KR100299186B1 - 레이저솔더링에서의접합부의온도변화를이용한접합부접합상태판독방법및장치 - Google Patents

Abstract

레이저 솔더링에서의 접합부 접합 상태를 판독하기 위한 방법 및 장치가 개시되었다. 상기 방법은 레이저빔 이송 경로의 연장선상에서 상기 접합부로부터 발생하는 적외선을 검출하는 단계; 상기 적외선 검출 단계에서 얻은 온도 데이터를 디지틀 데이터로 변환하는 단계; 및 상기 디지틀 데이터를 설정된 기준 데이터와 비교하여 상기 접합부에서의 이상 유무를 판단하는 단계를 갖는다. 상기 장치는 레이저빔 이송 경로의 연장선상에 설치되어 상기 접합부로부터 발생하는 적외선을 검출하는 적외선 검출기; 상기 검출한 아날로그 데이터를 디지틀 신호로 변환하기 위한 A/D 컨버터; 및 상기 A/D 컨버터에서 변환된 신호와 기준 데이터를 비교하여 그 이상 유무를 판단하는 마이크로 프로세서를 갖는다. 상기 방법 및 장치는 접합부에서 나오는 신호를 계속적으로 측정하여 불량이 일어난 위치를 알아내고 그 부분만 선택적으로 재접합할 수 있으며, 솔더링 공정 중에 접합 상태를 판단할 수 있기 때문에 별도의 검사 공정을 생략할 수 있다.

Description

레이저 솔더링에서의 접합부의 온도 변화를 이용한 접합부 접합 상태 판독 방법 및 장치{JOINING PORTION MONITORING METHOD AND APPARATUS INA LASER SOLDERING}

본 발명은 레이저를 사용한 솔더링 공정에서 가공 부위에서 방출되는 적외선을 통하여 접합부 온도 변화를 측정하고 이를 토대로 접합부 상태를 판독하는 방법과 장치에 관한 것이다.

현재 보편화되어 있는 표면 실장형 부품의 솔더링 기술로는 열전도나 적외선을 이용하는 리플로우 솔더링(reflow soldering)이 있다. 이런 방법은 전자회로 기판 전체를 일정온도로 가열하여 표면 실장형 부품의 리드와 기판 위의 금속 패턴을 일괄적으로 접합하는 방식으로 미세 피치를 가지며 리드의 밀도가 높은 부품을 접합할 때 리드 사이에 브리지가 일어나는 결함을 가져올 수 있고 기판과 부품의 서로 다른 열팽창계수 때문에 접합부에 스트레스가 쌓이게 되며 전자회로 기판을 양면으로 사용할 수 없는 단점이 있다. 또, 이러한 일괄적인 솔더링에서는 전자회로 기판 위에 있는 어느 부품에서, 많은 리드를 갖는 한 부품의 몇 번째 리드에서 접합 불량이 일어났는지 판독하는 것은 공정 과정중에 불가능하고 솔더링 공정 후에 별도의 검사 공정을 취해야 한다. 파괴 시험으로는 단면을 절단 연마하여 접합 상태를 보기도 하지만 모든 접합부를 검사할 수 없고 시험적으로만 가능한 일이다. 간단한 검사로는 전기 검사가 있는데 접합이 부분적으로 이루어지거나 접합부에 기공이 형성되었을 때는 정상적인 상태와 구분하기가 곤란하다.

따라서, 본 발명의 목적은 레이저를 사용한 솔더링 공정과정 중에 나오는 적외선을 통하여 접합부 온도 변화를 측정하는 시스템과 온도 변화 데이터를 토대로 접합부 상태를 판독하는 기술을 제공하는 것이다.

모든 물체는 절대 온도 0 K 이상에서 온도에 따른 복사열을 적외선 영역에서 내므로 표면실장형 부품의 리드 하나하나를 접합해 나갈 때 나오는 복사열을 측정하여 온도 변화를 알고 그때의 접합 상태를 조사하면 건전한 접합 상태의 온도 변화 곡선과 재접합이 필요한 경우의 온도변화 곡선을 구별할 수 있고 이를 바탕으로 전 공정에서 접합부의 상태를 판독할 수 있다.

적외선 검출기는 작업대 주변에 설치하면 설치상의 간편함은 있으나 접합부가 이동될 때 접합부에서 나오는 복사열이 위치에 따라 다르게 검츨되므로 정량적인 자료로는 쓸 수가 없다. 본 발명에서는 레이저빔이 들어오는 경로의 연장선에 검출기를 설치하고 적외선이 지나는 경로에 있는 렌즈와 거울을 알맞은 것으로 선택하여 공정 중에 접합부의 위치와 관계없이 복사열이 같은 비율로 검출기에 들어오게 함으로써 솔더링 후의 검사 없이도 공정 중에 접합 상태를 판독할 수 있도록 하였다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 레이저 솔더링에서의 접합부 접합 상태를 판독하기 위한 방법에 있어서,

상기 접합부로 향하는 레이저빔 이송 경로의 연장선상 소정 위치에서, 상기 접합부로부터 발생하여 상기 레이저빔의 이송 경로를 거슬러 전달되는 적외선을 검출하는 단계; 상기 적외선 검출 단계에서 얻은 시간 및 온도 데이터를 시간 및 온도를 각 축으로 하여 2차원 데이터를 구하는 단계; 및 상기 2차원 데이터를 기준 데이터와 비교하여 상기 접합부에서의 접합 상태를 판독하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 상태 판독 방법을 제공한다.

상기 기준 데이터는 솔더링이 적절히 이루어졌을 때의 초기 승온율, 접합부 웨팅 시작 시간, 최고 온도를 포함하며, 상기 판독 단계에서 상기 구해진 2차원 데이터 및 상기 기준 데이터를 비교하여 그 차이점을 통해 상기 접합부에서의 이상 유무를 판단한다.

또한, 상기 방법을 실현하기 위해, 레이저 솔더링에서의 접합부 접합 상태를 판독하기 위한 장치에 있어서,

상기 접합부로 향하는 레이저빔 이송 경로의 연장선상에 편향 미러를 중심으로 상기 레이저빔의 진행 방향과 대향하는 위치에 설치되어 상기 접합부로부터 발생하는 적외선을 검출하는 적외선 검출기; 상기 적외선 검출기에서 검출한 아날로그 온도 데이터를 디지틀 신호로 변환하기 위한 A/D 컨버터; 및 상기 A/D 컨버터에서 변환된 신호와 솔더링이 적절히 이루어졌을 때의 초기 승온율, 접합부 웨팅 시작 시간, 최고 온도를 포함하는 기준 데이터를 비교하여 상기 접합부에서의 접합 상태를 판독, 그 이상 유무를 판단하는 마이크로 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 상태 판독 장치를 제공한다.

상기 접합 상태 판독 장치는 상기 접합부로부터 발생하는 복사열을 최대한 상기 적외선 검출기로 집속시킬 수 있는 재료로 제작되어 상기 레이저빔 이송경로 상에 배치된 집속 렌즈, 다이내믹 포커싱 렌즈, 및 역산란에 의해 상기 적외선 검출기로 이송될 수도 있는 레이저빔을 차단하기 위해 상기 이송 경로 연장선상에 배치된 특수 코팅 처리된 거울과 렌즈, 및 실리콘 필터를 추가로 포함한다.

레이저를 사용한 솔더링 공정은 리드를 개별로 접합할 수 있으므로 공정과정 중에 접합부에서 나오는 신호를 계속적으로 측정하여 불량이 일어난 위치를 알아내고 그 부분만 선택적으로 재접합할 수 있어 솔더링의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 적외선 검출부를 포함한 레이저 솔더링 시스템의 개략도이다.

도 2는 적외선 검출기를 레이저 빔 경로의 연장선상에 설치할 때 레이저빔을 배제하고 필요한 신호만 선택하기 위한 시스템의 구성도이다.

도 3(a)은 리드가 패드 상에 바르게 실장된 상태의 접합부 단면이고, 3(b)은 건전한 접합이 이루어질 때의 접합부 온도 변화를 나타내는 적외선 신호이다.

도 4(a)는 부품이 잘못 실장된 경우와 접합상태가 불건전한 접합부 단면이고, (b)는 접합이 제대로 이루어지지 않았을 때 온도 변화를 나타내는 적외선 신호의 일례이다.

도 5(a)는 순차적으로 리드를 접합하는 경우를 보여주고 있고, 5(b)는 그 경우 측정한 데이터로 도 3 및 4에서 예시한 기준으로 접합부 상태를 판독하여 불량인 부분을 찾아내는 방법을 설명한다.

도 6은 접합부 접합 상태를 판독하는 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 레이저 5 : 편향 미러

6 : 다이내믹 포커스 렌즈 7 : xy 스캐너

10 : 작업대 11 : 적외선 검출기

12 : A/D 컨버터

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 리드를 순차적으로 접합할 때 레이저빔이 닿는 점이 이동하므로 접합부(20)의 복사열을 제대로 측정하기 위해서 레이저빔이 작업대(10)로 입사되는 경로에 있는 거울(5) 뒤에 적외선 검출기(11)를 설치하였다. 즉, 레이저빔의 위치변화에 따라 연속적인 측정을 하기 위해서 레이저 빔 경로의 연장선에 적외선 검출기(11)를 설치하였다. 적외선 검출기(11)에 의해 검출된 적외선은 A/D 컨버터에 의해 디지틀 신호로 변환된다. 한편, Nd:YAG 레이저(1) 전방에는 레이저빔의 on/off 제어를 위한 AO 모듈레이터(2)가 설치된다. 더 나아가서 상기 레이저빔은 편향 미러(3)에 의해 편향되며 빔블럭(4)을 통과해 편향 미러(5)에 의해 다이내믹 포커스 렌즈(6) 및 xy 스캐너(7)에 의해 작업대(10)로 안내된다. xy 스캐너(7)는 3축 스캐너 컨트롤러(8)에 의해 제어되고, 미설명 부호 9는 AO 드라이버를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 작업대(10)에서 나오는 복사열은 Nd:YAG 레이저빔이 지나는 경로의 반대방향으로 xy 스캐너(7) 안에 있는 거울에 반사되어 집속렌즈(21)를 지나고 다이내믹 포커스 렌즈(6)를 지나서 90도 편향 거울(5)까지 이른다. 이것은 다시 적외선 검출기(11) 내의 실리콘 필터(24)와 집속렌즈(25)를 지난다. 이때 집속렌즈(21)와 다이내믹 포커스 렌즈(6)는 접합부(20)가 내는 파장대의 복사열을 가능한 많이 투과시킬 수 있는 물질로 된 렌즈, 예를 들면 MgF₂를 사용하고 편향거울(5)과 적외선 검출기(11) 내의 집속렌즈(25)는 역산란(back scattering)으로 나올 수 있는 1,06㎛의 Nd:YAG 빔을 차단하고 다른 파장대의 복사열은 투과시키도록 특수코팅 처리하여 사용한다.

적외선 검출기에서 측정한 신호로 접합부의 상태를 판독하는 방법의 일례는 다음과 같다.

솔더링은 모재 사이에 있는 솔더(30)가 용융되는 상변형이 일어나고 모재인 리드(32)와 기판(34) 위의 금속 패턴을 적시면서 이루어진다.

따라서, 도 3(a)과 같이 기판(34) 위에 부품이 정상적으로 실장되었을 때 솔더링이 건전하게 이루어지면 도 3(b)과 같이 온도 변화를 크게 네 부분으로 나눌 수 있는 현상이 나타난다. a는 솔더가 용융되기 전 가열될 때의 영역으로 공정 조건을 설정하면 일정한 승온율을 갖게 된다. b는 솔더(30)가 용융될 때 나타나는 영역으로 승온율이 거의 0이거나 아주 낮게 나타난다. c 영역에서는 b 영역부터 웨팅이 일어나므로 접합부의 접촉 영역이 증가하여 a 영역보다 천천히 온도가 상승한다. d는 레이저빔이 차단되었을 때 온도가 감소하는 부분으로 공정 조건에 따라 일정한 기울기를 갖는다.

접합부의 단면을 관찰하면서 건전한 상태의 데이터를 위의 각각의 영역에서 정량화할 수 있고 이를 건전한 접합이 일어나는 공정조건으로 설정함으로써 기준 데이터를 구축할 수 있다(단계 S1; 도 6에 도시).

도 4(a)와 같이 리드(32)가 솔더(30)와 접촉되어 있지 않은 경우에는 열전달이 충분히 이루어지지 않아서 솔더(30)가 용융되지 않을 수도, 미량만 용융될 수도 있다. 또 리드(32)가 패턴 위에 정확히 실장되지 않고 패턴과 어긋나게 실장되면 솔더(30)가 급가열되면서 용융되게 된다. 이런 경우에는 도 4(b)와 같이 상변형 없이 레이저빔을 차단할 때까지 일정한 기울기로 온도만 상승하다가 떨어지거나 a 영역의 승온율이 정상적인 경우보다 급격하게 증가하고 최고 온도가 정상상태보다 높거나 부분적으로 용융된 것과 같이 봉우리 부분이 완만하게 된다.

위와 같은 방법으로 접합부의 상태를 판독할 수 있고 공정조건에서 초기 승온율, 웨팅이 시작되는 시간, 온도, 최고 온도를 결정하여 검사 기준으로 사용할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 접합부 접합 상태 판독 방법은 접합부(20)로 향하는 레이저빔 이송 경로의 연장선상 소정 위치에서, 상기 접합부(20)로부터 발생하여 상기 레이저빔의 이송 경로를 거슬러 전달되는 적외선을 검출하는 단계 S2; 상기 적외선 검출 단계 S2에서 얻은 시간 및 온도 데이터를 변환하여 시간 및 온도를 각 차원으로 하는 디지틀 데이터를 구하는 단계 S3; 및

상기 디지틀 데이터를 설정된 기준 데이터와 비교하여 상기 접합부에서의 접합 상태를 판독하며(S4), 그 차이점을 통해 상기 접합부에서의 이상 유무를 판단하는 단계 S5를 수행하게 된다.

도 5(a) 및 5(b)는 순차적으로 리드를 접합할 때 측정한 데이터로 도 3 및 4에서 예시한 기준으로 접합부 상태를 판독하여 불량인 부분을 찾아내는 방법을 설명하는 도면이다. 본 예에서는 g 및 i에서 솔더링이 불완전함을 알 수 있다.

설명한 바와 같이, 레이저를 사용한 솔더링 공정은 리드를 개별로 접합할 수 있으므로 공정과정 중에 접합부에서 나오는 신호를 계속적으로 측정하여 불량이 일어난 위치를 알아내고 그 부분만 선택적으로 재접합할 수 있어 솔더링의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 솔더링 공정 중에 접합 상태를 판단할 수 있기 때문에 별도의 검사 공정을 생략할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 레이저 솔더링에서의 접합부 접합 상태를 판독하기 위한 방법에 있어서,

   (i) 상기 접합부로 향하는 레이저빔 이송 경로의 연장선상 소정 위치에서, 상기 접합부로부터 발생하여 상기 레이저빔의 이송 경로를 거슬러 전달되는 적외선을 검출하는 단계;

   (ii) 상기 적외선 검출 단계에서 얻은 시간 및 온도 데이터를 변환하여 시간 및 온도를 각 차원으로 하는 디지틀 데이터를 구하는 단계; 및

   (iii) 상기 디지틀 데이터를 상기 단계(i) 및 (ii)를 다수회 반복 수행하여 솔더링이 적절히 이루어졌을 때의 초기 승온율, 접합부 웨팅 시작 시간, 최고 온도 및 전체적인 패턴을 추정하여 설정된 기준 데이터와 비교하여 상기 접합부에서의 접합 상태를 판독하며, 그 차이점을 통해 상기 접합부에서의 이상 유무를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 상태 판독 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 적외선 검출 단계에 있어서, 역산란에 의해 상기 적외선 검출 위치로 이송될 수도 있는 레이저빔을 차단하기 위해 상기 이송 경로 연장 선상에는 특수 코팅 처리된 거울과 렌즈, 및 실리콘 필터가 배치되는 것을 특징으로 하는 접합 상태 판독 방법.
3. 레이저 솔더링에서의 접합부 접합 상태를 판독하기 위한 장치에 있어서, 상기 접합부로 향하는 레이저빔 이송 경로의 연장선상에 편향 미러를 중심으로 상기 레이저빔의 진행 방향과 대향하는 위치에 설치되어 상기 접합부로부터 발생하는 적외선을 검출하는 적외선 검출기; 상기 적외선 검출기에서 검출한 아날로그 온도 데이터를 디지틀 신호로 변환하기 위한 A/D 컨버터; 및 상기 A/D 컨버터에서 변환된 신호와 솔더링이 적절히 이루어졌을 때의 초기 승온율, 접합부 웨팅 시작 시간, 최고 온도를 포함하는 기준 데이터를 비교하여 상기 접합부에서의 접합 상태를 판독, 그 이상 유무를 판단하는 마이크로 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 상태 판독 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 접합 상태 판독 장치는 상기 접합부로부터 발생하는 복사열을 최대한 상기 적외선 검출기로 집속시킬 수 있는 재료로 제작되어 상기 레이저빔 이송경로 상에 배치된 집속 렌즈, 다이내믹 포커싱 렌즈, 및 역산란에 의해 상기 적외선 검출기로 이송될 수도 있는 레이저빔을 차단하기 위해 상기 이송 경로 연장선상에 배치된 특수 코팅 처리된 거울과 렌즈, 및 실리콘 필터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 상태 판독 장치.