 스페이서이며, 상기 솔더링 면은 상기 기판에 솔더링된 면의 타단 면일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 프리 솔더층의 노출면을 타 부품에 접촉시킨 상태에서 솔더링을 수행하여 상기 솔더링 대상 부품을 상기 타 부품과 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 솔더링 장치 및 방법에 따르면, 프리 솔더층의 노출면을 평탄화 함으로써, 이후 솔더링 공정에서 타 부품과 프리 솔더층의 접촉면의 균일화를 통해 프리 솔더층의 용융 시 솔더가 흘러 넘치거나 쏠리는 현상을 방지함으로써 전기적 단락 고장을 차단하고 및 물리적 내구 특성 약화를 억제할 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 장치 및 그에 의해 솔더링되는 부품을 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 방법을 공정 순으로 도시한 단면도이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 솔더링 장치 및 방법을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 장치 및 그에 의해 솔더링되는 부품을 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 예는 솔더링 대상 부품(10)이 파워모듈에 사용되는 스페이서인 경우를 설명하는 것이다. 이하의 설명에서도 솔더링 대상 부품(10)을 스페이서로 설명할 수 있으나, 이는 솔더링 대상 부품(10)으로서 반드시 스페이서만 적용할 수 있음을 한정하는 것이 아니다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 장치는, 가이드 지그(100)와 평탄화 지그(200)를 포함하여 구성될 수 있다.

가이드 지그(100)는 솔더링 대상 부품인 스페이서(10)의 측면에 배치되어 스페이서(10)를 수평 방향에서 정렬함과 동시에 스페이서(10)의 솔더링 면(11) 상부에 특정 공간을 가이드하는 역할을 할 수 있다. 즉, 가이드 지그(100)는 스페이서(10)의 위치를 측면 방향에서 고정할 뿐만 아니라 스페이서(10) 상면 상부에 일정 공간이 형성될 수 있게 하는 것으로, 가이드 지그(100)의 상단 높이는 스페이서(10) 상면보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.

평탄화 지그(200)는 가이드 지그(100)의 상부에 배치되어 가이드 지그(100)에 의해 스페이서(10) 상부에 형성된 공간을 상부에서 차단하는 평탄면을 가질 수 있다.

가이드 지그(100)와 평탄화 지그(200)의 배치에 의해 스페이서(10)의 상부에는 빈 공간인 캐비티가 형성될 수 있다. 캐비티 내에 용융 상태의 솔더를 충진하고 이를 고체화하면 스페이서(10) 상면, 즉 솔더링 면(11)에 프리 솔더층(21)이 형성될 수 있다.

한편, 도 1에서 스페이서(10)의 하면은 기판(30)에 솔더링될 수 있다. 참조부호 '22'는 스페이서(10)와 기판(30)의 접합을 위해 사용된 솔더층을 나타낸다. 또한, 도 1에서 기판(30)은 절연층(31)의 상하면에 금속층(32, 33)이 접합된 형태의 기판이 사용된 예를 도시하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 방법을 공정 순으로 도시한 단면도이다. 도 2 내지 도 6을 참조하여 이루어지는 솔더링 방법에 대한 설명을 통해 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 솔더링 장치의 구성 및 작용 효과도 더욱 명확하고 상세하게 설명될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 방법은, 먼저 도 2에 도시한 것과 같이 솔더링 대상인 스페이서(10)와 기판(30)을 사전에 솔더링한 구조물을 마련하는 단계부터 시작될 수 있다.

양면 냉각형 파워모듈은 상하면에 각각 기판을 갖는 구조를 채택하고 있으며, 일 기판에 전력 반도체 칩을 솔더링한 제1 파트와 타 기판에 스페이서를 솔더링한 제2 파트를 각각 제작한 후 제1 파트와 제2 파트를 서로 포개어 스페이서와 전력 반도체 칩을 솔더링하는 방식으로 이루어질 수 있다. 제1 파트와 제2 파트를 제작하는 과정을 1차 솔더링, 제1 파트와 제2 파트를 서로 접합하는 과정을 2차 솔더링이라 할 수 있다. 도 2는 1차 솔더링에 의해 제작된 제2 파트를 도시한 것이다.

이어, 도 3에 도시한 것과 같이, 스페이서(10)의 측면에 가이드 지그(100)를 배치할 수 있다. 도 3은 단면도로서 도면 상 좌우에 가이드 지그(100)가 설치된 것으로 도시되나, 스페이서(10)와 접촉하는 가이드 지그(100)의 접촉면에 스페이서(10)의 단면 형상이 음각되어 스페이서(10)를 둘러싸는 형태로 가이드 지그(100)가 배치될 수도 있다. 또한 다른 예로 도면 상의 전후 방향에 추가의 가이드 지그가 배치될 수도 있다.

도 3에 도시한 것과 같이, 가이드 지그(100)의 상단은 솔더링 면(11)인 스페이서(10)의 상면 보다 높은 위치에 형성될 수 있다. 이에 의해, 스페이서(10)의 상면 상부에는 가이드 지그(100)에 의해 측면이 가이드 되는 공간이 형성될 수 있다.

도 2와 도 3은 스페이서(10)와 기판(30)의 접합 이후 가이드 지그(100)가 배치되는 것으로 도시되나, 가이드 지그(100) 설치 이후 스페이스(10)가 기판(30)에 솔더링 될 수도 있다.

이어, 도 4에 도시된 것과 같이, 가이드 지그(100)의 상부에 평탄화 지그(200)가 배치될 수 있다. 평탄화 지그(200)는 가이드 지그(100) 상면에 배치되어 스페이서(10)의 상면(솔더링 면)(11) 상부에 형성된 공간을 상부에서 차단(커버)할 수 있다. 즉, 가이드 지그(100)와 평탄화 지그(200)의 배치에 의해 스페이서(10)의 솔더링 면(11) 상부에는 빈 공간인 캐비티(C)가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 평탄화 지그(200)는 스페이서(10)의 솔더링 면(11) 방향으로 돌출된 돌출부(210)를 가질 수 있다. 돌출부(210)의 하단부는 스페이서(10)의 솔더링 면(11)과 대향하며 스페이서(10)의 솔더링 면(11)과 평행한 평탄면(211)으로 형성될 수 있다.

도 3에 의해 설명된 바와 같이, 스페이서(10)의 상부에는 가이드 지그(100)의 측면에 의해 스페이서(10)의 솔더링 면(상면)으로부터 연장되는 빈 공간이 형성될 수 있다. 평탄화 지그(200)의 돌출부(210)는 이 스페이서(10)의 솔더링 면과 가이드 지그(100)의 측면이 형성하는 빈공간에 삽입되는 형태로 배치될 수 있다.

평탄화 지그(200)의 돌출부(210)의 하면(211)과 스페이서(10)의 솔더링 면(상면) 사이의 거리는 형성하고자 하는 프리 솔더링층(도 1의 '21')의 두께에 해당할 수 있다. 즉, 평탄화 지그(200)의 돌출부(210)의 길이를 적절하게 결정함에 의해 프리 솔더링층(21)의 높이가 원하는 대로 결정될 수 있다.

이어, 가이드 지그(100)와 평탄화 지그(200)의 배치에 의해 스페이서(10)의 솔더링 면 상부에 형성된 캐비티(C)에 용융 상태의 솔더를 충진하고(도 1에 도시된 것과 같은 상태) 냉각 등을 통해 용융 상태의 솔더를 고체화 한 후 가이드 지그(100) 및 평탄화 지그(200)를 제거하면 도 5에 도시된 것과 같이, 스페이서(10)의 상면에 프리 솔더층(21)의 형성을 완료할 수 있다. 프리 솔더층(21)의 노출면(상면)(21a)은 추후 공정에서 다른 부품에 솔더링 될 수 있다.

이어, 도 6에 도시된 것과 같이, 파워모듈의 제조 과정에서, 도 5에 도시된 것과 같은 제2 파트는 상하가 뒤집어진 상태로 미리 제작된 제1 파트에 접합될 수 있다. 여기서, 제1 파트는 기판(60)과 기판 상에 솔더(50)에 의해 접합된 전력 반도체 칩(40)을 포함할 수 있다.

제1 파트와 제2 파트를 제작하는 1차 솔더링 공정 이후, 2차 솔더링 과정에서 프리 솔더층(21)의 노출면(21a)은 전력 반도체 칩(40)의 상면에 접촉하도록 배치되고 사전 설정된 온도, 가스 분위기를 도입하여 프리 솔더층(21)을 용융/응고시켜 제1 파트와 제2 파트 사이의 접합, 즉 스페이서(10)와 전력 반도체 칩(40) 사이의 물리적/전기적 접합을 완료할 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 장치 및 방법에 의해 형성된 프리 솔더층(21)의 노출면(21a)은 평탄화 지그(200)에 의해 평탄한 형상으로 완성될 수 있다. 즉 종래에 프리 솔더층(21)의 노출면이 표면 장력에 의해 볼록한 아치형으로 형성되는데 반해, 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔더링 장치 및 방법에 의하면 프리 솔더층(21)의 노출면은 프리 솔더층(21)이 형성되는 스페이서(10)의 면과 평행한 평탄면으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 솔더링을 위해 프리 솔더층(21)의 노출면이 다른 부품에 접촉할 때 면 전체적으로 균일한 접촉이 이루어질 수 있어 프리 솔더층(21)이 용융되더라도 용융된 솔더가 일측으로 넘치거나 타측에 솔더가 부족한 문제가 해소될 수 있다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 솔더링 대상 부품(스페이서) 11: 솔더링 면
21: 프리 솔더층 21a: 프리 솔더층의 노출면
22: 솔더층 30: 기판
40: 전력 반도체 칩 50: 솔더층
60: 기판 100: 가이드 지그
200: 평탄화 지그 210: 돌출부
211: 평탄면

Claims (11)

1. 솔더링 면을 갖는 솔더링 대상 부품의 측면에 배치되는 가이드 지그; 및
   평탄면을 가지며, 상기 솔더링 대상 부품의 솔더링 면에서 이격되도록 상기 평탄면이 배치되어, 상기 솔더링 면, 상기 가이드 지그 및 상기 평탄면에 의해 형성된 캐비티를 형성하는 평탄화 지그;를 포함하며,
   상기 캐비티에 용융 솔더를 주입 후 상기 용융 솔더의 고체화에 의해 상기 솔더링 면에 프리 솔더층을 형성하는 것을 특징으로 하는 솔더링 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 평탄면은 상기 솔더링 면과 평행하게 형성된 것을 특징으로 하는 솔더링 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 평탄화 지그는 상기 솔더링 면 방향으로 돌출된 돌출부를 가지며 상기 돌출부의 단부에 상기 평탄면이 형성된 것을 특징으로 하는 솔더링 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 가이드 지그는 상기 솔더링 대상 부품의 측면과 접촉하여 상기 솔더링 면으로부터 연장되는 공간을 형성하며, 상기 돌출부는 상기 연장되는 공간에 삽입되어 상기 캐비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 솔더링 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 솔더링 대상 부품은 기판에 일단 면이 솔더링된 스페이서이며, 상기 솔더링 면은 상기 기판에 솔더링된 면의 타단 면인 것을 특징으로 하는 솔더링 장치.
6. 가이드 지그를 솔더링 대상 부품의 측면에 배치하는 단계;
   상기 솔더링 대상 부품의 솔더링 면에서 이격된 위치에 평탄면을 갖는 평탄화 지그를 배치하는 단계;
   상기 솔더링 대상 부품의 솔더링 면, 상기 가이드 지그 및 상기 평탄화 지그에 의해 형성된 캐비티에 용융 솔더를 주입하는 단계; 및
   상기 용융 솔더를 고체화 시켜 상기 솔더링 면에 평탄화된 노출면을 갖는 프리 솔더층을 형성하는 단계;
   를 포함하는 솔더링 방법.
7. 청구항 6 있어서,
   상기 평탄면은 상기 솔더링 면과 평행하게 형성된 것을 특징으로 하는 솔더링 방법.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 평탄화 지그는 상기 솔더링 면 방향으로 돌출된 돌출부를 가지며 상기 돌출부의 단부에 상기 평탄면이 형성된 것을 특징으로 하는 솔더링 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 가이드 지그는 상기 솔더링 대상 부품의 측면과 접촉하여 상기 솔더링 면으로부터 연장되는 공간을 형성하며,
   상기 지그를 배치하는 단계는, 상기 돌출부를 상기 연장되는 공간에 삽입하여 상기 캐비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 솔더링 방법.
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 솔더링 대상 부품은 기판에 일단 면이 솔더링된 스페이서이며, 상기 솔더링 면은 상기 기판에 솔더링된 면의 타단 면인 것을 특징으로 하는 솔더링 방법.
11. 청구항 6에 있어서,
    상기 프리 솔더층의 노출면을 타 부품에 접촉시킨 상태에서 솔더링을 수행하여 상기 솔더링 대상 부품을 상기 타 부품과 접합하는 단계를 더 포함하는 솔더링 방법.
    

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