KR100833640B1 - 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치 및 그 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 루프 높이의 감소에 의한 패키지 두께 감소의 효과를 얻을 수 있고, 용융접합에 의한 접합강도의 증가로 인해 몰딩 시 발생하는 접합부의 파손을 줄일 수 있는 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치 및 그 접합 방법을 제공하기 위한 것으로, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 구체적인 수단은, 마이크로 전기 배선을 하기 위한 장치에 있어서, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생장치(10)와; 상기 레이저 빔 발생장치(10)로부터 공급된 빔을 와이어(W)의 용융 온도가 되도록 집속시키는 빔 집속장치(20)와; 상기 빔 집속장치(20)에서 발생된 집속빔으로 와이어(W)를 안내하는 와이어 노즐(30)과; 상기 와이어 노즐(30)로 배선 용접이 되는 와이어(W)를 공급하는 와이어 공급장치(40)와; 상기 빔 집속장치(20)와 와이어 공급장치(40)를 탑재시켜 3축 이송시키는 3축 이송장치(50)를 포함한 구성으로 된 것을 특징으로 한다.

레이저, 마이크로 와이어, 와이어 본딩

Description

레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치 및 그 접합 방법{Device and method for joining micro wire and micro structure using laser}

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치의 구성도.

도 2는 도 1의 장치를 이용한 접합 공정도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 레이저 빔 발생장치

20: 빔 집속장치

22: 집속렌즈

24: 시준기

30: 와이어 노즐

40: 와이어 공급장치

50: 3축 이송장치

본 발명은 마이크로 전기 배선 접합 장치 및 그 접합 방법에 관한 것으로, 특히 국부적인 가열(localized heating)이 가능하여 미소국조물의 접합에 유용한 방법으로 알려진 레이저 빔(beam)을 이용하여 마이크로 와이어와 마이크로 구조물간의 전기적 상호 연결방법을 제공하기 위한 전기 배선 접합 장치 및 그 접합 방법에 관한 것이다.

미소 전자 기계 시스템은 마이크로 크기의 복잡한 구조물로 구성되어 있다. 특히 미소 전자 기계 시스템에서 마이크로 전기배선은 전원공급 및 신호재분배 등의 중요한 역할을 담당하고 있다.

현재, 이러한 마이크로 전기 배선은 다양한 공정으로 제작되고 있고, 특히 마이크로 와이어를 이용한 전기 배선의 와이어 본딩(wire bonding) 방법을 통해 활발히 산업에서 응용되고 있다.

와이어 본딩 공정은 고상접합에 속하는 것으로, 크게 초음파를 이용한 초음파(ultrasonic) 공정, 열과 압력을 이용한 열압착(thermocompression) 공정, 열과 압력과 초음파를 동시에 이용한 써모소닉(thermosonic) 공정으로 나누어진다. 이러한 와이어 본딩은 접합 후 발생되는 와이어의 높이 즉, 루프(loop) 높이가 공정상 필연적으로 발생하게 된다.

또한 고상접합이므로 접합부의 강도가 약한 특성을 지닌다. 이러한 문제점으로 인해 얇은 패키지 구현이 힘들고, 접합부 단절이 문제가 되기도 한다.

본 발명에서는 상기한 기술적 문제를 해결하기 위해 레이저를 이용하여 마이크로 와이어와 마이크로 구조물을 접합하고자 한다. 레이저를 이용하면 와이어 본딩에서와 같이 와이어와 패드간의 접합 후 적당한 높이로 본딩 와이어를 들어 올린 후 살짝 꺽어주는 과정을 필요로 하지 않는다. 이에 따라 루프 높이를 현저하게 줄일 수 있다.

또한 레이저를 이용한 접합은 용융접합으로 접합부 강도가 높다. 그러므로 패키지의 몰딩 공정 중 와이어가 몰딩 콤파운드(molding compound)의 압력을 견디지 못하고 쓸려나가는 문제점을 줄일 수 있다. 즉, 본 발명의 공정을 이용하면 얇은 패키지 구현이 가능하고, 접합부 단절로 인한 불량을 줄일 수 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 제반적인 사정을 감안하여 창출된 것으로, 루프 높이의 감소에 의한 패키지 두께 감소의 효과를 얻을 수 있고, 용융접합에 의한 접합강도의 증가로 인해 몰딩 시 발생하는 접합부의 파손을 줄일 수 있는 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치 및 그 접합 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저를 이용한 마이크로 전기 배 선 접합 장치의 구체적인 수단은,

마이크로 전기 배선을 하기 위한 장치에 있어서,

레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생장치와;

상기 레이저 빔 발생장치로부터 공급된 빔을 와이어의 용융 온도가 되도록 집속시키는 빔 집속장치와;

상기 빔 집속장치에서 발생된 집속빔으로 와이어를 안내하는 와이어 노즐과;

상기 와이어 노즐로 배선 용접이 되는 와이어를 공급하는 와이어 공급장치와;

상기 빔 집속장치와 와이어 공급장치를 탑재시켜 3축 이송시키는 3축 이송장치를 포함한 구성으로 된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치는,

상기 3축 이송장치에 설치되며, 상기 빔 집속장치(20)에 의해 형성된 집속빔으로 불활성 가스를 공급하는 가스노즐과;

상기 가스노즐에 연결되어 불활성가스를 공급하는 가스공급기를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치에서,

상기 빔 집속장치는 상기 와이어 노즐에 배치된 집속렌즈와;

상기 3축 이송장치에 탑재되어 점광원을 평행광으로 변화시켜 상기 집속렌즈로 조사하는 시준기를 포함하여 구성된다.

또한 본 발명의 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치에서,

상기 와이어 노즐은,

상기 집속 렌즈가 설치되고 빔 통과 경로를 제공하는 빔 통과공과, 상기 빔 통과공의 일측으로 상기 와이어를 안내하는 와이어 안내구멍을 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 전기 배선을 하기 위한 방법은,

3축 정밀스테이지상에 마이크로 와이어 배선이 요구되는 패드를 안착시킨 후 패드의 상방으로 3축 이송장치를 위치시키는 단계와;

상기 3축 이송장치내의 와이어 공급장치로부터 와이어를 배출시켜 와이어의 선단을 와이어 노즐의 하부 끝단에서 일정한 길이로 노출시키는 단계와;

상기 3축 이송장치를 하향 이송시켜 와이어와 패드의 접촉면에 2차 결합을 발생시키는 단계와;

상기 3축 이송장치를 상향 이송과 수평 이송을 시킨 후, 와이어에 레이저 빔을 집속시켜 1차 접합을 실시하는 단계와;

1차 접합이 완료되면 레이저 빔의 집속 조사를 중단하고 와이어를 계속 공급하면서 3축 이송장치를 다음 접합 위치까지 수평방향으로 이동시킨 후 와이어 공급을 중단시키는 단계와;

상기 3축 이송장치를 하향 이동시켜 와이어와 패드의 접촉면에 2차 결합을 발생시킨 후, 3축 이송장치를 상향 이송시킨 상태에서 와이어에 레이저 빔을 집속 조사시켜 접합 및 절단을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 도 1에서와 같이 레이저 빔으로 와이어(W)를 용융시켜 마이크로 전기 배선을 가능하게 하는 장치이다.

먼저, 도 1에서와 같이 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생장치(10)와, 상기 레이저 빔 발생장치(10)로부터 공급된 빔을 와이어(W)의 용융 온도가 되도록 집속시키는 빔 집속장치(20)와, 상기 빔 집속장치(20)에서 발생된 집속빔으로 와이어(W)를 안내하는 와이어 노즐(30)이 구비된다.

이때 상기 와이어 노즐(30)은 상기 집속 렌즈(22)가 설치되고 빔 통과 경로를 제공하는 빔 통과공(31)과, 상기 빔 통과공(31)의 일측으로 상기 와이어(W)를 안내하는 와이어 안내구멍(32)이 구비된다.

또한 와이어 노즐(30)은 그 하단에 와이어(W)를 패드(2)의 접합부에 접촉시키는 과정에서 마모를 방지하기 위해 돌출팁을 더 설치할 수 있다. 이때 돌출팁은 탈부착이 가능하여 마모가 심하게 발생하면 교환이 가능하고, 와이어(W)보다 강도가 우수한 재질이 적용되고 팁과 와이어(W)간의 접합력이 낮은 재질을 사용함이 바람직하다.

또한 상기 와이어 노즐(30)로 배선 용접이 되는 와이어(W)를 공급하는 와이어 공급장치(40)와, 상기 빔 집속장치(20)와 와이어 공급장치(40)를 탑재시켜 3축 이송시키는 3축 이송장치(50)를 포함한 구성된다.

이때 상기 빔 집속장치(20)는 상기 와이어 노즐(30)에 배치된 집속렌즈(22) 와, 상기 3축 이송장치(50)에 탑재되어 점광원을 평행광으로 변화시켜 상기 집속렌즈(22)로 조사하는 시준기(24)로 구성되어 있다.

한편, 본 발명은 집속빔에 의해 와이어(W)의 용융 접합시 발생되는 금속증기를 제거하기 위해 불활성가스를 불어넣어주는 장치가 더 구비된다.

이는 상기 3축 이송장치(50)에 설치되며 상기 빔 집속장치(20)에 의해 형성된 집속빔으로 불활성 가스를 공급하는 가스노즐(60)과, 상기 가스노즐(60)에 연결되어 불활성가스를 공급하는 가스공급기(70)로 구성된다.

미설명 부호 '11'은 '광섬유'이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치의 동작을 마이크로 와이어와 마이크로 구조물인 패드간의 접합 공정을 통하여 도 2를 참조하여 설명한다.

먼저, 도 2의 (a)에서와 같이 작업대(5)상에 3축 정밀스테이지(7)가 장착되고, 3축 정밀스테이지(7)상에 마이크로 와이어 배선이 요구되는 패드(2)가 안착되고, 상기 패드(2)의 상방으로 3축 이송장치(50)가 배치된다.

이 상태에서 와이어 공급장치(40)가 작동하여 와이어 공급장치(40)내에 권취된 와이어(W)가 인출되어 와이어 노즐(40)의 와이어 안내공(32)을 통하여 배출된다. 이때 와이어(W)의 선단을 와이어 노즐(30)의 하부 끝단에서 일정한 길이로 노출되도록 배출시킨다.

따라서 와이어(W)의 말단과 패드(2)간에는 일정한 거리를 갖게 된다.

다음, 도 2의 (b)에서와 같이 3축 이송장치(50)를 하향 이송시켜 와이어(W) 와 패드(2)의 접촉면에 2차 결합(Van der Waals force)를 발생시킨다. 따라서 와이어(W)의 말단부가 절곡되어 패드(2)의 배선부에 접촉된 상태가 된다.

그 다음, 도 2의 (c)에서와 같이 3축 이송장치(50)를 상향 이송과 수평 이송을 시킨 후, 와이어(W)에 레이저 빔(4)을 집속시켜 접합을 수행한다. 이때 접합부에서는 레이저 빔 발생장치(10)로부터 발생된 빔이 시준기(24)를 통하여 평행광으로 변환되고 다시 집속렌즈(22)에 집사된 후 와이어(W)에 용융접합을 일으키게 된다.

이때 와이어(W)의 접합부에서 발생되는 금속증기는 가스공급기(70)로부터 공급되어 가스노즐(60)을 거쳐 분사되는 불활성가스에 의해 제거된다.

이같이 하여 패드(2)에 레이저 빔을 통한 와이어(W)와 패드(2)간의 용융접합이 완료되면 도 2의 (d)와 같이 레이저 빔의 집속과정은 중단된다.

그 다음, 도 2의 (e)와 같이 와이어(W)를 계속 공급하면서 3축 이송장치(30)를 수평방향으로 이동시킨다.

그 다음, 도 2의 (f)에서와 같이 다음으로 접합하고자 하는 패드(3)의 상부로 3축 이송장치(50)를 이동시켜 와이어 노즐(30)이 패드(3)의 상방에 위치시킨다. 이와 동시에 와이어(W)의 공급을 중단한다.

그 다음, 도 2의 (g)에서와 같이 3축 이송장치(50)를 하향 이동시켜 와이어W)와 패드(3)의 접촉면에 2차 결합(Van der Waals force)를 발생시킨다.

그 다음, 도 2의 (h)에서와 같이 3축 이송장치(50)를 상향 이송시킨 후, 와이어(W)에 레이저 빔(4)을 집속시켜 접합을 수행한다. 이와 동시에 전 공정에서 압 력을 받아 소성 변형된 와이어(W)에 절단이 발생하게 된다. 이때 접합시 발생되는 금속증기는 가스노즐(60)로부터 불어넣어지는 불활성가스에 의해 제거된다.

따라서 도 2의 (i)에서와 같이 와이어(W)는 패드(2)의 연결 단자를 레이저 빔 용접을 통하여 전기적으로 연결되어 배선작업을 완료하게 된다.

이같이 본 장치는, 와이어 노즐(30)로부터 공급된 와이어(W)를 패드(2)(3)의 상방에 위치시킨 후 3축 이송장치를 하향 조작시켜 와이어와 패드(2)(3)간의 상호 접촉을 발생시킨 후 와이어 상단에 레이저 빔을 조사하여 와이어 하단의 패드와 용융접합이 이루어진다. 이때 발생되는 금속증기는 불활성가스로 제거된다.

이렇게 접합이 이루어진 상태에서 와이어를 늘어뜨리면서 접합하고자 하는 구조물의 상단으로 와이어를 위치시킨 후 다시 노즐 하단의 돌출부를 이용하여 와이어와 패드간의 접촉을 형성하며 이렇게 임시로 고정된 와이어에 레이저 빔을 조사하여 와이어 하단의 패드와 용융접합이 된다. 이때 발생되는 금속증기는 마찬가지로 불활성가스에 의해 제거된다.

이러한 일련의 작업 과정을 통하여 마이크로 와이어와 마이크로 구조물간의 전기적 상호 연결되는 배선작업이 이루어진다.

특히, 와이어(W)의 용융접합 후 와이어를 들어올린 후 꺽어주는 작업이 불필요하므로 루프(loop) 높이를 현저하게 줄일 수 있어 얇은 패키지 구형이 가능하다. 또한 레이저 빔의 용융접합으로 접합부 강도가 높아 접합부 단절을 방지할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치 및 그 접합 방법에 따르면, 기존의 와이어 본딩 방법과 비교하여 볼 때, 와이어 루프 높이를 줄일 수 있고 용융접합이 가능하게 된다. 그러므로 본 발명은 루프 높이의 감소에 의한 패키지 두께 감소의 효과를 얻을 수 있고, 용융접합에 의한 접합강도의 증가로 인해 몰딩 시 발생하는 접합부의 파손을 줄일 수 있는 이점을 갖는다.

Claims (6)

1. 마이크로 전기 배선을 하기 위한 장치에 있어서,

   레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생장치(10)와;

   상기 레이저 빔 발생장치(10)로부터 공급된 빔을 와이어(W)의 용융 온도가 되도록 집속시키는 빔 집속장치(20)와;

   상기 빔 집속장치(20)에서 발생된 집속빔으로 와이어(W)를 안내하는 와이어 노즐(30)과;

   상기 와이어 노즐(30)로 배선 용접이 되는 와이어(W)를 공급하는 와이어 공급장치(40)와;

   상기 빔 집속장치(20)와 와이어 공급장치(40)를 탑재시켜 3축 이송시키는 3축 이송장치(50)를 포함한 구성으로 된 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 3축 이송장치(50)에 설치되며, 상기 빔 집속장치(20)에 의해 형성된 집속빔으로 불활성 가스를 공급하는 가스노즐(60)과;

   상기 가스노즐(60)에 연결되어 불활성가스를 공급하는 가스공급기(70)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 빔 집속장치(20)는 상기 와이어 노즐(30)에 배치된 집속렌즈(22)와;

   상기 3축 이송장치(50)에 탑재되어 점광원을 평행광으로 변화시켜 상기 집속렌즈(22)로 조사하는 시준기(24)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 와이어 노즐(30)은,

   상기 집속 렌즈(22)가 설치되고 빔 통과 경로를 제공하는 빔 통과공(31)과, 상기 빔 통과공(31)의 일측으로 상기 와이어(W)를 안내하는 와이어 안내구멍(32)을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 장치.
5. 마이크로 전기 배선을 하기 위한 방법에 있어서,

   (a) 3축 정밀스테이지(7)상에 마이크로 와이어 배선이 요구되는 패드(2)를 안착시킨 후 상기 패드(2)의 상방으로 3축 이송장치(50)를 위치시키는 단계와;

   (b) 상기 3축 이송장치(50)내의 와이어 공급장치(40)로부터 와이어(W)를 배출시켜 와이어(W)의 선단을 와이어 노즐(30)의 하부 끝단에서 일정한 길이로 노출시키는 단계와;

   (c) 상기 3축 이송장치(50)를 하향 이송시켜 와이어(W)와 패드(2)의 접촉면에 2차 결합(Van der Waals force)를 발생시키는 단계와;

   (d) 상기 3축 이송장치(50)를 상향 이송과 수평 이송을 시킨 후, 와이어(W)에 레이저 빔(4)을 집속시켜 1차 접합을 실시하는 단계와;

   (e) 1차 접합이 완료되면 레이저 빔의 집속 조사를 중단하고 와이어(W)를 계속 공급하면서 3축 이송장치(50)를 다음 접합 위치까지 수평방향으로 이동시킨 후 와이어 공급을 중단시키는 단계와;

   (f) 상기 3축 이송장치(50)를 하향 이동시켜 와이어(W)와 패드(3)의 접촉면에 2차 결합(Van der Waals force)를 발생시킨 후, 3축 이송장치(50)를 상향 이송시킨 상태에서 와이어(W)에 레이저 빔을 집속 조사시켜 접합을 수행하고 소성 변형된 와이어를 절단하는 단계를 포함하여 와이어 접합을 수행하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 (d)단계 및 (f)단계에서 각기 와이어(W)의 접합부에서 발생되는 금속증기를 가스공급기(70)로부터 공급되는 불활성가스에 의해 제거시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 마이크로 전기 배선 접합 방법.

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