KR20000012174A

KR20000012174A - 반도체실장장비의납볼이송장치

Info

Publication number: KR20000012174A
Application number: KR1019990012752A
Authority: KR
Inventors: 허철웅
Original assignee: 이영철; 주식회사 훼스텍
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2000-03-06
Also published as: KR100320384B1

Abstract

본 발명은 BGA 방식의 반도체 실장 장비에서 납볼을 PCB(Printed Circuit Board)에 배열하기 위한 장비에서 납볼을 완전히 안착 시키는 장치에 관련된 것이다. 본 발명은 납볼의 크기에 상응하는 구멍들이 소정의 배열로 형성된 밑면을 갖고 공압밸브에 연결된 납볼 이송기판과, 상기 이송기판의 내부에 납볼을 진공구멍에서 분리하도록 하는 분리기를 포함하고 있는 납볼 범핑 장치를 제공한다. 본 발명은 진공력을 이용한 납볼 이송 장치에서, 진공력이 인가되면 진공구멍에 납볼을 흡착하고, 진공력을 제거하였을 때, 상기 납볼 분리돌기가 상기 진공구멍으로 돌출되면서 상기 납볼을 밀어내어 완전히 납볼을 납볼 이송기로부터 분리하도록 하였다.

Description

반도체 실장 장비의 납볼 이송 장치{A Solder-Ball Bumping Machine for Semiconductor Packaging System}

본 발명은 볼 그리드 어레이(혹은 BGA : Ball Grid Array) 방식의 반도체 실장 장비에 관련된 것이다. 특히, 본 발명은 BGA 방식의 반도체 실장 장비에서 납볼을 PCB(혹은 Printed Circuit Board)에 배열하기 위한 장비에서 납볼을 완전히 안착 시키는 장비에 관련된 것이다.

최근 급속한 반도체 산업의 성장으로 컴퓨터의 대중화는 물론 이동통신을 포함한 통신의 확산이 가속화되고 있다. 이러한 현대 사회의 전자 산업의 발전의 핵심이 바로 반도체 기술의 발전에서 비롯된 것이다. 반도체는 크게 논리(Logic) 소자와 메모리 소자로 나뉘는데, 제각기 다른 기능을 하고 있으나, 그 재료나 형상면에서 유사하며 이들을 서로 조합하여 새로운 제품으로 만들고 있다. 이렇게 다양한 제품으로 만드는 방법 역시 여러 가지가 존재하는데 그중에서 반도체 실장 기술이 가장 중요한 요소로 간주되고 있다. 반도체를 어떻게 포장하는가하는 실장기술은 수요자가 요구하는 기능을 갖는 반도체를 값싸고 효과적인 방법으로 정해진 시간내에 공급할 수 있는 방법을 찾아내는 작업이다. 종래에 사용되고 있는 반도체 실장 기술은 1959년 미국의 TI(Texas Instrument)사의 J.Kilby가 출원한 특허에 기인한 일명 리드(Lead) 방식을 사용하는 것이다. 리드 방식에 의한 반도체 실장 방법을 간략하게 살펴보면 다음과 같다. 먼저 집적회로가 구성된 실리콘 웨이퍼를 리드를 갖는 프레임(Frame)의 중심부에 위치시킨다. 그리고, 각 리드와 집적회로의 각 입출력 패드를 금(Gold)선으로 연결한다. 실리콘 웨이퍼와 리드가 외부의 충격에 견딜수 있도록 플라스틱이나 실리콘 재질로 성형 포장을 한다. 포장된 반도체 칩 외부로 돌출된 리드들은 그 칩이 사용될 방식에 알맞도록 구부림으로써 반도체 소자가 비로소 완성된다. 이와 같은 리드 방식은 실장이 완료된 반도체 소자의 리드가 전자 기기에 어떻게 연결되어 사용되는가에 따라서 여러 종류로 나뉘어진다. 종래의 반도체 실장 방법에는 Dual Inline Package(DIP), Single inline package(SIP), Pin Grid Array(PGA), Quad Flat Package(QFP), Thin QFP(TQFP), Small Outline Package(SOP), Thin SOP(TSOP) 등이 있다. 실장 방법들은 반도체 칩의 발전과 더불어 개발 발전되어온 것으로서, 반도체의 집적도가 급속도로 높아가는 추세에 따라 입출력 핀수가 증가하고, 초고속의 신호처리 및 고전압의 분산, 열의 효율적 방출등의 제반 특성과 동시에 경박단소라는 전자 부품업계의 필수 명제에 맞추어 진화되어온 것이다. 이중에서 가장 많은 입출력 핀의 수를 수용할 수 있는 것이 QFP인데, 일반적으로 0.5mm 정도의 핀 간격이 사용되고 있으며, 최소 0.3mm까지 가능하다. 그러나, 그 이하의 핀 간격은 생산공정이나 조립과정, 운반 및 취급도중에 핀의 손상이 가장 큰 문제로 남아 더 이상 간격을 좁힌다는 것은 불가능하다.

따라서, 외부의 충격에 대해 견고하고 많은 입출력 핀을 수용할 수 있는 실장이 필요하게 되었는데 그것이 바로 Ball Grid Array(BGA) 방식이다.

BGA 방식은 기존의 리드 프레임을 대신하여 PCB(Printed Circuit Board)를 사용함으로써 조립공정에서 트림(Trim), 폼(Form) 공정등을 없애고 PCB 기판 밑에 납볼을 장착시키는 공정 하나로 대체하는 획기적인 실장방법이다. BGA 방식은 리드 방식의 하나인 PGA(Pin Grid Array)에서 핀대신에 납볼을 사용한 것이기는 하지만, PGA가 미리 핀을 형성한 기판을 사용하여 실장을 완성하는 반면에 BGA는 납볼을 실장 완성 공정 후에 붙일 수 있으므로 기판이 저렴하고 대량생산에 유리한 장점을 갖고 있다.

BGA 방식에 의한 반도체 실장 방법을 간략하게 살펴보면 다음과 같다. 먼저 집적회로가 구성된 실리콘 웨이퍼를 밑면에 외부 기기와 연결되는 패드를 포함하고, 윗면에는 집적회로의 단자와 연결될 패드를 갖고 있으며 각 패드들을 회로적으로 연결되도록 구성된 PCB(Printed Circuit Board)의 윗면의 중심부에 위치시킨다. 그리고, PCB 윗면의 패드 집적회로의 각 입출력 패드를 금(Gold)선으로 연결한다. 실리콘 웨이퍼가 외부의 충격에 견딜수 있고 전기적으로 절연되도록 플라스틱이나 실리콘 재질로 성형 포장을 한다. 그리고, 실장이 완성된 PCB 기판의 밑면의 각 패드에 납볼을 부착함으로써 반도체 소자가 완성된다.

BGA 방식에 사용하는 기판에는 보통 PCB가 사용되는데, 세라믹이나 Flexible Circuit등이 활용되기도 한다. PCB를 사용하는 경우 흔히 plastic BGA(PBGA)라고 하고, 세라믹을 사용하는 경우 CBGA(Ceramic BGA)라고, flexible circuit를 사용한 경우 FBGA(Flex BGA 혹은 film BGA)라고 한다. 이외에도 구조나 사용 목적등에 따라 여러 가지로 분류하기도 한다.

본 발명은 BGA 방식 중에서도 반도체의 입출력 단자(여기서는 납볼)의 개수가 많이 요구되어 납볼의 크기가 0.25mm 이하인 극히 미세한 납볼을 사용하는 μ-BGA 방식의 반도체 실장 장비에 관련된 것으로서, 특히. 상기 미세한 납볼을 기판에 정렬할 때 사용하는 장비에 관련된 것이다. 본 출원인은 이미 이전에 BGA 방식의 반도체 실장 장비에 대한 특허를 대한민국 특허청에 출원한 바 있다. μ-BGA 방식으로 반도체를 실장하는 과정 중에서도 본 발명에 관련된 납볼을 PCB 기판에 정렬하는 범핑(Bumping) 장비의 구조 및 그 동작 방법을 살펴 보면 다음과 같다. 참고로 도 1은 μ-BGA 방식에서 일반적으로 사용되고 있는 진공 방식을 사용하는 납볼 범핑 장비를 사용하여 납볼을 PCB에 배열하는 과정을 나타내는 도면들이다.

도 1a에서 나타난 바와 같이 종래의 범핑 장비는 밑면에 다수의 진공구멍(3)을 갖고 있는 납볼 이송기(1)를 포함하고 있다. 그리고, 납볼 이송기(1)는 납볼을 상기 진공구멍(3)에 부착되도록 진공력을 제공하는 진공장치(9)에 연결되어 있다. 상기 진공구멍(3)은 진공력에 의해 납볼(5)을 잘 흡착할 수 있도록 하기 위해 적절한 형태와 크기를 갖는다. 예를 들어, 그 단면의 형상이 깔대기 형상을 하고, 진공구멍(3)의 입구는 납볼(5)의 직경과 같거나 약간 큰 크기를 갖는 다면, 진공 흡입력으로 납볼(5)을 잘 흡착할 수 있다.

상기와 같은 납볼 이송기(1)를 다수의 납볼(5)이 담겨져 있는 납볼 용기(7)로 이동한다. 그리고, 진공장치(9)를 가동하여 납볼 이송기(1)의 밑면에 형성된 다수의 진공구멍(3)에 납볼(5)들을 흡착한다(도 1a).

납볼(5)을 흡착하고 있는 상기 이송기(1)를 Flux(11)가 도포된 기판(15) 위에 정위치 시킨다. 상기 Flux(11)는 납볼(5)들을 PCB와 같은 기판(15)의 표면에 잘 접착하도록 하는 일종의 접착 물질이다. 그리고, 진공장치(9)의 구동을 멈추어 진공력을 제거하면, 납볼(5)들은 중력에 의해 자연히 이송기(1)의 진공구멍(3)에서 떨어져 기판(15)의 정 위치에 안착하게된다. 그러면, 납볼(5)들에 묻어있는 Flux(11)로 인하여 기판(15)의 표면에 어느 정도 접착된다. 이후에, 열을 가하여 납볼(5)들을 완전히 기판(15)의 표면에 완전히 부착시킨다(도 1b).

이와 같은 BGA 방식에서 납볼 정렬을 위한 도구는 진공기를 이용하여 납볼을 잡은 후 진공력을 제거하여 중력에 의해 납볼이 PCB 기판에 안착되도록 하는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 납볼의 크기가 0.3mm 정도인 실장 장비에서는 납볼 자체의 무게로 인한 중력으로 납볼이 정상적으로 낙하하여 PCB 표면에 원하는 형태로 배열될 수 있다. 그러나, μ-BGA와 같이 납볼의 크기가 0.25mm 이하인 실장 장비에서는 납볼의 중력만으로는 진공기에서 분리되어 PCB에 정상적으로 안착하지 못하는 경우가 종종 발생한다. 본 발명의 목적은 μ-BGA 방식을 적용하는 반도체 실장 장비에서 납볼을 기판위의 정상 배열 시킬 수 있는 납볼 범핑 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 진공흡입력을 이용한 납볼 이송장치를 이용하여 기판에 납볼을 공급하는 과정을 나타내는 단면도들이다.

도 2는 본 발명에 의한 진공흡입력과 납볼 분리기를 이용한 납볼 이송장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 진공흡입력과 납볼 분리기를 이용한 납볼 이송장치에서 사용되는 진공 구멍의 다양한 형태들을 나타내는 확대 단면도들이다.

도 4는 본 발명에 의한 진공흡입력과 납볼 분리기를 이용한 납볼 이송장치를 이용하여 기판에 납볼을 공급하는 과정을 나타내는 단면도들이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 101 : 납볼 이송기3, 103 : 진공 구멍

5, 105 : 납볼7, 107 : 납볼 용기

9, 109 : 진공장치11, 111 : Flux

15, 115 : 기판123 : 진동수단

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 납볼의 크기에 상응하는 구멍들이 소정의 배열로 형성된 밑면을 갖고 공압밸브에 연결된 납볼 이송기판과 상기 이송기판의 내부에 납볼을 진공구멍에서 분리하도록 하는 분리기를 포함하고 있는 납볼 범핑 장치를 제공한다.

도면을 참조하여 다음 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 자세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 의한 납볼 범핑 장치를 나타내는 단면도이다.

본 발명에 의한 납볼 범핑 장치는 진공력을 이용하여 납볼을 잡아서, 원하는 위치에 이송한 후, 진공력을 제거하여 납볼을 원하는 배열로 안착 시키도록 고안되어 있다. 따라서, 본 발명의 납볼 범핑 장치는 진공력을 공급 받는 납볼 이송기(101)를 포함하고 있다. 상기 납볼 이송기(101)는 그 밑면이 납볼(105)들을 잡아주는 진공구멍(103)들을 포함하고 있으며, 그 내부는 속이 비어있는 챔버의 형태를 갖고 있다. 상기 진공 구멍(103)들의 크기 및 형태는 사용하는 납볼(105)들에 상응하는 크기와 형태를 갖는다. 예를들어서, 그 단면이 깔대기 형상을 하고 있으며, 깔대기 입구의 크기가 납볼(105)의 크기보다 약간 크게 형성될 수 있다(도 3a). 또한, 구멍(103)이 납볼의 크기보다 작으면서, 납볼의 곡면 형상과 같이 안쪽으로 들어간 구면(104)을 갖고, 그 중앙 부위에 진공구멍(103)이 형성된 형상을 가질 수도 있다(도 3b).

상기 납볼 이송기(101)의 밑면에 형성된 상기 진공 구멍(103)들에 흡착력을 부여하기 위해 진공장치(121)가 상기 납볼 이송기(101)에 연결되어 있다. 그리고, 납볼 이송기(101)의 챔버 내부에는 진공력에 의하여 혹은, 도면에 도시되지는 않았지만, 별도로 부착된 구동장치의 구동력에 의해 상하로 왕복 운동할 수 있는 납볼 분리기판(125)이 설치되어 있다. 상기 납볼 이송기(101)의 내부 밑면과 마주보는 상기 분리기판(125)의 밑면에는 상기 진공구멍(103)을 통하여 안쪽에서 바깥쪽으로 관통할 수 있는 납볼 분리돌기(127)를 포함하고 있다.

도 4를 참조하여 본 발명에 의한 납볼 범핑 장치의 작동 방법을 자세히 설명하면 다음과 같다.

상기 납볼 이송기(101)의 밑면을 납볼(105)들이 가득찬 납볼 용기(107)로 이동한다. 상기 진공장치(121)를 작동시켜 상기 진공구멍(103)에 흡착력을 발생시킨다. 그러면, 상기 진공구멍(103)의 표면에 상기 납볼(105)들이 들러붙게된다. 동시에 상기 납볼 이송기(101)의 내부에 설치된 납볼 분리기판(125)이 진공력에 의해 위쪽으로 올라가게 된다. 따라서, 납볼 분리 돌기(127)도 진공구멍(103)에서 일정 거리 떨어진 위치에 있게된다. 따라서, 상기 납볼 분리 돌기(127)가 납볼(105)들이 상기 진공구멍(103)에 흡착하는데 아무런 방해요인으로 작용하지 않는다(도 4a).

그리고 나서 다시 상기 납볼 이송기(101)를 납볼(105)들이 배열될 Flux(111)가 도포된 PCB와 같은 기판(115)의 표면 바로 위 부분에 정렬한다. 그리고, 상기 진공장치(109)의 작동을 멈추면, 상기 진공 구멍(103)에 공기압이 외부의 공기압과 동일해지고, 상기 납볼 이송기(101) 밑면에 붙어있던 납볼(105)들이 밑으로 떨어져 기판(115) 위에 배열된다. 진공력을 이용하여 납볼 분리기판(125)를 구동하는 경우에는, 이와 동시에 상기 납볼 이송기(101) 챔버(121) 내부에 진공력에 의해 위로 올라가 있던 납볼 분리기판(125)이 진공력이 없어짐에 따라 내려오게 된다. 한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 별도로 부착된 납볼 분리기판(125) 구동 장치를 사용하는 경우에는 외부의 공기압과 진공장치 내부의 압력이 동일시 되는 시점에서 구동장치를 가동하여 상기 납볼 분리기판(125)이 내려오도록 한다. 따라서, 납볼 분리기판(125)의 밑면에 설치된 납볼 분리돌기(127)들이 상기 진공구멍(103)으로 통해 납볼 이송기(101) 밖으로 돌출되면서, 붙어있던 납볼(105)들을 밀어낸다. 그럼으로써, 납볼 이송기(101) 밑면에 붙어 있던 납볼(105)들이 완전히 떨어져 기판(115)에 정확히 배열되도록 한다(도 4b).

본 발명은 μ-BGA 방식의 반도체 실장 장비에서 납볼을 이송하는 범핑 장비에 관련된 것이다. 본 발명은 진공력을 이용한 납볼 이송 장치의 내부에 상기 진공력의 유무에 따라 상하 운동을 함으로써 납볼 이송 장치의 진공 구멍을 통해 왕복운동하는 납볼 분리돌기를 포함하는 납볼 분리기판을 설치함으로써, 진공력이 인가되면, 진공구멍에 납볼을 흡착하고, 진공력을 제거하였을 때, 상기 납볼 분리돌기가 상기 진공구멍 외부로 약간 돌출되면서 상기 납볼을 밀어내어 완전히 납볼을 납볼 이송기로부터 분리하도록 하였다. 따라서, 본 발명은 미세한 납볼이 납볼 이송기에서 정확히 분리되어 기판에 정확히 안착하도록 함으로써 제품 불량 발생을 최소화하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

납볼의 크기에 상응하는 구멍들이 소정의 배열로 형성된 밑면을 갖고 공압기에 연결된 납볼 이송기판과;

상기 이송기판의 내부에 납볼을 진공구멍에서 분리하도록 하는 분리기를 포함하고 있는 납볼 이송장치.
제 1항에 있어서,

상기 분리기는 상기 이송기판의 크기에 상응하는 분리기판과;

상기 분리기판과 상기 이송기판과 마주보는 면에 형성되어 상기 진공구멍의 외부에 흡착된 납볼을 밀어낼 수 있는 분리 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 납볼 이송장치.
제 2항에 있어서,

상기 공압기에서 진공력을 공급하면, 상기 분리기판이 위로 이동하여 상기 분리돌기는 상기 진공구멍에서 이탈되어 납볼이 상기 진공구멍에 흡착되도록 하고, 상기 공압기에서 진공력이 제거되면, 상기 분리기판이 아래로 이동하여 상기 분리돌기가 상기 진공구멍의 외부에 흡착되었던 납볼을 이탈시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 납볼 이송장치.
제 2항에 있어서,

상기 분리기판은 상기 이송기판의 내부에 장착된 상하 왕복운동 구동장치에 의해서 상기 공압기에서 진공력이 공급될 때 위로 이동하여 상기 분리돌기가 상기 진공구멍에서 이탈되어 납볼이 상기 진공구멍에 흡착되도록 하고, 상기 공압기에서 진공력이 제거될 때 아래로 이동하여 상기 분리돌기가 상기 진공구멍의 외부에 흡착되었던 납볼을 이탈시킬 수 있는 것을 특징으로 납볼 이송장치.