KR101143838B1 - 플립 칩 본딩 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플립 칩 본딩 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 빔의 광선 폭 및 조사 방향을 조정하여 레이저가 정확한 위치에 조사되도록 하는 플립 칩 본딩 방법에 관한 것이다.
본 발명은 반도체 칩과 기판을 정렬하는 단계; 상기 정렬된 반도체 칩 및 기판과 레이저의 조사위치가 일치하도록 레이저의 조사위치를 보정하는 단계; 레이저 광원으로부터 레이저 빔을 발생하는 단계; 상기 레이저 빔을 상기 반도체 칩 상면에 조사하는 단계; 및 상기 반도체 칩과 상기 기판의 접합 부위를 가열하며 접합하는 단계를 포함하는 플립 칩 본딩 방법을 개시한다.
플립 칩 본딩

Description

플립 칩 본딩 방법{Method for flip chip bonding}
도 1은 종래의 레이저 압착 방식을 행하는 본딩 장치의 개략 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 플립 칩 본딩 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2의 반도체 칩의 가열 기구 간의 관계를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 플립 칩 본딩 장치에 구비된 제1, 2 스캔 미러의 회전에 따른 조사 중심의 변화를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 측면에서 플립 칩 본딩 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 도 5의 (S10)단계를 상세하게 도시한 흐름도이다.
도 7은 도 5의 (S20)단계를 상세하게 도시한 흐름도이다.
도 8은 도 5의 (S40)단계를 상세하게 도시한 흐름도이다.
도 9a 내지 도 9c는 도 5의 플립 칩 본딩 방법을 수행하는 각 단계를 도시한 도면들이다.
도 10a 내지 도 10d는 도 6의 (S20)단계를 수행하는 각 단계를 도시한 도면들이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
100: 플립 칩 본딩 장치 110: 반도체 칩
115: 전도성 범프 120: 기판
130: 본딩 헤드 132: 픽업 유로
140: 본딩 스테이지 150: 반도체 칩 가열 기구
152: 레이저 광원 154: 포커싱 렌즈
155a: 제1 스캔 미러 155b: 제2 스캔 미러
156: 선 속도 균일용 렌즈 162: 레이저 구동부
165: 스캔 미러 구동부 L: 레이저 빔
본 발명은 플립 칩 본딩 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 빔의 광선 폭 및 조사 방향을 조정하여 레이저가 정확한 위치에 조사되도록 하는 플립 칩 본딩 방법에 관한 것이다.
최근 들어 전자제품이 소형화 및 고기능화됨에 따라 전자제품의 핵심부분을 이루고 있는 반도체 칩도 고집적화 및 고성능화되고 있는 추세이다. 이러한 고집적화 및 고성능화되고 있는 반도체 칩을 먼지나 습기 또는 전기적, 기계적 부하 등의 각종 외부환경으로부터 보호해주는 반도체 패키지(package)의 제조에 있어서도 이와 같은 추세에 대응하여 경박단소화 및 다핀화 경향이 강화되고 있다.
이에, 반도체 패키지의 방식도 기존의 와이어 본딩(wire bonding) 방식으로 는 경박단소화 및 다핀화되고 있는 추세에 대응하기 힘들다고 판단되어 이를 해결할 수 있는 새로운 방식들이 다양하게 모색되고 있으며, 그 중 한 가지 방식이 솔더 범프(solder bump) 방식이다.
솔더 범프 방식이란, 반도체 칩의 입출력 단자인 패드(pad) 위에 별도의 솔더 범프를 형성시킨 다음 이 반도체 칩을 뒤집어서 캐리어(carrier) 기판이나 서킷 테이프(circuit tape)의 회로패턴(pattern)에 직접 붙이는 방식으로, 반도체 칩이 뒤집혀진 상태로 본딩되기 때문에 '플립 칩 본딩'이라고 지칭되고 있다.
종래 플립 칩 본딩 방식은 크게 열압착 방식과, 레이저(laser) 압착 방식 등으로 구분된다. 일본공개특허공보 제2002-141376호에 도시된 바와 같은 열압착 방식의 경우에는, 반도체 칩을 가열할 때 나타나는 열전달 부위에서의 높은 열손실로 인하여 장시간 반도체 칩을 가열해야 한다. 이러한 장시간의 가열은 결과적으로 생산성의 저하를 초래할 뿐만 아니라 솔더 범프의 접합온도에 도달하는 시간이 길게되면서 고온에 민감한 재질에 대해서는 적용이 불가능하게 되는 문제점이 있다. 또한, 열압착 방식은 반도체 칩과 기판의열적팽창계수 차이로 인하여 접합위치가 조금씩 틀어지게 되는 접합 정밀도 문제가 발생될 뿐만 아니라 냉각 후 반도체 칩과 기판의 수축으로 인해 조금씩 틀어진 부분에서 크랙(crack)과 같은 접합부위 손상이 발생되어지는 문제점이 있다.
레이저 압착 방식은 반도체 칩의 솔더 범프들이 기판의 지정된 솔더 범프와 대향되도록 본드 포지션으로 이동한 후에 반도체 칩의 후면으로부터 반도체 칩을 가열하면서 가압하고, 반도체 칩을 레이저를 이용하여 가열하는 방식이다. 이러한 레이저를 이용하여 가열하기 때문에 짧은 시간에 높은 생산성과 낮은 열적팽창계수를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 미국등록특허 US5,500,502호에 개시된 종래의 레이저 압착 방식을 행하는 본딩 장치(10)의 개략 구성을 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 받침대(1)에 범프(2A)를 가지는 반도체 칩(1A)이 안착되어 있고, 상기 반도체 칩(1A)의 상방에는 복수의 리드 단자(9)들을 구비한 리드 프레임이 배치되어 있다. 레이저 조사수단(3)으로부터 나온 레이저 광선(11)이 셔터(25)와 반사광(5)과 집광렌즈(7)를 지나면서 리드 단자(9)에 집광되어서 리드 단자(9)와 반도체 칩(1A)을 가열하게 되고, 이렇게 레이저 광선에 의해 가열된 리드 단자(9)와 반도체 칩(1A)은 서로 본딩된다.
상기 리드 단자(9)와 반도체 칩(1A)이 가열되는 동안 온도 센서(13)는 리드 단자로부터 방사되는 적외선을 수광하게 하여서 전기신호를 발생하게 된다. 상기 온도 센서(13)로부터의 전기 신호는 증폭기(15)에 의하여 증폭된 뒤에 필터 회로(17)에 의하여 고주파 성분을 필터링한 다음, A/D변환기(19)에 의하여 디지털 변환된 후에 컴퓨터(21)에 입력된다. 컴퓨터(21)는 A/D변환기(19)로부터의 입력 신호에 근거하여 리드 단자(9)와 범프(2A)와의 접촉상태를 판정하게 되고, 그 판정결과는 표시 장치(23)에 표시되는 동시에, 상기 컴퓨터(21)의 본딩 상태를 판단하여 레이저의 셔터(3)가 개폐 제어된다.
그런데, 이러한 종래의 레이저압착 방식의 경우, 레이저 광선이 집광렌즈(7)에 의하여 집광되므로 제한적인 영역에서만 본딩이 가능하다. 따라서 레이저 광선 이 조사되는 영역의 광에너지가 불균일하게 된다. 집광된 레이저의 강도 분포는 일반적으로 가우시안 프로파일(gaussian profile)을 가지게 되어서 집광 중심부의 광량은 높게 되고 주변부의 광량은 낮게 된다. 따라서 본딩 시에 중심부의 광량을 기준으로 레이저 광을 조사하게 되면 주변부의 광량이 부족해지고, 주변부를 기준으로 레이저 광을 조사하게 되면 중심부의 광량이 지나치게 높게 된다.
즉, 레이저 광선 폭을 조절할 수 없어서 반도체 칩(9)의 상면에 고르게 레이저 광선이 조사되지 못한다. 반도체 칩(9)의 상면에 레이저 광선(11)이 고르게 조사되지 못하는 경우에는 반도체 칩에 배치된 모든 범프(2A)들을 고르게 가열할 수 없게 되어 하나의 반도체 칩(9) 상에서 에너지 분포의 불균일이 발생하는 문제가 발생된다. 이러한 문제는 곧 반도체 칩(9)의 열변형에 의한 뒤틀림, 범프 중 충분히 가열되지 못한 부분에서의 접합 강도의 약화, 가열 시간의 증가 등의 문제로 연결되기 때문에 이에 대한 대책을 강구할 필요성이 크게 대두되고 있다. 특히, 플립 칩 본딩 장치에 의해 기판에 장착되는 반도체 칩(1A)의 크기가 다양하게 변경되는 경우에는 더욱 문제가 된다.
또한, 반도체 칩(1A)의 전체 영역에 대하여 본딩을 하기 위해서는 범프(2A)가 있는 위치에 레이저 빔이 조사될 수 있도록 받침대(1)를 정밀하게 이동시키면서 본딩을 실시하여야 한다. 그런데 반도체 칩(1A) 사이즈가 증가하면서 반도체 칩(1A)이 안착된 받침대(1)의 스트로크가 커져야 한다. 이로 인하여 받침대(1)를 정밀하게 구동하는 것이 어렵게 되는 동시에 받침대(1)의 크기가 증가하게 된다는 문제점이 있다.
또한, 반도체 칩(1A)의 전체 영역에 대하여 레이저가 정확하게 조사되기 위하여는 반도체 칩과 기판의 본딩 위치를 일치시키는 동시에, 레이저 광축 원점을 이동하여 레이저 조사위치와 반도체 칩이 정확하게 일치되어야 한다. 그러나 상기와 같은 종래의 플립 칩 본딩 방법에서는 레이저 조사위치와 반도체 칩을 일치시키기 위한 별도의 공정이 존재하지 아니하였다. 따라서, 레이저 조사위치와 반도체 칩이 불일치될 수 있고, 이 경우 레이저가 반도체 칩의 상면을 다 조사하지 못하여 반도체 칩의 견고한 본딩이 이루어지지 않을 수 있다. 또한, 레이저가 기판에 조사됨으로써 기판이 손상되는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 레이저 압착 방식을 적용하여 높은 생산성과 접합 신뢰성을 얻을 수 있는 플립 칩 본딩 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 반도체 칩과 기판을 정렬하는 단계; 상기 정렬된 반도체 칩 및 기판과 레이저의 조사위치가 일치하도록 레이저의 조사위치를 보정하는 단계; 레이저 광원으로부터 레이저 빔을 발생하는 단계; 상기 레이저 빔을 상기 반도체 칩 상면에 조사하는 단계; 및 상기 반도체 칩과 상기 기판의 접합 부위를 가열하며 접합하는 단계를 포함하는 플립 칩 본딩 방법을 개시한다.
본 발명에 있어서, 상기 반도체 칩과 기판을 정렬하는 단계는, 상기 기판의 중심좌표 및 각도를 산출하는 단계; 상기 반도체 칩의 중심좌표 및 각도를 산출하 는 단계; 및 상기 산출된 각 값의 차이만큼 상기 반도체 칩이 상기 기판상의 본딩 위치로 이동하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 정렬된 반도체 칩 및 기판과 레이저의 조사위치가 일치하도록 레이저의 조사위치를 보정하는 단계는, 상기 반도체 칩과 초기 레이저 조사위치 사이의 거리를 산출하는 단계; 상기 반도체 칩과 초기 레이저 조사위치 사이의 기울기를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 거리 및 기울기만큼 레이저 조사위치가 보정되도록 스캔 미러를 회전하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 스캔 미러는, 상기 레이저 광원으로부터 나온 레이저 빔이 굴절되는 각도가 연속적으로 변경되도록 제1축을 기준으로 회전하는 제1 스캔 미러와; 상기 제1 스캔 미러로부터 나온 레이저 빔이 굴절되는 각도가 연속적으로 변경되어서 상기 레이저 빔의 조사 중심 위치가 상기 반도체 칩 상면에서 연속적으로 변경되도록, 상기 제1축과 다른 방향의 제2축을 기준으로 회전하는 제2 스캔 미러를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 초기 레이저 조사위치는 본딩 헤드의 레이저 광축 원점을 중심으로 하여 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 레이저 빔을 상기 반도체 칩 상면에 조사하는 단계는, 상기 레이저 광원과 상기 반도체 칩 사이의 광 경로에 배치된 두 개의 스캔 미러가 레이저 빔의 굴절 방향을 연속적으로 변경하여서 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 레이저 빔을 상기 반도체 칩 상면에 조사하는 단계는, 상기 스캔 미러를 통과한 레이저 빔이 상기 반도체 칩 상면에 동일한 선 속도 로 조사되도록 상기 레이저 빔을 굴절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 관한 플립 칩 본딩 장치(100)의 구성을 보여주는 블록도가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 관한 플립 칩 본딩 장치(100)는 본딩 스테이지(140)와, 본딩 헤드(130)와, 반도체 칩 가열 기구(150)를 구비하고, 이 경우 반도체 칩 가열 기구(150)는 레이저 광원(152)과, 제1 스캔 미러(155a)와, 제2 스캔 미러(155b)를 구비한다.
본딩 스테이지(140)는 통상 이송 수단(미도시)에 의하여 이송된 기판(120)을 순차적으로 안착한다. 이 경우 도시되지 않으나, 상기 본딩 스테이지(140)에는 상면으로 관통된 수개의 흡착 유로들이 병렬적으로 형성되어서, 상기 흡착 유로를 통하여 발생된 흡착력을 이용하여 기판(120)을 이동하지 못하도록 고정할 수 있다. 또한 상기 본딩 스테이지(140)에는 히터가 구비될 수 있는데, 이 히터는 그 상면에 고정된 기판(120)을 소정의 온도로 예열하여 택트 타임이 단축되도록 한다.
본딩 헤드(130)는 상기 본딩 스테이지(140)의 상측에서 승하강 운동을 행하는데, 상기 본딩 스테이지(140)에 안착된 기판(120) 상에 반도체 칩(110)을 플립 칩 형상으로 압착한다. 이 본딩 헤드(130)의 일 예로서, 상기 본딩 헤드(130)의 내측에 반도체 칩(110)을 픽업하도록 픽업 유로(132)가 형성되어서, 상기 픽업 유로(132)를 통하여 부압의 공기를 공급하여 상기 반도체 칩(110)을 픽업하고, 상기 부압의 공기를 제거하거나 정압의 공기를 픽업 유로(132)를 통하여 공급하여서 반 도체 칩(110)을 기판(120) 상에 압착시킨다.
반도체 칩(110)의 하면, 보다 구체적으로 반도체 칩(110)의 전극 하면에는 전도성 범프(115)가 형성되어 있는데, 상기 전도성 범프(115)는 반도체 칩(110)의 전극과, 기판(120)에 형성된 단자 사이에서 융착되어서 양자 사이의 결합을 매개한다.
한편, 반도체 칩 가열 기구(150)는 레이저 광원(152)과, 제1 스캔 미러(155a)와, 제2 스캔 미러(155b)를 포함한다.
여기서, 제1 스캔 미러(155a)는 제1축을 기준으로 회전하는 것으로서, 상기 레이저 광원(152)으로부터 나온 레이저 빔(L)을 굴절시킨다. 이 경우, 상기 레이저 빔(L)이 굴절되는 각도는 상기 제1 스캔 미러(155a)의 회전에 의하여 연속적으로 변경된다.
제2 스캔 미러(155b)는 제1축과 방향이 다른 제2축을 기준으로 회전하는 것으로서, 상기 제1 스캔 미러(155a)로부터 나오는 레이저 빔(L)을 반도체 칩(110) 상면으로 조사한다. 이 경우, 상기 제1 스캔 미러(155a)로부터 나온 레이저 빔(L)은 상기 제2 스캔 미러(155b)가 회전함에 따라서 반도체 칩(110) 상면으로 굴절되는 각도가 연속적으로 변경하게 되며, 이로써 상기 레이저 빔(L)의 조사 중심 위치가 상기반도체 칩(110) 상면에서 연속적으로 변경된다.
하나의 스캔 미러를 사용하는 경우에는 하나의 방향, 즉 1차원적 스캔이 가능하다. 따라서 반도체 칩(110)의 사이즈가 큰 경우에는 전체적으로 균일하게 스캔을 할 수 없다. 그러나 제1 스캔 미러(155a) 및 제2 스캔 미러(155b)를 사용하는 경우 2차원적 스캔이 가능하므로 반도체 칩(110) 상면의 각 부위를 스캔할 수 있게 된다. 한편 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(L)을 확산하는 적어도 하나의 확산 미러(153)가 더 구비될 수도 있다.
이 경우, 상기 제1 스캔 미러(155a)의 회전축인 제1축과, 제2 스캔 미러(155b)의 회전축인 제2축은 서로 직각을 이루는 것이 바람직하다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1축이 X축으로서 상기 제1 스캔 미러(155a)가 X축을 기준으로 회전하여서 레이저 빔(L)이 Y축 방향으로 조사되도록 하고, 제2축이 Y축으로서 상기 제2 스캔 미러(155b)가 Y축을 기준으로 회전하여서 레이저 빔(L)이 X축 방향으로 조사되도록 할 수 있다. 이로 인하여 레이저 빔(L)이 반도체 칩(110) 상면의 X축 및 Y축 방향으로 자유롭게 이동하면서 스캔할 수 있음으로써 반도체 칩(110)의 사이즈에 관계없이 반도체 상면에 고르게 스캔될 수 있다. 특히, 레이저 빔(L)이 고속으로 반복 스캔하게 되면 시간 평균(time average)효과에 의하여 반도체 칩(110) 상면에 조사되는 레이저 빔(L)을 균일하게 할 수 있다.
다시 도 2로 되돌아가서, 상기 반도체 칩 가열 기구(150)는 포커싱 렌즈(154)를 더 구비할 수 있다. 이 포커싱 렌즈(154)는 상기 레이저 광원(152)과 상기 제1 스캔 미러(155a) 사이의 광 경로에 형성되어서 상기 접합 위치에서 상기 레이저 빔(L)의 크기를 제어한다.
상기 포커싱 렌즈(154)는 입사되는 레이저 빔의 폭을 조절할 수 있도록 설치된 원통형 렌즈(cylindrical lens)일 수 있으며, 레이저 빔(L)의 광선 폭을 일 방향으로 조절할 수 있도록 구성된다. 따라서 반도체 칩(110)의 사이즈가 변경되는 경우에도, 포커싱 렌즈(154)가 레이저 빔(L)의 폭을 반도체 칩(110) 상면의 폭과 동일하게 하고, 상기 반도체 칩(110) 사이즈의 길이 방향은 스캔 미러(155a)(155b)의 스캔 각도에 의하여 결정함으로써, 효율적으로 레이저 빔(L)의 스캔이 가능하여 진다.
또한, 반도체 칩(110)의 사이즈가 변경되는 경우, 반도체 칩(110)과 본딩되는 기판(120)과의 위치 정렬 결과에 따른 오프셋 값을 보정하면 된다. 즉, 종래와 같이 본딩 스테이지(140)의 스트로크를 변경시킬 필요가 없으므로, 본딩 스테이지(140)를 정밀하게 구동 제어할 수 있다.
또한, 상기 스캔 미러(155a)(155b)와 상기 반도체 칩(110) 사이의 광 경로에는 선 속도 균일용 렌즈(156)가 배치될 수 있다. 이 선 속도 균일용 렌즈(156)는 상기 제2 스캔 미러(155b)와 상기 반도체 칩(110) 사이의 광 경로에 배치된 것으로, 레이저 빔(L)이 상기 반도체 칩(110) 상면에 동일한 각도로 조사되도록 상기 레이저 빔(L)을 굴절시키는 기능을 한다. 즉, 스캔 미러(155a)(155b)를 통하여 스캔되는 레이저 빔(L)은 각 운동을 하게 되며 따라서 상기 반도체 칩(110)에 투영되는 선 속도가 일정하지 않게 된다. 이 경우 상기 반도체 칩(110)에 주사되는 광량은 선 속도에 비례하므로, 동일한 각 속도로 레이저 빔(L)이 반도체 칩(110)에 조사된다면 레이저 빔(L)의 선 속도가 달라지고, 결과적으로 반도체 칩(110) 표면에 주사되는 광량은 각각의 위치마다 다르게 된다. 이를 방지하기 위하여, 선 속도 균일용 렌즈(156)를 스캔 미러 후방에 배치시켜서, 레이저 빔(L)의 상기 반도체 칩(110) 표면에서의 직선 속도를 일정하게 할 수 있으며, 이로써 광의 불균일도를 효과적으로 제어할 수 있다. 이 경우, 적어도 상기 선 속도 균일용 렌즈(156)는 본딩 헤드(130) 내측에 형성된 픽업 유로(132) 상에 배치될 수 있다.
한편, 본 발명은 적어도 상기 레이저 광원(152)으로부터 상기 포커싱 렌즈(154)까지 레이저 빔(L)의 광 경로를 형성하는 광섬유(157)를 포함할 수 있다. 또는, 광섬유가 상기 레이저 광원(152)으로부터 상기 제1 스캔 미러(155a)까지 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명은 스캔 미러 구동부(165) 및 레이저 구동부(162)를 더 구비할 수 있다. 스캔 미러 구동부(165)는 상기 제1,2 스캔 미러를 구동하고, 레이저 구동부(162)는 레이저 광원(152)을 구동한다. 즉, 스캔 미러 구동부(165)는, 반도체 칩(110)에 조사되는 레이저 빔(L)이 반도체 칩(110)과 동일한 사이즈로 스캔되도록 스캔 미러(155a)(155b)를 구동하고, 레이저 구동부(162)는 레이저 빔(L)이 필요한 시간만큼 필요한 파워로 레이저 광원(152)을 구동하게 된다. 이러한 스캔 미러 구동부(165)와 레이저 구동부(162)는 구동 제어부(160)에 의하여 제어될 수 있다.
이 경우 사용되는 레이저 빔(L)은 상기 반도체 칩(110)을 투과할 수 있는 파장을 갖는 적외선인 것이 바람직한데, 상기 반도체 칩(110)을 투과하도록 레이저 빔(L)이 실리콘(Si) 계열의 약 1064㎚의 특수 파장을 가지고, 레드(red)에 가까운 파장을 가지는 레이저 다이오드가 선택될 수 있다. 즉, 레이저 빔(L)을 반도체 칩(110)에서 전도성 범프(115)가 형성된 면의 반대 면에 조사하여 레이저의 에너지가 반도체 칩(110)과 전도성 범프(115)를 가열하도록 한다. 또한, 레이저 압착 방식의 플립 칩 본딩 방법은 반도체 칩(110) 또는 기판(120)의 접속 패드의 어느 한 쪽 뿐만 아니라 양쪽 모두에 형성된 전도성 범프(115)를 접속할 때에도 레이저 빔(L)을 이용하여 반도체 칩(110)과 전도성 범프(115)를 가열하도록 할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 관한 플립 칩 본딩 장치(100)에서는 적어도 하나의 반사렌즈(158)가 배치되어서 레이저 빔을 원하는 방향으로 굴절시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서 바람직한 실시예에 따른 플립 칩 본딩 방법에 대한 흐름도가 도 5, 도 6 및 도 8에 도시되어 있다. 또한, 도 9a 내지 도 9c에는 상기 플립 칩 본딩 방법의 각 단계가 도시되어 있다. 또한, 도 10a 내지 도 10d에는 상기 플립칩 본딩 방법 중 반도체 칩과 기판을 정렬하는 단계(S10)가 상세하게 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 플립 칩 본딩 방법은 반도체 칩과 기판을 정렬하는 단계(S10)와, 상기 정렬된 반도체 칩 및 기판과 레이저의 조사 위치가 일치하도록 레이저의 조사위치를 보정하는 단계(S20)와, 레이저 광원으로부터 레이저 빔을 방출하는 단계(S30)와, 상기 레이저 빔의 조사 중심 위치가 상기 반도체 칩 상면에서 연속적으로 변경되도록 상기 레이저 빔을 상기 반도체 칩 상면에 조사하는 단계(S40)와, 상기 반도체 칩을 가열하면서 상기 반도체 칩과 기판 사이를 접합하는 단계(S50)를 포함한다.
이하에서는 도 5 내지 도 8, 도 9a 내지 도 9c, 도 10a 내지 도 10d를 참조하여 플립 칩 본딩 방법의 각 단계를 상세히 설명한다.
먼저, 도 6, 도 9a를 참조하면, 반도체 칩과 기판을 정렬하는 단계(S10)가 수행된다.
상세히, 도 9a에 도시된 것과 같이 , 기판(120)은 설정된 온도로 가열된 본딩 스테이지(140) 위에 배치되어 있다. 이 경우, 비전 시스템(vision system, 미도시)에서 기판(120)에 형성된 얼라인 마크를 이용하여 위치 정보를 얻을 수 있다.(S11)
그리고, 반도체 칩(110)은 본딩 헤드(130) 내부의 픽업 유로(132)를 통해 본딩 헤드(130)의 하단 면에 진공 흡착된다. 이 경우에도 비전 시스템(미도시)에 의하여 반도체 칩(110)에 형성된 얼라인 마크를 인식하여 반도체 칩(110)의 위치 정보를 얻을 수 있다.(S12)
그리고, 측정한 기판(120) 및 반도체 칩(110)의 위치 정보를 이용하여, 기판(120)의 본딩 위치에 해당하는 곳으로 반도체 칩(120)을 흡착한 본딩 헤드(130)가 이동한다(S13). 상세히, 도 10a는 기판(120)과 반도체 칩(110) 사이의 보정이 수행되기 이전의 상태를 나타내는 도면이고, 도 10b는 기판(120)과 반도체 칩(110) 사이의 보정이 수행되어, 기판(120) 상의 본딩 위치(121)와 본딩 헤드(130)에 흡착된 반도체 칩(110)이 일치하도록 배열되어 있는 상태를 나타내는 도면이다. 즉, 측정한 기판(120) 및 반도체 칩(110)의 위치 정보로부터 기판(120)과 반도체 칩(110) 간의 상대적인 위치 오프셋(offset)을 산출한다. 그리고, 이 산출한 값만큼 본딩 헤드(130)가 XY방향으로 평행이동하고, 또한 본딩 헤드(130)가 레이저 광축 원점(135)을 기준으로 회전이동하여, 도 10b와 같이 기판(120)의 본딩 위치(121)와 반도체 칩(110)이 일치하도록 배열된다. 이와 같이 보정이 이루어진 후, 본딩 헤 드(130)가 하강하여서 반도체 칩(110)의 전도성 범프(115)가 기판(120)의 전극(125) 위에 접촉된다.
다음으로, 도 7, 도 9a, 도 10a 내지 도 10d를 참조하면, 상기 정렬된 반도체 칩 및 기판과 레이저의 조사 위치가 일치하도록 레이저의 조사위치를 보정하는 단계(S20)가 수행된다.
만약, 레이저 조사위치(137)를 보정하지 않고 레이저 광축 원점(135)을 기준으로 반도체 칩(110)의 형태로만 조사하면, 반도체 칩(110)의 상면을 다 조사하지 못해 반도체 칩(110)이 본딩 되지 않고 기판(120)이 손상될 수도 있다. 또한, 최초의 반도체 칩(110) 좌표로 레이저를 조사하면, 반도체 칩(110)의 XY 옵셋(offset)은 일치하지만 회전 각도가 일치하지 않기 때문에, 레이저가 정확한 위치에 조사되지 아니한다.
따라서, 레이저가 실제 반도체 칩(110) 및 기판의 본딩 위치(121) 전체에 골고루 조사되도록 하기 위하여는, 스캔 미러(155a)(155b)를 회전하여 레이저 조사위치(137)가 보정되어야 한다.
즉, 도 10b 및 도 10c에 도시된 바와 같이, 레이저 광축 원점(135)이 반도체 칩(110)의 중심과 일치하도록, 상기 반도체 칩(110)과 레이저 조사위치(137)의 초기 위치 사이의 거리가 산출된다.(S21) 여기서, 상기 초기 레이저 조사위치는 본딩 헤드의 레이저 광축 원점을 중심으로 하여 형성된다.
그리고, 도 10c 및 도 10d에 도시된 바와 같이, 레이저 조사위치(137)와 반도체 칩(110)이 일치하도록, 상기 반도체 칩의 길이 방향 연장선과, 초기 레이저 조사위치의 길이 방향의 연장선 사이의 기울기가 산출된다.(S22)
그리고, 상기 레이저 조사위치의 평행이동 및 회전 이동은 구동 제어부(160)의 제어에 따라서 스캔 미러 구동부(165)가 스캔 미러(155a)(155b)를 적절한 각도로 회전시킴으로써 수행된다.(S23) 즉, 상기 두 개의 스캔 미러(155a)(155b)가 상호 회전함으로써, 레이저 조사위치(137)를 XY 방향(즉, 도 10b의 화살표 방향)으로 평행이동하고, 또한 레이저 광축 원점(135)을 중심으로 레이저 조사위치(137)를 회전이동한다.
이와 같은 구성에 의하여, 기판(120)의 본딩 위치(121)와 반도체 칩(110)이 일치하는 동시에, 레이저 조사위치(137)가 상기 본딩 위치(121) 및 반도체 칩(110)과 일치하도록 형성된다. 따라서, 레이저가 정확한 위치에 조사됨으로써, 견고한 본딩이 수행되고, 기판의 손상이 방지되는 효과를 얻을 수 있다.
이 상태에서 도 9b에 도시된 바와 같이, 레이저 광원(152)으로부터 레이저 빔(L)을 외부로 조사하는 단계(S30) 및 상기 레이저 광원(152)으로부터 조사된 레이저 빔(L)을, 그 조사 중심 위치가 상기 반도체 칩(110) 상면에서 연속적으로 변경되도록 상기 반도체 칩(110) 상면에 조사하는 단계(S40)를 거친다.
이 경우, 도 9b와 함께 도 3을 참조하면, 레이저 광원(152)으로부터의 레이저 빔(L)은 광섬유의 가이드를 받아서 포커싱 렌즈(154)를 통과할 수 있고, 상기 포커싱 렌즈(154)를 통과하면서 레이저 빔(L)의 크기가 결정된다(S41).
이 포커싱 렌즈(154)를 통과한 레이저 빔(L)은 스캔 미러(155a)(155b)를 통과하면서 반도체 칩(110) 상면에 조사되게 된다. 이때에 상기 스캔 미 러(155a)(155b)는 하나의 축을 기준으로 회전하게 되며, 상기 스캔 미러(155a)(155b)가 회전함에 따라서 레이저 빔(L)의 상기 반도체 칩(110) 상면에 조사되는 조사 중심이 연속적으로 변경된다(S42).
이 경우, 상기 포커싱 렌즈(154)를 통과한 레이저 빔(L)이 두 방향으로 연속적으로 이동하면서 반도체 칩(110) 상면에 조사되도록 할 수 있으며, 이를 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 스캔 미러가 두 개 배치될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 포커싱 렌즈(154)를 통과한 레이저 빔(L)이 제1 스캔 미러(155a)를 통과하면서 Y축 방향으로 연속적으로 스캔하게 되고, 제1 스캔 미러(155a)를 통과하면서 레이저 빔(L)이 X축 방향으로 연속적으로 스캔하게 된다.
한편, 반도체 칩(110) 사이즈는 얼라인 마크 인식 시에 이미 구동 제어부(160)에 설정되어 있으므로, 구동 제어부(160)의 제어에 따라서 스캔 미러 구동부(165)가 상기 스캔 미러(155a)(155b)를 적절한 각도로 회전시키게 된다. 이와 더불어 구동 제어부(160)는 레이저 구동부(162)를 제어하여 필요한 시간만큼, 필요한 파워로 레이저 빔(L)을 발생시키게 된다.
한편, 상기 스캔 미러(155a)(155b)에 의하여 굴절된 레이저 빔(L)은 선 속도 균일용 렌즈(156)에 의하여 반도체 칩(110) 상면으로 향하는 선 속도가 균일하게 되고(S43), 따라서 균일한 선 속도로 레이저 빔(L)이 반도체 칩(110) 상면에 조사 중심을 다르게 하면서 연속적으로 스캔하게 된다(S44). 이때에 레이저 빔(L)을 고속으로 반복 스캔하게 되면, 시간 평균 효과에 의하여 반도체 칩(110) 상에 조사되는 레이저 광량을 균일하게 만들 수 있다.
이 상태에서, 레이저 빔(L)은 반도체 칩(110)을 투과하여 반도체 칩(110)과 기판(120) 위에 있는 전도성 범프(115)에서 열 에너지로 변환되고, 반도체 칩(110) 및 기판(120)에 설치한 전도성 범프(115)가 접촉한 상태에서 레이저 빔(L)의 출력은 전도성 범프(115)를 가열하게 된다. 이와 함께 본딩 헤드(130)가 반도체 칩(110)에 수직방향으로 일정한 압력을 가하게 됨으로써, 레이저 빔(L)에 의하여 전도성 범프(115)가 가열되면서 가압되어서 기판(120)과 전극이 접합된다(S50).
그 다음 도 9c에 도시된 것과 같이, 본딩 헤드(130)를 통한 레이저 빔(L)의 조사를 중단하여 전도성 범프(115)가 냉각하면 반도체 칩(110)의 온도가 저하되고 이것에 의해 전도성 범프(115)가 고화되면 반도체 칩(110)의 흡착용 진공을 해제함과 동시에 본딩 헤드(130)를 상승시켜서 플립 칩 본딩을 완료한다.
한편, 기판 및 반도체 칩은 기판(120) 상에 도포된 열 경화 수지(미도시)를 이용하여 플립 칩 본딩될 수도 있다. 이 경우, 반도체 칩(110)과 기판(120)의 단자부들 사이의 열적 결합이 일어나고 연속해서 열 경화 수지가 반도체 칩(110)과 기판(120)의 가열에 의해 동시에 접착면 내에서 경화되면 외부로부터 부식 영향 방지를 위해 반도체 칩(110)과 기판(120) 사이의 갭을 밀봉하기 위한 별도의 단계가 필요 없게 되므로 더욱 효과적이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 플립 칩 본딩 방법 및 이를 채택한 플립 칩 본딩 장치에 따르면, 레이저를 이용하여 플립 칩과 범프를 빠르게 가열할 수 있기 때문에 비교적 온도에 민감한 기판이 사용될 때에도 높은 생산성과 접합 신뢰성을 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 반도체 칩과 기판을 정렬하는 단계;
    상기 정렬된 반도체 칩 및 기판과 레이저의 조사위치가 일치하도록 레이저의 조사위치를 보정하는 단계;
    레이저 광원으로부터 레이저 빔을 발생하는 단계;
    상기 레이저 빔을 상기 반도체 칩 상면에 조사하는 단계; 및
    상기 반도체 칩과 상기 기판의 접합 부위를 가열하며 접합하는 단계를 포함하며,
    상기 반도체 칩과 기판을 정렬하는 단계는,
    상기 기판의 중심좌표 및 각도를 산출하는 단계;
    상기 반도체 칩의 중심좌표 및 각도를 산출하는 단계; 및
    상기 반도체 칩이 상기 기판상의 본딩 위치에 위치되도록, 상기 산출된 각 값의 차이만큼 상기 반도체 칩 또는 상기 기판 중 적어도 하나를 이동하는 단계를 포함하는 플립 칩 본딩 방법.
  3. 반도체 칩과 기판을 정렬하는 단계;
    상기 정렬된 반도체 칩 및 기판과 레이저의 조사위치가 일치하도록 레이저의 조사위치를 보정하는 단계;
    레이저 광원으로부터 레이저 빔을 발생하는 단계;
    상기 레이저 빔을 상기 반도체 칩 상면에 조사하는 단계; 및
    상기 반도체 칩과 상기 기판의 접합 부위를 가열하며 접합하는 단계를 포함하며,
    상기 정렬된 반도체 칩 및 기판과 레이저의 조사위치가 일치하도록 레이저의 조사위치를 보정하는 단계는,
    상기 반도체 칩과 초기 레이저 조사위치 사이의 거리를 산출하는 단계;
    상기 반도체 칩과 초기 레이저 조사위치 사이의 기울기를 산출하는 단계;및
    상기 산출된 거리 및 기울기만큼 레이저 조사위치가 보정되도록 스캔 미러를 회전하는 단계를 포함하는 플립 칩 본딩 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스캔 미러는,
    상기 레이저 광원으로부터 나온 레이저 빔이 굴절되는 각도가 연속적으로 변경되도록 제1축을 기준으로 회전하는 제1 스캔 미러와;
    상기 제1 스캔 미러로부터 나온 레이저 빔이 굴절되는 각도가 연속적으로 변경되어서 상기 레이저 빔의 조사 중심 위치가 상기 반도체 칩 상면에서 연속적으로 변경되도록, 상기 제1축과 다른 방향의 제2축을 기준으로 회전하는 제2 스캔 미러를 포함하는 플립 칩 본딩 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 초기 레이저 조사위치는 본딩 헤드의 레이저 광축 원점을 중심으로 하여 형성되는 플립 칩 본딩 방법.
  6. 반도체 칩과 기판을 정렬하는 단계;
    상기 정렬된 반도체 칩 및 기판과 레이저의 조사위치가 일치하도록 레이저의 조사위치를 보정하는 단계;
    레이저 광원으로부터 레이저 빔을 발생하는 단계;
    상기 레이저 빔을 상기 반도체 칩 상면에 조사하는 단계; 및
    상기 반도체 칩과 상기 기판의 접합 부위를 가열하며 접합하는 단계를 포함하며,
    상기 레이저 빔을 상기 반도체 칩 상면에 조사하는 단계는,
    상기 레이저 광원과 상기 반도체 칩 사이의 광 경로에 배치된 두 개의 스캔 미러가 레이저 빔의 굴절 방향을 연속적으로 변경하여서 이루어지는 플립 칩 본딩 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 상기 반도체 칩 상면에 조사하는 단계는,
    상기 스캔 미러를 통과한 레이저 빔이 상기 반도체 칩 상면에 동일한 선 속도로 조사되도록 상기 레이저 빔을 굴절하는 단계를 더 포함하는 플립 칩 본딩 방법.
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