KR102555582B1 - 플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치 - Google Patents

플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 본딩 시 발생하는 칩과 기판의 휨과 위치의 틀어짐을 기계적으로 오차 없이 본딩할 수 있도록 반도체 칩과 기판을 가압하기 위한 가압 툴(H)을 고정하는 고정 유니트(110)와, 상기 고정 유니트(110)가 Z축 방향으로 승강되는 것을 가이드 하기 위한 수직 가이드(120)와, 상기 고정 유니트(110)를 수직으로 승강시키는 액추에이터(130)를 포함하여 이루어지며, 상기 고정 유니트(110)는 가압 툴(H)의 상부 외측 중앙에 가압롤러(112)가 구비되고, 상기 액추에이터(130)는 수직 지지판(V)의 상부에 고정된 서보모터(132)와, 상기 서보모터(132)에 축결합된 볼 스크류(134)와, 상기 볼 스크류(134)에 의해 수직으로 승강되는 승강블록(136) 및 상기 승강블록(136)에 수평으로 부착되어 상기 가압롤러(112)와 접촉하여 고정 유니트(110)를 승강시키는 가압 보(138)로 구성된 플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치가 개시된다.

Description

플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치{A PRECISE PRESSING DEVICE FOR FLIP CHIP BONDING}
본 발명은 반도체 칩을 기판에 접합하기 위한 레이저 본딩장치에 관련된 것으로, 상세히는 레이저 본딩 시 발생하는 칩과 기판의 휨과 위치의 틀어짐을 기계적으로 오차 없이 본딩하기 위한 플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치에 관한 것이다.
일반적으로 플립칩 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 제대로 본딩되지 않고 범프 혹은 반도체 칩의 미세회로층이 파손되는 현상이 나타난다.
수천 개가 넘는 범프 중 하나라도 파손되면 패키지 기능에 문제가 생길 수 있으므로 리플로우를 통과하는 도중 범프가 손상되지 않도록 많은 노력을 기울여왔다.
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 1~2초의 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 본딩은 기존 컨벡션 리플로우 설비에 비해 1/7 정도의 작은 크기이며, N2 가스가 불필요하기 때문에 공간활용 측면에서도 매우 뛰어나다.
또, 최신의 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 접합면적은 넓어지고 있으며, 2.5D/3D 패키지의 적용비율이 높아지고 있다.
이러한 이유로 반도체 칩의 본딩 공정에 있어서 국부적인 열을 단시간에 가열하여서 본딩하는 방법을 최근 도입되고 있다. 그러나 칩에 직접 열을 가하게 되더라도 무언가 칩을 정밀하게 눌러주지 않으면 뒤틀림 또는 범프와 범프가 그 영향에 의하여 Chip의 굴곡에 의한 품질 저하를 초래하게 되는데 특허문헌 1을 비롯한 기존의 레이저 본딩/솔더링 방식에서는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 가압장치(10)가 본딩헤드를 포함하는 가압 툴(H)이 고정된 외팔보(12)와, 상기 외팔보(12)를 승강시키기 위한 액추에이터(14) 및 상기 외팔보(12)의 일측을 상하로 승강가능하게 지지하는 LM가이드(16)를 포함하여 이루어진 구조적으로 단순한 외팔보 형태를 취하고 있으므로 이러한 외팔보 형태로 이루어진 가압장치를 사용하여 가압을 하게 되면 도 2에 개략적으로 도시한 바와 같이 외팔보의 구조상 어쩔 수 없이 발생하는 변형 즉, 외팔보(12)가 누르는 힘이 가압툴(H)에 가해질 때 반작용에 의해 외팔보(12)에 미세한 변형 즉, 벤딩 모멘트(Bending moment)가 발생하게 되므로 외팔보(12)의 고정단(도면상에서 우측) 보다는 자유단(도면상에서 좌측) 쪽으로 갈수록 힘이 적게 분포되게 되고 기판(S)이 안치된 테이블(T)과 반도체 칩(C)이 고정된 가압툴(H) 사이의 평행도와 직각도가 깨지게 되는데, 이에 의해 가압 시 반도체 칩(C)과 기판(S) 사이의 각도 오차와 위치 오차가 발생하여 도 1의 부분 확대도에서 알 수 있는 바와 같이 반도체 칩(C)의 범프(B1)와 기판(S)의 범프(B2)가 서로 위치가 맞지 않아서 통전이 되지 않는 상태를 유발하여 본딩 불량이 발생하고 있다.
도면 중 부호 L은 가압툴(H)을 관통하여 반도체 칩과 기판에 레이저광을 조사하기 위한 레이저발생기이다.
따라서, 레이저를 이용하여 열을 가하고 칩의 굴곡에 의한 품질저하를 막기 위하여 가압을 할 수 있는 정밀한 수단을 제공하고, 가압 면에 대하여 굴곡이 지지 않도록 할 필요성이 있으며, 가압 툴에 의한 가압 시 위치 틀어짐 오차를 현재 최고 정확도 2㎛ 이내가 되도록 할 수 있는 매우 정밀한 가압장치가 요구되고 있다.
한국등록특허 제10-2248159호(2021.04.28. 등록) 한국공개특허 제10-2020-0142953호(2020.12.23. 공개) 한국공개특허 제10-2021-0052274호(2021.05.11. 공개) 한국등록특허 제10-0709614호(2007.04.13. 등록)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존 레이저 본딩방식에서 외팔보 방식으로 이루어진 가압장치에서 반도체 칩과 기판의 위치 틀어짐으로 인한 접합 불량(Non-wet)을 해소할 수 있는 개선된 구조의 플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명 또, 가압장치의 기본적인 구조는 외팔보 형태로 이루어지도록 하여 가압장치의 구조와 크기는 단순화 및 최소화하면서도 가압 시 발생할 수 있는 위치 변화 및 틀어짐으로 인한 접합 불량을 해소할 수 있는 개선된 구조의 플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 칩과 기판을 가압하기 위한 가압 툴을 고정하는 고정 유니트와, 상기 고정 유니트가 Z축 방향으로 승강되는 것을 가이드 하기 위한 수직 가이드와, 상기 고정 유니트를 수직으로 승강시키는 액추에이터를 포함하여 이루어지고;
상기 고정 유니트는 가압 툴의 상부 외측 중앙에 가압롤러가 구비되고, 상기 수직 가이드는 수직 지지판에 외팔보 식으로 수평 고정된 수평지지판과, 상기 수평 지지판의 하부에 수직으로 설치된 가이드 바로 이루어져 상기 고정 유니트가 수직으로 승강되도록 가이드하고, 상기 액추에이터는 수직 지지판의 상부에 고정된 서보모터와, 상기 서보모터에 축결합된 볼 스크류와, 상기 볼 스크류에 의해 수직으로 승강되는 승강블록 및 상기 승강블록에 수평으로 부착되어 상기 가압롤러와 접촉하여 고정 유니트를 승강시키는 가압 보로 구성된 플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치를 제공한다.
바람직한 실시 예에서, 상기 승강블록과 가압 보 사이에는 로드 셀이 설치되고, 상기 서보모터는 로드 셀에서 감지된 압력과 가압 툴 위치의 2가지 목표값을 가지고 제어되는 플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 의하면 외팔보 형태로 이루어져 있기는 하지만, 반도체 칩을 기판 측으로 압착할 때, 가압 툴이 고정된 고정 유니트의 중심부를 가압하는 방식으로 이루어져 있으므로 가압 시 수직 가이드의 수평지지판에서 변형이 되지 않고 가압 보에서 변형이 발생되어 위치오차와 각도오차는 발생하지 않는다. 즉, 가압 보는 외팔보의 구조를 이루고 있으므로 구조적으로 편측 변형이 발생할 수밖에 없으나 본 발명에서는 변형이 발생하지 않는 수직 가이드의 수평지지판은 직접적으로 편측의 변형에 의한 오차 없이 고정 유니트가 정밀한 가압을 할 수 있도록 해주게 되므로 반도체 칩과 기판의 위치 틀어짐을 방지하여 반도체 칩과 기판과의 본딩 위치정확도를 향상시켜 접합품질을 향상시키고 불량률을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 외팔보 구조로 이루어진 플립칩 본딩용 가압장치의 가압상태를 도시한 정면도,
도 2는 도 1에 도시된 외팔보 구조의 가압장치에서 변형이 발생하는 원인을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 플립칩 본딩용 가압장치의 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 가압장치의 정면도,
도 5는 도 3에 도시된 가압장치를 사용하여 반도체 칩을 기판에 가압하는 상태를 보인 정면도 및 요부 확대도이다.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3 내지 5에는 본 발명의 일 실시 예에 의한 플립칩 본딩용 정밀 가압장치(100)가 도시되어 있는데, 이는 반도체 칩과 기판을 가압하기 위한 가압 툴(H)을 고정하는 고정 유니트(110)와, 상기 고정 유니트(110)가 Z축 방향으로 승강되는 것을 가이드 하기 위한 수직 가이드(120)와, 상기 고정 유니트(110)를 수직으로 승강시키는 액추에이터(130)를 포함하여 이루어져 있다.
본 실시 예에서. 상기 고정 유니트(110)는 가압 툴(H)의 상부 외측 중앙에 가압롤러(112)가 구비되고, 상기 수직 가이드(120)에 의해 상하 수직으로 승강이동이 가능하도록 되어 있는데, 상기 수직 가이드(120)는 수직 지지판(V)에 외팔보 식으로 수평 고정된 수평지지판(122)과, 상기 수평 지지판(122)의 하부에 수직으로 설치된 가이드 바(124)로 이루어져 상기 고정 유니트(110)가 수직으로 승강되도록 가이드 하게 된다.
도면 중 부호 126은 레이저발생기(L)에서 조사된 레이저가 고정유니트(110)하부의 가압 툴(H)을 관통하여 반도체 칩과 기판에 조사될 수 있도록 하기 위한 관통홀이다.
본 실시 예에서, 상기 액추에이터(130)는 수직 지지판(V)의 상부에 고정된 서보모터(132)와, 상기 서보모터(132)에 축결합된 볼 스크류(134)와, 상기 볼 스크류(134)에 의해 수직으로 승강되는 승강블록(136) 및 상기 승강블록(136)에 수평으로 부착되어 상기 가압롤러(112)와 접촉하여 고정 유니트(110)를 승강시키는 가압 보(138)로 구성되어 있으며, 상기 승강블록(136)은 수직 지지판(V)에 LM가이드(139)로 고정되어 상하 수직으로 승강동작이 가능하도록 되어 있다.
또, 본 실시 예에서, 상기 승강블록(136)과 가압 보(138) 사이에는 도 3에 가상선으로 도시된 바와 같이 로드 셀(140)이 설치되고, 상기 서보모터(132)는 로드 셀(140)에서 감지된 압력과 가압 툴(H) 위치의 2가지 목표값을 가지고 제어되도록 되어 있다.
이를 설명하면, 도면상으로는 구체적으로 도시되어 있지 않지만, 본 실시 예에 의한 가압장치(100)는 가압 툴(H)이 초기위치에서 설정되어 있는 저속전환 높이까지 도시 생략된 Z축 업다운 모터에 의해 고속으로 하강하고, 상기 가압장치(100)의 서보 모터(132) 구동에 의해 상기 저속전환 높이에서부터 스타트 높이까지 중속으로 하강하며, 상기 스타트 높이에서부터 반도체 칩(C)의 접촉 높이까지 저속으로 하강하고, 상기 저속 하강단계에서 가압 툴(H)이 반도체 칩(C)에 접촉되어 로드 셀(140)에서 감지하는 압력이 최소 3N에 도달하게 되면 가압 툴(H)과 반도체 칩(C)이 접촉된 것으로 판단하고, 접촉 후 본딩에 필요한 타킷 압력값을 3N 이상을 사용자가 임의로 설정하면 레이저 발생기(L)가 발진하여 레이저를 조사함으로써 본딩을 실시하며, 본딩이 완료되면 가압 툴(H)이 종료 높이까지 상승하여 본딩작업을 완료하게 되는데, 상기 본딩 단계에서 레이저 조사에 의합 접합공정시 반도체 칩(C)과 기판(S)의 열팽창이 발생하는 구간에서 상기 가압장치(100)가 압력제어에서 순간적인 위치제어로 전환되어 논-웨트 현상을 방지하도록 구성되어 있다.
본 실시 예에서는 반도체 칩(C)을 가압하기 위한 가압 툴(H)이 고정된 고정 유니트(110)가 수직 가이드(120)에 의해 상하 수직으로 승강동작이 이루어질 수 있도록 설치되어 있고, 상기 고정 유니트(110)의 가압 툴(H) 상부 외측의 중앙에 구비된 가압롤러(112)가 액추에이터(130)의 가압 보(138)에 의해 눌리는 방식으로 이루어져 있으므로 실제 고정 유니트(110)의 하부에 구비된 가압 툴(H)에 가해지는 압력은 기존 단순 외팔보 방식으로 고정 유니트 즉, 가압 툴(H)을 가압하던 구조에서 필연적으로 발생할 수밖에 없던 좌우(내외측 간) 가압력의 차이 및 외팔보의 변형으로 인한 인한 반도체 칩과 기판 사이의 위치 변화가 발생하지 않게 되므로 반도체 칩(C)과 기판(S)과의 본딩 즉, 반도체 칩(C) 및 기판(S)에 형성된 범프(B1,B2)간의 위치정확도를 향상시켜 접합품질을 극대화하고 불량률을 현저히 줄일 수 있는 이점이 있다.
이러한 이유를 구조적으로 설명하면, 상기 가이드 바(124)는 고정 유니트(110)의 하부에 설치된 가압 툴(H)을 중심으로 좌우 및 전후 측에 4개가 배치되어 있어서 고정 유니트(110)의 수직 승강운동이 안정적으로 이루어질 수 있도록 되어 있으며, 가압 보(128)의 하강에도 불구하고 상기 가이드 바(124)를 지지하고 있는 수평 지지판(122)은 직접적으로 연결되어 있지 않으므로 아무런 변형력이 가해지지 않는 구조이며, 상기 고정 유니트(110)의 외측에 구비된 가압롤러(112)는 가압 툴(H)의 상부 외측 중앙 즉, 상기 가압 툴(H)과 동일한 중심선상에 배치되어 있어서 액추에이터(130)의 가압 보(138)가 하강하면서 누르게 될 때 가압툴(H)에 가해지는 압력이 전체적으로 균일하게 분포되도록 함으로써 압력 편차가 발생하지 않고, 상기 가압 보(138)의 하강시 가압 보에 벤딩 모멘트가 발생하더라도 이러한 벤딩 모멘트는 가압롤러(112)를 거쳐 가압 툴(H)에 의해 가압되는 기판과 반도체 칩 간의 평행도 유지에는 아무런 영향을 끼치지 않게 되므로 가압 시 반도체 칩(C)과 기판(S) 사이의 각도 오차가 발생하는 것을 방지함으로써 도 5에 도시된 바와 같이 반도체 칩(C)의 범프(B1)와 기판(S)의 범프(B2)가 서로 위치가 정확하게 일치된 상태로 정상적인 본딩이 이루어질 수 있게 되는 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 예에 의한 가압장치는 가압 툴(H)이 설치된 고정 유니트(110)가 수직 가이드(120)에 의해 수직으로 승강동작이 이루어질 수 있도록 지지된 상태에서 액추에이터(130)의 가압 보(138)가 고정 유니트(110)의 중앙 위치에 구비된 가압롤러(112)를 가압하도록 구성되어 있으므로 가압 보(138)의 가압력이 고정 유니트(110) 하부의 가압 툴(H)에 균일하게 분산되어 가해지게 되므로 가압 툴(H)에 의해 가압되는 반도체 칩(C)과 테이블(T)에 고정된 기판(S)간의 위치 틀어짐이나 평행도가 깨지는 현상이 발생하지 않고 가압된 상태로 범프간 본딩이 이루어질 수 있게 되므로 기존 외팔 보 방식으로 이루어진 가압장치에서의 본딩불량문제를 해결할 수 있으며, 본 발명 또한 외팔보 방식으로 이루어져 있어서 구조구조와 크기는 단순화 및 최소화하면서도 본딩불량 문제를 해소할 수 있게 되는 등의 이점이 있다.
100 : 가압장치
110 : 고정유니트
112 : 가압롤러
120 : 수직 가이드
122 : 수평 지지판
124 : 가이드 바
126 : 관통홀
130 : 액추에이터
132 : 서보모터
134 : 볼 스크류
136 : 승강 블록
138 : 가압 보
140 : 로드 셀
B1,B2 : 범프
C : 반도체 칩
H : 본딩 툴
L : 레이저발생기
S : 기판
T : 테이블
V : 수직 지지판

Claims (3)

  1. 반도체 칩과 기판을 가압하기 위한 가압 툴(H)을 고정하는 고정 유니트(110)와, 상기 고정 유니트(110)가 Z축 방향으로 승강되는 것을 가이드 하기 위한 외팔보 형태의 수직 가이드(120)와, 상기 고정 유니트(110)를 수직으로 승강시키는 액추에이터(130)를 포함하며,
    상기 고정 유니트(110)는 가압 툴(H)의 상부 외측 중앙에 가압롤러(112)가 구비되고,
    상기 수직 가이드(120)는 수직 지지판(V)에 외팔보 식으로 수평 고정되되 내측에는 레이저 발생기(L)에서 조사된 레이저가 고정 유니트(110)의 가압툴(H)을 관통하여 반도체 칩과 기판에 조사될 수 있도록 하기 위한 관통홀(126)이 형성된 수평 지지판(122)과, 상기 수평 지지판(122)의 하부에 수직으로 설치된 가이드 바(124)로 이루어지고,
    상기 액추에이터(130)는 수직 지지판(V)의 상부에 고정된 서보모터(132)와, 상기 서보모터(132)에 축결합된 볼 스크류(134)와, 상기 볼 스크류(134)에 의해 수직으로 승강되는 승강블록(136) 및 상기 승강블록(136)에 수평으로 부착되어 상기 가압롤러(112)와 접촉하여 고정 유니트(110)를 승강시키는 가압 보(138)로 구성되며, 상기 승강블록(136)은 수직 지지판(V)에 LM가이드(139)로 고정되어 상하 수직으로 승강동작이 이루어지면서 상기 고정 유니트(110)의 중심부를 가압하여 레이저 본딩 시 반도체 칩과 기판의 휨과 위치의 틀어짐으로 인한 접합 불량을 해소할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가이드 바(124)는 고정 유니트(110)의 하부에 설치된 가압 툴(H)을 중심으로 좌우 및 전후 측에 4개가 배치되고, 상기 고정 유니트(110)의 외측에 구비된 가압롤러(112)는 가압 툴(H)과 동일한 중심선상에 배치된 것을 특징으로 하는 는 플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 승강블록(136)과 가압 보(138) 사이에는 로드 셀(140)이 설치되고, 상기 서보모터(132)는 로드 셀(140)에서 감지된 압력과 가압툴(H) 위치의 2가지 목표값을 가지고 제어되는 것을 특징으로 하는 플립칩 본딩을 위한 정밀 가압장치.
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