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반도체 Package용 Seam Seal Welding

System 개발에 관한 연구

(최종보고서)

2003. 11. 30

주관기관 : 대양하이원테크주식회사

위탁기관 : 한국기술교육대학교

산 업 자 원 부

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제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “반도체 Package용 Seam Seal Welding System 개발에 관한 기술개

발” (개발기간 : 2001. 10. 1 ~ 2003. 9. 30) 과제의 최종보고서로 제출합니다.

2003. 11. 30.

주관기관 : (기관명) 대양하이원테크 (대표자) 송욱일 (인)

위탁기관 : (기관명) 한국기술교육대학교 (대표자) 문형남 (인)

총괄책임자 : 송욱일

연 구 원 : 이우영

〃 : 진경복

〃 : 조영주

〃 : 홍태석

〃 : 박선민

〃 : 박신철

산업기술개발사업 운영요령 제29조에 따라 보고서 내용을 관련기관에 널

리 배포함에 동의합니다.

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산업기술개발사업 보고서 초록

관리번호

과 제 명 반도체 Package용 Seam Seal Welding 시스템 개발

키 워 드Seam Seal Welding/반도체 패키지/정밀용접/자동화/공정제어/메커

니즘

개발목표 및 내용

1. 최종목표

- 반도체 패키지용 Seam Seal Welding System 설계 및 제작

- 미세 정밀 용접전원 개발

- 용접 Head 및 전극 기술개발

- 고속 고정밀 시스템 이송 메커니즘 및 제어 알고리즘 개발

- User Interface 공정제어 프로그램 개발

2. 개발내용 및 결과

ο 1차년도 내용

- 선진제품의 성능 분석 및 개발항목 도출

- 각 단품별 성능평가 항목 도출

- 시스템의 메커니즘 및 공정제어 알고리즘 설계

- 각 Unit별 설계서 완성 및 핵심기술 개발

- 설계서에 의한 설계도면 작성 완료

- 1차 시제품 가공 및 제작을 위한 시방서 제작

- 1차 시제품을 위한 단품제작 및 성능평가

ο 2차년도

- 1차 시제품의 통합 시스템 제작 및 성능평가

- 공정제어 알고리즘의 구현 및 성능평가

- 단품별 통합 시스템 Test 및 문제점 개선안 도출

- 개선안에 의한 최종 시제품 단품별 설계 및 제작

- 최종 시제품의 통합 시스템 구성

- System 기능 Test

- 생산 운전 Test

ο 최종결과

시스템 메커니즘 및 공정제어 알고리즘 개발, 기구부 단품 제작

미세정밀 용접 전원부 및 기구부 설계 및 제작, 시스템 설계 도면 완성.

제어부 단품 및 회로 완성

- Working Prototype 제작 및 성능평가 수행

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3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)

1) 기술적 파급 효과

* 현재 휴대폰에는 Seam Welding System에 의해 생산되는 4~5개의 Saw

Filter와 Oscillator가 들어가는데 현재는 물론 향후 늘어나는 휴대폰 생산증가 추

세에 맞추어 이들 부품소요는 증대될 것임.

* 군사용으로 쓰이고 있는 통신장비에도 이들 부품이 많이 사용되고 있음.

이들 통신분야 분만 아니라 PDA, TV, RADIO, VIDEO등 다른 많은 전자제품에도

Saw Filter와 Oscillator가 필수적으로 들어감에 따라 이들 제품을 생산하는 대부

분의 전자 회사에서도 본 장비를 필요로 함.

2) 경제적 파급효과

* 휴대폰 생산이 점점 늘고 있는 추세에 발맞추어 휴대폰에 들어가는 Saw

Filter, Oscillator 등의 부품은 계속적 증산이 요구될 것이며 저렴한 Seam Seal

Welding System의 국산 개발은 국내부품 생산업체의 생산성 향상에 기여하여

제품의 Cost Down 으로 국제 경쟁력을 제고할 수 있음.

* 본 장비를 필요로 하는 업체들은 국내뿐만 아니라 이동 통신 사업확대를 계획

하는 중국과 대만, 동남아시아 시장에도 동시에 높은 매출이 기대되며 장비의 대

량생산 요구가 예측되며 고용 창출증대에 기대됨.

4. 적용분야

- 통신분야 : 휴대폰,

- 가전분야 : PDA, TV, RADIO, VIDEO

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목 차

제 1 장 서론

제 1 절 Seam Seal Welding(SSW) System 개발기술의 개요

1-1. SSW의 개념 및 원리

1-2. SSW의 특징

제 2 장 기술개발 내용 및 방법

제 1 절 SSW System의 설계

1-1. 선진제품의 성능분석 및 개발항목 도출

1-2. 시스템 구성도 및 작동원리

1-3. 기구 메카니즘 설계 및 통합시스템 구성

1-4. 시스템 공정제어

제 2 절 Welding Unit 설계 및 제작

2-1. 용접전원부 설계

2-2. 용접 특성 분석

제 3절 단품 Test 및 평가

3-1. 성능평가 방법

3-2. 단품 Test 및 결과

제 3 장 결과

제 1 절 기술개발결과

제 2 절 기대효과

참고문헌

부 록(실적물 첨부자료)

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제 1 장 서론

제 1 절 Seam Seal Welding(SSW) System 개발기술의 개요

본 연구 개발에서는 마이크로스텝 제어를 적용한 정밀 Seam Seal Welding

System을 설계 제작함에 있으며 개발 분야에 있어서 시스템의 기구적 상세 설계

및 제작, 미세용접기술 및 용접전원개발분야는 주관기관인 (주) 대양하이원테크에서

담당하도록 되어있으며, 시스템 메카니즘 및 공정제어 알고리즘에 대한 개념설계,

단품 및 시스템에 대한 성능평가는 위탁기관인 한국기술교육대학에서 담당하도록

협약되어 있다.

1차년도는 개발대상 제품의 선진국시스템에 대한 성능을 분석하고 이를 바탕으로

시스템의 기구적 메카니즘, 공정제어 알고리즘개발, 각 단품별 상세설계 및

working 프로토타입을 제작하고, 단품의 성능평가를 수행하였으며 2차 년도에는 1

차 시제품을 개선하여 통합시스템을 구성하고 생산이 가능한 최종시스템을 제작하

였고 이를 통하여 생산된 반도체 패키지 샘플의 성능평가를 수행하였다.

1-1. Seam Seal Welding의 개념 및 원리

Seam Seal Welding은 Roller 전극을 이용하여 Package형 반도체, Crystal 부품,

Saw Filter, Oscillator 등의 Package 본체와 Lid라 불리우는 박판형의 두껑을 용접

에 의한 접합을 통하여 완전 밀봉시키는 가공방법으로 그림 1은 그 적용 예를 보여

주고 있다.

SSW의 원리는 Roller 전극을 이용하여 정확한 전류와 용접시간, 그리고 압력을 조

절하여 최상의 밀폐용접을 형성시키는 것으로 특수 용접 컨트롤러가 필수적이다.

그림 1 Seam Seal Welding Samples

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그림2 통전에 의한 package와 Lid간의 용접 원리

그림3은 ssw에 의한 Package의 용접순서를 보여주는 것으로 일차적으로 Lid 가

Package로부터 지정된 위치에서 이탈이 없도록 하기 위한 Tag Welding을 수행하

고 이후 X 방향 및 Y 방향으로의 연속적인 Seam Welding을 수행하게 된다.

그림 3 Tag Welding

그림4 X 방향 그림5 Y 방향Seam Welding Seam Welding

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실링 및 리드의 재질은 열 팽창계수가 세라믹에 가까운 금속인 코발(Fe-Ni-Co)를

사용함으로써 접합시의 열영향에 의한 세라믹베이스 균열을 피할 수 있도록 고려하

며 또 밀봉시에 실링 및 리드의 소재를 녹이지 않고 적은 열 투입으로 확산 접합을

하기 위해 표면에는 니켈 도금이 되어있다. SMD 세라믹 패키지의 parallel seal접

합은 패키지의 실링위에 정확하게 리드를 얹고 평행하게 늘어놓은 한쌍의 테이퍼롤

러 전극을 리드의 가장자리에 적당한 압력으로 접촉시켜, 롤러 전극을 펄세이션 통

전하면서 회전 주행함으로써 전극과 리드사이 및 리드와 실링사이의 접촉저항에 의

한 발열에 의해 미리 실링과 리드에 도포되어 있는 니켈도금의 확산접합으로 seam

봉지하는 방법이다.

그림6 세라믹 패키지의 구성

그림7 Parallel Seam 용접원리

1-2. SSW의 특징

반도체 package등에서 SSW를 채용하는 이유로는 다음과 같은 장점이 있기 때문이

다.

① 완벽한 sealing이 이루어진다. 따라서 부품 내에 외부의 공기유입이 전혀 없다.

② 특수용접 컨트롤러의 사용으로 Lid가 타지 않는다.

③ 짧은 Tact Time에 이루어진다.

④ 질소 분위기에서 작업함으로써 산화 없이 깨끗이 sealing 된다.

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제 2 장 기술개발 내용 및 방법

제 1 절 SSW System의 설계

1-1. 선진제품의 성능분석 및 개발항목 도출

현재 세계적으로 가정 앞서있는 기술보유 업체는 일본의 Avio사 인 것으로 알려져

있다. 본 연구개발에서는 Avio사의 대표적 장비(NAW 1125)의 성능과 기능을 분석

하고 이를 바탕으로 동급 또는 그 이상의 기능과 성능을 만족시키기 위한 핵심 개

발 항목을 도출하였다.

성능분석 방법은 제품 카타로그의 사양과 기능을 조사하고, 특허유무를 검토하였으

며, 수입되어 있는 대상장비를 작동하면서 동작을 분석하고 주요 작동 모드 및 부

품상태를 디지털 비디오로 촬영 후 반복적으로 분석하는 과정을 수행하였다.

분석과정에서 주요부품은 기술보안을 이유로 철저히 밀폐되어 있어서 분석에 상당

한 시간과 노력이 요구되었다.

그림 8 선진국 분석 대상장비

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NAW-1225의 주요 작업 공정은 다음과 같다.

100EA 이상의 Work Pieces을 탑재한

Tray를 이동 시킴

Package 와 Lid를 정열하고 Lid

고정을 위해 Tag Welding 함

X , Y 두 방향으로 Seam Seal

Welding 함

Seam Seal Welding 완료된

Work Pieces 을 배출구로 이동 시킴

그림 9 NAW-1225 의 주요공정

○ 장비의 주요기능

(1) 화상인식에 의하여 리드를 패키지의 실링에 정밀하게 자동 위치시키는 기능

(2) 다수개의 패키지를 적재한 다수개의 tray로 구성된 자동 이송 메카니즘 구조

(3) 질소가스 분위기에서 용접이 이루어 질 수 있도록 한 장비 환경구조

(4) 용접전류의 전원을 정밀제어하며, 알람기능을 제공하여 용접불량을 최소화시킴

(5) 진공펌프에 의한 질소가스를 포함하는 공기의 챔버 내 강제 교환 기능

(6) 장비의 제어 축수는 총 20축으로 부품 자동이송, 정렬, 용접, 배출등의 기능을

수행하는 구조

(7) 장비의 주요사양은 본 연구개발 계획서 상의 개발 목표와 동일함

○ 장비개발에 필요한 핵심 기술

(1) 미세 정밀 용접 전원기술

미세전류 및 전력제어기술, 고속응답 전력제어기술, 예열자동조절제어기술, 용접전

압시간제어기술

(2) 용접 Head 및 전극기술

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박판재료의 열적, 전기적 특성 분석기술, 용접 헤드부의 정밀 force제어기술, 용접

헤드부의 dead weight에 의한 정밀 stroke 제어기술, Seam roller 메커니즘에서 고

정속도, 정점 정지 모드의 두점 미세제어 기술

(3) 고속, 고정밀 이송메카니즘 및 제어기술

고강성 이송 메카니즘설계, Backlashless 메카니즘 설계, 고속 seek 알고리즘기술,

강인한 최적시간제어 알고리즘

(4) User Interface 공정제어 프로그램 개발

신호계측 및 처리기술, 그래픽 프로그램 처리기술. Embeded 제어알고리즘,

System Integration 기술

1-2. 시스템 구성도 및 작동원리

본 연구개발에서는 전체 제어 축수가 20개인 자동 SSW를 개발함에 있어 다음과

같은 작동 메카니즘을 갖도록 시스템을 구성하여 설계에 임하였다. 전체 작동 모드

및 기본 구조 개념설계, 메카니즘 개념화는 위탁기관인 한국기술교육대에서 수행

하였으며 상세설계 및 Working prototype. 통합시스템 구성 및 제작은 주관 기관인

(주) 대양하이원테크에서 수행하였다. (그림 10)

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구 동 방 식 : servo motor 및 ball screw 기구헤드부 상하이동거리: max 5㎜헤드부 가압력 : 300g~1.2㎏용 접 시 간 : 0.5~7 Cycle용 접 속 도 : 0~30 ㎜/sec위 치 정 도 : 10㎛ 이내

구 동 방 식 : servo motor 및 ball screw 기구헤드부 상하이동거리: max 5㎜헤드부 가압력 : 300g~1.2㎏용 접 시 간 : 0.5~7 Cycle용 접 속 도 : 0~30 ㎜/sec위치 정도 : 10㎛ 이내

CCD Cameragray scale 처리방식제품불량검출정도 : 10㎛ 이내

구 동 원 : air cylinder

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최종 System의 동작 및 구성도 시스템 요구 성능

탑재 정밀도 : ±0.1㎜ 이하

질소가스압력 : 2 ㎏f/㎠이상공 기 압 : 5 ㎏f/㎠이상수 압 : 0.5~5 ㎏f/㎠이상Chamber온도범위 : 상온~200℃온도오차 : ±5℃진 공 도 : 5×10-3torr(무부하시)작 동 원 : air cylinder

운 송 방 식 : air cylinder

Lid 탑재수량 : 최대3000대운 송 방 식 : servo motor 및 ball screw 기구위 치 정 밀 도 : 10㎛이하

화 상 인 식 : CCD CameraCentering 정도 : 10㎛이하구 동 방 식 : air cylinder

구 동 원 : servo motor 및 ball screw 기구피치제어 정밀도 : 0.1㎜이하롤러전극간격범위 : 5~80㎜용접롤러회전각제어범위 : ±5°이내

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1-3. 기구 메카니즘 설계 및 통합시스템 구성

(1) 구조적 안정성을 고려한 구조설계

SSW 시스템은 이송부의 운동시 동작의 안정성 및 정밀성을 무엇보다 요구한다. 시

스템의 구조는 단면의 강성계수가 높은 ㄹ자 단면형상 및 ㄷ자 단면형상의 견고한

알루미늄 압출 보를 기본 골격으로 하여 브릿지 형태의 구조체를 형성하도록 하였

으며 이를 바탕으로 over hang 형태로 각 제어축을 부착하는 단순한 구조를 택하

였다.

(2) 위치결정 정밀도를 향상시키기 위한 기구설계

X, Y축의 직선축으로 이루어진 station과는 달리 Q라는 회전축을 개발하여 X, Y,

Q를 결합한 3방향 station이 base위에 안착된 PKG의 형태에 대응하는 정밀한 Lid

장착이 가능하는 구조를 설계하였다.

그림 11은 마이크로 스텝모터를 채용하여 백래쉬가 발생하지 않는 정밀 용접 기구

의 구조도를 보여주고 있다. 마이크로스텝 모터의 채용시 기존 서보모터의 채용에

비해 이송 위치 제어 분해능이 뛰어나고 보상제어가 필요 없다는 장점과 빠른 응답

성을 기대할 수 있다.

그림 11 마이크로 스텝모터를 채용한 헤드 구조부

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사진 1 제작된 마이크로 스텝모터를 채용한 헤드구조

그림 12 단순화 모델의 working prototype (정면도)

1차 년도에는 각 핵심 단품을 설계하고 성능을 검증하기 위하여 그림 12. 13. 14

와 같은 단순화된 working prototype을 설계, 제작하였다.

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그림 13 working prototype (측면도)

그림 14 working prototype(입면도)

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사진 2 제작된 Working Prototype

1차 년도에 설계, 제작한 Working Prototype을 바탕으로 각 단품의 작동성능을 평

가하고 Seam Sealing 성능을 최종 제작 샘플(반도체 package sealing)의 평가를

통하여 2차 년도에는 양산이 가능한 통합시스템(시제품)을 설계 제작하였다. 사진

3은 최종 제작된 시제품을 보여주고 있다.

사진 3 제작된 최종시제품

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그림 15 최종 시제품의 외관도면

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전체 장비의 구성요소는 다음과 같다

(1) Carrier

(2) Tray

(3) 진공 oven chamber

(4) Tray 이송제어 기구

(5) Lid 공급 기구

(6) 화상인식 장치

(7) Lid 센터링 기구

(8) Weld Head System (Tag, X, Y 방향 용접 기구)

(9) Weld Power Supply

(10) X, Y Table and Control Unit(X, Y. Seaming Station)

(11) Grove Box (Option)

(13) Vaccume Oven Chamber Control Unit (Option)

(14) Dew Point Meter (Option)

(15) 불량 PKG 검출부

(16) Unloading 및 Tray 수납기구

사진 4 Tray 적재대

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사진 5 Tray Holder

사진 6 Input Tray 구동 메카니즘

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사진 7 Input Tray 구동부(후면)

사진 8 Lid 이송장치(Rotary 메카니즘)

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사진9 Lid 정렬 유닛

사진 10 X축 Welding Head

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사진 11 Y축 Welding Head

사진 12 X. Y. 𝜃 메카니즘

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사진 13 Air Unit

사진 14 Vacuum Chamber Gate

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사진 15 Vacuum Chamber(Closed)

사진 16 Tray 부

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1-4 시스템 공정제어

SSW 시스템의 공정제어는 1-2절에서 기술한 시스템의 작동원리에 바탕을 두고 알

고리즘을 작성, 프로그램화하였다. 사용자 편의성을 최대한으로 고려하여 GUI 그래

픽 프로그램으로 작성하였다. 자세한 제어용 프로그램 구성요소에 대한 설명은

〈첨부1> DYS-M2009에 나타내었다.

그림 16 GUI를 고려하여 개발한 제어부 화면

사진 17 MMI 모니터(최종시스템)

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본 연구개발에서 적용한 제어기술은 다음과 같다.

(1) 미세전력제어

반도체 웨이퍼, 또는 리드프레임을 접합하기 위해서는 수 암페어(A) 단위의 전류가

일정하게 공급되어야 한다. 일정한 전류를 공급하기 위하여 전체 시스템을

feedback 시스템으로 구성하였다. feedback시스템에서 가장 중요한 요소는 현재

head에 흐르는 전류를 검출하는 것인데 종래에 사용하던 망간판으로 구성된 전류

센서는 기기의 내,외부의 온도편차 및 제작 오차등에 의하여 선형특성이 나쁘기 때

문에 포화영역 내에서 우수한 선형특성(0.1~1%)을 유지하며 빠른 출력응답특성,

우수한 온도특성을 가진 훌소자센서를 채택하였다. 전류의 설정은 전면부의 외부

입력장치인 RUN신호에 따라 설정된 값을 PWM (Pulse Width Modulation)변조 하

여 1GBT의 게이트 신호로 보내어지고 AC 교류를 정류(RECTFIER)하여 캐패시스터

뱅크에 저장된 직류 전류 전부를 인버팅하여 변압기 1차측에 가하고 2차 측으로부

터 전파정류된 펄스성의 전류가 부하에 공급될 때 전류센서에서 전류를 검출하여

실제 설정된 값과 비교하여 그 오차에 해당하는 양을 제어기에 주고 제어기를 통과

한 양은 PWM 드라이브에 출력을 함으로써 Head에 설정된 양만큼의 전류를 공급

하도록 설계되어 있다.

(2) 고속응답제어

설정된 값으로 변조된 PWM (Pulse Width Modulation)파형과 출력되어지는 전류값

이 오버슈트 없이 실현되기 위해서는 전류검출기와 전류증폭 및 오차증폭기의 빠른

출력응답특성 따라 고속응답의 실현이 가능하다. 종래에는 사용되던 전류출력 값을

전류증폭기(AMP)에서 적분하여 MIX회로에서 설정된 값과 오차 증폭을 하여 변조하

던 방식은 고속응답을 실현하기가 매우 어렵다. 따라서 출력되어지는 파형이 기립

될 때 그 높이를 검출하여 출력 값으로 읽어들이는 방식을 택하였다. 출력펄스의 1

펄스의 주기는 0.25ms이고 이것에 동기 하여 매 주기의 기립 후 0.1ms에서 값의

높이를 읽어 설정된 값과 비교함으로써 응답속도는 최고 1주기인 0.25ms 이내로

제한하였다. 또한 종래의 싸이리스터를 사용한 위상제어방식은 교류전원 주파수가

60Hz일 때 반주기는 8ms이어서 최저 오차수정을 위하여 필요한 1주기인 16ms이

상이 걸리기 때문에 제어소자는 1GBT를 택하였다. 1 GBT의 제어 가능 주파수는

약 50Khz에도 가능하므로 본 회로에서는 충분한 여유를 가지고 있다.

(3) 용접모드변경이 가능한 자동조절제어

제어는 원칩 마이크로프로쎄서(Microprossor)로 기본 프로그램은 롬(ROM)상에 상

주하고 변화되는 설정된 값을 램(RAM)상에서 지정 또는 수정하도록 구성하였다.

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사용된 마이크로프로세서 80C196은 외부입력 장치인 PLC등의 출력을 오픈콜렉터

로 입력시킬 수 있으며 웨이퍼를 접합할 때는 먼저 태그(tack)를 하여 모재와 피용

접물을 고정시킨 후 시임(seam) 용접을 하여야 하기 때문에 외부의 장치로부터 스

폿(spot)과 시임(seam)의 모드를 변경 가능하도록 프로그램 되어있으며 태그와 시

임의 외부 지정 시 미리 설정되어 있는 모드로 자동조절 되도록 구성되었다.

설정된 값은 최고 999단계의 전류 또는 모든 작업 사양을 설정할 수 있으며, 만약

이것이 실현되지 않으면 1판에 여러개의 용접을 할 경우 먼저 태그를 모두 한 다음

설정을 바꾸어야하는 번거로움으로 인한 작업효율이 떨어지게 된다.

(4) 전압시간제어

출력펄스의 모양과 전류의 주기(시간)에 따라 용접의 품질의 변화를 가져온다. 이것

은 사각형상의 모재를 가로와 세로로 시임 용접을 할 때 먼저 가로용접을 하고 세

로로 용접을 하면 가로 용접했던 부분의 용접 시작점과 용접이 끝난 부분이 겹쳐지

게 용접을 하게 되는데 이것은 한 부위에 2번열을 가하게되어 용접 표면이 변색 되

거나 변질되어 용접 품질이 떨어지게 된다. 이것을 막기 위해 RUN신호가 접수되면

SQZ값이 설정된 시간 후에 Soft Start (UP)<0~999ms>하여 설정된 전류값까지 상

승하여 유지(HT)<0~9999ms>한 다음 Soft Down(DP)<0~999msec>하도록 구성되

었다. 또, 계속 전류를 가하게 되면 열 폭주로 인한 소재의 변형을 막기 위해 Start

에서 End 까지 전 주기에 걸쳐 출력은 ON, OFF을 반복하도록 하였다.

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사진 18 Driver 및 Controller 부

사진 19 전기배전반

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제 2 절 Welding Unit 설계 및 제작

2 -1. Welder Power 설계 (DYW-250Q)

Welder power는 seam seal welding 시스템의 welding상태의 품질을 결정하는 결

정적인 요소이다. 반도체 PKG와 Lid의 모재의 특성에 따라서 적절한 power를 인가

할 수 있도록 welder power단은 설계가 되어 있다. Welder power 전체 시스템의

Block선도는 아래그림과 같다.

그림 17 Welder power 전체 시스템 블록도

LCD panel를 통하여 모재의 특성에 가장 적절한 power를 조설하는 parameter를

설정하도록 설계가 되어 있다. 아래 그림은 welding 시의 전기적 전류곡선을 보여

주고 있다.

그림 18 Welding시의 전시적 전류 profile

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SQEZ : Squize time: Start 신호를 받은 후 Holding하는 시간

UP : Up Slope Time: 설정 전류치까지 상승하는 시간

WT : 설정 전류로 Welding을 하는 시간

CT : Welding후 다음 Welding 까지 냉각 시간

HT : Welding을 지속하는 설정 시간

DP : Welding 후 하강하는 시간

Curr : 설정 전류치

Welding 시의 Head에 흐르는 전류곡선은 Head의 이동속도와 밀접한 관계가 있다.

Head를 이송하는 Motor는 가속 정속 감속의 속도 profile를 갖고 속도제어가 되고

있다. 따라서 가속구간에서는 Head가 PGK.와 Lid를 이동하는 시간이 느리기 때문

에 적은 전류를 공급하고 Max. 속도로 Head를 이동하는 정속구간에서는 PGK.와

Lid에 공급되는 전류를 크게 하며, 목표지점에 가까운 지점에서는 Head를 정지해

야 함으로 서서히 속도를 줄이는 감속제어를 함으로 Head가 PGK.와 Lid에 머무는

시간이 길어짐으로 전류의 크기를 줄이도록 설계가 되어있다. 결론적으로 Welding

하고자 하는 모든 영역에서 일정한 온도를 유지하도록 Head 이동 속도가 빠른 구

간에서는 큰 전류를 이동속도가 느린 구간에서는 적은 전류가 흐르도록 welding

unit는 설계가 되어 있다. 아래 그림은 실제 제작된 Board와 welder system의 외

관 사진이다.

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사진 20 Welder Board

사진 21 제작된 Welder Controller 외관

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2-2. 용접 특성 분석

(각종 재료의 용접특성과 전극재료의 선택기준)

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제 3 절 단품 Test 및 평가

3-1. 성능평가 방법

▷ Welder power관련 평가

Welder의 성능은 resolution과 가변범위를 어느정도까지 설정 가능한지에 의해서

결정이 된다. 현재 SSW에서 필요한 기능은 PGK.와 Lid에 따라서 적절한 power를

공급하기 위하여 다음과 같은 parameter를 설정하도록 설계가 되어 있다.

UP : Up Slope Time: 설정 전류치까지 상승하는 시간

WT : 설정 전류로 Welding을 하는 시간

CT : Welding후 다음 Welding 까지 냉각 시간

HT : Welding을 지속하는 설정 시간

DP : Welding 후 하강하는 시간

Curr : 설정 전류치

시간관련 resolution은 msec 단위로 설정이 가능하고, 전류관련 resolution은 A단

위로 설정이 가능하다. 설정가능범위는 WT, CT는 1 ~ 99 msec, UP, DP는 1 ~

999 msec, HT는 1 ~ 9999 msec까지 설정이 가능하도록 설계가 되어있다. 또한

전류인 Curr는 1 ~ 999 A까지 설정되도록 설계가 되어 있다. 실제 설정된 전류를

어느 정도까지 공급하는지는 current sensor를 이용하여 실측하였다.

▷ 이송메카니즘 위치정도 평가

이송메카니즘들의 위치 정도는 working distance안에서 다양한 이동거리를 설정하

고 10회 반복 이동을 통하여 최종적으로 시작점과의 차이를 실측을 통하여 평가하

였다.

▷ 용접속도 성능 평가

용접속도는 welder Head의 이동속도와 직접적인 관계가 있다. 따라서 PGK.와 Lid.

의 용접 품질을 고려하면서 Head 메카니즘의 속도 profile를 어떻게 설정하는가에

의해서 결정이 됨으로 최종적으로 Head 메카니즘의 속도 profile로부터 용접 속도

를 평가할 수 있다.

- 35 -

▷ 최종시제품 성능평가

l차적으로 비젼시스템를 이용해 외관검사를 하고 2차적으로 정밀검사를 통해서 성

능을 검사하였다. 정밀검사는 시제품의 주변 응용회로를 구성하여 welding하면서

PGK내의 회로에 열충격으로 인하여 회로에 손상이 있는지를 검사하는 것이다.

3-2. 단품 Test 및 결과

아래 그림은 본 과제의 핵심 기술 분야인 welding분야를 간이적으로 test하기 위하

여 만든 Lab장비에서 여러 가지 조건을 바꾸어가면서 welding한 시제품을 250배

확대한 사진들이다.

사진 22 1st Test 결과(부적합) 사진 23 2nd Test 결과(부적합)

사진 24 3rd Test 결과(적합) 사진 25 4th Test 결과(부적합)

사진 26 5th Test 결과(부적합)

- 36 -

▶ Tack, X, Y Seam Welding Test 조건 (5X 7 Size 기준 Testing)

1. 1st Test

2. 2nd Test

3. 3rd Test

4. 4th Test

- 37 -

5. 5th Test

사진 27 시험성적서(샘플1)

사진 28 시험성적서(샘플2)

- 38 -

사진 29. PKG 용접부 정밀 검사(전체외관)

사진 30. PKG 부품 정밀검사(모서리부)

- 39 -

사진 31. PKG부품 정밀검사(모서리부 확대)

사진 31. PKG부품 정밀검사(용접부 단면)

- 40 -

제 3 장 결과

제 1 절 기술개발결과

반도체 패키지용 Seam Seal Welding System을 설계, 제작하였다.

이를 위하여 1차 년도에는 개발대상제품의 선진국 시스템 분석을 통하여 요구되는

최고 사양을 정립하였고, 시스템의 기구적 메카니즘, 공정제어 알고리즘 개발, 각

단품별 상세설계 및 제작, 단품별 성능평가를 수행, 1차 시제품인 Working

Prototype을 완성, 수요업체에 제공하여 성능을 검증받았다. 2차년도에는 1차 시제

품을 수정 보완하여 완성된 최종 시제품을 설계, 제작하였고, 아울러 미세정밀 용접

전원 개발, 용접 Head 및 전극기술개발. MMI 프로그램을 구성, User Interface 공

정프로그램을 완성하였다. 최종 시제품은 수요업체에서 성능을 검증하여 개발시스

템의 완성도를 확인하였다.

제 2 절 기대효과

1) 기술적 파급 효과

현재 휴대폰에는 Seam Welding System에 의해 생산되는 4~5개의 Saw Filter와

Oscillator가 들어가는데 현재는 물론 향후 늘어나는 휴대폰 생산증가 추세에 맞추

어 이들 부품소요는 증대될 것임.

군사용으로 쓰이고 있는 통신장비에도 이들 부품이 많이 사용되고 있음. 이들 통신

분야 분만 아니라 PDA. TV, RADIO, VIDEO등 다른 많은 전자제품에도 Saw Filter

와 Oscillator가 필수적으로 들어감에 따라 이들 제품을 생산하는 대부분의 전자회

사에서도 본 장비를 필요로 함.

2) 경제적 파급효과

휴대폰 생산이 점점 늘고 있는 추세에 발맞추어 휴대폰에 들어가는 Saw Filter,

Oseillator 등의 부품은 계속적 증산이 요구될 것이며 저렴한 Seam Seal Welding

System의 국산 개발은 국내부품 생산업체의 생산성 향상에 기여하여 제품의 Cost

Down 으로 국제 경쟁력을 제고 할 수 있음.

본 장비를 필요로 하는 업체들은 국내뿐만 아니라 이동 통신 사업 확대를 계획하는

중국과 대만, 동남아시아 시장에도 동시에 높은 매출이 기대되며 장비의 대량생산

요구가 예측되며 고용 창출증대에 기대됨.

- 41 -

◉ 참고 문헌

(1) 전자회로, 손상희외 공역, 피어슨에듀케이션코리아, 2001년

(2) 전자회로실험, 이성호 최창규 공역,피어슨에듀케이션코리아, 2001년

(3) Measurement system Application and Design, Ernest O.Doebelin,

McGRAW-HILL, 1990

(4) Avio maintenance manual. 2000

(5) Mechatronics, Bradely, Chapman Hall, 1999

- 42 -

부록

(실적물 첨부자료)

- 43 -

한국반도체장비회지 제2권 제2호 (2003년 6월)

Journal of the Korean Society of Semiconductor Equipment Technology,

Vol. 2, No. 2. June 2003.

반도체 Package용 Seam Seal Welding System 개발

이우영* . 진경복**. 오장환***

Development of Seam Seal Welding System for

Semiconductor Package

Woo Young Lee*, Kyoung Bog Jin**, Jang Hwan Oh***, and Kyung Su

Kim****

ABSTRACT

Seam seal welding on the semiconductor package is a process for sealing

the packages of semi-conductors, crystal parts, saw filters and oscillators

with lid plate by seam welding. This paper presents the development process

of automatic seam seal welding system. In this process, the process

algorithm, high precision welding current control, design of welding head, high

speed and high precision feeding mechanism and user interface process

control program technologies are included.

Key Words : Seam seal welding, Welding current control, Feeding mechanism,

user interface process control

* 한국기술교육대 기계공학부

** 한국기술교육대 제어시스템공학과

*** 한국기술교육대 전자공학과 대학원

- 44 -

1. 서 론

Seam Seal Welding(SSW)은 Roller 전극을 이용하여 Package형 반도체, Crystal

부품, Saw Filter, Oscillator 등의 Package 본체와 Lid라 불리우는 반판형의 두껑

을 용접에 의한 접합을 통하여 완전 밀봉시키는 가공방법으로 Fig. 1은 그 적용 예

를 보여주고 있다.

Fig. 1. Seam Seal Welding Samples

Fig. 2는 통전에 의한 package와 Lid간의 용접원리를 보여주는 그림이다. SSW의

원리는 Roller 전극을 이용하여 정확한 전류와 용접시간, 그리고 압력을 조절하여

최상의 밀폐용접을 형성시키는 것으로 특수 용접컨트롤러가 필수적이다.

Fig. 2. 통전에 의한 package와 Lid간의 용접원리

Fig. 3은 SSW에 의한 Package의 용접순서를 보여주는 것으로 일차적으로 Lid가

Package로부터 지정된 위치에서 이탈이 없도록 하기 위한 Tag Welding을 수행하

고 이후 X 방향 및 Y 방향으로의 연속적인 Seam Welding을 수행하게 된다.

- 45 -

실링 및 리드의 재질은 열 팽창계수가 세라믹에 가까운 금속인 Fe-Ni-Co을 사용

함으로써 접합시의 열영향에 의한 세라믹베이스 균열을 피할 수 있도록 고려하여

또 밀봉시에 실링 및 리드의 소재를 녹이지 않고 적은 열 투입으로 확산 접합을 하

기 위해 표면에는 니켈 도금이 되어 있다. SMD 세라믹 패키지의 parallel seal접합

은 패키지의 실링위에 정확하게 리드를 얹고 평행하게 늘어놓은 한 쌍의 테이퍼롤

러 전극을 리드의 가장자리에 적당한 압력으로 접촉시켜, 롤러 전극을 펄세이션 통

전하면서 회전 주행함으로써 리드와 실링 사이의 접촉저항에 의한 발열에 의해 미

리실링과 리드에 도포되어 있는 니켈도금의 확산접합으로 seam 봉지하는 방법이

다.

(a) Tag welding

(b) X축 방향 seam welding

(c) Y축 방향 seam welding

Fig. 3. Seam seal welding에 의한 Package의 용접순서

- 46 -

반도체 package등에서 SSW를 채용하는 이유로는 다음과 같은 장점이 있기 때문이

다.

① 완벽한 sealing이 이루어진다. 따라서 부품 내에 외부의 공기유입이 전혀 없다.

② 특수용접 컨트롤러의 사용으로 Lid가 타지 않는다.

③ 짧은 Tact Time에 이루어진다.

④ 질소 분위기에서 작업함으로써 산화 없이 깨끗이 sealing된다.

2. Seam Seal Welding System의 설계

본 연구개발에서는 전체 제어 축수가 20개인 자동 SSW 시스템을 개발하였으며 장

비개발에 필요한 핵심 기술은 다음과 같다.

(1)미세 정밀 용접 전원기술

미세전류 및 전력제어기술, 고속응답 전력제어기술, 예열 자동조절제어기술, 용접전

압 시간 제어기술

(2) 용접 Head및 전극기술

박판재료의 열적, 전기적 특성 분석기술, 용접 헤드부의 정밀 force제어기술, 용접

헤드부의 dead weight에 의한 정밀 stroke 제어기술, Seam roller 메커니즘에서 고

정속도, 정점 정지 모드의 두점 미세제어 기술

(3) 고속, 고정밀 이송메카니즘 및 제어기술

고강성 이송 메카니즘설계, Backlashless 메카니즘 설계, 고속 seek 알고리즘기술,

강인한 최적 시간제어 알고리즘

(4) User Interface 공정제어 프로그램 개발

신호계측 및 처리기술, 그래픽 프로그램 처리기술, Embeded제어알고리즘, System

Integration 기술

2.1. 기구 메커니즘 설계

2.1.1 구조적 안정성을 고려한 구조설계

SSW 시스템은 이송부의 운동시 동작의 안정성 및 정밀성을 무엇보다 요구한다. 시

스템의 구조는 단면의 강성계수가 높은 ㄹ자 단면형상 및 ㄷ자 단면형상의 견고한

알루미늄 압출 보를 기본 골격으로 하여 브릿지 형태의 구조체를 형성하도록 하였

으며 이를 바탕으로 over hang 형태로 각 제어축을 부착하는 단순한 구조를 택하

였다.

2.1.2 위치결정 정밀도를 향상시키기 위한 기구설계

X, Y축의 직선 축으로 이루어진 station과는 달리 𝜃라는 회전축을 개발하여 X, Y,

𝜃를 결합한 3방향 station 이 base위에 안착된 PGK의 형태에 대응하는 정밀한

Lid 장착이 가능한 구조를 설계하였다.

- 47 -

2.1.3 Fig. 4는 마이크로 스텝모터를 채용하여 백래쉬가 발생하지 않는 정밀 용접

기구의 구조도를 보여주고 있다. 마이크로스텝 모터의 채용시 기존 서보모터의 채

용에 비해 이송 위치 제어 분해능이 뛰어나고 보상제어가 필요없다는 장점과 빠른

응답성을 기대할 수 있다.

Fig. 4. 제작된 마이크로 스텝모터를 채용한 헤드구조

2.2.시스템 공정제어

SSW 시스템의 공정제어는 앞서 기술한 시스템의 작동원리에 바탕을 두고 알고리즘

을 작성, 프로그램화 하였다. 사용자 편의성을 최대한으로 고려하여 GUI 그래픽 프

로그램으로 작성하였다. 본 연구개발에서 적용한 제어기술은 다음과 같다.

2.2.1 미세전력 제어

반도체 웨이퍼, 또는 리드프레임을 접합하기 위해서는 수 암페어(A) 단위의 전류가

일정하게 공급되어야 한다. 일정한 전류를 공급하기 위하여 전체 시스템을

feedback 시스템으로 구성하였다. Feedback시스템에서 가장 중요한 요소는 현재

head에 흐르는 전류를 검출 하는 것인데 종래에 사용하던 망간판으로 구성된 전류

센서는 기기의 내, 외부의 온도편차 및 제작 오차 등에 의하여 선형특성이 나쁘기

때문에 포화영역 내에서 우수한 선형특성(0.1~1%)을 유지하며 빠른 출력응답특성,

우수한 온도특성을 가진 훌소자센서를 채택하였다. 전류의 설정은 전면부의 외부

입력장치인 RUN신호에 따라 설정된 값을 PWM (Pulse Width Modulation)변조하여

IGBT의 게이트 신호로 보내어지고 AC 교류를 정류(RECTFlER)하여 캐패시스터 뱅

크에 저장된 직류 전류 전부를 인버팅하여 변압기 1차 측에 가하고 2차 측으로부터

전파 정류된 펄스성의 전류가 부하에 공급될 때 전류센서에서 전류를 검출하여 실

제 설정된 값과 비교하여 그 오차에 해당하는 양을 제어기에 주고 제어기를 통과한

양은 PWM 드라이브에 출력을 함으로써 Head에 설정된 양만큼의 전류를 공급하도

록 설계 되어 있다.

- 48 -

2.2.2 고속응답 제어

설정된 값으로 변조된 PWM(Pulse Width Modulation)파형과 출력되어지는 전류값

이 오버슈트 없이 실현되기 위해서는 전류검출기와 전류증폭 및 오차증폭기의 빠른

출력응답특성에 따라 고속응답의 실현이 가능하다. 종래에는 사용되던 전류출력 값

을 전류증폭기(AMP)에서 적분하여 MIX회로에서 설정된 값과 오차 증폭을 하여 변

조하던 방식은 고속응답을 실현하기가 매우 어렵다. 따라서 출력되어지는 파형이

기립 될 때 그 높이를 검출하여 출력 값으로 읽어 들이는 방식을 택하였다. 출력펄

스의 1펄스의 주기는 0.25 ms이고 이것에 동기 하여 매 주기의 기립 후 0.1 ms에

서 값의 높이를 읽어 설정된 값과 비교함으로써 응답속도는 최고 1주기인 0.25 ms

이내로 제한하였다. 또한 종래의 싸이리스터를 사용한 위상제어방식은 교류전원 주

파수가 60㎐일 때 반주기는 8 ms이어서 최저 오차수정을 위하여 필요한 1주기인

16 ms이상이 걸리기 때문에 제어 소자는 IGBT를 택하였다. IGBT의 제어 가능 주

파수는 약 50 Khz에도 가능하므로 본 회로에서는 충분한 여유를 가지고 있다.

2.2.3 용접모드 변경이 가능한 자동조절 제어

제어는 원칩 마이크로프로세(Microprocessor)로 기본 프로그램은 롬(ROM)상에 상

주하고 변화되는 설정된 값을 램(RAM)상에서 지정 또는 수정하도록 구성하였다.

사용된 마이크로프로세서 80C196은 외부압력 장치인 PLC등의 출력을 오픈콜렉터

로 입력시킬 수 있으며 웨이퍼를 접합할 때는 먼저 태그(tag)를 하여 모재와 피용

접물을 고정시킨 후 시임(seam) 용접을 하여야 하기 때문에 외부의 장치로부터 스

폿(spot)과 시임(seam)의 모드를 변경 가능하도록 프로그램 되어있으며 태그와 시

임의 외부 지정 시 미리 설정되어 있는 모드로 자동조절 되도록 구성되었다(2.2.2).

설정된 값은 최고 999단계의 전류 또는 모든 작업 사양을 설정할 수 있으며, 만약

이것이 실현되지 않으면 1판에 여러개의 용접을 할 경우 먼저 태그를 모두 한 다음

설정을 바꾸어야 하는 번거로움으로 인한 작업효율이 떨어지게 된다.

2.2.4전압시간 제어

출력펄스의 모양과 전류의 주기(시간)에 따라 용접의 품질의 변화를 가져온다. 이것

은 사각형상의 모재를 가로와 세로로 시임 용접을 할 때 먼저 가로용접을 하고 세

로로 용접을 하면 가로 용접했던 부분의 용접 시작점과 용접이 끝난 부분이 겹쳐지

게 용접을 하게 되는데 이것은 한 부위에 2번열을 가하게되어 용접 표면이 변색되

거나 변질되어 용접 품질이 떨어지게 된다. 이것을 막기 위해 RUN신호가 접수되면

SQZ값이 설정된 시간 후에 Soft Start(UP)<0~999ms>하여 설정된 전류 값까지 상

승하여 유지(HT)<0~9999ms>한 다음 Soft Down(DP)<0~999msec>하도록 구성되

었다. 또, 계속 전류를 가하게 되면 열 폭주로 인한 소재의 변형을 막기 위해 Start

에서 End 까지 전 주기에 걸쳐 출력은 ON, OFF을 반복하도록 하였다(2.2.1).

- 49 -

3. Welding Unit 설계 및 제작

Welder power는 seam seal welding 시스템의 Welding상태의 품질을 결정하는 결

정적인 요소이다. 반도체 PKG와 Lid의 모재의 특성에 따라서 적절한 power를 인가

할 수 있도록 welder power단은 설계가 되어 있다. Welder power 전체 시스템의

Block선도는 Fig. 5에서 보여주고 있다.

Fig. 5. Welder power 전체 시스템 블록도

또한, LCD panel를 통하여 모재의 특성에 가장 적절한 power를 조절하는

parameter를 설정하도록 설계가 되어 있다.

4. 단품 테스트 및 성능평가

개발된 시스템의 성능평가는 Welder power 관련 평가, 용접속도 성능평가, 최종

시제품의 비전시스템에 의한 성능평가등으로 나누어 수행하였다. Fig. 6은 본 연구

개발의 핵심 기술 분야인 welding분야를 간이적으로 test하기 위하여 만든 Lab장비

에서 여러 가지 조건을 바꾸어가면서 welding한 시제품을 250배 확대한 사진들이

다.

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(a) 3rd Test 결과(적합)

(b) 4th Test 결과(부적합)

Fig. 6. Test에 의한 welding 시제품 : (a) 3rd Test. (b) 4th test(×250배 확대)

5. 결 론

본 연구개발에서는 패키지형 반도체와 crystal부품, saw filler. oscillator등에 있어

package와 lid를 접합하여 밀봉시키는 seam seal welding 자동화 시스템을 개발하

였으며 이를 위하여 공정제어 알고리즘, 기구부의 고속, 고정밀 이송 메커니즘 설

계, 용접전원설계 및 제어기술, 시제품의 평가기술등 관련 핵심기술을 개발하여 시

스템을 제작하였다. 본 연구개발에서 완성한 장비는 기존 외국 장비와 비교하여 가

격, 성능면에서 우월한 것으로 평가할 수 있으며 이는 국내 반도체 산업의 기술력

향상과 국제경쟁력 향상을 가져올 수 있는 계기가 될 것으로 확신한다.

감사의 글

본 연구개발은 산자부 산업기반기술개발사업의 연구비 지원에 의하여 수행되었음.

- 51 -

참고 문헌

1. 전자회로, 손상희외 공역, 피어슨에듀케이션코리아(2001)

2. Measurement system Application and Design, Ernest O. Doebelin,

McGRAW-HILL (1990)

3. Mechatronics, Bradely, Chapman Hall (1999).

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Proceedings of 2003 Korea-Japan Joint

Workshop on Advanced semiconductor

Processes and Equipments

Aug. 21 ~ Aug. 24, 2003

Hotel Hyundai Geongpodae

Gangneung, KOREA

SPONSORED BY KOSEF AND JSPS

- 53 -

Development of a Seam Seal Welding System for Semi-

conductor Package

Woo YOUNG LEE*, KYOUNG BOG JlN**

*School of Mechanical Engineering, Korea University of Technology and

Education

307, Gajeon-ri, Byungchun-myun, Chunan-city, Chungnam, 330-708, KOREA

phone: +82-41-560-1134, fax: +82-41-560-1253

e-mail: wylee@kut.ac.kr

**Dept. of Control Systems Engineering, Korea University of Technology and

Eeducation

1. Introduction

Seam seal welding(SSW) on a semi-conductor package is a process for

sealing the packages of semi-conductors, crystal parts, osciallators with lid

plate by seam welding. Fig. 1 shows the, applications examples of SSW.

Fig. 1 Seam seal welding examples

The main principle of SSW is to sealing the packages by controlling the

precise current, current time, and welding pressure. Therefore the particular

welding controller is essential for SSW.

Fig. 3 shows the welding sequence of SSW. At first stage, The tag welding is

processed for positioning the lid on the face of the package at exeact

position. And then the seam welding is followed in X direction and Y direction

sequently.

- 54 -

Fig. 2 Schematic diagram of currect flow between package and lid

Fig. 3 Tag Welding Fig.4 Seam welding

(X direction)

Fig.5 Seam welding

(Y direction)

The material for sealing and lid is Fe-Ni-Co which is a kind of metal similar

to ceramic in thermal expansion coefficient. The surface of it is coated by

nickel.

The main advantages of SSW in semi-conductor package are as follows.

(I) The perfect sealing is possible. Therefore no out side gases exist inside of

the package.

(2) The lid does not burn due to particular welding controller.

(3) The tact time is very short.

(4) There are no oxidation due to nitrogen environment process.

2. Design of seam seal welding system

The core technologies for developing the SSW system are as follows.

(I) Precise welding current control

(2) Design the mechanism of welding head and the precision electrode

(3) High speed and high precision feeding mechanism and motion control

(4) User interface process control program

- 55 -

3. Design of moving mechanism

(I) Structual Design considering the stability of the system.

It is highly needed the stability and precision when the system operates so

fast. The structure of the system is designed in special channel shapes using

aluminum extrude products.

(2) Mechanism design for enhancement of positioning of welding area

To give the high posioning, the special rotaion axis (Q) is added to X, Y

parallel axes. It enables the precise positioning the lid on the PKG.

Fig. 6 shows the head mechanism of welding system which adapt the micro

step motor for backlashless movement of feeding parts.

Fig.6 Head mechanism with micro step motor

4. Process control of the system

The process control program is developed by considering the graphic user

interface. The core technologies for process control program are as follows.

(1) Precise control of welding current

It is needed to supply welding current in stable. It is designed in feedback

system. In this system the detection of the current which flows in head parts

is critical. The hall sensor is adapted to give good linearities and rapid

response.

(2) High speed response

(3) Automatic control function for easy change of welding mode

(4) The operating time control of voltage

5. Design of welding unit

The welder power is an important design factor which decide the quality of

welding. The system block diagram for welder power is Fig. 7.

- 56 -

Fig.7 System block diagram of welder power

6. Welding parts test and evaluation

The evaluation of the system developed in this research is performed by

vision test of welded PKGs. It is also developed the evaluation process by

specially designed Lab tester which consists the vision sensor and decision

rules. Fig. 8 shows some examples of vision test examples of welded PKGs.

(a) Pass (b) Fail

Fig.8 Vision test examples of the welded parts on PKGs

7. Conclusions

In this research, the seam seal welding system which can sealing the face of

PKGs with lid plate for semiconductor packages, crystal parts, saw filters, and

oscillators is developed. The precision process control algorithem, high speed

and high precision feeding mechanism, welding current supply unit, welding

parts test and evaluation unit are developed as core technologies.

Acknowledgments

We wish to thank all the contributors to the ASPE2003 for their cooperation in

the workshop program.

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References

[1] S. H. Son, Electronic Circuit, Pearson-Education korea, 2001.

[2] E. O. Doebelin, Measurement system application and design,

McGraw-Hill, 1990.

[3] Bradely, Mechatronics, Chapman Hall, 1999

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<첨부 1>

Specification of DYS-M2009

DAI YANG

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1. 개 요

본 장비는 Ceramic Package, Metal package 또는 병렬 Seam Welding(Lid Type)

을 하는 장비이다.

2. 장비 개요

본 장비는 Inverter Power Supply(DYW-2500)를 사용하여 Welding 상태의 품질을

향상시키며, Jig에 Package 및 Lid를 장착한 후 질소 분위기를 유지하는 본 장비의

Jig Holder에 Jig를 안착시킨 후 Start Button을 누르면 자동으로 Tack Welding과

Seam Welding을 수행하는 장비이다.

3. 장비의 구성 요소

(1) Weld Head

(2) Weld Power Supply

(3) X, Y Table and Control Unit

(4) Grove Box (Opt ion)

(5) Vaccume Oven Chamber (Opt ion)

(6) Vaccume Oven Chamber Control Unit (Opt ion)

(7) Dew Point Meter (Opt ion)

4. 장비 일반

(1) Input Power Source : AC220V(± 10%), 2Phase, 50㎐/60㎐, 20A

(2) Weld Power :

최대 출력 전류 : 2500A

용접 Trans 출력 : 최대 2500A, 무부하시 6.0V

제어 주파수 : 4㎑

사용 조건 : 0℃ - +45℃, 습도 90%이하

용접 전류 범위 : 300 - 2500A

(3) 질소 가스 압력 : 사용시 2 ㎏/c 이상,

(4) Chamber : Dew Point meter : 약 50 degree

★ 입력 질소의 Dew Point는 -70 degree C보다 낮아야 한다.

분당 100 litter의 질소를 주입한 후 5일 정도가 지나면 -50 degree C 정도를 유지

한다. 이 상태가 도달되면 50 degree를 유지하기 위해 분당 30litter 정도의 질소를

주입한다.

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(5) Dimension : 1200(W) x 800(D) x 1600(H)

(6) weight : 350㎏ (Sus Chamber를 포함한 중량)

5.장치 특성

(1) WeId Head : 위/아래 : Micro Step Motor Control

Motor 사양 : Power Max2 Hybrids

Holding torque : 253(Nm)

Rated Current : 2.3(Amperes DC)

Phase Resistance : 1.52Ω ± 10%

Drive : Motion Control by USB Port

Ball Screw : Pitch 5㎜

(2) X.Y Tabel : 좌/우/앞/뒤 : Micro Step Molar Control (상동)

Ball Screw : 피치 5㎜

(3) Work Size : 약 600㎜ x 300㎜

(4) Work Speed : Max 2 - 40㎜/Second

(5) Welder Power Supply (DYW-2500)

* 위 그림은 Welding 시의 전기적 전류 곡선을 나타내며 표는 곡선의 각 부분

에 대한 상세 설명 및 동작 위치를 표시해 준다.

SQEZ : Squize time : Start 신호를 받은 후 Holding하는 시간

UP : Up Slope Time : 설정 전류치 까지 상승하는 시간

WT : 설정 전류로 Welding을 하는 시간

CT : Welding후 다음 Welding 까지 냉각 시간

HT : Welding을 지속하는 설정 시간

DP : Welding 후 하강하는 시간

Curr : 설정 전류치

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(6) Control Panel

Main Power Switch : Backlighted Push-Lock button Switch

Start Switch : Backlighted Push-button Switch

Stop Switch : Backlighted Push-button Switch

Reset Switch : Backlighted Push-button Switch

Emergency Switch : Push-Lock Button Switch

(7) Operation System : Controlled by Computer with LCD Monitor

Using Visual Basic based on Windows95.98

(8) Chamber

Material : Stainless steel (Sus)

Dimension : 60㎜(H) × 80㎜(W) × 1800㎜(D)

Glove : Diameter of 8 inches, electrically conductive glove and a

pair of glove

Vaccum Pump : Nominal pump. speed : 29 ㎡/h

Max inlet pressure for water vapour : 40 mbar-hPa

Max water vapour pumping rate : 0.7 ㎏/h

Motor power : 0.9 ㎾

R.P.M : 1400 rpm

Noise Level : 65 ㏈(A)

Weight : 26 ㎏

Working temperature : 85 ÷ 90℃

Vaccum Gauge : Thermocouple Vaccum Gauge

Range : 1m Torr(ubar) ~ 990 Torr(mbar) for air or

nitrogen

Display Range : -19mTorr(ubar) ~ 990 Torr(mbar)

Operating temperatur range : +2 ~ +50 deg. Celsius

Nonvolatile Memory : for VAC. ATM and Set Points

Analog Output : Calibrated. 12bit resolution, 0.50

volts/decade

Weight : 1 lb. / 0.5 ㎏

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6. Working Program Interface

(1) Main Program

상위 Program은 Seam Welder Model(DYS-M2009)의 운용 Program의 Main Inter

face이다. 각종 Lid type Package를 Sealing 하기에 적합한 각종 기능을 포함하고

있다.

System Speed를 기존 타 방식과는 다른 Origin Mode, Jog(Low High) Mode,

Working Mode와 같이 3가지 방식으로 Speed를 조절할 수 있다.

또한 Main 화면에서 I/O의 상태를 확인할 수 있도록 별도의 Group을 만들어 각종

입력신호 및 Sensor에 대한 상태를 User가 즉각적으로 감지하고 손쉬운 고장진단

을 하도록 하였다.

또한 여러 가지 작업 Program을 Jog Mode로 쉽게 조절하여 작성할 수 있다.

그리고 Base를 기준으로 작업이 가능하도록 자동 기능을 추가하였다.

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(2) System Speed

2-1) Origin Speed

설비를 초기화 하는 속도(원점복귀속도)를 User가 조절할 수 있다.

Speed 조절 변수는 3가지이며, Start Speed, ACC/DEC, Max Speed이다.

Start Speed : Motor의 시작속도를 조절하는 변수

Acc / Dec : Motor의 가감속을 조절하는 변수

Max Speed : Motor의 최고 속도를 조절하는 변수

☞ User는 Max Speed를 조절함에 의해서 속도를 조절할 수 있다.

2-2) Jog Speed

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작업 Program을 작성시 필요한 기능인 Jog Mode의 속도를 조절할 수 있다.

속도 조절 변수 및 방법은 Origin Mode에서와 동일하다.

2-3) Working Speed

실제 동작에서의 속돌들 결정하는 변수로서 각종 변수들의 내용과 방법은 Origin

Mode에서와 동일하다.

(2) I/O Setting

현재 설비에서 작용되고 있는 Input, Output들에 대한 정보를 제공하는 Box로서

Output은 Manually 동작이 가능하다.

출력의 개별동작과 입력의 관계를 확인 가능하며 문제요소를 미연에 방지 가능하

다.

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(3) Current Position

각 축들의 움직임을 시각적으로 확인할 수 있도록 현재의 좌표를 절대좌료로서 표

시함으로서 위치에 대한 재확인이 가능하도록 구성하였다.

(4) Step Mode

작성된 작업 Program의 확인 및 Program 변경/추가시 사용되는 Button으로

"Step" 은 원하는 위치의 Program을 개별 동작시키며, "Flow Step"은 원하는

Position까지의 Program을 연속 동작시킨 후 일시정지 시키는 기능이다.

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(5) I/O Status

현재의 입력 상태를 Main Interface에서 시각적으로 볼 수 있도록 구성된 Menu이

다.

(6) Program Table

작업 Program을 작성후 전송 Button을 누른 경우 Program Table로 전송된다.

전송 후 이 Data를 기반으로 모든 Program이I 진행된다.

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(7) Data 관리 Group Button

New Data : 새로운 작업 Program을 제작할 때 Table을 Clear.

Load Data : 기 작성된 작업 Program을 Load하고자 할 때

Click.

Save Data : 작업 Program을 작성 후 File 형태로 보관하고자

할 때 사용.

(8) Edit Mode

Input Data : Program Table에 새로운 작업 Program을 작

성할 때 현 Mode를 Input Data Mode로 놓고

Table의 빈 공란을 Double Click하면 Motion,

I/O Mode로 변환 Edit Data : 기 작성된 작업 Program을 Load후 수정하는

경우 현 Mode를 Edit Data로 놓고 Program

Table의 수정이 필요한 Block을 Double Click

하면 수정 Mode로 변환 Insert Block : Program 수정 및 작성시 Table에 새로운

Block을 추가 하고자 하는 경우 현 Mode를

Insert Block에 놓고 원하는 위치를 Double

Click하면 사이에 새로운 Block이 추가된다. Delete Block : 불필요한 작업 공정을 삭제하기 위하여 사용하

는 Mode로 현 Mode를 Delete Block에 놓고

원하는 위치를 Double Click 하면 그 부분이

삭제된다.

(9) Working No.

현재 작업되고 있는 공정의 번호와 내용을 시각적으로 보이기

위해 추가된 Module로서 진행 상태를 User가 실시간 확인 가능

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(10) Cycle Time

현재 작업되고 있는 공정의 Cycle Time을 실시간으로 확인 가능

하고, 현재 작업 횟수를 표시해줌.

(11) Edit Mode

Position Mode, I/O Mode. Welding Mode를 선택할

수 있도록 하는 Module로서 Position Mode와

Welding Mode는 같은 Module로 묶여 있다.

I/O Mode는 상위 (5)번에서 보여진 I/O들을 실제 작

업과 연계시키기 위해 사용하는 Module임.

(12) Motion Mode

작업 Program을 작성할 때 Position 부분을 제어하여 Program을 작성할 수 있는

Module로서 상단의 현재 좌표 위치, 중간부분의 Jog Mode, 하단 부분의 목적위치

표시로 나뉘며, 최하단의 명령 Button으로 구성된다.

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12-1) Current Position : Program 작성시 User를 위해 현재 좌표를 시각적으로

보여 주는 부분.

12-2) Jog Box : 작업 Program 작성시 Position이동을 하기 위해 사용하는 Jog

Button, 각 축의 Low. High 이동을 나타냄.

12-3) Distance Position : 수치적으로 Position 이동을 시킬 수 있도록 구성된

Module, 원하는 치수를 기입 후 전송하면 그 치수만큼 이송.

(13) I/O Edit

각각의 I/O 들을 Class화 시켜 User가 원하

는 I/O를 원활히 사용할 수 있도록 구성된

Unit.

중간부위의 Condition은 Sensor입력을 받아

동작하도록 구성되 있다.

Position과 마찬가지로 Output 출력후 전송

하여 Program Table로 전송시킨다.

(14) Weld Mode

Tack, X Seam, Y Seam 의 3가지 Mode를 할수 있도

록 선택하는 Unit으로 User가 원하는 방식으로 Welding

이 가능하도록 구성되 있다.

현 Mode를 Click하면 각 Mode에 대한 Program 작성

Module이 활성화 된다.

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14-1) Tack Mode

Tack Welding을 할 수 있도록 구성된 Module로서 Tack Welding은 Package의 한

쪽 면만을 Welding 할 수 있도록 제한되 있다.

현 설비는 Z2축으로 제한되어 있으며 Jog Box로 위치를 이송시켜 Tack Welding

작업을 수행한다.

현 Mode에서 Tack Welding Speed를 조절할 수 있다.

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14-2) X Seam Mode

X축 Seam Welding을 수행하기 위한 Module로서 앞서 설명한 바와 같이 현재

Position, 목적 Position. Jog Box(X 축과 Z2측)이송, Seam On/Off Position.

그리고 기능 Button으로 “Undo”, “X Seam”이 포함되어 있다.

Exampl) Welding을 하고자 하는 위치까지 Position 이동을 한 후 상위 Mode를 활

성화시킨다.

Z2축을 정밀하게 Setting하고 Welding이 시작될 위치까지 이송시킨다.

이송 후 Welding 시작부에서 Seam On Position Button을 누르고, 다시 X 축 Jog

Button으로 이동시킨 후 끝지점에서 Seam Off Position Button을 누른다.

그리고 현재 위치를 전송한다.

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14-3) Y Seam Mode

Y축 Seam Welding을 수행하기 위한 Module로서 앞서 설명한 바와 같이 현재

Position, 목적 Position. Jog Box(X 측과 Z1축)이송, Seam On/Off Position 그리

고 기능 Button으로 “Undo". "Y Seam"이 포함되어 있다.

Exampl) Welding을 하고자 하는 위치까지 Position 이동을 한 후 상위 Mode를 활

성화시킨다.

Z2축을 정밀하게 Setting하고 Welding이 시작될 위치까지 이송시킨다.

이송 후 Welding 시작부에서 Seam On Position Button을 누르고, 다시 X 축 Jog

Button으로 이동시킨 후 끝지점에서 Seam Off Position Button을 누른다.

그리고 현재 위치를 전송한다.

☞ X. Y Seam Module에서 기능 Button "X. Y Seam"은 작업 Program 작성시 이

Button을 눌러야만 Welding을 test할 수 있다.

이 Button이 눌리지 않으면 Welding 동작을 실제 작업에서 확인 가능하다.

Program 작성시 확인코자 하는 경우는 이 Button을 Click하면 작성한 Welding

Program으로 다시한번 Test하게 된다.

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(15) Base Setting

Base에 장착된 Package를 자동으로 Seam Welding 할 수 있도록 DataBase화 하

여 작성된 Program.

동일한 형태의 Pallet 상단의 Package들을 동시에 Sealing 할 수 있도록 고안된 연

속 작업용 Program 으로서 1개의 Data (Package 좌우폭, Pallet 상의 좌우/앞뒤

data, Seam Welding data 등등)를 Setting 한후 이 기능을 수행하면 Pallet 상의

모든 Package를 동시에 Sealing할 수 있는 Program.

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이 보고서는 산업자원부에서 시행한

산업기술개발사업의 기술개발 보고서

입니다.