KR20060057098A - 본딩 헤드 및 이를 구비한 플립칩 본딩장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은, 레이저 압착 방식을 적용하여 높은 생산성과 접합 신뢰성을 얻을 수 있고 다양한 크기의 반도체 칩에 대해서도 플립칩 본딩 공정을 수행할 수 있는 플립칩 본딩용 본딩 헤드 및 이를 구비한 플립칩 본딩 장치를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 반도체 칩의 흡착 수단과 반도체 칩의 가열 수단을 구비하고, 상기 반도체 칩의 가열 수단은, 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 나온 빛을 반도체 칩에 조사하여 상기 반도체 칩의 온도를 접합 온도까지 가열하고, 레이저빔이 상기 반도체 칩의 전면에 고르게 조사되도록 레이저빔의 광선 폭을 조절하는 렌즈 조립체; 및 상기 레이저 광원으로부터 상기 렌즈 조립체까지 레이저빔의 광 경로를 형성하는 광섬유를 포함하는 본딩 헤드 및 이를 구비한 플립칩 본딩 장치를 제공한다.

Description

본딩 헤드 및 이를 구비한 플립칩 본딩장치{Bonding head and flip chip bonder having the same}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 본딩 헤드의 구성을 보여주는 도면.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 본딩 헤드의 구성을 보여주는 도면.

도 3a 내지 도 3d는 도 l 또는 도 2에 도시된 본딩 헤드를 구비한 본딩 장치를 사용하여 플립칩 본딩 공정을 수행하는 방법을 보여주는 도면.

도 4a 내지 도 4c는 도 l 또는 도 2에 도시된 본딩 헤드를 구비한 본딩 장치를 사용하여 플립칩 본딩 공정을 수행하는 다른 방법을 보여주는 도면.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 반도체 칩 2: 캐리어 기판

3: 솔더 범프 4: 본딩 헤드

5: 본딩 스테이지 6: 광섬유

7: 열 경화 수지 9: 렌즈, 제1 렌즈

10: 가압 장치 13: 진공 통로

14: 제2 렌즈

본 발명은 플립칩 본딩(flip chip bonding)용 본딩 헤드(bonding head) 및 이를 구비한 플립칩 본딩장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저빔의 광선 폭을 조정하여 다양한 크기의 반도체 칩의 플립칩 본딩이 가능하게 하는 플립칩 본딩용 본딩 헤드 및 이를 구비한 플립칩 본딩 장치에 관한 것이다.

최근 들어 전자제품이 소형화 및 고기능화됨에 따라 전자제품의 핵심부분을 이루고 있는 반도체 칩도 고집적화 및 고성능화되고 있는 추세이다. 이러한 고집적화 및 고성능화되고 있는 반도체 칩을 먼지나 습기 또는 전기적, 기계적 부하 등의 각종 외부환경으로부터 보호해주는 반도체 패키지(package)의 제조에 있어서도 이와 같은 추세에 대응하여 경박단소화 및 다핀화 경향이 강화되고 있다.

이에, 반도체 패키지의 방식도 기존의 와이어 본딩(wire bonding)방식으로는 경박단소화 및 다핀화되고 있는 추세에 대응하기 힘들다고 판단되어 이를 해결할 수 있는 새로운 방식들이 다양하게 모색되고 있으며, 그 중 한 가지 방식이 솔더 범프(solder bump) 방식이다.

솔더 범프 방식이란, 반도체 칩의 입출력 단자인 패드(pad) 위에 별도의 솔더 범프를 형성시킨 다음 이 반도체 칩을 뒤집어서 캐리어(carrier) 기판이나 서킷 테이프(circuit tape)의 회로패턴(pattern)에 직접 붙이는 방식으로, 반도체 칩이 뒤집혀진 상태로 본딩되기 때문에 '플립칩 본딩'이라고 지칭되고 있다.

종래 플립칩 본딩 방식은 크게 열압착 방식과, 레이저(laser) 압착 방식 등으로 구분된다. 일본공개특허공보 제2002-141376호에는 종래의 플립칩 본딩 방식 중 열압착 방식에 대해 개시되어 있다. 열압착 방식은 반도체 칩의 솔더 범프들이 캐리어 기판의 지정된 솔더 범프와 대향되도록 본드 포지션(bond position)으로 이동된 후에 반도체 칩의 후면으로부터 반도체 칩을 가열하면서 가압하고, 반도체 칩의 솔더 범프와 캐리어 기판의 솔더 범프 사이에 배열된 접합물질을 녹는점까지 가열하면서 가압함으로써 양 솔더 범프 사이를 접합하는 방식이다.

열압착 방식의 경우, 반도체 칩을 가열할 때 나타나는 열전달 부위에서의 높은 열손실로 인하여 장시간 반도체 칩을 가열해야 한다. 이러한 장시간의 가열은 결과적으로 생산성의 저하를 초래할 뿐만 아니라 솔더 범프의 접합온도에 도달하는 시간이 길게되면서 고온에 민감한 재질에 대해서는 적용이 불가능하게 되는 문제점이 있다. 또한, 열압착 방식은 반도체 칩과 캐리어 기판의 열적팽창계수 차이로 인하여 접합위치가 조금씩 틀어지게 되는 접합 정밀도 문제가 발생될 뿐만 아니라 냉각 후 반도체 칩과 캐리어 기판의 수축으로 인해 조금씩 틀어진 부분에서 크랙(crack)과 같은 접합부위 손상이 발생되어지는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제2001-0l08l03호에는 레이저 압착 방식에 대해 개시되어 있다. 레이저압착 방식은 반도체 칩의 솔더 범프들이 캐리어 기판의 지정된 솔더 범프와 대향되도록 본드 포지션으로 이동한 후에 반도체 칩의 후면으로부터 반도체 칩을 가열하면서 가압하고, 반도체 칩의 가열을 레이저를 이용하여 가열하는 방식이다.

종래의 레이저압착 방식의 경우, 레이저를 이용하여 가열하기 때문에 짧은 시간에 높은 생산성과 낮은 열적팽창계수를 얻을 수 있다는 장점도 있지만, 레이저 빔의 광선 폭을 조절할 수 없어서 반도체 칩의 상면에 고르게 레이저빔이 조사되지 못한다. 반도체 칩의 상면에 레이저빔이 고르게 조사되지 못하는 경우에는 반도체 칩에 배치된 모든 솔더 범프들을 고르게 가열할 수 없게되어 하나의 반도체 칩 상에서 에너지 분포의 불균일이 발생하는 문제가 발생된다. 이러한 문제는 곧 반도체 칩의 열변형에 의한 뒤틀림, 솔더 범프 중 충분히 가열되지 못한 부분에서의 접합 강도의 약화, 가열 시간의 증가 등의 문제로 연결되기 때문에 이에 대한 대책을 강구할 필요성이 크게 대두되고 있다. 특히, 플립칩 본딩 장치에 의해 캐리어 기판에 장착되는 반도체 칩의 크기가 다양하게 변경되는 경우에는 반도체 칩의 크기에 따라 이러한 문제점이 일어나는 반도체 칩이 많아지므로 더욱 문제가 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 압착 방식을 적용하여 높은 생산성과 접합 신뢰성을 얻을 수 있고 다양한 크기의 반도체 칩에 대해서도 플립칩 본딩 공정을 수행할 수 있는 플립칩 본딩용 본딩 헤드 및 이를 구비한 플립칩 본딩 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 반도체 칩의 흡착 수단과 반도체 칩의 가열 수단을 구비하고, 상기 반도체 칩의 가열 수단은, 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 나온 빛을 반도체 칩에 조사하여 상기 반도체 칩의 온도를 접합 온도까지 가열하고, 레이저빔이 상기 반도체 칩의 전면에 고르게 조사되도록 레이저빔의 광선 폭을 조절하는 렌즈 조립체; 및 상기 레이저 광원으로부터 상기 렌즈 조립체까 지 레이저빔의 광 경로를 형성하는 광섬유를 포함하는 본딩 헤드를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 렌즈 조립체는, 레이저빔의 광선 폭을 가로 방향으로 조절하는 제1 렌즈; 레이저빔의 광선 폭을 세로 방향으로 조절하는 제2 렌즈를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제1 렌즈는 상기 광섬유의 단부에 인접하여 배치되고, 상기 제2 렌즈는 레이저빔의 경로에 대해 상기 제1 렌즈와 직렬로 배치된 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 반도체 칩의 흡착 수단과 반도체 칩의 가열 수단을 구비하여 반도체 칩을 캐리어 기판 상에 실장하는 본딩 헤드; 상기 본딩 헤드를 이송하는 이송 수단; 및 상기 캐리어 기판이 놓이는 스테이지를 구비하고, 상기 반도체 칩의 가열 수단은, 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 나온 빛을 반도체 칩에 조사하여 상기 반도체 칩의 온도를 접합 온도까지 가열하고, 레이저빔이 상기 반도체 칩의 전면에 고르게 조사되도록 레이저빔의 광선 폭을 조절하는 렌즈 조립체; 및 상기 레이저 광원으로부터 상기 렌즈 조립체까지 레이저빔의 광 경로를 형성하는 광섬유를 포함하는 플립칩 본딩 장치를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 렌즈 조립체는, 레이저빔의 광선 폭을 가로 방향으로 조절하는 제1 렌즈; 레이저빔의 광선 폭을 세로 방향으로 조절하는 제2 렌즈를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제1 렌즈는 상기 광섬유의 단부에 인접하여 배치되고, 상기 제2 렌즈는 레이저빔의 경로에 대해 상기 제1 렌즈와 직렬로 배치된 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 본딩 헤드의 구성을 보여주는 단면도가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 본딩 헤드(4)는, 반도체 칩 흡착 수단과 반도체 칩 가열 수단을 포함한다.

상기 반도체 칩 흡착 수단은 진공 펌프(미도시)와, 본딩 헤드(4) 하단부의 개구부와 연결되는 진공 통로(13)를 포함한다. 상기 반도체 칩 가열 수단은 레이저 광원(미도시)과, 상기 레이저 광원으로 온 레이저빔을 반도체 칩(1)에 조사하는 렌즈 조립체와, 상기 레이저 광원으로부터 온 레이저빔을 상기 렌즈 조립체까지 전달하는 광섬유(6)를 포함한다.

상기 렌즈 조립체는, 레이저빔의 광선 폭을 일방향으로 조절하는 렌즈(9)를 포함한다. 상기 렌즈(9)는 상기 광섬유의 단부에 인접하여 배치되고, 입사되는 빛의 폭을 조절할 수 있도록 설치된 원통형 렌즈(cylindrical lens)일 수 있다. 레이저빔의 광선 폭을 일방향으로 조절할 수 있도록 구성됨으로써 반도체 칩(1)의 길이가 변경되는 경우에도 반도체 칩(1)의 전면을 고르게 가열할 수 있다.

도 2에는 본 발명의 제2 실시예에 다른 본딩 헤드의 구성을 보여주는 단면도가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 본딩 헤드(4)가 도 1에 도시된 제1 실시예와 다른 점은, 반도체 칩 가열 수단을 구성하는 렌즈 조립체가 가로 방향과 세로 방향으로 광선 폭을 조절할 수 있도록 제1 렌즈(9)와 제2 렌즈(14)를 포함한다는 것이다. 상기 제1 및 제2 렌즈(9, 14)는 입사되는 빛의 폭을 조절할 수 있도록 설치된 원통형 렌즈(cylindrical lens)일 수 있고, 상기 제2 렌즈(14)는 상기 광섬유(6)의 단부에 인접하여 배치되며, 상기 제1 렌즈(9)는 레이저빔의 경로에 대해 상기 제2 렌즈(14)와 직렬로 그 하방에 배치된다.

지금까지 설명한 것과 같은 본 발명에 따른 본딩 헤드(4)는 레이저 압착 방식의 플립칩 본딩 장치에 사용된다. 레이저 압착 방식의 플립칩 본딩 장치는, 반도체 칩의 흡착 수단과 반도체 칩의 가열 수단을 구비하여 반도체 칩을 캐리어 기판 상에 실장하는 본딩 헤드, 상기 본딩 헤드를 이송하는 이송 수단 및 상기 캐리어 기판이 놓이는 스테이지를 구비한다. 이러한 플립칩 장치를 사용하여 반도체 칩을 캐리어 기판에 실장하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

레이저 압착 방식의 플립칩 본딩 방법에서는 파장이 1000nm 이상인 빛이 실리콘 재질의 반도체 칩에 대해 반투명(semitransparent)한 특성을 이용한다. 즉, 반도체 칩과 그 단자부에 대한 가열을 레이저빔을 반도체 칩에서 솔더 범프(3)가 형성된 면의 반대 면에 조사하여 레이저의 에너지가 반도체 칩과 솔더 범프(3)를 가열하도록 한다. 또한, 레이저 압착 방식의 플립칩 본딩 방법은 반도체 칩 또는 캐리어 기판의 접속 패드의 어느 한 쪽뿐만 아니라 양쪽 모두에 형성된 솔더 범프(3)를 접속할 때에도 레이저빔을 이용하여 반도체 칩과 솔더 범프(3)를 가열하도록 할 수 있다.

도 3a 내지 도 3d에는 본 발명에 따른 본딩 헤드 및 플립칩 본딩 장치를 이용한 반도체 칩의 실장 공정을 단계적으로 보여주는 도면들이 도시되어 있다.

도 3a 내지 도 3d에 도시된 것과 같이, 캐리어 기판(2)은 설정된 온도로 가열된 본딩 스테이지(5) 위에 배치되어 있다. 반도체 칩(1)은 본딩 헤드(4) 내부의 진공통로를 통해 본딩 헤드(4)의 하단 면에 진공 흡착되고, 본딩 헤드(4)의 이동에 의해 캐리어 기판(2)의 위에서 위치 정렬되어 진다(도 3a). 그리고, 본딩 헤드(4)가 하강하면 반도체 칩(1)은 캐리어 기판(2) 위의 정해진 위치에 접촉된다(도 3b). 이 상태에서 반도체 칩(1)이 본딩 헤드(4)의 하단 면에 흡착되어 있고, 상기 본딩 헤드(4) 내부의 광섬유와 제1 렌즈 또는 제2 렌즈를 포함하는 레이저 광학 모듈을 통해 레이저빔이 반도체 칩(1)에 균일하게 조사되어 진다. 레이저빔은 반도체 칩(1)을 투과하여 반도체 칩(1)과 캐리어 기판(2)위에 있는 솔더 범프(3)에서 열 에너지로 변환되고, 이와 함께 본딩 헤드(4)가 반도체 칩(1)에 수직방향으로 일정한 압력을 가하게 된다. 도 3c에 도시된 것과 같이, 반도체 칩(1) 및 캐리어 기판(2)에 설치한 솔더 범프(3)가 접촉한 상태에서 본딩 헤드(4) 내부의 광섬유(6)를 통한 레이저빔의 출력은 솔더 범프(3)의 융점온도 이상으로 가열하면서 수직방향으로 가해지는 가압력은 양쪽의 범프를 열과 압력에 의해 접합시키게 된다. 그 다음 도 3d에 도시된 것과 같이, 본딩 헤드(4)를 통한 레이저빔의 방사를 중단하여 솔더 범 프의 융점이하 온도로 냉각하면 반도체 칩 의 온도가 저하되고 이것에 의해 솔더 범프(3)가 고화되면 반도체 칩(1)의 흡착용 진공을 해제함과 동시에 본딩 헤드(4)를 상승시켜서 플립칩 본딩을 완료한다.

도 4a 내지 도 4c에 도시된 것과 같이, 캐리어 기판(2) 상에 도포된 열 경화 수지(7)를 이용한 접합의 경우, 반도체 칩(1)과 캐리어 기판(2)의 단자부들 사이의 열적 결합이 일어나고 연속해서 열 경화 수지(7)가 반도체 칩(1)과 캐리어 기판(2)의 가열에 의해 동시에 접착면 내에서 경화되면 외부로부터 부식 영향 방지를 위해 반도체 칩과 캐리어 기판 사이의 갭을 밀봉하기 위한 별도의 단계가 필요 없게 되므로 더욱 효과적이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 본딩 헤드 및 이를 구비한 플립칩 본딩 장치에 따르면, 레이저를 이용하여 플립칩과 솔더 범프를 빠르게 가열할 수 있기 때문에 비교적 온도에 민감한 캐리어 기판이 사용될 때에도 높은 생산성과 접합 신뢰성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 본딩 헤드 및 이를 구비한 플립칩 본딩 장치에 따르면, 레이저빔의 폭을 일방향 또는 두 방향으로 조절할 수 있어, 기판에 실장되어야 하는 반도체 칩의 크기가 다양한 경우에도 반도체 칩을 고르게 가열할 수 있다. 따라서, 불규칙적인 가열에 따른 반도체 칩의 뒤틀림 등의 문제를 미연에 제거할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 반도체 칩의 흡착 수단과 반도체 칩의 가열 수단을 구비하고,

   상기 반도체 칩의 가열 수단은,

   레이저 광원;

   상기 레이저 광원으로부터 나온 빛을 반도체 칩에 조사하여 상기 반도체 칩의 온도를 접합 온도까지 가열하고, 레이저빔이 상기 반도체 칩의 전면에 고르게 조사되도록 레이저빔의 광선 폭을 조절하는 렌즈 조립체; 및

   상기 레이저 광원으로부터 상기 렌즈 조립체까지 레이저빔의 광 경로를 형성하는 광섬유를 포함하는 본딩 헤드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 렌즈 조립체는,

   레이저빔의 광선 폭을 가로 방향으로 조절하는 제1 렌즈;

   레이저빔의 광선 폭을 세로 방향으로 조절하는 제2 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 헤드.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 렌즈는 상기 광섬유의 단부에 인접하여 배치되고,

   상기 제2 렌즈는 레이저빔의 경로에 대해 상기 제1 렌즈와 직렬로 배치된 것을 특징으로 하는 본딩 헤드.
4. 반도체 칩의 흡착 수단과 반도체 칩의 가열 수단을 구비하여 반도체 칩을 캐리어 기판 상에 실장하는 본딩 헤드;

   상기 본딩 헤드를 이송하는 이송 수단; 및

   상기 캐리어 기판이 놓이는 스테이지를 구비하고,

   상기 반도체 칩의 가열 수단은,

   레이저 광원;

   상기 레이저 광원으로부터 나온 빛을 반도체 칩에 조사하여 상기 반도체 칩의 온도를 접합 온도까지 가열하고, 레이저빔이 상기 반도체 칩의 전면에 고르게 조사되도록 레이저빔의 광선 폭을 조절하는 렌즈 조립체; 및

   상기 레이저 광원으로부터 상기 렌즈 조립체까지 레이저빔의 광 경로를 형성하는 광섬유를 포함하는 플립칩 본딩 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 렌즈 조립체는,

   레이저빔의 광선 폭을 가로 방향으로 조절하는 제1 렌즈;

   레이저빔의 광선 폭을 세로 방향으로 조절하는 제2 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩 본딩 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제1 렌즈는 상기 광섬유의 단부에 인접하여 배치되고,

   상기 제2 렌즈는 레이저빔의 경로에 대해 상기 제1 렌즈와 직렬로 배치된 것을 특징으로 하는 플립칩 본딩 장치.

Images