본 연구에서는 솔더 페이스트를 이용한 프린팅 공정의 해석에 대해 연구를 수행하였다. 스텐실 프린팅 공정의 설계에서 중요한 인자는 프린팅 조건, 스텐실 설계, 그리고 솔더 페이스트의 물성 등이다. 본 연구에서는 이 인자들 중에서, 솔더 페이스트의 점도와 표면장력, 그리고 솔더 페이스트와 스텐실 사이의 접촉각이 프린팅 공정의 성능에 미치는 영향을 해석을 통해 파악하였다. 실제 해석에 앞서 압력에 의해서 솔더 페이스트가 스텐실에 채워지는 단순화된 형상과 조건으로 해석을 수행하였다. 해석은 마이크로 유동의 해석에 많이 이용이 되고 있는 상용 소프트웨어인 콤솔(COMSOL)을 이용하였고 축대칭으로 해석하였다. 해석 결과, 솔더 페이스트의 점도는 충진률에 큰 영향을 줌을 알 수 있었고 표면장력과 접촉각은 충진되는 형상에 영향을 줌을 알 수 있었다.
본 연구에서는 솔더 페이스트를 이용한 프린팅 공정의 해석에 대해 연구를 수행하였다. 스텐실 프린팅 공정의 설계에서 중요한 인자는 프린팅 조건, 스텐실 설계, 그리고 솔더 페이스트의 물성 등이다. 본 연구에서는 이 인자들 중에서, 솔더 페이스트의 점도와 표면장력, 그리고 솔더 페이스트와 스텐실 사이의 접촉각이 프린팅 공정의 성능에 미치는 영향을 해석을 통해 파악하였다. 실제 해석에 앞서 압력에 의해서 솔더 페이스트가 스텐실에 채워지는 단순화된 형상과 조건으로 해석을 수행하였다. 해석은 마이크로 유동의 해석에 많이 이용이 되고 있는 상용 소프트웨어인 콤솔(COMSOL)을 이용하였고 축대칭으로 해석하였다. 해석 결과, 솔더 페이스트의 점도는 충진률에 큰 영향을 줌을 알 수 있었고 표면장력과 접촉각은 충진되는 형상에 영향을 줌을 알 수 있었다.
In this study, analyses on the stencil printing using solder paste were carried out. The key design parameters in the stencil printing process are printing conditions, stencil design, and solder paste properties. Among these parameters, the effects of physical properties of solder paste such as visc...
In this study, analyses on the stencil printing using solder paste were carried out. The key design parameters in the stencil printing process are printing conditions, stencil design, and solder paste properties. Among these parameters, the effects of physical properties of solder paste such as viscosity, surface tension, and contact angle on the stencil printing process were investigated. The analyses were performed for simple geometry and boundary conditions. In the analysis, solder paste was pushed into a stencil hole by pressure instead of printer pad. Considering the geometry and computational efficiency, axisymmetric analyses were adopted. A commercial software (COMSOL), which is well known in the area of micro-fluids analysis, was used. From the results, it was shown that viscosity of solder paste had an effect on the filling speed, while surface tension and contact angle had an effect on the filling shape.
In this study, analyses on the stencil printing using solder paste were carried out. The key design parameters in the stencil printing process are printing conditions, stencil design, and solder paste properties. Among these parameters, the effects of physical properties of solder paste such as viscosity, surface tension, and contact angle on the stencil printing process were investigated. The analyses were performed for simple geometry and boundary conditions. In the analysis, solder paste was pushed into a stencil hole by pressure instead of printer pad. Considering the geometry and computational efficiency, axisymmetric analyses were adopted. A commercial software (COMSOL), which is well known in the area of micro-fluids analysis, was used. From the results, it was shown that viscosity of solder paste had an effect on the filling speed, while surface tension and contact angle had an effect on the filling shape.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문은 서울테크노파크의 차세대패키징 공정.장비 실용화사업의 일환으로 지식경제부 지원을 받아 수행되 었으며, 이에 관계자 여러분께 감사드립니다.
그리고 Wang12) 은 플립칩 패키징 공정에서 솔더 페이스트의 유동성과 패드의 친수성이 언더필 공정에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구에서는 솔더 페이스트의 점도, 표면장력, 그리고 접촉각이 프린팅 성능에 미치는 영향을 해석을 통해 분석하였다. 프린터 패드를 이용한 프린팅과 같은 실제적인 공정에 대한 해석을 수행하지 않고, 단순하게 압력에 의해 스텐실 구멍이 채워지는 단순화된 모델로 해석을 수행하여 경향을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 스텐실 프린팅 공정에 영향을 주는 여러 가지 인자 중에서 솔더 페이스트의 물성이 프린팅 성능에 미치는 영향을 해석적으로 분석하였다. 솔더 페이 스트의 점성, 표면장력, 그리고 접촉각이 프린팅 성능에 미치는 영향을 마이크로 유동 해석에 많이 이용이 되고 있는 상용 소프트웨어인 콤솔(COMSOL)을 이용하여 해석하였다.
본 연구에서는 스텐실 프린팅 공정의 해석을 통해서 공정 인자의 영향을 분석하였다. 프린터 패드를 이용한 프린팅 대신에, 문제를 단순화 하여 압력을 이용한 스텐실 구멍 충진을 해석하였다.
본 연구에서는 솔더 페이스트의 점도, 표면장력, 그리고 접촉각이 프린팅 성능에 미치는 영향을 해석을 통해 분석하였다. 프린터 패드를 이용한 프린팅과 같은 실제적인 공정에 대한 해석을 수행하지 않고, 단순하게 압력에 의해 스텐실 구멍이 채워지는 단순화된 모델로 해석을 수행하여 경향을 파악하고자 하였다.
그리고 표면장력, 점도 등은 해석에서 각각 다르게 적용이 되었기 때문에 해석 결과에 모두 표시하였다. 해석은 솔더 페이스트의 점도, 표면 장력, 그리고 솔더 페이스트와 스텐실 사이의 접촉각에 대한 영향을 파악하는데 중점을 두고 진행이 되었다. 점도는 솔더 페이스트의 중요한 물성 중의 하나이기 때문에 그 영향을 파악한다는 것은 필수적이다.
제안 방법
(2) 스텐실 프린팅 성능을 정량적으로 분석하기 위해충진률을 정의해서 각 인자의 영향을 분석하였다. 점도가 클수록 충진 속도가 느리고 점도는 충진 속도에 큰 영향을 줌을 알 수 있었다.
이 과정은 이동 경계조 건으로 처리해야 하기 때문에 복잡하고 긴 계산 시간을 요구한다. 그래서 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 실제적인 스텐실 프린팅 공정을 해석하기 이전에, Fig. 2와 같이 압력에 의해 프린팅이 되는 단순화된 모델로 해석하여 솔더 페이스트의 물성과 접촉각이 프린팅 공정에 미치는 영향을 분석하였다. 단순하게 압력에 의해서 솔더 페이스트가 스텐실 구멍을 채우는 현상을 해석한 것이다.
프린터 패드를 이용한 프린팅 대신에, 문제를 단순화 하여 압력을 이용한 스텐실 구멍 충진을 해석하였다. 그리고 해석의 효율성을 위해 3 차원 해석을 수행하지 않고, 2차원 축대칭으로 해석하였다. 해석결과와 플라즈마 처리 실험 결과를 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다.
그런 면에서 본 연구의 결과도 의미가 있다고 판단이 된다. 그리고 해석의 효율성을 위해서 실제 해석은 Fig. 3에 보인 것과 같이 한 개의 구멍을 솔더 페이스트가 채워지는 과정에 대해 수행하였다. 또한, 스텐실에 형성된 구멍은 원통형 형상을 이루고 있기 때문에 축대칭으로 1/2만 해석을 수행하였다.
3에 보인 것과 같이 한 개의 구멍을 솔더 페이스트가 채워지는 과정에 대해 수행하였다. 또한, 스텐실에 형성된 구멍은 원통형 형상을 이루고 있기 때문에 축대칭으로 1/2만 해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 스텐실 프린팅 공정에 영향을 주는 여러 가지 인자 중에서 솔더 페이스트의 물성이 프린팅 성능에 미치는 영향을 해석적으로 분석하였다. 솔더 페이 스트의 점성, 표면장력, 그리고 접촉각이 프린팅 성능에 미치는 영향을 마이크로 유동 해석에 많이 이용이 되고 있는 상용 소프트웨어인 콤솔(COMSOL)을 이용하여 해석하였다. 접촉각에 대한 영향은 문준권 등11) 과 Wang12)에 의해 실험적으로 연구가 수행되었다.
솔더 페이스트가 유입됨에 따라서이 공기가 배출될 수 있도록 하기 위해 구멍의 오른쪽 아래 부분의 벽에 길이 5 μm의 pressure outlet 경계조건을 주었다.
솔더 페이스트의 점도, 표면장력, 그리고 솔더 페이스트와 스텐실 사이의 접촉각에 따른 충진 특성을 정량적으로 분석하기 위해, 솔더 페이스트의 충진률을 분석하였다. 충진률은 해석 시작 후 0.
(1) 솔더 페이스트를 이용한 스텐실 프린팅 공정에서 솔더 페이스트가 스텐실의 구멍을 채우는 과정을 단순화 하여 해석할 수 있었다. 솔더 페이스트의 점도와 표면장력, 그리고 솔더 페이스트와 스텐실 사이의 접촉각에 따른 충진 형상을 관찰하였다. 표면장력이 작은 경우 벽면부보다 구멍의 중앙부가 빨리 충진 되는 것을 알 수 있었고, 표면장력이 큰 경우 중앙부와 벽면부의 유동이 거의비슷하여 표면적 증가가 작은 형상으로 충진이 되는 것을 알 수 있었다.
구멍의 반경은 65 μm 이고, 솔더 페이스트의 두께는 40 μm로 설정하였다. 압력이 가해지는 윗면은 pressure inlet으로 30 KPa을 적용하였고, 나머지 외곽면의 경계조 건은 모두 습식 벽(wetted wall)으로 접촉각을 주어 처리 하였다. 압력 경계조건은 Tsai10)의 실험조건에 기초하고, 해석에서 충진률의 차이를 분석할 수 있도록 하는 값으로 30 KPa로 하였다.
점도는 솔더 페이스트의 중요한 물성 중의 하나이기 때문에 그 영향을 파악한다는 것은 필수적이다. 점도는 참고문헌14) 을 참고하여 175 Pa.s를 기본으로 하고, 100~250Pa.s 로 변화시키면서 해석을 수행하여 영향을 파악하였다. 표면장력에 대한 자료는 많지 않아 SnPb 솔더의 표면 장력 자료15) 를 이용하였다.
표면장력에 대한 자료는 많지 않아 SnPb 솔더의 표면 장력 자료15) 를 이용하였다. 접촉각은 Hsieh 등16) 이 상온에서 측정한 SnAgCu의 접촉각 60o 를 기본으로 하고 20~80o 까지 변화시키면서 해석하여 경향을 관찰하였다. 접촉각은 플라즈마 세정 등의 반도체 공정에 의해서 조절이 가능한 변수이다.
해석은 마이크로 유동의 해석에 많이 이용이 되고 있는 COMSOL을 이용하였다. 콤솔(COMSOL)의 마이크로 유동해석 모듈의 이상 유동(Two-Phase Flow)으로 해석하 였고, 사용된 지배방정식은 다음과 같다. 13)
본 연구에서는 스텐실 프린팅 공정의 해석을 통해서 공정 인자의 영향을 분석하였다. 프린터 패드를 이용한 프린팅 대신에, 문제를 단순화 하여 압력을 이용한 스텐실 구멍 충진을 해석하였다. 그리고 해석의 효율성을 위해 3 차원 해석을 수행하지 않고, 2차원 축대칭으로 해석하였다.
대상 데이터
구멍의 반경은 65 μm 이고, 솔더 페이스트의 두께는 40 μm로 설정하였다.
s 로 변화시키면서 해석을 수행하여 영향을 파악하였다. 표면장력에 대한 자료는 많지 않아 SnPb 솔더의 표면 장력 자료15) 를 이용하였다. 접촉각은 Hsieh 등16) 이 상온에서 측정한 SnAgCu의 접촉각 60o 를 기본으로 하고 20~80o 까지 변화시키면서 해석하여 경향을 관찰하였다.
이론/모형
압력이 가해지는 윗면은 pressure inlet으로 30 KPa을 적용하였고, 나머지 외곽면의 경계조 건은 모두 습식 벽(wetted wall)으로 접촉각을 주어 처리 하였다. 압력 경계조건은 Tsai10)의 실험조건에 기초하고, 해석에서 충진률의 차이를 분석할 수 있도록 하는 값으로 30 KPa로 하였다. Fig.
해석은 마이크로 유동의 해석에 많이 이용이 되고 있는 COMSOL을 이용하였다. 콤솔(COMSOL)의 마이크로 유동해석 모듈의 이상 유동(Two-Phase Flow)으로 해석하 였고, 사용된 지배방정식은 다음과 같다.
성능/효과
(1) 솔더 페이스트를 이용한 스텐실 프린팅 공정에서 솔더 페이스트가 스텐실의 구멍을 채우는 과정을 단순화 하여 해석할 수 있었다. 솔더 페이스트의 점도와 표면장력, 그리고 솔더 페이스트와 스텐실 사이의 접촉각에 따른 충진 형상을 관찰하였다.
1에 보이는 것과 같이 스텐실에 솔더 페이스트가 채워져야 할 구멍이 생성되어 있고, 롤러나 고무 패드로 솔더 페이스트를 구멍에 밀어 넣어 접합점을 형성하는 것이다.3) 이와 같은 스텐실 프린팅 방법은 생산 속도가 빠르고 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 스텐실 프린팅 공정에 이용되는 솔더 페이스트는 솔더 분말, 플럭스, 그리고 바인더 등으로 구성되어 있고, 프린팅 후에 가열에 의해 솔더 분말이 용융되어 기판 패드와 전자부품의 리드를 접합시킨다.
05 N/m 이상인 경우에는 큰 변화가 없음을 알 수 있었다. 마지막으로, 솔더 페이스트와 스텐실의 접촉각이 클수록 충진 속도가 늦음을 알 수 있었다. 표면장력이 0.
본 연구의 해석을 통해서 솔더 페이스트의 점도는 충진속도에, 그리고 표면장력과 접촉각은 충진 특성(형상)에 영향을 미침을 알 수 있었다. 향후 프린터 패드의 이동을 고려하고 프린터 패드 이동 속도와 힘에 따른 해석을 추가로 수행한다면, 실제 공정에 가까운 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
(2) 스텐실 프린팅 성능을 정량적으로 분석하기 위해충진률을 정의해서 각 인자의 영향을 분석하였다. 점도가 클수록 충진 속도가 느리고 점도는 충진 속도에 큰 영향을 줌을 알 수 있었다. 표면장력이 0.
솔더 페이스트의 점도와 표면장력, 그리고 솔더 페이스트와 스텐실 사이의 접촉각에 따른 충진 형상을 관찰하였다. 표면장력이 작은 경우 벽면부보다 구멍의 중앙부가 빨리 충진 되는 것을 알 수 있었고, 표면장력이 큰 경우 중앙부와 벽면부의 유동이 거의비슷하여 표면적 증가가 작은 형상으로 충진이 되는 것을 알 수 있었다. 그리고 접촉각이 작은 경우 모세관 현상과 같이 벽면부가 벽면 안쪽보다 빨리 충진이 되는 경향이 있음을 알 수 있었다.
s인 경우, 접촉각이 20o 에서 80o 까지 증가할 때충진률이 약 13% 감소함을 알 수 있다. 플라즈마 처리 후접촉각의 변화와 연계하여 분석하면, 플라즈마 처리에 의해서 접촉각이 작아지고 그에 따라서 충진 속도가 빨라진다고 결론지을 수 있다.
후속연구
1721) 특히 최근에는 대기압 플라즈마 처리 장치20-21) 의 개발에 대해서도 연구가 많이 진행되어 고가의 진공장비 없이도 플라즈마 처리를 할 수 있게 되었다. 본연구에서는 접촉각을 변화시키면서 해석적으로 연구하 였지만, 향후 해석 결과와 플라즈마 처리 결과를 실험으로 검증한다면 중요한 자료가 될 것으로 사료된다.
이와 같은 지금까지의 솔더 페이스트의 유동 특성 분석이나 프린팅 성능 파악에 대한 대부분의 연구는 실험적으로 수행이 되었다. 실험적인 연구가 확실한 결과를 주는 장점은 있지만, 여러 인자에 대한 영향 파악 등의 체계적인 연구에는 한계가 있다.
본 연구의 해석을 통해서 솔더 페이스트의 점도는 충진속도에, 그리고 표면장력과 접촉각은 충진 특성(형상)에 영향을 미침을 알 수 있었다. 향후 프린터 패드의 이동을 고려하고 프린터 패드 이동 속도와 힘에 따른 해석을 추가로 수행한다면, 실제 공정에 가까운 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
솔더 페이스트를 이용한 스텐실 프린팅 공정에서 중요한 인자는 무엇인가?
솔더 페이스트를 이용한 스텐실 프린팅 공정에서 중요한 인자는 프린팅 조건, 스텐실 설계, 환경, 그리고 솔더 페이스트이다.5) 이 인자들의 영향에 대한 연구가 많이 시도되고 있다.
실제의 스텐실 프린팅 공정은 무엇에 의해 프린팅 되는가?
실제의 스텐실 프린팅 공정은 Fig. 1과 같이 프린팅 롤러 또는 패드에 의해 프린팅이 된다. 이와 같은 실제 스텐실 프린팅 공정을 해석하기 위해서는 프린팅 패드 또는 롤러의 이동을 묘사해야 한다.
실제 스텐실 프린팅 공정을 해석하기 위해서는 프린팅 패드 또는 롤러의 이동을 묘사해야 하는데 이것은 어떤 것을 요구하는가?
이와 같은 실제 스텐실 프린팅 공정을 해석하기 위해서는 프린팅 패드 또는 롤러의 이동을 묘사해야 한다. 이 과정은 이동 경계조 건으로 처리해야 하기 때문에 복잡하고 긴 계산 시간을 요구한다. 그래서 본 연구에서는 Fig.
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