KR20230040721A

KR20230040721A - 솔더링 환원 시스템

Info

Publication number: KR20230040721A
Application number: KR1020210124173A
Authority: KR
Inventors: 오성환
Original assignee: 주식회사 에코세미텍
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2023-03-23

Abstract

내부에 액체 상태의 개미산이 들어 있고, 주입관을 통해 고순도 질소 가스가 주입되어 포믹 가스가 형성되는 압력 탱크; 압력 탱크에서 배출된 포믹 가스를 20ℓ/min 으로 제어하며, 후속하는 진공 챔버에 투입하는 유량제어기; 100℃ 이상으로 유지되며, 투입된 포믹 가스에 의해 프리폼 솔더가 액체로 변화하여 접합되고, 접합 부위의 크리닝이 진행되는 진공 챔버; 진공 챔버 내부에서 환원된 포믹 가스를 대기 중으로 배출하는 진공 펌프;를 구비하여 개미산을 가스화하여 프리폼 솔더를 솔더링하는 것을 특징으로 하는 솔더링 환원 시스템

Description

솔더링 환원 시스템 {Soldering Reduction System}

본 발명은 반도체 다이 솔더링 공정에서 솔더링 환원 시스템에 관한 것으로서, 특히, 전력용 반도체 제조 공정에서 다이 솔더링 시 사용되는 플럭스 및 세정액의 인체 유해성분으로 인한 사고 발생을 감소하기 위하여 기존 크림 솔더 작업을 개미산에 의한 프리폼 솔더 작업으로 변경하는 공정에 관한 것이다.

전력용 반도체를 제조하는 프로세스는 도 1과 같이 DBC(Direct Bonding Copper)를 베이스 기판에 부착하는 DBC 부착 공정, 그리고 DBC 위에 칩을 부착하는 공정을 거친 후에 와이어 본딩 공정으로 이어진다.

와이어 본딩을 마친 후에는 단자를 부착하고, Si-Gel 주입/경화 공정과 커버 조립 공정을 마친 후에 후공정으로 이어진다.

이 때 DBC를 베이스 기판에 부착하는 DBC 부착 공정, 그리고 DBC 위에 칩을 부착하는 공정, 단자를 부착하는 공정에서 다이 솔더링을 하고 있다.

도 2는 솔더 페이스트를 사용한 단자에 대하여 솔더링을 진행하는 모습이다.

한편 다이 솔더링을 할 때 사용하는 플럭스 및 세정액의 인체 유해성분으로 인하여 사고가 발생하고 있다.

다이 솔더링은 솔더 크림을 사용하는데, 솔더 크림은 납 분말과 주석분말 및 특수 플럭스(flux)를 균일하게 혼합하여 만든 페이스트 혹은 크림상태의 납을 말한다. 즉 납 및 주석분말을 끈적한 액체상태의 플럭스와 함께 반죽하여 크림상태로 만든 땜납이다. 솔더 크림은 주석과 납의 함량에 따라 다양한 형태로 만들 수 있으며, 납 및 주석 외에 은 또는 비스무트를 첨가하기도 한다.

납땜 용접 등으로 금속을 접합할 때에 접착면의 산화를 방지하여 접합이 완전하게 되도록 염화물, 플루오린화물, 수지 등을 플럭스로 이용한다. 플럭스는 주로 송진(로진, 레진), 유동성 첨가제, 솔벤트, 그리고 활성제등으로 구성된다.

솔더 크림의 세척제로는 이소프로필알콜(IPA) 또는 아세톤이 사용된다. 이소프로필알콜은 유기용제와 같은 무극성 물질을 용해하며, 쉽게 증발하는 특징이 있어 반도체, LCD 등 IT 부품 세정액으로 많이 사용된다.

납은 발암성, 생식 독성, 신경 독성 성분이며, 주석에 장시간 노출되면 진폐증을 일으킬 수 있으며, 로진은 피부발진, 솔벤트는 신경독성 물질로서 중추신경계에 큰 영향을 미치고, 이소프로필알콜이나 아세톤도 중추신경계에 영향을 미칠 수 있다.

이와 같이 인체에 유해한 것으로 알려진 기존의 플럭스와 세척제를 사용하지 않고 반도체 부품을 실장할 수 있는 솔더링 공정의 개선이 필요한 상황이다.

국내공개특허 제10-2012-0096003호(2012. 8. 29 공개)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전력용 반도체 제조부분에서 다이 솔더링 시 플럭스 및 인체에 유해한 세정액 성분으로 인한, 사고 발생을 감소시키기 위하여 기존 크림 솔더 작업을 개미산에 의한 프리폼 솔더 작업으로 변경하는 공정에 관한 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 내부에 액체 상태의 개미산이 들어 있고, 주입관을 통해 고순도 질소가 주입되어 포믹 가스가 형성되는 압력 탱크; 압력 탱크 내부로부터 포믹 가스가 배출되는 배출관; 압력 탱크에서 배출되는 포믹 가스의 유량을 제어하며, 후속하는 진공 챔버에 투입하는 유량제어기; 투입된 제품에 대하여 포믹 가스로 접합 부위를 크리닝하고, 접합 공정이 진행되는 진공 챔버; 진공 챔버 내부에서 환원된 포믹 가스를 대기 중으로 배출하는 진공 펌프;를 구비하여 개미산을 가스화하여 프리폼 솔더를 솔더링하는 것을 특징으로 하는 솔더링 환원 시스템을 제안한다.

본 발명은 플럭스를 사용하지 않음으로써 제품에 세정을 하지 않아도 되는 공정을 개발하여 오염이 없고, 제품의 품질을 극대화할 수 있다.

세정 및 냄새로 인한 주변 환경을 정화함으로써 인체에 무해한 상태로 공정을 진행할 수 있다.

세정액 및 플럭스의 재료 비용보다 개미산 1병의 재료비용의 절감 형태로 인해 원가 절감을 진행할 수 있다.

도 1은 전력용 반도체를 제조하는 프로세스이다.
도 2는 솔더 페이스트를 사용한 단자의 솔더링 진행 실시예이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예이다
도 4 및 도 5는 진공 챔버 내부의 실시예이다
도 6은 반도체 패키지 공정의 실시예이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 개미산을 가스화 하는 공정의 원리를 설명하는 실시예이다.

고순도 질소(1bar 이상) 기체가 압력 탱크 안으로 주입관을 타고 들어가게 되면, 액체 상태의 개미산과 화학 반응을 일으키게 되어 버블(Bubble)화가 진행된다.

이 버블(Bubble)의 압력이 압력 탱크 내부에 가득 차오르게 되면 포믹 가스(Formic Gas)가 생성된다.

버블화된 포믹 가스는 압력 탱크로부터 배출되어, 유량 제어기(MFC)의 조절에 의해 20ℓ/min 의 유량으로 진공 챔버 내부로 투입된다.

이 때 진공 챔버 내부의 온도가 100℃ 이상으로 세팅 되어야만 포믹 가스(Formic Gas)의 환원이 진공 챔버 내부에서 활성화된다.

이하 도 3에 따른 공정을 자세히 설명한다.

개미산 액체가 환원되기 위하여, 개미산 액체 8~9ℓ를 압력탱크에 넣고, 압력탱크 내부의 질소 주입관이 약 10cm 내외로 개미산에 잠기는 수준을 유지한다.

1Bar 이상의 고순도 질소를 압력 탱크에 주입한다. 주입관을 통하여 질소가 개미산 액체 속으로 주입되어 Bubbler(거품)를 발생시킨다.

만약 주입관이 개미산 내에 잠기지 않게 되면, Bubbler가 발생 되지 않아, 개미산은 기체로 전환되지 못하게 된다.

Bubbler(거품)가 발생 하면서 개미산 액체가 포믹 가스로 전환 되어, 기체상태를 유지하게 된다.

개미산으로 투입된 질소에 의하여 압력 탱크 내부에서 포믹 가스가 생성되고, 압력 탱크 내부를 가득 채운 포믹 가스는 배출관으로 배출된다.

배출관에 연결된 유량 제어기(Mass Flow Control)는 압력 탱크로부터 배출되는 포믹 가스의 유량을 20ℓ/min 으로 제어하며, 진공 Chamber 에 포믹 가스가 투입된다.

진공 Chamber 내부는 100℃ 이상으로 유지되며, 진공 Chamber 내부에서 포믹 가스가 환원된다.

진공 챔버 내부에서 환원된 포믹 가스는 배출되어 진공 펌프에 의해 대기 중으로 배출된다.

도 4 에서 본 발명의 진공 챔버 내부의 포믹 가스의 환원 과정의 실시예를 살펴본다.

진공 챔버 내부에 포믹 가스가 투입되어 진행되는 공정은 도 1에 개시된 바와 같이 DBC 부착 공정, 칩 부착 공정 및 단자 부착 공정에 적용된다.

진공 챔버 내에 제품을 투입하게 되면 프리폼 솔더(Preform Solder)는 용융점(Solder 녹는점)에 도달하기 전까지 처음의 고체 상태를 유지한다.

이어서 진공 챔버 내부의 온도 100℃ 이상에서 포믹가스를 주입하면, 접합 부위를 크리닝(Cleaning)하고 접합하고자 하는 연결체의 산화를 방지해 준다.

진공 챔버 내부의 온도가 솔더의 용융점에 도달하면 프리폼 솔더은 고체에서 액체로 변하게 되고, 이어서 접합이 진행되면서 솔더 필렛(Fillet)이 형성되고 보이드(void)가 제거 된다.

솔더의 용융점은 합금 재료에 따라서 200℃-400℃까지 범위가 달라진다.

부착이 종료되면, 챔버 내부를 냉각 시키고 환원된 포믹 가스를 배출한다.

포믹 가스에 의해 크리닝(Cleaning) 된 접합 부위는 산화방지가 되고, 솔더의 접합면이 크리닝(Cleaning) 되고, 솔더링 작업 이후 기본 육안 검사 사항인 Fillet 형성 및 냉납 현상 (연결체의 접합 부위 사이의 외관 형상) 검사를 정상적으로 진행할 수 있게 해 준다.

만약 포믹 가스를 투입하지 않고 진행하면 프리폼 솔더(Preform Solder)는 용융점에서도 고체에서 액체로 변화하지 않으며, 도 4에서 보는 바와 같이 프리폼 솔더(Preform Solder)의 색이 누런 산화 현상을 띄고, 접합되지 않게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 반도체 패키지 공정의 장점을 보여준다.

종래 다이 솔더링 공정을 통해 단자를 부착 시킨 이후에 플럭스를 세척하기 위한 공정을 반드시 실시 하였으나, 본 발명에 따른 포믹 가스를 이용한 단자 부착 이후에는 세척 공정을 할 필요 없이 바로 케이스 조립 공정으로 이어진다.

본 발명에 따르면 단자 솔더링 공정의 플럭스 오염이 없기 때문에 세척 공정을 배제할 수 있으며, 고가의 솔더 페이스트의 원자재를 사용하지 않고 개미산을 사용함으로써 제조 단가가 대폭 절감된다. 즉, 공정이 단순화 되고, 제조 원가가 절감 되는 효과가 예상된다.

Claims

내부에 액체 상태의 개미산이 들어 있고, 주입관을 통해 고순도 질소가 주입되어 포믹 가스가 형성되는 압력 탱크;
압력 탱크 내부로부터 포믹 가스가 배출되는 배출관;
압력 탱크에서 배출되는 포믹 가스의 유량을 제어하며, 후속하는 진공 챔버에 투입하는 유량제어기;
투입된 제품에 대하여 포믹 가스로 접합 부위를 크리닝하고, 접합 공정이 진행되는 진공 챔버;
진공 챔버 내부에서 환원된 포믹 가스를 대기 중으로 배출하는 진공 펌프;를 구비하여 개미산을 가스화하여 프리폼 솔더를 솔더링하는 것을 특징으로 하는 솔더링 환원 시스템
제1항에 있어서,
상기 진공 챔버 내부에서 진행되는 접합 공정은 DBC 부착 공정, 칩 부착 공정, 및 단자 부착 공정 중 어느 하나인 것으로, 개미산을 가스화하여 프리폼 솔더를 솔더링하는 것을 특징으로 하는 솔더링 환원 시스템
제1항에 있어서,
상기 진공 챔버 내부의 온도 100℃에서 포믹가스가 주입되어 접합 부위를 크리닝(Cleaning)하고, 상기 진공 챔버 내부의 온도가 솔더 용융점에 도달하면 프리폼 솔더가 고체에서 액체로 변해 접합이 진행되고,
접합이 종료되면 상기 진공 챔버 내부를 냉각 시키고 환원된 포믹 가스를 배출하는 것으로, 개미산을 가스화하여 프리폼 솔더를 솔더링하는 것을 특징으로 하는 솔더링 환원 시스템
압력 탱크의 내부에 액체 상태의 개미산을 투입하는 단계;
주입관을 통해 1Bar 이상의 고순도 질소 가스를 주입하는 단계;
개미산 액체 속으로 10cm 내외로 잠긴 주입관을 통해 질소가 주입되어 Bubbler(거품)가 발생하는 단계;
Bubbler(거품)가 발생하여 개미산 액체가 포믹 가스로 전환되는 단계;
압력 탱크에서 포믹 가스를 배출하는 단계;
배출된 포믹 가스를 유량 제어기에 의해 20ℓ/min 으로 후속하는 진공 챔버에 투입하는 단계;
100℃ 이상의 진공 챔버 내부에서 포믹가스가 접합 부위를 크리닝(Cleaning)하는 단계;
200℃-400℃의 진공 챔버 내부에서 프리폼 솔더가 고체에서 액체로 변해 접합이 진행되는 단계;
접합이 종료되면 진공 챔버 내부를 냉각 시키고 환원된 포믹 가스를 배출하는 단계;
배출된 포믹 가스가 진공 펌프에 의해 대기 중으로 배출되는 단계;를 구비하여 개미산을 가스화하여 프리폼 솔더를 솔더링하는 것을 특징으로 하는 솔더링 환원 방법