KR102537573B1 - 플립 칩 레이저 본딩장치의 본딩 툴 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플립 칩 레이저 본딩 공정에서 반도체 칩의 레이저에 의한 가열과 동시에 가압을 위한 본딩 툴에 관한 것으로, 석영 단결정 또는 사파이어 단결정을 포함하는 광학 윈도우로 이루어진 본딩 툴은 적외선 레이저를 투과시켜 반도체 칩을 가열하며, 반도체 칩의 가열 전 및 가열 중에 발생하는 굴곡에 대하여 반도체 칩을 진공 흡착하여 가압한 상태에서 반도체 칩과 본딩 툴의 열 교환 시 반도체 칩의 영역별로 열전달 상태를 조절하는 것에 의해 반도체 칩의 효과적인 승온과 반도체 칩 중앙부와 외곽의 온도 차이를 최소화하여 플립 칩 레이저 본딩의 품질을 향상시킬 수 있도록 한 것인바, 본딩 툴(10)의 저면에는 종횡으로 복수의 접촉 돌기(E1~E6)가 형성되고, 외곽에는 반도체 칩(C)의 흡착 시 진공유지를 위한 진공 벽(W)이 형성되며, 상기 접촉 돌기(E1~E6)는 레이저에 의한 승온 시 반도체 칩(C)의 중앙부에서는 열전달 면적이 상대적으로 크고 외곽으로 갈수록 열전달 면적이 작아지는 패턴으로 형성되어 있어 반도체 칩(C)의 중앙부에서부터 외곽까지 균일한 온도 분포를 이룰 수 있다.

Description

플립 칩 레이저 본딩장치의 본딩 툴{Bonding tool for flip chip laser assist bonding device}
본 발명은 플립 칩 레이저 본딩 공정에서 반도체 칩을 가압한 상태에서 레이저를 조사하여 기판에 본딩하기 위한 본딩 툴에 관한 것으로, 상세히는 반도체 칩을 눌러준 상태에서 레이저 투과에 의한 본딩 과정에서 발생하는 열이 반도체 칩 전체 면적에 대해 균일하게 분포할 수 있도록 함으로써 본딩 품질을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 플립 칩 본딩 공정은 무연 납 혹은 Cu 필라(pillar)라는 범프 구조를 컨벡션 리플로우에 통과시켜 이루어지게 되는데, 리플로우 방식의 구조상 기판과 반도체 칩이 동시에 열을 받으면서 원치 않는 문제가 발생하게 된다. 이는 기판이 열을 받으면 팽창하여 반도체 칩과 기판의 열팽창계수의 차이로 인해 범프 혹은 반도체 칩의 미세회로층이 파손되는 현상이 나타나며, 가장 심각한 문제는 반도체 칩의 휨(Warpage)에 의해 본딩이 정상적으로 되지 않아서 불량을 발생시킨다.
수천~수만 개가 넘는 범프 중 하나라도 솔더링이 잘되지 않으면 패키지 기능에 문제가 생길 수 있으므로 리플로우를 통과하는 도중 범프가 손상되지 않도록 많은 노력을 기울여 왔다.
이러한 문제를 해결하기 위해 레이저 어시스트 본딩(laser assisted bonding) 기술이 연구되어 왔다. 일반적으로 리플로우를 통과하는 시간이 5~7분 정도인 것에 반해, 레이저 기술을 활용한 레이저 어시스트 본딩은 한 영역당 1~5초의 아주 짧은 시간 동안 칩 부분에만 열을 가하여 본딩한다. 따라서 반도체 칩과 주변에만 높은 온도가 유지되고 그 밖의 영역은 상대적으로 온도가 낮다. 열에 노출되는 시간이 짧고 영역도 국부적이어서 반도체 칩과 범프에 발생하는 열 충격(thermal stress)도 상대적으로 낮다. 더불어 레이저 어시스트 본딩은 기존 컨벡션 리플로우 설비에 비해 1/7 정도의 작은 크기이며, N2 가스가 불필요하기 때문에 공간활용 측면에서도 매우 뛰어나다.
또, 최근의 반도체 IC 집적화와 기능의 다양화를 위해 하나의 반도체 칩 내에서 최대한 많은 단자(bump pad)를 형성해야 하므로 단자 간 간격(pitch)이 좁아지고, 경량화 및 다기능화 추세에 맞추기 위해 기판과 반도체 칩도 역시 변화를 겪고 있다. 필름 타입의 기판이 활용되고 있고, 고밀도 실장에 적합하도록 칩의 두께는 얇아지면서 접합 면적은 넓어지고 있으며, 2.5D/3D 패키지의 적용 비율이 높아지고 있다.
한편, 반도체 칩을 가압하지 않고 레이저만 조사하여 본딩을 하게 되면 단시간에 열을 가하여도 작은 굴곡에 의해서도 불량을 발생시킬 수 있게 된다. 단시간 내에 국부적으로 열을 가하게 되더라도 무언가 반도체 칩을 정밀하게 눌러주지 않으면 서브스트레이트(기판)와 칩의 굴곡에 의한 품질 저하를 초래하게 된다.
이러한 이유로 레이저를 투과하면서 반도체 칩을 누를 수 있는 본딩 툴이 필요하다. 레이저에서 발진 된 에너지를 반도체 칩이 흡수함과 동시에 온도가 급격히 올라가게 되며, 뒤틀림과 굴곡을 잡기 위하여 눌러주는 기능과 진공 흡착하여 반도체 칩과의 굴곡을 평탄하게 펴줄 수 있어야 한다. 또, 본딩 툴은 레이저 투과율이 매우 좋아야 한다.
한편, 본딩 툴을 투과한 레이저의 에너지를 흡수하여 1차 가열된 반도체 칩으로부터의 열은 다시 본딩 툴로 이동이 되는데, 이러한 열 이동으로 인하여 반도체 칩의 형상 또는 주변의 구조에 따라 열의 이동에 변화가 생긴다. 본딩 품질을 높이기 위해 가장 바람직한 것은 반도체 칩의 면적에 균일하게 온도 분포를 유지하는 것이다.
본 발명과 관련된 종래기술로 본 출원인은 특허문헌 1의 '레이저를 이용한 반도체 본딩장치'를 개발한 바 있으며, 이 외에도 특허문헌 2의 '반도체 칩 부착방법'에서는 본딩 툴 내의 열적 히팅 소스를 배제하고, 단지 본딩 툴은 반도체 칩을 기판에 대하여 압착하는 수단으로만 사용하고, 반도체 칩의 전도성 범프를 기판에 융착시키는 히팅 소스를 본딩 툴의 상부에 배치되는 레이저 조사수단(레이저 발생기)으로 채택한 기술이 제시되어 있는데, 이에 사용되는 본딩 툴은 레이저 빔과 비접촉 온도측정기의 파장이 통과할 수 있는 동시에 물리적으로 반도체 칩을 눌러줄 수 있는 석영이나 사파이어 단결정을 포함하는 광학 윈도우 재질로 만들어져야 한다.
이 외에도 레이저를 이용한 반도체 본딩장치에 관련된 종래기술로 특허문헌 3의 '레이저 압착방식의 플립 칩 본딩을 위한 레이저 옵틱장치', 특허문헌 4의 '플립 칩 본딩방법' 등이 개시되어 있다.
또한, 상술한 광학 윈도우를 사용하게 되면 고열과 압력을 받게 되는데, 내구성이 보편적인 광학 유리에 비해서 나쁘지는 않으나, 직접적으로 반도체 칩 상면을 3~500N(Newton)의 힘으로 가압하여야 하므로 매우 높은 강성이 있어야 하며, 반도체 칩에 가압 시 직접 접촉을 하여야 하는데, 이때 광학 윈도우는 재료가 가지고 있는 열전도율에 따라서 상면에 본딩 툴 접촉면에서 레이저를 조사한 직후 직접적으로 접촉하고 있는 광학 윈도우의 접촉면으로 열전도가 발생하게 되며, 광학 윈도우의 형상에 따라서 반도체 칩에서 아래쪽으로는 범프를 거쳐 서브스트레이트 쪽으로 열이 이동하게 되고, 위쪽으로는 본딩 툴로 급격하게 열전달 이루어진다. 이에 따라서 일반적으로는 반도체 칩의 중앙은 온도가 높은 반면 외곽 쪽은 온도가 상대적으로 낮다. 레이저가 반도체 칩에 조사되어 레이저 빔의 에너지를 흡수하게 되고, 승온이 되며, 동시에 반도체 칩에서 광학 윈도우와 서브스트레이트(기판)로 열이 이동하게 되는데, 상당 부분은 광학 윈도우와 반도체 칩의 접촉면을 통해서 열 이동(전달)이 이루어진다. 이러한 이유로 본딩 툴로의 열 이동으로 인하여 정작 반도체 칩의 승온이 잘 이루어지지 않는 단점과 반도체 칩의 온도가 균일하게 되지 않는 단점이 있다. 이러한 이유로 반도체 칩을 가압하기 위해 본딩 툴이 직접 반도체 칩에 전체적으로 접촉을 하게 되면 본딩 툴의 열전도율이나 열저항율에 따라 많은 변수가 발생한다. 열전도율은 각 매질마다 가지고 있는 고유한 값이며, 열저항율은 본딩 툴의 형상과 관계가 있다. 즉, 열역학 제2법칙에 의하여 열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며, 모든 물질은 열평형 상태를 유지하려고 한다.
한편, 상기 광학 윈도우로 사용되는 사파이어의 화학식은 Al2O3로, 무색 또는 백색 결정이며, 레이저투과파장 0.17-5.5um, 녹는점 2040℃, 경도는 Knoop Hardness 1900(Kg/mm2), 열전달율 27.21 W m-1 K-1 at 323K이다. 반면, 석영은 무색 또는 백색 결정이며 레이저투과파장 0.4-3um, 녹는점 1710℃, 경도 Knoop Hardness 741(Kg/mm2), 10.7W m-1 K-1 at 323K로 열 가압 본딩 시 적합한 내구성과 레이저 투과성에 있어서 우수한 광학적인 특성을 가지고 있다. 반도체 칩에 본딩 툴이 접촉한 상태에서 레이저 빔을 조사하게 되면 빔의 에너지를 흡수하여 발생한 반도체 칩의 열이 광학 윈도우 쪽으로 상당량 이동하게 된다.
본 출원인은 이러한 점에 착안하여 특허문헌 5의 '플립 칩 레이저 본딩장비의 본딩 툴'을 제시한 바 있는데, 이는 본딩 툴의 하면 즉, 반도체 칩과 접촉되는 면의 형상 즉, 접촉 면적을 줄일 수 있는 표면 형상을 만들어 줌으로써 반도체 칩에서 본딩 툴로의 열 이동을 방해하여 반도체 칩의 본딩 시 승온 온도(250~400℃)를 무리 없이 올릴 수 있도록 하였다.
한편, 특허문헌 5에서는 접촉 면적을 줄이기 위해 반도체 칩과의 접촉 면에 종횡으로 단순한 그루브를 형성하여 레이저에 의한 승온 시 반도체 칩의 열이 본딩 툴로의 이동을 최소화할 수 있도록 하였으나, 본딩 툴이 반도체 칩에 접촉한 상태에서 본딩 툴을 투과한 레이저의 열 에너지를 반도체 칩이 흡수하게 되면 중심부의 온도는 높고 외곽으로 갈수록 상대적으로 낮은 온도를 보이게 됨으로써 모든 범프가 균일한 온도로 가열 용융되지 않아 본딩 품질이 일정하지 않게 되는 문제점이 발견되었다.
즉, 상기 반도체 칩의 중심부는 외부로 개방된 외곽과 달리 상부의 본딩 툴과 하부의 기판으로만 열 전달이 이루어지고, 외기와의 접촉이 없어 열이 빠져나갈 곳이 상대적으로 적기 때문에 반도체 칩 외곽과의 온도 편차가 커지게 되는 것이다.
한국등록특허 제10-1785092호(2017.09.28. 등록) 한국공개특허 제10-2014-0094086호(2014.07.30. 공개) 한국등록특허 제10-1416820호(2014.07.02. 등록) 한국등록특허 제10-1143838호(2012.04.24. 등록) 한국공개특허 제10-2023-0009297호(2023.01.17. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저를 이용한 반도체 칩 본딩 시, 반도체 칩에서 본딩 툴로 이동되는 열을 최소화할 수 있도록 본딩 툴의 반도체 칩과의 접촉 면적을 줄임과 동시에 반도체 칩의 열적 분포를 중심부에서부터 외곽까지 균일하게 유지할 수 있도록 함으로써 본딩 품질을 향상시킬 수 있는 개선된 구조의 본딩 툴을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상술한 본딩 툴을 구비한 플립 칩 레이저 본딩장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 칩을 진공으로 흡착 고정한 후 기판 위에 놓고 가압시키는 본딩 툴과, 상기 본딩 툴의 상부에 설치되어 반도체 칩과 기판 간의 본딩을 위한 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생기와, 상기 반도체 칩 표면의 온도감시를 위한 비접촉 온도측정기를 포함하는 플립 칩 레이저 본딩장치에서;
상기 본딩 툴은 레이저 발생기에서 조사되는 레이저 파장대를 투과할 수 있는 단결정 소재의 광학 윈도우로 이루어지며, 상기 본딩 툴은 진공제공수단으로부터 공급되는 진공이 작용하도록 반도체 칩 흡착용 진공 홀이 상하로 관통 형성되고, 상기 본딩 툴의 반도체 칩 접촉면 외곽에는 흡착 시 진공유지를 위한 진공 벽이 형성되며, 상기 본딩 툴의 반도체 칩 접촉면에는 반도체 칩에서 본딩 툴로의 열 이동을 제어하기 위해 접촉 면적을 줄이기 위한 접촉 돌기가 형성되되 상기 접촉 돌기는 레이저에 의한 승온 시 반도체 칩의 중앙부에서는 열전달 면적이 상대적으로 크고 외곽으로 갈수록 열전달 면적이 작아지는 패턴으로 형성되는 것에 의해 반도체 칩의 중앙부에서부터 외곽까지 균일한 온도 분포를 이루도록 한 플립 칩 레이저 본딩장치의 본딩 툴을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 접촉 돌기는 인접하는 접촉 돌기와 독립적으로 이격 형성되고, 본딩 툴 중앙부에 형성된 접촉 돌기의 단면적은 상대적으로 크고, 외곽으로 갈수록 접촉 돌기의 단면적은 점차적으로 작아지도록 형성한다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 접촉 돌기는 인접하는 접촉 돌기와 독립적으로 이격 형성되고, 서로 동일한 단면적으로 형성되며, 본딩 툴 중앙부에서부터 외곽으로 갈수록 인접하는 접촉 돌기 사이의 이격 거리가 멀어지도록 형성한다.
상술한 본 발명의 실시 예에 의하면 본딩 툴의 반도체 칩 접촉면에 불필요한 열 이동(열전달 또는 열손실)을 최소화하기 위한 접촉 돌기가 소정의 패턴으로 형성되어 있으므로 높은 파워의 레이저 발진을 하지 않아도 본딩 가능한 온도로 승온시킬 수 있어 에너지 절감이 가능하며, 상술한 접촉 돌기에 의해 반도체 칩의 승온 시 전체적으로 균일한 온도분포를 이룰 수 있게 되므로 본딩 품질의 향상이 가능하게 되는 유용한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 레이저 본딩장치에서 본딩 툴과 레이저 발생기의 배치상태를 도시한 정면도,
도 2는 본 발명에서 레이저 본딩 시 반도체 칩과 기판의 본딩 상태 및 비접촉 온도측정기를 통한 온도 모니터링 상태도,
도 3은 본 발명에 의한 본딩 툴의 저면 사시도,
도 4는 본 발명에 의한 본딩 툴의 저면도,
도 5는 본 발명에 의한 본딩 툴의 측단면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 본딩 툴의 저면도이다.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 의한 레이저 본딩장치의 본딩 툴과 레이저 발생기의 배치상태가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에서 비접촉식 온도 감지기를 통한 온도 모니터링 상태가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 레이저 본딩장치는 반도체 칩(C)을 진공으로 흡착 고정한 후 기판(P) 위에 놓고 가압시키는 본딩 툴(10)과, 상기 본딩 툴(10)의 상부에 설치되어 반도체 칩(C)과 기판(P)간의 본딩을 위한 레이저 빔(B)을 조사하는 레이저 발생기(20)와, 상기 반도체 칩(C) 표면의 온도감시를 위한 비접촉 온도측정기(30)를 포함하여 이루어져 있다.
도면 중 부호 M은 본딩 툴(10)을 승강시켜 반도체 칩(C)을 가압하기 위한 승강용 회전 서보 모터 또는 리니어 액추에이터이고, 부호 S는 기판(P)을 고정하기 위한 척이며, 기판(P)을 척(S)에 고정하는 방식은 진공 흡착 방식을 사용하여 기판과 척의 접촉면에 빈 공간이 없이하여 열의 이동이 자연스럽게 척 쪽으로 이동할 수 있게 한다. 또한, 척은 기판에 레이저 조사 전 소정의 온도로 예열을 하여, 레이저 조사 후 반도체 칩(C)이 빠르게 승온 할 수 있게 한다.
본 발명에서 상기 비접촉 온도측정기(30)는 적외선 열화상 카메라 또는 파이로메타를 적용할 경우, 도 2에서와 같이 본딩 시 발진하는 레이저의 파장과 반도체 칩(C)에서 방출하는 적외선(I)이 본딩 툴(10)을 동시에 투과하여 카메라에 도달하게 됨으로써 실시간으로 정확하게 반도체 칩(C)의 표면온도를 측정할 수 있게 되는바, 비접촉 온도측정기(30)의 측정 범위는 레이저 발생기(20)에서 조사되는 레이저 빔(B)의 하나의 위치 또는 조사범위와 일치되거나 이보다 넓은 영역을 측정하게 됨으로써 레이저 조사영역에서의 온도분포 및 온도변화를 실시간으로 측정하여 본딩의 온도의 분포를 균일하게 하기 위한 본딩 툴 접촉 면적의 비율을 결정할 수 있게 하며, 레이저 발진 중에 온도의 변화를 실시간으로 측정하여 반도체 칩의 열적 변화 또는 굴곡에 의한 반도체 칩의 표면의 온도변화를 보고 정상적으로 본딩이 이루어졌는지 아닌지를 관찰 분석할 수 있게 하고, 높은 품질의 본딩 결과를 낼 수 있도록 최적화된 접촉 비율이 적용된 본딩 툴을 제공할 수 있다.
상기 본딩 툴(10)이 반도체 칩(C)에 접촉한 상태에서 레이저 발진이 이루어지게 되면, 레이저 빔은 본딩 툴(10)을 대부분 투과하게 되고 반도체 칩(C)이 레이저 빔의 에너지를 흡수하게 되며, 반도체 칩의 열은 본딩 툴(10) 쪽으로 이동하게 된다. 이와 같이 반도체 칩의 굴곡을 펴기 위한 가압식 본딩장치에서 본딩 툴과의 접촉으로 인한 열 전달에 대한 단점은 반도체 칩과의 접촉 면적을 위치별로 다르게 하는 방법으로 반도체 칩과의 접촉면에 독립적인 접촉 돌기(E)를 형성하여 위치에 따라 접촉 면적을 달리하면서 접촉율을 가능한 낮게 떨어뜨린다. 이렇게 하면 반도체 칩(C)에서 열이 본딩 툴(10)로 그대로 전달되지 않고 부분적으로만 일부 전달되고 나머지 열은 고립되어 레이저를 고출력으로 상승시키지 않고도 단시간 내에 본딩에 필요한 온도로 반도체 칩의 온도를 균일하게 승온시켜 반도체 칩(C)의 본딩 품질을 높일 수 있다.
본 발명에서 상기 광학 윈도우를 형성하는 본딩 툴(10)은 도 3 내지 도 5에 도시된 실시 예에서 알 수 있는 바와 같이 기존 레이저 본딩장치에 사용되는 것과 마찬가지로 진공제공수단과 연결되는 매니폴드 블록(12)과, 이 매니폴드 블록(12)의 저면에 일체로 형성되어 칩(C)을 진공 흡착 고정시키는 어태치(14)로 구성되고, 상기 매니폴드 블록(12) 및 어태치(14)는 레이저 발생기(20)에서 방출되는 레이저 빔의 투과는 물론 비접촉 온도측정기(30)에서 열을 감지할 수 있는 소재로 이루어져 있으며, 상기 매니폴드 블록(12)과 어태치(14)에는 진공제공수단으로부터 공급되는 진공이 작용하도록 한 칩 흡착용 진공 홀(16)이 관통 형성되어 있다.
본 실시 예에서, 상기 어태치(14)의 저면은 도 4의 저면도에서 알 수 있는 바와 같이 종횡으로 복수의 접촉 돌기(E1~E6)가 형성되어 있고, 외곽에는 반도체 칩(C)의 흡착 시 진공유지를 위한 진공 벽(W)이 형성되어 있다.
본 실시 예에서, 상기 접촉 돌기(E)와 진공 벽(W)은 도 5에 도시된 바와 같이 동일한 높이로 이루어져 있는데, 상기 접촉 돌기(E)는 레이저에 의한 승온 시 반도체 칩(C)의 중앙부에서는 열전달 면적이 상대적으로 크고 외곽으로 갈수록 열전달 면적이 작아지는 패턴으로 형성되어 있어 반도체 칩(C)의 중앙부에서부터 외곽까지 균일한 온도 분포를 이룰 수 있다.
이를 구체적으로 설명하면, 상기 본딩 툴(10)의 어태치(14) 저면 즉, 반도체 칩과의 접촉면에 형성되는 복수의 접촉 돌기(E1,E2,E3,E4,E5,E6)는 인접하는 접촉 돌기와 독립적으로 이격 형성되어 있고, 본딩 툴(10) 중앙부에 형성된 접촉 돌기(E1)의 단면적은 상대적으로 크고, 외곽으로 갈수록 접촉 돌기(E2~E6)의 단면적은 점차적으로 작아지도록 형성되어 있다.
본 실시 예에서는 상기 복수의 접촉 돌기(E1~E6)가 종횡방향으로 일정 간격씩 이격된 상태로 배치되어 있는데, 이는 본딩 툴(10)의 저면에 소정 깊이로 접촉 돌기(E1~E6)만을 남기고 그루브(G)를 음각으로 형성하는 것에 의해 만들어질 수 있으며, 이를 위해 미세전자기계시스템(MEMS) 가공방법이나 레이저 가공 또는 화학적인 에칭가공방법 등을 적용할 수 있다.
본 실시 예에서, 상기 접촉 돌기(E1~E6)는 소정 높이의 사각 기둥 형태로 이루어져 있는데, 말단부 즉, 표면의 접촉면은 반도체 칩과의 밀착을 위해 평면(flat 또는 plain)을 이루고 있다.
본 실시 예에서 첨부된 도면상으로는 상기 접촉 돌기(E1~E6)가 직사각 형태를 이루고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 정사각형으로 형성될 수도 있음은 물론, 접촉 돌기(E1~E6)의 내구성을 위해 각 접촉 돌기(E1~E6)의 외곽은 모깍기(fillet) 또는 모따기(champer) 처리를 하는 것에 의해 반도체 칩과의 빈번한 접촉에도 불구하고 모서리부분이나 테두리 부분이 충격에 의해 부스러지거나 균열이 발생하게 되는 등의 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 상술한 접촉 돌기(E1~E6) 단면적의 점진적인 축소 즉, 본딩 툴(10)의 중앙부에서부터 외곽으로 가면서 접촉 돌기(E1~E6)의 단면적이 줄어드는 비율은 레이저의 조사에 의해 가열된 반도체 칩(C)의 중심부에서 외곽으로 갈수록 변화되는 온도 차이를 감안하여 설계함으로써 반도체 칩의 온도 분포를 중앙부에서부터 외곽까지 균일하게 유지할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 상기 접촉 돌기(E1~E6) 사이의 이격된 위치에 형성되는 그루브(G)의 폭과 깊이에 의해 반도체 칩(C)에서 본딩 툴(10)로의 열전달율이 달라지게 되므로 설계 시 이를 감안할 필요가 있으며, 기본적으로는 상기 그루브(G)를 제외한 접촉 돌기(E1~E6)의 면적 즉, 반도체 칩(C)과의 접촉 면적을 70%~1%의 범위 내에서 가능한 작게 설계하여 열의 이동을 최소화 할 필요가 있다.
본 실시 예에서 상기 그루브(G)는 가로 및 세로로 중앙부에서부터 외곽까지 동일한 폭으로 이루어져 있으며, 가로 방향으로는 접촉 돌기(E1~E6)의 세로 폭은 동일하지만 가로 폭이 점차적으로 줄어들고, 세로 방향으로는 접촉 돌기(E1~E6) 가로 폭은 동일하지만 세로 폭이 점차적으로 줄어드는 패턴을 이루고 있다.
또한, 이와 같은 접촉 돌기(E1~E6)의 단면적 변화는 가로 및 세로방향으로의 점진적인 축소는 물론, 대각선 방향으로도 이루어지게 되며, 대각선 방향으로는 가로 및 세로방향보다 중심부에서 더 거리가 멀어지게 되므로 멀어지는 거리만큼 대각선 방향으로 배치된 접촉 돌기의 단면적은 가로 폭과 세로 폭이 동시에 줄어들면서 가로 및 세로방향으로 배치된 접촉 돌기에 비해 상대적으로 더 작아지는 비율로 형성되어 있어서 대각선 최 외측의 접촉 돌기가 최소의 단면적을 형성하게 된다.
본 실시 예에서는 접촉 돌기(E1~E6)가 사각 기둥 형태로 이루어져 있고, 종횡으로 가지런하게 열을 이루도록 배치되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 접촉 돌기가 마름모형 기둥이나 다이아몬드형 또는 원형 기둥 형태를 이루면서 대각선 방향 또는 방사상으로 일정 간격 이격 배치될 수도 있음은 물론이다.
실제로, 본 발명자들은 접촉 돌기가 없이 평탄한 접촉면을 갖는 공지의 본딩 툴과 특허문헌 5의 본딩 툴 및 본 실시 예에 의한 본딩 툴을 적용하여 실제 반도체 칩을 레이저의 출력 및 조사 시간을 동일한 조건으로 하여 본딩하면서 실험한 결과, 반도체 칩의 본딩 온도는 반도체 칩의 종류에 따라 다를 수 있으나 보통은 솔더가 용융하는 온도인 220℃~400℃로 보았을 때 중앙부의 온도를 350℃ 정도로 승온 할 수 있도록 레이저 발진 파워와 시간에 대한 조건을 맞추면, 접촉 돌기가 없는 공지의 편평한 본딩 툴에서는 승온 시 상대적으로 많은 레이저 출력이 필요한 것은 물론이고, 반도체 칩 중앙부와 대각선 방향 최 외곽은 최대 150℃의 온도 편차가 있었으며, 특허문헌 5는 공지의 편평한 본딩 툴에 비해 레이저 출력을 약하게 조사해도 350℃로 승온 할 수는 있었으나, 중앙부와 대각선 방향의 최 외곽은 최대 100℃ 온도 편차가 있었으며, 본 실시 예 에서는 350℃ 승온까지 레이저 출력은 특허문헌 5의 본딩 툴과 유사하였으나 중앙부와 대각선 방향 최 외곽의 최대 40℃의 온도 편차만이 존재함을 알 수 있었는바, 본딩 툴의 중앙부와 외곽의 접촉 돌기 단면적을 달리 즉, 중앙부에서 외곽으로 갈수록 접촉 면적을 점차적으로 축소시키는 것에 의해 중앙부와 외곽의 온도 편차를 최소화할 수 있음을 확인할 수 있었다.
또, 도 6에는 본 발명의 다른 실시 예로 접촉 돌기(E1~E6)의 단면적을 중앙부에서 외곽으로 갈수록 작아지도록 변화시키는 대신 접촉 돌기(E1~E6) 간의 이격 거리(d1~d5)를 중앙부에서 외곽으로 갈수록 점차적으로 멀어지도록 형성하는 것에 의해 반도체 칩의 열적 분포를 균일하게 유지할 수 있도록 되어 있다.
즉, 본 실시 예에서는 접촉 돌기(E1~E6)의 단면적은 모두 동일하고, 그 대신 중앙부에서 외곽으로 갈수록 인접하는 접촉 돌기(E1~E6) 사이의 이격 거리(d1~d5)를 점차적으로 멀어지도록 형성하는 것에 의해 레이저 조사에 의해 가열된 반도체 칩 중앙부의 높은 온도는 접촉 돌기(E1~E6)의 밀도가 상대적으로 높은 중앙부에서는 본딩 툴로 열전달이 많이 이루어지고, 상대적으로 중앙부보다 온도가 낮은 외곽에서는 본딩 툴로의 열전달이 최소화되도록 함으로써 반도체 칩의 열적 분포가 중앙부에서부터 외곽까지 균일한 상태를 유지할 수 있도록 되어 있다.
본 실시 예에서는 가로 방향 및 세로 방향의 접촉 돌기 사이의 이격 거리가 모두 점차적으로 멀어지도록 형성되어 있으며, 이에 의해 중심부에서는 접촉 돌기의 밀도가 높고 외곽으로 갈수록 접촉 돌기의 밀도가 낮아져 결과적으로 반도체 칩과의 접촉 면적에 변화가 발생하는 것에 의해 반도체 칩 중심부의 고열은 상대적으로 많이 흡수하고, 외곽은 상대적으로 적게 흡수하여 열적 분포가 균일한 상태를 이루도록 함으로써 본딩 품질의 향상을 도모할 수 있다.
본 실시 예에서도 상술한 첫 번째 실시 예에서와 마찬가지로 중심부에서 가로 및 세로 방향으로의 접촉 돌기의 밀도 변화에 대하여 대각선 방향으로의 밀도 변화가 상대적으로 크게 이루어지게 됨으로써 중심부로부터 거리가 멀어지는 대각선 위치의 외곽에서의 열이동이 더 작아지게 되는 효과가 발생하게 된다.
도면상으로는 도시되어 있지 않으나, 본 발명은 상술한 2가지의 실시 예를 조합하는 것에 의해 즉, 중앙부의 접촉 돌기는 크게 하고 외곽으로 갈수록 단면적을 줄이는 방식과 동시에 중앙부의 접촉 돌기 간의 이격 간격은 좁고 외곽으로 갈수록 인접하는 접촉 돌기 간의 이격 간격을 넓게 형성하는 것에 의해 반도체 칩의 열적 분포가 더욱 균일한 상태를 이룰 수 있도록 할 수도 있음은 물론이다.
B : 레이저 빔
C : 반도체 칩
d1~d5 : 이격 거리
E,E1~E6 : 접촉 돌기
M : 서보 모터(또는 리니어 액추에이터)
G : 그루브
P : 기판
S : 척
W : 진공 벽
10 : 본딩 툴
12 : 매니폴드 블록
14 : 어태치
16 : 진공 홀
20 : 레이저 발생기
30 : 비접촉 온도측정기

Claims (10)

  1. 반도체 칩을 진공으로 흡착 고정한 후 기판 위에 놓고 가압시키는 본딩 툴과, 상기 본딩 툴의 상부에 설치되어 반도체 칩과 기판 간의 본딩을 위한 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생기와, 상기 반도체 칩 표면의 온도감시를 위한 비접촉 온도측정기를 포함하는 플립 칩 레이저 본딩장치에서;
    상기 본딩 툴은 레이저 발생기에서 조사되는 레이저 파장대를 투과할 수 있는 단결정 소재의 광학 윈도우로 이루어지며, 상기 본딩 툴은 진공제공수단으로부터 공급되는 진공이 작용하도록 반도체 칩 흡착용 진공 홀이 상하로 관통 형성되고, 상기 본딩 툴의 반도체 칩 접촉면 외곽에는 흡착 시 진공유지를 위한 진공 벽이 형성되며, 상기 본딩 툴의 반도체 칩 접촉면에는 반도체 칩에서 본딩 툴로의 열 이동을 제어하기 위해 접촉 면적을 줄이기 위한 접촉 돌기가 형성되되 상기 접촉 돌기는 레이저에 의한 승온 시 반도체 칩의 중앙부에서는 열전달 면적이 상대적으로 크고 외곽으로 갈수록 열전달 면적이 작아지는 패턴으로 형성되는 것에 의해 반도체 칩의 중앙부에서부터 외곽까지 균일한 온도 분포를 이루도록 한 것을 특징으로 하는 플립 칩 레이저 본딩장치의 본딩 툴.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉 돌기는 인접하는 접촉 돌기와 독립적으로 이격 형성되되 본딩 툴의 중앙부에 형성된 접촉 돌기의 단면적은 상대적으로 크고, 본딩 툴의 외곽으로 갈수록 접촉 돌기의 단면적은 점차적으로 작아지도록 형성된 것을 특징으로 하는 플립 칩 레이저 본딩장치의 본딩 툴.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉 돌기는 인접하는 접촉 돌기와 독립적으로 이격 형성되되 서로 동일한 단면적으로 형성되며, 상기 본딩 툴의 중앙부에서부터 외곽으로 갈수록 인접하는 접촉 돌기 사이의 이격 거리가 멀어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 플립 칩 레이어 본딩장치의 본딩 툴.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉 돌기는 인접하는 접촉 돌기와 독립적으로 이격 형성되되 상기 본딩 툴의 중앙부에서부터 외곽으로 갈수록 인접하는 접촉 돌기 사이의 이격 거리가 멀어지도록 형성됨과 동시에 중앙부에서 외곽으로 갈수록 접촉 돌기의 단면적이 점차적으로 작아지도록 형성된 것을 특징으로 하는 플립 칩 레이어 본딩장치의 본딩 툴.
  5. 청구항 2 내지 4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 돌기는 원형, 사각형, 마름모형, 다이아몬드형 단면 중의 어느 한 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 플립 칩 레이어 본딩장치의 본딩 툴.
  6. 청구항 2 내지 4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 본딩 툴의 중앙부에서부터 외곽으로 가면서 접촉 돌기의 단면적이 줄어드는 비율은 레이저의 조사에 의해 가열된 반도체 칩의 중심부에서 외곽으로 갈수록 변화되는 온도 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 플립 칩 레이어 본딩장치의 본딩 툴.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 접촉 돌기는 사각 단면 형태를 이루되 가로 방향으로는 세로 폭은 동일하고 가로 폭이 점차적으로 줄어들고, 세로 방향으로는 가로 폭은 동일하고 세로 폭이 점차적으로 줄어드는 패턴을 이루는 것을 특징으로 하는 플립 칩 레이어 본딩장치의 본딩 툴.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 접촉 돌기의 단면적 변화는 가로 및 세로방향으로의 점진적인 축소와 동시에 대각선 방향으로도 이루어지되 대각선 방향으로 배치된 접촉 돌기의 단면적은 가로 폭과 세로 폭이 동시에 줄어들면서 가로 및 세로방향으로 배치된 접촉 돌기에 비해 상대적으로 더 작아지는 비율로 형성되는 것을 특징으로 하는 플립 칩 레이어 본딩장치의 본딩 툴.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉 돌기와 반도체 칩 간의 접촉율은 70%~1%인 것을 특징으로 하는 플립 칩 레이저 본딩장비의 본딩 툴.
  10. 청구항 1 내지 4항 중의 어느 한 항에 의한 본딩 툴을 구비한 것을 특징으로 하는 플립 칩 레이저 본딩장치.
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