KR100487998B1 - 플립칩 본더장치 및 본더방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플립칩 본더장치 및 본더방법에 관한 것으로, 가열 작업시 접합부위에 고온질소 환경을 조성하고 냉각효율을 향상시킴과 동시에 비용절감을 위한 있는 기구가 구비된 플립칩 본더장치 및 본더방법에 관한 것이다.

본 발명의 플립칩 본더장치는 실리콘기판의 하측에 위치되는 가열판과, 상기 가열판의 하측에 설치되어 상기 가열판을 가열하는 가열부가 형성된 플립칩 본더장치에 있어서,

상기 가열판은 그 상측에 상기 가열부에 의한 가열 작업시 고온질소를 분사하는 고온질소 분사기구와, 상기 접합작업이 완료된 후 압축공기를 분사하는 압축공기 분사기구가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 플립칩 본더방법은 가열부에 의해 가열이 시작되는 접합작업 개시단계와; 상기 접합작업 개시단계를 지나 가열 작업중 산화를 방지하기 위해 고온질소를 분사하는 고온질소 분사단계와; 접합작업이 완료되는 접합작업 완료단계와; 상기 접합작업 완료단계 다음으로 압축공기를 분사하여 냉각시키는 압축공기 분사단계를 포함하여 구성된다.

Description

플립칩 본더장치 및 본더방법 {Apparatus and method for bonding of flip-chip}

본 발명은 플립칩 본더장치 및 본더방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고온질소 환경을 조성하고 냉각효율을 향상시키는 것과 동시에 비용을 절감할 수 있는 기구가 구비된 플립칩 본더장치 및 본더방법에 관한 것이다.

종래 기술에 의한 플립칩 본더장치는 일본공개번호 제04199525호와 대한민국 공개번호 특2002-0090813호에 기재되어 있다.

일반적으로 종래 기술에 의한 플립칩 본더장치의 구성과 작동은 다음과 같다.

플립칩 본더장치는 가열수단이 구비된 핫척과, 상기 핫척이 올려지는 스테이지부와, 플립칩을 이송하는 본딩헤드부를 포함하여 구성된다.

우선, 핫척의 상면에 실리콘기판을 위치시키고 상기 핫척의 상부에 설치된 본딩헤드부의 단부에 상기 실리콘기판과 본딩될 플립칩을 진공흡착시키게 된다.

상기 본딩헤드부의 단부에 흡착된 상기 플립칩은 상기 실리콘기판의 상부로 이동하게 되고, 상기 플립칩 상측에는 광학 카메라가 설치되어 상기 실리콘기판과 상기 플립칩의 정렬마크를 각각 인식하게 된다.

상기 광학 카메라에 의해 인식된 정보를 토대로 상기 플립칩과 상기 실리콘기판을 X축 및 Y축 방향으로 각각 이동시키며 본딩될 정위치를 정한다.

그리고, 상기 본딩헤드부의 단부가 하강하며 상기 핫척의 상면에 상기 플립칩이 접촉하고, 이때 상기 핫척의 상면에 열이 가해지면 상기 실리콘기판의 상면에 도포되어 있던 납이 녹게 되면서 상기 플립칩과 상기 실리콘기판이 압착하게 된다.

결국, 상기 고온의 납이 식게 되면 상기 플립칩과 상기 실리콘기판 사이의 본딩은 완료되게 되는 것이다.

상기 플립칩 본더장치에서 가열수단은 전도형 히터와 복사형 히터 모두 가능하다. 다만, 전도형 가열히터의 가열성능은 일정한 한계가 있어 최근에는 가열속도가 빠른 복사형 히터의 사용이 증가되고 있다.

전도형 히터와 복사형 히터를 동시에 사용한 것이 미국특허번호 제6,384,366호에 기재되어 있다. 여기서는 기판의 하측부에 전도성 히터가 설치되어 있으며, 또한 기판의 상측부에 적외선 히터가 설치되어 있다.

즉, 상측부에 좌우로 설치된 적외선 히터를 통해 원하는 온도까지 가열이 가능하도록 구성한 것이다.

이러한 플립칩 본더장치에서, 핫척은 실제 모듈접합이 이루어지는 부분으로 고형접착제인 땜납을 녹여 광모듈을 접합할 수 있도록 가열하는 역할을 담당한다. 접합작업은 반복작업이기 때문에 가열판을 상온으로부터 가열하는 것이 아니라 고형접착제가 굳는 280℃ 정도의 예열된 상태에서 접합대상 광모듈이 장착되면 고형접착제를 녹일 수 있는 최종작업온도(350 ~ 400℃)로 가열하게 된다. 이 온도에서 일정시간 정온을 유지한 후 어느 정도 진행되면 다시 예열온도를 냉각시켜 접착제가 굳도록 한다. 초기 가열과 후냉각 단계에서는 얼마나 빨리 온도가 상승하고 하강하는 가에 따라 작업시간의 단축이 이루어지게 된다.

초정밀 스테이지 위에 장착되는 작은 장치이지만 광모듈 접합장치의 효율과 성능을 결정하는 핵심장치이다.

핫척이 수행하는 일차적인 기능은 고형접착제인 땜납을 용해시켜 접착력을 확보하기 위한 가열이다. 이러한 가열 작업시에는 산화방지가 중요하다.

광모듈 접합은 고온에서 이루어지기 때문에 모듈이 공기중 산소와 반응하는 고온산화가 이루어지면 치명적인 접합불량이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해서는 접합이 이루어지는 부위에 질소분위기를 조성하여야 한다.

따라서 핫척에는 가열판의 접합작업 부위에 질소 분위기를 형성하기 위한 질소를 분사하는 적절한 메카니즘이 구현되어야 한다.

현재 사용되고 있는 수동형 광모듈 접합장비는 1개의 광모듈을 접합하는데 대체로 수분 정도의 공정시간이 소요된다. 공정시간 단축을 위해서는 자동화와 함께 접합의 사전/사후공정인 가열/냉각시간의 단축이 필수적이다. 따라서, 가열 작업완료 후, 냉각시간을 단축하기 위한 메카니즘 또한 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가열판의 접합 작업 부위에 고온질소 분위기를 형성할 수 있는 고온질소 분사기구가 구비된 플립칩 본더장치 및 본더방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 가열 작업후 냉각시간을 단축하기 위한 압축공기 분사기구가 구비된 플립칩 본더장치 및 본더방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 접합작업 후 냉각을 위해 분사되는 질소가스를 대신하여 압축공기를 분사하는 비용절감형의 플립칩 본더장치 및 본더방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 하나의 분사기구로써 고온질소 및 공기를 동시에 분사할 수 있는 간단한 구조의 분사기구가 구비된 플립칩 본더장치 및 본더방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 플립칩 본더장치는,

본 발명의 플립칩 본더장치는 실리콘기판의 하측에 위치되는 가열판과, 상기 가열판의 하측에 설치되어 상기 가열판을 가열하는 가열부가 형성된 플립칩 본더장치에 있어서,

상기 가열판은 그 상측에 상기 가열부에 의한 접합작업시 고온질소를 분사하는 고온질소 분사기구와, 상기 접합작업이 완료된후 압축공기를 분사하는 압축공기 분사기구가 구비된다.

여기서, 상기 고온질소 분사기구와 압축공기 분사기구는 각각의 공급관으로부터 고온질소 또는 압축공기가 공급되고, 상기 각각의 공급관이 합류되는 하나의 분사관에 의해 상기 가열판의 상측으로 고온질소 또는 압축공기를 분사되도록 함으로써 분사기구를 단순하게 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 플립칩 본더방법은,

가열부에 의해 가열이 시작되는 접합작업 개시단계와; 상기 접합작업 개시단계를 지나 접합작업중 산화를 방지하기 위해 고온질소를 분사하는 고온질소 분사단계와; 접합작업이 완료되는 접합작업 완료단계와; 상기 접합작업 완료단계 다음으로 압축공기를 분사하여 냉각시키는 압축공기 분사단계를 포함하여 구성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 의한 플립칩 본더장치 및 본더방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 본더장치의 사시도이며 도 2는 도 1의 일부를 절단한 단면 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 플립칩 본더장치는 실리콘 기판이 상면에 위치되는 가열판(10)과, 상기 가열판(10)의 하측에 설치되는 할로겐 램프(21)와, 상기 할로겐 램프(21)의 양 단자가 끼워지는 소켓(25)과, 상기 할로겐 램프(21)의 측면 및 하측에 설치되는 반사대(23)와, 상기 반사대(23)를 지지하는 지지대(31)와, 상기 가열판(10)의 상측으로 고온질소 및 공기를 분사하는 분사기구를 포함하여 구성된다.

고온질소를 사용하는 이유는 고온인 가열판과의 열전달 교환에 따른 유동 발생 등 물리적 복잡성을 줄이고 질소가스의 온도에 의한 가열부위의 열적 교란을 방지하기 위함이다.

상기 분사기구는 고온질소를 공급하는 고온질소 공급관(51)과, 공기를 공급하는 공기 공급관(52)과, 상기 고온질소 공급관(51) 및 공기 공급관(52)이 합류되는 분사관(53)으로 구성된다.

상기 공기 공급관(52)에 공급되는 공기는 상온의 공기를 압축한 압축공기이다. 접합작업이 완료된 후에 상기 가열판(10) 상측의 온도는 매우 높은 상태이므로 이때 상온의 압축공기가 분사되면 가열판(10) 상부가 빠르게 냉각될 수 있다.

고온질소 및 공기가 분사되는 분사관을 별도로 설치하는 것도 가능하지만 분사기구의 구조가 복잡해지기 때문에 도면에서와 같이 하나의 분사관(53)에서 고온질소 및 공기를 공급하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 고온질소를 분사할 때에는 공기공급관을 차단시킴과 동시에 고온질소공급관(51)과 분사관(53)을 연통시키고, 압축공기를 공급할 때에는 고온질소공급관을 차단키심과 동시에 공기공급관(52)와 분사관(53)을 연통시키는 3방밸브(55)를 공기공급관(52), 고온질소공급관(51) 및 분사관(53)사이에 설치한다. 또한 자연스럽게 질소분위기를 형성하기 위해서는 분사기에 천공된 여러개의 노즐에서 질소가스가 분출되게 한다.

상기 가열판(10)은 내측부(11)와, 상기 내측부(11)의 바깥쪽에 위치한 외측부(12)로 구성된 이중구조로 되어 있다.

상기 가열판 내측부(11)는 중앙에 적외선이 상하 방향으로 통과할 수 있는 관통홀(11a)이 형성되어 있으며, 상기 가열판 외측부(12)는 그 측면부에 열전대(미도시)가 설치되는 열전대 설치홀(12a)이 형성되어 있다.

도1과 도2는 가열원으로서 할로겐램프를 적용한 경우의 플립칩본더장치에 대해 설명하였지만 이 것이 본발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 출원인에 의한 공개특허공보 2002-90813에서 제시된 것과 같이 가열원으로서 전열히터장착블록을 가열하는 것을 포함하여 본 발명의 분사기구는 플립칩본더장치에 적용될 수 있는 모든 가열원에 대해 적용될 수 있는 것이다. 마찬가지로 본 발명은 일실시예로서 적외선 정렬방식의 플립칩 본더장치에 대해 질소분사와 압축공기분사를 설명하고 있지만 상기 정렬방식이 본 발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니다. 즉 본발명은 특정한 정렬방식에 상관없이 적용이 가능한 것이다.

도 3는 본 발명에 따른 플립칩 본더방법을 도시한 블록도이다. 도면을 참조하면 플립칩 본더방법은 접합작업 개시단계(S1)와, 고온질소 분사단계(S2)와, 접합작업 완료단계(S3)와, 압축공기 분사단계(S4)로 구성된다.

가열부에 의해 가열이 시작되는 접합작업 개시단계(S1)가 되면 400℃정도의 고온에서 광모듈 접합이 이루어진다. 이때 광모듈이 공기중 산소와 접하게 되면 고온산화가 이루어져 발생되는 접합불량이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해서 고온질소를 분사하는 고온질소 분사단계(S2)가 개시된다.

가열에 의한 접합작업이 완료되는 접합작업 완료단계(S3)가 된 다음, 접합의 사후공정인 냉각시간의 단축을 위해서 압축공기를 분사하는 압축공기 분사단계(S4)가 개시된다. 이로 인해 공정시간을 단축할 수 있게 된다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 본더장치의 동작을 살펴본다.

먼저, 가열판 위에 실리콘기판이 위치하고 그 상측에 정렬홀이 형성된 플립칩이 놓여진다. 상기 실리콘기판과 플립칩사이에는 땜납이 삽입되어 있다.

여기서, 하측의 적외선 발생기에서 발생한 적외선이 반사대의 적외선 통로를 통해 가열판의 관통홀과 그 상측에 놓여진 실리콘기판 및 플립칩의 정렬홀을 관통하여 상측에 위치한 적외선센서에서 이를 감지하게 되면 상기 실리콘기판과 플립칩이 정확한 위치에 놓여지는 것이다.

다음으로, 상기 가열판 하측에 위치한 가열부가 작동되고 직접 가열판을 가열하게 된다. 접합작업은 반복작업으로 이루어지고 가열판을 상온으로부터 가열하는 것이 아니라 고형접착제가 굳는 280℃ 정도의 예열된 상태에서 접합대상 광모듈이 장착되면 고형접착제를 녹일 수 있는 최종작업온도(350 ~ 400℃)로 가열하게 된다. 이와 같은 가열에 의해 상기 실리콘기판과 플립칩사이의 땜납이 녹아서 플립칩이 실리콘기판에 본딩된다.

접합작업중, 고온질소를 분사하여 고온산화가 일어나지 않도록 질소분위기를 조성한다.

이 온도에서 일정시간 정온을 유지한 후 어느 정도 진행되면 다시 예열온도까지 냉각시켜 접착제가 굳도록 한다. 이 때 압축공기를 분사하여 급속냉각을 시킴에 따라 냉각시간을 단축시킴으로써 작업효율을 향상시킨다. 고온의 질소가스와 압축된 공기공급관은 별로로 구성할 수도 있으나 질소공급관과 공기공급관을 유입구로 갖고, 가열판으로 분사되는 분사관을 출구로 갖는 3 방밸브를 구성하는 경우 고온질소를 분사할 때는 질소공급관과 분사관을 연통시키도록 3 방밸브를 조절하고 압축공기를 분사할 때에는 공기공급관과 분사관을 연통시키도록 3 방밸브를 조절한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 가열판의 접합 작업 부위에 고온질소 분위기를 형성할 수 있는 고온질소 분사기구가 구비되어 접합작업시 산화를 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 가열 작업후 냉각시간을 단축하기 위한 압축공기 분사기구가 구비되어 광모듈 접합의 작업 효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 하나의 분사기구로써 고온질소 및 공기를 동시에 분사할 수 있도록 함으로써 분사기구를 단순화시킴으로써 정밀한 플립칩 본딩장치의 상부 공간을 효율적으로 설계할 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 플립칩 본더장치의 사시도이고,

도 2는 도 1의 일부를 절단한 단면 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 플립칩 본더방법을 도시한 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 가열판 내측부 11a : 관통홀

12 : 가열판 외측부 12a : 열전대 설치홀

21 : 할로겐 램프 23 : 반사대

25 : 소켓 27 : 적외선 통로

31 : 지지대 41 : 적외선 발생기

51 : 고온질소 공급관 52 : 공기 공급관

53 : 분사관

Claims (3)

1. 실리콘기판의 하측에 위치되는 가열판과, 상기 가열판의 하측에 설치되어 상기 가열판을 가열하는 가열부가 형성된 플립칩 본더장치에 있어서,

   상기 가열판의 상측에는 상기 가열부에 의한 접합작업 시 고온질소를 분사하는 고온질소 분사기구와, 상기 본딩작업이 완료된 후 압축공기를 분사하는 압축공기 분사기구가 구비된 것을 특징으로 하는 플립칩 본더장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고온질소 분사기구와 압축공기 분사기구는 압축공기를 공급하는 압축공기공급관(52)과 고온질소를 공급하는 고온질소공급관(51)이 하나의 분사관(53)으로 합류되며 고온질소공급관(51), 압축공기공급관(52) 및 상기 분사관은 각각 3방밸브(55)에 연결되어 상기 가열판의 상측으로 고온질소 또는 압축공기를 분사하는 것을 특징으로 하는 플립칩 본더장치.
3. 가열부에 의해 가열이 시작되는 접합작업 개시단계와;

   상기 접합작업 개시단계를 지나 접합작업중 산화를 방지하기 위해 고온질소를 분사하는 고온질소 분사단계와;

   접합작업이 완료되는 접합작업 완료단계와;

   상기 접합작업 완료단계 다음으로 압축공기를 분사하여 냉각시키는 압축공기 분사단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플립칩 본더방법.