KR20080070180A - 레이저 디캡슐레이션 장비 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테이지와, 상기 스테이지의 상부에 탑재되고 표면에 패키지 몰드가 형성된 반도체 칩과, 상기 패키지 몰드를 선택적으로 제거하기 위해 레이저빔을 조사하는 레이저빔 조사기와, 상기 레이저빔이 조사된 반도체 칩 상부에 액체를 분사하여 패키지 몰드의 잔유물을 제거하는 액체 분사기를 포함하여 구성되는 레이저 디캡슐레이션 장치 및 그를 이용한 레이저 디캡슐레이션 방법에 관한 것으로서,

본 발명에 따르면 환경 친화적이면서 공정시간을 단축하고 반도체 칩의 금속회로 부분에 대한 열적 영향을 최소화할 수 있다.

몰드, 레이저, 디캡슐레이션, 카메라, 패키지

Description

레이저 디캡슐레이션 장비 및 방법{Device and Method of Laser Decapsulation}

도 1은 일반적인 반도체 칩 패키지를 나타낸 단면도

도 2는 본 발명에 의한 레이저 디캡슐레이션 장비를 개략적으로 나타낸 구성도

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 레이저 디캡슐레이션 방법을 나타낸 공정 단면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

210 : 스테이지 220 : 반도체 칩

230 : 레이저빔 조사기 240 : 액체 분사기

250 : CCD 카메라 260 : 제어기

본 발명은 디캡슐레이션 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 전자 패킹된 디바이스의 회로 검사시 패키징(packaging) 몰드를 제거하기 위한 레이저 디캡슐레이션 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 제품은 웨이퍼 제조(wafer fabrication), 전기적 다이 분류(electrical die-sorting; EDS), 패키지 조립(package assembly), 검사(test) 등의 공정을 거쳐 제조된다.

여기서, 상기 패키지 조립 공정은 웨이퍼 마운트(wafer mount), 웨이퍼 절단(wafer sawing), 다이 접착(die attaching), 와이어 본딩(wire bonding), 몰딩(molding), 리드 절단/절곡(lead trimming/forming) 공정 등으로 이루어지는 것이 보통이며, 상기한 공정 중 발생할 수 있는 불량에 대한 검사 공정 또는 세정 공정 등을 필요에 따라 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 패키지 조립 공정 중 상기 몰딩 공정은 와이어 본딩된 반도체 칩을 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 에폭시 계열의 몰딩 수지로 밀봉하는 공정이다.

여기서, 상기 몰딩 수지는 고형(固形)의 테블릿(tablet) 형태로 몰딩 장치에 공급되며, 고온 고압 하에서 용융되어 액상으로 몰드 금형 내부에 주입된다. 상기 몰딩 수지가 주입된 후 경화되면 소정의 형상을 갖는 패키지 몰드가 형성된다.

이와 같이, 반도체 칩과 리드 프레임 및 와이어는 에폭시 몰딩 수지(epoxy molding compound; 이하 EMC)와 같은 플라스틱 성형 수지로 이루어진 패키지 몰드에 의해 봉지됨으로써, 물리적 충격, 습기, 오염 등의 외부 환경으로부터 보호되며, 그와 동시에 각 구성 요소들의 결합 상태가 안정적으로 유지된다.

이와 같은 반도체 패키지의 패키지 몰드는 반도체 패키지용 성형 장치에 의해 형성될 수 있다.

한편, 반도체 소자의 제조에 있어서 소자의 고집적화 및 제조 공정의 복잡함으로 인하여 제품의 동작에 문제를 발생시키는 다양한 불량이 발생하고 있다.

이러한 불량의 발생은 반도체 소자의 성능 저하 및 수율 감소의 원인으로 작용하고 있으며 이를 해결하기 위한 많은 노력이 실행되고 있다.

실제로 반도체 제조 공정 과정에서 발생한 불량을 검출하기 위한 많은 노력이 진행되고 있으나, 실제 검출할 수 있는 불량의 정도는 많은 제약으로 인해 검출하지 못하고 있는 실정이다.

또한, 반도체 소자의 고집적화 및 미세화로 인하여 미세 패턴간의 불량을 발생시키기 위한 분석시료의 제작이나 원인분석은 매우 어려운 실정이다.

이러한 불량발생시 불량의 원인을 확인하는 작업으로 제조공정 완료 후 소자의 전기적인 특성을 측정한 후에 불량의 위치를 추적하는 작업을 수행하고 있으며, 이러한 추적 작업은 제조공정에서 증착되어진 적층물질을 다시 제거하는 작업을 요구하고 있다. 상기와 같은 작업을 통상 디캡슐레이션(decapsulation)이라 칭하고 있다.

여기서, 상기 디캡슐레이션 공정은 완제품인 반도체 칩의 불량원인을 찾아내기 위해 칩을 둘러싸고 있는 EMC(Epoxy Molding Compound)를 화학물질을 이용하여 제거하는 것을 말한다.

한편, 상기 불량원인을 정확하게 분석하기 위해서는 디캡슐레이션 공정시 반도체 칩에 붙어있는 패드, 리드프레임 등 각종 액세서리의 손상이 없어야 한다.

상기와 같은 디캡슐레이션 공정은 수작업으로 이뤄져 칩이 손상되는 경우가 많은데다 화학물질을 다뤄야 한다는 점에서 엔지니어들이 꺼려 왔다.

종래의 디캡슐레이션 공정은 기계식 밀링을 이용하는 방법과 기계식 밀링 머신과 유독 화학제를 이용한 에칭 공정을 혼합하여 사용하는 기술이 대부분이다.

그러나 종래의 디캡슐레이션 공정은 공정 시간이 오래 걸리며 유독 화학제(강산 : 황산, 질산 등)를 사용한다는 점에서 향후 환경 문제를 야기할 수 있고, 새롭게 개발되는 디바이스의 크기가 매우 작아짐에 따라 기술적인 정확도의 어려움이 있다.

또한, 반도체 칩을 스테이지상에 고정한 후 밀링 작업, 세정 작업, 화학제에 의한 식각 공정, 건조 공정, 초음파 세정, 정밀 검사 등을 실시함으로써 공정이 복잡하다.

최근에는 상기와 같이 화학제를 이용한 디캡슐레이션 공정의 단점을 극복하기 위해 레이저를 이용한 건식 식각공정이 개발되었지만, 레이저를 단독으로 사용하여 패키지 몰드를 제거할 경우 반도체 칩 상부에 남은 잔유물의 제거가 힘들고, 상기 잔유물은 반도체 칩의 금속회로 부분에 열적 영향을 주어 손상시키는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 환경 친화적이면서 공정시간을 단축하고 반도체 칩의 금속회로 부분에 대한 열적 영향을 최소화하도록 레이저 디캡슐레이션 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 레이저 디캡슐레이션 장비는 스테이지와, 상기 스테이지의 상부에 탑재되고 표면에 패키지 몰드가 형성된 반도체 칩과, 상기 패키지 몰드를 선택적으로 제거하기 위해 레이저빔을 조사하는 레이저빔 조사기와, 상기 레이저빔이 조사된 반도체 칩 상부에 액체를 분사하여 패키지 몰드의 잔유물을 제거하는 액체 분사기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 레이저 디캡슐레이션 방법은 검사 장비를 이용하여 패키지 몰드가 덮여진 반도체 칩 내부 패턴을 확인하고 디캡슐레이션 영역을 정의하는 단계와, 상기 디캡슐레이션 영역이 정의된 반도체 칩을 스테이지에 탑재하는 단계와, 상기 패키지 몰드의 표면에 레이저빔을 포커싱하여 일정면적을 스캐닝하면서 상기 패키지 몰드를 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 패키지 몰드가 선택적으로 제거된 반도체 칩에 액체를 분사하여 상기 패키지 몰드의 잔유물을 제거하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 레이저 디캡슐레이션 장비 및 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 반도체 칩 패키지를 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 칩 패키지는 상면에 복수의 기판 본딩 패드(70)들이 형성되고, 하면에는 복수의 터미널(80)들이 형성된 기판(10) 위에 반도체 칩(20)이 부착되어 있다.

여기서, 상기 기판(10)으로는 몰딩된(molded) 리드 프레임, 인쇄 회로 기판, DBC(Direct Bond Copper), 플렉서블 필름 등이 다양하게 사용될 수 있다. DBC는 절 연성의 세라믹 기판의 양 표면 위에 구리층이 각각 부착된 기판을 지칭한다.

또한, 상기 기판(10)으로는 반도체 칩(20)과 어셈블리(PC) 기판 간의 전기적 접속 및/또는 기계적 유연성을 제공하는 인터포저(interposer)가 사용될 수도 있다.

여기서, 상기 인터포저는 테이프와 같은 신축성 재료, 폴리이미드, 또는 플라스틱 재료로 만들어질 수도 있고, 단일 또는 다수의 패턴화된 재배선층, 수동 소자 등을 포함할 수도 있다.

또한, 상기 반도체 칩(20)은 복수의 칩 패드(60)가 형성된 활성면이 상부에 위치하고, 그 반대면인 비활성면은 부착에 이용되고 있고, 상기 반도체 칩(20)의 칩 패드(60)와 상기 기판 본딩 패드(70)는 본딩 와이어(30)에 의해 전기적으로 연결되어 있다.

또한, 상기 기판(10) 상부의 반도체 칩(20)과 본딩 와이어(30) 및 그 접합 부분들은 패키지 몰드(40)에 의해 봉지되어 있다. 이때, 상기 기판(10)의 일부(기판의 가장자리 부분)는 상기 패키지 몰드(40)에 덮이지 않고 노출되어 있다.

여기서, 상기 패키지 몰드(40)는 에폭시 몰딩 수지(EMC: Epoxy molding compound) 등의 절연물질로 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판(10)의 터미널(80)에는 외부접속단자의 역할을 수행하는 솔더볼(50)이 부착되어 있다.

또한, 상기 솔더볼(50)은 기판(10)상에 형성된 도시되지 않은 회로 배선을 통하여 기판 본딩 패드(70)와 연결됨으로써, 상기 반도체 칩(20)에 전기적으로 연 결된다.

상기 기판(10)은 다층 구조의 기판일 경우, 각층에 형성된 회로 배선을 전기적으로 연결시키도록 다수의 비아홀(via hole)을 구비하며, 상기 솔더볼(50)은 상기 비아홀을 통해 연결된 각각의 회로 배선과 각각 전기적으로 연결된다.

도 2는 본 발명에 의한 레이저 디캡슐레이션 장비를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 디캡슐레이션 장비는 스테이지(210)와, 상기 스테이지(210)의 상부에 탑재되고 표면에 패키지 몰드(도 1의 40)가 형성된 반도체 칩(220)과, 상기 반도체 칩(220)의 패키지 몰드를 선택적으로 제거하기 위해 레이저빔을 조사하는 레이저빔 조사기(230)와, 상기 레이저빔 조사기(230)의 레이저빔이 조사되어 상기 패키지 몰드가 선택적으로 제거된 반도체 칩(220) 상부에 액체를 분사하여 상기 패키지 몰드의 잔유물을 제거하는 액체 분사기(240)를 포함하여 구성되어 있다.

또한, 상기 레이저빔 조사기(230)로부터 조사되는 레이저빔은 상기 패키지 몰드를 제거하는데 적절히 조절되도록 주파수와 진폭의 조절이 가능하다. 상기 레이저빔은 YAG 또는 적외선 레이저 또는 집적회로에 피해를 주지 않고 서로 연결된 패키지 몰드의 접합제를 깨뜨리는데 적합한 그 밖의 다른 레이저를 사용할 수 있다.

예를 들면, 상기 레이저빔으로 ArF, KrF, XeCl, F₂, Nd-YAG 및 CO₂로 이루어 진 그룹에서 선택된 어느 하나의 소스 기체를 사용할 수 있다.

또한, 상기 반도체 칩(220)의 상부에 상기 반도체 칩(220)의 위치를 검출하는 CCD 카메라(250)가 구성되고, 상기 CCD 카메라(250)에서 검출된 반도체 칩(220)의 위치는 제어기(260)로 전달되어 반도체 칩(220)이 원하는 위치에 자리 잡도록 하고 있다.

또한, 상기 레이저빔 조사기(230)에서 조사된 레이저빔을 감쇄하는 감쇄기(attenuator)(231)와, 상기 감쇄기(231)로부터 감쇄된 레이저빔을 일방향으로 반사시키는 제 1 반사경(232)과, 상기 제 1 반사경(232)으로부터 반사된 레이저빔을 확장시키는 광확장기(233)와, 상기 광확장기(233)로부터 확장된 레이저빔을 원하는 구간으로 반복 주사하는 빔 스캐너(234)와, 상기 빔 스캐너(234)로부터 반복 주사되는 레이저빔을 일방향으로 반사시키는 제 2 반사경(235)을 포함하여 구성되어 있다.

또한, 상기 스테이지(210)는 X축, Y축, Z축으로 이동이 가능하게 구성되고 그 상부에 반도체 칩(220)을 정위치 시키고 고정이 이루어지도록 구성되어 있다.

한편, 상기 스테이지(210)는 당해 기술분야에서 널리 알려져 있고, 압전식 작동기, 리니어 자석 모터, 또는 리드 스크류를 사용하여 동작된다.

또한, 상기 레이저빔 조사기(230)와 인접한 위치에는 패키지 몰드의 제거작업의 준비와 작업과정을 감시하기 위한 CCD 카메라(250)를 설치하고 상기 레이저빔 조사기(230), 상기 스테이지(210) 및 상기 CCD 카메라(250)를 제어하기 위한 제어기(160)가 설치되어 있다.

이때, 상기 레이저빔 조사기(230)로부터 발생되는 레이저빔의 파장은 자외선(500mW~5W)에서 적외선파장(1W~20W)을 갖는 레이저와 이산화탄소 레이저파장(20W~100W)까지 사용할 수 있으나 레이저빔의 세기는 파장 및 몰드 종류에 따라 다르다.

또한, 상기 제어기(260)는 상기 레이저빔 조사기(230)에 있어서 감쇄기(231), 제 1, 제 2 반사경(232,235)의 위치, 상기 스테이지(210)의 위치 및 상기 CCD 카메라(250)를 제어하기 편리하도록 통상의 개인용 컴퓨터(Personal Computer)를 활용할 수 있다.

더구나, 상기 스테이지(210)의 상부에 위치하는 반도체 칩(220)의 패키지 몰드 식각작업이 이루어지게 되는 부위와 인접된 위치에 액체 주입기(240)를 설치하여 액체를 분사함으로써 몰드 잔유물을 제거할 수 있다.

또한, 상기 CCD 카메라(250)는 반도체 칩(220)의 위치를 X-Y-Z축 방향으로 정위치에 자리 잡도록 하는 반도체 칩(220)의 정위치 설정기능과, 레이저빔 조사시시 디캡슐레이션 영역의 폭이나 간격 또는 기타의 분할품질을 검사할 수 있도록 하는 검사(Inspection)기능을 부여할 수 있다.

즉, 상기 CCD 카메라(250)는 디캡슐레이션 공정 진행시 반도체 칩(220)의 위치 정렬 및 공정 과정을 작업자가 디스플레이 할 수 있도록 감시하는 역할을 한다.

또한, 상기 레이저빔 세기와 조사 시간은 제작되는 렌즈의 크기에 맞게 레이저 제어 S/W가 탑재된 제어기(260)에 의해 조절된다.

한편, 미설명한 도면부호 270은 비젼광원으로서, 상기 CCD 카메라(250)에 의 한 반도체 칩(220)의 영상을 얻기 위한 조명광원으로 사용되며, 도면부호 280은 광분할기로서 자외선 레이저빔에 대해서 반사거울로 사용되고 가시영역파장(조명광)에는 투과거울로 사용된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 레이저 디캡슐레이션 장치를 활용하여 본 발명의 디캡슐레이션 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 레이저 디캡슐레이션 방법을 나타낸 공정 단면도이다.

먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 패키지 몰드(140)로 덮여진 반도체 칩(120)에 대해 엑스-레이(x-ray) 검사 장비(도시되지 않음)를 이용하여 반도체 칩(120) 내부 패턴 확인하고 디캡슐레이션 영역(A)을 정의한다.

다음, 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 디캡슐레이션 영역(A)이 정의된 반도체 칩(120)을 레이저 공정 스테이지로 이송하여 탑재하고, 상기 스테이지(도 2의 210)에 탑재된 반도체 칩(120)에 레이저빔 조사기(230)레이저빔을 조사하여 상기 디캡슐레이션 영역(A)에 해당하는 상기 패키지 몰드(140)를 선택적으로 제거한다.

여기서, 상기 레이저빔 공정 시 초기에는 패키지 몰드(140) 제거를 위해 패키지 몰드 표면에 레이저 빔을 포커싱하여 일정 면적을 스캐닝하면서 선택적으로 제거하여 반도체 칩(120)의 내부 패턴을 노출시킨다.

또한, 상기 패키지 몰드(140)를 제거하기 위해 레이저빔의 파장 또는 파워 또는 양쪽 다 조절할 수 있다.

즉, 상기 레이저빔 조사기(230)로부터 발생되는 레이저빔의 파장은 자외 선(500mW~5W)에서 적외선파장(1W~20W)을 갖는 레이저와 이산화탄소 레이저파장(20W~100W)까지 사용할 수 있으나 레이저빔의 세기는 파장 및 몰드 종류에 따라 다르다.

다음, 도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 레이저빔의 조사에 의해 패키지 몰드(140)가 선택적으로 제거된 전면에 레이저빔 크기를 크게 하고 반도체 칩(120)의 내부패턴 위에 액체 분사기(240)를 이용하여 상기 레이저빔에 대한 흡수력이 있는 액체(아세톤, 알코올, 증류수 등)를 분사하여 상기 패키지 몰드의 잔유물을 제거한다.

다음, 도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 반도체 칩(20)에 초음파 세정을 실시하고 반도체 칩(120)의 검사를 행한다.

여기서, 상기 초음파 세정은 고체나 액체 또는 기체에서 에너지를 전파하는 탄성파의 일종인 초음파를 압전소자를 이용한 초음파 진동자의 진동에 의해 피세정체를 세정하는 방법이다.

이를 좀 더 상세히 언급하면, 순수와 같은 세정수를 담은 용기의 저면에 초음파 진동자가 접촉한 상태에서 초음파 진동자에 특정 전기적 신호를 가하면 초음파 진동자가 진동하여서 일정한 주파수의 초음파를 용기 내의 순수에 인가한다.

이때, 초음파는 소밀파가 되어서 압축력과 팽창력을 반복적으로 나타낸다. 기포가 부압주기 때에 순수 내의 피세정체의 오염물질인 불순물을 중심으로 생성하고 다음의 압축주기 때에 파열한다.

이러한 기포는 세정수 내에서 1초에 25000∼300000회 정도의 생성과 파열을 반복한다. 초음파 세정은 초음파의 음과 캐비테이션(cavitation) 현상을 이용한 것으로 특히 캐비테이션현상의 역할이 중요하다. 캐비테이션현상이란 미세 기포가 진동과 파열을 반복하면서 교반작용과 온도상승 및 미세 충격효과를 내는 현상을 말하는 것이다.

상기 캐비테이션현상은 기포의 진동에 따라 아주 적은 교반과 기포의 파열로 인한 화학적, 열적 작용을 수반한다. 이러한 작용의 복합 반복으로 인하여 세정수 내에서 화학반응의 촉진과 분산작용이 증가함으로써 피세정체의 표면에 부착된 오염물질인 미세한 불순물도 깨끗이 세정된다.

또한, 상기 반도체 칩(120)의 검사는 전기적 검사, 기계적 검사 및 외관 검사 등에 의한 불량 여부를 판별한다.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 레이저 디캡슐레이션 장비 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 레이저 건식 식각을 통해 패키지 몰드를 제거한 후 패턴층에 남아 있는 잔유물을 액체를 분사하여 제거함으로써 금속 회로의 열적 영향을 최소화할 수 있다.

둘째, 기계식 밀링 머신과 유독 화학제를 사용하지 않고 레이저를 사용하여 패키지 몰드를 제거함으로써 환경 친화적인 공정을 진행할 수 있다.

셋째, 원하는 부위의 패키지 몰드를 레이저를 통해 선택적으로 제거함으로써 공정시간을 줄일 수 있다.

Claims (6)

1. 스테이지와,

   상기 스테이지의 상부에 탑재되고 표면에 패키지 몰드가 형성된 반도체 칩과,

   상기 패키지 몰드를 선택적으로 제거하기 위해 레이저빔을 조사하는 레이저빔 조사기와,

   상기 레이저빔이 조사된 반도체 칩 상부에 액체를 분사하여 패키지 몰드의 잔유물을 제거하는 액체 분사기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 디캡슐레이션 장비.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 액체는 아세톤, 알코올, 증류수 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 디캡슐레이션 장비.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 칩의 상부에 상기 반도체 칩의 위치를 검출하는 CCD 카메라를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 디캡슐레이션 장비.
4. 검사 장비를 이용하여 패키지 몰드가 덮여진 반도체 칩 내부 패턴을 확인하고 디캡슐레이션 영역을 정의하는 단계;

   상기 디캡슐레이션 영역이 정의된 반도체 칩을 스테이지에 탑재하는 단계;

   상기 패키지 몰드의 표면에 레이저빔을 포커싱하여 일정면적을 스캐닝하면서 상기 패키지 몰드를 선택적으로 제거하는 단계;

   상기 패키지 몰드가 선택적으로 제거된 반도체 칩에 액체를 분사하여 상기 패키지 몰드의 잔유물을 제거하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 디캐슐레이션 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 패키지 몰드의 잔유물을 제거한 후 초음파 세정을 실시하는 단계를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 레이저 디캡슐레이션 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 액체는 아세톤, 알코올, 증류수 중에서 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 디캡슐레이션 방법.

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