KR102030529B1 - 플립칩 패키지 몰딩 장치 및 방법 - Google Patents

플립칩 패키지 몰딩 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 패키지 몰딩 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 몰딩 과정에서 기포가 발생하지 않도록 한 플립칩 패키지의 몰딩장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 플립칩 패키지 몰딩 장치는 챔버(100)와, 상기 챔버의 내부에 설치된 승강부(200)와, 상기 승강부의 상부에 설치된 전후이동부(300)와, 상기 전후이동부의 상단에 결합되며, 몰딩 대상이 되는 인쇄회로기판(1)이 놓여지는 워크테이블(500)과, 상기 워크테이블로부터 상부로 이격되게 설치된 스크린 마스크(600)와, 상기 스크린 마스크의 상부에 구비된 스퀴즈부(700)와, 상기 챔버의 내부로 질소가스를 공급하는 가스주입관(130)을 포함한다.

Description

플립칩 패키지 몰딩 장치 및 방법{Molding apparatus and method for flip chip pakaging}
본 발명은 반도체 패키지 몰딩 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 몰딩 과정에서 기포가 발생하지 않도록 한 플립칩 패키지의 몰딩장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 패키지는 그 종류에 따라 수지밀봉 패키지, TCP 패키지(Tape Carrier Package), 글래스 밀봉 패키지, 금속 밀봉 패키지 등이 있다. 이와 같은 반도체 패키지는 실장 방법에 따라 삽입형과 표면 실장형(Surface Mount Technology,SMT)으로 분류하게 되는데, 삽입형으로서 대표적인 것은 DIP(Dual In-line Package) 및 PGA(Pin Grid Array) 등이 있고, 표면 실장형으로서 대표적인 것은 QFP(Quad Flat Package), PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier), CLCC(Ceramic LeadedChip Carrier) 및 BGA(Ball Grid Array) 등이 있다.
최근에는 경박단소화한 반도체 패키지를 구현하기 위하여 플립 칩 패키지(flip chip package)가 개발, 사용되고 있다.
이하, 일반적인 플립 칩 패키지의 구조에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 플립 칩 패키지의 단면도로서, 도시된 바와 같이, 일반적인 플립 칩 패키지는 반도체 칩(2)의 회로면이 직접 인쇄회로기판(1)에 접속되도록 거꾸로 부착시킨 패키지를 일컫는다. 이와 같이 플립 칩 패키지는 종래 주로 사용되던 와이어 본딩법을 채용하지 않고 반도체 칩(2)의 메탈 패드(2a)가 상기 인쇄회로기판(1)에 직접 실장되므로 인해 공정을 단순화하고 공정 부품을 줄여 생산성을 향상시켰다.
종래의 플립 칩 패키징 방법을 보다 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상술한 바와 같이, 웨이퍼로부터 단위 칩별로 절단된 반도체 칩(2)을 준비한다. 상기 반도체 칩(2)은 상기 반도체 칩(2)에 신호를 입출력하기 위한 메탈 패드(2a)가 구비된다.
회로가 인쇄되고, 상기 반도체 칩(2)의 메탈 패드(2a)에 상응하는 위치의 표면에 접속 패드(1a)가 형성된 인쇄회로기판(1)을 준비한다.
그리고, 상기 반도체 칩(2)의 메탈 패드(2a)면 상에 볼 형태의 도전성 범프(3)를 형성한다.
상기 도전성 범프(3)가 형성되어 있는 반도체 칩(2)의 메탈 패드(2a)을 상기 인쇄회로기판(1)의 접속 패드(1a)에 얼라인하여 부착한 상태로 리플로우(reflow) 시켜 반도체 칩(2)이 인쇄회로기판(1)에 부착되도록 한다.
상기 공정이 끝나면 상기 인쇄회로기판(1)과 상기 반도체 칩(2)사이에는 도전성 범프(3)로 인한 틈새가 형성되는데, 상기 틈새를 통해 기타 이물질이 침투하여 반도체 칩(2)의 집적회로를 손상시킬 여지가 있다. 이를 방지하기 위하여 상기 틈새를 액상의 에폭시 수지와 같은 몰딩재(M)로 디스펜싱하여 채워주는 공정, 즉 언더필(Underfill) 공정을 수행하게 된다.
그러나, 이와 같은 종래의 반도체 패키징 방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있다.
최근의 반도체 칩은 초미세 집적화되므로, 상기 반도체 칩과 상기 인쇄회로기판(1) 사이의 틈새가 80㎛ 이하인 경우가 많이 발생한다. 따라서, 언더필(Underfill) 공정에서 몰딩재(M)가 상기 반도체 칩(2)과 상기 인쇄회로기판(1) 사이의 틈새를 완전하게 채우는 것은 매우 어렵다.
이와 같이, 몰딩재가 상기 틈새를 완전하게 채우지 못하게 되면, 상기 반도체 칩(1)과 상기 인쇄회로기판(2) 사이에 기포(A)가 형성되게 되며, 상기 기포(A)들은 이후 구동시 발생하는 열에 의해 수축과 팽창을 반복하면서 미세한 균열을 일으키게 되고, 결국 이러한 미세한 균열이 점차 성장하여 기판(1)과 몰딩부(5)를 분리시켜 반도체 칩(2)이 정상적인 작동을 방해하고 제품의 수명을 단축시키는 주요인이 된다.
이외에도, 종래에는 다수의 반도체 칩(A)에 대한 몰딩을 단시간에 수행하기 위하여 다수의 디스펜서를 구비하여야 하므로 제조비용이 크게 상승하는 문제가 있었다.
또한, 종래에는 언더필 공정이 끝난 후에 반도체 칩(2)의 외곽을 몰딩재(M)로 다시 한번 디스펜싱하는 몰딩하는 이중 몰딩공정을 수행해야 하므로 생산성이 크게 떨어지는 문제가 있었다.
KR 10-1089956 B1
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 언더필 공정에서 반도체 칩과 상기 인쇄회로기판 사이에 기포가 형성되지 않도록 하면서 다수의 디스펜서를 사용하지 않으면서 한번의 공정으로 반도체 칩의 외곽까지 몰딩할 수 있게 되는 되는 플립칩 패키지 몰딩 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 플립칩 패키지 몰딩 장치는 챔버와, 상기 챔버의 내부를 진공상태로 만들기 위한 진공펌프와, 상기 챔버의 내부에 설치된 승강부와, 상기 승강부의 상부에 설치된 전후이동부와, 상기 전후이동부의 상단에 결합되며, 몰딩 대상이 되는 인쇄회로기판이 놓여지는 워크테이블과, 상기 워크테이블로부터 상부로 이격되게 설치된 스크린마스크와, 상기 스크린 마스크의 상부를 몰딩재로 도포하는 스퀴즈부와, 상기 챔버의 내부로 불활성가스를 공급하는 가스주입관을 포함한다.
또한, 상기 전후이동부는 xy축 얼라인유닛을 구비할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 플립칩 패키지의 몰딩 방법은 챔버 내부로 몰딩 대상이 되는 인쇄회로기판을 투입하는 단계와, 챔버 내부를 진공하는 단계와, 인쇄회로기판에 부착된 반도체 칩에 몰딩재를 스크린 인쇄방식으로 도포하는 단계와, 챔버 내부를 승압시키는 단계와, 챔버 내부를 대기압으로 감압시키는 단계를 포함한다.
또한, 챔버 내부를 대기압으로 감압시키는 단계 이후에, 챔버의 내부를 재승압시키는 단계와 재승압된 챔버 내부를 대기압으로 재감압시키는 단계를 더 거치도록 할 수 있다.
이 경우, 상기 재승압된 챔버 내부의 압력은 이전 승압된 챔버 내부의 압력보다 크게 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 스크린 인쇄 방식으로 반도체 칩에 몰딩재를 도포하므로 종래와는 달리 고가의 디스펜서를 다수 구비하지 않고도 몰딩할 반도체 칩의 수량에 상관없이 항상 신속하고 균일하게 몰딩재를 도포할 수 있을 뿐만 아니라 한번의 공정으로 반도체 칩의 외곽까지 몰딩할 수 있어서 생산성이 매우 향상되고 제조비용도 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명은 진공상태에서 몰딩재를 도포한 후에 승압시켜 인쇄회로기판과 상기 반도체 칩 사이로 몰딩재의 침투가 압력차에 의해 긴밀하게 이루어지도록 함과 동시에 인쇄회로기판과 상기 반도체 칩 사이는 물론 몰딩재 내부에 존재하는 기포까지 압력차로 인하여 몰딩재 밖으로 밀려 나오면서 모두 제거되므로 제품의 성능과 수명이 크게 향상되는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 플립 칩 패키지의 구조 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 플립칩 패키지 몰딩 장치의 외관사시도.
도 3은 본 발명에 따른 플립칩 패키지 몰딩 장치의 내부구성을 나타내는 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 플립칩 패키지 몰딩장치의 내부구성을 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 플립칩 패키지 몰딩장치를 구성하는 승강부와 전후이동부의 사시도.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명에 따른 플립칩 패키지 몰딩장치의 사용상태도.
도 8은 본 발명에 따른 플립칩 패키지 몰딩 방법을 순서대로 나타내는 블럭도.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명함에 있어, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 명료성을 위하여 가능한 중복되지 않게 상이한 부분만을 주로 설명한다.
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플립칩 패키지 몰딩 장치는 챔버(100)와 진공펌프(120)와, 승강부(200)과 전후이동부(300)과 스크린 마스크(600)와 스퀴즈부(700)와 가스주입관(130)으로 크게 구성된다.
상기 챔버(100)는 전방에 개폐도어(110)가 구비되어 있다. 상기 개폐도어(110)를 통해 몰딩대상이 되는 인쇄회로기판(1)이 투입 또는 몰딩이 완료된 인쇄회로기판(1)이 배출된다.
한편, 상기 챔버(100)의 일측에는 챔버(100) 내부의 압력을 대기압 보다 낮게 감압시키기 위한 상태(이하, '진공'이라 함)로 만들어 주기 위한 진공펌프(120)가 연결된다. 상기 진공펌프(120)의 밸브(미도시)를 개방하면 챔버(100) 내부로 외기가 유입되면서 챔버(100)의 내부는 대기압 상태로 전환된다.
아울러, 상기 챔버(100)의 타측에는 챔버(100) 내부에 불활성가스를 주입하기 위한 가스주입관(130)이 연결된다. 상기 불활성가스로는 질소가 바람직하다. 상기 가스주입관(130)을 통해 질소가스가 주입되면 진공상태의 챔버(100) 내부 압력이 상승하게 된다.
상기 승강부(200)는 챔버(100)의 바닥에 설치된 고정브라켓(210)과, 상기 고정브라켓(210)에 설치된 승강유닛(220)과, 상기 승강유닛(220)으로부터 승강력을 부여받아 승강하는 승강패널(230)로 구성된다. 그리고 상기 승강패널(230)에는 전후이동부(300)가 결합된다.
상기 전후이동부(300)는 승강부(200)의 승강패널(230)을 따라 전후방향으로 이동가능하게 설치된다. 이 경우, 상기 전후이동부(300)는 승강패널(230)에 전후방향으로 이동가능하게 결합된 하부프레임(310)과, 상기 하부프레임(310)의 상부에 결합된 xy축 얼라인유닛(320)으로 구성될 수 있다.
한편, 상기 전후이동부(300)과 승강부(200)에는 각각 전후이동부(300)의 전후방향으로의 이동이 용이하게 이루어지도록 이송레일(400)이 부착되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 전후이동부(300)의 하부프레임(310) 전단에는 손잡이(330)가 설치될 수 있다. 이 경우, 작업자는 상기 손잡이(330)를 이용하여 매우 용이하게 상기 전후이동부(300)를 전후방으로 이동시킬 수 있게 된다.
상기 전후이동부(300)의 xy축 얼라인유닛(320) 상단에는 워크테이블(500)이 결합된다. 상기 워크테이블(500)의 중앙에는 몰딩 대상이 되는 인쇄회로기판(1)이 놓여지는 안착부가 형성되며 상기 xy축 얼라인유닛(320)을 통해 전후좌우 위치가 정렬된다.
본 발명에 따르면, 상기 스크린 마스크(600)는 상기 워크테이블(500)로부터 상부로 이격되게 설치된다. 상기 스크린 마스크(600)는 챔버(100) 내부에 좌우방향으로 각각 설치된 수직지지대(140)들을 통해 양단이 수평 상태로 안정되게 고정되며, 중앙에는 상기 워크테이블(500)의 안착부에 대응되게 스크린부(610)가 형성된다.
상기 스크린 마스크(600) 상부에 구비된 스퀴즈부(700)는 상기 스크린 마스크(600)에 몰딩재를 도포하는 스퀴즈(710)와 상기 스퀴즈(710)를 상하방향으로 이동시키는 상하이송유닛(720)과, 상기 상하이송유닛(720)에 결합되어 상기 스퀴즈(710)를 좌우방향으로 이동시키는 좌우이송유닛(730)으로 구성된다. 상기 좌우이송유닛(730)은 상기 수직지지대(140)의 상단에 양단이 고정된 고정패널(740)을 통해 안정적으로 설치되도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 플립칩 패키지 몰딩 장치를 이용하여 플립칩 패키지를 몰딩하는 방법은 다음과 같다.
도 8에 도시된 바와 같이, 챔버(100)의 내부로 몰딩 대상이 되는 인쇄회로기판(1)을 투입한다.(S1)
즉, 챔버(100)의 도어(110)를 개방하고 전후이동부(300)의 손잡이(330)를 잡아당기면 전후이동부(300)가 이송레일(400)을 따라 전방으로 인출되고, 전방으로 인출된 전후이송부의 상단에 결합된 워크테이블(500)의 안착부에 몰딩 대상이 되는 인쇄회로기판(1)을 내려 놓은 다음 손잡이(330)를 밀어서 전후이송부및 워크테이블(500)을 원위치로 복귀시키고 도어(110)를 닫으면 된다.
전후이송부와 워크테이블(500)이 원위치로 복귀되면, 스크린 마스크(600)의 스크린부(610)의 연직하부에 인쇄회로기판(1)이 위치하게 된다. 작업자는 작업전에 미리 인쇄회로기판(1)의 사양에 맞추어 스크린 마스크(600)의 스크린부(610)의 연직하부에 인쇄회로기판(1)이 위치하도록 xy축 얼라인유닛(320)을 통해 워크테이블(500)의 위치를 셋팅시켜 놓는다.
그리고 진공펌프(120)를 동작시켜 챔버(100) 내부를 감압시킨다.(S2)
챔버(100) 내부의 압력이 일정수치에 도달하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 스크린 마스크(600)의 저면에 인쇄회로기판(1)이 밀착되도록 승강부(200)가 워크테이블(500)을 상승시킨다. 그리고 7에 도시된 바와 같이, 스퀴즈(710)가 스크린 마스크(600)에 근접되게 하강한 다음 좌우로 왕복이동하면서 인쇄회로기판(1)에 부착된 반도체 칩(2)의 표면에 몰딩재를 스크린 인쇄방식으로 도포한다.(S3)
본 발명은 몰딩재를 스크린 인쇄방식으로 반도체 칩(2)에 도포하기 때문에 몰딩할 반도체 칩(2)의 수량에 상관없이 항상 신속하고 균일하게 몰딩재를 도포할 수 있게 될 뿐만 아니라, 반도체 칩(2)의 외곽까지 한번에 몰딩되므로 종래와 달리 별도의 공정을 거치지 않아도 되므로 생산공정을 단순화시킬 수 있고 생산성도 크게 향상시킬 수 있다.
몰딩재의 도포가 완료되면, 가스주입관(130)을 통해 챔버(100)의 내부에 질소가스를 주입하면서 챔버(100) 내부의 압력을 서서히 승압시킨다.(S4)
챔버(100)의 내부압력이 상승하게 되면, 반도체 칩(2)에 도포된 몰딩재는 상대적으로 압력이 낮은 상기 반도체 칩(2)과 상기 인쇄회로기판(1) 사이의 틈새로 밀려 들어가면서 긴밀하게 충진되며, 이 과정에서 상기 반도체 칩(2)과 상기 인쇄회로기판(1) 사이의 공간에 존재하던 기포를 비롯하여 몰딩재에 이미 포함되어 있는 기포들 모두는 몰딩재 외부로 밀려 나오면서 완벽하게 제거된다.
이때, 상기 질소가스는 불활성화 특성에 따라 챔버(100) 내부에 존재하는 산소나 먼지 등의 오염원으로부터 반도체 칩(2)이 오염되는 것을 막아준다.
이와 같이, 본 발명은 진공상태에서 스크린 인쇄 방식으로 반도체 칩(2)에 몰딩재를 도포한 후에 승압시킴으로써 기포발생이 전혀 없는 상태로 매우 신속하게 언더필 공정을 수행할 수 있게 된다.
그리고, 몰딩재 내부에 잔존하는 기포들이 충분히 제거될 때까지 일정시간 대기한 후에 챔버(100)의 내부를 대기압으로 감압시킨다.(S5)
챔버(100)가 대기압으로 감압되면, 워크테이블(500)을 하강시켜 원위치로 복귀시킨 후에 하강도어(110)를 개방하고 손잡이(330)를 당겨 전후이동부(300)를 전방으로 이동시킨 다음 워크테이블(500)로부터 몰딩이 완료된 인쇄회로기판(1)을 수거한다.
한편, 몰딩재의 도포가 완료된 이후에, 챔버(100)의 내부를 대기압 상태로 환원시키고, 일정시간 경과한 이후에 가스주입관(130)을 통해 챔버(100)의 내부에 질소가스를 주입하면서 챔버(100) 내부의 압력을 서서히 승압시킬 수도 있다. 이 경우, 도포된 몰딩재는 승압되기 전에 대기압 상태에서 안정화되는 과정을 거치게 되므로 이후 승압시 기포가 빠져나가 더라도 안정된 상태를 유지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 챔버(100)의 내부를 대기압으로 감압시키는 단계(S5) 이후에, 챔버(100)의 내부를 재승압시키는 단계와 재승압된 챔버(100)의 내부를 대기압으로 재감압시키는 단계를 더 거치도록 할 수도 있다. 이 경우, 상기 재승압시 챔버(100)의 내부 압력을 이전 승압시 챔버(100)의 내부 압력보다 크도록 설정한다.
이와 같이 목표압력에 도달할 때까지 단계적으로 챔버(100)의 내부 압력을 높여가면서 승압과 감압을 반복적으로 수행하면, 상대적으로 높은 압력에 도달해야만 기포의 제거가 가능한 물성을 가진 몰딩재에 대해서도 급격한 승압에 따른 충격없이 안정된 상태를 유지하면서 목표 압력까지 승압시킬 수 있으며 내부의 기포 또한 원활하게 빠져 나가게 된다.
이와 같이, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상술하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 변형 가능하며, 이러한 변형은 본 발명의 권리범위에 속할 것이다.
100...챔버 120...진공펌프
130...가스주입관 200...승강부
300...전후이동부 320...xy축 얼라인유닛
500...워크테이블 600...스크린 마스크
700...스퀴즈부

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  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 챔버의 내부로 몰딩 대상이 되는 인쇄회로기판을 투입하는 단계와, 챔버의 내부를 진공으로 감압하는 단계와, 인쇄회로기판에 부착된 반도체 칩에 몰딩재를 스크린 인쇄방식으로 도포하는 단계와, 챔버의 내부를 승압시키는 단계와, 챔버 내부를 대기압으로 감압시키는 단계를 포함하며;
    챔버 내부를 대기압으로 감압시키는 단계 이후에,
    챔버의 내부를 재승압시키는 단계와, 재승압된 챔버 내부를 대기압으로 재감압시키는 단계를 더 거치도록 하며,
    상기 재승압된 챔버 내부의 압력은 이전 승압된 챔버 내부의 압력보다 큰 것을 특징으로 하는 플립칩 패키지의 몰딩 방법.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 챔버의 내부를 승압시키는 단계는 챔버의 내부로 불활성가스를 주입하여 이루어지도록 하는 플립칩 패키지의 몰딩 방법.
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