KR20080101329A - 반도체칩 접합장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체칩 접합장치에 관한 것으로, 레이저 빔이 반도체칩을 투과하여 접합부를 직접 가열함으로써 효율적인 접합이 가능하고, 반도체칩의 열손상을 최소화할 수 있는 반도체칩 접합장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체칩 접합장치는 반도체칩을 투과하여 상기 범프에 직접 조사될 수 있는 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 출사된 상기 레이저 빔을 집속시켜 범프에 조사하는 스캔 헤드, 및 상기 기판이 놓여 있는 스테이지(stage)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
반도체칩, 플립칩, 범프, 레이저 접합

Description

반도체칩 접합장치{SEMICONDUCTOR CHIP BONDING SYSTEM}
도 1(a)는 종래 기술에 따른, 반도체칩의 열 접합방식을 보여주는 도면이고, 도 1(b)는 종래 기술에 따른, 반도체칩의 레이저 접합방식을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체칩 접합장치의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체칩 접합방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저의 파장에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 반도체칩 접합장치에 따른 반도체칩 접합과정을 설명하기 위한 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...레이저 발진기, 20...스캔 헤드,
30...스테이지, G...로드 글래스,
C...반도체칩, B...범프,
S...기판.
본 발명은 반도체칩 접합장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 빔이 반도체칩을 투과하여 범프를 직접 가열함으로써 효율적으로 반도체칩을 기판에 접합할 수 있고, 또한 반도체칩의 열손상을 최소화할 수 있는 반도체칩 접합장치에 관한 것이다.
최근 전자, 통신 산업 관련 제품이 소형화, 고밀도화, 다기능화 및 고속도화 됨에 따라 반도체가 실장될 공간은 계속 줄어들고 있다. 반면에 더욱 다기능화, 고성능화 된 전자제품은 더욱 많은 수의 반도체를 사용할 수밖에 없다. 따라서 단위체적당 실장효율을 높이기 위해서는 패키징(packaging) 기술이 경박단소화될 수밖에 없는 상황이다.
이러한 요구에 부응하여 개발되어 상용화된 패키징 기술이 칩 크기와 거의 같은 크기의 패키지인 CSP(Chip Scale Package)이다. CSP는 반도체와 패키지의 면적비가 80% 이상인 단일칩 패키징을 의미하는데 전기적 성능, 격자형 I/O 배열, 높은 열방출 특성 등의 장점을 가지고 있으며 기존 SMT 장비를 활용 가능하여 현재 주목받고 있는 패키징 기술이다. 이러한 CSP는 다이 인터페이스에 따라 와이어 본드(Wire bond), 탭 본드(Tab Bond), 플립칩(Flip-Chip) 등으로 분류된다.
특히, 최근에 각광받고 있는 플립칩 기술은 모듈기판(Module Substrate) 위에 칩 표면을 범핑(Bumping) 시킴으로써 최단의 접속 길이와 저열저항, 저유전율의 특성도 가지면서 초소형에 높은 수율의 저원가 생산성을 갖는 첨단의 패키징 기술이다.
종래의 접합관련 공정 및 기술로는 열 접합방식과 레이저 접합방식이 있다.
도 1(a)에 도시되어 있는 바와 같이, 열 접합방식은 칩(C)의 범프, 예컨대, 솔더 범프(solder bump)(B)을 기판(S)의 지정된 본딩 위치로 정렬시킨 후에 칩의 후면으로부터 핫플레이트(hot plate)(P)를 이용하여 칩을 가열하면서 가압함으로써 칩(C)과 기판(S)을 접합하는 방식이다. 이러한 열 접합방식의 경우, 칩(C)을 가열할 때 열전달 부위에서 일어나는 높은 열손실때문에 장시간동안 칩(C)을 가열해야 한다. 그런데, 이러한 장시간의 가열은 생산성의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 솔더 범프(B)가 접합온도에 도달하는 시간이 길기 때문에 고온에 민감한 재질에 대해서는 적용이 불가능하게 되는 문제점이 발생된다. 또한, 칩(C)과 기판(S)의 열팽창계수 차이로 인하여 접합위치가 조금씩 틀어지게 되는 접합 정밀도 문제가 발생할 뿐만 아니라, 냉각 후 칩(C)과 기판(S)의 수축으로 인해 조금씩 틀어진 부분에서 크랙(Crack)과 같은 접합부위 손상이 발생되는 문제점이 있다.
또한, 도 1(b)에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 레이저 접합방식은 칩의 솔더 범프(B)를 기판(S)의 지정된 본딩 위치로 정렬시킨 후에 로드 글래스(G)로 가압하면서 칩의 후면으로부터 칩(C)을 가열하면서, 칩(C)의 가열을 레이저 빔(L)을 이용하여 가열하는 방식이다. 그러나 이와 같은 종래의 레이저 접합방식은 칩(C) 전체에 열을 전달하기 위해 큰 파워가 소요되고, 또한 칩 전체에 레이저 빔이 가해짐으로 인하여 칩에 열손상과 같은 부정적인 열적 영향이 발생할 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 반도체칩을 투과하여 범프를 직접 가열함으로써 반도체칩을 접합하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 열이 가해지는 영역을 초정밀 제어하여 반도체칩의 열손상을 최소화할 수 있고, 장치의 소형화 및 안정화를 이루어 효율적인 고속 구동이 가능한 반도체칩 접합장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체칩 접합장치는, 범프(bump)를 사용하여 기판 상에 반도체칩을 접합시키기 위해서 상기 반도체칩을 투과하여 상기 범프에 직접 조사될 수 있는 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 출사된 상기 레이저 빔을 집속시켜 범프에 조사하는 스캔 헤드, 및 상기 기판이 놓여 있는 스테이지(stage)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 빔의 파장은 1000nm 내지 6000nm 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 빔은 1064nm 파장의 레이저 빔인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반도체칩 상에는 로드 글래스가 위치하고, 상기 로드 글래스는 예열장치를 통하여 예열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 발진기, 상기 스캔 헤드, 및 상기 스테이지의 작동을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 발진기는 출사된 레이저 빔을 확대하는 빔 익스팬더(beam expander)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기는 상기 레이저 발진기를 제어하여 상기 레이저 빔의 파워를 조절하고, 상기 기판 상의 범프 패턴에 따라 상기 범프에 레이저 빔을 조사하도록 상기 스캔 헤드를 제어하며, 상기 스캔 헤드 또는 상기 스테이지를 이동시켜 스캔 속도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기는 상기 스캔 헤드 또는 상기 스테이지를 z 방향으로 이동시켜, 상기 범프에 조사되는 상기 레이저 빔의 스폿지름(spot size)이 상기 범프의 직경과 같도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반도체칩은 플립칩(flip-chip)인 것을 특징으로 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체칩 접합장치를 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명에 따른 반도체칩 접합장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 반도체칩 접합장치는 레이저 발진기(10), 스캔 헤드(20), 스테이지(30)를 포함한다.
레이저 발진기(10)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 반도체칩(C)(예를 들면, 플립칩)을 투과하여 범프(B)(예를 들면, 솔더 범프)에 직접 조사될 수 있는 레이저 빔을 출사한다. 또한, 레이저 발진기(10)는 출사된 레이저 빔의 광폭을 확대하는 빔 익스팬더(beam expander)(미도시)를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 레이저 빔이 솔더 범프(B)에 직접 조사될 수 있는 원리는 도 4에 도시된 그래프로 설명할 수 있다.
도 4에는 실리콘(Si)에 대한 레이저 빔의 투과율이 도시되어 있다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 레이저 빔의 파장이 1000nm 내지 6000nm 일 때, 실리콘(Si)에 대한 레이저 빔의 투과율은 55% 정도임을 알 수 있다. 즉, 파장이 1000nm 내지 6000nm인 레이저 빔을 사용하면 플립칩(C)을 투과하여 솔더 범프(B)를 직접 조사할 수 있게 된다.
상기한 원리를 적용하여, 레이저 발진기(10)는 1000nm 내지 6000nm 파장의 레이저 빔을 출사한다.
더 구체적으로는, 본 발명의 실시예에서와 같이, 레이저 발진기(10)는 1064nm 파장을 갖는 레이저 빔, 예컨대 고체레이저인 DPSS(diode pumped solid state) Nd:YAG 레이저 빔을 출사할 수 있다. DPSS Nd:YAG 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기(10)는 크기가 작고 다루기가 간편할 뿐만 아니라 초기 안정화 시간이 짧은 특징을 가지고 있다.
또한, 플립칩(C) 상에는 로드 글래스(G)가 위치하고, 로드 글래스(G)는 예열장치(미도시)를 통하여 예열될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 반도체칩 접합장치에서는 로드 글래스(G)가 플립칩(C)에 하중을 가하는 역할을 할 뿐만 아니라, 예열장치를 통하여 로드 글래스(G)를 사전에 예열시킴으로써, 결과적으로 플립칩(C)을 통하여 솔더 범프(B)를 사전에 예열시키는 기능을 할 수도 있다. 이렇게 함으로써, 작은 빔 파워를 가진 레이저 빔을 사용하여 더 짧은 시간에 솔더 범프(B)를 녹여 플립칩(C)을 기판(S)에 접합시킬 수 있게 된다.
스캔 헤드(20)는 레이저 발진기(10)에서 출사된 레이저 빔을 집속시켜 솔더범프(B)에 조사함으로써 플립칩(C)과 기판(S)을 접합시킬 수 있다. 이때, 레이저 빔은 플립칩(C)의 다양한 솔더범프(B) 패턴에 대응하여 기설정된 프로그램에 따라 조사될 수 있다.
한편, 스캔 헤드(20)는 집속렌즈(미도시)를 구비하고 있어, 빔 익스팬더(미도시)로부터 출사된 레이저 빔을 소정의 스폿 지름으로 솔더 범프(B)에 집속시킬 수 있다.
또한, 스캔 헤드(20)는 CCD카메라(미도시)를 구비하여 가공할 재료의 정렬과 접합과정을 더 쉽게 실시간으로 관찰할 수도 있다.
스테이지(30) 상에는 기판(S)이 놓여 있고, 스테이지(30)는 접합 공정 시 기판(S)의 위치를 정렬할 수 있도록 이동 가능하게 구성된다. 예를 들어, 본 실시예에서는 스테이지(30)는 리니어 서보모터(linear servo motor) 또는 스텝 모터 (step motor)에 의해 x-y-z 방향으로 이동이 가능하다.
여기서, 스캔 헤드(20)와 스테이지(30) 간의 수직거리를 조절하여, 빔 익스팬더로부터 출사되고 스캔 헤드(20)를 통해 집속 조사되는 레이저 빔이 솔더 범프(B)의 직경과 같은 크기의 스폿지름으로 솔더 범프(B)에 조사되도록 할 수 있다. 이와 같이 하면, 레이저 빔의 에너지가 가해지는 영역을 최소화하여 플립칩(C)이 열로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 반도체칩 접합장치는 레이저 발진기(10), 스캔 헤드(20), 및 스테이지(30)의 작동을 제어하는 제어기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제어기(미도시)는 레이저 발진기(10)의 레이저 빔 파워를 조절하고, 스테이지(30) 또는 스캔 헤드(20)의 이동 속도를 조절함으로써 최적의 빔 파워 및 스캔 속도 하에서 플립칩(C)의 접합 공정이 이루어지도록 한다.
또한, 제어기(40)는 플립칩(C)의 솔더 범프(B) 패턴에 따라 레이저 빔이 조사되도록 공정 시작에 앞서 기설정된 프로그램에 따라 스캔 헤드(20)를 제어할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 반도체칩 접합장치를 사용하여 플립칩(C)을 기판(S)에 접합시키는 과정을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 레이저 발진기(10)를 적절한 위치에 셋팅하고, 또한 로드 글래스(load glass)(G), 기판(S) 상에 접합될 플립칩(C)을 스테이지(30) 상에 셋팅한다(S1).
다음, 접합될 솔더 범프(B) 라인 즉, 스캐닝 대상이 되는 솔더 범프(B)의 스캐닝 레이어(scanning layer)를 결정한다(S2).
결정된 스캐닝 레이어에 따라 로드 글래스(G), 플립칩(C), 기판(S)의 위치를 정렬(alignment)시킨다(S3). 이때, 이들의 위치는 스테이지(30)를 이용하여 수평 방향으로 이동이 가능하고, 스캔 헤드(20)와 기판(S)과의 수직 거리는 스캔 헤드(20) 또는 스테이지(30)를 수직 방향으로 이동시킴으로써 조절 가능하다.
또한, 이 단계(S3)에서 솔더 범프(B)에 조사되는 레이저 빔의 스폿지름을 솔더 범프(B)의 지름과 같게 조절할 수 있다. 예를 들면, 빔 익스팬더(미도시)를 통해 레이저 빔의 광폭을 조절하여 레이저 빔을 솔더 범프(B)의 미세 접합 부위에 집 중시키고, 스캔 헤드(20)로부터 집속되어 조사된 레이저 빔의 스폿지름이 솔더 범프(B)의 지름과 같도록 스캔 헤드(20)와 스테이지(30) 간의 수직 거리를 미세 조정한다.
로드 글래스(G), 플립칩(C), 기판(S)의 위치가 정렬되면 레이저 빔을 조사하여(S4) 솔더 범프(B)를 가열시키면서, 로드 글래스(G)를 통해 플립칩(C)의 후면을 가압하여 플립칩(C)과 기판(S)을 접합시킨다(S5).
한편, 레이저 빔 조사 단계(S4) 이전에 플립칩(C) 상에 위치해 있는 로드 글래스(G)를 예열장치(미도시)를 사용하여 예열해 두는 단계를 추가할 수도 있는데, 이렇게 함으로써 작은 빔 파워를 가진 레이저 빔을 사용하여 더 짧은 시간에 솔더 범프(B)를 녹여 플립칩(C)을 기판(S)에 접합시킬 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 반도체칩을 투과시켜 직접 솔더 범프에 열을 가할 수 있는 레이저를 사용함으로써 낮은 빔 파워로 고속 접합이 가능한 반도체칩 접합장치를 제공할 수 있다.
또한, 반도체칩에 열이 가해지는 영역을 최소화시키고 가열 지속시간을 단축시킴으로써 접합공정 시 야기될 수 있는 반도체칩의 열손상 문제를 해결할 수 있다.
특히, DPSS 레이저를 사용하여 시스템 크기의 소형화를 이룰 수 있고, 초기 안정화 시간이 짧고 다루기 용이하며 유지보수 없이 수천 시간동안 계속해서 사용할 수 있는 시스템을 구성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 반도체칩 접합장치는 마이크로 부품의 초집적 패키징 접합공정 전분야에 걸쳐 효율적으로 적용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 범프(bump)를 사용하여 기판 상에 반도체칩을 접합시키는 반도체칩 접합장치에 있어서,
    상기 반도체칩을 투과하여 상기 범프에 직접 조사될 수 있는 레이저 빔을 출사하는 레이저 발진기;
    상기 레이저 발진기에서 출사된 레이저 빔을 집속시켜 상기 범프에 조사하는 스캔 헤드; 및
    상기 기판이 놓여 있는 스테이지(stage);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체칩 접합장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 파장은 1000nm 내지 6000nm 인 것을 특징으로 하는 반도체칩 접합장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 1064nm 파장의 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 반도체칩 접합장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체칩 상에는 로드 글래스가 위치하고, 상기 로드 글래스는 예열장치를 통하여 예열되는 것을 특징으로 하는 반도체칩 접합장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 발진기, 상기 스캔 헤드, 및 상기 스테이지의 작동을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체칩 접합장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레이저 발진기는 출사된 상기 레이저 빔을 확대하는 빔 익스팬더(beam expander)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체칩 접합장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 레이저 발진기를 제어하여 상기 레이저 빔의 파워를 조절하고, 상기 기판 상의 범프 패턴에 따라 상기 범프에 상기 레이저 빔을 조사하도록 상기 스캔 헤드를 제어하며, 상기 스캔 헤드 또는 상기 스테이지를 이동시켜 스캔 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체칩 접합장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 스캔 헤드 또는 상기 스테이지를 z 방향으로 이동시켜, 상기 범프에 조사되는 상기 레이저 빔의 스폿지름(spot size)이 상기 범프의 직경 과 같도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체칩 접합장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반도체칩은 플립칩(flip-chip)인 것을 특징으로 하는 반도체칩 접합장치.
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