KR20020026923A - Producing methode of Thermoelectric module by automation process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열전반도체 모듈을 제조함에 있어서 첨단 자동화에 의한 제조 시스템을 도입함으로써 높은 생산성 및 균일하고 향상된 성능의 열전반도체 모듈을 연속적으로 제조하는 것이다.The present invention is to continuously manufacture a thermoelectric semiconductor module of high productivity and uniform and improved performance by introducing a manufacturing system by advanced automation in manufacturing a thermoelectric semiconductor module.
열전반도체는 제벡 효과, 펠티어 효과, 톰슨 효과의 열전 현상에 근거를 두고 있는 재료로써 제벡 효과는 이종 재료의 재료 양단에 온도차가 존재하면 전자나 정공이 저온 쪽으로 확산하여 기전력이 발생하게 되는 현상으로서 열전 발전에 이용되고 있으며, 펠티어 효과는 이종 재료를 연결한 회로에 전류를 인가하였을 때 양 접합부에 각각 발열 및 흡열 현상이 발생하고 전류의 방향을 반대로 하면 이 관계가 서로 바뀌는 현상으로서 전자 냉각에 사용되는 반도체는 이 펠티어 효과를 이용한 열전반도체 소자이다. 또한 톰슨 효과란 일정한 길이를 가진 균일한 조성의 재료에서 재료 양단의 온도가 다르고 길이 방향으로 전류가 흐르면 온도 분포를 일정하게 유지하기 위해 물질 내부에 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 현상을 말한다.The thermoelectric semiconductor is a material based on the thermoelectric phenomena of Seebeck effect, Peltier effect, and Thompson effect. The Seebeck effect is a phenomenon in which electrons or holes diffuse toward low temperature and electromotive force is generated when a temperature difference exists between materials of different materials. The Peltier effect is a phenomenon in which heat generation and endothermic phenomena occur at both junctions when current is applied to a circuit connecting dissimilar materials. A semiconductor is a thermoelectric semiconductor element using this Peltier effect. In addition, the Thompson effect refers to a phenomenon in which heat is generated or absorbed inside a material in order to maintain a constant temperature distribution when a temperature of both ends of the material is different and a current flows in a length direction in a material having a uniform composition having a constant length.
이상과 같은 열전 현상을 이용한 열전반도체는 열 에너지와 전기 에너지의 상호 변환이 가능하여 적외선 센서, 레이저 다이오드 및 CCD 소자의 focal plate 냉각 등 각종 전자 기기나 IC 제품의 국부 냉각용으로 응용되고 있으며, 이 외에 의료용이나 과학용 항온 장치 및 열전 냉각용 냉장고, 에어컨, 열 교환기, 열전 발전기 등에 폭넓게 적용되고 있다.Thermoelectric semiconductors using the above-mentioned thermoelectric phenomena are capable of mutual conversion between thermal energy and electrical energy, and have been applied for local cooling of various electronic devices and IC products, such as focal plate cooling of infrared sensors, laser diodes, and CCD devices. In addition, it is widely applied to medical and scientific constant temperature devices, thermoelectric cooling refrigerators, air conditioners, heat exchangers, and thermoelectric generators.
또한 열전반도체는 구조가 간단하고 신뢰성이 높으며 무 진동·무 소음 및 냉매를 사용하지 않는 환경 친화적 재료로서 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세이다. 하지만 도 2에서 보는 바와 같이 열전반도체 모듈은 용량에 따라 부착되는 열전반도체 소자의 수가 매우 다양하지만(2개∼10,000개), 예를 들어 상·하부 기판에 254개의 미세한 열전반도체 소자들이 부착되는 경우, 상·하부 기판에 ㅠ형태로 부착되게 되어 (실제 접점은 254×2 = 508점) 매우 복잡한 공정으로서 인식되어져 왔으며 그동안의 열전반도체 모듈의 제조 방법 또한 사람이 직접 세라믹 기판(또는 금속)에 열전반도체 소자를 심거나 단지 일부의 공정만 장비를 이용하여 수작업 및 반자동화 공정에 의해 이루어지고 있다. 따라서 수요에 비해 그 생산성이 떨어지며 제품의 성능에 있어서도 생산 방법의 수작업으로 인한 균일하지 않고 규격화되어 있지 않은 단점을 가지고 있었다.In addition, thermoelectric semiconductors have a simple structure, high reliability, and are environmentally friendly materials that are free from vibration, noise, and refrigerants, and their demand is explosively increasing. However, as shown in FIG. 2, the number of thermoconductor elements attached to the thermoconductor module varies depending on capacitance (2 to 10,000), but for example, when 254 minute thermoconductor elements are attached to the upper and lower substrates. It has been recognized as a very complicated process because it is attached to the upper and lower substrates (actual contact point is 254 × 2 = 508 points). In the meantime, the manufacturing method of the thermoelectric semiconductor module is also performed by humans directly on the ceramic substrate (or metal). Planting semiconductor devices or only a few processes are done by hand and semi-automation processes using equipment. Therefore, the productivity is lower than the demand, and the performance of the product has a disadvantage that is not uniform and standardized due to the manual work of the production method.
본 발명은 기존의 열전반도체 모듈 조립 시스템, 즉 수작업 및 반자동화에 의한 열전반도체 모듈 조립으로 인한 낮은 생산성 및 제품 성능의 비 균일성, 비 규격화 등의 약점을 극복하기 위하여 첨단 자동화 조립 시스템을 도입함으로써 생산성의 획기적인 향상과 품질의 균일성 및 규격화를 통하여 열전반도체 모듈의 특성 향상을 꾀하는 데 그 목적이 있다.The present invention by introducing an advanced automated assembly system to overcome the weakness of the low productivity, non-uniformity, non-standardization of the product, due to the assembly of the thermoelectric semiconductor module by the manual and semi-automated by manual and semi-automated The purpose is to improve the characteristics of thermoelectric semiconductor modules through dramatic improvements in productivity, uniformity and standardization of quality.
도 1은 본 발명에 따른 열전반도체 모듈 제조 공정의 자동화 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing an automation system of a thermoelectric semiconductor module manufacturing process according to the present invention.
도 2는 상부와 하부 기판의 회로 구성을 보여주는 도면으로써 P형과 N형 각각의 열전반도체 소자는 기판 위에 ㅠ형태로 부착된다.2 is a diagram illustrating a circuit configuration of an upper substrate and a lower substrate, in which P-type and N-type thermoelectric elements are attached on a substrate in a?
도 3은 기판(세라믹 또는 금속) 위에 열전반도체 소자를 용이하게 장착하고, 작업의 효율성을 높이기 위하여 고안된 기판 고정용(넓은 의미로 미완성 열전반도체 모듈 포함) jig를 도시한 것이다.FIG. 3 illustrates a jig for fixing a substrate (including an incomplete thermocouple module in a broad sense) designed to easily mount a thermoelectric device on a substrate (ceramic or metal) and to increase work efficiency.
도 4는 소자 공급기를 통해 공급된 P형과 N형의 열전반도체 소자를 소자 부착 장치를 이용하여 기판에 부착하는 과정을 도시한 것이다.FIG. 4 illustrates a process of attaching P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements supplied through an element supply device to a substrate using an element attachment device.
도 5는 열전반도체 소자가 장착된 하부 기판 위에 솔더가 인쇄된 상부 기판을 올려 덮어 다양한 가스 분위기의 reflow furnace를 통하여 솔더링되는 과정을 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates a process of soldering an upper substrate printed with solder on a lower substrate on which a thermoelectric semiconductor device is mounted and soldering through a reflow furnace of various gas atmospheres.
도 6은 자동화 공정에 의해 만들어진 열전반도체 모듈의 단면을 도시한 것으로 P형과 N형의 열전반도체 소자들이 전극이 형성되어 있는 상부와 하부의 기판에 반복적으로 교차(ㅠ형태)하여 부착되어 있음을 보여준다.FIG. 6 is a cross-sectional view of a thermoelectric semiconductor module made by an automated process, in which P-type and N-type thermoelectric elements are repeatedly attached to the upper and lower substrates on which electrodes are formed. Shows.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
앞에서 언급한 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Al2O3세라믹 기판 또는 적절히 처리된 금속판(상·하판 모두, 20)에 Ag paste(61)와 솔더를 인쇄한 후 Cu 전극(63)을 부착하고 그 위에 다시 솔더(62)를 인쇄하여 기판을 준비하는 단계 ;In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is a Cu electrode 63 after printing the Ag paste (61) and solder on an Al 2 O 3 ceramic substrate or a suitably treated metal plate (upper and lower, 20) Preparing a substrate by attaching and printing solder 62 again thereon;
기판의 하판(21)을 그 수에 관계없이 jig 하판(31)에 삽입하여 또는 jig를 이용하지 않고 loader(11)에 공급하여 솔더 프린터(12)로 자동 이송하여 솔더를 인쇄하는 단계 ;Inserting the lower plate 21 of the substrate into the jig lower plate 31 irrespective of the number or supplying the lower plate 21 to the loader 11 without using jig to automatically transfer the solder to the solder printer 12 to print solder;
솔더가 인쇄된 기판의 하판을 소자 부착 장치(40)로 자동 혹은 수동으로 이송한 후 소자 공급기(17)에서 자동 공급된 열전반도체 소자(23, 24)를 기판의 하판 위에 부착하는 단계 ;Transferring the lower plate of the solder-printed substrate to the element attaching device 40 automatically or manually, and then attaching the thermoelectric semiconductor elements 23 and 24 automatically supplied from the element supplier 17 onto the lower plate of the substrate;
열전반도체 소자가 부착된 기판의 하판 위에 솔더가 인쇄된 상판(22)을 올려 덮은 후 reflow furnace(50)로 자동 이송하여 솔더링하는 단계 ;A step in which a solder-printed upper plate 22 is placed on the lower plate of the substrate to which the thermoelectric semiconductor element is attached and then automatically transferred to the reflow furnace 50 for soldering;
그리고 reflow furnace(50)에서 솔더링된 열전반도체 모듈을 unloader(16)에 의해 자동으로 unloading 시킨 후 외부전극을 부착하고 세척, 건조, 검사(외관, 열전 성능 등 모든 검사를 포함하며, 공정에 따라 생략할 수 있음)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전반도체 모듈 제조 방법을 제공한다.After unloading the thermoelectric semiconductor module soldered in the reflow furnace (50) automatically by the unloader (16), attaching the external electrode, and cleaning, drying, and inspection (includes all inspections such as appearance and thermoelectric performance, and omits depending on the process). It provides a method for manufacturing a thermoelectric semiconductor module comprising a).
상기와 같은 열전반도체 모듈 제조 자동화 시스템에 의한 열전반도체 모듈 제조 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.The thermoelectric semiconductor module manufacturing method by the thermoelectric semiconductor module manufacturing automation system as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 열전반도체 모듈의 전체 제조 공정의 자동화 시스템(10)을 개략적으로 나타낸 것으로서 loader(11), 솔더 프린터(12), 소자 부착장치(40), 작업대(14), reflow furnace(50), unloader(16), 소자 공급기(17)로 크게 구성이 되어 있으며 도 1에 나타낸 작업 공정 순서에 의거, 완전 자동화에 의한 열전반도체 모듈을 제조한다.1 schematically shows an automation system 10 of an entire manufacturing process of a thermoelectric semiconductor module, including a loader 11, a solder printer 12, a device attachment device 40, a work table 14, a reflow furnace 50, The unloader 16 and the element feeder 17 are largely constituted, and a thermoelectric semiconductor module is manufactured by full automation according to the work process sequence shown in FIG. 1.
도 2는 상·하판으로 분리된 세라믹 또는 금속 기판(20)을 나타낸 것으로, 상·하 기판은 paste 형태의 Ag(61) 또는 Cu(63)를 구성 회로를 따라 인쇄한 후에 상·하 기판(21, 22) 모두를 소성로에서 400∼1000℃, 10∼120분 동안 충분히 건조·소성 시킨다. 인쇄된 회로 위에는 솔더(Bi-Sn계, Sn-Pb계, Sn-Ag계, Sn-Sb계, Sn-Pb-X계 등의 모든 솔더 포함, 52)를 다시 인쇄, 건조하여 Cu 전극(63)을 부착하고 열전반도체 소자와의 부착을 쉽게 하기 위하여 2차 솔더링을 실시한다. 이때 반복된 솔더링으로 인한 용융 솔더의 온도 상승(5∼30℃)을 방지하기 위하여 시간에 따른 온도의 변화를 체크하여 용융 솔더의 온도를 세밀하게 조절하는 것이 필요하다. Cu 전극(63) 부착 시 정확한 회로 구성을 위하여 기판의 크기에 맞게 고안된 jig에 기판을 고정시켜 이용하며, 솔더 paste(62)는 고온용으로 질소 분위기 내에서 용제의 잔존을 최소화하고 환경오염을 방지하기 위해 Pb가 배제된 무 세정 솔더 paste를 가급적 사용함이 바람직하다.FIG. 2 shows a ceramic or metal substrate 20 separated into upper and lower plates. The upper and lower substrates are formed by printing paste Ag (61) or Cu (63) along a configuration circuit. 21, 22) All is dried and baked in a kiln for 400-1000 degreeC for 10 to 120 minutes. On the printed circuit, the solder (including all solders such as Bi-Sn-based, Sn-Pb-based, Sn-Ag-based, Sn-Sb-based, and Sn-Pb-X-based, 52) is printed and dried again to form a Cu electrode (63). ) And secondary soldering to make it easier to attach to thermoelectric elements. At this time, in order to prevent the temperature rise (5-30 ° C.) of the molten solder due to repeated soldering, it is necessary to finely control the temperature of the molten solder by checking the temperature change over time. When the Cu electrode 63 is attached, the substrate is fixed to the jig designed for the size of the substrate for accurate circuit configuration.The solder paste 62 is used for high temperature to minimize the remaining solvent in the nitrogen atmosphere and to prevent environmental pollution. In order to avoid this, it is desirable to use a clean solder paste that is free of Pb.
이상과 같은 과정을 통해 준비된 기판의 하판(21)을 jig 하판(도 3, 31)에 장입하고 loader에 삽입하면 다층 형태(2∼30 layer)의 loader(11)를 통하여 순차적으로 솔더 프린터(12)로 자동 이송하여 솔더(62)를 인쇄한다. 이 때 도 3에서 보여주는 것과 같이 기판 고정용 jig 하판(31)은 최소 2∼20개의 기판을 동시에 인쇄 및 이동할 수 있게 설계되며 열전반도체 모듈의 크기에 따라서 (50∼500)×(10∼400)mm의 크기 및 1∼50mm의 두께변화를 줄 수 있다. 또한 솔더링 시 원활한 열 이동과 Jig(30)의 열 흡수를 최소화하기 위하여 기판이 장착되지 않는 잉여 부분에 원형의 구멍(33)을 설치하며 자동 이송에 따른 기판 혹은 미완성 열전반도체 모듈의 이탈을 방지하기 위하여 jig의 사각 부분은 물리적으로 체결(34)된다. 그리고 Jig 하판(31)은 열 전달이 우수한 재질(금속계 또는 세라믹계)의 jig가 필요하며 기판의 상판용 jig(32)는 열 전달이 잘되며 일정한 무게를 가지고 있어서 하판과의 사이에 있는 솔더 paste(62)와 열전반도체 소자(23, 24)를 눌러 위치를 고정시켜주는 효과가 있는 재료를 사용한다.When the lower plate 21 of the substrate prepared through the above process is loaded into the jig lower plate (FIGS. 3 and 31) and inserted into the loader, the solder printer 12 is sequentially loaded through the loader 11 of the multilayer form (2 to 30 layers). The solder 62 is printed by automatic transfer to In this case, as shown in FIG. 3, the jig lower plate 31 for fixing a substrate is designed to print and move at least two to twenty substrates at the same time, depending on the size of the thermoelectric semiconductor module (50 to 500) × (10 to 400). The size of mm and the thickness change of 1 to 50mm can be given. In addition, in order to smooth heat transfer and minimize heat absorption of the jig (30) during soldering, a circular hole 33 is installed in a surplus portion where the substrate is not mounted, and the separation of the substrate or the unfinished thermoelectric module due to the automatic transfer is prevented. For example, the rectangular part of jig is physically fastened 34. Jig lower plate 31 requires jig made of a material having excellent heat transfer (metal-based or ceramic-based), and jig 32 for the upper plate of the board has good heat transfer and has a constant weight, so that a solder paste is disposed between the lower plate and the lower plate 31. A material having an effect of fixing the position by pressing 62 and the thermoelectric semiconductor elements 23 and 24 is used.
도 4는 소자 부착 장치를 도시한 것이다. 솔더 프린팅 후 jig 하판(31)은 컨베이어 벨트를 통해 소자 부착 장치(40)로 자동 이송되며 이곳에서 소자 공급기(17)로부터 공급된 P(23)형과 N(24)형의 열전반도체 소자는 기판의 하판(21) 위에 자동으로 장착된다. 이때 열전반도체 소자는 P형과 N형의 섞임을 방지하고 작업의 용이성을 위해 P형(23)과 N형(24) 열전반도체 소자를 구분하여 공급하도록 설계된 line feeder(17)를 통해 공급하게 되며 공급된 열전반도체 소자는 소자 부착 장치의 헤드부(41)에서 동시에 진공으로 흡착하여 영상 또는 레이저 방식의 센서(42)에 의한 자동 정렬을 함과 동시에 10,000∼20,000 CPH의 속도로 이송되어 자동 장착된다. 이 때 소자 부착 장치(40)의 헤드 수(2∼10개) 및 간격을 고려하여 소자 공급기(17)를 설계하여야 한다. 이는 소자 부착 장치의 P형과 N형 열전반도체 소자(23, 24)에 대한 실장 시간을 최소로 하여 생산성을 높이기 위함이다.4 shows an element attachment apparatus. After solder printing, the jig lower plate 31 is automatically transferred to the device attaching device 40 through the conveyor belt, where P (23) and N (24) type thermoelectric elements, which are supplied from the device supplier 17, are substrates. It is automatically mounted on the lower plate 21 of the. At this time, the thermoconductor element is supplied through a line feeder 17 designed to prevent the mixing of the P-type and the N-type, and to supply the P-type 23 and the N-type 24 thermoelectric semiconductor elements for ease of operation. The supplied thermoconductor elements are simultaneously adsorbed by a vacuum at the head part 41 of the device attachment device and are automatically mounted by being transferred at a speed of 10,000 to 20,000 CPH while being automatically aligned by an image or laser sensor 42. . At this time, the element feeder 17 should be designed in consideration of the number of heads (2 to 10) and the spacing of the element attaching device 40. This is to increase the productivity by minimizing the mounting time for the P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements 23 and 24 of the device attachment device.
도 5는 reflow furnace(50)를 통해 솔더링되는 과정을 도시한 것으로, 열전반도체 소자가 실장된 하부 기판(21)은 컨베이어 벨트를 통해 작업대 (14)로 이송되며, 이곳에서 솔더가 인쇄된 상부 기판(22)이 삽입되어 있는 jig 상판을 올려 덮어 결합하고 reflow furnace(50)로 자동 이송한다. reflow furnace에서 열전반도체 소자가 부착된 상·하부의 기판은 예열 과정을 거쳐 100∼300℃의 온도에서, 5∼30분 동안 가열하여 상부와 하부의 기판을 솔더의 용융에 의해 완전하게 솔더링하며 이때 reflow furnace(50)로 자동 이송된 미완성의 열전반도체 모듈(60)은 산화를 방지하기 위하여 질소, 아르곤 가스등을 이용한 분위기 중 또는 대기 중에서 솔더링하며 솔더링이 완료된 기판은 다층 형태(2∼30 layer)의 unloader(16)에 의해 층별로 적층되어 자동으로 unloading된다.FIG. 5 illustrates a process of soldering through a reflow furnace 50, in which a lower substrate 21 on which a thermoelectric semiconductor element is mounted is transferred to a work table 14 through a conveyor belt, in which an upper substrate on which solder is printed is shown. Put the jig top plate (22) inserted and cover it up and transfer it to the reflow furnace (50) automatically. In the reflow furnace, the upper and lower substrates to which the thermoelectric semiconductor elements are attached are heated for 5 to 30 minutes at a temperature of 100 to 300 ° C through preheating process to completely solder the upper and lower substrates by melting the solder. The unfinished thermoconductor module 60, which is automatically transferred to the reflow furnace 50, is soldered in an atmosphere or atmosphere using nitrogen, argon gas, etc. to prevent oxidation, and the soldered substrate is formed in a multilayer form (2 to 30 layers). The unloader 16 is stacked in layers and automatically unloaded.
도 6은 제조된 열전반도체 모듈의 단면(60)을 도시한 것이다. 상기의 과정을 거쳐 제조된 열전반도체 모듈은 기판(세라믹 또는 메탈)(21, 22) 위에 형성된 Ag 및 Cu 전극(61, 63) 위로 P (23)형과 N(24)형의 열전반도체 소자가 ㅠ형태로 교차되어 부착되게 된다. 이후 unloading된 미완성 열전반도체 모듈(60)은 jig(30)로부터 분리되어지며, 미완성 열전반도체 모듈과 분리된 jig(30)는 다시 공정 첫 단계로 돌아가 연속적으로 새로운 기판을 정렬하는데 사용되어지며 미완성 열전반도체 모듈은 열전반도체 모듈 특성 검사기로 이송된다. 이상과 같은 과정은 jig에 기판을 삽입하여 다층의 loader에 공급된 이후 연속적으로 이루어지며 자동화된 공정 및 공정간의 자동이송을 포함하여 수행하게 된다.6 shows a cross section 60 of the manufactured thermoelectric module. The thermoconductor module manufactured by the above process has a P (23) type and an N (24) type thermoelectric element on the Ag and Cu electrodes 61 and 63 formed on the substrate (ceramic or metal) 21 and 22. It is attached in a cross shape. Then, the unloaded unfinished thermoconductor module 60 is separated from the jig 30, and the jig 30 separated from the unfinished thermoconductor module is used to return to the first step of the process and continuously align the new substrate. The semiconductor module is transferred to the thermoelectric semiconductor module characteristic tester. The above process is performed continuously after the substrate is inserted into the jig and supplied to the multi-layer loader, and includes an automated process and automatic transfer between processes.
이후 미완성된 열전반도체 모듈은 각 단자에 직류 전원을 가해서 열전반도체 모듈 양단에 연결된 센서를 통해 온도 특성 및 열전 특성을 측정한다. 특성 검사에 합격한 열전반도체 모듈은 외부 전극을 부착하고 최종 검사 단계를 거쳐 포장을 함으로써 작업을 완료한다.After that, the unfinished thermoelectric semiconductor module applies DC power to each terminal to measure temperature characteristics and thermoelectric characteristics through sensors connected to both ends of the thermoelectric semiconductor module. The thermoconductor module, which has passed the characteristic inspection, is completed by attaching external electrodes and packaging through the final inspection stage.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 열전반도체 모듈 조립 공정의 자동화 시스템을 도입함으로써 수작업 및 반자동화에 의한 조립 공정에 비해 10배 이상의 생산성 향상과 열전 성능의 균일화 및 규격화에 대한 획기적인 향상이 기대된다.As described above, the introduction of the automation system of the thermoelectric semiconductor module assembly process according to the present invention is expected to be more than 10 times the productivity improvement and a significant improvement in the uniformity and standardization of thermoelectric performance compared to the assembly process by manual and semi-automated.
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