KR100837734B1 - 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법 - Google Patents

초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법에 관한 것으로, 초음파 발생장치를 이용하여 솔더볼을 기판에 본딩하는 방법에 있어서, (a) 공급유닛에 배치된 칩패키지를 픽업유닛에 의해 초음파혼측으로 이송하는 단계와, (b) 상기 칩패키지의 타면을 상기 초음파혼으로 진공흡착하는 단계와, (c) 상기 초음파혼을 하강시켜 상기 솔더볼을 기판에 가압접촉시키는 단계와, (d) 상기 초음파혼을 통해 초음파를 발진하여 상기 솔더볼을 그의 용융점 보다 낮은 온도에서 용융시켜 상기 칩패키지를 상기 기판에 실장시키는 단계를 포함하는 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 저온하에서 본딩공정이 수행되는 것은 물론 솔더볼과 기판의 점 접촉부위에만 접합에너지가 가해지므로 칩패키지 및 기판의 손상을 방지하고 칩패키지에 가해지는 열적 스트레스를 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
솔더볼, 초음파혼, 저온접합, 칩패키지, 기판

Description

초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법{Method of bonding solder ball using ultra sonic}
도 1은 종래 솔더볼을 이용한 본딩방법을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법을 설명하기 위한 일실시 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법을 구현하기 위한 초음파 발생장치의 개략적인 일실시 정면 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 초음파 발생장치의 평면구성도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법을 구현하기 위한 플라즈마 발생장치의 개략적인 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법에 의한 솔더볼의 본딩상태 사진이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 칩패키지 11 : 접속패드
20 : 기판 21 : 기판패드
30 : 솔더볼 100a : 진공통로
100b : 히터 110 : 초음파혼
200 : 공급유닛 300 : 스테이지
400 : 픽업유닛 500 : 플라즈마 발생장치
본 발명은 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 칩패키지와 기판 사이에 개재된 솔더볼에 초음파를 발진하여 솔더볼의 용융점 보다 낮은 온도에서 용융시킴으로써 칩패키지를 기판에 실장하는 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법에 관한 것이다.
일반적으로, 패키지 공정은 반도체칩을 인쇄회로기판 등에 용이하게 실장시키면서도 외부 환경으로부터 보호하기 위해 밀봉수지를 사용하여서 반도체칩을 기밀 상태로 유지시키기 위한 공정이다.
이러한, 패키지 공정은 반도체칩을 리드프레임의 다이패드에 부착시키는 다이 본딩(die bonding)공정과, 상기 반도체칩을 상기 리드프레임에 전기적으로 연결하는 와이어 본딩(wire bonding)공정과, 상기 반도체칩 및 그 전기적 연결부위를 기밀 상태로 유지시키는 몰딩(molding)공정과, 상기 리드프레임의 외부 리드를 도금시키는 도금(solder plating)공정과, 상기 리드프레임의 외부 리드를 성형시키는 성형공정(forming/trimming) 등으로 이루어진다.
한편, 최근에는 패키지 공정에서 상기한 와이어 본딩기법과 더불어 플립칩 본딩(flip chip bonding)기법이 많이 이용되고 있다.
이와 같은, 다양한 패키지 공정을 거쳐 생산되는 칩패키지는 그 일면에 형성된 접속패드에 솔더볼을 접합하고, 상기 솔더볼을 전자부품의 인쇄회로기판에 용융접착시키는 방식으로 실장된다.
도 1은 종래 솔더볼을 이용한 본딩방법을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래 솔더볼을 이용한 본딩방법은 칩패키지(10)의 일면에 전자부품의 인쇄회로기판(20; 이하 기판)과의 전기적 접속을 위해 형성된 접속패드(11)에 솔더볼(30)을 접합하는 단계와, 접속패드(11)에 접합된 솔더볼(30)이 기판(20)의 전기적 접속역활을 하는 기판패드(21)에 일치하도록 로딩하는 단계와, 이와 같은 상태의 칩패키지(10) 및 기판(20)을 리플로 오븐(40; reflow oven)에 통과시킴으로서 솔더볼(30)이 용융되어 칩패키지(10)를 기판(20)에 실장하는 단계를 포함한다.
한편, 종래 솔더볼을 이용한 본딩방법은 본딩에 사용되는 솔더볼이 통상 180~ 220℃의 고온하에서 용융되므로, 솔더볼을 용융시키기 위한 리플로 오븐이 필수적으로 사용되어야 하는 불편함이 있었다.
또한, 상기와 같이 고온하에서 본딩공정이 진행되므로 칩패키지 및 기판에 손상을 줄 수 있다는 문제점이 있었다.
더욱이, 리플로 오븐의 가열방식에 의해 솔더볼을 용융시킴으로 용융에 소요되는 시간이 비교적 오래 소요되므로 리플로 오븐 통과시간이 길어지고 본딩공정에 소요되는 텍트타임을 증가시켜 생산성향상에 기여하지 못한다는 단점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은, 솔더볼의 용융점 보다 낮은 저온하에서 본딩공정을 수행하면서도 솔더볼의 용융시간을 단축시킬 수 있는 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일면에 솔더볼이 접합된 칩패키지를 공급하는 공급유닛과 상기 칩패키지가 실장될 기판이 로딩되는 스테이지와 상기 칩패키지를 진공흡착하고 상기 기판에 가압접촉시켜 초음파 발진하는 초음파혼과 상기 공급유닛의 칩패키지를 상기 초음파혼측으로 이송하는 픽업유닛을 구비하는 초음파 발생장치를 이용하여 솔더볼을 기판에 본딩하는 방법에 있어서, (a) 상기 공급유닛에 배치된 상기 칩패키지를 상기 픽업유닛에 의해 상기 초음파혼측으로 이송하는 단계와, (b) 상기 칩패키지의 타면을 상기 초음파혼으로 진공흡착하는 단계와, (c) 상기 초음파혼을 하강시켜 상기 솔더볼을 상기 기판에 가압접촉시키는 단계와, (d) 상기 초음파혼을 통해 초음파를 발진하여 상기 솔더볼을 그의 용융점 보다 낮은 온도에서 용융시켜 상기 칩패키지를 상기 기판에 실장시키는 단계를 포함한다.
상기 (d)단계는, 상기 초음파혼이 40Mhz~70Mhz의 초음파를 0.1sec~1sec간 발진하는 것일 수 있다.
상기 (d)단계는 상기 초음파 발생장치에 구비된 히터를 이용하여 상기 초음 파혼에 상기 솔더볼의 용융점 보다 낮은 공정온도를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (d)단계는, 상기 초음파 발생장치에 구비된 히터를 이용하여 상기 스테이지에 상기 솔더볼의 용융점 보다 낮은 공정온도를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 칩패키지 또는 상기 기판은, 상기 (a)단계 전에 그 실장면에 플라즈마처리 된 것일 수 있다.
상기 (d)단계는, 상기 초음파혼을 수직구동하는 실린더에 설치된 로드셀에서 상기 솔더볼의 용융시 발생되는 상기 초음파혼의 가압력 감소분을 측정하고, 상기 초음파혼의 가압력 감소시 상기 실린더를 보상구동하여 상기 초음파혼을 적정 가압력으로 일정하게 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법을 구현하기 위한 초음파 발생장치의 개략적인 일실시 정면 구성도 이며, 도 6은 도 5에 도시된 초음파 발생장치의 평면구성도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법은 (a) 공급유닛(200)에 배치된 칩패키지(10)를 픽업유닛(400)에 의해 초음파혼(110)측으로 이송하는 단계와, (b) 일면에 솔더볼(30)이 접합된 상기 칩패키지(10)의 타면을 상기 초음파혼(110)으로 진공흡착하는 단계와, (c) 상기 초음파혼(110)을 하강시켜 상기 솔더볼(30)을 기판(20)에 가압접촉시키는 단계와, (d) 상기 초음파혼(110)을 통해 초음파를 발진하여 상기 솔더볼(30)을 그의 용융점 보다 낮은 온도에서 용융시켜 상기 칩패키지(10)를 상기 기판(20)에 실장시키는 단계를 포함한다.
상기 칩패키지(10)는 그 내부에 반도체칩(미도시)이 포함되어 있되 상기 반도체칩과 전기적 접속역활을 하는 접속패드(11)가 일면에 노출되어 있다. 상기 칩패키지(10)가 실장되는 기판(20)은 일례로 인쇄회로기판 등이 될 수 있다.
이러한, 칩패키지(10)의 접속패드(11)는 기판(20)의 전기적 접속역활을 하는 기판패드(21)와 솔더볼(30)에 의해 전기적으로 연결된다.
구체적으로, 칩패키지(10)는 접속패드(11)가 노출된 일면에 솔더볼(30)이 접합되어 솔더볼(30)을 매개로 기판(20)에 실장된다.
본 일실시예에 사용되는 솔더볼(30)은 Sn-pb계 솔더볼 또는 Pb-free계 솔더볼이 사용될 수 있다.
이와 같이, 전자부품의 실장용으로 주로 사용되는 Sn-pb계 솔더볼 또는 Pb-free계 솔더볼의 조성비와 용융점 및 비중을 하기의 표 1에서 정리하였다.
조성비(%) 융융점(℃) 비중
Sn-Pb계 솔더볼 Sn:Pb=63:37 183 8.4
Sn:Pb:Ag=62:36:2 179 8.4
Pb-free계 솔더볼 Sn:Ag:Cu=95.5:4:0.5 217~219 7.4
Sn:Ag:Cu=96.5:3:0.5 217~219 7.4
Sn:Ag:Cu:Ni:Ge=98.24:1.2:0.5:0.05:0.01 219~225 7.4
Sn:Ag:Cu:Ni:Ge=96.48:3:0.5:0.01:0.01 217~219 7.4
Sn:Ag:Cu:In:Ge=96.34:3:0.5:0.15:0.01 217~219 7.4
상기 표 1에서와 같이 솔더볼(30)은 다양한 조성비를 갖도록 구성될 수 있으나, 용융점(melting point)이 약 180~220℃의 범위에 있음을 확인할 수 있고, 특히 최근들어 환경문제의 대두와 함께 많이 사용되고 있는 Pb-free계 솔더볼(무연 솔더볼)의 경우는 약 220℃ 이상의 고온에서 용융되므로 이러한 고온하에서의 본딩공정은 점점 더 미세 패턴화되는 반도체칩에 영향을 줄 수 있다.
특히, 상기한 종래 기술에서는 솔더볼(30)을 용융시키기 위하여 솔더볼(30)에 인가되는 공정온도가 솔더볼(30)의 용융점 이상으로 인가되어 본딩공정이 진행된 것에 반하여, 본 일실시예에서는 고온화에 따른 칩손상이 방지되도록 솔더볼(30)에 용융점 이하의 공정온도가 인가되어 본딩공정이 진행될 수 있도록 구성된다.
이와 같이, 본 일실시예상에서는 상온에서 부터 솔더볼(30)의 용융점 보다 낮은 저온 범위에서 본딩공정이 진행되는 것을 저온접합으로 정의한다.
이처럼, 본 일실시예에서는 칩패키지(10)와 기판(20)을 저온접합시킴으로써, 고온하에서 본딩공정 진행에 따른 반도체칩과 기판(20)의 손상을 방지한다.
구체적으로, 솔더볼(30)은 초음파 발생장치에 구비된 초음파혼(110)으로 부터 발진되는 초음파에너지에 의해 그의 용융점보다 낮은 저온하에서 용융되는 것이 가능하다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 초음파 발생장치는 테이블(900)과, 일면에 솔더볼(30)이 접합된 칩패키지(10)를 공급하는 공급유닛(200)과, 상기 칩패키지(10)가 실장될 기판(20)이 로딩되는 스테이지(300)와, 상기 칩패키지(10)를 진공흡착하여 상기 기판(20)에 가압접촉 후 초음파 발진하는 초음파혼(110)과, 상기 공급유닛(200)의 칩패키지(10)를 상기 초음파혼(110)측으로 이송하는 픽업유닛(400)을 포함한다.
따라서, 공급유닛(200)에 배치된 칩패키지(10)는 픽업유닛(400) 의해 초음파혼(110)측으로 이송되어 초음파혼(110)에 진공흡착된다.
일례로, 칩패키지(10)는 솔더볼(30)이 접합된 면이 상측으로 위치한 상태에서 픽업유닛(400)에 의해 이송되는 도중에 픽업유닛(400)의 상하방향 180도 회전에 의해 상하역전되어 솔더볼(30)이 접합된 면이 하측으로 위치되어 스테이지(300)상의 기판(20)과 마주보게 되고, 솔더볼(30)이 접합된 면의 타측면이 상측으로 위치되어 초음파혼(110)의 하측 단부와 마주보게 된다.
이에, 초음파혼(110)은 칩패키지(10)의 솔더볼(30) 접합된 면의 타측면을 진공흡착하고, 실린더(120)의 하강구동에 의해 스테이지(300)측으로 하강하게 된다. 여기서, 칩패키지(10)를 기판(20)의 정위치에 실장하기 위하여는 스테이지(300)를 정밀 위치제어한다.
따라서, 초음파혼(110)은 솔더볼(30)을 스테이지(300)에 로딩된 기판(20)의 기판패드(21)에 가압접촉시키게된다.
특히, 초음파혼(110)과 그 상측의 부스터(111)와 그 상측의 컨버터(112)가 일체형성되어 초음파 발진부(100)를 형성할 수 있다.
이러한, 초음파 발진부(100)는 부스터(111)가 없이 초음파혼(110)과 컨버터(112)만으로 이루어진 것일 수도 있다.
따라서, 초음파혼(110)은 파워서플라이(미도시)로 부터 발생된 초음파를 컨버터(112)와 부스터(111)를 통하여 순차 전달받아 범프(12)에 발진한다.
이와 같은 상태에서, 칩패키지(10)는 초음파혼(110)에서 발생되는 초음파 에너지에 의한 진동에너지에 의해 솔더볼(30)이 용융되어 기판(20)에 본딩될 수 있다.
한편, 솔더볼(30)을 그의 용융점이하의 저온하에서 용융시키기 위한 공정온도는 다양한 변수에 의해 결정되는데, 솔더볼(30)과 기판(20)의 가압정도, 초음파혼(110)에서 발진되는 초음파에너지의 주파수 및 진폭 정도, 솔더볼(30)에 인가되는 초음파에너지의 인가시간 등에 따라 가변될 수 있다.
도 2에 도시된 바와같이, 초음파혼(110)은 칩패키지(10)의 전기적 접속역활을 하는 접속패드(11)가 하측으로 위치되게 픽업유닛(400)에서 칩패키지(10)를 이송받아 칩패키지(10)의 타면을 진공흡착한다.
이러한, 초음파혼(110)은 칩패키지(10)를 진공흡착하기 위한 진공통로(100a)가 내부에 형성되어 있고, 그 외면에 진공통로(100a)로 작동유체를 소통시키는 공압관(미도시)이 결속된다.
도 3에 도시된 바와같이, 초음파혼(110)이 칩패키지(10)를 진공흡착한 상태에서 초음파혼(110)은 기판(20)이 로딩장착된 스테이지(300)측으로 하강하게 된다.
일례로, 초음파혼(110)은 솔더볼(30)을 기판(20)에 가압할시에 그 가압력을 순차 증가시켜 가압할 수 있다.
구체적으로, 초음파혼(110)은 우선 그의 자중 또는 자중의 일부를 부여하는 예비가압단계와, 본딩공정에 필요한 하중을 가하는 공정가압단계와, 상기 공정가압단계에서 부여된 하중을 유지시키는 가압유지단계가 실린더(120)의 구동제어에 의해 순차적으로 수행될 수 있다.
이와 같이, 초음파혼(110)은 솔더볼(30)에 부여하는 공정하중을 순차 증가시키므로 칩패키지(10) 및 기판(20)에 발생될 수 있는 손상을 최소화할 수 있게 되고, 상기 가압유지단계에서 초음파를 발진하여 본딩공정을 수행하는 것이 바람직하다.
상기의 방식에 부가하여, 솔더볼(30)에 그의 용융점 보다 낮은 공정온도를 인가할 수 있다.
이러한, 공정온도는 솔더볼(30)과 기판(20)의 가압정도, 초음파혼(110)에서 발진되는 초음파에너지의 주파수 및 진폭 정도, 솔더볼(30)에 인가되는 초음파에너지의 인가시간 등에 따라 결정된다.
본 출원인의 실험에 따르면, 원활한 본딩공정이 이루어지기 위한 솔더볼(30)과 기판(20)의 가압력은 약 60㎩(N/m2) 정도이고, 초음파혼(110)에서 발진되는 초음파의 주파수는 약 40Mhz~70Mhz이며, 초음파혼(110)에서 발진되는 초음파의 진폭은 2㎛~10㎛이고, 초음파에너지의 인가시간은 0.1sec~1sec일 때, 상기한 같은 조건으로 설정된 초음파혼(110)이 초음파를 솔더볼(30)에 발진하게 되면, 솔더볼(30)은 150℃ 이하의 공정온도에서 용융되는 것을 확인하였다.
이에, 본 일실시예에서는 초음파혼(110)에 솔더볼(30)의 용융점 보다 낮은 공정온도를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 솔더볼(30)에 공정온도를 인가하는 별도의 수단이 더 포함된다. 구체적으로, 초음파혼(110)에는 솔더볼(30)을 히팅하기 위한 히터(100b)가 더 구비된다.
이와 같이, 솔더볼(30)에 공정온도를 인가하게 되면 칩패키지(10)에 접합된 솔더볼(30)이 접속패드(11)상에 정위치되지 못하였더라도 칩패키지(10)가 공정온도로 히팅되는 도중에 표면장력에 의해 접속패드(11)의 정위치로 위치되는 장점이 있다.
상기의 방식에 부가하여, 초음파혼(110)과 스테이지(300)에 서로 다른 공정온도를 인가하는 방식도 고려될 수 있다.
구체적으로, 초음파혼(110)에는 솔더볼(30)을 용융시킬 수 있는 공정온도를 인가하고, 스테이지(300)에는 공정온도 이하의 온도를 적용하여 솔더볼(30)을 좀 더 단시간내에 용융하면서도 기판(20)의 열에 대한 안정성을 도모할 수 있는 장점이 있다.
종래 리플로 오븐방식에 의한 본딩방법은 솔더볼(30) 용융에 소요되는 시간이 수 초정도 소요된 것에 반하여, 본 일실예에 따른 솔더볼(30)을 이용한 초음파 본딩방법은 솔더볼(30)에 그의 용융점 보다 낮은 온도의 열에너지 및 진동에너지가 함께 작용하므로 솔더볼(30) 용융에 소요되는 시간이 0.1sec~1sec 내에서 이루어진다는 장점이 있다.
상기의 방식에 부가하여, 본 일실시예는 솔더볼(30) 용융시 발생되는 초음파혼(110)의 솔더볼(30)에 대한 가압력 감소분을 보상하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
솔더볼(30)은 초음파혼(110) 및 스테이지(300)에서 전달되는 초음파에너지 및 공정온도에 의해 용융이 시작되면 초음파혼(110)에 의한 가압력이 감소된다.
이와 같이, 초음파혼(110)의 솔더볼(30)에 대한 가압력 감소분이 발생되면 원활한 본딩공정이 수행되지 못할 수 있으므로, 초음파혼(110)은 가압력 감소분 만큼 피드백(feed back)하여 항시 일정한 가압력을 유지하도록 보상구동된다.
구체적으로, 초음파혼(110)을 수직구동하는 실린더(120)에는 로드셀(미도시)을 장착하여 가압력을 실시간 측정하도록 하고, 상기 로드셀에서 측정된 가압력이 설정가압력과 비교하여 감소되면, 그 차이만큼 기설정된 보상값으로 실린더(120)를 하강구동하여 초음파혼(110)의 솔더볼(30)에 대한 가압력을 적정 가압력으로 항시 일정하게 유지한다.
도 4에 도시된 바와같이, 솔더볼(30)이 용융되면 초음파혼(110)은 진공흡착을 해제하여 칩패키지(10)를 분리하고 그 상측으로 후퇴된다.
이처럼, 칩패키지(10)는 저온접합에 의해 기판(20)에 실장완료되고 칩패키지(10)가 실장완료된 기판(20)은 스테이지(300)상에서 언로딩된다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 저온접합 완료된 솔더볼의 본딩상태를 도 9에서 나타내었다.
한편, 칩패키지(10) 또는 기판(20)은 상기한 초음파 발생장치에 로딩되기 전 그 실장면에 플라즈마처리 되는 것이 바람직하다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법을 구현하기 위한 플라즈마 발생장치의 개략적인 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법을 구현하기 위한 플라즈마 발생장치(500)는 전원극(510)과, 유전체막(520)과, 메인 플라즈마 접지극(540)과, 보조 플라즈마 접지극(530)과, 가스 유입부(550)와, 전원 컨트롤러(560)를 포함한다.
상기 유전체막(520)은 전원극(510)과 메인 플라즈마 접지극(540) 사이에 개재되는 제1유전체막(522)과, 전원극(510)과 보조 플라즈마 접지극(530) 사이에 개재되는 제2유전체막(524)으로 구분될 수 있다.
상기 전원극(510)은 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 합금 등의 금속이며, 전원 컨트롤러(560)와 전기적으로 연결된다. 전원 컨트롤러(560)에 의해서 전원극(510)에는 RF 전원이 인가될 수 있으며, 사용 조건에 따라 전원 컨트롤러(560)에 인가되는 RF 전원은 저주파 전원 또는 고주파 전원이 될 수 있다.
따라서, 전원 컨트롤러(560)에서는 기본적으로 보조 플라즈마(Auxiliary Plasma)(AP)를 생성할 수 있는 정도의 낮은 파워의 전원이 공급되고 있으며, 전원극(510) 및 보조 플라즈마 접지극(530) 사이의 간격이 아주 좁고 면적이 작기 때문에 작은 파워의 전원으로도 용이하게 보조 플라즈마(AP)를 유지할 수가 있다.
상기 제1유전체막(522) 및 제2유전체막(524)은 알루미나, 석영, 실리콘 또는 세라믹으로 구성되며, 하나로 연결되어 유전체막(520)을 구성한다.
이러한, 유전체막(520)은 전원극(510)의 주변을 따라 형성된 절연체로서, 전원극(510)과 주변 접지극들과의 직접적인 접촉을 차단하며, 전원극(510)과 주변 접지극들 간에 아크가 발생하는 것을 억제할 수가 있다. 여기서 유전체막(520)은 약 0.1~10mm의 두께로 형성된다.
상기 보조 플라즈마 접지극(530)은 유전체막(520)에 의해서 덮인 전원극(510)의 측면 하단에 인접하게 위치하며, 제2유전체막(524)은 보조 플라즈마 접지극(530) 및 전원극(510) 사이에 배치된다.
상기 보조 플라즈마 접지극(530)은 작은 파워의 전원이 전원극(510)에 인가되어도 보조 플라즈마(AP)를 생성할 수 있어야 하며, 이를 위해서 전원극(510)으로부터 약 0.1~20mm 정도의 간격으로 인접한 배치된다.
또한, 보조 플라즈마 접지극(530)은 전원극(510)과 나란하게 배치되고 좁은 면적을 통해 서로 마주보기 때문에, 작은 파워로도 쉽게 보조 플라즈마(AP)를 생성할 수 있으며, 이때 생성되는 보조 플라즈마(AP)는 전원극(510)을 따라 길게 형성된다.
따라서 보조 플라즈마(AP)가 메인 플라즈마(MP)로 전이될 때에도 전 구간에 걸쳐 신속하게 전이될 수가 있다.
그리고, 다량의 라디칼 및 이온을 형성하기 위해서 혼합가스가 전원극(510) 및 보조 플라즈마 접지극(530) 사이로 공급된다.
이러한, 혼합가스는 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등의 비활성 가스를 포함하며, 이들 비활성 가스에 미량으로 혼합된 산소(O2), 질소(N2). 수소(H2) 등과 같은 반응가스를 포함한다.
이러한, 반응가스에는 탄소, 염소, 암모니아, 메탄 등이 포함됨으로써 플라즈마 처리시 표면의 화학적 성질을 개조하기 위한 용도로 사용될 수가 있다.
그리고, 혼합가스는 가스 유입부(550)를 통해서 외부로부터 전극 사이로 공급되며, 전원극(510) 및 보조 플라즈마 접지극(530)의 사이를 따라 전체적으로 균일하게 공급된다.
이에, 전원극(510) 및 보조 플라즈마 접지극(530) 사이로 공급된 혼합가스는 강한 전기장에 의해서 해리되며 이러한 과정을 통해 플라즈마가 생성된다.
상기 메인 플라즈마 접지극(540)은 전원극(510)의 하부에 위치하며, 전원극(510)으로부터 소정의 간격만큼 이격되어 배치된다.
이러한, 메인 플라즈마 접지극(540)은 전원극(510)의 RF 전원에 대응하여 메인 플라즈마(Main Plasma)(MP)를 생성하기 위한 것으로서, 전원극(510)에 인가되는 전원이 일정 파워 이상으로 증가하면 메인 플라즈마(MP)가 생성될 수 있다.
피처리물이 금속인 경우에는 메인 플라즈마 접지극(540) 없이도 메인 플라즈마(MP)를 형성할 수 있지만, 피처리물이 비금속인 경우에는 전기장을 형성할 수 있도록 메인 플라즈마 접지극(540)이 있어야 한다. 또한, 메인 플라즈마 접지극(540)은 비금속인 피처리물과 접촉을 유지하는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서는 메인 플라즈마 접지극(540)과 피처리물이 작은 간격만큼 이격되어 서로 닿지 않는 경우도 있을 수 있다.
한편, 메인 플라즈마 접지극(540)은 전기장을 형성하기 위한 것으로서, 전원극(510)에 대응하는 접지를 형성할 수 있는 것이라면 접지 형태나 접지 위치에 대한 엄격한 제한은 없다고 할 수 있다.
예를 들어, 본 일실시예에서 피처리물인 칩패키지(10) 또는 기판(20)을 지속적으로 이송시키며 가공처리하는 경우 칩패키지(10) 또는 기판(20)을 이송하는 컨베이어 벨트(미도시) 등의 이송수단 자체가 메인 플라즈마 접지극(540)으로 사용될 수도 있으며, 상기 컨베이어 벨트는 접지 상태를 유지함으로써 유효한 접지극으로서의 기능을 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 피처리물인 칩패키지(10) 또는 기판(20)이 전원극(510) 및 메인 플라즈마 접지극(540) 사이에 위치하고 있다. 이때, 전원 컨트롤러(560)는 증가된 파워의 RF 전원을 전원극(510)에 인가하고, RF 전원의 파워가 증가됨에 따라 전원극(510) 및 피처리물(10, 20) 사이에는 글로우 플라즈마가 생성된다.
전원극(150)과 보조 플라즈마 접지극(530) 사이에는 항상 보조 플라즈마(AP)가 형성되어 있다. 따라서 메인 플라즈마(MP)가 생성될 때 보조 플라즈마(AP)의 플라즈마 상태가 메인 플라즈마(MP)로 쉽게 전이될 수 있으며, 본 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치(500)는, 종래의 플라즈마 발생장치에 비해 훨씬 안정되면서 전력의 손실이 적은 플라즈마를 생성할 수가 있다.
또한, 메인 플라즈마(MP)를 유지할 수 있는 전력에 비해 보조 플라즈마(AP)를 유지하는 전력은 미비하기 때문에, 피처리물(10, 20)을 가공하고 있는 동안에도 보조 플라즈마(AP)는 꺼짐 없이 안정하게 플라즈마 상태를 유지할 수 있다.
따라서 공급되는 전원이 불안정하여 메인 플라즈마(MP)의 상태가 불안정하게 되어도, 안정된 보조 플라즈마(AP)로부터 플라즈마 상태가 메인 플라즈마(MP)로 수시로 전이될 수 있으며, 메인 플라즈마(MP)도 꺼짐 없이 안정된 상태를 유지할 수가 있다.
이와 같이, 칩패키지(10)가 초음파혼(110)에 진공흡착되기 전 또는 기판(20)이 스테이지(300)에 로딩되기 전에 전처리 단계로서, 칩패키지(10)와 기판(20)은 그의 실장진행될 면에 플라즈마처리가 수행된다.
일례로, 본 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치(500)는 칩패키지(10) 또는 기판(20)을 10 mm/sec~300mm/sec 속도로 이송하도록 구성할 수 있고, 0.1~2KW 정도의 전극 파워를 인가할 수 있으며, 플라즈마를 생성하기 위한 헬륨(He)과 아르곤(Ar)가스를 주성분으로 하는 혼합가스를 3~30l/min의 유량으로 공급할 수 있다.
상기와 같은 조건하에서, 플라즈마 발생장치(500)에 의해 플라즈마처리된 칩패키지(10) 또는 기판(20)은 실장 진행될 면이 세정처리될 뿐만 아니라 표면활성화에 의해 부착력이 증가되는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다.
상기한 바와 같이 본 발명은, 저온하에서 본딩공정이 수행되는 것은 물론 솔더볼과 기판의 점 접촉부위에만 접합에너지가 가해지므로 칩패키지 및 기판의 손상을 방지하고 칩패키지에 가해지는 열적 스트레스를 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명은, 열 및 진동에너지가 솔더볼에 함께 작용하여 솔더볼의 용융시간을 감소시킴으로써 본딩공정에 소요되는 텍트타임도 감소하므로 생산성을 대폭 향상시키는 효과가 있다.
또한 본 발명은, 칩패키지 또는 기판의 실장처리될 면이 플라즈마처리되므로 표면 활성화되어 부착력이 증가되는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 일면에 솔더볼이 접합된 칩패키지를 공급하는 공급유닛과 상기 칩패키지가 실장될 기판이 로딩되는 스테이지와 상기 칩패키지를 진공흡착하고 상기 기판에 가압접촉시켜 초음파 발진하는 초음파혼과 상기 공급유닛의 칩패키지를 상기 초음파혼측으로 이송하는 픽업유닛을 구비하는 초음파 발생장치를 이용하여 솔더볼을 기판에 본딩하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 공급유닛에 배치된 상기 칩패키지를 상기 픽업유닛에 의해 상기 초음파혼측으로 이송하는 단계;
    (b) 상기 칩패키지의 타면을 상기 초음파혼으로 진공흡착하는 단계;
    (c) 상기 초음파혼을 하강시켜 상기 솔더볼을 상기 기판에 가압접촉시키는 단계; 및
    (d) 상기 초음파혼을 통해 초음파를 발진하여 상기 솔더볼을 솔더볼의 용융점 보다 낮은 온도에서 용융시켜 상기 칩패키지를 상기 기판에 실장시키는 단계를 포함하며,
    상기 (d) 단계는, 상기 초음파 발생장치에 구비된 히터를 이용하여 상기 초음파혼 및 상기 스테이지 중에서 선택된 적어도 어느 하나에 상기 솔더볼의 용융점 보다 낮은 공정온도를 인가하는 단계를 포함하는 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (d)단계는,
    상기 초음파혼이 40Mhz~70Mhz의 초음파를 0.1sec~1sec간 발진하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 칩패키지 또는 상기 기판은,
    상기 (a)단계 전에 상기 칩 패키지 또는 상기 기판의 실장면에 플라즈마처리 된 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법.
  6. 제1항, 제2항 또는 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 (d)단계는,
    상기 초음파혼을 수직구동하는 실린더에 설치된 로드셀에서 상기 솔더볼의 용융시 발생되는 상기 초음파혼의 가압력 감소분을 측정하고, 상기 초음파혼의 가압력 감소시 상기 실린더를 보상구동하여 상기 초음파혼의 가압력을 일정하게 유지하는 단계를 더 포함하는 초음파를 이용한 솔더볼 본딩방법.
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