KR100518978B1 - 플립칩 본더장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플립칩 본더장치에 관한 것으로, 이중구조의 가열판을 사용하여 열효율을 향상시키고 열충격에 의한 파손을 방지하도록 한 플립칩 본더장치에 관한 것이다.

본 발명은 실리콘기판이 상측면에 위치되는 가열판과, 상기 가열판의 하측에 설치되어 상기 가열판을 가열하는 복사형 가열부가 구비된 플립칩 본더장치에 있어서,

상기 가열판은 내측부와 상기 내측부를 지지하는 외측부로 구성되되, 상기 내측부와 접하는 외측부는 상기 내측부가 안착되도록 단차지게 형성되고, 진공라인의 인력에 의해 상기 내측부가 상기 외측부에 밀착되는 것을 특징으로 한다.

Description

플립칩 본더장치 {Flip-chip bonder}

본 발명은 플립칩 본더장치에 관한 것으로, 보다 자세히는 급속가열이 가능하도록 열효율을 향상시키고 열충격에 의한 파손을 방지하는 가열판이 구비된 플립칩 본더장치에 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. 초정밀 스테이지 위에 장착되는 작은 장치이지만 광모듈 접합장치의 효율과 성능을 결정하는 핵심장치이다.

광모듈 접합장비의 핵심부인 핫척이 수행하는 일차적인 기능은 고형접착제인 땜납을 용해시켜 접착력을 확보하기 위한 가열이다. 이와 관련하여 접착을 수행하는 작업대로서 역할을 하는 가열판은 다음과 같은 기계적 성질을 가지고 있어야 한다.

1) 가열판은 400℃에서 기계적 성질의 건전성을 유지하여야 함

2) 정밀도를 유지하기 위하여 가열판의 온도변화에 따른 열변형이 작아야 함

3) 접합작업 중 가해지는 하중에 견딜 수 있는 강도와 경도를 가져야 함

4) 높은 가열 속도를 가져야 함

종래의 가열판은 가열작업시 가열판 내부의 온도 편차가 심해서 열변형에 의한 건전성을 보장하지 않음으로 인해 정밀한 접합작업이 어려운 문제점이 있다.

또한, 가열작업시 가열판의 복사응집율이 낮아서 가열판 상측에서 이루어지는 실리콘기판과 플립칩의 접합작업의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 접합공정중 가열판의 온도 편차를 줄여 균일한 온도분포를 유지함으로써 정밀한 접합작업이 가능하도록 하는 플립칩 본더장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 복사응집율을 향상시킬 수 있는 구조 및 재질의 가열판을 사용함으로써 열효율을 향상시키는 플립칩 본더장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

실리콘기판이 상측면에 위치되는 가열판과, 상기 가열판의 하측에 설치되어 상기 가열판을 가열하는 가열부가 구비된 플립칩 본더장치에 있어서, 상기 가열판은 내측부와 상기 내측부를 지지하는 외측부로 구성되되, 상기 내측부와 접하는 외측부는 상기 내측부가 안착되도록 단차지게 형성되고, 진공라인의 인력에 의해 상기 내측부가 상기 외측부에 밀착되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가열판의 내측부는 복사흡수율과 열확산율이 모두 우수한 SiC를 재질로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가열판의 외측부는 열확산율과 강도 및 경도가 우수한 스테인레스를 재질로 제작하는 것이 바람직하다.

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복사형 가열부를 가진 플립칩 본더장치의 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 복사형 가열부를 가진 플립칩 본더장치는 실리콘 기판이 상면에 위치되는 가열판(10)과, 상기 가열판(10)의 하측에 설치되는 복사형 가열기구인 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)를 포함하여 구성된다. 반사대의 램프접면은 경면 처리되어 반사판의 역할을 수행한다. 또한 반사대는 복사흡수율이 낮은 재료를 채택하여 하부로 전달되는 열을 차단하여야 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.

가열판(10)에서 실제 본딩이 이루어지는 부분은 5mm×5mm보다 작은 한 가운데 부분이므로 상기 가열판(10)의 크기는 최소한으로 줄일 수 있다면 좋으나, 가열수단으로 사용되는 할로겐 램프(21)의 크기를 고려하여 결정한다.

상기 가열판(10)의 바람직한 두께는 실험을 통해 결정할 수 있다. 여기서 상기 가열판(10)의 열응답속도를 개략적으로 평가하기 위하여 단순한 이론모형을 도입하기로 한다. 두께 δ, 단면적 A, 밀도 , 비열 C _p 인 박판에 시간당 Q의 열량이 가해지는 경우 상정하자. 가열판(10)의 열전도율이 무한대인 완전도체라고 가정하여 일괄용량근사법 (Lumped capacity Approach)을 적용하면 비정상 온도상승은 다음의 식으로 구할 수 있다.

(1)

여기서, 가열판(10) 온도의 시간에 대한 변화율은 설계요건에 의해 규정된다.

(2)

요구되는 단위면적당 발열량은

(3)

이다.

가열판으로 활용가능한 몇 가지 열전도율이 높은 재질에 대하여 두께가 2mm, 4mm인 경우 30^oC/s의 가열성능을 보장하기 위해 필요한 플립칩 본더의 단위면적당 가열용량, q''을 평가하여 Table. 1에 정리하였다.

재질	밀도[kg/m3]	비열[J/kg-K]	q'', 필요가열용량 [W/cm2]
			δ=2mm	δ=4mm
Starvax	7800	460	21.5	43.0
Berilium Oxide	3000	1030	18.5	37.0
Aluminum Alloy A	2790	883	14.8	29.6
Silicon Carbide	3160	675	12.8	25.6

표 1. 여러 가지 재질의 가열판을 30^oC/s로 가열하는데 필요한 히터용량.

할로겐 램프(21)의 용량이 결정된 상황에서 단위면적당 가열량을 극대화하기 위해서는 가열판(10)의 면적을 최대한 줄여야 한다. 따라서 가열판(10)은 하부구조물을 덮을 수 있는 최소면적인 46mm×42mm의 크기로 결정하였다. 손실이 없는 이상적인 경우를 가정하면 300W 할로겐 램프 두개를 사용하는 경우 단위면적당 가열량은 31.1W/cm²이다. 표 1에서 볼 수 있듯이 두께가 2mm인 경우에는 40% 정도의 열손실을 감수하더라도 모든 후보 재질에 대해 설계목표를 만족시킬 수 있는 가열량이다. 그러나 가열속도면에서 설계여유를 확보하기 위하여 두께를 더욱 줄이는 보수적인 설계를 하기로 하였다. 가열속도는 가열판(10)의 두께에 반비례하므로 최소화하는 것이 좋으나 가열판(10)이 접합이 이루어지는 작업대이기 때문에 파손과 같은 기계적인 결함이 발생할 수 있다. 따라서, 이를 고려하면 1.5mm의 두께가 가장 바람직하다.

상기 실험에서는 30^oC/s의 가열속도를 목표로 설계하였지만, 이는 하나의 실시예일뿐이고, 앞으로의 기술 발전에 따라 목표 가열속도와 가열수단의 발열량 등의 수치가 변경되더라도 이와 동일한 방법으로 두께를 설계할 수 있음은 물론이다.

상기 가열판(10)의 재질은 먼저 가열효율을 높일 수 있도록 복사흡수율이 우수하여야 한다. 또한, 열변형에 대한 건전성을 보장하기 위해 균일한 온도분포를 유지할 수 있는 것을 선택하여야 한다. 재료의 열확산계수가 커지면 열전도 속도가 상승하기 때문에 가열판내에 열이 고루 확산되어 온도편차가 줄어들게 된다. 따라서 열확산 계수가 매우 큰 재질을 채용하면 가열판의 온도분포가 균일해지는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 전기전도성은 매우 낮고 열팽창율은 매우 낮은 재료를 써야 하는데 금속재는 적절하지 않고 세라믹 재료가 적당하다. 세라믹 재료 중에서, 복사흡수율과 열확산율 및 전기전도성, 열팽창율 등의 조건을 모두 충족하는 것은 실리콘 카바이드(SiC)이므로 이를 가열판의 재료로 사용한다.

그러나, 상기 가열판(10)을 SiC의 단일판으로 만들 경우 가열판(10)을 지지하는 지지대 부분에서의 열손실 때문에 가열판(10) 내부의 온도차가 커져서 파손되는 경우가 많이 발생하게 되었다. 이를 방지하기 위하여, 가열판(10)의 구조를 실제 본딩이 일어나는 중앙에 SiC로 이루어진 내측부(11)와, 상기 내측부(11)를 지지하는 외측부(12)로 구성되는 2중 구조로 설계하였다.

상기 외측부(11)는 가열에 의한 파손 문제가 없으며 강성이 뛰어난 스테인레스를 재료로 사용한다. 가열 작업시 외측부(11)도 복사열을 받기 때문에 높은 온도로 유지되기 때문에 내측부(11)에서 외측부(12)쪽으로의 열손실이 거의 없어서 내측부(11)를 구성하는 SiC 내부의 온도가 거의 균일하게 유지될 수 있다. 따라서, 파손이 발생하지 않을 뿐 아니라 스테인레스가 SiC보다 복사흡수율이 낮기 때문에 동일한 복사광원이 존재하는 경우 SiC쪽으로 열의 집중이 강화되기 때문에 열효율이 높아져 핫척에서의 작업효율을 좌우하는 가열속도를 증가시킬 수 있게 된다.

도 2는 도 1의 일부를 절단한 단면 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 플립칩 본더장치는 상측에 내측부(11)와 외측부(12)의 2중구조로 된 가열판(10)이 위치하고, 그 하측에 상기 가열판(10)을 가열하는 할로겐 램프(21)가 설치되며, 상기 할로겐 램프(21)의 측면 및 하부에는 반사대(23)가 이격 설치된다.

상기 가열판(10)은 도2의 A부분을 확대한 확대도에 도시된 바와 같이 상기 내측부(11)와 접하는 외측부(12)에 단차부(12b)가 형성된다. 상기 내측부(11)가 상기 외측부(12)의 단차부(12b)에 안착되어 지지된다.

상기 반사대(23)의 하측에는 적외선 발생기(41)가 설치된다. 상기 적외선 발생기(41)에서 발생한 적외선이 가열판(10) 상측에 놓이는 실리콘기판(미도시)을 관통할 수 있도록 상기 반사대(23) 중앙의 적외선 통로(27)가 형성되고 상기 가열판 내측부(11)의 중앙에는 관통홀(11a)이 형성된다.

상기 적외선 통로(27)는 진공라인으로 사용되어 그 인력에 의해 상기 가열판의 내측부(11)가 상기 외측부(12)의 단차부(12b)에 밀착되도록 한다.

도1과 도2는 가열원으로서 적외선 정렬방식을 적용한 경우의 플립칩본더장치에 대해 설명하였지만 이 것이 본발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 플립칩본더장치의 가열판은 정렬방식에 상관없이 가열판을 가진 모든 복사형 플립칩본더장치의 가열원에 대해 적용될 수 있는 것이다.

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 놓여진 것이다.

다음으로, 상기 가열판 하측에 위치한 할로겐 램프가 작동되면 열의 일부는 직접 가열판을 가열하고 일부는 램프 주위의 반사대에 의해 반사되어 열이 상측으로 집중되게 된다. 이와 같이 집중된 열에 의해 상기 실리콘기판과 플립칩사이의 땜납이 녹아서 플립칩이 실리콘기판에 본딩된다.

가열작업중, 열전대에서 온도를 측정한 다음 그 값을 제어기로 보내면 제어기는 기설정된 온도와 비교하여 온도값이 높을 경우는 할로겐 램프로 공급되는 전류를 줄이고 온도값이 낮을 경우 공급 전류를 높이는 피드백 제어장치를 통해 가열판 온도가 적정온도를 유지하도록 한다.

가열판은 이중구조이며 진공라인에 의해 접합되어 있어서 가열작업시 열팽창되더라도 파손되지 않고 그 원형을 유지하는 동시에 가열판의 온도편차를 줄임으로 인해 정밀한 접합작업이 가능하게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 이중구조의 가열판을 사용함으로써 접합공정중 가열판이 균일한 온도분포를 유지하도록 하여 파손을 방지하고 정밀한 접합작업이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 복사응집율을 향상시킬 수 있는 구조 및 재질의 가열판을 사용함으로써 가열속도를 향상시키는 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 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 가열판 내측부 11a : 관통홀

12 : 가열판 외측부 12a : 열전대 설치홀

12b : 단차부 21 : 할로겐 램프

23 : 반사대 25 : 소켓

27 : 적외선 통로 31 : 지지대

41 : 적외선 발생기

Claims (4)

1. 실리콘기판이 상측면에 위치되는 가열판과, 상기 가열판의 하측에 설치되어 상기 가열판을 가열하는 복사형 가열부가 구비된 플립칩 본더장치에 있어서,

   상기 가열판은 복사흡수율이 높은 재질로 형성된 내측부와 상기 내측부를 지지하는 외측부로 구성되며, 상기 내측부와 접하는 외측부는 상기 내측부가 안착되도록 단차지게 형성되고, 진공라인의 인력에 의해 상기 내측부가 상기 외측부에 밀착되는 것을 특징으로 하는 플립칩본더장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가열판의 내측부는 그 재질이 SiC인 것을 특징으로 하는 플립칩 본더장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 가열판의 외측부는 그 재질이 스테인레스인 것을 특징으로 하는 플립칩 본더장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 가열판의 내측부는 두께가 1.5mm인 것을 특징으로 하는 플립칩 본더장치.