[논문]레이저 마이크로 접합 및 솔더링

황승준; 강혜준; 김정오; 정재필

doi:10.6117/kmeps.2019.26.3.007

레이저 마이크로 접합 및 솔더링
Laser Micro-Joining and Soldering 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.3, 2019년, pp.7 - 13

황승준 (서울시립대학교 신소재공학과) , 강혜준 (서울시립대학교 신소재공학과) , 김정오 (한국기계연구원) , 정재필 (서울시립대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the principles, types and characteristics of the laser and laser soldering are introduced. Laser soldering methods for electronics, metals, semiconductors are also presented. Laser soldering is a non-contact process that transfers energy to solder joint by a precisely controlled beam. Demands for laser soldering are increasing due to bonding for complex circuits and local heating in micro joint. Laser absorption ratio depends on materials, and each material has different absorption or reflectivity of the laser beam, which requires fine adjustment of the laser beam. Laser types and operating conditions are also important factors for laser soldering performance. In this paper, the performance of Nd:YAG laser soldering is compared to the hot blast reflow. Meanwhile, a diode laser gives different wavelength and smaller parts with high performance, but it has various reliability issues such as heat loss, high power, and cooling technology. These issues need to be improved in the future, and further studies for laser micro-joining and soldering are required.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Three main components for laser oscillation.
그림 Fig. 2. Threshold energy for laser oscillation.
그림 Fig. 3. (a) Cross section of Sn-37%Pb soldered joints, and (b) Sn-3.5%Ag.⁷⁾
표 Table 1. Laser types according to media³⁾
그림 Fig. 4. Effect of laser power and scanning time on the length of soldered joint (Sn-37%Pb).⁷⁾
그림 Fig. 5. Various types of laser pulse for material processing.
그림 Fig. 6. Approximation method used in a peak pulse power.¹⁵⁾
그림 Fig. 7. Laser soldering.
그림 Fig. 8. Fracture surfaces of the solder bump after the shear strength test.⁴⁾
그림 Fig. 9. Microstructure of laser soldered ball⁴⁾ (frequency; 5 Hz, pulse width; 20 ms).
표 Table 2. Comparison of an ATLAS-configured and a commercial solar module²⁴⁾

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

Raga, Carlson은 솔더 합금에 흡수되는 열 에너지를 조절해 빠르며 비파괴적인 접합을 하는 기법을 연구하였고,¹ Biffin, Blundell, Johnson, Page는 Nd:YAG 레이저를 자동차용 강대신 가벼운 Al 합금을 접합하는데 이용했다.²⁾ 본 논문에서는 레이저 솔더링에 일반적으로 쓰이는 원리와 기술, 동향에 대해서 기술하고자 한다.
4차 산업혁명의 도래로 전자기기, 반도체, 자동차, 태양 광 모듈 등에 사용되는 부품들이 고집적화, 소형화가 되며 복잡한 회로를 정밀 접합이 가능한, 레이저 마이크로 접합 및 솔더링의 수요가 증가하고 있다. 레이저 솔더링은 정밀 제어되는 빔을 사용해 에너지를 솔더부로 전달 하는 비접촉 공정이고, 본 논문에서는 레이저의 원리와 종류, 레이저 솔더링에 대하여 소개하였다. 또한, 열풍 리플로우 솔더링과 Nd:YAG 레이저 솔더링 결과 비교를 나타내었고, 태양전지의 생산성을 높인 다중 다이오드 레이저 솔더링을 리뷰하였다.
이러한 제품은 기존 리플로우 솔더링 기법으로 접합할 수 없는 센서, 렌즈 등 열에 민감하거나 3D회로와 같이 복잡한 구조를 갖고 있다. 본 저자 Kim 등은 펄스 Nd:YAG 레이저를 적용해 Sn3.5wt%Ag 솔더볼의 결합 특성을 연구하였다.⁴⁾ 실험에 사용한 레이저는 펄스 5 Hz, 펄스폭 20 msec, 에너지 1 J 이고 볼 직경은 500 μm, PCB의 UBM은 Cu/Ni/Au로 구성되어 있다.

가설 설정

그러나 높은 반사율 때문에 표면의 급속 증발이 중요한 세라믹을 가공할 경우에는 Fig. 5(b)와 같이 큰 피크 출력을 주는 펄스파 출력을 가지는 것이 바람직하다. 즉 짧은 시간 동안 강한 펄스를 가해 열이 레이저 조사구역 주위에만 집중되어 재료 표면의 급속한 증발을 유발할 수 있다.
펄스의 피크출력은 광전 다이오드를 사용하여 측정할 수 있으나, 펄스폭과 평균출력 값으로부터 계산할 수도 있다. 가장 일반적인 방법은 Fig. 6¹⁵⁾ 에서 측정된 펄스를 그 첨두와 같은 높이 및 FWHM(Full Width at Half Maximum)과 같은 폭을 가진 사각형의 펄스를 넓이가 근사적으로 같다고 가정하여 계산하는 것이다. 여기서 FWHM이란 출력의 최대값의 반에 해당하는 위치 사이의 거리로서 펄스 폭을 나타내는 것이다.

제안 방법

9) Lisiecki는 high yield strength steel인 S420MC(두께 2.5 mm)를 diode 레이저(사각형 spot, 2.2kW 출력, 808 nm 파장)로 단측(One-side) 용접하며 레이저 파워, 용접 속도에 따른 용접부의 모양과 품질을 조사 했다.
레이저 솔더링은 정밀 제어되는 빔을 사용해 에너지를 솔더부로 전달 하는 비접촉 공정이고, 본 논문에서는 레이저의 원리와 종류, 레이저 솔더링에 대하여 소개하였다. 또한, 열풍 리플로우 솔더링과 Nd:YAG 레이저 솔더링 결과 비교를 나타내었고, 태양전지의 생산성을 높인 다중 다이오드 레이저 솔더링을 리뷰하였다. 최근 다양한 파장을 만들 수있고 기기의 크기가 작은 다이오드 레이저를 고성능으로 만들기 위한 여러 시도가 진행되고 있으나, 열손실, 고성능 파워, 냉각 기술 등 다양한 신뢰성 문제가 존재한다.

대상 데이터

4) 실험에 사용한 레이저는 펄스 5 Hz, 펄스폭 20 msec, 에너지 1 J 이고 볼 직경은 500 μm, PCB의 UBM은 Cu/Ni/Au로 구성되어 있다.

이론/모형

K는 Gaussian 빔일 때 1이고 다른 빔모드의 경우 1 미만이다. 아날로그 시스템은 M²표기법을 사용한다. 여기서 M² = 1/K 이다.

성능/효과

²³⁾ Marc Kontges 등은 태양 전지를 ATLAS prototype system solder로 접합할 때 3개의 다이오드 레이저로 솔더링 했고, 그때의 접합 조건은 전지당 2 sec, 200 W로 진행했다.²⁴⁾이 방식을 기존의 접합 방식(5 sec, 200 W)과 비교했을 때 생산성 측면에서 두 배 정도 증가한 것을 확인할 수 있었다. Table 2는 기존 방식과 비교한 것이다.
3) 일반적으로 레이저는 외부 에너지 공급원에 의해 유도 방출이 되며 직진성이 강한 특징이 있다. 레이저를 발진하기 위해서는 전자파를 방출시키는 활성화된 매질, 매질을 광학적으로 여기(勵起) 시킬 수 있는 에너지 공급원, 광학적인 증폭 역할을 하는 공진기 이 3가지 요소가 반드시 필요하다.
^[5]그리고 flash lamp, Q 스위칭(Q switching), 모드 로킹(Mode locking) 등을 이용해 수 기가와트(GW) 출력을 갖는 고출력 펄스 레이저를 제작할 수도 있다.⁴⁾또한 CO₂ 레이저와 달리 파장이 작기 때문에 광섬유를 이용해 원하는 곳까지 레이저를 보낼 수 있고, 이를 관절이 있는 팔형 로봇에 적용하면 3D 수술에 유용하게 쓰일 수 있다. 현재 Nd:YAG와 광섬유를 이용하여 마킹, 절단, 군사용 range finder 등 제작 용도에 따라 여러 가지 분야에서 응용되고 있다.
그리고 1964년에 Nd:YAG 및 CO₂ 레이저가 제작되었고, 이 레이저는 이미 산업에서 사용되고 있다.⁴⁾ 저전력 Nd:YAG 레이저는 전자기기 산업에서 사용되고, 고출력 고밀도 다이오드 레이저는 기술이 빠르게 발전함으로써 충분한 용입 깊이를 구현할 수 있게 되어 성능 좋은 제품 생산이 가능해졌다.⁵⁾현재 개발된 레이저는 40종류 이상이고, 증폭 매질에 따라 분류하면 기체, 액체, 고체 레이저로 구분할 수 있다.
⁴⁾ 저전력 Nd:YAG 레이저는 전자기기 산업에서 사용되고, 고출력 고밀도 다이오드 레이저는 기술이 빠르게 발전함으로써 충분한 용입 깊이를 구현할 수 있게 되어 성능 좋은 제품 생산이 가능해졌다.⁵⁾현재 개발된 레이저는 40종류 이상이고, 증폭 매질에 따라 분류하면 기체, 액체, 고체 레이저로 구분할 수 있다. 이를 Table 1에 나타내었다.
CO2 레이저 이종접합 결과 용접부 강도가 기존 Inconel 625, SUS 304보다 감소한 것을 확인했다.
5%Ag)를 Nd:YAG 레이저로 솔더링 하였다. 그 결과 Sn-37%Pb, Sn-3.5%Ag를 400 ms 스캔시간, 빔 출력은 5, 5.9W 조건으로 솔더링 시, 양호한 젖음성을 보였다. 그리고 레이저 출력이 3~5.
⁴⁾ 실험에 사용한 레이저는 펄스 5 Hz, 펄스폭 20 msec, 에너지 1 J 이고 볼 직경은 500 μm, PCB의 UBM은 Cu/Ni/Au로 구성되어 있다. 그 결과 전단강도 값은 652.3 gf로, 열풍 리플로우 654.5 gf와 근사한 결과를 얻을 수 있었다. 전단 후 파단면은 Fig.
2kW 출력, 808 nm 파장)로 단측(One-side) 용접하며 레이저 파워, 용접 속도에 따른 용접부의 모양과 품질을 조사 했다. 그 결과, 출력 2200 W, 용접 속도 200~300 mm/min, 입열량 440-660 J/mm 일 때 가장 고품질 접합부(Full penetration, flat wed face)가 형성되는 것을 확인했다.¹³⁾
9W 조건으로 솔더링 시, 양호한 젖음성을 보였다. 그리고 레이저 출력이 3~5.9 W로 증가할수록 솔더 접합부 길이가 약간 상승하는 경향을 보였다.⁷⁾
실험 결과, 최대 광세기 지점에서 ±20 μm 부근에서는 광결합효율 변화가 약 2%이고 최대 광결합효율은 약 23.3%으로 관찰되었다.
이 때 Laser power와 scan speed를 변화시켰고, 그 결과 펄스의 피크 출력이 강할수록(50 W) 그리고 scan speed가 느릴수록(100 mm/min) 더 두꺼운 침상형 IMC(평균 4.5 μm)가 생성된 것을 확인하였다.
전기전자 부품 생산의 자동화, 제품의 고밀도 소형화는 선택적으로 접합이 가능하고 정밀한 제어가 가능한 레이저 솔더링의 수요를 높였다. 이러한 제품은 기존 리플로우 솔더링 기법으로 접합할 수 없는 센서, 렌즈 등 열에 민감하거나 3D회로와 같이 복잡한 구조를 갖고 있다.

후속연구

최근 다양한 파장을 만들 수있고 기기의 크기가 작은 다이오드 레이저를 고성능으로 만들기 위한 여러 시도가 진행되고 있으나, 열손실, 고성능 파워, 냉각 기술 등 다양한 신뢰성 문제가 존재한다. 향후 이러한 문제를 개선할 여지가 남아 있기 때문에 추가적인 연구와 심도 있는 논의로 각 레이저의 빔 특성을 효과적으로 활용함으로써, 마이크로 전자 및 자동차 산업 등의 새로운 분야에 기여할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저(LASER)란?	레이저(LASER)는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머리글자로 만든 단어이며, 복사의 유도 방출에 의한 빛의 증폭이라는 뜻이다.3) 일반적으로 레이저는 외부 에너지 공급원에 의해 유도 방출이 되며 직진성이 강한 특징이 있다.
	Nd:YAG로 기가와트급 출력의 펄스 레이저를 만들려면 무엇을 사용하는가?	대부분은 피크 전력 1~10 kW, 수백 Watts의 평균 전력을 가지고 있고 3kW의 연속 동작을 하는 레이저가 상용화 되어 있다.[5] 그리고 flash lamp, Q 스위칭(Q switching), 모드 로킹(Mode locking) 등을 이용해 수 기가와트(GW) 출력을 갖는 고출력 펄스 레이저를 제작할 수도 있다.4) 또한 CO2 레이저와 달리 파장이 작기 때문에 광섬유를 이용해 원하는 곳까지 레이저를 보낼 수 있고, 이를 관절이 있는 팔형 로봇에 적용하면 3D 수술에 유용하게 쓰일 수 있다.
	레이저 솔더링의 응용분야는?	레이저는 현재 솔더링 분야에서 기존의 리플로 솔더링 공정 대신 고집적화된 전기회로 제작 및 열 영향으로 인한 구조적 결함 등을 해결하기 위해 사용되고 있으며, 이레이저 솔더링은 전기/전자, 반도체, 자동차 등의 PCB (Printed circuit board) 기판, CPU(Central processing unit) 커넥터, RF/HP board, 각종 센서류 등을 접합하는 데 사용되고 있다. 레이저 솔더링의 장점은 열 영향부의 최소화, 솔더의 급속 가열 및 냉각으로 입자가 미세한 microstructure 형성, 레이저 빔을 목표 지점에 정확히 조준 가능해 좁은 공간의 솔더링이 가능한 점, 비접촉식 접합 및 입열량이 적어서 접합계면에 금속 간 화합물의 생성이 적고, 열응력이 적은 점 등이 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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