KR20120015256A - 열압착 본딩 - Google Patents

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쿠에이-웨이 황
웨이-훙 린
충-시 류
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타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드
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Abstract

열압착 본딩 방법은, 워크피스 홀더들을 포함하는 기판 캐리어를 마련하는 과정과, 다수의 제 1 워크피스들을 상기 워크피스 홀더들속에 위치시키는 과정을 포함한다. 다수의 제 2 워크피스들의 각각이 상기 다수의 제 1 워크피스들 중 하나 위에 위치하게 상기 다수의 제 2 워크피스들을 들여 올려 배열시킨다. 그 다음, 상기 다수의 제 1 및 제 2 워크피스들 사이의 솔더 범프들이 리플로되어 상기 다수의 제 1 및 제 2 워크피스들을 함께 동시에 본딩한다.

Description

열압착 본딩{Thermal Compress Bonding}
본 개시는 일반적으로 집적회로 제조 공정에 관한 것으로, 특히 열압착 본딩에 관한 것이다.
집적 회로는 반도체 웨이퍼상에 형성된 다음 반도체 칩으로 잘라진다. 반도체 칩은 그 후 패키지 기판위로 본딩된다. 도 1 부터 도 3은 종래의 본딩 공정에서의 중간 단계의 단면도를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 패키지 기판(100)이 마련되고 본드 패드(108)는 패키지 기판(108)의 표면에 위치한다. 칩(102)을 들어 올려 칩(102)의 표면에 있는 솔더 범프(104)가 거꾸로인 상태로 뒤집는다. 플럭스(106)는 솔더 범프(106)위에 도포된다.
다음으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 솔더 범프(104)가 본드 패드(108)에 위치하는 상태로 칩(102)이 패키지 기판(100)상에 놓인다. 패키지 기판(100)과 솔더 범프(104)는 그 다음 리플로우 공정을 겪게 되는데 그동안 패키지 기판(100)과 칩(102) 그리고 솔더 범프(104)에 열이 가해진다. 그 결과로 생긴 본딩된 구조가 도 3에 도시되어 있다. 칩(102)과 솔더 범프(104)의 무게로 인하여 솔더 범프(104)가 녹을 때 내려앉게 되며 솔더 범프(104)의 폭(W1)은 증가한다.
종래의 본드 구조에서 발견되는 문제점 중 하나는 특히 솔더 범프(104)가 솔더 레지스트(112)와 패시베이션막(혹은 폴리이미드층)(114)에 연결되는 본딩 공정 후에 솔더 범프(104)에 균열이 종종 발생한다는 것이다. 또한, 솔더 범프(104)의폭(W1)의 증가로 인해 인접해 있는 솔더 범프들(104) 사이의 공간이 감소하여 범프들(104)을 서로 쇼트시킬 위험이 더 크다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것이다.
하나의 구성에 따르면, 방법은 워크피스 홀더들을 포함하는 기판 캐리어를 마련하는 과정과, 다수의 제 1 워크피스들을 상기 워크피스 홀더들속에 위치시키는 과정을 포함한다. 다수의 제 2 워크피스들의 각각이 상기 다수의 제 1 워크피스들 중 하나 위에 위치하게 상기 다수의 제 2 워크피스들을 들여 올려 배열시킨다. 그 다음, 상기 다수의 제 1 및 제 2 워크피스들 사이의 솔더 범프들이 리플로되어 상기 다수의 제 1 및 제 2 워크피스들을 함께 동시에 본딩한다.
다른 실시예들도 또한 개시된다.
상기 솔더 범프들을 리플로하는 과정은 상기 다수의 제 2 워크피스들을 동시에 가열시키도록 구성된 다수의 히팅 헤드들을 구비한 히팅 도구를 상기 다수의 제 2 워크피스들과 접촉시킴으로써 수행되는 것이 바람직하다.
상기 솔더 범프들을 리플로하는 과정은, 상기 다수의 제 2 워크피스들 모두와 접촉하며 상기 다수의 제 2 워크피스들을 동시에 가열시키도록 구성된 단일의 히팅 헤드를 구비한 히팅 도구를 상기 다수의 제 2 워크피스들과 접촉시킴으로써 수행되는 것이 바람직하다.
리플로 과정 전에, 하향의 힘을 인가하여 상기 다수의 제 1 워크피스들에 상기 다수의 제 2 워크피스들을 누르도록 하는 과정과; 리플로 공정 동안에, 상기 다수의 제 2 워크피스들을 고정된 레벨에서 유지시키는 과정과; 상기 솔더 범프들이 녹은 후에 그리고 상기 솔더 범프들이 굳기 전에, 상기 다수의 제 2 워크피스로 상향의 힘을 인가하여 상기 솔더 범프들의 높이를 증가시키기는 과정을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다수의 제 1 및 제 2 워크피스들은 어레이로서 배열되는 것이 더 바람직하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또다른 방법은 기판 캐리어를 마련하는 과정과; 다수의 제 1 워크피스들을 상기 기판 캐리어의 워크피스 홀더들속에 위치시키는 과정과; 다수의 제 2 워크피스들의 각각이 상기 다수의 제 1 워크피스들 중 하나에 수직으로 정렬되게 상기 다수의 제 2 워크피스들을 들여 올려 배열시키는 과정으로서, 상기 다수의 제 1 워크피스들의 각각은 상기 다수의 제 2 워크피스들의 각각의 제 2 솔더 범프와 접촉하는 제 1 솔더 범프를 포함하며; 히팅 도구를 상기 다수의 제 2 워크피스들 위에 위치시켜 상기 다수의 제 2 워크피스들과 동시에 접촉시키는 과정과; 상기 히팅 도구를 사용하여 상기 다수의 제 2 워크피스를 가열하여 리플로 공정을 수행하기는 과정으로서, 상기 제 1 솔더 범프와 상기 제 2 솔더 범프는 녹아서 제 3 솔더 범프를 형성하며, 상기 제 3 솔더 범프가 굳기 전에, 상기 다수의 제 2 워크피스에 상향의 힘을 동시에 인가하여 상기 제 3 솔더 범프의 높이를 증가시키는 과정을 포함하는 것이다.
상기 히팅 도구는 상기 다수의 제 2 워크피스들을 동시에 가열시키도록 구성된 다수의 히팅 헤드들을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 히팅 도구는, 상기 다수의 제 2 워크피스들 모두와 접촉하며 상기 다수의 제 2 워크피스들을 동시에 가열시키도록 구성된 단일의 히팅 헤드를 포함하는 것이 바람직하다.
리플로 공정전과 리플로 공정 동안에, 하향의 힘을 인가하여 상기 다수의 제 1 워크피스들에 상기 다수의 제 2 워크피스들을 누르도록 하는 과정을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다수의 제 1 및 제 2 워크피스들은 어레이로서 배열되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 본딩 공정의 처리량(throughput)이 매우 향상되는 효과가 있다.
실시예와 그 이점을 더 완전히 이해하기 위하여 첨부한 도면과 함께 다음의 설명을 참조한다.
도 1 내지 도 3은 종래의 본딩 공정에서의 중간 단계의 단면도이고,
도 4a는 기판 캐리어의 평면도이고,
도 4b 내지 도 7은 여러 실시예에 따른 열압착 본딩(TCB) 공정에서의 중간 단계의 단면도이다.
본 개시의 실시예를 만들고 사용하는 것이 이하 상세히 논의된다. 그러나, 그 실시예는 광범위한 다양한 특정 맥락에서 구현될 수 있는 많은 응용 가능한 발명적 개념을 제공한다는 것을 알아야한다. 논의되는 특정 실시예는 단지 설명을 위한 것이지 본 개시의 범위를 한정하는 것은 아니다.
새로운 열압착 본딩(thermal compression bonding: TCB) 공정이 제공된다. 다양한 실시예를 제조하는 중간 단계가 도시되어 있다. 다양한 도면 및 예시적인 실시예에 걸쳐 같은 참조 번호는 같은 요소를 나타내기 위하여 사용된다.
도 4a 및 4b는 기판 캐리어(20)의 평면도 및 단면도를 각각 나타낸 것이다. 기판 캐리어(20)는 행과 열을 가진 어레이로서 배열될 수 있는 다수의 워크피스 홀더(22)를 포함한다. 도 4b에 도시한 바와 같이, 워크피스 홀더(22)는 그 안에 위치하게 될 워크피스(26)(도 4a 및 도 4b에는 도시하지 않음. 도 5 참조)의 크기를 가진 홀(hole)일 수 있다. 일 실시예에서, 히터(24)가 워크피스 홀더(22)내에 위치하는 워크피스를 가열하기 위한 기판 캐리어(20) 아래에 위치하거나 혹은 기판 캐리어(20) 내에 장착된다. 또 다른 실시예에서는 기판 캐리어(20)가 히터를 포함하지 않는다.
도 5를 참조하면, 워크피스(26)가 워크피스 홀더(22) 안에 놓인다. 일 실시예에서, 워크피스(26)는 그 안에 트랜지스터와 같은 액티브 장치를 가지지 않는 패키지 기판 혹은 인터포저이다. 또 다른 실시예에서, 워크피스(26)는 그 안에 트랜지스터(도시하지 않음)와 같은 액티브 장치를 가지는 디바이스 다이이다. 금속 범프(28)가 워크피스(26)의 상부 표면위에 형성된다. 일 실시예에서, 모든 워크피스 홀더(22)가 워크피스(26)로 채워진다. 또 다르게는. 워크피스 홀더(22) 전부가 아닌 일부가 채워진다.
그 다음, 도 6a 및 6b에 도시한 바와 같이, 워크피스(30)를 집어 올려 워크피스(26) 위에 배열된다. 워크피스(30)의 하부 표면에 있는 금속 범프(32)가 금속 범프(28)와 접촉한다. 워크피스(30)는 트랜지스터일 수도 있는 액티브 장치(도시하지 않음)로 구성된 디바이스 다이(칩)일 수 있다. 이와 달리, 워크피스(30)는 인터포저 혹은 패키지 기판 등이 될 수도 있다. 금속 범프(32)는 비록 구리 범프와 같이 다른 타입의 범프일 수도 있지만 일 실시예에서는 솔더 범프이다. 그러나, 적어도 하나의 그리고 둘 다가 될 수 있는 금속 범프(28, 32)는 모두 솔더 범프이다.다음에 설명하는 일 구체예에서, 금속 범프(28, 32)는 모두 솔더 범프이다.
히팅 도구(36)가 워크피스(30) 위에 위치하여 그것과 접촉하며 (화살표(39)로 나타낸) 하강 힘을 워크피스(30)로 인가하여 금속 범프(28, 32)가 서로를 눌러서 워크피스(30)가 미끄러지는 것을 방지한다. 도 6A에서, 히팅 도구(36)는 다수의 히팅 헤드(38)를 포함한다. 히팅 도구(36)가 워크피스(30) 위에 놓이면, 히팅 헤드(38)의 각각이 워크피스(30) 중 하나와 정렬하고 그와 접촉한다. 도 6b에서는, 히팅 도구(36)가 모든 워크피스(30)와 접촉하기에 충분할 정도로 큰 크기를 가지는 단지 하나의 히팅 헤드를 포함한다.
다음으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 본딩이 수행된다. 히팅 도구(36)는 워크피스(30)를 가열시키고 그 열이 솔더 범프(28, 32)에 전도되어 솔더 범프(28, 32)의 리플로우를 일으킨다. 그 결과로서 결합된 솔더 범프(28, 32)로 형성된 솔더 범프를 솔더 범프(40)라 칭한다. 도 6a에 나타낸 실시예에서, 모든 히팅 헤드(38)는 동일한 온도에 있기 때문에 모든 솔더 범프(28, 32)가 녹는다. 도 6b에 나타낸 실시예에서, 서로 다른 워크피스(30)에 접촉하는 히팅 헤드(38)의 표면 부분은 실질적으로 일정한 온도를 가지기 때문에 모든 솔더 범프(28, 32)가 실질적으로 동시에 녹는다. 솔더 범프(28, 32)가 녹는 동안에, 히팅 도구(36)(및 워크피스(30))는 고정된 레벨을 유지할 수 있어 인접한 범프(28/32)가 서로 쇼트되게도 할 수 있는녹은 범프(28, 32)의 내려앉음을 방지한다. 솔더 범프(40)를 형성하는 리플로우 후에, 히팅 도구(36)는 화살표(42)에 의하여 나타낸 바와 같이 상향의 힘을 인가하여 솔더범프(40)의 높이(H)는 증가되고 솔더 범프(40)의 수평 크기(W2)는 감소된다. 상향의 힘의 인가는 예를 들어 워크 피스(30)를 위로 빨아들이도록 히팅 도구(36)에 파이프(31)에서 발생할 수도 있는 진공을 일으켜서 달성할 수 있다. 리플로우 공정 동안에, 히터(24)는 상승된 온도를 가져 워크피스(26)를 가열시킬 수 있다. 또 다르게는, 히터(24)는 가열되지 않는다. 그러면, 히팅 도구(36)의 온도는 솔더 범프(40)가 굳어질 때까지 낮아진다. 그런 다음, 본딩 공정이 완료된다.
도 4a에서 부터 도 7까지에 나타낸 실시예에서, 기판 캐리어(20) 상의 모든 워크피스는 동시에 본딩된다. 또 다른 실시예이서, 기판 캐리어(20)는, 각각이 다수의 워크피스 홀더(22)를 포함하고 있는 다수의 영역으로 나누어질 수 있다. 동일한 영역에 있는 다수의 워크피스는 도 4a 부터 도 7까지에 나타낸 것과 실질적으로 동일한 방법을 사용하여 동시에 본딩될 수 있는 반면 서로 다른 영역에 있는 워크피스는 서로 다른 시간대에서 본딩될 수도 있다.
본 실시예를 사용함으로써 본딩 공정의 처리량(throughput)이 매우 향상된다. 예를 들어, 열 개의 칩이 열 개의 패키지기판에 본딩되고 단지 하나의 칩이 한번에 본딩된다고 가정하자. 각 칩을 들어올리고 놓는데 2초 걸리고 각 칩을 가열하고 리플로우 하는데 30초 걸린다. 열 개의 칩 모두를 본딩하는데 필요한 전체 시간은 (2+30)*10, 즉 320초가 될 것이다. 비교로서, 본 실시예를 사용하면 비록 열 개의 칩을 들어올리고 놓는데 전체적으로 20초가 걸리지만 열 개의 칩을 가열하고 리플로우하는 데는 모든 칩을 동시에 리플로우하기 때문에 단지 30초만 걸린다. 이와 같이, 전체 시간은 단지 50초이다. 만일 더 많은 칩이 동시에 본딩된다면, 처리량에서의 향상은 더욱 크다. TCB 본딩의 비용이 매우 크기 때문에 향상된 처리률로 인한 본딩 공정의 비용 감소 또한 크다.
비록 본 실시예와 그 이점을 상세히 설명하였지만 여러 가지 변경, 대체 및 변형이 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 정의되는 바와 같이 본 실시예의 사상과 범위를 벗어나지 않고 이 안에서 만들어질 수 있다. 또한 본 출원의 범위가 본 명세서에 기술된 공정, 기계, 제조물, 조성물, 수단, 그리고 방법과 단계의 특정 실시예로 한정되는 것으로 의도한 것은 아니다. 당업자라면 본 개시로부터 쉽게 알 수 있듯이, 여기에 서술된 해당 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현존하는 혹은 추후에 전개될 공정, 기계, 제조물, 조성물, 수단, 및 방법 혹은 단계는 본 개시에 따라 사용될 수 있다. 따라서, 후술하는 청구의 범위는 그 범위내에서 그와 같은 공정, 기계, 제조물, 조성물, 수단, 방법 혹은 단계를 포함하도록 의도한 것이다. 또한, 각 청구항은 별개의 실시예를 구성하며, 여러 청구항과 실시예의 조합은 본 개시의 범위 내에 있다.
20...기판 캐리어 22...워크피스 홀더
24...히터 26...워크피스
28...솔더 범프 30...워크피스
32...솔더 범프 36...히팅 도구
38...히팅 헤드

Claims (10)

  1. 워크피스 홀더들을 포함하는 기판 캐리어를 마련하는 과정과;
    다수의 제 1 워크피스들을 상기 워크피스 홀더들속에 위치시키는 과정과;
    다수의 제 2 워크피스들의 각각이 상기 다수의 제 1 워크피스들 중 하나 위에 위치하게 상기 다수의 제 2 워크피스들을 들여 올려 배열하는 과정과;
    상기 다수의 제 1 및 제 2 워크피스들 사이에 솔더 범프들을 리플로하여 상기 다수의 제 1 및 제 2 워크피스들을 함께 동시에 본딩하는 과정을 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 솔더 범프들을 리플로하는 과정은 상기 다수의 제 2 워크피스들을 동시에 가열시키도록 구성된 다수의 히팅 헤드들을 구비한 히팅 도구를 상기 다수의 제 2 워크피스들과 접촉시킴으로써 수행되는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 솔더 범프들을 리플로하는 과정은, 상기 다수의 제 2 워크피스들 모두와 접촉하며 상기 다수의 제 2 워크피스들을 동시에 가열시키도록 구성된 단일의 히팅 헤드를 구비한 히팅 도구를 상기 다수의 제 2 워크피스들과 접촉시킴으로써 수행되는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    리플로 과정 전에, 하향의 힘을 인가하여 상기 다수의 제 1 워크피스들에 상기 다수의 제 2 워크피스들을 누르도록 하는 과정과;
    리플로 공정 동안에, 상기 다수의 제 2 워크피스들을 고정된 레벨에서 유지시키는 과정과;
    상기 솔더 범프들이 녹은 후에 그리고 상기 솔더 범프들이 굳기 전에, 상기 다수의 제 2 워크피스로 상향의 힘을 인가하여 상기 솔더 범프들의 높이를 증가시키기는 과정을 더 포함하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 제 1 및 제 2 워크피스들은 어레이로서 배열되는 방법.
  6. 기판 캐리어를 마련하는 과정과;
    다수의 제 1 워크피스들을 상기 기판 캐리어의 워크피스 홀더들속에 위치시키는 과정과;
    다수의 제 2 워크피스들의 각각이 상기 다수의 제 1 워크피스들 중 하나에 수직으로 정렬되게 상기 다수의 제 2 워크피스들을 들여 올려 배열시키는 과정으로서, 상기 다수의 제 1 워크피스들의 각각은 상기 다수의 제 2 워크피스들의 각각의 제 2 솔더 범프와 접촉하는 제 1 솔더 범프를 포함하며;
    히팅 도구를 상기 다수의 제 2 워크피스들 위에 위치시켜 상기 다수의 제 2 워크피스들과 동시에 접촉시키는 과정과;
    상기 히팅 도구를 사용하여 상기 다수의 제 2 워크피스를 가열하여 리플로 공정을 수행하기는 과정으로서, 상기 제 1 솔더 범프와 상기 제 2 솔더 범프는 녹아서 제 3 솔더 범프를 형성하며,
    상기 제 3 솔더 범프가 굳기 전에, 상기 다수의 제 2 워크피스에 상향의 힘을 동시에 인가하여 상기 제 3 솔더 범프의 높이를 증가시키는 과정을 포함하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 히팅 도구는 상기 다수의 제 2 워크피스들을 동시에 가열시키도록 구성된 다수의 히팅 헤드들을 포함하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 히팅 도구는, 상기 다수의 제 2 워크피스들 모두와 접촉하며 상기 다수의 제 2 워크피스들을 동시에 가열시키도록 구성된 단일의 히팅 헤드를 포함하는 방법.
  9. 제 6항에 있어서, 리플로 공정전과 리플로 공정 동안에, 하향의 힘을 인가하여 상기 다수의 제 1 워크피스들에 상기 다수의 제 2 워크피스들을 누르도록 하는 과정을 더 포함하는 방법.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 다수의 제 1 및 제 2 워크피스들은 어레이로서 배열되는 방법.
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