KR100293415B1 - 반도체 실장에 있어서 도전볼 고정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 BGA 방식의 반도체 실장 장치에 있어서, 반도체 칩을 실장한 기판의 반대면에 실장된 납볼을 고정하는 장치로서 일괄 처리 방식에 의하여 생산 속도를 향상시킨 장치에 관련된 것이다. 본 발명은 소정의 위치에 얹혀진 도전볼을 포함하는 복수개의 기판 스트림을 일정 간격을 두고 적층할 수 있는 적재수단과, 상기 적재 수단을 내부에 위치시켜 Flux를 제거하기 위한 소정의 가스를 주입하고 배기할 수 있고 상기 도전볼을 상기 기판에 부착 시킬 수 있도록 소정의 열을 가할 수 있는 챔버를 포함하는 도전불 고정 장치를 제공한다.

Description

반도체 실장에 있어서 도전볼 고정 장치{A Soldering Machine for Semiconductor Package System}

본 발명은 반도체 실장 장비에서 반도체 칩과 외부 회로 기판을 전기적으로 연결하는 도전볼을 고정 시키는 장치에 관련된 것이다. 특히, 본 발명은 BGA(Ball Grid Array) 방식의 반도체 실장 장치에 있어서, 반도체 칩을 실장한 기판의 반대면에 실장된 납볼을 고정하는 장치로서 일괄 처리 방식에 의하여 생산 속도를 향상시킨 장치에 관련된 것이다.

최근 급속한 반도체 산업의 성장으로 컴퓨터의 대중화는 물론 이동통신을 포함한 통신의 확산이 가속화되고 있다. 이러한 현대 사회의 전자 산업의 발전의 핵심이 바로 반도체 기술의 발전에서 비롯된 것이다. 반도체는 크게 논리(Logic) 소자와 메모리 소자로 나뉘는데, 제각기 다른 기능을 하고 있으나, 그 재료나 형상면에서 유사하며 이들을 서로 조합하여 새로운 제품으로 만들고 있다. 이렇게 다양한 제품으로 만드는 방법 역시 여러 가지가 존재하는데 그중에서 반도체 실장 기술이 가장 중요한 요소로 간주되고 있다. 반도체를 어떻게 포장하는가하는 실장기술은 수요자가 요구하는 기능을 갖는 반도체를 값싸고 효과적인 방법으로 정해진 시간내에 공급할 수 있는 방법을 찾아내는 작업이다. 종래에 사용되고 있는 반도체 실장 기술은 1959년 미국의 TI(Texas Instrument)사의 J.Kilby가 출원한 특허에 기인한 일명 리드(Lead) 방식을 사용하는 것이다. 리드 방식에 의한 반도체 실장 방법을 간략하게 살펴보면 다음과 같다. 먼저 집적회로가 구성된 실리콘 웨이퍼를 리드를 갖는 프레임(Frame)의 중심부에 위치시킨다. 그리고, 각 리드와 집적회로의 각 입출력 패드를 금(Gold)선으로 연결한다. 실리콘 웨이퍼와 리드가 외부의 충격에 견딜수 있도록 플라스틱이나 실리콘 재질로 성형 포장을 한다. 포장된 반도체 칩 외부로 돌출된 리드들은 그 칩이 사용될 방식에 알맞도록 구부림으로써 반도체 소자가 비로소 완성된다. 이와 같은 리드 방식은 실장이 완료된 반도체 소자의 리드가 전자 기기에 어떻게 연결되어 사용되는가에 따라서 여러 종류로 나뉘어진다. 종래의 반도체 실장 방법에는 Dual Inline Package(DIP), Single inline package(SIP), Pin Grid Array(PGA), Quad Flat Package(QFP), Thin QFP(TQFP), Small Outline Package(SOP), Thin SOP(TSOP) 등이 있다. 실장 방법들은 반도체 칩의 발전과 더불어 개발 발전되어온 것으로서, 반도체의 집적도가 급속도로 높아가는 추세에 따라 입출력 핀수가 증가하고, 초고속의 신호처리 및 고전압의 분산, 열의 효율적 방출등의 제반 특성과 동시에 경박단소라는 전자 부품업계의 필수 명제에 맞추어 진화되어온 것이다. 이중에서 가장 많은 입출력 핀의 수를 수용할 수 있는 것이 QFP인데, 일반적으로 0.5mm 정도의 핀 간격이 사용되고 있으며, 최소 0.3mm까지 가능하다. 그러나, 그 이하의 핀 간격은 생산공정이나 조립과정, 운반 및 취급도중에 핀의 손상이 가장 큰 문제로 남아 더 이상 간격을 좁힌다는 것은 불가능하다.

따라서, 외부의 충격에 대해 견고하고 많은 입출력 핀을 수용할 수 있는 실장이 필요하게 되었는데 그것이 바로 Ball Grid Array(BGA) 방식이다.

BGA 방식은 기존의 리드 프레임을 대신하여 PCB(Printed Circuit Board)를 사용함으로써 조립공정에서 트림(Trim), 폼(Form) 공정등을 없애고 PCB 기판 밑에 납볼을 장착시키는 공정 하나로 대체하는 획기적인 실장방법이다. BGA 방식은 리드 방식의 하나인 PGA(Pin Grid Array)에서 핀대신에 납볼을 사용한 것이기는 하지만, PGA가 미리 핀을 형성한 기판을 사용하여 실장을 완성하는 반면에 BGA는 납볼을 실장 완성 공정 후에 붙일 수 있으므로 기판이 저렴하고 대량생산에 유리한 장점을 갖고 있다.

BGA 방식에 의한 반도체 실장 방법을 간략하게 살펴보면 다음과 같다. 먼저 집적회로가 구성된 실리콘 웨이퍼를 밑면에 외부 기기와 연결되는 패드를 포함하고, 윗면에는 집적회로의 단자와 연결될 패드를 갖고 있으며 각 패드들을 회로적으로 연결되도록 구성된 PCB(Printed Circuit Board)의 윗면의 중심부에 위치시킨다. 그리고, PCB 윗면의 패드 집적회로의 각 입출력 패드를 금(Gold)선으로 연결한다. 실리콘 웨이퍼가 외부의 충격에 견딜수 있고 전기적으로 절연되도록 플라스틱이나 실리콘 재질로 성형 포장을 한다. 그리고, 실장이 완성된 PCB 기판의 밑면의 각 패드에 납볼을 부착함으로써 반도체 소자가 완성된다.

BGA 방식에 사용하는 기판에는 보통 PCB가 사용되는데, 세라믹이나 Flexible Circuit등이 활용되기도 한다. PCB를 사용하는 경우 흔히 plastic BGA(PBGA)라고 하고, 세라믹을 사용하는 경우 CBGA(Ceramic BGA)라고, flexible circuit를 사용한 경우 FBGA(Flex BGA 혹은 film BGA)라고 한다. 이외에도 구조나 사용 목적등에 따라 여러 가지로 분류하기도 한다.

본 발명은 반도체 칩이 장착된 기판의 반대면에 납볼을 범핑(Bumping) 즉, 얹어 놓은 후, 소정의 처리 과정을 통하여 고정 시키는 장비에 관련된 것이다. BGA 방식으로 반도체를 실장하는데 있어서, 반도체 칩이 실장된 기판의 밑면에 납볼을 장착하는 과정에 대하여 도면을 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 BGA 실장 방식에서 납볼을 장착하는 일련의 과정을 나타내는 개략도이다.

일반적으로 반도체 칩(13)이 실장된 PCB 기판(11)은 4개에서 6개 정도가 연결되어 있어 스트림을 이루고 있다. 상기 기판을 뒤집어서 납볼을 장착할 수 있도록 납볼 접점(15)이 형성된 밑면이 위로 올라도록 설치한다. 그리고, 납볼 접점(15)에 Flux(17)를 묻힌다. 납볼(21)들을 납볼 접점(15)에 고정하도록 하는 일종의 접착 물질이다. 납볼 공급장치를 이용하여 상기 Flux(17)가 도포된 납볼 접점(15)에 납볼(21)을 얹어 놓는다. 이 때, 납볼(21)은 접점(15)에 완전 고정된 것이 아니고, 기판(11)을 이동하거나 기판(11)에 약한 충격이 가해지더라도 납볼(21)이 접점(15)에서 이탈하지 않을 정도로 Flux(17)에 의해 약하게 접착되어 있다. 이 과정을 일반적으로 Bumping 과정이라고 부른다(도 1a).

Flux(17)에 의해 납볼(21)들이 부착된 기판(11)(혹은 복수개의 기판들이 연결된 스트림)을 컨베이 벨트(31)를 포함하는 솔더링(Soldering) 공정을 위한 장치로 이동시킨다. 솔더링 공정은 납볼(21)이 부착되어 있는 기판(11)에 열 에너지를 공급하여 납볼(21)을 기판(11)의 납볼 접점에 완전 고정 시키는 작업이다. 열 에너지를 가하게되면, 납볼(21)이 약간 팽창하면서 공기와 접촉에 의해 표면에 형성되어 있을 수 있는 산화막이 깨어진다. 깨어진 산화막 부스러기는 상기 Flux에 녹아 들어간다. 열 에너지에 의해 산화막을 녹인 Flux는 증발되어 날아간다. 그리고, 납볼(21)은 녹아서 기판(11)의 납볼 접점에 반구형상으로 완전 부착된다. 이 공정을 실시하는 장치는 일반적으로 4m에서 5m 정도 길이를 갖는 컨베이 벨트를 포함하는 리플로우 솔더(Reflow Solder) 시스템이다. 리플로우 솔더 시스템은 이미 종래 방식인 리드 프레임을 사용하는 반도체 패키지 시스템에서도 흔히 사용하던 것이다. 컨베이 벨트(31) 위를 납볼(21)이 장착된 기판(11)을 질소 혹은 불활성 기체 분위기로 형성된 챔버 속을 지나가면서, 열을 가하여 납볼(21)을 기판(11)의 납볼 접점에 완전 부착 시킨다(도 1b).

이로써, 반조체 칩을 실장한 PCB 기판에 외부 회로와 연결할 수 있는 연결체 즉, 범프가 형성되어 BGA 방식의 반도체 실장이 완료된다. 앞에서도 언급하였듯이 일반적으로 기판은 여러개가 연결되어 스트립을 이루고 있는데, 이들을 각각 분리하는 싱귤레이션(Singluation) 과정을 거치면 반도체 소자 한 개씩이 완성된다.

즉, BGA 방식의 반도체 실장 과정은 크게 반도체 칩 실장 공정, 도전볼을 얹어 놓는 범핑 공정, 도전볼을 고정 시키는 솔더링(Soldering) 공정 그리고, 스트림 상에서 기판을 하나씩 분리하는 싱귤레이션 공정을 포함한다. 여기에서 본 발명에 관련된 부분은 바로 도전볼을 고정 시키는 솔더링 과정이다.

이러한 종래의 솔더링 공정은 다음과 같은 문제점을 갖고 있다. 컨베이어 벨트 시스템의 길이로 인하여 작업 공간을 많이 차지한다. 일반적으로 반도체 공정은 크린 룸(Clean Room), 즉, 청정실에서 이루어지는데 청정실의 크기가 커지면 커질수록 청정실 관리에 따른 비용이 더욱 많이 소모된다. 따라서, 종래의 솔더링 장치는 부피가 커서 전체 생산에 소요되는 비용이 많았다. 더욱이, 커다란 솔더링 장치의 부피로 인하여 범핑 장비와 함께 일체형으로 제작하는데 어려움이 많았다.

본 발명의 목적은 일괄 처리 방식으로 여러개의 기판 스트림을 한번에 Flux 제거 및 도전볼을 고정 시키는 장치를 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 일괄 처리 방식을 사용함으로써 컨베이어 벨트 장치에 비하여 그 크기를 대폭 축소한 솔더링 장치를 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 크기를 대폭 축소한 솔더링 장치를 제공함으로써, 범핑 장치와 솔더링 장치가 일체형으로 구성된 도전볼 고정 장치를 제공하는데 있다.

도 1a는 BGA 방식으로 반도체를 실장하는 방법에서 Bumping 공정에 의해 납볼들이 기판의 납볼 접점에 Flux에 의해 접착된 상태를 나타내는 측면도이다.

도 1b는 종래의 컨베이어 벨트 시스템에 의해서 Flux를 제거하고 열을 가하여 납볼을 완전 고정 시키는 방법을 나타내는 개략도이다.

도 2a에서 도 2d는 본 발명에 의한 일괄 처리 방식으로 도전볼을 고정시키는 장치에 사용하는 기판 적재함의 예들을 나타내는 사시도이다.

도 3은 본 발명에 의한 일괄 처리 방식으로 도전볼을 고정시키는 장치의 기판 적재함에서 다른 형태의 적재 수단을 구비한 한 예를 나타내는 사시도이다.

도 4는 본 발명에 의한 일괄 처리 방식으로 Flux를 제거하고 열을 가하여 납볼을 완전 고정시키는 도전볼 고정 장치를 나타내는 개략도이다.

〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11, 111 : 기판(기판들을 연결한 스트림) 13, 113 : 반도체 칩

15, 115 : 납볼 접점 17 : Flux

21, 121 : 납볼(도전볼) 31 : 컨베이어 벨트

151 : 적재함 153 : 기판 받침대

153a : ㄷ자 형태의 기판 받침대 155 : 챔버

161 : 작업대 163 : 가스 흡입 장치

165 : 가스 배출 장치 167 : 가열 장치

종래의 솔더링 장치의 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 여러개의 기판을 충분한 간격으로 적층시킬 수 있는 카세트를 이용하여 한번에 여러개의 기판을 질소나 불활성 가스 분위기 상태, 소정의 진공상태, 혹은 필요에 따라서는 대기 상태의 챔버 안에서 소정의 열을 가하여 납볼을 완전 부착시킨다. 따라서 본 발명은 소정의 위치에 얹혀진 도전볼을 포함하는 복수개의 기판 스트림을 일정 간격을 두고 적층할 수 있는 적재수단과, 상기 적재 수단을 내부에 위치시키고 진공 상태 혹은 소정의 가스가 주입된 상태에서 상기 도전볼을 상기 기판에 부착 시킬 수 있도록 소정의 열을 가할 수 있는 챔버를 포함하는 도전불 고정 장치를 제공한다. 이하 본 발명에 의한 솔더링 공정을 도면을 이용하여 본 발명을 자세히 설명하면 다음과 같다.

반도체 칩이 실장된 PCB 기판을 뒤집어 설치한다. 일반적으로 복수개의 기판이 일렬로 배열된 스트림을 이용하여 여러개의 기판을 한번에 사용하기도 한다. 기판 혹은 스트림의 밑 부분에 형성된 납볼 접점에 Flux를 도포하고, 납볼을 얹어 놓는다. 그러면, 납볼이 아직은 납볼 접점에 완전히 부착되지는 않고, Flux에 의해 부착되어 있는 상태가 된다. 이상의 납볼 범핑 과정은 종래의 방법과 동일하며 본 발명의 주안점이 아니므로 도면으로 나타내지는 않았다.

이와 같이 반도체 칩(113)이 한면에 실장되고 반대면에 납볼(121)이 부착된 기판(혹은, 스트림)(111) 여러개를 적재함(151)에 적층 시킨다. 적재함(151)은 그 내부로 기체나 열 에너지가 충분히 공급될 수 있도록 개방된 형태를 갖는 것이 바람직하다. 일례로 도 2에 나타난 것과 같은 모서리 부분으로만 형성되고 육면이 개방된 육면체의 프레임 형태를 갖는 적재함(151)을 사용한다. 그리고, 육면체의 프레임 형태에 스트림(111)을 적재할 수 있도록 적어도 마주보는 두개의 사각 프레임에 받침대(153)를 형성한다. 이 때, 받침대(153) 사이의 간격 역시 그 사이로 기체나 열 에너지가 자유로이 전달될 수 있도록 충분한 간격을 확보하는 것이 바람직하다. 실험결과 약 10mm 내외면 가장 적절한 간격임을 알수 있었다. 이와 같은 적재함(151)에 여러개의 스트림(111)을 적재 시킨다(도 2a). 한 편, 적재함은 상기와 같이 육면체 프레임 형태에 국한된 것이 아니고, 적어도 하나 이상의 측면이 개방되고, 실장을 위한 반도체 기판을 적재할 수 있는 입방체의 프레임 형상이기만 하면 어떤 형태라도 상관이 없다. 도 2b, 2c, 2d들은 이러한 조건을 만족하는 여러가지 다양한 적재함의 예를 보여주고 있다. 도 2b는 삼각 기둥형의 프레임 형상을 갖는 적재함을, 도 2c는 8각 기둥형의 프레임 형상을 갖는 적재함을 그리고, 도 2d는 원 기둥형 혹은 타원 기둥형의 프레임 형상을 갖는 적재함을 나타낸다. 또한, 적재되는 기판(혹은, 스트림)(111)들이 외부의 진동이나 충격으로 인하여 적재함(151)에서 이탈되지 않도록 하기 위해 상기 상기 받침대(111a)의 단면 형상을 ㄷ자형으로 형성하여 기판()의 양 끝을 그 사이에 삽입할 수 있도록 하는 것이 더욱 바람직하다(도 3).

복수개의 스트림(111)을 적층한 적재함(151)을 챔버(155) 내부에 장착한다. 상기 챔버(155)는 작업대(161) 위에 설치되며 내부의 공기를 모두 외부로 배출 시킬 수 있는 가스 배출 장치(165)를 구비할 수 있다. 또한, 내부의 환경을 질소 혹은 불활성 기체 상태로 만들기 위한 소정의 기체를 유입 시킬 수 있는 가스 흡입 장치(163)를 구비할 수도 있다. 그리고, 챔버(155) 내부에 열 에너지를 가할 수 있는 가열 장치(165)를 구비할 수 있다.

챔버(155) 내부로 가스 흡입 장치(163) 및 가스 배출 장치(165)를 이용하여 진공 상태로 만들거나, 질소 혹은 불활성 가스 분위기 상태로 만든다. 또한, 필요에 따라서는 대기 상태를 유지할 수도 있다. 그리고 나서, 가열 장치(167)을 이용하여 납볼(121)에 소정의 열을 가하여 Flux를 기화 시킴과 동시에 납볼을 기판(혹은, 스트림)(111)의 밑면에 완전 부착한다(도 4).

이와 같은 적재함에 기판(혹은, 스트림)을 적층하고, 챔버 내부에 적재함을 장착하고, 질소 혹은 불활성 가스를 주입하거나 소정의 진공 상태로 만들거나 필요에 따라서는 대기 상태를 유지시킨 후, 열 에너지를 공급하여 Flux를 제거하고, 납볼을 고정 시키는 일련의 솔더링 작업을 사람이 일일히 수작업으로 진행 할 수도 있으나, 자동화 공정에 의해 수행할 수도 있다. 자동화할 경우 이전 공정인 납볼 범핑 공정에 사용하는 장치과 연결하여 납볼 범핑 및 솔더링 작업을 하나의 장치로 이룩할 수도 있다.

납볼이 완전히 납볼 접점에 완전히 부착된 기판들을 챔버 내부에서 꺼내어 다음 공정으로 넘어간다. 이때, 다음 공정에 사용하는 장치의 구조에 따라 스트림을 낱개로 공급할 수도 있다. 만일, 다음 공정에 사용하는 장치가 본 발명에 의한 솔더링 장치에서 사용한 적재함을 그대로 응용할 수 있다면, 적재함에 삽입된 상태로 공급할 수도 있다.

본 발명에 의한 일련의 솔더링 작업은 복수개의 기판을 적층한 적재함을 이용하기 때문에 최소한의 공간에서 Flux 제거와 납볼 고정 작업을 이루어 낼 수 있다. 따라서, 종래의 장치보다 작업 공간을 대폭 축소할 수 있어서, 청정실 유지 보수에 따르는 소모 경비를 대폭 절감할 수 있다. 이는 곧 생산 단가의 절감이라는 효과를 가져온다. 또한, 하나씩 솔더링 공정을 거치는 것이 아니고, 여러개가 일괄작업으로 솔더링 공정을 수행하기 때문에 생산 속도가 종래의 컨베이어 벨트 시스템보다 최소한 2배에서 5배정도의 향상을 기대할 수 있다. 따라서, 생산률을 대폭 향상 시킬 수 있다. 더욱이 납볼 범핑 공정의 작업율과 거의 비슷한 솔더링 작업율을 얻을 수 있으므로, 범핑 장치와 본 발명에 의한 솔더링 장치를 하나의 장치로 구성하여 작업 공간 및 작업 인력을 최소화하여 생산 단가를 최소화 하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 다수개의 도전볼들이 Flux에 의해 도전볼 접점에 안착된 복수개의 기판을 소정의 간격으로 적층할 수 있으며, 적어도 하나 이상의 측면이 개방되어 열에너지가 상기 기판에 자유로이 전달될 수 있는 적재함과;

   상기 적재함을 장착하고 내부를 진공 상태 및 소정의 가스 분위기로 만들 수 있고, 상기 도전볼을 상기 도전볼 접점에 부착 시키기 위한 소정의 열 에너지를 공급하 수 있는 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 납볼 고정 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 적재함은 입방체 프레임 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 납볼 고정 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 적재함은 육면체 프레임, 다각 기둥 프레임 그리고, 타원 기둥 프레임 구비한 것을 특징으로 하는 납볼 고정 장치.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 적재함의 적어도 두개의 마주보는 프레임에 상기 기판을 적재할 수 있는 적재 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 납볼 고정 장치.