KR101505944B1 - 연속 선형 열 처리장치 배열 - Google Patents

Abstract

이동 가능한 바텀 처리 섹션들을 가지는 일련의 일폐가능한 챔버들을 통해 지지 플레이트 상에 사전 조립된 칩/다이 기판을 단계적으로 이동시키기 위한 선형, 연속된 칩/기판 어셈블리 프로세싱 장치가 제공된다. 프로세스는 로딩 스테이션에서 시작하고 최종 결합까지 그들 다양한 챔버들을 통해 디바이스 트레이 상에 지지된 칩/기판 부품들의 다양한 용융 및 진공 이후에 언리딩 스테이션에서 종료된다.

Description

연속 선형 열 처리장치 배열{SERIAL LINEAR THERMAL PROCESSOR ARRANGEMENT}

본 발명은 전자 칩에 관련되고, 반도체 기판들과 같은 제조 방법에 관련된 것으로, 더 상세하게는 반도체 기판들의 제조에 사용되는 장치(machine)의 단계적프로세스(stepwise process)에 관한 것이다.

반도체 디바이스(device)가 도금 방법(plating method), 인쇄 방법(printing method), 그리고 솔더 볼 용융 방법(solder ball melting method)을 통해 형성될 때, 반도체 기판에 솔더 범프가 형성된다. 솔더는 녹아서 와이어들과 컨덕터들 등과 같은 연결물질(connected material)에 접합된다. 솔더를 이용하는 종래 기술의 대부분 제조 방법들에서는 플럭스(flux)가 사용되고, 이는 단자(termainal)와 와이어(wiring)의 표면에 증착된다. 플럭스는 일반적으로 표면이 활성될 때 증착된 표면을 덮어 산화물(oxides)을 제거하거나 새로운 산화(new oxidation)를 방지한다.전형적으로 솔더는 증착된 표면 상에 녹아 기판 표면 전체로 퍼지고, 프로세스(process) 중에 플럭스의 일부를 용해한다. 이러한 플럭스의 제거는 선행 기술에서 흔히 발생하는 문제점 중 하나이다. 다이(die)와 기판 사이의 플럭스는 완벽하게 제거되는 것이 불가능하고, 따라서 생산된 디바이스(device)의 신뢰도를 떨어뜨린다.

선행 기술 장치들은 일반적으로 플럭스 디스펜서들(flux dispensers), 리플로우 퍼니스들(reflow furnaces), 그리고 플럭스 워셔들(flux washers)이다. 각각의 특정 솔더 재료(material)는 종종 다른 플럭스와 다른 플럭스 세정 케미스트리(chemistry)의 사용을 필요로 한다. 이러한 재료(material)들과 케미컬들의 특성 때문에, 선행 기술의 장치들은 특정 물질과 특정 케미스트리들에 적합하게 만들어져야 한다. 선행 기술에 사용된 플럭스들의 특성 때문에, 그것들이 처리 장비에 부착되어 장비들을 세정하기 어려웠다. 플럭스들의 사용은 제조 공정 동안에 많은 케미컬 소비와 많은 메인티넌스(maintenance)를 요구한다.

어떤 경우에는, 솔더를 가열하고, 포름산을 주입하고, 보이드를 최소화하고 솔더 범프들 또는 솔더볼들을 형성하기 위해 진공 시스템이 이용되었다. 솔더 리플로우(reflow)를 위해 진공 시스템을 이용하는 것에 의해, 열전달 매체(heat transfer media)의 부족 등의 몇 가지 불이익들이 있다. 솔더의 열전달 계수(heat transfer coefficient)가 낮고, 표면 산화물들을 제거하기 위해 사용되는 포름산의 농도가 낮고, 솔더 범프들과 볼들을 형성을 위해 대류(convection)에 의한 열전달을 사용할 수 없다.

본 발명은 종래 기술의 이러한 단점들을 개선하는 것을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명은 플럭스 도포(application)와 제거(removal)를 위해 요구될 수 있는 공정 단계를 최소화하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 공간 절약, 단계 최소화, 효율적인 칩 처리를 위해 적합하게 조절되고 개별적으로 공정되고 선형으로 배열된 일련의 챔버들(in a series of adjustably controlled, individually processing, generally linearly arranged chambers)에서 기판들과 다이들을 로딩, 프로세싱, 언로딩이 선형으로 진행될 수 있는 제조 배열을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명은 반도체 재료 상에 솔더 범프들(solder bumps)과 솔더 조인트(solder joints)들을 제조하는 방법에 관한 것이다. 일 관점에서 본 프로세스(process)는, 적어도 6개의 인라인 처리 스테이션들 또는 위치들(at least six in-line treatment stations or positons)을 가지는 프로덕션 테이블(production table), "미처리 부품" 로딩 스테이션(an "treated-component" loading station), 그리고 "처리 부품" 언로딩 스테이션(an "treated-component" unloading station) 을 가지는 선형으로 배열된 순차적인 기판 부품(component) 처리 스테이션들을 가지는 처리 시스템의 사용을 포함하며, 스테이션들은 각각 여기에 병합되는(incorporated) 미국등록특허 6,827,789, 7,008,879, 7,358,175에 보여진 메카니즘을 포함할 수 있다.

여기에 개시된 선형 프로덕션(linear production)은 반도체 기판 같이 처리되어야 하는 사전 조립된 재료 부품(a pre-assembled material component)을 각각 여기에 병합되며 위에서 언급된 '789와 '879 특허들의 다양한 관점들 및 실시예들에서 보여진 바와 같은 독립적으로 온도(temperature), 압력(pressure), 분위기(atmosphere)를 조절할 수 있는 인접하게 이격되어 배치된 일련의 스테이션 위치에 제공하기 위해 부품들(components)을 이송하도록 배열된다.

반도체 칩/다이 기판 어셈블리 같은 디바이스(device)들이 로드되는 초기 스테이션(initial station)은 본 발명의 일 관점을 정의할 목적으로 로드/락 스테이션(Load/Lock station)으로 지정된다. 로드락 스테이션에서, 수직하게 인접 제공되어 사전 부착되었으나 납땜되지 않은 다이(die)와 기판의 조합은 지지 플레이트로 로드되고, 계속적으로 현재의 주변 대기압에서 하우징 또는 챔버 내 산소의 량을 줄이기 위해 질소에 의해 퍼지된 밀폐된 환경 조절된 챔버 또는 하우징(an enclosed climate controlled chamber) 내에 둘러싸여진다. 로드/락 챔버에서 솔더 패드들을 갖는 기판과 서로 정렬되고 인접하게 위치된 솔더 범프들은 일 예로, 열 에너지나 초음파에너지 등에 의해 용이하게 서로 사전 부착된다. 웨이퍼/다이 로드된 플레이트(wafer/die loaded plate)는 스테이션 #1으로 지정된 다음 위치로 이동된다.

스테이션 #1에서, 약 150 내지 270℃의 온도에서 미리 가열된 챔버에 진공이 제공되고, 트랩된 공기, 수분, 산소 그리고 화학 반응에 의한 부산물을 제거하기 위해 약 10미리토르(mtorr) 내지 약 300토르(torr) 정도의 진공 하에서, 약 10 내지 약 300초 동안, 사전 조립된 기판과 칩 또는 다이 어셈블리들(pre-assembled substrate and cip or die assembly)의 부품(components)에 이용되는 특정 솔더의 용융점보다 낮게 유지된다. 그리고 나서 스테이션 #1은 부품(component)들의 연접(juncture) 또는 인터페이스(interface)에 포름산 증기(formic acid vapor)를 제공하기 위해 포름산 증기와 질소 벤트(formic acid vapor and nitrogen vent)를 수행한다.

기판과 칩 또는 다이 어셈블리를 포함하는 지지 플레이트는 인클로저 하우징(enclosure housing)으로부터 하강되고, 이후 스테이션 #2로 지정된 다음 위치(next position) 또는 다음의 스테이션(next station)으로 이동된다. 스테이션 #2에서, 약 150 내지 270℃의 온도에서 사전 가열된 챔버에 진공이 제공되고, 트랩된 공기, 수분, 산소 그리고 화학 반응 부산물을 제거하기 위해 약 10미리토르(mtorr) 내지 약 300토르(torr) 정도의 진공 하에서, 약 10 내지 약 300초 동안, 사전 조립된 기판과 칩 또는 다이 어셈블리들(pre-assembled substrate and cip or die assembly)의 부품(components)에 이용되는 특정 솔더의 용융점보다 높은 온도로 유지된다. 그리고 나서 스테이션 #2은 부품(component)들의 연접(juncture) 또는 인터페이스(interface) 에 포름산 증기(formic acid vapor)를 제공하기 위해 포름산 증기와 질소 벤트(formic acid vapor and nitrogen vent)를 수행한다.

이들 스테이션들에서의 처리 온도들은 특정 공정의 기판/반도체들(a particular run of substrate/semiconductors)에 사용/요구되는 특정 솔더의 특성에 기초하여 조절되고 규제된다.

플레이트 상의 칩/다이와 기판 어셈블리는 지지 플레이트가 배치된 메카니즘의 적절하게 조절된 선형 이동(proper controlled linear advancement of the mechanism)에 의해 스테이션 #2를 떠나 다음 스테이션 #3의 하우징 또는 챔버로 단계적으로 이동된다. 스테이션 #3에서, 약 150 내지 270℃의 온도에서 사전 가열된 챔버에 진공이 제공된다. 트랩된 공기, 수분, 산소 그리고 화학 반응 부산물을 제거하기 위해 약 10미리토르(mtorr) 내지 약 300토르(torr) 정도의 진공 하에서, 약 10 내지 약 300초 동안, 사전 조립된 기판과 칩 또는 다이 어셈블리들(pre-assembled substrate and cip or die assembly)의 부품(components)에 이용되는 특정 솔더의 용융점보다 높게 유지된다. 그리고 나서 스테이션 #3은 부품(component)들의 연접(juncture) 또는 인터페이스(interface) 에 포름산 증기(formic acid vapor)를 제공하기 위해 포름산 증기와 질소 벤트(formic acid vapor and nitrogen vent)를 수행한다

플레이트 상의 칩/다이와 기판 어셈블리는 지지 플레이트가 배치된 메카니즘의 적절하게 조절된 선형 이동(proper controlled linear advancement of the mechanism)에 의해 스테이션 #3을 떠나 다음 스테이션 #4로 단계적으로 선형 이동된다.

스테이션 #4에서 분위기(atmosphere)는 스테이션 #1, #2, #3에서 시작된 프로세스를 계속한다. 스테이션 #4에서, 트랩된 공기, 수분, 산소 그리고 화학 반응 부산물을 제거하기 위해 10미리토르(mtorr) 내지 약 300토르(torr) 정도의 진공 하에서, 약 10 내지 약 300초 동안, 약 150 내지 270℃의 온도에서 사전 가열된 챔버에 진공이 제공되고, 스테이션 #4에서 챔버에 있는 사전 어셈블리는 사전 조립된 기판과 칩 또는 다이 어셈블리를 포함한다. 그리고 나서 스테이션 #4는 부품(component)들의 연접(juncture) 또는 인터페이스(interface) 에 포름산 증기(formic acid vapor)를 제공하기 위해 포름산 증기와 질소 벤트(formic acid vapor and nitrogen vent)를 수행한다

그 후에, 기판/다이 어셈블리가 놓인 지지 플레이트의 조절된 이동에 의해,스테이션 #4에서 플레이트 상의 칩/다이와 기판 어셈블리는 챔버로부터 하강하고 계속된 인접한 솔더 용융 스테이션 #5까지 적절한 이동 메카니즘에 의해서 단계적으로 선형 이동된다.

스테이션 #5에서 온도는 약 150℃ 내지 약270℃ 사이의 특정 피크 설정 온도(a particular peak set temperature)로 유지되고, 최종 전기적으로 결합된 기판/다이 어셈블리를 위해 칩/기판 그리고 기판 어셈블리는 약 10초 내지 약300초 사이의 시간의 연장된 기간동안 특정 솔더 화합물(particular solder compound)의 특성에 따른 요구에 따라, 조절된 방식에서 적절한 솔도 용융 수단에 의해 적절한 솔더 용융 온도보다 높은 온도로 가열된다. 스테이션 #5에서 챔버는 스트레스를 조절하기 위해, 그리고 결합 인터페이스(the joint interface)에 포름산 증기를 소개하기 위해 진공으로 유지되고 질소로 벤트될 수 있다.

그 후에, 지지 플레이트 상에서 결합된 칩 또는 다이와 기판 어셈블리는 기판/다이 어셈블리가 놓인 지지 플레이트의 조절된 이동에 의해 단계적으로 스테이션 #5를 떠나고 단계적으로 연속된 쿨링 스테이션 #6으로 이동된다.

스테이션 #6에서 분위기는 스테이션 #5의 프로세스를 변경한다. 스테이션 #6으로부터 제거 및 연속된 다음 제조 공정을 위해 로드락 스테이션으로 이동되기 전에 현재 전기적으로/기계적으로 결합된 칩 또는 다이와 기판을 함께 메이팅하는 솔더(solder mationg the chip or die and the substrate together)를 냉각하기 위해서 스테이션 #6에서 분위기는 적절한 냉각 배열(a proper chilling arrangement)에 의해 약 10 초 내지 약 300초 사이의 시간 기간 동안 약 20℃ 내지 약30℃ 사이 온도로, 또는 약 실온이나 더 낮게 냉각된다.

이 반도체 처리의 일련의 열 처리부(serial thermal processing portion)의 최종 단계는 기판 어셈블리가 순차적으로 최종 또는 기판 기판 어셈블리 언 로드락 스테이션(the final or substrate assembly Un-Load/Lock station)에 이동되었을 때 수행되고, 여기에서 결합되고 처리된 칩 또는 다이와 기판 어셈블리 또는 기판은 마지막 챔버에서 지지 플레이트로부터 언로드된다.

이전의 칩 또는 다이 기판 어셈블리들이 그들의 다음의 계속된 스테이션들(next successive stations)에 이동된 후에, 새로은 미처리 기판 어셈블리는 처리 장치에서 스테이션 #1 내지 #5를 통해 순차적으로 단계지어진 진행(advance)을 위해 상류 로드/락 스테이션(upstream Load/Lock station)에서 지지 플레이트 상에 놓인다. 이 프로세스는 각각의 기판 어셈블리가 그들의 다음 인라인 스테이션까지 단계적으로 하류로 이동됨에 따라 많은 기판 어셈블리들이 동시에 공정을 수행할 수 있도록 한다.

각 특정 스테이션에서 처리 파라미터들은 고연(high lead), 공융(eutectic), 그리고 무연 솔더들(lead free solder)를 포함할 수 있는 모든 특정 솔더들을 커버할 수 있도록 설정된다.

시스템의 처리 세부 사항은 다음의 사항들을 포함한다.

로드/락 스테이션 : 기판 상에 사전 부착된(솔더가 녹지 않은) 칩 또는 다이(die)가 내부의 습기와 산소를 제거하기 위해 실온 또는 상온에서 질소 가스로 퍼지되는 로드 스테이션 또는 챔버에서 지지 플레이트에 로드되고, 그곳에서 스테이션 #1으로 지정된 제 1 공정 스테이션으로 이송.

스테이션 #1에서 초기 챔버를 솔더 용융 점보다 낮은 온도까지 사전 가열하고, 스테이션 #1에 진공을 인가하고, 그리고 나서 어셈블리 인터페이스(assembly interface)에 있는 산화물들을 제거하기 위해 포름 산을 퍼지하고, 포름산 증기를 결합 인터페이스(joint interface)에 채우기 위해 포름산 증기 혼합물로 챔버를 다시 채우고, 어셈블리를 스테이션 #2로 이송.

다음 스테이션(#2)에서 솔더의 용융 점보다 높은 온도로 가열 및 진공을 제공하고, 챔버에 진공을 제공하고, 산화물 감소(oxide reduction)를 위해 포름산 증기로 챔버를 퍼지하고, 어셈블리를 다음 스테이션 #3으로 이동.

다음 스테이션(#3)에서 바람직하게는 솔더의 용융 점보다 높은 온도로 가열및 진공을 제공하고, 챔버에 진공을 제공하고, 산화물 감소(oxide reduction)를 위해 포름산 증기로 챔버를 퍼지하고, 어셈블리를 다음 스테이션 #4로 이동.

스테이션 #4에서 150℃ 내지 270℃ 사이의 온도로, 바람직하게는 솔더의 용융점보다 높은 온도로 가열 및 진공을 제공하고, 챔버에 진공을 제공하고, 산화물 감소(oxide reduction)를 위해 포름산 증기로 챔버를 퍼지하고, 어셈블리를 다음 스테이션 #5로 이동.

다음 스테이션(#5)에서 150℃ 내지 270℃ 사이의 피크 고온(peak high temperature)으로, 명백하게 솔더의 용융 점보다 높은 온도로 가열 및 진공을 제공하고, 보이드(void)를 제거하기 위해 챔버에 진공을 제공하고, 어셈블리를 다음 스테이션 #6으로 이동.

스테이션 #6에서 챔버에 진공을 제공하고 현재 결합된 사전 어셈블리를 약 약 20℃ 내지30℃로 냉각하여 스트레스를 조절하고 포름산 증기를 결합 인터페이스(joint interface)에 제공하기 위해 포름산 증기와 질소를 벤트하고, 어셈블리를 최종 (언)로드락 스테이션(final (Un)Lock/Load)으로 이동.

냉각되고, 완전히 결합된 기판 어셈블리(the cooled, fully joined substrate assembly)는 다음 또는 언로드락 스테이션(the next or Unload/Lock station)에 도달한 동안 실온 또는 이에 근접한 온도로 제공되고, 선형으로 하류에 있는 이동되고, 냉각되고, 결합된 어셈블리(the shuttled, cooled, joined assembly linear downstream)는 현재 결합된 기판 어셈블리(now joined substrate assembly)로서 이로부터 언로드.

고연(high lead), 공융(eutectic), 그리고 무연 솔더들(lead free solder) 의 리플로잉(reflowing)은 포름산의 일 처리로 인해 완료되고, 기판 배열(substrate configuration)은 대기압 하 특정 스테이션의 챔버 내로 포름산의 주입에 의해 처리된다. 진공의 제공으로 인해 솔더 리플로우 동안 솔더 내부의 보이드 제거 또는 최소화(Removal or minimizing the voids)가 표면 산화물(surface oxide)이 감소되고 솔더가 녹은 이후에 이루어진다..

그러나 본 발명은 납(lead), 주석(tin), 구리(copper), 은(silver), 그리고 인디움(induim) 같은 표면 산화물(surface oxide)을 효과적으로 제거하기 위해, 포름산 같은 단 하나의 케미컬이 필요하다. 포름산은 또한 은, 주석 또는 은, 구리 그리고 인디움 화합물뿐만 아니라 납과 주석 화합물(lead and tin compounds), 공융 솔더(eutectic solder), 그리고 무연 솔더(lead free solder)와 같은 고연 솔더들의 표면 산화물을 제거하기 위해 사용될 수 있다.

예컨대, 주석/은(SnAg; tin/silver)와 같은 무연 솔더는 217℃의 용융 온도(mT)를 갖고, 포름산 반응 온도는 180℃ 내지 200℃ 사이이고 이는 본 발명의 방법에 사용될 수 있다.

본 발명에서 이용하는 것과 같이, 단계적이고, 독립적이고, 여러 챔버가 일렬로 정렬된 장치(a stepped, independent, multi-chamber linearly aligned machine)를 사용함으로써 표면 상에 습기의 제거가 쉽게 이루어질 수 있다. 표면 산화물의 제거 또는 솔더 범퍼들 혹은 볼들의 내부 보이드의 최소화도 또한 달성될 수 있다. 대기압 또는 그 이상의 압력 하에서 포름산을 공급함으로써, 다량의 포름산 분자들이 산화물 제거 공정에 이용될 수 있다. 어셈블리에서 솔더를 녹이기 전에 진공을 제공하고 포름산 증기 충전과 벤트(a formic acid vapor charge and vent)를 제공하는 것은 매우 중요하다.

또한 대기압 또는 그 이상의 압력 하에 포름산을 공급함으로써, 케미컬의 이송을 위한 메커니컬 시스템이 쉽고 조절가능하다. 이용된 압력 때문에, 가열 시스템은 기판 또는 반도체 어셈블리의 균일하고 조절된 가열이 가능하다. 대기압 하에서, 가열시스템으로부터 솔더로 열 전달은 더 효율적이다. 이것은 특히, 현대 반도체 제조에서 기판 사이즈가 더 커지고, 시스템의 요구 기준들이 더 높아졌기 때문에 더욱 그러하다.

대기압 또는 그 이상에서 행해질 때 가열과 냉각의 전도가 더 효율적으로 수행될 수 있기 때문에, 솔더 범프과 볼 조인트들의 형성은 향상된 방법으로 수행될 수 있다. 대기압에서 초기 가열과 냉각, 그리고 승강된 온도에서 연속된 가열과 진공의 적용은 보이드 내부의 압력이 표면으로 보이드가 이동되도록 한다. 그런 보이드들은 그 때 쉽게 제거될 수 있다.

본 발명의 목적들과 이점들은, 다음의 도면들을 참조하면 더 분명하게 파악될 수 있다.
도 1은 본 발명의 선형 기판 어셈블리 처리 장치를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 프로세스(process)의 제1단계를 수행할 때, 사이에 솔더 배열을 갖는 칩 또는 다이(die)와 기판의 측면도이다.
도 3은 칩 또는 다이와 기판 어셈블리가 본 발명의 프로세스(process)의 제2단계를 수행할 때, 도 2에 도시된 것과 유사한 측면도이다.
도 4는 도 1의 처리 장치의 측면도이다.
도 5는 히터 플레이트들 및 이와 관련된 챔버 구조의 셔틀 요소들(shuttle elements)을 보여주는 선형 열 처리 시스템을 횡방향으로 절단한 챔버의 사시도이다.
도 6은 선형 정렬(linear alignment)된 일련의 하부 히터 플레이트들과 셔틀 요소들의 사시도이다.

본 발명은 도 1 과 같이, 프로세서 배열(processor arrangement)(10) 내 일련의 적어도 여섯 개의 독립적이고 폐쇄된 스테이션 챔버들, 초기 로드락 챔버, 그리고 최종 언로드락 챔버를 통해서 사전 조립된 칩 또는 다이 그리고 기판 어셈블리(W)를 연속적으로 처리하는 방법을 사용하는 단계적이고 선형으로 배열된 연속 열 처리 스테이션 배열(serial thermal processing station arrangement)(10)을 가지는 칩 제조 프로세스(process)로 만들어진 전자 칩을 포함한다.

도 1에 나타나듯, 선형의 프로덕션 스테이션 배열(linear production station arrangement)(10)은 반도체 기판 어셈블리와 같이 처리되어야 할 재료를 초기 로드락 스테이션으로부터 번호붙여진( 예컨대 1 내지 6으로 번호붙여진) 처리 스테이션들로, 일련의 선형으로 정렬되고 이격된 위치들( a series of linearly aligned, spaced-apart locations)에 단계적으로 제공하도록 배열된다. 일 예로, 위에서 기재된 '789와 '879 특허들에서 보여진 메카니즘에서 배열(10)의 다양한 측면들과 실시예들에 유사하게 보여지듯이 각각의 스테이션들은 독립적으로 온도, 압력, 그리고 거기에서 분위기(atmosphere)를 조절한다. 추가적인 처리 챔버들 또는 스테이션들의 제공은 본 발명의 특정 관점 내에 포함될 수 있다.

본 발명의 특정 관점을 정의하기 위해, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 반도체 칩/다이 기판 어셈블리(W)들과 같은 디바이스(device)들은, 도 1의 초기 스테이션(L1)에 로드된다. 로드락 스테이션(L1)에서는 도 2와 도 3에 도시된 바와 같은 사전 부착된 칩 또는 다이(14)와 기판 어셈블리(12)의 조합이 적절하게 이송 가능한 지지 플레이트(16)에 로드되고, 처리 배열(10)에 존재하는 주위 또는 대기 압력에서 밀폐된 환경 조절된 챔버 또는 하우징 내에 연속적으로 둘러싸여진다. 기판(12)는 그 상에 사전 배열된 솔더 패드들(18)을 가지고, 칩 또는 다이(14)는 그 상에 서로 정렬된 그리고 사전 배열된 인접한 솔더 범프(20)들을 가지며, 이들은 지지 플레이트가 처리 배열(10)의 로드락 스테이션으로 이동되기 이전에 예컨대 열 에너지나 초음파에너지 등에 의해 쉽게 서로 사전 부착된다. 칩 또는 다이(14)와 기판(12)은 일반적으로 이 이셈블리 프로세스에서 서로로부터 약 10 내지 500 미크론(microns)의 거리 "D" 로 서로 이격된다.

어셈블리(W)는 로드락 위치로부터 스테이션 #1 에서 제 1처리 챔버로 이동된다. 제1처리 챔버에서 적절한 가열 수단 "H" 들에 의해, 약 150℃~270℃ 사이의 설정 온도로 사전 가열된 챔버로 진공이 제공된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 기가열된 챔버는 트랩된 공기, 수분, 산소 그리고 화학 반응에 의한 부산물을 제거하기 위해 약 10 미리토르(mtorr) 내지 약300 미리토르(mtorr) 정도의 진공 하에서, 약 10 내지 약 300초 동안, 사전 조립된 기판과 칩 또는 다이 어셈블리 "W"들의 부품(components)에 이용되는 특정 솔더의 용융점보다 바로 낮은 온도로 유지될 수 있다. 그리고 나서 스테이션 #1은 부품(component)들의 연접(juncture) 또는 인터페이스(interface) 에서 포름산 증기를 가지도록 적절한 수단들에 의해 포름산 증기"FA" 충전과, 적절한 수단들에 의해 질소 벤트"V"를 수행한다. 도 2와 도 3에 나타난 것처럼, 어셈블리(W)는 적절한 가열 수단"H" 에 의해 약 150℃ 내지 약 270℃ 사이의 설정 온도(솔더의 특성에 따라 결정)로 가열되고, 어셈블리 "W"는 도 3에 도시된 포름산 FA 충전과 도 2에 나타낸 바와 같이 외부로 질소 벤트 "V"를 수행한다.

기판과 칩 또는 다이 어셈블리(W)가 포함하는 지지 플레이트(16)는 스테이션 #2으로 지정된, 다음 위치 또는 다음 차후의 스테이션으로 순차적으로 인덱스된다.

스테이션 #2에서, 약 150℃~270℃ 사이의 온도에서 기가열된 챔버 "M"에 진공이 제공된다. 본 발명의 일 관점에 따르면, 트랩된 공기, 수분, 산소 그리고 화학 반응에 의한 생성물을 제거하기 위해 약 10 내지 약 300초 동안, 약 10미리토르(mtorr) 내지 약 300 토르(torr) 정도의 진공 하에서, 상기 온도는 사전 조립된 기판과 칩 또는 다이 어셈블리(W)에 이용되는 특정 솔더의 용융 점보다 높게 유지되는 것이 바람직하다. 그리고 나서 스테이션 #2는 부품(component)들의 연접(juncture) 또는 인터페이스(interface) 에서 포름산 증기를 가지도록 포름산 증기 FA 도입과, 질소 벤트 "V" 를 수행한다.

이들 스테이션들들에서 처리 온도들과 분위기는 기판/반도체 어셈블리들의 특정 공정을 위해 이용 또는 요구되는 특정 솔더의 특성에 기초하여 조절되고 통제된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 챔버 내 분위기는 산화물들을 제거하기 위해 포름산(FA) 증기와 함게 벤트된다. 또한, 챔버들 내의 지지 플레이트(16) 상의 칩/다이와 기판 어셈블리(W)는 도 2와 같이 대류 그리고/또는 전도에 의해 조절된 방식으로,약 150℃ 내지 270℃ 사이 온도에서 가열된다. 스테이션 #2, #3, #4, 5(그리고 본 발명의 다른 관점에서는 또 다른 챔버)들의 처리 온도들은 기판/반도체 어셈블리들의 특정 공정에 이용되는 솔더의 특성에 기초하여 조절되고 통제된다.

플레이트(16) 상의 칩/다이와 기판 어셈블리(W)는 지지 플레이트(16)의 조절된 이송에 의해 스테이션 #2를 떠나 적절하게 단계적으로 후속의 스테이션 #3으로 이송된다.

스테이션 #3에서, 약 150℃~270℃ 사이의 온도에서 사전 가열된 챔버로 진공이 제공된다 본 발명의 일 관점에 따르면, 사전 조립된 기판과 칩 또는 다이 어셈블리(W)에 이용되는 특정 솔더의 용융 점보다 높게 유지되는 것이 바람직하다. 그리고 트랩된 공기, 수분, 산소 그리고 화학 반응에 의한 생성물을 제거하기 위해 약 10 내지 약 300초 동안 약 10미리토르(mtorr) 내지 약 300 토르(torr)의 진공이 제공된다. 그리고 나서 스테이션 #3은 그 내에 부품(component)들의 연접(juncture) 또는 인터페이스(interface) 에서 포름산 증기를 가지도록 포름산 증기 FA 도입과, 질소 벤트 "V" 를 수행한다.

플레이트(16) 상의 칩/다이와 기판 어셈블리(W)는 지지 플레이트가 배치된 메카니즘의 적절하게 조절된 선혀 이동에 의해 스테이션 #3을 떠나 적절하게 순차적으로 선형 이동되고, 차후 공정인 스테이션 #4로 이동된다.

지지 플레이트(16)가 위치되는 메커니즘(mechanism)의 적절하게 조절된 선형의 전진(advancement)으로, 지지 플레이트(16) 상의 칩/다이와 기판 어셈블리(W)는 스테이션 #3을 떠나 적절하게 다음 단계인 후속의 스테이션 #4로 선형으로 이송된다.

스테이션 #4에 챔버에서 사전 조립된 기판과 칩 또는 다이 어셈블리 "W"를 포함하는 사전 어셈블리 "W"는 본 발명의 일 관점에 의하면, 여기에서 사용된 특정 솔도의 용융 온도보다 높은 기설정 온도로 수용되며, 상기 온도는 약 150℃~270℃ 사이의 온도이다. 트랩된 공기, 수분, 산소 그리고 화학 반응에 의한 생성물을 제거하기 위해 약 10 내지 약 300초 동안, 약 10미리토르(mtorr) 내지 약 300토르(torr)의 진공이 제공된다. 그리고 나서 스테이션 #4는 그 내에 부품(component)들의 연접(juncture) 또는 인터페이스(interface) 에서 포름산 증기를 가지도록 적절한 포름산 "FA" 증기 도입과, 적절한 질소 벤트 "V" 를 수행한다.

그 후에, 지지 플레이트(16)가 위치되는 조절된, 단계적인, 선형 진입(controlled, stepped, linear advancement)에 의해, 플레이트(16) 상의 칩/다이와 기판 어셈블리(W)는 스테이션 #4를 떠나 다음 가열 스테이션 #5로 진입된다.

스테이션 #5의 온도는 어셈블리(W)의 부품들(components)(18, 20) 사이에 전기적으로 강한 전도성 메카니컬 조인트(mechanical joint)를 생성하기 위해 특정 솔더의 용융 온도보다 높은 피크(peak) 온도로, 일 예로, 217℃ 보다 높은 온도로(SnAg 솔더의 경우) 가열된다. 상기 온도는 전기적으로 연결된 기판/다이 어셈블리를 생성하기 위해 최후 가열과 용융을 함께하기 위해 특정 솔더 화합물(compound)의 특성에 의존하여, 약 10초 내지 약 300초 사이의 연장된 시간 동안 적절한 가열 수단(H)에 의해, 조절된 방식으로 유지될 수 있다. 스테이션 #5에서 챔버는 스트레스를 조절하기 위해 그리고 포름산 증기를 조인트 인터페이스에 소개하기 위해 진공이 제공되고 질소를 가지고 벤트될 수 있다. 그리고 나서 어셈블리 "W"는 스테이션 #6으로 이동된다.

스테이션 #6의 분위기는 스테이션 #5의 공정을 변경한다. 스테이션 #6에서 분위기는 적절한 냉각 배열 "C"에 의해 약 10 초 내지 약 300초 사이의 공정 시간 동안 약 20℃ 내지 약 30℃의 온도로, 또는 약 실온 또는 이보다 낮은 온도로 냉각되어, 스테이션 #6으로부터 제거(언로딩)를 위해, 그리고 어느 계속적인 제조 공정을 위해 최종 로드락 스테이션의 적절한 이동 이전에 칩 또는 다이와 기판 어셈블리 "W"를 연결하는 솔더를 냉각한다.

웨이퍼 다이/칩 그리고 기판 어셈블리(W)가 결합되고 처리된 칩 도는 다이와 기판 어셈블리 "W"(the joined and treated chip or die and substrate assembly "W")가 그 최종 챔버로부터 언로드되는 최종 로드/락 스테이션(L2)까지 순차적으로 진입되었을 때 이 반도체 처리의 일련의 열 처리부 내의 마지막 단계가 수행된다.

각각 특정 스테이션의 처리 파라미터들은 고연(high lead), 공융(eutectic, ) 그리고 무연 솔더(lead free solder)를 포함하는 모든 특정 솔더들을 커버(cover)할 수 있게 설정된다.

상술한 부품들을 처리하기 위한 시스템은 도 5에서 더 상세하게 보여진다. 도 5에는 선형 시리즈(the linear series)의 밀봉 가능한 칩 공정 챔버(sealable chip-processing chamber)(100)가 부분적으로 보여진다. 트레이는 위에서 설명된 챔버(100)에서 처리되기 위해 그 상에 있는 복수의 칩들(104)을 하며, 지지 트레이(102)의 에지가 보여진다. (칩) 디바이스 지지 트레이(102)는, 일반적으로 직선형의 형상이고, 그 자체가 바텀 히터 플레이트(bottom heater plate)(114)의 상부에 지지된다.

챔버(100)는 하부 하우징 또는 바텀 커버(lower housing or bottom cover)(110)와 내부 컵(114)으로 구성된다. 내부 컵(114)은 직선형으로 하부 또느는 바텀 히터(lower or bottom heater)(114)를 둘러싼다. 바텀 히터(114)는 도 5의 화살표 "U"로 표시된 바와 같이 챔버(100)의 전형적인 온도식 제어를 벗어나 온도를 세세하게 조절하는 것이 요구될 때, 그것으로부터 하부 히터(114)를 가깝게 하거나 멀리 위치되도록 이동시킴으로써 칩 처리 온도를 조절할 수 있도록 수직으로 이동가능하다. 하부 하우징 또는 바텀 커버(100), 내부 컵(112) 또는 바텀 히터(114)들은 바텀 처리 챔버 섹션(116)의 하부 프레임에 의해 주변부가 지지된다. 이 바텀 처리 챔버 섹션(116)은 트레이가 다음 스테이션 또는 챔버로 순서에 따라 이송될 때 하부 부품들(lower components)을 하강시킬 수 있고, 새로운 트레이(102)가 그 내로 이송될 때 칩 디바이스 트레이(chip device tray)(102)에 대해 승강시킬 수 있다.

챔버(100)는 칩 디바이스 트레이(102)의 상부에 배치된 탑 히터 플레이트(top heater plate)들을 포함하고, 도 5에 도시된 정지된 탑 커버(120) 내에 전부 둘러싸여진다. 온도 센서들과 히터 와이어 도관들(122, 124)은 상부와 하부 커버들(120, 110)을 통해 각각 연장된다.

칩 디바이스 트레이(102)와 칩들(104)은 바텀, 탑 또는 둘 모두로부터 가열될 수 있다. 각각의 히터 플레이트(114, 118)들은 요구되는 가열 범위까지 개별적으로 조절되고, 바텀 히터 플레이트(114)는 하부 처리 챔버 섹션(116)을 따라 수직하게 조절 가능하여 후속 스테이션 챔버 프로세스(process)를 위해 칩 디바이스 트레이(chip device tray)(102)와 칩들(104)을 진입시킬 수 있다. 앞서 더 자세하게 언급된 것처럼, 챔버들(100)은 필요한 프로세스(process)에 따라 다양한 온도로 설정될 수 있다.

처리 사이클은, 도 6에 보여진 연속적인 챔버(successive chamber)로 디바이스 트레이(102)를 하류(downstream)로 이송하는 것을 포함한다. 인접한 하나의 챔버(100)에서 다른 챔버로의 이동은, 바텀 히터(114)의 수직 위치와 적절한 챔버 기능 사이클링(chamber function cycling)에 영향을 미친다. 활 형상의 지지 립들(arcuately shaped support ribs)(136)은 도 6에 나타난 것처럼 프레임 림(frame rim)(140)의 한 쌍의 평행변(a pair of parallel sides)(138)들로부터 안쪽으로 굽혀서 연장된다. 활 형상의 지지 립들(142)은 도 6에 나타난 것처럼 평행 변들arallel side)(138)로부터 한 쌍의 평행 단 부재들(parallel end members)을 향해 바깥쪽으로 굽혀서 연장된다. 지지 립들(138, 142)은 바텀 히터(114) 위의 어댑터 링(102)을 지지하는 것을 도와준다.

지지 가능하도록 디바이스 트레이에 배열된 복수의 세라믹 칩들을 이동하기 위한 특유의 장치는 하부 히터들의 선형 배열과 탑 히팅 플레이트들의 배열 아래를 가로지른다. 칩 디바이스 트레이는 프로세스에서 불균일성들(irregularities) 및 정지 시간(downtime)을 최소하는 반면 빠른 이동 시퀀스(rapid movement sequence)를 제공한다. 디바이스 트레이들과 그 상의 칩들은 선형 장치에서 이동 프로세스들(the shuttling processes) 사이에 독특한 방법으로 간헐적으로(intermittently) 지지된다.

Claims (6)

1. 일련의 독립적이고, 선형으로 인접한 챔버(a series of independent, linearly adjacent chambers)들을 통해서 선형 칩 프로세서(a linear chip processor)에서 이격되고 사전 납땜된 반도체 부품들(pre-soldered semiconductor components)의 사전 조립된 칩 및 기판 어셈블리를 연속적으로 처리하기 위한 플럭스-프리 연속 열처리 배열((flux free, serial thermal processing arrangement)에 의해 칩 부재의 제조를 위한 전자 반도체 부품 시스템(an electronic semiconductor component system)에 있어서,
   사전 조립된 칩 및 기판은 상기 프로세서(processor)의 초기 로드락 스테이션에서 챔버 내 디바이스 지지 트레이(a device support tray)에 로드되고, 상기 사전 조립 칩 및 기판은 대기압 상태에 놓이고, 상기 챔버는 질소 가스로 퍼지되고;
   상기 사전 조립된 칩 및 기판은 상부 히터 플레이트(an upper heater plate)와 수직하게 이동될 수 있는 하부 히터 플레이트(a lower heater plate) 사이의 위치로 이동되는 디바이스 트레이에 의해 제 1 처리 챔버 또는 스테이션에 진입되고, 상기 사전 조립된 칩 및 기판 어셈블리는 솔더 용융 온도보다 낮은 온도로 가열되고, 상기 제 1 처리 챔버는 대기압보다 낮게 유지되고, 포름산 증기 벤트(a formic acid vent)가 유입되고, 상기 스테이션의 바텀 처리 챔버(a bottom process chamber)가 하강되고;
   상기 사전 조립된 칩 및 기판 어셈블리는 상기 상부 및 하부 히터 플레이트들 사이에서 개방되어 대기하고 있는 제 2 챔버 또는 스테이션으로 진입되고, 상기 제 2 챔버는 그것의 바텀 히터의 수직 운동에 의해 닫히고, 상기 사전 조립된 칩 및 기판 어셈블리는 솔더의 용융 온도보다 높은 온도로 가열되고, 상기 제 2 챔버는 진공으로 유지되고, 포름산 증기 벤트가 상기 챔버에 도입되고;
   사전 조립된 칩 및 기판 어셈블리 처리 챔버는 그것의 바텀 히터 플레이트의 수직 하강에 의해 열리면, 그 각각의 상부 및 하부 히터 플레이트들 사이에서 개방되어 대기하고 있는 제 3 챔버 또는 스테이션으로 상기 디바이스 트레이의 진입을 허여하고, 상기 챔버가 닫히고, 상기 사전 조립된 칩 및 기판 어셈블리가 상기 솔더의 용융 점보다 높은 온도로 가열되고, 진공이 유지되고, 포름산 증기 벤트가 상기 챔버로 도입되고;
   상기 사전 조립된 칩 및 기판 어셈블리는 상기 제 3 스테이션이 그것의 바텀 히터 플레이트의 하강에 의해 열리면 상기 제 3 스테이션으로부터 제 4 스테이션의 바텀 또는 하부 히터 플레이트의 하강에 의해 열려 대기하고 있는 상기 제 4 스테이션으로 진입되고, 상기 사전 조립된 칩 및 기판 어셈블리는 상부와 하부 플레이트들 사이에 배치되고, 상기 챔버의 바텀 처리 섹션(bottom process section)은 상기 챔버를 닫기 위해 상기 하부 히터 플레이트를 상승시키는 것에 의해 들어 올려지고, 상기 칩의 상기 솔더와 상기 기판을 전기적으로 연결하기 위해 이격된 칩과 기판 사이의 상기 솔더를 처리하기 위해 상기 칩 및 기판 어셈블리는 상기 솔더의 용융점보다 높은 온도에서 가열되고, 포름산 증기 벤트가 상기 챔버로 도입되고;
   상기 가열되고 결합된 칩 및 기판 어셈블리는 제 5 스테이션의 바텀 처리 챔버 섹션이 하강하면 상기 제 5 스테이션으로 진입되고, 상기 바텀 처리 챔버 섹션이 상기 챔버를 닫기 위해 승강되고, 상기 어셈블리는 진공에서 상기 사전 조립된 칩 및 기판 어셈블리를 녹이고 연결하기 위해 피크(peak) 솔더 용융 온도로 가열되고, 상기 챔버는 질소로 벤트되고;
   상기 연결된 칩 및 기판 어셈블리는 상기 제 5 스테이션이 열리면 상기 제 5 스테이션으로부터 제 6 스테이션으로 이송되고 상온 또는 실온에서 냉각되고;
   상기 칩 및 기판 어셈블리는 최종 다운스트림(downstream) 로드락 스테이션으로 이송되고, 상기 연결된 칩 및 기판 어셈블리는 상기 로드락 스테이션에서 상기 챔버로부터 언로드되고;
   상기 제 1, 제 2, 제 3, 그리고 제 4 스테이션은 각각 독립적으로 150℃ 내지 270℃의 기설정 온도로, 10 내지 300초 동안 760torr 의 압력에서 가열되는 연속 열 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 내지 제 4 스테이션의 기설정 온도는 각각 상기 어셈블리에서 이용되는 특정 솔더의 용융 점보다 낮게 유지되는 연속 열 처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 내지 제 5 스테이션의 기설정 온도는 각각 상기 어셈블리에서 이용되는 특정 솔더의 용융 점보다 높게 유지되는 연속 열 처리 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 스테이션의 기설정 온도는 각각 상기 어셈블리에서 이용되는 특정 솔더의 용융 점보다 낮게 유지되고, 상기 제 3 내지 제 5 스테이션의 기설정 온도는 상기 어셈블리에서 이용되는 상기 특정 솔더의 용융 점보다 높게 유지되는 연속 열 처리 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 5 스테이션의 기설정 온도는 열 처리 장치의 모든 스테이션들 중 피크(peak) 온도로 유지되고, 상기 어셈블리에서 이용되는 특정 솔더의 용융 점보다 높은 연속 열 처리 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 하부 히터 플레이트는 상기 챔버 내 처리 온도를 조절하도록 수직으로 이동 가능한 연속 열 처리 장치.

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