KR20040066023A - 기판에 땜납 칼럼을 정렬시키고 접착시키는 장치 및 방법 - Google Patents

기판에 땜납 칼럼을 정렬시키고 접착시키는 장치 및 방법 Download PDF

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노모토신이치
나우치다카시
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센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따르면, 세라믹기판상의 대응하는 전기접촉부의 패터닝된 어레이에 복수의 땜납 칼럼을 정렬시키고 접착시키는 장치 및 방법이 제공된다. 상기 장치는 전기접촉부의 패턴과 동일한 패턴으로 복수의 관통구멍이 형성된 평탄한 직사각형 정렬판을 포함한다. 4개의 리테이너는 정렬판의 4개의 측면에 매달려 있다. 상기 리테이너는 관통구멍이 대응하는 전기접촉부와 수직으로 정렬되도록 세라믹기판위의 고정된 위치에 정렬판을 유지한다. 땜납 칼럼이 각각의 접촉패드상에서 직립위치로 배치되도록 관통구멍을 통하여 삽입된다. 전기접촉부상에 땜납 페이스트가 도포된다. 정렬판 및 기판은, 땜납 페이스트가 리플로우되고 땜납 칼럼과 전기접촉부상으로 적셔지도록 가열된다. 그 후, 땜납 페이스트는 땜납 칼럼과 전기접촉부 사이에 야금적 결합을 형성하기 위해 재응고된다.

Description

기판에 땜납 칼럼을 정렬시키고 접착시키는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ALIGNING AND ATTACHING SOLDER COLUMNS TO A SUBSTRATE}
본 발명은 세라믹 기판상의 전기 단자 또는 도전패드의 패터닝된 어레이에 복수의 땜납 칼럼(solder column)을 정렬시키고 배치시키며 접착시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
집적회로상의 전자부품의 밀도가 계속 증가함에 따라, 칩에 요구되는 리드선의 수 또한 증가하고 있다. 증가된 밀도에 대처하기 위해서, 1이상의 칩이 기판의 최상면에 탑재되는 볼 그리드 어레이 패키지(ball grid array package)가 개발되었다. 상기 볼 그리드 어레이 패키지는 기판과 인쇄회로기판 사이에 전기적인 접속을 제공하기 위해서 땜납 볼의 어레이를 사용한다. 이러한 형태의 패키지가 가지는 문제점은, 열팽창계수에 있어서의 실질적인 차이가 기판과 인쇄회로기판 사이에 존재할 수 있다는 것이다. 열팽창계수에 있어서의 이러한 차이는 땜납 볼의 소성 변형을 유발한다.
이 문제점은 세라믹 칼럼 그리드 어레이 패키지(ceramic column grid array package)를 이용하여 경감된다. 상기 칼럼 그리드 어레이 패키지는 세라믹기판과 인쇄회로기판 사이에 전기적인 접속을 만들기 위해 땜납 칼럼의 어레이를 사용한다. 통상적으로, 땜납 칼럼의 높이는 거의 2.55mm이고 그 직경은 0.50mm이다. 보다 큰 땜납 칼럼의 형태는, 세라믹 칼럼 그리드 어레이 패키지와 인쇄회로기판 사이의 차등 열팽창율을 양호하게 받아들일 수 있는 순응성(compliancy)이 제공된다. 기판에 땜납 칼럼을 접착시키기 위해서, 세라믹 기판의 한쪽면상에 놓여진 도전성 접촉패드상에는 낮은 용융온도 땜납 페이스트가 증착된다. 통상적으로, 납 대 주석의 공칭 90/10 합금을 사용하는 높은 용융온도 땜납으로 만들어진 땜납 칼럼은 대응하는 접촉 패드상에 수직으로 위치된다. 그런 후, 그 조합물은 땜납 페이스트가 리플로우되도록 리플로우 오븐(reflow oven) 내에서 가열되어, 땜납 칼럼과 패드에 기계적 및 전기적 접속을 이룬다
볼 그리드 어레이 패키지의 제조시, 반도체기판상의 원하는 패턴내에 다수의 땜납 볼들을 픽업하고 배치시키기 위해서, 통상적으로 진공 픽업툴(pickup tool)이 사용된다. 구형상의 땜납 볼은 기판상에 전체 어레이의 땜납 볼을 픽업하고 배치시키는 데 용이하다. 한편, 땜납 칼럼은 원통형상이므로, 땜납 칼럼이 세라믹 기판상의 대응하는 도전패드에 접착되는 경우, 직립 방위로 배치되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 땜납 칼럼이 기판상의 대응하는 도전 패드상에 직립 위치로 용이하고 동시에 배치될 수 있도록 하는, 기판상에 땜납 칼럼의 어레이를 정렬시키고 접착시키는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 탑재되기 이전에, 기판에 땜납 칼럼을 정렬시키고 접착시키는 장치의 사시도;
도 2 내지 도 6은 세라믹기판상에 대응하는 도전성 패드의 어레이에 땜납 칼럼의 어레이를 정렬시키고 접착시키는 방법을 순서대로 예시하는 도면;
도 7은 땜납 칼럼 디스펜서에 의하여 순서대로 공급된 땜납 칼럼의 어레이를 포획하도록 구성된 진공 픽업툴의 사시도;
도 8 내지 도 10은 땜납 칼럼의 어레이가 진공에 의하여 일련의 캐비티내에 각각 유지되는 방식을 순서대로 예시하는 도면;
도 11은 땜납 칼럼이 수평 방위로 유지되는 진공 픽업툴의 사시도.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 세라믹 기판상의 대응하는 전기접촉부의 패터닝된 어레이에 복수의 땜납 칼럼을 정렬시키고 접착시키는 장치가 제공된다. 상기 장치는 전기접촉부의 패턴과 동일한 패턴으로 형성된 복수의 관통구멍을 갖는 실질적으로 평탄한 정렬판을 포함하며, 땜납 칼럼이 거기를 통하여 수직으로 통과할 수 있게 되어 있다. 1이상의 리테이너가 상기 정렬판에 매달려 있으며, 관통구멍이 대응 전기접촉부와 수직으로 정렬되도록 세라믹 기판위의 고정된 위치에 정렬판을 유지하도록 되어 있다. 일 실시예에서, 직사각형 정렬판의 각각의 4개의 측면에 4개의 리테이너가 부착된다. 상기 정렬판은 티타늄과 같은 내열성 재료로 만들어지는 것이 바람직하다.
진공 픽업툴은 땜납 칼럼의 어레이를 정렬판으로 전달하는 데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 진공 픽업툴은 진공 헤드 및 상기 진공 헤드의 저부로부터 연장되는 캐리어 돌기부를 포함한다. 캐리어 돌기부내에는 일련의 캐비티가 형성되며, 그 각각은 진공원과 연통된 진공포트를 가진다. 상기 캐비티는 정렬판의 각각 인접한 관통구멍 사이의 거리와 같은 거리로 서로로부터 이격되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판상의 대응하는 전기접촉부의 패터닝된 어레이에 복수의 땜납 칼럼을 정렬시키고 접착시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 전기접촉부의 패턴과 동일한 패턴내에 형성된 복수의 관통구멍을 포함하는 실질적으로 평탄한 정렬판을 제공하는 단계를 포함한다. 땜납 페이스트는 스크린 인쇄되거나 아니면 다른 방법으로 전기접촉부상에 도포된다. 상기 정렬판은, 관통구멍이 전기 패드와 수직으로 정렬되도록 기판 위의 고정된 위치에 유지된다. 땜납 칼럼은 정렬판의 관통구멍을 통하여 삽입된다. 이는 땜납 칼럼이 직립 방위로 전기접촉부상에 배치되도록 한다. 정렬판 및 기판은 땜납 페이스트를 리플로우하거나 용융시키기 위해 리플로우 오븐을 거쳐 통과된다. 그 후, 땜납 페이스트는 땜납 칼럼과 대응하는 접촉부 사이를 결합시키기 위해 재응고된다. 땜납 칼럼이 세라믹 기판상의 모든 전기접촉부에 접착된 후에는 기판으로부터 정렬판이 제거된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예로 본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 장점들을 보다 상세히 설명한다.
먼저 도 1을 참조로, 기판에 땜납 칼럼의 어레이를 정렬시키고 접착시키는 도면 번호 10으로 표시된 장치가 예시된다. 상기 장치(10)는 복수의 관통구멍(14)이 패터닝된 어레이에 형성된 실질적으로 평탄한 정렬판(12)을 포함한다.정렬판(12)은 정사각형이거나 직사각형 형상이며 4개의 측면(16)을 가진다. 상기 정렬판(12)은 두께가 적어도 0.5mm이다. 상기 정렬판(12)은 양호한 내열성을 제공하기 위해 티타늄으로 만들어지는 것이 바람직하다. 대안적으로, 상기 정렬판(12)은 티타늄 합급, 세라믹, 스테인리스 강, 엔지니어링 플라스틱, 탄소, 탄화물 및 질화물과 같은 여타의 적절한 내열성 물질로 만들어질 수 있다. 예시된 실시예에서, 4개의 리테이너(18)는 정렬판(12)의 4개의 각각의 측면(16)의 중간에 매달려있다. 리테이너(18) 각각은 단차(20)를 가진다. 도 3 및 도 4에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 상기 단차(20)는 기판(22)의 상부 외주에지와 맞물리도록 하는 크기와 구성으로 되어 있다. 도시되어 있지 않지만, 대안적으로 각도를 가진 4개의 리테이너가 정렬판(12)의 4개의 코너에 접착될 수 있다. 정렬판(12)은 기판의 크기와 실질적으로 같은 크기를 가진다. 기판(22)은 통상적으로 세라믹으로 만들어진다. 세라믹기판(22)은 정렬판(12)의 관통구멍(14)의 패턴과 동일한 패턴내에 배치된 복수의 도전성 패드 또는 접촉부(22)를 가진다. 관통구멍(14)의 수는 도전성 패드(24)의 수와 같다.
도 2 내지 도 6은 땜납 칼럼(26)의 어레이가 세라믹기판(22)상의 도전성 패드(24)에 접착되는 방식을 순서대로 예시한다. 상세하게 도 2를 참조로, 땜납 페이스트(28)는 모든 도전성 패드(24)상으로 스크린 인쇄된다. 그런 후, 도 3에 도시된 바와 같이, 세라믹기판(22)상에 정렬판(12)이 장착된다. 리테이너(18)는 세라믹기판(22)상의 고정된 위치에서 정렬판(12)을 유지한다. 정렬판(12)은 세라믹기판(22)으로부터 일정 거리를 두고 수직으로 이격되어 그것들이 땜납페이스트(28)와 접촉되지 않도록 유지된다. 따라서, 리테이너(18)는 위치설정기와 스페이서 모두로서 역할한다. 세라믹기판(22)상에 탑재된 정펼판(12)에 의하여, 관통구멍(14)들은 각각의 도전패드(24)와 함께 수직으로 정렬된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 도면 번호 30으로 표시된 진공 픽업툴은 땜납 칼럼의 어레이를 정렬판(12)으로 전달하는 데 사용된다. 예시된 실시예에서, 진공 픽업툴(30)은 땜납 칼럼 디스펜서(34)와 정렬판(12) 사이에서 적절한 구동수단(도시되지 않음)에 의하여 이동되는 진공 블록 또는 헤드(32)를 포함한다. 캐리어 돌기부(36)는 그 앞단부에 인접한 진공 헤드(32)의 저부로부터 아래쪽으로 돌기되어 있으며, 진공 헤드(32)의 대향 측면 사이에 펼쳐져 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 캐리어 돌기부(36)의 폭 또는 깊이가 땜납 칼럼(26)의 길이보다 실질적으로 작은 것이 바람직하다. 캐리어 돌기부(36)내에 일련의 직사각형 캐비티(38)가 형성되어 있다. 상기 캐비티(38)는 대안적으로 반원 또는 여타의 적절한 단면을 가질 수 있다. 상기 캐비티(38)는 땜납 칼럼(26)의 직경보다 다소 큰 깊이를 가진다. 상기 캐비티(38)는 실질적으로 땜납 칼럼(26)의 직경의 절반과 같은 폭을 가진다. 각각의 인접한 캐비티(38) 사이의 거리는 정렬판(12)의 각각의 인접한 관통구멍(14) 사이의 거리와 같다. 진공 헤드(32)는 진공원(42)(도 11)에 연결된 내부 진공채널(40)을 가진다. 일련의 진공포트(44)가 캐리어 돌기부(36)내에 형성되어 있으며 공통 진공채널(40)과 연통되어 있다.
도 8을 참조로, 진공 픽업툴(30)은 캐비티(38)가 각각의 땜납 칼럼(26)으로 정렬되도록 땜납 칼럼 디스펜서(34)의 하류 단부위로 이동된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 진공 픽업툴(30)은, 캐리어 돌기부(36)의 저부가 땜납 칼럼 디스펜서(34)의 상면과 접촉하게 될 때까지 하강된다. 그런 후, 진공 픽업툴(30)의 각각의 캐비티(38)내로 땜납 칼럼(40)을 뽑아내기 위해서 진공채널(40) 및 진공포트(44)를 통하여 진공이 빼내어진다. 그 후, 진공 픽업툴(30)은 도 10에 도시된 바와 같이 땜납 칼럼 디스펜서(34)로부터 들어올려진다. 이 때, 땜납 칼럼(26)은 도 11에 도시된 바와 같이 수평 방위로 유지된다.
캐비티(38)내로 유지된 땜납 칼럼(26)을 갖고, 진공 픽업툴(30)이 정렬판(12) 위로 이동된다. 도시되지는 않았으나, 진공 픽업툴(30)은 땜납 칼럼(26)을 수직 방위로 움직이기 위해 90도로 회전된다. 다시 도 4를 참조로, 각각의 관통구멍(14)과 축방향으로 정렬된 땜납 칼럼(26)을 가지고, 땜납 칼럼(26)이 관통구멍(14)으로 흘러들어오게 하기 위해 진공이 해제된다. 이를 위해, 관통구멍(14)은 땜납 칼럼(26)의 직경보다 약간 크다. 마침내, 땜납 칼럼(26)은 각각의 도전성 패드(24)상에 놓인다.
도 5에 도시된 바와 같이, 정렬판(12) 및 세라믹기판(22)은 컨베이어(52) 수단에 의하여 리플로우 오븐(50)을 거쳐 통과된다. 이 때, 리테이너는 정렬판(12)과 세라믹기판(22) 사이의 상대적인 이동을 방지한다. 상부 및 하부 히터(54, 56)가 컨베이어(52) 위 아래에 배치되어, 정렬판(12)과 세라믹기판(22)에 충분한 열을 가한다. 이로 인해, 낮은 용융 땜납 페이스트(28)가 녹게 된다. 그 결과, 땜납 페이스트(28)가 땜납 칼럼(26)과 도전성 패드(24)상으로 적셔진다. 땜납 페이스트(28)의 재료를 재응고시키기 위해 히터(54, 56) 하류의 리플로우 오븐(50)내에 상부 및 하부 팬(58, 60)이 제공되므로, 땜납 칼럼(26)과 각각의 패드(24) 사이에는 야금적 접합을 형성한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 정렬판(12) 및 세라믹기판(22)이 리플로우 오븐(50)으로부터 나온 후에는, 세라믹기판(22)으로부터 정렬판(12)이 제거된다. 이 공정은, 땜납 칼럼(26)이 모든 도전성 패드(24)에 접착되어 세라믹 칼럼 그리드 어레이 패키지를 형성할 때까지 반복된다.
바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하고 있지만, 첨부된 청구항에 의하여 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 변경이 행해질 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따르면, 땜납 칼럼이 기판상의 대응하는 도전 패드상에 직립 위치로 용이하고 동시에 배치될 수 있도록 하는, 기판상에 땜납 칼럼의 어레이를 정렬시키고 접착시키는 장치 및 방법이 제공된다.

Claims (7)

  1. 기판상의 대응하는 전기접촉부의 패터닝된 어레이에 복수의 땜납 칼럼을 정렬시키고 접착시키는 장치에 있어서,
    전기접촉부의 패턴과 동일한 패턴으로 형성된 복수의 관통구멍을 구비하여, 상기 땜납 칼럼이 그것을 통하여 수직으로 통과하도록 되어 있는 실질적으로 평탄한 정렬판; 및
    상기 정렬판에 매달려 있고, 상기 관통구멍이 대응하는 전기접촉부와 수직으로 정렬되도록 기판위의 고정된 위치에 상기 정렬판을 유지하도록 되어 있는 1이상의 리테이너를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 외주 에지를 가지며, 상기 1이상의 리테이너는 상기 기판의 외주 에지를 맞물리도록 크기 및 형태로 되어 있는 단차를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정렬판은 형상이 실질적으로 직사각형상이고, 4개의 측면을 가지며, 상기 정렬판의 각각의 4개의 측면에 매달려 있는 4개의 리테이너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정렬판은 티타늄, 티타늄 합금, 세라믹, 스테인리스 강, 엔지니어링 플라스틱, 탄소, 탄화물 및 질화물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 내열성 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정렬판은 두께가 적어도 0.5mm인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정렬판과 동작상으로 연관되어 땜납 칼럼을 정렬판으로 전달하기에 적합하게 되어 있는 진공 픽업툴을 더 포함하고, 상기 진공 픽업툴은 저부를 가지는 진공 헤드, 상기 진공 헤드의 저부로부터 연장되는 캐리어 돌기부 및 그 각각이 진공원과 연통된 진공포트를 가지는, 상기 캐리어 돌기부내에 형성된 일련의 캐비티를 포함하며, 상기 캐비티는 상기 정렬판의 각각의 인접한 관통구멍 사이의 거리와 같은 거리로 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 기판상의 대응하는 전기접촉부의 패터닝된 어레이에 복수의 땜납 칼럼을 정렬시키고 접착시키는 방법에 있어서,
    상기 전기접촉부의 패턴과 동일한 패턴으로 형성된 복수의 관통구멍을 포함하는 실질적으로 평탄한 정렬판을 제공하는 단계;
    전기접촉부상에 땜납 페이스트를 도포하는 단계;
    관통구멍이 전기 패드와 수직으로 정렬되도록 기판 위의 고정된 위치에 정렬판을 유지하는 단계;
    땜납 칼럼을 전기접촉부상에 직립 방위로 배치시키기 위해 정렬판의 관통구멍을 통하여 땜납 칼럼을 통과시키는 단계;
    땜납 페이스트를 용융시키는 단계;
    땜납 칼럼과 대응하는 전기접촉부 사이를 결합시키기 위해 땜납 페이스트를 재응고시키는 단계; 및
    땜납 칼럼이 상기 전기접촉부 모두에 접착된 후에는 기판으로부터 정렬판을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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