KR0137570B1 - 접촉식 고속가열/냉각 다이본더 - Google Patents
접촉식 고속가열/냉각 다이본더Info
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Abstract
본 발명은 반도체 제조장치에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 반도체 소자와 패키지를 결합시키는 접촉식 고속가열/냉각 다이본더에 관한 것으로 본딩 플레이트가 매우 빠른 온도상승/하강 시간을 갖도록 하기 위하여 본 발명에서는 다이본딩을 수행할 윗판인 본딩 플레이트는 열장고 및 본체와 차단되도록 하고 가운데 부분에는 진공으로 기판을 잡을 수 있도록 작은 구멍이 형성되어 있고 가장자리에는 다이본딩 후 재빨리 식힐 수 있고 본딩공정중에 포오밍가스(질소와 수소의 혼합가스)를 흘려줄 수 있도록 가스선과 연결된 구멍이 형성되어 있으며 또한 본체 내부에는 히터, 열전쌍, 그리고 온도 콘트롤러에 의해서 항상 일정한 온도를 유지할 수 있도록 한 열저장고가 구비되며, 열저장고(18)를 상승 하강시켜주는 작동부재는 정확한 수직 운동이 이루어지도록 안내기능을 하는 상하운동 가이딩기둥과 접촉용스프링 및 외부에 노출되어 직접 작동시키는 열장고 착/탈용 스위치로 구성됨을 특징으로 한다.
Description
제1도는 본 발명이 적용된 접촉식 고속가열/냉각 다이본더의 사시도.
제2도는 본 발명이 적용된 접촉식 고속가열/냉각 다이본더의 내부 구조 단면도.
제3도는 종래 다이본더의 구조 단면도.
＊도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＊
1 : 핫 플레이트(hot plate)2 : 다이본딩용 패키지
3 : 반도체소자(레이저다이오우드)4 : 진공홀더
5 : 포오밍가스 주입구6 : 샘플홀딩용 구멍
6a : 샘플홀딩용 진공연결선 7 : 히터
8 : 열전쌍 9 : 온도조절기
10 : 단열재11 : 높낮이 조절기
12 : 본체 접착용 자석13 : 접촉용 스프링
14 : 상하운동 가이딩 기둥
15 : 열저장고 착/탈용 스위치16 : 본딩 플레이트
17 : 단열재18 : 열저장고
19 : 본체20 : 열방출용 구멍
본 발명은 반도체 제조장치에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 반도체 소자와 패키지를 결합시키는 접촉식 고속가열/냉각 다이본더에 관한 것이다.
다이본더는 반도체 패키징 공정중 초기에 수행되는 반도체 소자와 패키지를 결합하는데 사용되는 것으로 가장 기본이 되는 장비이다.
다이본딩의 기본 개념은 첨부 도면 제3도에 도시한 바와 같이 핫 플레이트(1) 위에 반도체 소자가 다이본딩될 패키지 즉 기판(2)을 올리고 솔더를 올려 놓은 후 반도체 소자(3)를 올려 놓아 솔더가 녹아 굳으면서 접착시키도록 하는 것이다.
이러한 다이본딩의 종류도 매우 다양하여 반도체 소자 및 패키지의 종류 그리고 솔더의 종류에 따라서 적절한 다이본딩의 방법을 선택하여야 한다.
기존에 주로 사용되는 다이본딩의 방법은 솔더가 녹을 수 있는 온도로 유지되는 항온의 핫 플레이트(1) 위에 패키지 기판(2)를 올려 놓고 적당히 잘리워진 솔더프리포옴을 패키지의 원하는 부위에 올려 놓으면 솔더가 녹게 된다.
이때 반도체 소자(3)를 녹은 솔더위에 올려 놓고 접착을 용이하게 하기 위하여 스크러빙(소자를 평면 방향으로 살살 움직여 줌)을 한 후 패키지를 꺼내어 식히면 패키지와 반도체 소자(3)가 접착하게 된다.
이 방법의 단점은 항온의 핫 플레이트(1) 위에서 다이본딩된 패키지(2)를 식히기 위해 들어내는 순간 녹아있는 솔더의 표면장력에 의해 소자(3)가 뜨게 되어 작은 반도체 소자의 경우 패키지와 밀착되지 않을 확률이 크게 된다.
이를 방지하기 위한 다이본딩 방법에서는 가열되지 않은 핫 플레이트(1) 위에 패키지(2), 솔더프리포옴, 반도체소자(3)를 원하는 곳에 위치시키고 x-y-z 방향으로 움직일 수 있는 진공홀더(4)를 이용하여 반도체소자(3)를 적당히 눌러준 상태에서 핫 플레이트(1)를 가열하고 일정한 온도에서 솔더가 녹게 되면 진공홀더(4)를 움직여 스크러빙한 후 다시 진공홀더(4)를 고정시키고 핫 플레이트(1)의 전원을 끈 후 포오밍가스주입구(5)를 통하여 질소가스를 불어 넣어 냉각시키는 방법을 이용하는데 보통 다이본더의 경우 핫 플레이트(1)의 열용량(heat mass)이 매우 커서 이를 가열 혹은 냉각시키는데 상당한 시간이 소요되는 단점이 있다.
특히 근래에 급속도로 발전되어 온 반도체 레이저 다이오는 전기적인 신호를 입력받아서 빛을 발하는 소자로 많은 전류가 흐르기 때문에 소자내부에서 많은 열이 발생한다.
이때 레이저 다이오우드를 안정되게 작동시키려면 발생된 열을 빨리 외부로 빼내 주어야 하는데 열을 외부로 빼내주는 가장 효과적인 경로가 바로 다이본딩을 한 레이저 다이오우드와 패키지의 접촉부위를 통하는 방법이다.
이때 효과적으로 열을 제거해 주기 위해서 우선 열전도 계수가 큰 솔더를 사용하고 솔더의 두께도 가능하면 얇게 해야 한다.
그런데 솔더가 얇아지면 반도체소자와 패키지 사이에 공간(void)이 생길 확률이 커지고 열저항이 커지고 접착력도 떨어지게 되어 반도체소자(특히 레이저다이오우드)가 빨리 열화되어 수명이 줄어들게 되므로 매우 세심한 주의가 필요하다.
레이저 다이오우드 다이본딩용 솔더로 가장 안정된 것은 Au/Sn 유테틱 솔더인데 본딩시 열저항을 줄이고 고정 안정화를 위해 보통 Au/Sn 유테틱 솔더를 약 3-5 마이크로미터 정도를 얇게 입힌 패키지를 사용하게 된다.
이렇게 솔더가 입혀진 패키지를 사용할 때 가장 중요한 조건이 온도 및 시간으로 핫 플레이트에 패키지 및 레이저다이오우드를 올려 놓고 낮은 온도(상온에서 약 100도 사이)에서 용접 온도인 310℃ 까지 약 10초만에 가열한 후 스크러빙하고 10초가량을 머문 후 다시 약 10초만에 낮은 온도로 냉각시켜야 한다.
이렇게 빨리 온도를 올리고 내릴 수 있는 다이본더를 핫 플레이트를 사용해서는 제작이 불가능하므로 적외선 램프같이 매우 빨리 가열할 수 있는 환경을 이용하는 특수 다이본더가 가능할 뿐이다.
그런데 이러한 특수 다이본더는 장비가 매우 크고 복잡하며 고가인 단점이 있다.
이와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해서 안출된 본 발명에서는 매우 빠른 온도상승/하강 시간을 갖도록 한 접촉식 고속가열/냉각 다이본더를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 다이본딩을 수행할 윗판인 본딩 플레이트는 열장고 및 본체와 차단되도록 하고 가운데 부분에는 진공으로 기판을 잡을 수 있도록 작은 구멍이 형성되어 있고 가장자리에는 다이본딩 후 재빨리 식힐 수 있고 본딩공정중에 포오밍가스(질소와 수소의 혼합가스)를 흘려 줄 수 있도록 가스선과 연결된 구멍이 있다.
또한 본체 내부에는 히터, 열전쌍, 그리고 온도 콘트롤러에 의해서 항상 일정한 온도를 유지할 수 있도록 한 열저장고가 구비됨을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도와 제2도는 본 발명이 적용된 접촉식 고속가열/냉각 다이본더의 사시도와 내부구조를 보여주는 단면도이다.
제2도에서 다이본딩을 수행할 위판인 본딩 플레이트(16)는 열저장고(18) 및 본체(19)와는 단열재(17)에 의해 열적으로 차단되어 있고 단지 본딩플레이트(16)의 밑면이 열저장고(18)와 접촉될 수 있도록 하여 가열되도록 한다.
상기 본딩 플레이트(16)은 열저장고(18)와의 접촉시 열저장고(18)로부터 열을 많이 빼앗지 않도록 하기 위하여 가능한 한 작게 제작되어야 한다.
또한 가운데 윗부분에는 진공압으로 기판을 잡아 고정할 수 있도록 작은 샘플 홀딩용 구멍(6)이 형성되어 있고, 상기 샘플형성용 구멍(6)은 샘플홀딩용 연결관(6a)을 통해 외부로 빠져나와 진공펌프와 연결되어 있다.
그리고 가장자리에는 다이본딩 후 재빨리 식힐 수 있고 본딩공정중에 포오밍 가스(질소와 수소의 혼합가스)를 흘려 줄 수 있도록 가스선과 연결된 포오밍가스주입구(5)가 형성되어 있다.
본체 내부에는 본딩 플레이트(16)에 비해 열용량이 매우 커서 본딩플레이트와 접촉시 자신은 온도 변화가 거의 없도록 크게 제작된 열저장고(18)이 있으며, 상기 열저장고는 히터(7), 열전쌍(8) 그리고 온도조절기(9)에 의해서 항상 일정한 온도를 유지하도록 제작되었다.
또한 열저장고(18)로부터 방출되는 열에 의해서 다이본더 본체(19)가 지나치게 뜨거워지는 것을 방지하기 위하여 외면에는 다수의 방열구멍(20)을 뚫어 놓았다.
상기 열저장고(18)는 작동부재에 의하여 상승. 하강되면서 본딩플레이트(16)와 접촉/ 이탈되도록 한다.
상승 하강시켜주는 작동부재는 정확한 수직 운동이 이루어지도록 안내기능을 하는 상하운동 가이딩기둥(14)와 접촉용스프링(13) 및 외부에 노출되어 직접 작동시키는 열장고 착/탈용 스위치(15)로 구성되어 있다.
상기 상·하운동 가이딩 기둥(14)에 끼워 설치된 접촉용 스프링(13)은 열저장고(18)와 본딩 플레이트(16)가 접촉할 때 긴밀성을 유지시켜 준다.
높낮이 조절기(11)는 다이본딩될 소자의 높이에 따라 자유롭게 높낮이를 조절할 수 있도록 제작된 조절기이고, (15)는 열저장고 착/탈용 스위치로서 다이본딩 후 열저장고와 본딩 플레이트를 빨리 분리시켜 주는 스위치이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 살펴보면 다음과 같다.
먼저 온도조절기(9)를 이용하여 열저장고(18)의 온도를 다이본딩에 적합한 온도(여기서는 310℃ 임)로 일정하게 유지시키도록 히터를 가동시킨다.
포오밍가스주입구(5)를 통하여 포오밍가스를 서서히 불어주어 산화방지 분위기를 만들어 준다.
다음 샘플홀딩용 진공연결관(6)에 의한 진공압을 이용하여 반도체소자(3)가 다이본딩될 솔더(Au/Sn)가 입혀진 기판인 다이본딩용 패키지(2)를 본딩 플레이트(16)에 위치시킨다.
다이본더 위에 장작되어 있는 진공홀더(4)를 사용하여 본딩하고자 하는 반도체소자(3)를 패키지(2) 위에 정확히 일치시킨다.
스위치(15)를 작동시켜 열저장고(18)의 윗면을 본딩 플레이트(16)의 밑면에 접촉시킨다.
열저장고(18)의 온도가 본딩 플레이트(16)로 전달되어 기판 위의 솔더가 녹을 때 까지 기다린 후 진공홀더(4)를 좌우로 살살 움직여서 스크러빙 한다.
열저장고(18)와 본딩 플레이트(16) 간의 접촉시 열이 교환되므로서 이때 일어나는 온도변화를 간략하게 설명하면 다음과 같다.
일량의 변화 ΔQ=CMΔT로 주어진다.
여기서 ΔQ:열량변화, C:비열, M:질량, ΔT:온도변화이다.
이제 본딩 플레이트에 대한 변수를 각각 ΔQ, M1, ΔT=T12-T11(T11:열장고와 접촉하기 전의 온도, M12:접촉후의 온도임.)
라 하며, 열저장고와 본딩 플레이트는 같은 재질로 가공되어 물질의 고유 상수인 비열은 C로 같다고 생각하자.
그러면 T12는 용접을 수행하는 온도인 310℃이고, T11은 본딩 플레이트와 열저장고와 접촉하기전의 온도로 약 100℃정도가 되므로 ΔT=210℃이다.
T21=310℃의 온도를 유지하고 있던 열저장고가 낮은 온도의 본딩 플레이트와 접촉하면 열을 빼앗기게 되어 T22로 되며, 이때의 온도 변화는 ΔT2=T21-T22이다.
열평형방정식으로부터 ΔQ1=ΔQ2이므로 CM1 ΔT1=CM2 ΔT2, 즉, ΔT2=ΔT1M1/M2=210℃×M1/M2가 된다.
그런데 열저장고가 실질적인 열저장고로 작동되려면 본딩 플레이트와 접촉해서 열을 빼앗기더라도 온도 변화가 거의 없어서 온도 조절기에 거의 영향을 주지 말아야만 일정한 온도를 유지할 수 있다.
이러한 온도 변화의 한계는 ΔT21℃ 정도이므로 위의 식으로부터 M2210×M1이어야 한다.
즉 열저장고의 무게를 본딩 플레이트 보다 210배 이상으로 제작하여야 하며, 이 수치는 클수록 안정된 다이본더로 작동하는데 도움이 된다.
다음, 스위치(15)를 작동하여 열저장고를 본딩 플레이트에서 떼어내고 포오밍가스를 세게 불어 주어 빠른 시간내에 본딩플레이트가 식도록 한다.
포오밍가스를 잠그고 진공홀더를 들어 올린 후 진공펌프를 끄고 다이 본딩된 소자를 들어내므로써 모든 공정을 마친다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명은 매우 빠른 온도 상승/하강시간을 갖도록 하는 것으로 반도체소자 조립공정의 가장 초기 단계인 다이본딩시 가장 중요한 온도 및 시간을 정확히 맞추어 줄 수 있는 소형 및 저가의 다이본더를 제작하므로서 다이본딩 공정을 단순화 시킬 뿐 아니라 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 매우 유용한 기술인 것이다.
Claims (3)
- 내부에 히터(7), 열전쌍(8)을 구비하고 상.하 이동가능 하도록 본체(19)내에 설치 구성된 열저장고(18)와;상기 본체(19)와는 단열재(17)에 의해 결합되며 중앙부에 샘플홀딩용 구멍(6)이 형성된 본딩 프레이트(16)와;상기 본체(19) 내부의 열저장고(18)와 본딩플레이트(16)를 접촉/이탈 시켜주는 작동부재로 구성됨을 특징으로 하는 접촉식 고속가열/냉각 다이본더.
- 제1항에 있어서,열저장고(18)는 외부의 온도조절기(9)에 의하여 항상 일정한 온도를 유지되도록 하며, 상기 본딩플레이트(16)와의 접촉시 자신의 온도변화가 없도록 상대적으로 크게 형성하여 열용량(heat mass)이 매우 크도록 함을 특징으로 하는 접촉식 고속가열/냉각 다이본더.
- 제1항에 있어서,열저장고(18)를 상승 하강시켜주는 작동부재는 정확한 수직운동이 이루어 지도록 안내기능을 하는 상하운동 가이딩기둥(14)와 접촉용 스프링(13) 및 외부에 노출되어 직접 작동시키는 열장고 착/탈용 스위치(15)로 구성됨을 특징으로 하는 접촉식 고속가열/냉각 다이본더.
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