KR100871387B1 - 볼 형성 장치 및 이를 이용한 볼 형성 방법 - Google Patents

볼 형성 장치 및 이를 이용한 볼 형성 방법 Download PDF

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Abstract

볼 형성 장치 및 이를 이용한 볼 형성 방법이 개시되어 있다. 볼 형성 장치는 볼 패드들이 형성된 대상물이 안착되는 플레이트, 볼 패드들 상에 볼을 형성하기 위한 금속물을 도팅하는 도팅 툴, 대상물과 도팅 툴을 정렬시키기 위한 얼라인 유닛, 볼을 형성하기 위한 금속물이 채워지고, 도팅 툴의 일부분이 잠겨지면 도팅 툴에 금속을 공급하는 금속 공급 유닛 및 도팅 툴을 플레이트 및 금속 공급 유닛으로 이동시키고, 도팅 툴을 상승/하강시키는 도팅 툴 이송 유닛을 포함하는 볼 도팅 모듈; 대상물의 볼 패드 상에 도팅된 예비 볼을 녹여 예비 볼을 볼 패드에 접속시켜 대상물에 볼을 형성하는 리플로우 유닛; 대상물을 플레이트, 얼라인 유닛 및 리플로우 유닛으로 이송시키는 대상물 이송 유닛; 볼 도팅 모듈 및 리플로우 유닛을 포함하여 설비를 전반적으로 제어하는 제어부를 포함한다.
Figure R1020070078220
볼 도팅 모듈, 도핑 툴, 금속 공급 유닛, 볼, 대상물, 볼 형성 장치

Description

볼 형성 장치 및 이를 이용한 볼 형성 방법{Ball formation apparatus and method for forming ball using the same}
도 1은 본 발명에 의한 볼 형성 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 도팅 툴 및 금속 공급 유닛을 좀더 상세하게 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 볼 형성 장치를 이용하여 작업 대상물에 볼을 형성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 내지 4c는 도팅 툴에 의해 작업 대상물에 예비 볼이 도팅되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 볼 형성 장치 및 이를 이용한 볼 형성 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 도팅 핀의 단부에 액체 상태의 금속을 묻혀 대상물의 패드에 금속물을 도팅하여 볼을 형성하여 볼의 크기 및 볼들 간의 피치를 작게 조절하고, 인접한 볼들이 서로 붙는 것을 방지한 볼 형성 장치 및 이를 이용한 볼 형성 방법에 관한 것이다.
일반적인 반도체 소자는 순도 높은 실리콘으로 이루어진 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)에 반도체 칩(semiconductor chip)을 제조하는 반도체 칩 제조 공정(semiconductor chip manufactruing process), 반도체 칩을 전기적으로 검사하는 다이 소팅 공정(die sorting process) 및 양품 반도체 칩을 패키징하는 패키징 공정(packaging process) 등을 통해 제조된다.
여기서, 양품 반도체 칩을 패키징하는 반도체 패키징 공정은 일반적으로, 베이스 기판의 상부면에 접착제를 개재하여 반도체 칩을 부착하는 다이 어테치(die attach) 공정, 반도체 칩의 상부면에 배열된 범프들과 베이스 기판의 상부면 가장자리에 배열된 본딩 패드들을 도전성 와이어로 연결시켜 반도체 칩과 베이스 기판을 전기적으로 연결시키는 와이어 본딩(wire bonding) 공정, 베이스 기판의 상부면을 몰딩 수지로 덮어 반도체 칩 및 와이어를 외부 환경으로부터 보호하는 밀봉부를 형성하는 몰딩(molding)공정 및 베이스 기판의 하부면에 배열되고 본딩 패드들과 전기적으로 연결된 볼 랜드에 외부 접속 단자로 사용되는 솔더 볼을 접속하는 단계를 포함한다.
솔더 볼을 형성하고 볼 랜드에 솔더 볼을 접속하는 방법에는 정형화된 구 형상의 솔더 볼을 볼 랜드에 부착하는 볼 마운팅 방법 및 볼 랜드와 대응되는 부분이 개구된 마스크를 이용하여 솔더를 도포하는 스크린 프린팅 방법 및 반도체 제조 공정을 이용한 솔더 패터닝 방법 등이 있다.
볼 마운팅 방법에 의한 솔더 볼 접속은 먼저, 볼 랜드의 표면에 플럭스(flux)를 도포한다. 여기서, 플럭스는 점도를 갖는 물질로, 솔더 볼이 볼 랜드에 완전히 접속될 때까지 솔더 볼을 잡고 있으며, 솔 랜드의 표면의 오염막을 제거하여 솔더 볼과 볼 랜드 간의 결합을 향상시킨다.
볼 랜드에 플럭스가 도포되면, 볼 픽업 툴이 바이브레이션(vibration), 또는 카드리지(catridge) 방식으로 구 형상의 솔더 볼을 잡아 플럭스가 도포된 볼 랜드 위에 솔더 볼을 올려놓는다.
이후, 솔더 볼이 볼 랜드들 각각에 빠짐없이 올려 졌는지 등의 외관 검사를 하고, 각각의 볼 랜드에 솔더 볼이 모두 올려졌으면, 솔더 볼이 녹는 온도 이상의 열을 가하는 리플로우 공정을 진행하여 솔더 볼과 볼 랜드를 완전히 접속시킨다. 그리고, 솔더 볼 주위에 잔존하는 플럭스를 순수 및 솔벤트 등으로 세정하여 플럭스로 인해 발생되는 솔더 볼 부식, 전기적 단락 및 외관 이상을 방지한다.
그러나, 볼 마운팅 방법에 의한 솔더 볼 접속의 경우, 정량화된 솔더 볼의 크기, 즉 솔더 볼을 볼 랜드에 접속시키는 작업을 할 수 있는 최소한의 크기로 제작하기 때문에 솔더 볼과 볼 랜드 간의 접속 작업의 한계, 솔더 볼 크기를 작게 할수 있는 한계 및 반도체 패키지의 디자인에도 많은 제약이 따르는 문제점이 있다.
즉, 솔더 볼을 볼 랜드에 접속시키는 작업을 할 수 있는 최소한의 크기, 예를 들어 0.3㎜보다 작을 경우 볼 픽업 툴에 솔더 볼이 전부 픽업될 확률이 낮아 생산성이 저하된다. 그리고, 기판에 형성된 볼 랜드들의 간격이 좁을 경우, 솔더 볼을 녹여 볼 랜드에 접속시키는 리플로우 공정에서 인접한 솔더 볼들끼리 서로 붙는 불량이 발생된다.
솔더 볼의 크기를 0.3㎜보다 작게 형성할 경우 상술한 문제가 발생되므로 종 래에는 솔더 볼로 인해 반도체 패키지의 크기를 줄일 수 없는 문제점이 발생된다.
한편, 스크린 프링팅 방법에 의한 솔더 볼과 볼 랜드의 접속은 볼 랜드와 대응되는 부분이 개구된 마스크를 기판에 올려놓은 후 마스크 위에 솔더를 프린팅한다. 그러면, 마스크의 개구로 인해 볼 랜드 위에만 솔더가 도포된다.
이후, 솔더가 녹는 온도 이상의 열을 가하는 리플로우 공정을 진행하여 볼 랜드에 도포된 솔더를 구 형상으로 만들고 구 형상의 솔더를 볼 랜드에 완전히 접속시킨다.
상술한 스크린 프린팅 방법은 솔더 볼의 생산성은 향상시킬 수 있으나, 볼 마운팅 방법에 비해 미세 피치에 대응이 어렵다.
반도체 제조 공정을 이용한 솔더 패터닝 공정은 볼 랜드가 형성된 기판의 하부면에 솔더를 증착시키고, 증착된 솔더의 상부에 포토레지스트 필름을 도포한다. 이후 마스크를 이용하여 포토레지스트 필름을 노광하고 현상하여 볼 랜드와 대응되는 부분에만 포토레지스트 필름을 남겨 놓는다. 이어, 포토레지스트 필름 외부로 노출된 솔더를 식각하여 제거한 후 볼 랜드와 대응되는 부분에 남은 포토레지스트 필름도 제거한다.
이어, 솔더가 녹는 온도 이상의 열을 가하는 리플로우 공정을 진행하여 볼 랜드에 도포된 솔더를 구 형상으로 만들고 구 형상의 솔더를 볼 랜드에 완전히 접속시킨다.
상술한 패터닝 공정은 미세 피치에 대응이 가능하고, 볼 랜드 상에 작은 크기의 솔더 볼의 형성도 가능하여 반도체 패키지의 크기를 줄일 수 있지만, 증착 장 비, 노광 장비 및 현상 장비 등과 같은 고가의 반도체 제조 장비가 필요하여 제품의 제조 비용이 증가되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 볼의 크기 및 볼들 간의 피치를 줄이고, 리플로우 공정에서 인접한 볼들이 서로 붙는 것을 방지하며, 볼들의 생산성을 향상시킨 볼 형성 장치 및 이를 이용한 볼 형성 방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 볼 형성 장치는 볼 패드들이 형성된 대상물이 안착되는 플레이트, 상기 볼 패드들 상에 볼을 형성하기 위한 금속물을 도팅하는 도팅 툴, 상기 대상물과 상기 도팅 툴을 정렬시키기 위한 얼라인 유닛, 상기 볼을 형성하기 위한 금속물이 채워지고, 상기 도팅 툴의 일부분이 잠겨지면 상기 도팅 툴에 금속을 공급하는 금속 공급유닛 및 상기 도팅 툴을 상기 플레이트 및 상기 금속 공급 유닛으로 이동시키고, 상기 도팅 툴을 상승/하강시키는 도팅 툴 이송 유닛을 포함하는 볼 도팅 모듈; 상기 대상물의 볼 패드 상에 도팅된 예비 볼을 녹여 상기 예비 볼을 상기 볼 패드에 접속시켜 상기 대상물에 볼을 형성하는 리플로우 유닛; 상기 대상물을 상기 플레이트, 상기 얼라인 유닛 및 상기 리플로우 유닛으로 상기 이송시키는 대상물 이송 유닛; 상기 볼 도팅 모듈 및 상기 리플로우 유닛을 포함하여 전반적으로 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 목적을 구현하기 위한 볼 형성 방법은 대상물에 형성된 볼 패드들과 대응하여 도팅 툴의 도팅 핀이 위치하도록 상기 대상물과 상기 도팅 툴을 얼라인시키고, 상기 대상물을 상기 플레이트에 고정시키는 단계, 상기 도팅 툴을 금속 공급 유닛의 제 2배스로 하강시켜 상기 도핑 핀의 단부에 액체 상태의 금속물을 묻히는 단계, 상기 도팅 툴을 상기 플레이트와 대응되는 부분으로 이송시키고 상기 도팅 툴을 상기 대상물 쪽으로 하강시켜 상기 도팅 핀의 단부에 묻은 상기 금속물을 상기 볼 패드 상에 도팅하여 상기 대상물에 예비 볼을 형성하는 단계, 상기 예비 볼들이 형성된 대상물을 리플로우 유닛으로 이송시켜 상기 예비 볼과 상기 볼 패드들을 접속시켜 상기 볼 패드 상에 볼을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 볼 형성 장치 및 볼 형성 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
볼 형성 장치
도 1은 본 발명에 의한 볼 형성 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 볼 형성 장치(300)는 볼 패드(12)들을 구비한 작업 대상물(10, 10a)에 금속물을 도팅하여 예비 볼(20)을 형성하는 볼 도팅 모듈(100), 예비 볼(20)을 녹여 예비 볼(20)을 볼 패드(12)에 완전히 접속시키고 예비 볼(20)을 구형상으로 만들어 볼을 형성하는 리플로우 유닛(200), 볼 패드(12)의 상에 원활한 예비 볼(20)들을 도팅하기 위해서 볼 패드(12) 표면에 도포되었던 플럭스를 제거하는 플럭스 제거 유닛(210) 및 볼 형성 공정이 완료된 작업 대상물이 적재되는 대상물 언로딩부(220), 볼 도팅 모듈(100), 리플로우 장치(200), 플럭스 제거 유닛(210) 및 대상물 언로딩부(220)까지 연결되어 작업 대상물(10, 10a)을 이송시키 는 대상물 이송 유닛(190) 및 볼 형성 장치(300)를 전반적으로 제어하는 제어부(230)를 포함한다.
먼저, 작업 대상물에 대해 설명하면, 작업 대상물(10, 10a)은 볼 패드(12)를 구비하고 있고, 작업 대상물(12)과 다른 부재와의 접속을 위해 볼을 필요로 하는 모든 부재로, 예를 들어 작업 대상물(10, 10a)은 플립 칩 방식으로 다른 부재와 접속되는 반도체 칩, 또는 일반적인 반도체 패키지를 제조하기 위해 상부에 반도체 칩이 부착되며 하부에 볼 패드(12)들이 형성된 인쇄회로기판 등이 있다.
본 발명을 설명하기 위해 첨부된 도면에서는 작업 대상물(10, 10a)로 인쇄회로기판을 예로 들어 도시하였고, 이하 인쇄회로기판을 예로 들어 작업 대상물(10, 10a)에 예비 볼(20) 및 볼을 형성하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
한편, 상술한 작업 대상물의 볼 패드 상에 예비 볼을 형성하는 볼 도팅 모듈은 다시 작업 대상물(10)이 적재되는 대상물 로딩부(110), 얼라인 유닛(120), 작업 대상물(10)이 고정되는 플레이트(130), 작업 대상물(10)에 예비 볼(20)을 형성하는 도팅 툴(140), 도팅 툴(140)에 금속물을 공급하는 금속 공급 유닛(150), 예비 볼(20)의 상태를 확인하는 감지 유닛(160), 도팅 툴(140)을 세정하는 세정 배스(170), 도팅 툴(140)을 이송시키는 도팅 툴 이송장치(180)를 포함한다. 여기서, 대상물 로딩부(110), 얼라인 유닛(120), 플레이트(130) 및 감지 유닛(170)은 대상물 이송 유닛(190)에 의해 상호 연결된다.
얼라인 유닛(120)은 작업 대상물(10)의 후단에 설치되고, 대상물 로딩부(110)에 적재된 작업 대상물(110)이 대상물 이송 유닛(190)에 의해 한장씩 얼라 인 유닛(120)에 투입된다. 얼라인 유닛(120)은 투입된 작업 대상물(10)의 X축, Y축, Z축 및 오트 셋(off-set)을 보정하여 작업 대상물(10)과 도팅 툴(140), 즉 볼 패드(12) 및 후술될 도팅 핀(142; 도 2참조)을 일대 일로 대응시킨다.
플레이트(130)는 얼라인 유닛(120)과 수평 평면상으로 얼라인 유닛(120)의 후단에 설치되고, 대상물 이송 유닛(190)에 의해 얼라인 유닛(120)과 연결되어 얼라인된 작업 대상물(10)이 플레이트(130) 상에 투입되어 고정된다.
작업 대상물(10)의 고정을 위해 플레이트(130)에는 상에는 진공 홀(132)들이 복수개의 열과 행으로 형성되고, 진공 홀(132)들은 진공압을 발생시키는 진공 발생 유닛(134)과 연결된다. 따라서, 플레이트(130)에 투입된 작업 대상물(10)은 진공압에 의해 플레이트(130)의 상부면에 고정되는 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 도팅 툴 및 금속 공급 유닛을 좀더 상세하게 도시한 단면도이다.
도팅 툴(140)은 플레이트(130)의 상부에 배치되고 플레이트(130)로부터 일정 간격 이격되어 있으며, 도팅 툴(140)은 도팅 툴 이송장치(180)에 의해 플레이트(130) 쪽으로 하강하여 플레이트(130)에 고정된 작업 대상물(10)에 금속물을 도팅하여 볼 패드(12) 상에 예비 볼(20)들을 형성한다.
도 2를 참조하면, 작업 대상물(10)에 예비 볼(20)들을 형성하는 도팅 툴(140)은 하우징(141), 도팅 핀(142)들, 도팅 핀 가열 히터(144), 제 1온도 센서(146) 및 충격 완충부(148)를 포함한다.
하우징(141)은 도팅 핀(142), 도팅 핀 가열 히터(144) 및 충격 완충부(148) 를 감싸 이들을 보호하는 것으로, 하우징(141)의 내부에는 도팅 핀(142), 도팅 핀 가열 히터(144) 및 충격 완충부(148)를 수납하기 위한 빈 공간이 형성되고, 하우징(141) 중 플레이트(130)와 마주보는 하부면에는 볼 패드(12)와 대응하여 핀 삽입 홀들이 형성된다.
도팅 핀(142)은 금속 공급 유닛(150)에서 금속물(50a)을 묻혀 볼 패드(12) 상에 예비 볼(20)을 도팅하는 부분으로, 도팅 핀(12)의 일측단부는 하우징(141)의 내부에 고정되고, 나머지 부분은 핀 삽입 홀을 통해 하우징(141)의 내부에서 하우징(141)의 외부로 돌출된다. 핀 삽입 홀을 통해 하우징(141)의 외부로 돌출된 도팅 핀(142)의 타측 단부에 도팅될 금속물(50a)이 묻는다.
도팅 핀 가열 히터(144)는 도팅 핀(142)의 단부에 묻은 금속물(50a)이 상온에서도 계속 액체 상태를 유지할 수 있도록 제어부에 설정된 온도, 즉 금속물(50a)이 녹는 온도 이상으로 도팅 핀(142)들을 가열한다. 도팅 핀 가열 히터(144)는 하우징(141)의 빈 공간을 가로지르도록 형성되고, 도팅 핀 가열 히터(144) 중 도팅 핀(142)과 마주보는 하부면은 하우징(141)의 내부에 고정된 도팅 핀(142)의 일측 단부들과 전부 연결되어 도팅 핀(142)에 열을 전달한다.
제 1온도 센서(146)는 도팅 핀 가열 히터(144)에 연결되어 도팅 핀 가열 히터(144)의 온도를 감지하고, 감지된 온도를 제어부(230)로 전달한다. 여기서, 제 1온도 센서(146)에서 전달된 도팅 핀 가열 히터(144)의 온도가 제어부(230)에 설정된 온도보다 낮을 경우 제어부(230)는 도팅 핀 가열 히터(144)에 전기적 신호를 전달하여 도팅 핀 가열 히터(144)의 온도를 높이도록 제어한다.
한편, 충격 완충부(148)는 도팅 핀(142)들이 작업 대상물(10)에 접촉될 때 도핑 핀(142)에 가해지는 충격을 완충하여 도핑 핀(142)들 및 도팅 핀 가열 히터(144)가 손상되는 것을 방지한다. 충격 완충부(148)은 도핑 핀 가열 히터(144)의 상부면 및 하우징(141)의 내부면 중 도핑 핀 가열 히터(144)의 상부면과 마주보는 면 사이에 설치된다. 바람직하게, 충격 완충부(148)는 스프링이다.
다시 도 1을 참조하면, 금속 공급 유닛(150)은 플레이트(130)와 수직 평면상으로 플레이트(130)의 후단에 설치되고, 도팅 툴 이송장치(180)에 의해 금속 공급 유닛(150) 쪽으로 도팅 툴(140)이 하강하면 도팅 핀(142)들의 단부에 액체 상태의 금속물(50a)을 공급한다.
도 2를 참조하면, 금속 공급 유닛(150)은 고체 상태의 금속물(50)이 저장되는 금속 저장부(150a), 금속 저장부(150a)로부터 고체 상태의 금속물(50)을 공급받아 금속물(50)을 액체 상태로 용융시키는 제 1배스(150b), 제 1배스(150b)로부터 액제 상태의 금속물(50a)을 공급받아 도팅 핀(142)의 단부가 담겨지면 도팅 핀(142)에 액체 상태의 금속물(50b)을 공급하는 제 2배스(150c)를 포함한다.
여기서, 금속물(50, 50a)은 볼을 형성하는 재료로, 작업 대상물(10)이 앞에서 설명한 바와 같이 반도체 칩일 경우 금속물(50, 50a)은 보통 금이고, 경우에 따라서는 솔더일수도 있다. 그리고, 작업 대상물(10)이 반도체 칩이 실장되는 인쇄회로 기판일 경우 금속물(50, 50a)은 보통 솔더가 된다.
금속 저장부(150a) 및 제 1배스(150b)의 사이에는 금속 저장부(150a)에 저장된 고체 상태의 금속물(50)을 제 1배스(150b)로 공급하는 연결관(155)이 설치되어 금속 저장부(150a)와 제 1배스(150b)를 연결한다. 금속 저장부(150a)의 상부에는 고체 상태의 금속물(50)을 연결관(155) 쪽으로 밀어주는 공기 유입부(도시 안됨)가 설치된다. 공기 유입부는 금속 저장부(150a)와 연결된 공기 유입관(151a) 및 공기 유입관(151a)에 공기를 공급하는 공기 저장 탱크(도시 안됨)에 설치된다. 그리고, 공기 유입관(151a)에는 제어부(230)의 제어 신호에 따라 공기 유입관(151a)을 개폐하는 개폐 밸브(도시 안됨)가 더 설치된다.
제 1배스(150b) 및 제 2배스(150c)는 동일 평면상에 서로 연결되도록 배치되어 제 1배스(150b)에서 제 2배스(150c)로 액체 상태의 금속물(50a)을 공급해야 할 경우 제 1배스(150b)에 저장된 금속물(50a)이 제 1배스(150b)에서 제 2배스(150c)로 오버 플로우된다. 제 1배스(150b) 및 제 2배스(150c)는 액체 상태의 금속물을 저장하는 것으로, 제 1배스(150b) 및 제 2배스(150c) 각각에는 금속을(50a) 을 제어부(230)에 설정된 온도로 가열하여 금속물(50a)을 액체 상태로 유지시키는 히터(152b, 152c)가 설치된다.
또한, 각각의 히터에는 제 2온도 센서(154b, 154c)가 연결되어 히터(154b, 154c)의 온도를 감지하고, 감지된 온도를 제어부(230)로 전달한다. 여기서, 제 2온도 센서(154b, 154c)에서 전달된 히터(154b, 154c)의 온도가 제어부(230)에 설정된 온도보다 낮을 경우, 액체 상태의 금속물(50a)이 응고될 수 있으므로 제어부(230)는 히터(154b, 154c)에 전기적 신호를 전달하여 히터(154b, 154c)의 온도를 높이도록 제어한다.
또한, 제 1배스(150b) 및 제 2배스(150c) 각각에는 용융된 액체 상태의 금속 물(50b)의 온도를 감지하고, 감지된 온도를 제어부(230)에 전달하는 제 3온도 온도 센서(156b, 156c)가 설치된다. 여기서, 제 3온도 센서온도 센서서 전달된 금속물(50a)의 온도가 제어부(230)에 설정된 온도보다 낮을 경우, 액체 상태의 금속물(50a)이 응고될 수 있으므로 제어부(230)는 히터(154b, 154c)에 전기적 신호를 전달하여 히터(154b, 154c)의 온도를 높이도록 제어한다.
한편, 제 2배스(150c)의 측면에는 제 2배스(150c에 저장된 금속물(50a)의 유량을 감지하기 위한 유량 감지 센서(158c)가 설치되고, 유량 감지 센서(158c)는 제어부(230)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 유량 감지 센서(158c)에서 감지한 제 2배스(150c) 내의 금속물(50a)의 수위가 제어부(230)에 설정된 수위보다 낮을 경우 도핑 핀(142)에 금속물(50a)이 완전히 묻지 않을 수 있으므로, 제어부(230)는 금속 저장부(150a)의 공급 유입 장치에 전기적 신호를 전달한다.
그러면, 금속 저장부(150a)의 상부에 설치된 공기 유입관(151a)에 공기가 유입되고, 유입된 공기로 인해 금속 저장부(150a)에 저장된 고체 상태의 금속물(50)이 연결관(155)으로 밀려 들어가 제 1배스(150b)에 공급된다. 제 1배스(150b)에 공급된 고체 상태의 금속물(50)은 제 1배스(150b)에 설치된 히터(152b)에 의해 액체 상태로 용융되면서 제 1배스(150b) 내의 금속물(50) 수위가 계속적으로 높아져 제 1배스(150b) 내에 저장된 금속물(50a)이 제 2배스(150c) 쪽으로 오버 플로우된다. 이로 인해, 제 2배스(150c) 내의 금속물(50a) 수위가 제어부(230)에 설정된 금속물(50a) 수위 이상으로 높아지게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 세정 배스(160)는 금속 공급 유닛(150)과 수직 평면 상으로 금속 공급 유닛(150)의 후단에 설치되며, 세정 배스(160)의 내부에는 세정액이 채워져 도팅 핀을 세정한다. 즉, 도팅 툴(140)은 제어부(230)에 설정된 주기에 마다 도팅 툴 이송 유닛(180)을 따라 세정 배스(160)로 이송되며 도핑 핀(142)의 단부에 묻은 금속물(50a) 찌꺼기들은 세정액에 의해 깨끗이 세정된다.
도팅 툴 이송 유닛(180)은 플레이트(130)가 배치된 부분에서 대상물 이송 유닛(190)과 수직이 되도록 설치되고, 플레이트(130)로부터 금속 공급 유닛(150)을 지나 세정 배스(160)까지 연장되며, 플레이트(130), 금속 공급 유닛(150) 및 세정 배스(160)로부터 일정 간격 이격되어 이들의 상부에 배치된다. 이와 같이 설치된 도팅 툴 이송 유닛(180)은 제어부(230)의 제어 신호에 따라 도팅 툴(140)을 플레이트(130), 금속 공급 유닛(150) 및 세정 배스(160)로 이송시키고, 도팅 툴(140)을 상승/하강시킨다.
감지 유닛(170)은 플레이트(130)와 수평 평면상으로 플레이트(120)의 후단에 설치되고, 대상물 이송 유닛(190)에 의해 플레이트(130)와 연결되어 예비 볼(20)이 형성된 대상물(10a)이 감지 유닛(10)에 투입된다. 감지 유닛(170)에 대상물(10a)이 투입되면, 감지 유닛(170)은 각각의 볼 패드(12)에 예비 볼(20)들이 정확히 도팅되었는지, 또는 도팅된 예비 볼(20)들이 인접한 예비 볼(20)들과 부착되지 않았는지 등의 예비 볼 도팅 상태를 확인한다.
대상물 이송 유닛(190)는 대상물(10, 10a)을 얼라인 유닛(120), 플레이트(130), 감지 유닛(170), 리플로우 유닛(200), 플럭스 제거 유닛(210) 및 대상물 언로딩 장치(220)까지 이송시키는 것으로, 컨베이어 밸트, 이송 레일, 대상물을 픽 업하여 각각의 부재로 운반하는 픽업 장치 등일 수 있다.
리플로우 유닛(200)은 볼 도팅 모듈(100)의 후단에 설치되고, 예비 볼(20)을 녹여 볼 패드(12)에 완전히 접속시키고, 예비 볼(20)을 구 형상으로 만들어 각각의 볼 패드(12)에 볼을 형성시킨다. 즉, 리플로우 유닛(200)의 내부는 예비 볼(20)을 형성한 금속물이 용융되는 온도 이상의 열이 가해지기 때문에 예비 볼(20)을 형성하는 금속물이 녹으면서 볼 패드(12)에 완전히 접속되고, 녹은 금속물은 표면 장력에 의해 구 형상의 볼을 형성하게 된다.
플럭스 제거 유닛(220)은 리플로우 유닛(200)의 후단에 설치된다. 플럭스 제거 유닛(220)에 볼이 형성된 대상물이 투입되면, 볼 주위에 잔존하는 플럭스를 순수 및 솔벤트 등으로 세정하여 플럭스를 제거한다.
여기서, 플럭스(flux)는 점도가 낮은 물질로 대상물(10, 10a)의 볼 패드(12) 표면에 도포되는 것으로, 플럭스는 볼 패드(12)의 표면의 오염막을 제거하여 볼과 볼 패드(12) 간의 결합을 향상시키는 역할을 한다. 볼 패드(12)에 볼이 형성된 후에도 플럭스가 볼 패드(12) 및 볼 표면에 잔존하게 되면, 볼이 부식되고, 전기적 단락 및 외관 이상 등을 발생시킬 수 있다. 따라서, 상술한 플럭스 제거 유닛(210)에서 볼 패드(12) 및 볼 표면에 잔존하는 플럭스를 제거해야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 도팅 툴(140)의 도팅 핀(142)을 이용하여 대상물(10, 10a)의 볼 패드(12) 상에 볼을 형성할 경우, 도팅 핀(142)의 직경을 조절하여 볼의 크기도 조절할 수 있으므로, 볼의 크기 및 볼들 간의 피치를 종래에 비해 쉽게 줄일 수 있다.
또한, 도핑 핀(142) 및 볼 패드(12)의 얼라인으로 인해 도팅된 예비 볼(20)들이 볼 패드(12)의 중앙에 정확히 위치하고, 액체 상태의 금속물(50a)이 대상물(10)에 도핑된 후 상온에서 빨리 응고되어 볼 패드(12)에 일차적으로 접속되므로, 도팅 공정 및 리플로우 공정에서 인접한 예비 볼(20)들과 붙는 불량을 최소화할 수 있다.
또한, 도팅 툴(140)에 볼 패드(12)와 대응되는 개수의 도핑 핀(142)들이 설치되고, 금속 공급 유닛(150)에 도팅 핀(142)을 투입한 후 도팅 핀(142)을 대상물에 접촉시키면, 한번에 예비 볼(20)들을 전부 형성할 수 있어 종래에 비해 볼 형성이 용이하고, 볼 형성 시간을 단축시킬 수 있으며, 볼들의 생산성도 향상시킬 수 있다.
볼 형성 방법
도 3은 본 발명에 의한 볼 형성 장치를 이용하여 작업 대상물에 볼을 형성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 4a 내지 4c는 도팅 툴에 의해 작업 대상물에 예비 볼이 도팅되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 작업 대상물의 볼 패드 상에 볼을 형성하는 과정에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 대상물 로딩부(110)에 볼이 형성될 작업 대상물(10)이 적재되면, 적재된 작업 대상물(10)은 대상물 이송 유닛(190)에 의해 한장씩 얼라인 유닛(120) 쪽으로 이송된다. 그러면, 얼라인 유닛(120)에서 대상물(10)의 X축, Y축, Z축 및 오 트 셋(off-set)을 보정하여 작업 대상물(10)과 도팅 툴(140), 즉 볼 패드(12) 및 도팅 핀(142; 도 2참조)을 일대 일로 대응시키는 얼라인 공정을 진행한다(S400).
얼라인 공정이 진행된 작업 대상물(10)은 다시 대상물 이송 유닛(190)에 의해 플레이트(130)로 이송되고, 플레이트(130)의 상부면에 작업 대상물(10)이 놓여지면, 진공 발생부(134)에서 진공압을 발생시킨다. 그러면, 진공홀(132)에 진공압이 전달되고 플레이트(130) 상에 놓여진 작업 대상물(10)은 진공압에 의해 플레이트(130)의 상부면에 고정된다(S410).
이후, 도팅 툴(140)은 플레이트(130)의 상부에 설치된 도팅 툴 이송장치(180)에 의해 금속 공급 유닛(150)으로 이송되는데, 도팅 툴(140)은 금속 공급 유닛(150) 중 액체 상태의 금속물(50a)이 저장된 제 2배스(150c)와 대응되는 부분까지 이송된다. 그리고, 제 2배스(150c)와 대응되는 부분까지 이송된 도팅 툴(140)은 도팅 툴 이송장치(180)에 의해 제 2배스(150c) 쪽으로 하강한 후 다시 상승하게 된다. 그러면, 도팅 핀(142)의 단부가 제 2배스(150c)에 잠겨지고, 도팅 툴(140)이 상승한 후에는 도 4a에 도시된 바와 같은 도팅 핀(142)의 단부에 물방울 형상의 금속물(50a)이 형성된다(S420).
이때, 도팅 핀 가열 히터(144)에 의해 도팅 핀(142)들이 금속물(50a)이 녹는 온도 이상으로 가열되기 때문에 도팅 핀(142)의 단부에 형성된 금속물(50a)은 제 2배스(150c)로부터 도팅 툴(140)이 상승된 후에도 계속 액체 상태를 유지한다.
도팅 툴(140)의 단부에 금속물(50a)이 형성되면, 도팅 툴(140)은 도팅 툴 이송 유닛(180)에 의해 다시 작업 대상물(10)이 고정된 플레이트(130) 쪽으로 이송되 고, 플레이트(130)와 대응되는 부분에서 도팅 툴(140)은 작업 대상물(10) 쪽으로 하강하게 된다. 그러면, 도 4b에 도시된 바와 같이 작업 대상물(10)에 형성된 볼 패드(12)들 각각에 도팅 핀(142)이 접촉되고, 도팅 핀(142)의 단부에 형성된 액체 상태의 금속물(50a)이 볼 패드(12) 상에 도팅되며, 도팅된 금속물(50a)은 도핑 핀(142)에 가해지는 열에 의해 볼 패드(12)에 1차적으로 접속된다. 이후 도팅 툴(140)이 상승되면, 볼 패드(12) 상에 도팅된 금속물(50a)이 상온에서 빠르게 응고되어 도 4c에 도시된 바와 같이 각각의 볼 패드(12) 상에 고체 상태의 예비 볼(20)이 형성된다(S430).
이어, 예비 볼들이 형성된 작업 대상물(10a)은 대상물 이송 유닛(190)에 의해 감지 유닛(170)으로 이송되고, 감지 유닛(170)은 각각의 볼 패드(12)에 예비 볼(20)들이 정확히 도팅되었는지, 또는 도팅된 예비 볼(20)들이 인접한 예비 볼(20)들과 부착되지 않았는지 등의 예비 볼 도팅 상태를 확인하여 전기적 신호를 제어부(230)에 전달한다(S440).
제어부(230)는 감지 유닛(10)으로부터 전달한 전기적 신호를 분석하여 예비 볼 형성에 불량이 발생되었는 지를 판단하게 된다(S450).
판단 결과 예비 볼 형성에 불량이 발생되었으면, 일예로 불량이 발생된 작업 대상물(10a)을 상술한 S430 단계로 피드백시키고, 예비 볼(20)들이 모두 정상적으로 형성되었으면, 예비 볼(20)이 형성된 작업 대상물(10a)은 대상물 이송 유닛(190)에 의해 리플로우 유닛(200)으로 이송된다.
리플로우 유닛(200)의 내부로 작업 대상물이 투입되면, 예비 볼(20)은 리플 로우 유닛(200) 내부의 높은 온도에 의해 녹아 볼 패드(12) 상에 완전히 접속되고, 액체 상태로 녹은 예비 볼의 표면 장력에 의해 각각의 볼 패드(12)에 구 형상의 볼이 형성된다(S460).
이후, 볼이 형성된 작업 대상물은 대상물 이송 유닛(190)에 의해 플럭스 제거 유닛(210)으로 투입되고, 플럭스 제거 유닛(210)에서는 볼 및 볼 패드(12) 주위에 잔존하는 플럭스를 순수 및 솔벤트 등으로 세정하여 플럭스를 제거한다.
플럭스 제거로 볼 형성 공정이 완료된 작업 대상물은 대상물 언로딩부(220)에 적재된다.
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.
본 발명에서 상세하게 설명한 바와 같이 도팅 툴의 도팅 핀을 이용하여 대상물의 볼 패드 상에 볼을 형성하면, 도팅 핀의 직경에 따라 볼의 크기 및 볼들 간의 피치를 조절할 수 있어 반도체 패키지의 두께 및 크기를 줄일 수 있다.
또한, 도핑 핀 및 볼 패드의 얼라인으로 인해 도팅된 예비 볼들이 볼 패드의 중앙에 정확히 위치하고, 액체 상태의 금속물이 대상물에 도핑된 후 상온에서 빨리 응고되어 볼 패드에 일차적으로 접속되므로, 도팅 공정 및 리플로우 공정에서 볼 불량을 최소화할 수 있다.
또한, 도팅 툴에 볼 패드와 대응되는 개수의 도핑 핀들이 설치되고, 금속 공급 유닛에 도팅 핀을 투입한 후 도팅 핀을 대상물에 접촉시키면, 한번에 예비 볼들을 전부 형성할 수 있어 볼 형성 시간을 단축시킬 수 있고, 볼들의 생산성도 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 볼 패드들이 형성된 대상물이 안착되는 플레이트,
    상기 볼 패드들 상에 볼을 형성하기 위한 금속물을 도팅하는 도팅 툴,
    상기 대상물과 상기 도팅 툴을 정렬시키기 위한 얼라인 유닛,
    상기 볼을 형성하기 위한 금속물이 채워지고, 상기 도팅 툴의 일부분이 잠겨 지면 상기 도팅 툴에 금속을 공급하는 금속 공급유닛, 및
    상기 도팅 툴을 상기 플레이트 및 상기 금속 공급 유닛으로 이동시키고, 상기 도팅 툴을 상승/하강시키는 도팅 툴 이송 유닛를 포함하는 볼 도팅 모듈;
    상기 대상물의 볼 패드 상에 도팅된 예비 볼을 녹여 상기 예비 볼을 상기 볼 패드에 접속시켜 상기 대상물에 볼을 형성하는 리플로우 유닛;
    상기 대상물을 상기 플레이트, 상기 얼라인 유닛 및 상기 리플로우 유닛으로 상기 이송시키는 대상물 이송 유닛; 및
    상기 볼 도팅 모듈 및 상기 리플로우 유닛을 포함하여 전반적으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 플레이트에는 상에는 상기 대상물을 흡착하는 진공홀이 형성되고, 상기 진공홀은 진공 발생 장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 도팅 툴은,
    상기 플레이트와 마주보는 하부면에 상기 볼 패드와 대응하여 핀 삽입 홀이 형성된 하우징;
    상기 핀 삽입 홀을 통해 상기 하우징의 내부에서 상기 하우징의 외부로 돌출되도록 설치되고, 상기 하우징의 외부로 돌출된 단부에 상기 금속물을 묻혀 상기 볼 패드 상에 상기 예비 볼을 도팅하는 도팅 핀들;
    상기 하우징의 내부에 설치되고, 상기 도팅 핀들과 접촉되어 상기 도팅 핀에 열을 가하는 도팅 핀 가열 히터; 및
    상기 도팅 핀 가열 히터의 온도를 감지하는 제 1온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 하우징의 내부 중 상기 하우징의 상부면 및 상기 도팅 핀 가열 히터 사이에 상기 도팅 핀에 가해지는 충격을 완충시키는 충격 완충부가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 충격 완충부는 스프링인 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 금속 공급유닛은
    고체 상태의 상기 금속물이 저장되는 금속 저장부,
    상기 금속 저장부와 연결되어 상기 금속 저장부로부터 고체 상태의 금속물을 공급받고, 공급된 상기 금속물을 액체 상태로 용융시켜 액체 상태의 금속물을 저장하는 제 1배스,
    상기 제 1배스와 연결되어 상기 제 1배스로부터 상기 액제 상태의 금속을 공급받으며, 상기 도팅 핀의 단부가 담겨져 상기 도팅 핀에 금속물을 공급하는 제 2배스, 및
    상기 금속 저장부 및 상기 제 1배스 사이에 배치되어 상기 금속 저장부 및 상기 제 1배스를 연결하는 연결관을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 금속 저장부의 상부에는 상기 고체 상태의 금속을 상기 연결관 쪽으로 밀어주는 공기 유입부가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 제 1배스 및 제 2배스는 상기 금속을 일정 온도의 액체 상태로 용융시키는 히터,
    상기 히터와 연결되어 상기 히터의 온도를 감지하는 제 2온도 센서, 및
    상기 용융된 액체 상태의 금속 온도를 감지하는 제 3온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 제 2배스에는 상기 제 1배스로부터 상기 액체 상태의 금속물을 공급받기 위해 상기 금속물의 유량을 감지하는 유량 감지 센서가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 볼 도팅 모듈에는 상기 대상물의 볼 패드 상에 형성된 상기 예비 볼의 상태를 확인하는 감지 유닛 및
    상기 도팅 툴의 단부에 묻은 상기 금속물을 상기 제어부에 설정된 주기에 따라 세정하는 세정 유닛이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 리플로우 유닛의 후단에는 리플로우 공정 후 상기 볼 패드 상에 도포된 플럭스를 제거하는 플럭스 제거 유닛이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치.
  12. 대상물에 형성된 볼 패드들과 대응하여 도팅 툴의 도팅 핀이 위치하도록 상기 대상물과 상기 도팅 툴을 얼라인시키고, 상기 대상물을 플레이트에 고정시키는 단계;
    상기 도팅 툴을 금속 공급 유닛의 제 2배스로 하강시켜 상기 도핑 핀의 단부에 액체 상태의 금속물을 묻히는 단계;
    상기 도팅 툴을 상기 플레이트와 대응되는 부분으로 이송시키고 상기 도팅 툴을 상기 대상물 쪽으로 하강시켜 상기 도팅 핀의 단부에 묻은 상기 금속물을 상기 볼 패드 상에 도팅하여 상기 대상물에 예비 볼을 형성하는 단계;
    상기 예비 볼들이 형성된 대상물을 리플로우 유닛으로 이송시켜 상기 예비 볼과 상기 볼 패드들을 접속시켜 상기 볼 패드 상에 볼을 형성하는 단계를 포함하는 볼 형성 장치를 이용한 볼 형성 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 대상물에 예비 볼들이 형성된 후, 상기 볼 패드 각각에 상기 예비 볼 패드들이 정상적으로 형성되었는지를 감지하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치를 이용한 볼 형성 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 대상물에 상기 예비 볼을 형성한 후 제어부에 설정된 주기에 따라 상기 도팅 핀을 세정하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 볼 형성 장치를 이용한 볼 형성 방법.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 예비 볼을 녹여 상기 볼 패드 상에 상기 볼을 형성한 후 상기 볼 패드 상에 도포된 플럭스를 제거하는 플럭스 제거 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 볼 형성 장치를 이용한 볼 형성 방법.
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