KR100285783B1 - Soldering without flux - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플럭스(flux)를 사용하지 않으면서도 기존과 거의 동등한 접합특성을 유지할 수 있는 납땜방법을 제공함에 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a soldering method capable of maintaining a bonding property substantially equal to the conventional one without using flux.
본 발명은 진공용기(10)내의 메인지그(14)에 안치된 BGA(1)상에 흑연지그(12)의 홀을 통해 솔더볼(2)을 정치시킨 다음, 진공용기의 내부를 10-2torr이하의 진공상태가 되도록 배기하고, 배기된 진공용기내에 질소가스를 2~3회에 걸쳐 퍼징하여 수분과 산소의 농도를 각각 10ppm이하로 유지한 후, 환원성 가스와 불활성 가스를 취입하거나 그대로 진공상태에서 솔더볼을 땜납의 고상선온도보다 낮은 온도로 예열하고, 접합가열하여 BGA의 패드에 솔더볼을 접합하는 납땜방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.In the present invention, the solder ball (2) is allowed to rest on the BGA (1) placed in the main jig (14) in the vacuum vessel (10) through the hole of the graphite jig (12), and then the inside of the vacuum vessel is 10 -2 torr. After evacuating to a vacuum state below, purging nitrogen gas in the evacuated vacuum container two or three times to maintain the concentration of water and oxygen below 10 ppm, and then injecting reducing gas and inert gas or vacuuming as it is. The technical gist of the present invention relates to a soldering method for preheating solder balls to a temperature lower than the solidus temperature of the solder, and heating the joint to bond the solder balls to pads of the BGA.
Description
본 발명은 플럭스(flux)를 사용하지 않으면서도 기존과 거의 동등한 접합특성을 유지할 수 있는 납땜방법에 관한 것이다.The present invention relates to a soldering method capable of maintaining almost the same bonding characteristics as conventional ones without using flux.
일반적으로 두 개의 물체를 접합시키는데는 여러 가지 방법이 사용된다. 그 중에서도 2종금속 사이에 융점이 낮은 접합용 금속을 용융시켜 접합하는 방법으로서 소위 브레이징(brazing)과 납땜(soldering)방법이 주로 사용된다. 우리말로는 보통 접합작업 자체를 모두 땜질 또는 납땜이라고도 말하기도 하나 상기 2가지 접합방법은 접합온도에 따라 구분되고 있다. 즉, 브레이징은 약 450℃이상에서 접합시키는 방법을 말하며, 납땜은 약 450℃이하에서 접합하는 것을 말한다. 그리고, 납땜에 사용되는 금속을 단순히 땜납(solder)이라고 하는 반면, 땜질에서는 충진재(filler metal)이라고 한다.Generally, several methods are used to join two objects. Among them, so-called brazing and soldering methods are mainly used as a method of melting and joining a metal having a low melting point between two kinds of metals. In Korean, the bonding operation itself may also be referred to as soldering or soldering, but the two bonding methods are classified according to the bonding temperature. That is, brazing refers to a method of bonding at about 450 ° C. or more, and soldering refers to bonding at about 450 ° C. or less. The metal used for soldering is simply referred to as solder, while in soldering it is referred to as filler metal.
한편, 브레이징이든 납땜이든 어떤 방법을 사용하더라도 접합하고자 하는 금속부재의 표면에 산화막이 형성되어 있으면 이것이 접합용 용융금속이 순수금속을 적시지 못하게 방해하여 접합이 이루어지지 않는다. 이를 방지하기 위하여 통상 접합작업에서는 플럭스(flux)를 사용하고 있다. 플럭스는 먼저 땜납 표면의 산화층을 파괴하고 접합도중에 금속표면이 대기와 접촉하여 산화층이 다시 생성되는 것을 방지함으로써 접합이 쉽게 이루어지도록 하는 역할을 한다.On the other hand, even if brazing or soldering is used, if an oxide film is formed on the surface of the metal member to be bonded, this prevents the bonding molten metal from wetting the pure metal so that the bonding is not made. In order to prevent this, the welding work usually uses flux. Flux first serves to facilitate bonding by breaking the oxide layer on the surface of the solder and preventing the metal surface from contacting the atmosphere during bonding, thereby regenerating the oxide layer.
브레이징의 경우에는 반드시 이러한 플럭스의 사용을 필요로 하지는 않으나, 납땜의 경우에는 반드시 플럭스를 사용해야 한다. 즉, 동일한 형태의 제품을 동시에 대량으로 접합할 때 흔히 사용하는 브레이징은 환원성 분위기 브레이징 또는 진공 브레이징으로 구분되는데, 환원성 분위기나 진공 분위기중에서 높은 온도로 가열하면 우선 산화층이 파괴되고 환원성 분위기 또는 진공 분위기에서 산소를 적극적으로 배제시켜 산화물이 재차 생성되는 것을 막아서 접합이 이루어지게 한다.Brazing does not necessarily require the use of such fluxes, but soldering requires the use of fluxes. In other words, the brazing that is commonly used when joining large quantities of products of the same type at the same time is classified into a reducing atmosphere brazing or a vacuum brazing. When heated to a high temperature in a reducing atmosphere or a vacuum atmosphere, the oxidizing layer is first destroyed and then in a reducing or vacuum atmosphere. Active exclusion of oxygen prevents the formation of oxides again, resulting in conjugation.
반면, 납땜의 경우에는 접합온도가 너무 낮아 환원성 분위기나 진공 분위기에서 산화층이 쉽게 파괴되지 못한다. 특히, 고상선이 약 183℃밖에 안되는 Pb-Sn계 땜납의 경우 산화층을 파괴하거나 제거하는 것은 더욱 어렵다. 따라서, 납땜공정에서는 필수적으로 플럭스를 필요로 하고 있다.On the other hand, in the case of soldering, the bonding temperature is too low to easily destroy the oxide layer in a reducing atmosphere or a vacuum atmosphere. In particular, in the case of Pb-Sn-based solder having a solidus line of only about 183 ° C, it is more difficult to destroy or remove the oxide layer. Therefore, the flux process necessarily requires flux.
그러나, 플럭스를 사용하는 납땜의 경우 플럭스를 사용함으로써 야기되는 문제점이 적지 않다. 무엇보다도 플럭스 자체의 독성으로 작업자의 위생안전을 위협한다. 보통 납땜작업에 종사하는 작업자들의 안전을 위해 작업자 근처에 환풍기를 설치하여 납땜작업시 발생하는 매연(fume)을 흡입하여 밖으로 배출하나 이는 또 다른 대기오염의 큰 원인이 되고 있다.However, in the case of soldering using the flux, there are not many problems caused by using the flux. Above all, the toxicity of the flux itself threatens the hygiene and safety of workers. In general, for the safety of the workers in the soldering work to install a ventilator near the worker to suck out the fumes (fume) generated during the soldering work (fume) is discharged out, but this is another cause of air pollution.
무엇보다도 플럭스를 사용하여 납땜할 때 플럭스 자체에 기인한 납땜불량이 발생한다던가 혹은 납땜후 잔류 플럭스를 제거하기 위하여 세척공정이 추가로 필요하게 된다. 납땜후 잔류 플럭스를 제거하기 위한 간단한 세척공정으로서는 수용성 플럭스를 사용하여 납땜후에 물로 용해하여 세척하는 방법이 있다. 그러나, 플럭스 자체는 독성이 강하여 플럭스를 세척한 물을 그대로 방류하게 되면 오염물질 배출기준을 위반하게 된다. 이에 따라 미국 환경보호국(EPA)의 환경기준에 맞추기 위하여 반도체 조립업체에서는 1차로 수지를 사용하여 중금속을 포획하여 제거하고 플럭스 수용액의 독성을 감소시키기 위해 감화제(減化濟)를 투입하여 독성을 줄여 배출시키고 있는 실정이다. 이는 비단 미국만이 아니고 전세계 공통적인 현상으로서 국내의 반도체 업체나 인쇄회로기판 제조업체에도 예외가 아니다. 특히, 반도체의 경우 탈이온수를 사용하지 않으면 안되므로 거기에 따르는 막대한 시설비와 화공약품 사용 등으로 운전비용이 상당히 높아진다.Above all, when soldering with flux, a soldering defect due to the flux itself occurs or an additional cleaning process is required to remove residual flux after soldering. As a simple washing process for removing residual flux after soldering, there is a method of dissolving and washing with water after soldering using water-soluble flux. However, the flux itself is highly toxic, so if the flux-cleaned water is discharged as it is, the pollutant emission standards are violated. Accordingly, in order to meet the environmental standards of the US Environmental Protection Agency (EPA), semiconductor assembly companies primarily use resins to capture and remove heavy metals and inject toxic chemicals to reduce the toxicity of aqueous flux solutions. The situation is reducing. This is a common phenomenon not only in the US, but also worldwide, and is no exception to domestic semiconductor companies and printed circuit board manufacturers. In particular, in the case of semiconductors, deionized water must be used, and the operation cost is considerably high due to the enormous facility cost and the use of chemicals.
이러한 문제를 해결하기 위하여 현재 선진국에서도 오랜기간에 걸쳐 대책을 연구하여 왔으나 직접 플럭스를 사용하지 않는 납땜방법이라기 보다 독성이 적은 땜납을 개발하거나 납땜후에 세척을 하지 않아도 되는 땜납의 개발에 주력하고 있는데 불과할 뿐이다.To solve these problems, developed countries have been studying countermeasures for a long time. However, they are focusing on the development of solders that do not need to be directly fluxed or develop solders that do not require cleaning after soldering. It is only.
본 발명은 이러한 종래의 고질적인 문제를 해결한 새로운 납땜방법에 관한 것으로서, 그 목적은 피접합물에 땜납을 플럭스를 사용하지 않고 납땝하는 방법을 제공함에 있다.The present invention relates to a new soldering method that solves such a conventional problem, and an object thereof is to provide a method for soldering solder to a joined object without using flux.
본 발명의 다른 목적은 볼그리드에레이(ball grid array)와 같은 인쇄회로기판에 플럭스를 사용하지 않고 솔더볼(solder ball)을 접합시키는 납땜방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a soldering method for bonding solder balls to a printed circuit board such as a ball grid array without using flux.
도1은 본 발명의 납땜방법의 원리를 설명하기 위한 엘링감 다이어그램1 is a feeling diagram for explaining the principle of the soldering method of the present invention
도2는 본 발명의 납땜방법을 구현하기 위한 납땜장치의 일부 구성도2 is a partial configuration diagram of a soldering apparatus for implementing the soldering method of the present invention;
상기 목적달성을 위한 본 발명은 진공용기내에 안치된 피접합물의 땜납위치에 땜납을 정치시키는 단계;The present invention for achieving the above object comprises the steps of leaving the solder in the solder position of the bonded object placed in a vacuum container;
상기 진공용기를 10-2torr이하의 진공상태가 되도록 배기하는 단계;Evacuating the vacuum vessel to a vacuum state of 10 −2 torr or less;
상기 진공용기내의 수분과 산소의 농도를 각각 10ppm이하로 유지하는 단계;Maintaining a concentration of water and oxygen in the vacuum vessel at 10 ppm or less, respectively;
상기 땜납의 고상선온도보다 낮은 온도에서 피접합물을 예열하는 단계; 및Preheating the joined object at a temperature lower than the solidus temperature of the solder; And
진공용기를 대기압에 가까운 압력으로 유지하고, 그 상태에서 땜납을 피접합물에 접합되도록 가열하는 단계; 를 포함하여 구성되는 플럭스를 사용하지 않는 납땜방법에 관한 것이다.Maintaining the vacuum vessel at a pressure close to atmospheric pressure, and heating the solder to be bonded to the joined object in that state; It relates to a soldering method that does not use the flux comprising a.
또한, 본 발명은 진공용기내에 안치된 피접합물의 땜납위치에 땜납을 정치시키는 단계;In addition, the present invention comprises the steps of leaving the solder in the solder position of the workpiece to be placed in the vacuum vessel;
상기 진공용기를 10-2torr이하의 진공상태가 되도록 배기하는 단계;Evacuating the vacuum vessel to a vacuum state of 10 −2 torr or less;
상기 진공용기내의 수분과 산소의 농도를 각각 10ppm이하로 유지하는 단계;Maintaining a concentration of water and oxygen in the vacuum vessel at 10 ppm or less, respectively;
상기와 같이 진공이 유지된 진공용기내에 수소 또는 수소와 불활성 가스를 H2/H2O의 비율이 102이상되도록 주입하여 진공내의 압력을 대기압이하에서 10-1torr이상으로 조절하는 단계;Adjusting the pressure in the vacuum to 10 −1 torr or more under atmospheric pressure by injecting hydrogen or hydrogen and an inert gas such that the ratio of H 2 / H 2 O is greater than or equal to 10 2 in a vacuum vessel maintained as above;
상기 땜납의 고상선온도보다 낮은 온도에서 피접합물을 예열하는 단계; 및Preheating the joined object at a temperature lower than the solidus temperature of the solder; And
진공용기를 대기압에 가까운 압력으로 유지한 상태에서 땜납을 피접합물에 접합되도록 가열하는 단계; 를 포함하여 구성되는 플럭스를 사용하지 않는 납땜방법에 관한 것이다.Heating the solder to be joined to the joined object while maintaining the vacuum vessel at a pressure close to atmospheric pressure; It relates to a soldering method that does not use the flux comprising a.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 플럭스 사용 대신 다른 수단에 의해 땜납의 표면 산화층을 파괴하여 접합도중에 땜납 표면이 대기와 접촉되어 산화층이 다시 생성되는 것을 방지하므로써 플럭스를 사용하지 않고도 납땜이 가능하도록 함에 특징이 있다. 본 발명에서는 땜납의 표면 산화층의 파괴를 위해 크게 2가지의 수단, 즉 진공 분위기에서의 가열과 환원성 분위기에서의 가열방법을 제공한다. 바람직하게는 환원성 분위기에서 가열방법을 사용하는 것이다.The present invention is characterized in that soldering can be performed without using flux by breaking the surface oxide layer of the solder by other means instead of using the flux, thereby preventing the solder surface from contacting the atmosphere during the joining process and regenerating the oxide layer. The present invention provides two methods for heating the surface oxide layer of solder, namely, heating in a vacuum atmosphere and heating method in a reducing atmosphere. Preferably, a heating method is used in a reducing atmosphere.
구체적으로 본 발명은 진공용기내에 안치된 피접합물의 땜납위치에 땜납을 정치시킨 다음, 일정한 진공 분위기 또는 환원성 분위기 상태에서 땜납을 예열한 후, 다시 대기압에 가까운 압력으로 유지한 상태에서 땜납을 피접합물에 접합되도록 가열하는, 플럭스를 사용하지 않는 납땜방법에 관한 것이다.Specifically, in the present invention, the solder is left in the solder position of the bonded object placed in the vacuum container, and then the pre-heated solder in a constant vacuum or reducing atmosphere, and then the solder is welded in a state maintained at a pressure close to atmospheric pressure again. The present invention relates to a solderless soldering method which is heated to be bonded to water.
본 발명에 의한 납땜방법은 특정한 종류의 피접합물에만 국한되어 적용되지 않지만, 땜납으로서 솔더볼(solder ball)을 사용하는 볼 그리드 어레이(ball grid array; 이하, 단지 `BGA')와 같은 인쇄회로기판 등의 피접합물에 적용함이 보다 유용하다.The soldering method according to the present invention is not limited to a specific type of bonded object, but is a printed circuit board such as a ball grid array (hereinafter referred to as 'BGA') using solder balls as solder. It is more useful to apply it to the to-be-joined object.
본 발명에 부합되는 땜납은 여러 가지 형태가 있을 수 있다. 특히, 본 발명에서는 BGA와 같은 인쇄회로기판의 납땜을 목적으로 하는 경우 솔더볼(solder ball)의 납땜에 유용하다. 또한, 본 발명에 부합되는 땜납은 Pb-Sn계 땜납 또는 Pb가 함유되지 않은 무연땜납 등과 같이 Sn을 포함한 땜납이면 어떠한 땜납도 가능하다. 단지 명료한 설명을 위해 본 발명에서는 현재 가장 많이 사용되고 있는 Pb-Sn 땜납을 일례로서 들고 있으나, 땜납은 성분은 이에 국한되지 않음은 물론이다.Solders consistent with the present invention may take many forms. In particular, the present invention is useful for soldering solder balls when soldering printed circuit boards such as BGAs. In addition, any solder may be used as long as the solder according to the present invention is a solder containing Sn, such as Pb-Sn-based solder or Pb-free lead-free solder. For the sake of clarity, the present invention contains Pb-Sn solder, which is most commonly used in the present invention, but the solder is of course not limited thereto.
먼저, 본 발명의 납땜방법에 대한 기본적인 원리를 Pb-Sn 땜납의 거동을 통해 설명한다.First, the basic principle of the soldering method of the present invention will be described through the behavior of Pb-Sn solder.
Pb-Sn과 같이 Sn을 함유한 땜납중의 Sn성분은 산소와 반응하여 반응식1과 같이, 산화물을 생성한다.The Sn component in the Sn-containing solder, such as Pb-Sn, reacts with oxygen to produce an oxide, as shown in Scheme 1.
상기 반응은 우측으로 진행되어 Sn이 산화될 때에는 산소 1몰에 대하여 -518KJ 만큼에 해당되는 열이 발생하는데, 이것을 깁스 생성 자유에너지(Gibbs formation free energy)라고 한다. 이때, 반응에 소요되는 산소의 양은 표준상태, 즉 0℃ 1기압에서 약 32g이며, 부피는 22.4ℓ이고, Sn의 양은 약 119g이다. 자유에너지값에 (-)기호가 붙은 경우는 반응후 전체적인 자유에너지가 그 만큼 감소한다는 것을 의미하며 모든 반응은 에너지가 감소하는 방향으로 일어나므로 Sn을 대기중에 방치하면 자발적으로 산화반응이 일어난다. 이때 (-) 값을 갖는 자유에너지의 값이 클수록 산소와의 친화력이 크다는 것을 의미하므로 그 만큼 환원이나 제련이 어려워진다. 이러한 이유로 자연상태에 발견되는 거의 모든 금속이 산화물의 형태로 존재하는 것이다. 결국 금과 같은 귀금속류를 제외한 거의 모든 금속은 대기와 접촉하는 즉시 산화물을 형성하므로 순수한 상태의 금속을 만들거나 보관 사용하는 것이 용이하지 않다. 물론 땜납 자체에도 이미 표면 산화물층이 형성되어 있다.When the reaction proceeds to the right and Sn is oxidized, heat corresponding to -518 KJ is generated for 1 mole of oxygen, which is called Gibbs formation free energy. At this time, the amount of oxygen required for the reaction is about 32 g at a standard state, i.e., 0 at 1 atm, the volume is 22.4 L, and the amount of Sn is about 119 g. A negative sign on the free energy value means that the total free energy decreases after the reaction. All reactions occur in the direction of decreasing energy. If Sn is left in the atmosphere, an oxidation reaction occurs spontaneously. At this time, the greater the value of the free energy having a negative value, the greater the affinity with oxygen, so that the reduction or smelting becomes more difficult. For this reason, almost all metals found in nature are in the form of oxides. After all, almost all metals, except for precious metals such as gold, form oxides upon contact with the atmosphere, making it difficult to make or store pure metals. Of course, the surface oxide layer is already formed in the solder itself.
본 발명에 적용된 땜납중 하나인 Pb-Sn 땜납의 경우 각 산화물의 거동은 도1과 같은 엘링감 다이어그램(Ellingham diagram)을 통해 분명히 알 수 있다. 도1에서도 알 수 있듯이, PbO의 산화환원반응곡선이 SnO2의 그것보다 위에 있으므로 PbO의 생성 자유에너지 값은 SnO2보다 훨씬 작다. 따라서, PbO산화물보다 땜납 표면에 형성되어 있는 극박상태의 SnO2가 문제됨을 짐작할 수 있다.In the case of Pb-Sn solder, which is one of the solders applied to the present invention, the behavior of each oxide can be clearly seen through an Ellingham diagram as shown in FIG. As can be seen in the first, the oxidation-reduction response curve of PbO, so above its SnO 2 generates free energy value of PbO is much smaller than the SnO 2. Therefore, it is possible to imagine that the SnO 2 is a problem of pole baksangtae which is formed on the solder surface oxides than PbO.
이에 반하여 주 산소 공급원으로 작용하는 대기중의 수분은 SnO2보다 불안정한 상태에 있다. 즉, 수소와 산소는 반응식2와 같이 반응하여 H2O로 존재하며, 납땜온도인 183℃(도1의 ①)에서는 SnO2산화환원 평형곡선이 상기 H2O 산화환원 평형곡선보다 아래에 위치하여 SnO2가 H2O보다 안정하다.In contrast, moisture in the atmosphere serving as the main oxygen source is in a more unstable state than SnO 2 . In other words, hydrogen and oxygen react as in Scheme 2 to exist as H 2 O, and the SnO 2 redox equilibrium curve is located below the H 2 O redox equilibrium curve at a soldering temperature of 183 ° C. (1 in FIG. 1). SnO 2 is more stable than H 2 O.
결국 반응식1의 반응이 반응식2의 반응보다 우선하여 산소가 수소보다는 Sn과 먼저 반응함으로써 SnO2를 형성하게 되어 SnO2는 환원되지 못하게 된다.After all, by oxygen than Sn and hydrogen to the first reaction of reaction scheme 1 takes precedence over the reaction of Scheme 2, it is to form the SnO 2 SnO 2 is able not reduced.
본 발명은 이러한 안정된 상태에 있는 땜납 표면의 SnO2를 수분에 비해 불안정한 상태가 되도록 인위적으로 조장하여 플럭스를 사용하지 않고도 납땜이 가능하도록 한다. 즉, 본 발명은 Pb-Sn 땜납의 용융점(①)과 SnO2반응곡선이 만나는 점 P이하의 온도에서 SnO2산화환원 평형곡선이 대기중의 수분, 즉 H2O 산화환원 평형곡선보다 상향되도록 분위기를 적절히 조절한 상태에서 땜납을 예열하여 땜납 표면의 SnO2의 파괴를 조장하고, 파괴된 산화층 사이로 내부의 순수한 땜납 금속이 흘러나오도록 한 상태에서 가열하여 피접합물을 접합하는 것이다.The present invention artificially encourages SnO 2 on the surface of the solder in such a stable state to become unstable relative to moisture to enable soldering without using flux. That is, the present invention is such that the upward than the Pb-Sn melting point of the solder (①) and SnO 2 water in the SnO 2 oxidation-reduction equilibrium curve is air-response curve in the temperature below the point P to see, that is, H 2 O oxidation-reduction equilibrium curve The solder is preheated in an appropriately controlled atmosphere to promote the destruction of SnO 2 on the surface of the solder, and is heated in such a manner that the pure solder metal flows out between the broken oxide layers to join the joined object.
이상의 원리를 실현시키고자 하는 본 발명의 납땜방법은 땜납 표면의 SnO2를 파괴수단에 따라 크게 2가지의 납땜방법, 즉 진공 분위기에서의 가열에 의한 납땜방법과 환원성 분위기에서의 가열에 의한 납땜방법으로 대별되는데, 이하에서는 각각의 납땜방법을 구체적으로 살펴본다.According to the soldering method of the present invention which realizes the above-mentioned principle, two kinds of soldering methods, namely, soldering method by heating in a vacuum atmosphere and soldering method by heating in a reducing atmosphere, are largely performed according to the destruction means of SnO 2 on the solder surface. In general, the following describes each soldering method in detail.
먼저, 진공 분위기에서 플럭스를 사용하지 않고 납땜하는 방법을 상세히 살펴본다.First, the method of soldering in a vacuum atmosphere without using flux is described in detail.
본 발명의 진공 분위기 가열에 의한 납땜방법을 적용하기 위해서는 우선, 진공용기내에 안치된 피접합물의 땜납위치에 땜납을 정치시키고, 상기 진공용기를 진공상태가 되도록 배기한다. 예를들어 BGA와 같은 패키지에 솔더볼을 정치해 놓고 진공배기한다. 이때, 본 발명에서는 진공용기의 압력을 통상의 진공 브레이징법보다 훨씬 고진공인 10-2torr이하의 고진공으로 배기하여야 한다. 바람직하게는 10-2~10-7torr의 범위가 되도록 배기한다.In order to apply the soldering method by vacuum atmosphere heating of the present invention, first, the solder is left at the solder position of the joined object placed in the vacuum vessel, and the vacuum vessel is evacuated to a vacuum state. For example, place solder balls in a package such as BGA and evacuate. At this time, in the present invention, the pressure of the vacuum vessel should be exhausted to a high vacuum of 10 -2 torr or less, which is much higher than that of a conventional vacuum brazing method. Preferably, the exhaust gas is in a range of 10 −2 to 10 −7 torr.
그 다음, 상기 진공용기내의 수분과 산소의 농도를 각각 10ppm이하로 유지한다. 진공용기내의 수분과 산소는 땜납의 산화층을 조장하므로 가급적 낮은 농도로 관리함이 바람직하다. 진공용기내의 수분과 산소의 농도를 각각 10ppm이하로 유지하는 수단으로는 상기 진공용기에 고순도 질소가스를 2-3회 걸쳐 퍼징(purging)함으로써 가능하다.Then, the concentration of water and oxygen in the vacuum vessel is maintained at 10 ppm or less, respectively. Moisture and oxygen in the vacuum vessel encourage the oxide layer of the solder, so it is desirable to manage the concentration as low as possible. As means for maintaining the concentration of water and oxygen in the vacuum vessel to 10 ppm or less, respectively, it is possible by purging high purity nitrogen gas in the vacuum vessel for 2-3 times.
이같은 진공상태로 배기하면 상기 SnO2의 증기압이 내려가게 되어 증기압의 감소분만큼을 채우기 위하여 땜납 표면에 있는 SnO2가 증발하려는 경향을 갖게 되어 SnO2중의 산소의 운동이 활발해지게 된다. 즉, 모든 물질은 액체 뿐만 아니라 고체라 하더라도 각각 고유의 증기압을 가지고 있으며, 증기상태에서 액체 또는 고체상태로 변화하는 원자 또는 분자수와 액체 또는 고체로부터 증발하여 기체상태로 변화하는 원자 또는 분자수가 일치하여 언제나 평형상태를 유지한다. 그러므로 위에서 진공상태로 배기하면 SnO2의 증기가 감소하게 되어 이 평형이 깨지게 되며 고체상태인 SnO2가 증발하여 평형상태로 되려는 경향을 갖게된다.When evacuated under such a vacuum state, the vapor pressure of SnO 2 is lowered, so that SnO 2 on the surface of the solder tends to evaporate to fill as much as the decrease in vapor pressure, and the movement of oxygen in SnO 2 becomes active. That is, all materials have inherent vapor pressures, not only liquids, but also solids, and the number of atoms or molecules that change from vapor to liquid or solid state matches the number of atoms or molecules that change from gas or liquid to gaseous state. Always be in equilibrium. Therefore, when evacuated from above in a vacuum state, the vapor of SnO 2 is reduced and this equilibrium is broken, and SnO 2, which is a solid state, tends to evaporate to equilibrium.
이같은 상태에서 상기 땜납의 고상선온도보다 낮은 온도에서 피접합물을 예열하면 땜납이 팽창하게 되고 상술한 증기압 이론에 의해 활발한 산소운동으로 땜납의 표면 산화층이 파괴된다. 이때, 예열은 땝납의 용융온도보다 약간 낮은 온도범위에서 행함이 바람직하다. 예를들어 상기 땜납이 Pb-Sn계 땜납이면 약 160-170℃의 범위에서 행함이 적당하다.In this state, preheating the joined object at a temperature lower than the solidus temperature of the solder causes the solder to expand and destroys the surface oxide layer of the solder by active oxygen movement by the above-described vapor pressure theory. At this time, the preheating is preferably performed at a temperature range slightly lower than the melting temperature of the solder. For example, if the solder is Pb-Sn-based solder, it is appropriate to perform in the range of about 160-170 ° C.
이후, 진공용기를 대기압에 가까운 압력으로 유지하고, 그 상태에서 땜납을 피접합물에 접합되도록 가열하면 갈라진 산화층 사이로 내부의 순수한 땜납이 흘러나와 플럭스를 사용하지 않고도 땜납의 아랫부분에 있는 피접합물과 부착하게 된다. 이때, 접합가열전에 질소가스를 대기압에 가까운 압력이 되도록 진공용기내에 질소가스를 취입하는 것은 땜납의 증발을 막기 위해서 필요하다. 상기 땜납이 Pb-Sn계 땜납일 때 접합가열은 183-232℃의 온도에서 행함이 바람직하다. 통상, 접합 가열은 약 30초~1분 정도 하게 되면 피접합물과 땜납의 접합이 완전히 이루어지며, 이러한 접합이 완료되면 접합이 이루어진 것을 확인하고, 바로 진공용기내의 가스를 배출시키면서 다시 질소가스를 채워 피접합물을 급냉시킨다.Thereafter, the vacuum vessel is maintained at a pressure close to atmospheric pressure, and in that state, the solder is heated to be bonded to the joined object, whereby pure solder flows out between the cracked oxide layers, and there is no solder at the bottom of the solder without using flux. Will be attached. At this time, injecting nitrogen gas into the vacuum vessel so that the nitrogen gas is close to atmospheric pressure before joining heating is necessary to prevent evaporation of the solder. When the solder is Pb-Sn-based solder, the joining heating is preferably performed at a temperature of 183-232 占 폚. In general, the junction heating takes about 30 seconds to 1 minute, and then the bonding of the joined object and the solder is completely completed. When the bonding is completed, the bonding is completed and the nitrogen gas is immediately discharged while discharging the gas in the vacuum vessel. To quench the workpiece.
이하, 환원성 분위기에서 플럭스를 사용하지 않고 납땜하는 방법을 상세히 살펴본다.Hereinafter, a method of soldering without using flux in a reducing atmosphere will be described in detail.
우선, 환원성 분위기에서의 납땜방법은 전술한 진공 분위기에서의 납땜방법과 마찬가지로 진공용기내에 안치된 피접합물의 땜납위치에 땜납을 정치시키고, 상기 진공용기를 10-2torr이하의 진공상태가 되도록 배기한 다음, 상기 진공용기내의 수분과 산소의 농도를 각각 10ppm이하로 유지한다. 이때 제조건은 진공 분위기에서와 같다.First, the soldering method in a reducing atmosphere is similar to the soldering method in the above-described vacuum atmosphere, and the solder is left at the solder position of the bonded object placed in the vacuum container, and the vacuum container is evacuated to a vacuum state of 10 -2 torr or less. Then, the concentration of water and oxygen in the vacuum vessel is maintained below 10ppm, respectively. In this case, the condition is the same as in the vacuum atmosphere.
그 다음, 환원성 분위기에서의 납땜방법은 진공 분위기에서의 납땜방법과는 달리, 진공이 유지된 진공용기내에 수소 또는 수소와 질소를 주입하여 하여 진공내의 압력을 대기압이하에서 10-1torr이상으로 조절한다. 즉, 본 발명의 납땜방법중 환원성 분위기에서의 납땜방법은 수소분율을 적절히 조정함으로써 땜납의 표면 SnO2를 파괴하는 한편 산소의 활성도를 높여 SnO2의 일부 환원반응을 조장한다. 이러한 분위기를 만들기 위해서는, 도1의 엘링감 다이어그램에서와 같이, 진공용기내에서 H2/H2O의 비율을 제어함으로써 가능하다.Then, the soldering method in a reducing atmosphere is different from the soldering method in a vacuum atmosphere, and by injecting hydrogen or hydrogen and nitrogen into a vacuum vessel maintained in a vacuum, the pressure in the vacuum is adjusted to 10 -1 torr or more under atmospheric pressure. do. That is, in the brazing method of the present invention, the brazing method in a reducing atmosphere appropriately modulates the hydrogen fraction to destroy the surface SnO 2 of the solder while increasing the activity of oxygen to promote partial reduction of SnO 2 . In order to create such an atmosphere, it is possible to control the ratio of H 2 / H 2 O in the vacuum vessel, as shown in the elling feeling diagram of FIG.
즉, 도1에서 알 수 있듯이, 땜납의 산화물은 땜납의 용융점①과 SnO2의 산화환원평형곡선과 만나는 점P와 맨 좌측에 있는 절대온도 0도선상에 표시된 점 H를 연결한 점선②처럼 H2O의 산화환원반응곡선을 이동시키면 땜납 표면의 SnO2의 환원이 가능하다. 점선②와 같은 상태가 되기 위해서 세로축에 표시된 H2/H2O의 비율은 적어도 102이상이 되어야 함을 알 수 있다. 도1에서 보는 바와 같이, H2/H2O의 값이 102이상인 조건에서 반응식1의 반응과 반응식2의 반응이 평형을 이루게 된다. 바람직하게는 H2/H2O의 비율을 102~103의 범위를 하는 것이다. 예를들어 점선③에 해당되는 H2/H2O=104의 조건의 경우에는 반응식2의 반응이 반응식1의 반응보다 우선하여 산소에 대한 수소의 친화력이 커져 이번에는 산소가 Sn보다는 수소와 반응하게 된다. 진공상태에서 산소를 거의 제거한 상태에서는 수소가 SnO2에 있는 산소를 빼앗아 SnO2를 환원시키게 된다. 이러한 환원조건은 질소와 같은 불활성 가스와 환원성 분위기를 유지하게 될 수소중의 수분의 함유율이 각각 10ppm이하인 고순도 가스를 사용하고, 분위기중의 수소의 비율을 10% 정도로만 하여도 H2/H2O = 10%/0.0001% = 105이 되어 용이하게 달성할 수 있다.That is, as shown in FIG. 1, the oxide of the solder is H like the dotted line ② connecting the point P where the melting point ① of the solder meets the redox equilibrium curve of SnO 2 and the point H indicated on the left-most zero-temperature line. By shifting the redox reaction curve of 2 O, it is possible to reduce SnO 2 on the surface of the solder. It can be seen that the ratio of H 2 / H 2 O indicated on the vertical axis should be at least 10 2 in order to be in the same state as the dotted line ②. As shown in Figure 1, the reaction of Scheme 1 and the reaction of Scheme 2 is in equilibrium under the condition that the value of H 2 / H 2 O is 10 2 or more. Preferably the ratio of H 2 / H 2 O is in the range of 10 2 to 10 3 . For example, in the case of H 2 / H 2 O = 10 4 , which corresponds to the dotted line ③, the reaction of Scheme 2 takes precedence over the reaction of Scheme 1, and thus the affinity of hydrogen to oxygen increases, and this time oxygen is more likely to react with hydrogen than Sn. Will react. In the state substantially removing the oxygen from the vacuum state to thereby hydrogen is taken away the oxygen in the reduction of SnO 2 SnO 2. This reduction condition uses an inert gas such as nitrogen and a high purity gas having a water content of 10 ppm or less in each of hydrogens to maintain a reducing atmosphere, and even if the ratio of hydrogen in the atmosphere is about 10%, H 2 / H 2 O = 10% / 0.0001% = 10 5 , which can be easily achieved.
이와 같이 본 발명의 환원성 분위기에서의 납땜방법은 수소/수분(H2/H2O)의 비율을 102이상으로 조정하여 진공내의 압력을 대기압이하에서 10-1torr이상으로 조절하고, 땜납을 예열하므로써 수소가 땜납 표면의 산화층을 일부 환원시키고 나서 상기 진공 분위기에서와 같이 땜납을 접합하는 것이다. 이때, 땜납의 표면 SnO2전체를 모두 환원시킬 필요는 없다. 만일, 산화물 전부를 환원시키게 되면 접합된 제품에 경시변화에 따라 표면이 산화되어 기능이 약화되는 현상이 일어나 오히려 좋지 않다. 바람직하게는 약 5~10% 정도의 산화물만 환원시키면 땜납온도보다 약간 낮은 온도에서 수분간 일정온도로 유지함으로써 산화층을 파괴하는데 충분하며, 그 후에 다시 액상선 온도로 가열하면 파괴된 산화층 사이로 내부의 순수한 땜납이 흘러나와 접합이 이루어진다. 이때, 접합가열은 진공 분위기에서와 같이 땜납이 Pb-Sn계 땜납이면 약 183-232℃의 온도에서 행하면 된다.As described above, the soldering method in the reducing atmosphere of the present invention adjusts the ratio of hydrogen / water (H 2 / H 2 O) to 10 2 or more to adjust the pressure in the vacuum to 10 -1 torr or more under atmospheric pressure, By preheating, hydrogen partially reduces the oxide layer on the surface of the solder and joins the solder as in the vacuum atmosphere. At this time, it is not necessary to reduce all the surface SnO 2 of the solder. If all of the oxides are reduced, the surface is oxidized due to the time-dependent change in the bonded product, which results in a phenomenon that the function is weakened. Preferably, only about 5 to 10% of the oxide is reduced enough to destroy the oxide layer by maintaining the temperature at a temperature slightly lower than the solder temperature for several minutes, and then heating to the liquidus temperature again. Pure solder flows out and joins. At this time, the junction heating may be performed at a temperature of about 183-232 ° C. if the solder is Pb-Sn-based solder as in a vacuum atmosphere.
이때, 본 발명의 납땜방법은 상기와 같이 진공용기내에 수소 또는 수소와 불활성 가스를 먼저 취입한 다음, 땜납을 예열할 수도 있고, 땜납의 고상선온도보다 낮은 온도로 피접합물과 땜납을 예열하면서 진공용기내에 수소 또는 수소와 불활성 가스를 취입할 수도 있다. 이러한 방법은 보다 공업적인 가치가 있을 것이다.At this time, the soldering method of the present invention may first blow hydrogen or hydrogen and an inert gas into the vacuum vessel as described above, and then preheat the solder, while preheating the workpiece and the solder to a temperature lower than the solidus temperature of the solder. Hydrogen or hydrogen and an inert gas may be blown into the vacuum vessel. This method would be of more industrial value.
한편, 상기와 같은 접합가열후에는 바로 진공용기내의 가스를 배출시키면서 다시 질소가스를 채워 피접합물을 급냉시키는 단계를 추가로 행하는 것은 전술한 진공 분위기에서와 같다.On the other hand, immediately after the junction heating as described above to perform the step of quenching the joined object by filling the nitrogen gas again while discharging the gas in the vacuum vessel immediately as in the above-described vacuum atmosphere.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples.
[실시예]EXAMPLE
도1과 같은 진공용기(10)내의 메인지그(14)에 BGA(1)을 정치시키고, 상기 BGA상에 흑연지그(12)를 올려 놓은 다음, 상기 흑연지그의 홀을 통해 솔더볼(2)을 상기 BGA의 패드에 정치시켰다. 이때, 솔더볼은 Pb-63%Sn인 땜납을 사용하였다.Place the BGA 1 on the main jig 14 in the vacuum vessel 10 as shown in FIG. 1, place the graphite jig 12 on the BGA, and then solder ball 2 through the hole of the graphite jig. The pad of the BGA was allowed to stand. At this time, the solder ball used Pb-63% Sn.
그 다음, 상기 진공용기의 하부에 마련된 펌프(미도시됨)에 의해 진공용기의 내부를 10-3torr의 진공상태가 되도록 배기하고, 배기된 진공용기내에 취입구를 통해 질소가스를 3회에 걸쳐 퍼징하여 수분과 산소의 농도를 각각 5ppm으로 유지하였다.Then, the inside of the vacuum vessel is evacuated to a vacuum state of 10 -3 torr by a pump (not shown) provided at the lower portion of the vacuum vessel, and nitrogen gas is discharged three times through an inlet in the evacuated vacuum vessel. Purging over kept the concentrations of water and oxygen at 5 ppm each.
그 다음, 상기 흑연지그에 연결된 발열원(18)에 의해 솔더볼을 땜납의 고상선온도보다 낮은 온도인 170℃로 예열하고, 벤트밸브(17)를 열어 진공용기를 대기압에 가까운 압력으로 유지하였다.Then, the solder ball was preheated to 170 ° C., which is lower than the solidus temperature of the solder by the heat generating source 18 connected to the graphite jig, and the vent valve 17 was opened to maintain the vacuum vessel at a pressure close to atmospheric pressure.
그 다음, 상기 흑연지그의 온도를 약 190℃로 가열하여 BGA의 패드에 안치된 솔더볼을 용융시켜 솔더볼을 BGA에 접합하였다.Then, the temperature of the graphite jig was heated to about 190 ° C to melt the solder ball placed on the pad of the BGA to bond the solder ball to the BGA.
이같이 납땜된 BGA의 솔더볼 부착력을 통상의 플럭스를 사용하여 납땜된 BGA의 부착력과 비교한 결과 거의 동등한 부착력을 갖고 있었다.The solder ball adhesion of the soldered BGA was compared with that of the BGA soldered using a conventional flux, and found to have almost equivalent adhesion.
상술한 바와 같이, 본 발명은 진공용기내의 분위기를 진공, 바람직하게는 환원성 분위기로 조절한 상태에서 피접합물과 땜납을 예열, 접합가열하므로써 플럭스를 사용하지 않고 납땝이 가능하며, 이러한 납땜방법은 인쇄회로기판의 납땜, 특히 솔더볼에 의한 납땜이 필요한 BGA의 접합 등에 매우 유용한 효과가 있다.As described above, the present invention enables soldering without using flux by preheating and joining heating the joined object and solder in a state in which the atmosphere in the vacuum container is controlled to a vacuum, preferably a reducing atmosphere. It is very useful for soldering printed circuit boards, especially for bonding BGAs which require soldering with solder balls.
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1998
- 1998-10-13 KR KR1019980042854A patent/KR100285783B1/en not_active Expired - Fee Related
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