KR101950725B1 - 광 균질화 모듈 및 그를 포함하는 레이저 본딩장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피부착물의 조사영역 내에서 위치에 따른 에너지가 균일해져 피부착물의 조사영역 내에 위치한 일부 전자부품소자가 열 충격으로 인하여 고장이 발생하거나, 열이 부족하여 솔더범프가 본딩되지 않는 문제를 방지할 수 있는 광 균질화 모듈 및 그를 포함하는 레이저 본딩장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광 균질화 모듈은, 레이저 광이 통과되는 코어와 상기 코어를 둘러싸며 길이 방향으로 연장된 클래딩을 갖으며, 개구수(NA)가 0.2 이상 0.3 이하인 광섬유와, 광섬유로부터 출사되는 레이저 광이 균일화된 에너지 분포를 갖는 면 광원이 되도록 하는 광 가이드부와, 광 가이드부에서 출사되는 면 광원이 피부착물의 조사영역에 조사되도록 하는 복수의 렌즈모듈이 서로 이격되게 장착된 경통와, 복수의 렌즈모듈을 개별적으로 상승 또는 하강시켜서 면 광원의 조사영역의 범위와 가열온도를 조절하는 경통 구동부를 포함하며, 광 가이드부는 레이저 광이 통과하는 매질로 고투과율을 갖는 모재를 사용해 단면이 사각형인 직육면체로 형성되고, 광섬유와 0.2㎜ 이상, 0.5㎜ 이하의 이격거리를 갖도록 설치되고, 레이저 광이 지나가는 광축과 수평한 측면에 전반사 코팅막이 형성되고, 상기 광축과 수직한 상부면과 하부면에 무반사 코팅막이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

광 균질화 모듈 및 그를 포함하는 레이저 본딩장치{OPTICAL HOMOGENIZATION DEVICE AND LASER BONDING APPARATUS CONTAINING THE SAME}
본 발명은 광 균질화 모듈 및 그를 포함하는 레이저 본딩장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학계를 가볍고 컴팩트하게 구현하여 레이저 본딩 시 피부착물(예: 반도체 칩)을 흡착하는 흡착헤드를 상하로 구동하는 서보모터를 정밀하게 제어할 수 있고, 면 광원 사이즈의 조절을 통한 본딩 작업이 가능한 광 균질화 모듈 및 그를 포함하는 레이저 본딩장치에 관한 것이다.
전자제품이 소형화 및 고기능화되면서 반도체 칩을 먼지나 습기 또는 전기적, 기계적인 부하 등 각종 외부환경으로부터 보호해주는 반도체패키지의 방식도 종래의 와이어본딩 방식만으로는 경박단소화에 한계가 있으므로 플립 칩 본딩 방식이 사용되고 있다. 플립 칩 본딩 방식은 반도체 칩의 입출력 단자인 패드 위에 솔더 범프를 형성시킨 다음 이 반도체 칩을 뒤집어서 캐리어 기판이나 서킷 테이프의 회로패턴에 직접 붙이는 방식이다.
플립 칩 본딩을 위한 플립 칩 본더는 열압착 방식과 레이저 열 압착 방식이 개발되어 사용되고 있다. 열압착 방식은 가압 아암의 내부에 적외선 히터가 내장되고, 가압 아암의 하부에 플립 칩의 흡착을 위한 흡입 홀을 갖는 가압 헤드를 포함한다.
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 10~30분 정도의 시간이 소요되어, 이로 인해 생산성이 저하되는 단점이 있었다.
또한, 최근에는 반도체 패키지의 두께를 얇게 하고, 원가를 절감하기 위해 하나의 기판에 반도체 칩, IC 소자, LED 소자, 저항기, 콘덴서, 인덕터, 트랜스, 또는 릴레이와 같은 전자부품소자를 부착한다. IC 소자는 열압착 공정을 거칠 경우 IC 소자가 열 충격을 받아 불량이 발생하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 방지하기 위해 열압착 공정 이후 IC 소자를 기판에 부착할 경우, 적외선 히터에 의해 소정의 열 변형이 발생한 기판에 IC 소자를 부착기 때문에 IC 소자가 정해진 위치에 정상적으로 본딩되기 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 레이저 열 압착 방식은 플립 칩의 전극단자들이 기판의 솔더 범프와 대향되도록 칩을 본드 포지션으로 이동시킨 후에 칩의 후면으로부터 레이저를 조사하여 플립 칩을 가열하면서 본딩하는 방식이다. 레이저 열 압착 방식은 광섬유와 광학계를 이용하여 기판에 국부적으로 레이저를 조사하는 방식을 실시할 수 있다.
도 1a는 종래의 광섬유를 나타낸 사시도이고, 도 1b는 종래의 광섬유를 통과한 레이저 광의 변위에 따른 에너지 분포도이다.
일반적으로 레이저 열 압착 방식에 사용되는 광섬유(1)는 코어(2)와 클래딩(3)으로 구성된다. 코어(2)는 내측이 중공된 원기둥 형태로 이루어지고, 클래딩(3)은 코어(2)의 외주면을 감싸도록 길이 방향으로 연장되어 마련된다. 클래딩(3)은 코어(2)에 비해 굴절률이 낮은 소재로 구현되어, 코어(2)의 내측으로 입사된 레이저 광은 전반사되면서 코어(2)를 통과한다. 코어(2)를 통과한 레이저 광은 도 1b를 참고하면 위치에 따라 가우시안 함수(Gaussian function) 형태의 에너지 분포를 갖는다. 즉, 광섬유(1)는 동일 조사영역 내에서 레이저 광의 에너지가 균일하지 못하여 전자부품소자의 위치에 따라 기판에 결합되는 시간이 달라지는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 전체 전자부품소자를 기판에 결합시킬 때, 레이저 광의 에너지가 집중되는 부분의 전자부품소자에는 과한 열이 가해져 열 충격이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 기판에 부착되는 전자부품소자의 위치는 반제품에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 기판에 부착되는 전자부품소자의 위치에 따라 레이저의 조사영역을 조절할 수 있는 기술이 필요하다.
한국등록특허번호 제10-1416820호(이하, ‘선행문헌’이라 함)에는 레이저 압착 방식을 이용하여 플립 칩 본딩을 수행할 때 반도체 칩에 균일도가 일정하게 유지된 스퀘어 빔을 조사하여 넓은 면적에 균일한 열원을 공급할 수 있도록 하는 레이저 압착 방식의 플립 칩 본딩을 위한 레이저 옵틱 장치가 개시되어 있다.
한국등록특허번호 제10-1416820호에 기재된 레이저 옵틱 장치(400)는 도 2에 도시된 바와 같이, 광 섬유를 통하여 전달되는 레이저 빔을 복수의 렌즈를 통하여 스퀘어(square) 형상의 레이저 빔으로 변환하여 수평 방향으로 출력하는 경통(410)과, 본딩 헤드(550)의 상부에 설치되어, 경통(410)으로부터 출력되는 수평 방향의 레이저 빔을 수직 하향 방향으로 전환하여 본딩 헤드(550)에 조사하여 본딩 하부에 진공 흡착된 반도체 칩에 열원으로 전달하는 반사경(430)을 포함한다.
경통(410)에는 복수의 렌즈(420)가 배치되는데, 복수의 렌즈(420)는 레이저 입력부(411) 측으로부터 빔 익스펜더(Beam Expander)(421), 시준 렌즈(Collimation Lens)(422), 포커싱 렌즈(Focusing Lens)(423), 비구면 렌즈(Aspheric Lens)(424), 대물 렌즈(Objectice Lens)(425)가 순차적으로 배치된다. 빔 익스펜더(421)는 레이저 입력부(411)를 통하여 입력되는 레이저 빔을 확장시켜 퍼트리고, 시준 렌즈(422)는 확장된 레이저 빔을 평행광으로 시준하게 되며, 포커싱 렌즈(423)는 시준 렌즈(422)를 통하여 시준화 된 레이저 빔의 초점을 조절하고, 비구면 렌즈(424)는 비구면을 통하여 레이저 빔을 선명하게 만들며, 대물 렌즈(425)는 레이저 빔을 레이저 출력부(412)를 통하여 외부로 출력시키게 된다.
이러한 선행문헌에 따르면, 복수의 렌즈(420)가 가우시안 함수(Gaussian function) 형태의 에너지 분포를 갖는 레이저 광을 스퀘어(square) 형상의 레이저 빔으로 변환한다. 따라서, 복수의 렌즈(420)가 장착된 경통(410)이 길고 무거워 지는 단점이 있었다.
한편, 종래 광학계 중에는 광섬유에 시준 렌즈(Collimation Lens)를 장착하고, 가우시안 함수(Gaussian function) 형태의 에너지 분포를 갖는 레이저 광을 스퀘어(square) 형상의 레이저 빔으로 변환하고 빔 사이즈를 조절할 수 있도록 구현된 복수의 렌즈를 포함하는 제품이 있다. 이러한 광학계는 광섬유에 시준 렌즈(Collimation Lens)를 장착해야 함으로 제조가 어렵고 비용도 비싼 단점이 있다.
최근 출시되는 반도체 칩은 본딩패드 상에 복수의 전극단자가 형성되며 복수의 전극단자는 소정 높이로 형성되는 구리필러와 이 구리필러의 상면에 일체로 형성되는 전도성 솔더가 형성된다. 복수의 전극단자는 단자 간 거리가 60㎛ 이하의 파인 피치(fine pitch)를 이루며 형성된다. 이에 반도체 칩와 기판의 정렬이 매우 중요하다. 반도체 칩과 기판의 정렬이 틀어지면, 반도체 칩의 복수의 전극단자 간 전도성 솔더끼리 접촉되어 브릿지 현상이 발생되거나 전극단자 중 일부가 기판의 솔더 범프와 접촉되지 않는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 레이저 열 압착 방식은 반도체 칩을 흡착한 상태에서 기판에 대해 반도체 칩을 압착하면서 레이저 본딩을 하도록 구현될 수 있다. 그런데 반도체 칩을 흡착하는 흡착헤드의 평탄도가 달라지면 반도체 칩의 전극단자가 기판의 솔더 범프에 압착력을 정확히 전달하지 못하여 본딩불량이 발생할 수 있다. 또한, 레이저 열 압착 방식은 기판에 대해 반도체 칩의 압착력이 과다할 경우 반도체 칩의 복수의 전극단자 간 전도성 솔더끼리 접촉되어 브릿지 현상이 발생할 수 있다.
또한, 레이저 열 압착 방식은 반도체 칩을 흡착헤드로 흡착한 상태에서 기판에 대해 상하로 이동시키는 서보모터를 사용한다. 따라서, 레이저 열 압착 방식은 광 균질화 모듈 중 복수의 렌즈가 장착된 경통의 길이가 짧고 가벼워야 서보모터 제어를 보다 정확하게 할 수 있다.
한국등록특허번호 제10-1416820호(등록일 2014.07.02) 일본등록특허번호 제3303832호(등록일 2002.05.10)
본 발명은 상기와 같은 배경에서 제안된 것으로, 본 발명은 광학계를 가볍고 컴팩트하게 구현하여 레이저 본딩 시 피부착물(예: 반도체 칩)을 흡착하는 흡착헤드를 상하로 구동하는 서보모터를 정밀하게 제어할 수 있는 광 균질화 모듈 및 그를 포함하는 레이저 본딩장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 제조비용이 저렴하고 면 광원 사이즈의 조절을 통한 본딩 작업이 가능한 광 균질화 모듈 및 그를 포함하는 레이저 본딩장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광 균질화 모듈은, 레이저 광이 통과되는 코어와 상기 코어를 둘러싸며 길이 방향으로 연장된 클래딩을 갖으며, 개구수(NA)가 0.2 이상 0.3 이하인 광섬유와, 상기 광섬유로부터 출사되는 레이저 광이 균일화된 에너지 분포를 갖는 면 광원이 되도록 하는 광 가이드부와, 상기 광 가이드부에서 출사되는 면 광원이 피부착물의 조사영역에 조사되도록 하는 복수의 렌즈모듈이 서로 이격되게 장착된 경통과, 상기 복수의 렌즈모듈을 개별적으로 상승 또는 하강시켜서 면 광원의 조사영역의 범위와 가열온도를 조절하는 경통 구동부를 포함한다.
본 발명에 따른 광 균질화 모듈의 광 가이드부는, 레이저 광이 통과하는 매질로 고투과율을 갖는 모재를 사용해 단면이 사각형인 직육면체로 형성되고, 광섬유와 0.2㎜ 이상, 0.5㎜ 이하의 이격거리를 갖도록 설치되고, 레이저 광이 지나가는 광축과 수평한 측면에 전반사 코팅막이 형성되고, 상기 광축과 수직한 상부면과 하부면에 무반사 코팅막이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광 균질화 모듈은, 복수의 렌즈가 광 가이드부를 통과하여 입사되는 레이저 광을 집광하는 집광렌즈와, 상기 집광렌즈를 통과한 레이저 광을 평행광으로 시준하는 시준렌즈(Collimation Lens)와, 상기 시준렌즈(Collimation Lens)에서 시준화된 레이저 광의 초점을 조절하는 포커싱 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광 균질화 모듈은, 복수의 렌즈가 포커싱 렌즈를 통과한 레이저 광의 제1축 방향 길이를 조절하는 제1 원기둥렌즈와, 상기 제1 원기둥렌즈를 통과한 레이저 광의 제2축 방향 길이(상기 제1축 방향 길이와 제2축 방향 길이는 서로 직교)를 조절하는 제2 원기둥렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레이저 본딩장치는, 피부착물이 고정되도록 지지하는 고정부 및 상기 고정부를 이동시키는 구동부를 포함하는 스테이지와, 피부착물에 본딩하고자 하는 반도체 칩을 공급하는 칩 공급장치와, 상기 칩 공급장치에서 공급되는 반도체 칩을 지지하는 지지판 및 상기 지지판을 좌우로 구동하는 지지판 구동모듈을 포함하는 칩 트랜스퍼 모듈과,
상기 칩 트랜스퍼 모듈에 의해 이송된 반도체 칩을 흡착하며, 칩 얼라인 제어신호에 따라 회전되는 흡착헤드와, 상기 흡착헤드 상부에 형성되며, 가우시안 형태의 레이저 빔을 면 광원으로 변환시켜서 피부착물의 조사영역에 조사하는 광 균질화 모듈과, 피부착물에 반도체 칩이 안착되도록 상기 흡착헤드와 광 균질화 모듈을 상하로 구동하는 구동모듈과,
상기 흡착헤드에 흡착된 반도체 칩 이미지와 상기 스테이지에 고정된 피부착물 이미지를 생성하는 이미지 촬영모듈 및 이미지 촬영모듈을 상기 흡착헤드와 스테이지 사이로 이동시키는 촬영모듈 이송부를 포함하는 비전모듈과, 전체 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 제어부는 비전 모듈에서 생성된 흡착헤드에 흡착된 반도체 칩 이미지와 스테이지에 고정된 피부착물의 이미지를 이용하여 칩 얼라인 제어신호를 흡착헤드의 구동부로, 스테이지 위치제어신호를 스테이지의 구동부로 출력하는 정렬위치 제어부와, 상기 흡착헤드에 흡착된 칩이 피부착물에 안착되도록 구동모듈을 제어하는 안착 제어부와, 광 균질화 모듈에서 변환된 면 광원이 피부착물의 조사영역에 조사되도록 광 균질화 모듈을 제어하는 광 균질화 모듈 제어부를 포함하여 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광 균질화 모듈은, 광 가이드부가 레이저 광이 통과하는 매질로 고투과율을 갖는 모재를 사용해 단면이 사각형인 직육면체로 형성되고, 광섬유와 0.2㎜ 이상, 0.5㎜ 이하의 이격거리를 갖도록 설치되고, 레이저 광이 지나가는 광축과 수평한 측면에 전반사 코팅막이 형성되고, 상기 광축과 수직한 상부면과 하부면에 무반사 코팅막이 형성됨으로써, 광학계를 가볍고 컴팩트하게 구현하여 레이저 본딩 시 피부착물(예: 반도체 칩)을 흡착하는 흡착헤드를 상하로 구동하는 서보모터를 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 광 균질화 모듈은, 광 가이드부에서 균질화된 면 광원을 집광하는 집광렌즈와, 집광렌즈를 통과한 레이저 광을 평행광으로 시준하는 시준렌즈(Collimation Lens)와, 시준렌즈(Collimation Lens)에서 시준화된 레이저 광의 초점을 조절하는 포커싱 렌즈와, 포커싱 렌즈를 통과한 레이저 광의 제1축 방향 길이를 조절하는 제1 원기둥렌즈와, 제1 원기둥렌즈를 통과한 레이저 광의 제2축 방향 길이(제1축 방향 길이와 제2축 방향 길이는 서로 직교)를 조절하는 제2 원기둥렌즈를 포함하여 구현됨으로써, 제조비용이 저렴하고 면 광원 사이즈의 조절을 통한 본딩 작업을 가능케 하는 장점이 있다.
도 1a는 종래의 광섬유를 나타낸 사시도이다.
도 1b는 종래의 광섬유를 통과한 레이저 광의 변위에 따른 에너지 분포도이다.
도 2 는 종래 광 균질화 모듈을 나타낸 예시도이다.
도 3 은 본 발명의 레이저 열 압착 본딩장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 광 균질화 모듈을 나타낸 예시도이다.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 원기둥렌즈를 통과 한 레이저 광의 조사영역을 나타낸 예시도이다.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 제2 원기둥렌즈를 통과한 레이저 광의 조사영역을 나타낸 예시도이다.
도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 광 균질화 모듈의 레이저 광의 조사영역을 나타낸 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 레이저 열 압착 본딩장치(100)는 도 3에 도시한 바와 같이, 크게 칩 공급장치(105)와 칩 트랜스퍼 모듈(110)과 피부착물 이송부(115)와 광 균질화 모듈(120)과 흡착 헤드(130)와 스테이지(140)와 비전 모듈(150)과 구동 모듈(160)과 레이저 발생기(170)와 진공 발생기(180)를 포함하여 구현될 수 있다.
칩 공급장치(105)는 웨이퍼에서 칩을 분리시키는 이젝트 모듈과 분리된 칩을 반전시켜서 지지판에 올려놓는 플리퍼 모듈을 포함하여 구현될 수 있다. 칩 트랜스퍼 모듈(110)은 칩 공급장치(105)에서 공급되는 칩을 지지하는 지지판과 지지판을 좌우로 구동시키는 지지판 구동모듈을 포함하여 구현될 수 있다. 피부착물 이송부(115)는 피부착물(P)을 업로더에서 스테이지(140)까지 이송하며, 스테이지(140)에서 레이저 열 압착 본딩된 피부착물(P)을 다운로더까지 이송한다. 피부착물(P)은 전자부품소자와 IC 소자 등의 반도체 소자가 부착되는 기판으로서, 구리필러 위에 솔더(S)가 형성된 것일 수 있다.
광 균질화 모듈(120)은 도 4에 도시한 바와 같이, 크게 광섬유(1210)와, 광섬유(1210)에서 출사되는 가우시안 형태의 레이저 광을 균일화된 에너지 분포를 갖는 면 광원으로 변환시키는 광 가이드부(1220)와, 광 가이드부(1220)에서 출사되는 면 광원을 피부착물(P)의 조사영역에 조사하는 복수의 렌즈모듈(1230)을 포함하여 구현될 수 있다.
광섬유(1210)는 내측으로 레이저 광이 통과되는 코어(2)와 상기 코어(2)를 둘러싸며 길이 방향으로 연장된 클래딩(3)을 갖는다. 클래딩(3)은 코어(2)에 비해 굴절률이 낮은 소재로 구현되어, 코어(2)의 내측으로 입사된 레이저 광은 전반사되면서 코어(2)를 통과한다. 광섬유(1210)의 개구수(NA)는 0.2 이상 0.3 이하이다. 개구수(NA)의 단위는 라디안이며, 광섬유(1210)의 개구수(NA)는 광섬유(1210)에서 출사되는 레이저 광의 발산각(θ)과 비례한다.
광섬유(1210)의 개구수(NA)가 0.2 라디안 미만일 경우, 레이저 광의 발산각(θ)이 작아서 광 가이드부(1220)에서 균일화된 에너지 분포를 갖는 면 광원으로 변환되지 않는다. 반면에 광섬유(1210)의 개구수(NA)가 0.3 라디안을 초과할 경우, 광섬유(1210)에서 출사되는 레이저 빔 주 일부가 광 가이드부(1220)에 입사되지 않는 즉, 레이저 빔의 손실이 발생하게 된다.
광 가이드부(1220)는 광섬유(1210)와 0.2㎜ 이상, 0.5㎜ 이하의 이격거리를 갖도록 설치된다. 광 가이드부(1220)의 길이는 1.0m 이상, 1.5m 이하로 구현된다. 광 가이드부(1220)의 길이를 1.0m 미만으로 하게 되면 광 가이드부(1220) 내부에서 난반사된 후 출력되는 레이저 광의 광 균질도가 떨어져서 피부착물(P)의 조사영역의 온도분포가 균일하지 않게 된다. 한편, 광 가이드부(1220)의 길이를 1.5m 이상으로 하게 되면 레이저 광의 광 균질도는 매우 좋으나 광 균질화 모듈의 전체 길이가 길어져서 제조비용이 상승하게 되며, 광 균질화 모듈의 보관과 이송이 불편하다.
복수의 렌즈모듈(1230)은 경통에 장착되며, 광 가이드부(1220)를 통과하여 입사되는 레이저 광을 집광하는 집광렌즈(1231)와, 집광렌즈(1231)를 통과한 레이저 광을 평행광으로 시준하는 시준렌즈(Collimation Lens)(1232)와, 시준렌즈(Collimation Lens)(1232)에서 시준화된 레이저 광의 초점을 조절하는 포커싱 렌즈(1233)를 포함하여 구현될 수 있다.
흡착 헤드(130)는 상부에 투명윈도우가 장착되고, 하부에 흡착모듈이 장착되고, 측면에 내부 공간과 외부를 관통하는 관통홀이 형성되는 헤드브라켓과, 헤드브라켓에 장착된 투명윈도우와 흡착모듈을 고정하는 고정브라켓과, 저면부에 돌출형성된 흡착면과 내부 공간으로부터 흡착면까지 관통하는 흡입홀이 형성되어 칩을 흡착하는 흡착모듈과, 칩 얼라인 제어신호에 따라 흡착 헤드(130)를 회전시키는 흡착헤드 구동부를 포함하여 구현될 수 있다.
투명윈도우와 흡착모듈의 재질은 quartz(석영), 사파이어로 구현될 수 있다. 사파이어로 구현된 흡착모듈은 레이저 광 투과도가 quartz(석영)보다 상대적으로 낮으나 장시간 사용에도 quartz(석영) 보다 내구성이 뛰어난 것으로 연구되고 있다. 흡착 헤드(130)의 흡착모듈은 저면부에 반사코팅층이 형성될 수 있다. 반사코팅층은 레이저 광의 투과량을 조절하기 위해 사용될 수 있다.
스테이지(140)는 피부착물 이송부(115)에 의해 이송된 피부착물(P)을 지지하며 고정하는 고정부(예컨대, 진공 척)와 스테이지 위치조절제어신호에 따라 스테이지를 이동시키는 수단, 예를 들어 2축 구동부 또는 5축 구동부로 구현될 수 있다.
비전 모듈(150)은 흡착모듈의 흡착면에 흡착된 칩(C) 이미지와 스테이지(140)에 올려진 피부착물(P)의 이미지를 생성하는 이미지 촬영모듈과, 이미지 촬영모듈을 흡착 헤드(130)와 스테이지(140) 사이로 이동시키는 모듈 이송부를 포함하여 구현될 수 있다.
구동 모듈(160)은 칩 공급장치(105)와 칩 트랜스퍼 모듈(110)과 피부착물 이송부(115)와 광 균질화 모듈(120)과 흡착 헤드(130)와 스테이지(140)와 비전 모듈(150)과 레이저 발생기(170)와 진공 발생기(180)의 동작을 제어한다.
구동 모듈(160)은 일례로, 비전 모듈(150)에서 생성된 흡착모듈의 흡착면에 흡착된 칩(C) 이미지와 피부착물(P)의 이미지를 이용하여 칩 얼라인 제어신호와 스테이지 위치제어신호를 흡착 헤드(130)의 흡착헤드 구동부와 스테이지의 구동부로 출력하는 정렬위치 제어부를 포함하여 구현될 수 있다.
구동 모듈(160)은 광 균질화 모듈(120)과 흡착 헤드(130)를 구동하는 수단, 예를 들어 에어실린더 구동부와, 흡착 헤드(130)에 흡착된 칩(C)이 피부착물(P)에 안착되도록 에어실린더 구동부를 제어하는 안착 제어부를 포함하여 구현될 수 있다.
구동 모듈(160)은 복수의 렌즈모듈(1230)을 개별적으로 상승 또는 하강시켜서 면 광원의 조사영역의 범위와 가열온도를 조절하는 경통 구동부와, 경통 구동부를 제어하는 광 균질화 모듈 제어부를 포함하여 구현될 수 있다.
복수의 렌즈모듈(1230)은 도 4에 도시한 바와 같이, 포커싱 렌즈(1233)를 통과한 레이저 광의 제1축 방향 길이를 조절하는 제1 원기둥렌즈(1234)와, 제1 원기둥렌즈(1234)를 통과한 레이저 광의 제2축 방향 길이(상기 제1축 방향 길이와 제2축 방향 길이는 서로 직교)를 조절하는 제2 원기둥렌즈(1235)를 더 포함하여 구현될 수 있다.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 원기둥렌즈를 통과 한 레이저 광의 조사영역을 나타낸 예시도이고, 도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 제2 원기둥렌즈를 통과한 레이저 광의 조사영역을 나타낸 예시도이다.
도 5에서, 제1 원기둥렌즈(1234)는 집광렌즈(121)를 통과한 레이저 광의 제1축 방향 길이를 조절할 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1 원기둥렌즈(1234)는 원기둥을 세운 상태에서, 종축으로 절단한 형상으로 구현될 수 있으며, 제1 원기둥렌즈(1234)는 집광렌즈(121)의 하부에 마련되되, 제1 원기둥렌즈(1234)의 볼록한 면이 상측을 향하도록 배치될 수 있다. 제1 원기둥렌즈(1234)를 투과하는 레이저 광의 조사영역은 제1축 방향 길이가 축소되도록 마련될 수 있다. 일 예로, 제1 원기둥렌즈(1234)를 투과한 레이저 광은 조사영역의 제1축 방향 길이가 축소되어 제1 조사영역(A1)에서 제2 조사영역(A2)으로 조사영역이 변형될 수 있다.
도 6에서, 제2 원기둥렌즈(1235)는 제1 원기둥렌즈(1234)를 통과한 레이저 광의 제2축 방향 길이를 조절할 수 있다. 이때, 제2축 방향길이는 제1축 방향길이와 서로 직교한다. 도 6을 참조하면, 제2 원기둥렌즈(1235)는 제1 원기둥렌즈(1234)와 동일한 형상으로 구현될 수 있다. 제2 원기둥렌즈(1235)는 제1 원기둥렌즈(1234)의 하부에 마련되며, 볼록한 면이 상측을 향하도록 배치되되, 제1 원기둥렌즈(1234)와 방향이 직교하도록 배치될 수 있다. 이처럼 마련된 제2 원기둥렌즈(1235)를 투과하는 레이저 광의 조사영역은 제2축 방향 길이가 축소되도록 마련될 수 있다. 일 예로, 제2 원기둥렌즈(1235)를 투과한 레이저 광은 조사영역의 제2축 방향 길이가 축소되어 제2 조사영역(A2)에서 제3 조사영역(A3)으로 조사영역이 변형될 수 있다.
제1 원기둥렌즈(1234) 및 제2 원기둥렌즈(1235)는 레이저 광의 조사영역의 형상을 용이하게 조절할 수 있다. 이때, 제1 원기둥렌즈(1234) 및 제2 원기둥렌즈(1235)는 일실시예에 한정되지 않으며, 레이저 광의 조사영역의 제1축 방향 길이 및 제2축 방향 길이를 용이하게 조절할 수 있는 구성이라면 모두 일실시예에 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 원기둥렌즈(1234) 및 제2 원기둥렌즈(1235)는 볼록한 면이 하부로 향하도록 배치될 수도 있고, 상면이 오목한 렌즈가 제1 원기둥렌즈(1234) 및 제2 원기둥렌즈(1235)의 위치에 마련될 수도 있다.
이 경우, 레이저 광의 조사영역은 제1축 방향 길이와 제2축 방향 길이가 늘어나도록 조절될 수 있다. 즉, 제1 원기둥렌즈(1234) 및 제2 원기둥렌즈(1235)는 레이저 광의 조사영역의 제1축 방향길이와 제2축 방향 길이를 조절하여 조사영역의 가로 및 세로의 길이 비율을 조절할 수 있다면 모두 일실시예에 포함될 수 있다.
또한, 제1 원기둥렌즈(1234)와 제2 원기둥렌즈(1235)는 서로 위치가 바뀔 수 있다. 즉, 볼록렌즈(121)를 투과한 레이저 광이 제1 원기둥렌즈(1234)보다 제2 원기둥렌즈(1235)를 먼저 투과하게 함으로써, 조사영역의 제2축 방향 길이가 조절된 이후에 제1축 방향 길이가 조절되도록 할 수도 있다.
도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 광 균질화 모듈의 레이저 광의 조사영역을 나타낸 예시도이다. 기판(10)에는 전자부품소자(11), IC 소자(12) 등의 반도체소자가 안착될 수 있다. 본 발명에 따른 광 균질화 모듈(120)은 기판(10)에 부착된 전자부품소자(11)에만 레이저 광을 조사하도록 조사영역의 형상 및 넓이를 용이하게 조절할 수 있다.
일 예로, 도 7을 참조하면, 제3 조사영역(A3)은 전자부품소자(11)만을 포함하도록 조절될 수 있다. 따라서, 광 균질화 모듈(120)은 IC 소자(12)가 기판(10)에 부착된 상태에서 레이저 열 압착 공정을 실시해도 IC 소자(12)에 열 충격이 가해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 기판(10)에 전자부품소자(11)를 안착하고 레이저 열 압착 공정을 실시한 이후에 IC 소자(12)를 부착할 경우에도, 광 균질화 모듈(120)은 IC 소자(12)를 부착할 위치에는 레이저가 조사되지 않도록 할 수 있기 때문에 IC 소자(12)를 용이하게 부착할 수 있다.
예컨대, 광 균질화 모듈(120)은 하나의 기판(10)에 전자부품소자(11)와 IC 소자(12)를 안착한 상태에서 레이저 열 압착 공정을 실시할 수도 있고, 기판(10)에 전자부품소자(11)만을 안착한 상태에서 레이저 열 압착 공정을 실시한 이후에 기판(10)에 IC 소자(12)를 부착하는 것도 가능하다. 레이저 열 압착 공정에 광 균질화 모듈(100)을 적용할 경우, 전자부품소자(11)를 기판(10)에 부착하기 위해 1초 내지 2초 정도의 시간이 소요된다. 즉, 본 발명에 따른 레이저 열 압착 본딩장치(100)를 사용할 경우 레이저 열 압착 공정의 전체 시간이 단축되어 신속한 반도체 패키지의 생산이 가능하다.
또한, 전술한 바와 같이, 광 균질화 모듈(120)은 광섬유(110)를 통과하는 레이저 광의 에너지를 균질화하여 조사영역 내에서 레이저 광의 에너지가 균일해지도록할 수 있다. 따라서, 조사영역 내에 위치한 전자부품소자(11)가 균일하게 기판(10)에 부착되도록 할 수 있다. 광 균질화 모듈(120)은 조사영역 밖의 레이저 광의 에너지가 매우 작아지도록 하기 때문에 조사영역 밖에 위치한 IC 소자(12)에 열 충격이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 광 균질화 모듈(120)은 하나의 기판(10)에 전자부품소자(11) 및 IC 소자(12)를 부착하는 것이 가능하도록 만들기 때문에 반제품인 반도체 패키지의 전체 부피를 감소시킬 수 있으며, 원가가 절감되어 경제적이다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 광 균질화 모듈
105: 칩 공급장치 110: 칩 트랜스퍼 모듈
115: 피부착물 이송부 120: 광 균질화 모듈
130: 흡착 헤드 140: 스테이지
150: 비전 모듈 160: 구동 모듈
170: 레이저 발생기 180: 진공 발생기
1210: 광섬유
1220: 광 가이드부
1230: 복수의 렌즈모듈
1231: 집광렌즈 1232: 시준렌즈
1233: 포커싱렌즈 1234: 제1 원기둥렌즈
1235: 제2 원기둥렌즈

Claims (10)

  1. 반도체 칩을 흡착하며 칩 얼라인 제어신호에 따라 회전되는 흡착헤드 상부에 형성되며, 서보모터에 의해 상기 흡착헤드와 함께 상하로 구동하는 광 균질화 모듈로서, 상기 광 균질화 모듈은:
    레이저 광이 통과되는 코어와 상기 코어를 둘러싸며 길이 방향으로 연장된 클래딩을 갖으며, 개구수(NA)가 0.2 이상 0.3 이하인 광섬유;
    상기 광섬유로부터 출사되는 레이저 광이 균일화된 에너지 분포를 갖는 면 광원이 되도록 하는 광 가이드부;
    상기 광 가이드부에서 출사되는 면 광원이 피부착물의 조사영역에 조사되도록 하는 복수의 렌즈모듈이 서로 이격되게 장착된 경통; 및
    상기 복수의 렌즈모듈을 개별적으로 상승 또는 하강시켜서 면 광원의 조사영역의 범위와 가열온도를 조절하는 경통 구동부를 포함하며,
    상기 광 가이드부는,
    레이저 광이 통과하는 매질로 고투과율을 갖는 모재를 사용해 단면이 사각형인 직육면체로 형성되고,
    상기 광섬유와 0.2㎜ 이상, 0.5㎜ 이하의 이격거리를 갖도록 설치되고,
    레이저 광이 지나가는 광축과 수평한 측면에 전반사 코팅막이 형성되고, 상기 광축과 수직한 상부면과 하부면에 무반사 코팅막이 형성되고,
    상기 광 가이드부의 길이는 1.0m 이상, 1.5m 이하로 구현되는 것,
    을 특징으로 하는 광 균질화 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈모듈은,
    상기 광 가이드부로부터 출사된 레이저 광을 집광하는 집광렌즈;
    상기 집광렌즈를 통과한 레이저 광을 평행광으로 시준하는 시준렌즈(Collimation Lens); 및
    상기 시준렌즈(Collimation Lens)에서 시준화된 레이저 광의 초점을 조절하는 포커싱 렌즈;
    를 포함하는 광 균질화 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈모듈은,
    상기 포커싱 렌즈를 통과한 레이저 광의 제1축 방향 길이를 조절하는 제1 원기둥렌즈; 및
    상기 제1 원기둥렌즈를 통과한 레이저 광의 제2축 방향 길이(상기 제1축 방향 길이와 제2축 방향 길이는 서로 직교)를 조절하는 제2 원기둥렌즈;
    를 더 포함하는 광 균질화 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광이 통과하는 매질로 고투과율을 갖는 모재는 quartz(석영)인 것을 특징으로 하는 광 균질화 모듈.
  5. 피부착물이 고정되도록 지지하는 고정부 및 상기 고정부를 이동시키는 구동부를 포함하는 스테이지;
    피부착물에 본딩하고자 하는 반도체 칩을 공급하는 칩 공급장치;
    상기 칩 공급장치에서 공급되는 반도체 칩을 지지하는 지지판 및 상기 지지판을 좌우로 구동하는 지지판 구동모듈을 포함하는 칩 트랜스퍼 모듈;
    상기 칩 트랜스퍼 모듈에 의해 이송된 반도체 칩을 흡착하며, 칩 얼라인 제어신호에 따라 회전되는 흡착헤드;
    상기 흡착헤드 상부에 형성되며, 가우시안 형태의 레이저 빔을 면 광원으로 변환시켜서 피부착물의 조사영역에 조사하는 광 균질화 모듈;
    피부착물에 반도체 칩이 안착되도록 상기 흡착헤드와 광 균질화 모듈을 상하로 구동하는 구동모듈;
    상기 흡착헤드에 흡착된 반도체 칩 이미지와 상기 스테이지에 고정된 피부착물 이미지를 생성하는 이미지 촬영모듈 및 이미지 촬영모듈을 상기 흡착헤드와 스테이지 사이로 이동시키는 촬영모듈 이송부를 포함하는 비전모듈;
    상기 비전 모듈에서 생성된 흡착헤드에 흡착된 반도체 칩 이미지와 스테이지에 고정된 피부착물의 이미지를 이용하여 칩 얼라인 제어신호를 흡착헤드의 구동부로, 스테이지 위치제어신호를 스테이지의 구동부로 출력하는 정렬위치 제어부;
    상기 흡착헤드에 흡착된 칩이 피부착물에 안착되도록 상기 구동모듈을 제어하는 안착 제어부; 및
    상기 광 균질화 모듈에서 변환된 면 광원이 피부착물의 조사영역에 조사되도록 상기 광 균질화 모듈을 제어하는 광 균질화 모듈 제어부를 포함하고,
    상기 광 균질화 모듈은,
    레이저 광이 통과되는 코어와 상기 코어를 둘러싸며 길이 방향으로 연장된 클래딩을 갖으며, 개구수(NA)가 0.2 이상 0.3 이하인 광섬유;
    상기 광섬유로부터 출사되는 레이저 광이 균일화된 에너지 분포를 갖는 면 광원이 되도록 하는 광 가이드부;
    상기 광 가이드부에서 출사되는 면 광원이 피부착물의 조사영역에 조사되도록 하는 복수의 렌즈모듈이 서로 이격되게 장착된 경통; 및
    상기 복수의 렌즈모듈을 개별적으로 상승 또는 하강시켜서 면 광원의 조사영역의 범위와 가열온도를 조절하는 경통 구동부를 포함하며,
    상기 광 가이드부는,
    레이저 광이 통과하는 매질로 고투과율을 갖는 모재를 사용해 단면이 사각형인 직육면체로 형성되고,
    상기 광섬유와 0.2㎜ 이상, 0.5㎜ 이하의 이격거리를 갖도록 설치되고,
    레이저 광이 지나가는 광축과 수평한 측면에 전반사 코팅막이 형성되고, 상기 광축과 수직한 상부면과 하부면에 무반사 코팅막이 형성되고,
    상기 광 가이드부의 길이는 1.0m 이상, 1.5m 이하로 구현되는 것,
    을 특징으로 하는 레이저 본딩장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스테이지의 구동부는 2축 구동부 또는 5축 구동부로 구현되는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩장치.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈모듈은,
    상기 광 가이드부를 통과하여 입사되는 레이저 빔을 집광하는 집광렌즈;
    상기 집광렌즈를 통과한 레이저 빔을 평행광으로 시준하는 시준렌즈(Collimation Lens); 및
    상기 시준렌즈(Collimation Lens)에서 시준화된 레이저 빔의 초점을 조절하는 포커싱 렌즈;
    를 포함하는 레이저 본딩장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈모듈은,
    상기 포커싱 렌즈를 통과한 레이저 빔의 제1축 방향 길이를 조절하는 제1 원기둥렌즈; 및
    상기 제1 원기둥렌즈를 통과한 레이저 빔의 제2축 방향 길이(상기 제1축 방향 길이와 제2축 방향 길이는 서로 직교)를 조절하는 제2 원기둥렌즈;
    를 더 포함하는 레이저 본딩장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 레이저 본딩장치는,
    피부착물에 NCP(Non Conductive Paste)를 형성하는 NCP디스펜서;
    를 더 포함하는 레이저 본딩장치.
KR1020160136472A 2016-10-20 2016-10-20 광 균질화 모듈 및 그를 포함하는 레이저 본딩장치 KR101950725B1 (ko)

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