KR101245356B1 - 플립 칩 본더의 가압 헤드 - Google Patents

플립 칩 본더의 가압 헤드 Download PDF

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최지웅
조진구
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(주)정원기술
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Abstract

본 발명은 플립 칩 본더의 가압 헤드에 관한 것으로, 반도체 칩의 진공흡착이 원활히 이루어지면서도 레이저 조사에 의한 가열이 균일하게 이루어질 수 있어 본딩품질을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진 플립 칩 본더의 가압 헤드에 관한 것인바, 상기 가압 헤드(40)는 상하로 관통된 관통부(41)를 가지며 측면에는 진공발생기(30)에 접속된 흡입공(42)이 상기 관통부(41)로 연통 형성된 헤드 브라켓(43)과; 상기 헤드 브라켓(43)의 상부에 설치되는 레이저 발생기(80)의 빔이 상기 관통부(41)를 통과하도록 상기 관통부(41) 상부에 고정되는 투명 윈도(44)와; 상기 헤드 브라켓(43)의 하부에 상기 투명 윈도(44)와 이격되도록 설치되며, 저면(45a)에는 반도체 칩(50)을 흡착할 수 있도록 흡착면(45b)이 형성되고, 상기 흡착면(45b)에서 상면으로는 흡입홀(h)이 관통되며, 레이저 발생기(80)의 빔이 반도체 칩(50)으로 조사되도록 투명한 소재로 이루어진 흡착 헤드(45)와; 상기 투명 윈도(44)와 흡착 헤드(45)를 상기 헤드 브라켓(43)에 고정하기 위한 고정브라켓(46,47) 및 상기 관통부(41) 내부의 기밀 유지를 위한 가스켓(48,49);을 포함하여 이루어진다.

Description

플립 칩 본더의 가압 헤드{Pressure head for flip chip bonder}
본 발명은 플립 칩 본더의 가압 헤드에 관한 것으로, 반도체 칩의 진공흡착이 원활히 이루어지면서도 레이저 조사에 의한 가열이 균일하게 이루어질 수 있어 본딩품질을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진 플립 칩 본더의 가압 헤드에 관한 것이다.
전자제품의 소형화 및 고기능화에 반드시 수반되어야 하는 것이 반도체 칩을 고집적화하는 것인데, 이러한 반도체 칩을 먼지나 습기 또는 전기적, 기계적인 부하 등 각종 외부환경으로부터 보호해주는 반도체패키지의 제조에 있어서도 이와 같은 추세를 수용하기 위하여 경박단소화 및 다핀화되고 있으며, 이러한 반도체패키지의 방식도 종래의 와이어본딩 방식만으로는 경박단소화에 한계가 있으므로 솔더범프 방식이 개발되어 사용되고 있는데, 이는 반도체 칩의 입출력 단자인 패드 위에 별도의 솔더 범프를 형성시킨 다음 이 반도체 칩을 뒤집어서 캐리어 기판이나 서킷 테이프의 회로패턴에 직접 붙이는 방식으로, 반도체 칩이 뒤집혀진 상태로 본딩되기 때문에 플립 칩 본딩이라고 불리고 있다.
플립 칩 본딩을 위한 플립 칩 본더는 열압착 방식과 레이저 압착 방식이 개발되어 사용되고 있는데, 열압착 방식은 가압 아암의 내부에 히터가 내장되고, 가압 아암의 선단에 플립 칩의 흡착을 위한 흡입 홀을 갖는 가압 헤드로 이루어져 있으며, 이의 동작은 플립 칩의 이면(상면)이 가압 헤드에 흡착되고, 기판의 소정위치에 플립 칩의 위치를 광학적 인식장치에 의하여 맞춘 후, 가압 아암을 하강시키고, 기판에 플립 칩을 가압시키면서 가압 아암 내부의 히터를 가열하여 가압 헤드 쪽으로 열전도가 이루어지면서 플립 칩을 가열하는 것에 의해 기판의 전극 단자에 플립 칩의 전극 패드가 전기적으로 접속되며, 이와 같은 상태를 소정시간 유지하는 것에 의해 기판측에 미리 도포되어 있던 열경화성 수지가 굳어지는 것에 의해 플립 칩의 본딩이 완료되며, 그 이후 가압 헤드의 진공 흡착상태를 해제한 뒤, 히터를 끄고 가압 아암을 상승시켜서 기판을 인출할 수 있도록 하게 된다.
한편, 이와 같은 열압착 방식의 플립 칩 본더는 열전도에 의해 플립 칩으로 열을 전달하도록 되어 있었으므로 플립 칩에 열이 전해지는 것이 늦어지고, 플립 칩과 기판을 접합하는데 소요되는 시간이 길어지며, 이로 인해 생산성이 저하되는 단점이 있었다.
레이저 압착 방식은 칩의 솔더범프들이 캐리어 기판의 지정된 솔더범프와 대향되도록 본드 포지션으로 이동한 후에 칩의 후면으로부터 레이저를 이용하여 칩을 가열하면서 가압함으로써 양 솔더범프 사이를 본딩하는 방식으로, 이러한 레이저 압착 방식은 일본국 특허 제3303822호 등에 개시되어 있는데, 이는 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 칩(chip;4)의 전극 패드(pad)의 각각을 기판(3)의 전극 단자의 각각에 일괄 접속하기 위한 플립 칩 본더로, 상기 칩(4)을 흡착하는 칩 흡착 면적보다 넓은 하면을 가지고, 상방으로부터 조사되는 레이저 광선을 투과시키며, 상기 레이저 광선에 의하여 흡착한 칩(4) 전체를 직접 가열하는 칩 흡착 블록(5)과; 상기 칩 흡착 블록(5)의 상방에 설치되고, 상기 칩(4)을 흡착한 상기 칩 흡착 블록(5)을 하강시키고, 상기 기판(3)과의 접속면을 맞추는 상기 칩(4)을 가압하는 플런저(8)와; 상기 기판(3)을 싣는 스테이지(1)의 상기 기판(3)과 상기 칩(4)과의 접속 면 하방에 배치되고, 상기 기판(3)을 가열 또는 냉각 하는 펠티어 소자(2);를 포함하여 이루어져 있다.
도 1에서 부호 6은 진공흡착을 위한 배기구이고, 부호 7은 칩 흡착 블록(5)을 지지하기 위한 홀더이다.
상기한 종래의 레이저 압착식 플립 칩 본더의 헤드에 있어서는 레이저가 투과하는 칩 흡착 블록(5)의 내부에 진공흡입을 위한 칩 흡착구멍(16)을 수직 하방 및 측면방향으로 연통되게 형성하여야 하는 가공상의 문제점이 있었으며, 레이저 광의 투과시 상기 칩 흡착구멍(16)에서의 난반사 및 굴절현상으로 인해 하방의 반도체 칩에 조사되는 레이저가 고르게 분포되지 못하게 됨으로써 온도편차가 발생하게 되어 본딩품질이 불량해지게 되는 원인이 되기도 하였으며, 상기 칩 흡착구멍(16)의 내면은 폴리싱이나 기타 표면가공이 불가능하여 이러한 난반사 및 굴절현상을 해소하는 것은 불가능하였다.
도 2에는 레이저 압착식 플립 칩 본더의 또다른 종래기술이 도시되어 있는데, 이는 솔더범프(95)가 형성된 기판(90)이 안착되는 본딩 스테이지(120), 상기 본딩 스테이지(120)의 상부에 배치되며 플립 헤드(미도시) 등으로부터 솔더범프(85)가 형성된 반도체 칩(80)을 픽업하고 상기 픽업된 반도체 칩(80)의 솔더범프(85)와 상기 기판(90)의 솔더범프(95)를 본딩하는 본딩 헤드(140)를 포함하여 이루어져 있으며, 상기 본딩 헤드(140)의 내부에는 진공압이 작용되는 진공통로(144)가 형성되고, 상기 진공통로(144)는 진공압 발생기(146)에 연결되며, 칩 가열장치(160)는 레이저 빔을 발생하고 상기 발생된 레이저 빔을 반도체 칩(80) 측으로 조사하는 레이저 발생기(161)와, 상기 레이저 발생기(161)에서 조사되는 레이저 빔을 반도체 칩(80) 측으로 전달하는 광 섬유(163) 및 상기 반도체 칩(80) 측으로 조사되는 레이저 빔의 강도가 균일해지도록 상기 반도체 칩(80)과 상기 레이저 발생기(161) 사이의 광조사 경로에 배치되는 빔 강도 조절체(165)를 포함하여 이루어져 있다.
한편, 도 2에 도시된 종래 레이저 압착식 플립 칩 본더는 진공통로(144)로 인해 반도체 칩(80)을 잡아주는 단면이 외곽으로 형성되어 있어 반도체 칩을 흡착하는 압력을 고르게 분산시키기 어려우며, 반도체 칩에 열을 전달할 때 가압 상태여서 본딩시 반도체 칩에 더 큰 열변형을 초래할 수 있어 본딩 정밀도에 악역향을 줄 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 플립 칩 본딩을 위한 반도체 칩의 진공흡착이 원활히 이루어지면서도 이러한 진공흡착을 위한 진공 구조가 레이저 조사에 의한 가열에 장애를 일으키지 않고 레이저 빔이 반도체 칩의 전면에 균일하게 조사될 수 있어 열손실을 최소화하고 빠른 시간 안에 본딩온도까지 도달되도록 하여 본딩속도 향상 및 본딩품질을 향상시킬 수 있는 플립 칩 본더의 가압 헤드를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 진공발생기에 의한 진공 흡착력을 이용하여 가압 헤드가 반도체 칩을 흡착한 상태에서 진공 척 위에 고정된 기판에 가압시키고, 레이저 발생기의 빛을 반도체 칩에 조사하여 반도체 칩과 기판의 솔더범프 사이를 본딩하는 레이저 압착식 플립 칩 본더에 있어서,
상기 가압 헤드는 상하로 관통된 관통부를 갖지며 측면에는 진공발생기에 접속된 흡입공이 상기 관통부로 연통 형성된 헤드 브라켓과;
상기 헤드 브라켓의 상부에 설치되는 레이저 발생기의 빔이 상기 관통부를 통과하도록 상기 관통부 상부에 고정되는 투명 윈도와;
상기 헤드 브라켓의 하부에 상기 투명 윈도와 이격되도록 설치되며, 저면에는 반도체 칩을 흡착할 수 있도록 흡착면이 형성되고, 상기 저면의 흡착면에서 상면으로는 흡입홀이 관통되며, 레이저 발생기의 빔이 반도체 칩으로 조사되도록 투명한 소재로 이루어진 흡착 헤드와;
상기 투명 윈도와 흡착 헤드를 상기 헤드 브라켓에 고정하기 위한 고정브라켓 및 관통부의 기밀 유지를 위한 가스켓을 포함하여 이루어지는 플립 칩 본더의 가압 헤드를 제공한다.
본 발명에서 상기 투명 윈도와 흡착 헤드는 쿼츠(quartz)재질로 이루어지고, 레이저 빔의 굴절 및 난반사를 방지할 수 있도록 표면에 광학연마를 실시하고, 레이저 발생기에서 방출하는 빔에 맞게 투과율의 향상 및 반사방지를 위하여 AR코팅을 실시한다.
본 발명에서 상기 흡착 헤드의 저면에 형성되는 흡착면은 반도체 칩보다 작은 크기로 흡착 헤드의 흡착 헤드의 저면에서 돌출되도록 단을 주어 가공하여 반도체 칩의 픽업이 용이하게 이루어질 수 있도록 하고, 기판 측에 미리 도포되어 있던 열경화성 수지, ACF(이방 전도성 필름), NCP(비전도성 액상 접착제) 등이 흡착 헤드에 묻지 않도록 한 것인데. 흡착 헤드에 이물질이 묻게 되면 플립 칩 본딩의 정밀도에 악영향을 주기 때문이다..
본 발명은 기존의 레이저 압착신 본더의 가압 헤드에서는 진공구조 즉, 흡착 헤드에 수평과 수직방향으로 석션홀 등을 형성하여야 했었으므로 이로 인해 레이저 빔이 난반사를 일으키거나 불규칙하게 굴절되는 것에 의해 반도체 칩에 전달되는 열이 균일하지 못하게 되고 열손실이 발생하였으나, 본 발명에 의하면 가압 헤드 내부에 관통부를 형성하고, 이 관통부의 상,하부에 쿼츠 재질로 된 윈도와 흡착 헤드를 이격되게 배치하며, 상기 흡착 헤드의 중심부에 수직으로 석션홀을 형성함으로써 반도체 칩의 진공흡입을 위한 구조가 레이저 빔이 반도체 칩으로 균일하게 전달되는데 별다른 장애를 초래하지 않게 되어 균일한 열전달 및 열손실의 최소화가 가능하여 본딩속도 및 본딩품질의 향상을 도모할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.
도 1은 종래기술에 의한 플립 칩 본더의 가압 헤드 구조의 일례를 도시한 단면도,
도 2는 종래기술에 의한 플립 칩 본더의 가압 헤드 구조의 다른 예를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 의한 플립 칩 본더의 가압 헤드 구조를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명에 의한 플립 칩 본더의 가압 헤드가 반도체 칩을 흡착하여 기판에 본딩하는 상태를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 의한 가압 헤드가 적용된 플립 칩 본더의 구조가 개략적으로 도시되어 있는데, 본 발명은 진공발생기(30)에 의한 진공 흡착력을 이용하여 가압 헤드(40)가 반도체 칩(50)을 흡착한 상태에서 진공 척(60) 위에 고정된 기판(70)에 가압시키고, 레이저 발생기(80)의 레이저 빔을 반도체 칩(50)에 조사하여 반도체 칩(50)과 기판(70)의 솔더범프 사이를 본딩하는 레이저 압착식 플립 칩 본더로, 상기 가압 헤드(40)는 상하로 관통된 관통부(41)를 가지며 측면에는 진공발생기(30)에 접속된 흡입공(42)이 상기 관통부(41)로 연통 형성된 헤드 브라켓(43)과; 상기 헤드 브라켓(43)의 상부에 설치되는 레이저 발생기(80)의 빔이 상기 관통부(41)를 통과하도록 상기 관통부(41) 상부에 고정되는 투명 윈도(44)와; 상기 헤드 브라켓(43)의 하부에 상기 투명 윈도(44)와 이격되도록 설치되며, 저면(45a)에는 반도체 칩(50)을 흡착할 수 있도록 흡착면(45b)이 형성되고, 상기 흡착면(45b)에서 상면으로는 흡입홀(h)이 관통되며, 레이저 발생기(80)의 빔이 반도체 칩(50)으로 조사되도록 투명한 소재로 이루어진 흡착 헤드(45)와; 상기 투명 윈도(44)와 흡착 헤드(45)를 상기 헤드 브라켓(43)에 고정하기 위한 고정브라켓(46,47) 및 관통부(41) 내부의 기밀 유지를 위한 가스켓(48,49);을 포함하여 이루어져 있다.
도면 중 미설명 부호 82는 레이저 발생기(80)의 레이저 빔을 반도체 칩(50)으로 포커싱하기 위한 경통이다.
본 발명에서 상기 투명 윈도(44)와 흡착 헤드(45)는 쿼츠(quartz)재질로 이루어지고, 레이저 빔의 굴절 및 난반사를 방지할 수 있도록 표면에 광학연마를 실시하며, 레이저 발생기(80)에서 방출하는 빔에 맞게 투과율의 향상 및 반사방지를 위하여 AR코팅을 실시한다.
본 발명에서 투명 윈도와 흡착 헤드 표면의 광학연마는 표면을 다른 고체의 모서리나 표면으로 문질러 매끈하고 평탄하게 하는 것으로, 이는 광학 렌즈의 표면연마를 의미하며, 연마재를 사용하여 연마효율을 높일 수 있고, 표면에 흠이나 자국같은 것이 없어야 레이저 빔의 투과율을 높일 수 있기 때문이다.
또, 본 발명에서 상기 AR(Anti Reflection)코팅은 반사방지막 코팅을 의미하는데, 빛에는 반사율과 투과율이 있으며, AR코팅에서는 반사율을 낮게하고 투과율을 높이는데 목적을 두고 있다. 제품의 광학특성 및 레이저 파장에 맞게 렌즈 표면에서 굴절, 반사, 분산 등을 최대한 줄이기 위해서 실시하는 것으로, 이 또한 기존 광학 렌즈의 표면처리기술을 이용한다.
상기 투명 윈도(44)는 플랫(flat) 상태로 이루어지며, 헤드 브라켓(43) 내측의 관통부(41) 상단에 형성된 단턱(41a)에 얹혀지되 단턱(41a)과 투명 윈도(44) 사이에 기밀유지를 위한 가스켓(48)이 개재된 상태에서 상부에서 고정브라켓(46)이 상기 투명 윈도(44)를 눌러서 가스켓(48)을 압박한 상태로 상기 헤드 브라켓(43)에 별도의 볼트결합 또는 나사식으로 결합되게 된다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 고정브라켓(46)은 투명 윈도(44)를 가압하는 원통형 가압부가 구비되어 있고, 이 가압부의 상부 외측에는 플랜지부가 형성되어 있으므로, 이 플랜지부에 볼트 구멍을 천공하고, 상기 플랜지부가 얹혀지는 헤드 브라켓(43)의 상면에도 대응되는 위치에 볼트 구멍을 천공하여 도시 안 된 별도의 고정 볼트를 체결해주는 것에 의해 투명 윈도(44)를 헤드 브라켓(43)의 관통부(41) 상부에 결합시킬 수 있으며, 이러한 볼트결합방식 외에도 고정브라켓(46)의 원통형 가압부 외곽에는 수나사를 형성하고, 상기 헤드 브라켓(43)의 관통부(41) 내면에는 상기 수나사부에 대응되는 암나사를 형성하여 고정브라켓(46) 자체를 헤드 브라켓(43)의 관통부에 직접 나사식으로 결합시킬 수도 있는 것이며, 이러한 고정방식 외에도 기타 다양한 고정방식을 사용할 수도 있음은 물론이다.
한편, 상기 흡착 헤드(45)는 투명 윈도(44)와는 달리 전체적으로 편평한 상태를 이루지 않고, 중간부분이 하방으로 돌출형성되어 있는데, 이는 흡착 헤드(45)가 가압 헤드의 헤드 브라켓(43) 저면보다 하방으로 돌출되도록 헤드 브라켓(43)의 하부에 설치되어야 하기 때문이며, 흡착 헤드(45)의 저면(45a) 중심부에는 도 3의 요부 확대도에 도시된 바와 같이 반도체 칩(50)보다 작은 크기로 단을 주어 돌출되도록 가공한 흡착면(45b)이 형성되어 있으며, 이 흡착면(45b)의 중심부에서 수직 상방으로 흡입홀(h)이 관통되어 있다.
상기 흡착 헤드(45)는 헤드 브라켓(43) 내측의 관통부(41) 하단에 형성된 단턱(41b)에 끼워지되 단턱과 흡착 헤드(45) 사이에 기밀유지를 위한 가스켓(49)이 개재된 상태에서 하부에서 고정브라켓(47)이 상기 흡착 헤드(45)를 눌러서 가스켓(49)을 압박한 상태로 상기 헤드 브라켓(43)에 별도의 볼트결합 또는 나사식으로 결합되게 된다.
상기 흡착 헤드(45)의 고정구조는 상술한 투명 윈도(44)의 고정구조와 고정방향만 다를 뿐이므로 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명에서 상기 투명 윈도(44)와 흡착 헤드(45) 사이의 관통부(43)에 형성되는 기밀공간은 측면으로는 진공발생기(30)로 연결된 흡입공(42)을 통해 공기가 빨려나가 진공상태를 유지하게 되므로 일종의 진공 챔버가 형성되게 되는 것이며, 이 진공 챔버에 형성된 진공, 엄밀하게는 부압이 상기 흡착 헤드(45)의 저면(45a) 중앙에 형성된 흡착면(45b)에 반도체 칩(50)을 흡착하여 위치이동 및 가압시킬 수 있게 되는 것이며, 이러한 진공구조에 의해 본 발명은 도 4에 개략적으로 도시된 본딩상태에서와 같이 레이저 발생기(80)에서 발생한 레이저 빔(B)이 경통(82)을 통해 관통부(43)를 거쳐 반도체 칩(50)으로 조사될 때까지 빔의 경로상에 난반사 또는 굴절을 일으킬만한 장애요소가 없으므로 열 에너지의 손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 반도체 칩(50) 전면에 걸쳐 고른 열전달이 이루어지게 됨으로써 본딩속도 및 본딩품질의 향상을 도모할 수 있는 효과를 갖는 것이다.
30 : 진공발생기 40 : 가압 헤드
41 : 관통부 41a : 단턱(상부)
41b : 단턱(하부) 42 : 흡입공
43 : 헤드 브라켓 44 : 투명 윈도
45 : 가압 헤드 45a : 저면
45b : 흡착면 h : 흡입홀
46,47 : 고정브라켓 48,49 : 가스켓
50 : 반도체 칩 60 : 진공 척
70 : 기판 80 : 레이저 발생기
82 : 경통 B : 레이저 빔

Claims (2)

  1. 진공발생기(30)에 의한 진공 흡착력을 이용하여 가압 헤드(40)가 반도체 칩(50)을 흡착한 상태에서 진공 척(60) 위에 고정된 기판(70)에 가압시키고, 레이저 발생기(80)의 레이저 빔을 반도체 칩(50)에 조사하여 반도체 칩(50)과 기판(70)의 솔더범프 사이를 본딩하는 레이저 압착식 플립 칩 본더에 있어서,
    상기 가압 헤드(40)는 상하로 관통되고 상,하부 내측에 각각 단턱(41,a,41b)이 형성된 관통부(41)를 가지며 측면에는 진공발생기(30)에 접속된 흡입공(42)이 상기 관통부(41)로 연통 형성된 헤드 브라켓(43)과; 상기 헤드 브라켓(43)의 상부에 설치되는 레이저 발생기(80)의 빔이 상기 관통부(41)를 통과하도록 상기 관통부(41) 상부의 단턱(41a)에 고정되는 투명 윈도(44)와; 상기 헤드 브라켓(43) 하부의 단턱(41b)에 상기 투명 윈도(44)와 이격되도록 설치되며, 저면(45a)에는 반도체 칩(50)을 흡착할 수 있도록 흡착면(45b)이 형성되고, 상기 흡착면(45b)에서 상면으로는 흡입홀(h)이 관통되며, 레이저 발생기(80)의 빔이 반도체 칩(50)으로 조사되도록 투명한 소재로 이루어진 흡착 헤드(45)와; 상기 투명 윈도(44)와 흡착 헤드(45)를 상기 헤드 브라켓(43)에 고정하기 위한 고정브라켓(46,47); 및 상기 관통부(41) 내부의 기밀 유지를 위하여 상기 단턱(41a)과 투명윈도(44) 사이 및 상기 단턱(41b)과 흡착헤드(45) 사이에 설치되는 가스켓(48,49);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플립 칩 본더의 가압 헤드.
  2. 삭제
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