KR100448665B1 - 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상부 기판에 금속층이 형성된 V형 또는 사각형 그루브(groove)를 가공하고, 그루브에 레이저를 가하여 상부 기판과 하부 기판을 접합하는 방법에 관한 것으로서, 특히 레이저빔이 그루브 벽면에 여러 번 반사하는 다중반사(multiple reflection) 현상을 이용하여 그루브 하단의 온도를 증가시켜 국부적인 접합부를 형성하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 접합을 원하는 위치에 그루브를 가공하여 국부적으로 가열함으로써 그루브 이외의 영역은 열에 대한 영향을 받지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 자동화가 용이하고 가열 속도가 빠르기 때문에 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 광원의 다중반사(multiple reflection) 현상을 이용한 효율적인 접합 방법에 관한 것으로서, 특히 미세한 하나 또는 다수의 V형 또는 사각형 그루브(groove)를 기판에 가공하고 그루브 표면에 다중반사를 위한 금속층을 형성하여 레이저를 조사하면, 레이저빔의 다중반사에 의해 그루브 꼭지점 부근에서 열 발생이 집중되고 이로 인하여 국부적인 접합부를 형성시키는 레이저 접합 방법에 관한 것이다.
레이저는 렌즈(lens) 등의 광학 장치를 이용하여 레이저빔을 작은 점으로 집속시켜 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문에 용접, 절단, 드릴링(drilling), 표면 처리, 솔더링(soldering) 등의 다양한 가공 공정에 사용된다.
레이저를 이용하여 금속을 용접하는 경우, 레이저빔이 금속 표면에서 대부분 반사되지만, 레이저의 출력을 증가시키면 금속이 증발하면서 발생하는 증발압력에 의해 좁고 깊은 키홀(keyhole)이 발생한다. 이와 같은 키홀 모드(keyhole mode)를 이용한 레이저 용접에서 레이저빔이 키홀 내부의 벽면에서 여러번 반사하는 레이저빔의 다중반사(multiple reflection) 현상이 발생하며, 이와같은 다중반사는 레이저의 흡수율을 증가시키는 역할을 한다.
레이저를 이용한 솔더링의 경우, 레이저를 투과시키는 유리 또는 실리콘과 같은 기판의 표면에 솔더 재료를 도포하고, 기판의 반대면에 레이저를 조사하여 기판을 투과한 레이저에 의해 솔더 재료를 용융시키는 방법이 사용되며, 이를 투과에 의한 솔더링(through-transmission soldering)이라고 부르기도 한다. 이와 같은 투과에 의한 레이저 솔더링 방법은 레이저빔이 기판을 통과하면서 흡수되고 일부는 반사되거나 굴절되어 효율이 감소하며, 재질에 따라 특정 파장대의 빛에 대한 흡수율과 투과율이 변화하기 때문에 다양한 재질에 대하여 적용하기 곤란한 단점이 있다.
최근 MEMS(micro-electro-mechanical systems)와 같은 미세 부품의 접합과 패키징(packaging) 또는 반도체의 전자 패키징과 광 패키징을 위하여 다수의 미세 접합 방법이 제안되고 있으며, 이와 같은 미세 부품을 접합하려면 국부적인 부위에 열을 집중시켜 용융시키고, 접합부 이외의 부위는 열의 영향을 최소화시켜 미세 구조물이나 전기 회로를 보호하여야 한다. 레이저는 렌즈 등의 광학 장치를 이용하여 작은 점에 레이저빔을 집중시킬 수 있는 장점이 있지만, 금속의 경우에는 금속 표면에서 레이저의 반사율이 매우 높기 때문에 효율이 감소하고, 유리나 실리콘의 경우에는 빛이 굴절되거나 표면에서 흡수되기 때문에 접합하고자 하는 부위에 국부적인 가열을 하기 곤란하다.
위와 같은 이유로, 레이저 출력을 접합부에 효율적으로 전달하여 국부적인가열을 구현시킬 수 있는 접합 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 레이저 출력을 접합부에 효율적으로 전달하여 국부적인 가열을 구현시킬 수 있는 효율적인 접합 방법을 제공하는 목적으로 한다.
또한, 기판 및 소자의 접합시 접합영역 이외의 영역으로는 열전달을 최소화시켜 기판 및 소자에 열손상을 주지 않는 안정적 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1a는 본 발명의 레이저 다중반사 현상을 설명하기 위한 개략도이고, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 그루브의 표면에서 하단부로의 깊이 대비 흡수되는 레이저 빔의 강도를 나타내는 표.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저의 다중반사를 이용한 접합 방법의 구성요소들과 작동 원리를 설명하기 위한 개략도.
도 3은 본 발명의 변형된 그루브(groove) 형상을 설명하기 위한 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
12 : 금속 기판 13 : V형 그루브
14 : V형 그루브의 꼭지점 15 : 광학 렌즈
16 : 집속된 레이저 빔 18 : 사각형 그루브의 하단
22 : 금속판 23 : 상부 기판
24 : 다중반사용 금속층 25 : V형 그루브
26 : 반사되는 레이저 빔 27 : V형 그루브의 꼭지점
28,30 : 접합용 금속층 29 : 하부 기판
31 : 접합재 32 : 접합부
42 : 다중반사용 금속층
위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법은 상부 기판(23)상에 소정깊이로 그루브(25)를 형성하는 단계;
상기 그루브(25) 표면에 광원의 다중반사를 위한 금속층(24)을 형성하는 단계;
상기 그루브(25)의 형상에 맞게 패턴화된 금속판(22)을 형성하는 단계;
상기 상부기판(23)의 하단에 하부기판(29)을 위치시키는 단계; 및
상기 상부기판(23)의 패턴화된 금속판(22)을 통과하여 상기 그루브(25)에 광원을 조사하는 단계를 포함하고,
상기 그루브(25)에 조사된 광원은 다중반사에 의해 상기 그루브의 하단부에 에너지가 집중되어 국부적인 가열이 이루어짐으로써 상부기판(23)과 하부기판(29)간에 접합부(32)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따라 형성되는 기판상의 그루브는 상부기판상에 조사되는 광원의 다중반사가 용이하게 일어나도록 V 형상 또는 사각형으로 구성되고, 특히 그루브가 사각형으로 구성되는 경우에는 렌즈 등의 광학기구를 이용하여 집속된 광원(16)을 상기 사각형 그루브(17)에 조사하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 레이저 접합 방법의 구성요소와 원리를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 레이저 다중반사 현상을 설명하기 위한 개략도이고, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 그루브의 표면에서 하단부로의 깊이 대비 흡수되는 레이저 빔의 강도를 나타내는 표이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 평행한 레이저빔(10, 11)을 금속 기판(12) 표면에 조사하면, 기판 표면에 수직 방향으로 입사된 레이저빔(10)은 반사되지만, V형 그루브(13)에 입사한 레이저빔(11)은 V형 그루브의 벽면에 여러번 반사되는 다중반사 현상에 의해 그루브의 꼭지점(14)으로 집중된다. 다중반사의 횟수는 그루브의 경사 각도에 따라 결정되며, 그루브의 경사 각도가 증가할수록 반사 횟수는 증가한다.
도 1a에 도시한 사각형 그루브(17)의 경우에 렌즈(15) 등의 광학 장치를 이용하여 집속시킨 레이저빔(16)을 사각형 그루브에 조사하면, 그루브 벽면에서 레이저빔의 다중반사가 발생하고 레이저빔은 사각형 그루브의 하단(18)으로 집중된다. 그러므로 V형 그루브에 평행한 레이저빔을 조사하거나 사각형 그루브에 집속된 레이저빔을 조사하면, 두 경우 모두 다중반사가 발생하여 그루브의 하단부에 레이저빔이 집중된다.
도 1b는 본 발명의 일실시예로서, 경사각도 30도로 가공된 V형 그루브에 100Watt 레이저를 조사하는 경우에 그루브 벽면에 흡수된 레이저빔의 강도를 나타낸다. 레이저의 다중반사에 의해 그루브의 하단부로 갈수록 흡수된 레이저빔의 강도가 급격히 증가하고 이를 이용하여 국부적인 가열을 할 수 있다. 이와 같이 다중반사에 의해 그루브 하단부에 흡수된 레이저빔의 강도가 급격히 증가하는 현상은 V형 그루브 뿐만 아니라 집속된 레이저빔과 사각형 그루브를 사용하는 경우에도 동일하게 발생한다.
도 2는 본 발명의 레이저 접합 방법의 구성요소와 접합과정을 설명하기 위한 일예이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 레이저빔(20)은 구멍(21)이 뚫린 금속판(22)을 통과하여 상부 기판(23) 표면에 금속층(24)이 형성된 V형 그루브(25)에 입사되며, 금속판(22)의 구멍(21) 이외의 부분에 입사된 레이저빔(26)은 금속판(22)에 의해 반사된다. V형 그루브(25)에 입사된 레이저빔(20)은 도 1에서 설명한 다중반사에 의해 그루브의 꼭지점(27) 부근으로 집중된다. 상부 기판(23)의 재질이 실리콘이나 유리인 경우에 V형 그루브(25)는 비등방성 에칭(anisotropic etching)이나 레이저 드릴링(laser drilling) 등의 방법으로 가공할 수 있다. 그루브 표면의 금속층(24)은 다중반사를 용이하게 발생시키는 역할을 하며, 구리 등의 금속 재료를 증착이나 도금 등의 공정으로 형성한다. 상부 기판(23)과 하부 기판(29)의 표면에접합부가 용이하게 형성되도록 접합용 금속층(28, 30)을 형성하고, 접합용 금속층 사이에 접합재(31)를 형성한다. 접합재(31)는 기판의 종류에 따라 실리콘(Si), 유리, 금(Au), 브레이징과 솔더링 재료 또는 접착제 등의 다양한 재료를 사용할 수 있다. 기판(23, 29)의 재료가 실리콘이나 유리인 경우에 접합용 금속층(28, 30)과 접합재(31)를 사용하지 않고 직접 접합할 수 있으며, 특히 실리콘(Si) 기판의 경우에는 금(Au)을 기판의 표면에 증착하고 가열하면 373oC의 낮은 온도에서 Au-Si의 접합부를 형성할 수 있다. 접합용 금속층(28, 30)을 정렬시킨 후에 레이저를 V형 그루브(25)에 조사하면 상부 기판의 V형 그루브 꼭지점(27) 부근이 다중반사에 의해 집중적으로 가열되고 열 전달에 의해 접합재(31)가 용융되어 국부적인 접합부(32)를 형성한다. 이때 그루브의 꼭지점 부분이 집중적으로 가열되기 때문에 접합부 이외의 부분에서 발생하는 온도 상승을 최소화할 수 있다. 접합부의 가열 온도는 접합재를 용융시키는 온도이며, 레이저의 출력과 조사시간을 변화시켜 접합부의 가열 온도를 제어할 수 있고 필요한 경우에 상부 기판에 압력(33)을 가할 수 있다.
도 2에서 설명한 V형 그루브를 이용한 국부적인 가열 방법은 집속된 레이저와 사각형 그루브에 동일하게 적용할 수 있으며, 이 경우의 원리는 도 1a에서 설명한 바와 같다. 사각형 그루브는 에칭, 레이저 드릴링, 기계적인 드릴링 등의 다양한 방법으로 가공할 수 있으며, 그루브 표면의 다중반사용 금속층은 증착이나 도금 방법으로 형성한다. 사각형 그루브의 경우에는 렌즈 등의 광학장치를 이용하여 레이저빔의 입사 각도를 변화시켜 다중 반사의 횟수를 조절할 수 있고 미세부품의 접합에 적용하기 용이한 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 다중반사를 구현하기 위한 V형 또는 사각형 그루브의 변형된 형상을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 V형 그루브(40)를 가공하거나 사다리꼴 형상의 그루브(41)를 가공하면 레이저빔의 다중반사가 발생하는 면적을 증가시킬 수 있으며, 이와 같은 변형된 그루브 형상은 접합부의 면적이 넓은 경우에 사용한다. 다중반사를 위한 금속층(24) 대신 V형 그루브 표면에 레이저를 흡수할 수 있는 층을 형성하여도 금속층과 유사한 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 흡수층의 예로서 산화 실리콘(SiO2) 막을 들 수 있으며, SiO2산화막은 열산화(thermal oxidation) 공정을 이용하여 쉽게 실리콘 표면에 형성시킬 수 있다. 그루브 표면에 형성된 SiO2산화막은 그루브에 입사된 레이저의 일부를 흡수하고 나머지 레이저를 반사시켜 다중 반사의 효과를 얻을 수 있다.
상기에서 설명한 레이저의 다중반사를 이용한 접합 방법은 MEMS 패키징에 대하여 적용한 일례이며, 본 발명의 원리를 이용하여 미세 부품의 접합과 전자 패키징이나 광 패키징 등에도 적용이 가능하다. 본 발명의 다중반사를 이용한 원리는 실리콘과 유리를 포함한 세라믹과 플라스틱 등의 일반적인 기판 재료와 다중반사를 발생시킬 수 있는 그루브 형상에 적용이 가능하다. 광원으로 레이저가 가장 효율적이지만, 일반 광원을 사용하는 경우에도 다중 반사를 발생시킬 수 있기 때문에유사한 효과를 얻을 수 있으며, 일반 광원을 사용하면 레이저에 비해 가격이 저렴한 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 레이저 다중반사를 이용한 MEMS와 같은 미세 부품의 접합과 패키징 방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이에 국한되지 않고, 전자 패키징이나 광 패키징 등에도 적용이 가능하고, 접합부의 재료로서 실리콘(Si), 유리, 금(Au), 브레이징과 솔더 재료 또는 접착제 등을 사용할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, V형 또는 사각형 그루브에서 발생하는 레이저의 다중반사 현상을 이용한 본 발명은 그루브 꼭지점 또는 하단부의 국부적인 지역에 열을 집중시켜 용융시키는 효율적인 접합 방법으로서, 그루브 표면에 금속층 또는 금속층 대신 SiO2와 같은 산화막을 형성하고 다중반사에 의해 그루브 하단에 열을 집중시켜 국부적인 접합부를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 V형 또는 사각형 그루브와 그루브 표면의 금속층을 가공하기 위하여 반도체 공정에서 사용되는 에칭과 증착 등의 방법을 사용하면 정확한 크기로 가공할 수 있고 대량 생산에 적합한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 그루브의 크기와 레이저 출력 및 조사 시간을 조절하여 가열온도를 정밀하게 제어할 수 있으며, 가열 부위는 그루브 주위로 한정되어 그루브 이외의 지역은 열영향을 받지 않기 때문에 온도에 민감한 전기 회로나 미세 구조물을 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기존의 접합 공정이 수분이 소요되지만, 레이저를 사용하면 수초 이내에 접합재의 용융온도까지 가열시킬 수 있기 때문에 생산성을 크게 증가시킬 수 있으며, 일반적으로 레이저를 사용하는 것이 효율적이지만, 일반 광원을 사용하여도 유사한 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
Claims (13)
- 상부 기판(23)상에 소정깊이로 그루브(25)를 형성하는 단계;상기 그루브(25) 표면상에 광원의 다중반사를 위한 금속층(24)을 형성하는 단계;상기 그루브(25)의 형상에 맞게 패턴화된 금속판(22)을 형성하는 단계;상기 상부기판(23)의 하단에 하부기판(29)을 위치시키는 단계; 및상기 상부기판(23)의 패턴화된 금속판(22)을 통과하여 상기 그루브(25)에 광원을 조사하는 단계를 포함하고,상기 그루브(25)에 조사된 광원은 다중반사에 의해 상기 그루브의 하단부에 에너지가 집중되어 국부적인 가열이 이루어짐으로써 상부기판(23)과 하부기판(29)간에 접합부(32)가 형성되는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 광원은 레이저인 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 그루브는 상부기판상에 조사되는 광원의 다중반사가 용이하게 일어나도록 V형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 그루브는 사각형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 광원의 조사단계는 광학기구를 이용하여 집속된 광원(16)을 상기 사각형 그루브(17)에 조사하는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 사각형 그루부에 사용되는 광학기구는 렌즈인 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 접합부는 상부 기판(23)과 하부 기판(29)에 각각 형성되는 접합용 금속층(28,30)과 상기 접합용 금속층 사이에 형성되는 접합재(31)를 포함하며, 상기 접합부는 조사된 광원의 다중반사에 의한 국부적인 가열로 상기 접합재(31)가 용융됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 실리콘 재질의 상부 기판(23)상에 소정깊이로 그루브(25)를 형성하는 단계;상기 그루브(25) 표면에 광원의 다중반사와 흡수를 위한 산화막(24)을 형성하는 단계;상기 그루브(25)의 형상에 맞게 패턴화된 금속판(22)을 형성하는 단계;상기 상부기판(23)의 하단에 하부기판(29)을 위치시키는 단계; 및상기 상부기판(23)의 패턴화된 금속판(22)을 통과하여 상기 그루브(25)에 광원을 조사하는 단계를 포함하고,상기 그루브(25)에 조사된 광원은 다중반사와 흡수에 의해 상기 그루브의 하단부에 에너지가 집중되어 국부적인 가열이 이루어짐으로써 상부기판(23)과 하부기판(29)간에 접합부(32)가 형성되는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 접합부는 조사된 광원의 다중반사에 의한 국부적인 가열로 상부 기판(23)과 하부 기판(29)의 접촉면이 용융됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 접합부는 금(Au)을 상부기판과 하부기판의 표면에 증착하여 Au-Si의 접합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,다수의 V형 그루브(40) 또는 사다리꼴 그루브(41) 형상을 가공하여 접합 면적을 증가시키는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,상기 접합부의 가열온도는 광원의 출력과 조사 시간으로 제어되는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 접합부의 가열온도는 상부기판에 압력을 가함으로써 추가적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 광원의 다중반사를 이용한 접합 방법.
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| JPS56168990A (en) * | 1980-05-31 | 1981-12-25 | Toshiba Corp | Welding method using laser beam |
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| JP2000176664A (ja) * | 1998-10-06 | 2000-06-27 | Nissan Motor Co Ltd | アルミニウム合金部材のレ―ザ溶接方法 |
-
2002
- 2002-06-21 KR KR10-2002-0034871A patent/KR100448665B1/ko not_active IP Right Cessation
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