KR20050012384A - 플립칩 본더장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플립칩 본더장치에 관한 것으로, 가열판의 하부중앙에 하나의 할로겐램프를 사용하여 복사열의 광원으로 쓰는 동시에 여기서 나오는 적외선을 이용하여 정렬을 위한 광으로 활용하는 플립칩 본더장치에 관한 것이다.

본 발명은 실리콘기판이 상면에 위치되는 가열판과, 상기 가열판의 하측에 설치되어 상기 가열판을 가열하는 가열부와, 상기 실리콘기판의 상면에 정렬홀이 형성된 플립칩이 로딩될 때 상기 실리콘기판과 상기 플립칩의 정렬홀을 관통하는 적외선을 감지하도록 상기 플립칩의 상부에 설치되는 적외선센서를 구비하는 플립칩 본더장치에 있어서,

상기 가열부는 가열판의 하부중심에 위치하여 열을 발생시키는 동시에 상기 실리콘기판 및 플립칩의 정렬홀을 관통하는 적외선을 발생시키는 한 개의 할로겐 램프로 구성되고; 상기 할로겐 램프의 하측 및 양측면과 이격 형성되어 램프에서 발생한 열을 반사시키는 반사대를 포함하여 구성된다.

본 발명의 플립칩 본더장치는 할로겐 램프로 가열하여 가열판을 빠른 속도로 가열할 수 있고 가열판의 온도를 작은 편차범위내에서 일정하게 유지할 수 있으며 가열판의 위치에 따른 온도차를 줄이는 효과가 있다.

Description

플립칩 본더장치 {Flip-chip bonder}

본 발명은 플립칩 본더장치에 관한 것으로, 보다 자세히는 가열판의 하부중앙에 하나의 할로겐램프를 사용하여 복사열의 광원으로 쓰는 동시에 여기서 나오는 적외선을 이용하여 정렬을 위한 광으로 활용하는 플립칩 본더장치에 관한 것이다.

종래 기술에 의한 플립칩 본더장치는 일본공개번호 제04199525호와 대한민국 공개번호 특2002-0090813호에 기재되어 있다.

일반적으로 종래 기술에 의한 플립칩 본더장치의 구성과 작동은 다음과 같다.

플립칩 본더장치는 가열수단이 구비된 핫척과, 상기 핫척이 올려지는 스테이지부와, 플립칩을 이송하는 본딩헤드부를 포함하여 구성된다.

우선, 핫척의 상면에 실리콘기판을 위치시키고 상기 핫척의 상부에 설치된 본딩헤드부의 단부에 상기 실리콘기판과 본딩될 플립칩을 진공흡착시키게 된다.

상기 본딩헤드부의 단부에 흡착된 상기 플립칩은 상기 실리콘기판의 상부로 이동하게 되고, 상기 플립칩 상측에는 광학 카메라가 설치되어 상기 실리콘기판과 상기 플립칩의 정렬마크를 각각 인식하게 된다.

상기 광학 카메라에 의해 인식된 정보를 토대로 상기 플립칩과 상기 실리콘기판을 X축 및 Y축 방향으로 각각 이동시키며 본딩될 정위치를 정한다.

그리고, 상기 본딩헤드부의 단부가 하강하며 상기 핫척의 상면에 상기 플립칩이 접촉하고, 이때 상기 핫척의 상면에 열이 가해지면 상기 실리콘기판의 상면에 도포되어 있던 납이 녹게 되면서 상기 플립칩과 상기 실리콘기판이 압착하게 된다.

결국, 상기 고온의 납이 식게 되면 상기 플립칩과 상기 실리콘기판 사이의본딩은 완료되게 되는 것이다.

이러한 플립칩 본더장치에서, 핫척(hot chuck)은 실제 모듈접합이 이루어지는 부분으로 고형접착제인 땜납(solder)을 녹여 광모듈을 접합할 수 있도록 가열하는 역할을 담당한다. 초정밀 스테이지 위에 장착되는 작은 장치이지만 광모듈 접합장치의 효율과 성능을 결정하는 핵심장치이다.

광모듈 접합장비의 핵심부인 핫척(hot chuck)이 수행하는 일차적인 기능은 고형접착제인 땜납(solder)을 용해시켜 접착력을 확보하기 위한 가열이다. 이와 관련하여 고려해야 하는 열적 요구조건은 공정시간 단축을 위하여 가열판을 일정 속도 이상으로 가열할 수 있어야 하며, 접합공정중 가열판의 온도는 일정 편차안에서 유지되도록 제어할 수 있어야 하며, 열변형 건전성을 위하여 가열판의 위치에 따른 온도차는 작아야 한다.

이 중 가장 핵심적인 기술적 요구조건은 급속가열이다. 이러한 급속가열을 구현하기 위해서는 12W/㎠ 이상의 높은 면적당 가열용량이 요구된다. 그러나, 금속이나 세라믹 재료에 전기를 흘려 전기저항에 의해 발생하는 열을 이용하는 접촉식 히터의 가열성능은 최대 20W/㎠ 정도에 불과하다. 실제 반도체 공정에서 사용되는 세라믹 히터의 경우, 히터 본체의 열관성이 커서 가열시간(heat-up time)이 수분정도 소요된다는 것이 참고가 될 수 있다. 따라서 이와 같은 전도형 히터를 선택하는 경우 설계 여유가 거의 없어 실제 히터에서 열손실이 발생하거나 두께가 늘어나는 경우 원하는 가열속도를 충족시키는 것이 불가능해지는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 가열수단으로 할로겐 램프가 사용되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 할로겐 램프를 사용한 플립칩 본더장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 일부를 절단한 단면 사시도로서 이를 참조하면, 플립칩 본더장치는 실리콘 기판이 상면에 위치되는 가열판(110)과, 상기 가열판(110)의 하측에 설치되는 할로겐 램프(121)와, 상기 할로겐 램프(121)의 양 단자가 끼워지는 소켓(125)과, 상기 할로겐 램프(121)의 측면 및 하측에 설치되는 반사대(123)와, 상기 반사대(123)를 지지하는 지지대(131)를 포함하여 구성된다.

상기 반사대(123)의 하측에는 적외선 발생기(141)가 설치된다. 상기 적외선 발생기(141)에서 발생한 적외선이 상기 반사대(123) 중앙의 적외선 통로(127)를 따라 상측의 가열판(110)으로 안내된다. 이 적외선은 가열판의 중앙에 난 구멍을 통과하고 그 위의 실리콘 기판을 투과하여 플립칩에 난 정렬마크 모양의 구멍을 통과하여 다시 본더장치의 상부에 설치된 적외선 카메라에서 인식하게 된다.

도 3은 종래 기술에 따른 플립칩 본더장치에 사용되는 반사대의 단면도로서, 상기 반사대(123)는 중앙에 적외선 통로(127)가 형성되어 있어서 좌우 대칭되는 형상으로 형성되어 2개의 할로겐 램프가 장착되어야 한다.

이러한 플립칩 본더장치는 2개의 할로겐 램프를 필요로 하기 때문에 그 장착 구조가 복잡해지고, 불필요한 열공급이 많아져서 핫척의 하부인 초정밀 스테이지로의 열전달 또한 많아지게 되며 이에 따른 열변형으로 인해 접합 정밀도가 저하되는 문제점이 있다.

또한, 상기 반사대에서 반사된 빛과 열을 한 곳으로 집중시키기 어려워서 적외선 발생기가 별도로 설치되어야 하고 가열판의 위치에 따라 온도 편차가 발생되며 가열효율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 할로겐 램프의 빛과 열을 집중시킴으로써 빠른 가열속도를 갖도록 하여 공정시간을 단축할 수 있는 플립칩 본더장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 할로겐 램프의 빛과 열을 집중시켜 별도의 적외선 발생기를 필요로 하지 않는 간단한 구조로 소형화가 가능한 초정밀 플립칩 본더장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 가열판의 위치에 따른 온도차를 줄여 열변형을 방지하고 스테이지로의 열전달을 저감하여 열변형에 의한 정밀도 저하를 방지하는 플립칩 본더장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 플립칩 본더장치의 사시도이고,

도 2는 도 1의 일부를 절단한 단면 사시도이고,

도 3은 종래 기술에 따른 플립칩 본더장치에 사용되는 반사대의 단면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 플립칩 본더장치의 사시도이고,

도 5는 도 4의 일부를 절단한 단면 사시도이고,

도 6은 본 발명에 따른 플립칩 본더장치의 반사대를 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 가열판 내측부 11a : 관통홀

12 : 가열판 외측부 12a : 열전대 설치홀

21 : 할로겐 램프 23 : 반사대

25 : 소켓 31 : 지지대

127 : 적외선 통로 141 : 적외선 발생기

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

실리콘기판이 상면에 위치되는 가열판과, 상기 가열판의 하측에 설치되어 상기 가열판을 가열하는 가열부와, 상기 실리콘기판의 상면에 정렬홀이 형성된 플립칩이 로딩될 때 상기 실리콘기판과 상기 플립칩의 정렬홀을 관통하는 적외선을 감지하도록 상기 플립칩의 상부에 설치되는 적외선센서를 구비하는 플립칩 본더장치에 있어서,

상기 가열부는 가열판의 하부중심에 위치하여 열을 발생시키는 동시에 상기실리콘기판 및 플립칩의 정렬홀을 관통하는 적외선을 발생시키는 한 개의 할로겐 램프로 구성되고; 상기 할로겐 램프의 하측 및 양측면과 이격 형성되어 램프에서 발생한 열을 반사시키는 반사대를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 반사대는 그 상측부를 개방하고 하측부는 타원형으로 형성하되, 상기 타원의 일 초점에 상기 할로겐 램프의 중심을 위치시키고, 타 초점에 상기 가열판을 위치시키는 것이 바람직하다.

한편, 상기 반사대의 재질은 복사흡수율과 열전도율을 고려할 때 금속재료인 알루미늄이나 알루미늄 합금을 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 의한 플립칩 본더장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 플립칩 본더장치의 사시도이며, 도 5는 도 4의 일부를 절단한 단면 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 실리콘 기판이 상면에 위치되는 가열판(10)과, 상기 가열판(10)의 하측 중심부에 설치되는 한 개의 할로겐 램프(21)와, 상기 할로겐 램프(21)의 양 단자가 끼워지는 소켓(25)과, 상기 할로겐 램프(21)의 측면 및 하측에 설치되는 반사대(23)와, 상기 반사대(23)를 지지하는 지지대(31)를 포함하여 구성된다.

상기 가열판(10)은 내측부(11)와, 상기 내측부(11)의 바깥쪽에 위치한 외측부(12)로 구성된 이중구조로 되어 있다.

상기 가열판 내측부(11)는 중앙에 적외선이 상하 방향으로 통과할 수 있는 관통홀(11a)이 형성되어 있으며, 상기 가열판 외측부(12)는 그 측면부에 열전대(미도시)가 설치되는 열전대 설치홀(12a)이 형성되어 있다. 상기 플립칩본더장치의 상부에는 적외선카메라(미도시)가 설치되어 있으며 이를 이용하여 핫척하부의 적외선을 인식하여 본딩작업시 플립칩과 실리콘 기판을 정렬하게 된다.

본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 종래의 플립칩 본더장치와는 달리 반사대(23) 아래쪽에 적외선 발생기가 설치되어 있지 않으며, 반사대(23)의 중앙에 적외선 통로가 형성되어 있지 않다.

본 발명에서는 하나의 할로겐램프가 가열원 및 적외선발생원으로 사용되므로 상기 할로겐 램프(21)는 열을 발생시키는 것, 적외선을 발생시키는 것 등 다양한 종류가 있는 바, 열과 적외선을 동시에 발생시킬 수 있는 할로겐 램프(21)를 선택하는 것이 바람직하다.

상기 플립칩 본더장치는 반사대(23) 중앙에 적외선 통로가 형성되어 있지 않기 때문에 하나의 할로겐 램프(21)를 가열판 하부중앙에 설치하는 것이 가능하며, 반사대의 형상도 보다 다양하고 간단하게 할 수 있다.

상기 반사대(23)는 할로겐 램프(21)에서 나오는 복사열을 최대한 상부의 가열판(10)쪽으로 반사시키고, 아래쪽으로는 열전달을 최소화할 수 있는 재질과 형상을 가져야 한다.

반사대(23)의 형상은 일차적으로 할로겐 램프의 크기에 의해 규정된다. 원래 반사대(23)의 이상적인 형상은 위성 안테나나 선풍기형 할로겐 램프의 반사경에 채용되고 있는 포물선형으로 광원에서 나온 빛(복사열)을 한쪽 방향으로 균일하게 배분하여 주는 특성을 갖는다. 그러나, 포물선형 반사면은 광원으로부터의 거리에 비해 반사판의 크기가 상당히 클 때만 실효성이 있다. 이 경우, 반사면의 크기에 맞추어 가열판 또한 확장되어야 하므로 반사면 형상으로 채택하기에는 부적절하다.

따라서, 본 발명에서는 면적당 복사열을 늘리기 위해서 할로겐 램프를 장착할 수 있는 최소의 공간을 확보하도록 반사대 형상을 설계하였다.

도 6은 본 발명에 따른 플립칩 본더장치의 반사대를 도시한 단면도로서, 이를 참조하면 상기 반사대(23)는 오목하게 파여진 공간이 형성되어 일정 직경의 할로겐 램프(21)가 장착될 수 있도록 한다. 이 때 벽면과 램프와의 접촉을 피하기 위한 최소한의 간극을 유지되도록 함으로써 가열공간의 폭을 최대한 줄일 수 있다.

상기 반사대(23)는 상측부가 개방되고 하측부는 타원형으로 형성된다. 상기 할로겐 램프(21)의 중심을 타원의 초점중 하나(A)에 배치시키면 상기 반사대(23)에 의해 반사된 적외선은 타원의 다른 초점(B)에 일렬로 배열되어 집중되게 된다. 상기 초점(B)에 가열판(10)을 위치시키면 집중된 적외선이 가열판(10)을 통과할 수 있게 된다.

반사대가 갖추어야 하는 재질 조건은 복사흡수율이 낮고 열전도율이 작아야 한다는 것이다. 특히 복사흡수율은 표면의 특성에 의해 결정되는 물성치로 같은 재질이라도 표면가공의 정도에 따라 값이 달라지므로 반사면은 반드시 폴리싱과 같은 경면가공을 하여야 한다.

금속 중에서 복사흡수율이나 가공성에서 우수한 재료를 몇 가지 찾을 수 있으나 이들 재료는 대체로 녹는점이 낮고 기계적 강도가 약하며 열전도율이 큰 도체라는 단점을 가지고 있다. 세라믹 재료 중에는 열전도율이 낮고 기계적 강도가 좋은 단열 재료가 많이 있으나 일반적으로 복사흡수율이 상당히 큰 것이 치명적인 단점이며 경면가공이 비교적 어려운 문제점이 있다. 복사특성과 열전도특성을 모두 만족하는 이상적인 재질이 없어 금속재 중 성질이 비교적 우수한 것으로 평가된 알루미늄이나 알루미늄 합금을 재료로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 본더장치의 동작을 살펴본다.

먼저, 가열판 위에 실리콘기판이 위치하고 그 상측에 정렬홀이 형성된 플립칩이 놓여진다. 상기 실리콘기판과 플립칩사이에는 땜납이 삽입되어 있다.

여기서, 하나의 할로겐 램프가 작동하게 되면 발생된 열의 일부는 직접 가열판의 중심부를 효과적으로 가열하고 일부는 램프 주위의 반사대에 의해 반사되어 열이 상측으로 집중되게 된다. 이와 같이 집중된 열에 의해 상기 실리콘기판과 플립칩사이의 땜납이 녹아서 플립칩이 실리콘기판에 본딩된다. 또한 하나의 할로겐 램프만 사용하기 때문에 스테이지로 전달되는 열을 현저하게 줄일 수 있어 기존의 스테이지의 열변형을 감소시켜 정밀도 저하에 의한 오차를 감소시키게 된다.

또한, 상기 할로겐 램프에서 발생한 빛은 반사대에 의해 집중된 적외선이 되고, 가열판의 관통홀과 실리콘기판 및 플립칩의 정렬홀을 관통하여 적외선 센서가 이를 감지함으로써 정확한 위치를 확인할 수 있게 된다.

접합공정중에도 접합상태를 이러한 방식으로 모니터링하여 능동적으로 위치를 제어함으로써 원하는 고정밀도를 확보할 수 있게 된다.

가열작업중, 열전대에서 온도를 측정한 다음 그 값을 제어기로 보내면 제어기는 기설정된 온도와 비교하여 온도값이 높을 경우는 할로겐 램프로 공급되는 전류를 줄이고 온도값이 낮을 경우 공급 전류를 높이는 피드백 제어장치를 통해 가열판 온도가 적정온도를 유지하도록 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 할로겐 램프의 빛과 열을 집중시키는 반사대를 사용함으로써 빠른 가열속도를 구현하여 공정시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 적외선 발생장치가 없이 하나의 할로겐 램프만 사용하여 장치가 단순해 지고 전체적으로 소형의 핫척을 구성할 수 있으며 열을 집중시킴으로써 가열판의 위치에 따른 온도차를 줄여 열변형을 막을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 가열판에 설치된 열전대를 통해 온도값을 입력받아 피드백 제어장치를 통해 가열판 온도를 일정하게 제어하여 접합공정중 가열판의 온도 편차를 줄임으로써 균일한 가열이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 플립칩 본더장치는 할로겐 램프를 하나만 사용함으로써 두개를 쓰는 경우보다 열원이 반으로 줄기 때문에 핫척의 하부인 초정밀 스테이지로의 열전달을 반으로 줄일 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 실리콘기판이 상면에 위치되는 가열판과, 상기 가열판의 하측에 설치되어 상기 가열판을 가열하는 가열부와, 상기 실리콘기판의 상면에 정렬홀이 형성된 플립칩이 로딩될 때 상기 실리콘기판과 상기 플립칩의 정렬홀을 관통하는 적외선을 감지하도록 상기 플립칩의 상부에 설치되는 적외선센서를 구비하는 플립칩 본더장치에 있어서,

   상기 가열부는 가열판의 하부중심에 위치하여 열을 발생시키는 동시에 상기 실리콘기판 및 플립칩의 정렬홀을 관통하는 적외선을 발생시키는 한 개의 할로겐 램프로 구성되고;

   상기 할로겐 램프의 하측 및 양측면과 이격 형성되어 램프에서 발생한 열을 반사시키는 반사대를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플립칩 본더장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반사대는 그 상측부를 개방하고 하측부는 타원형으로 형성하되, 상기 타원의 일 초점에 상기 할로겐 램프의 중심을 위치시키고, 타 초점에 상기 가열판을 위치시키는 것을 특징으로 하는 플립칩 본더장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 반사대는 그 재질이 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 플립칩 본더장치.