KR20140094086A - 반도체 칩 부착 방법 - Google Patents

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KR20140094086A KR1020130006300A KR20130006300A KR20140094086A KR 20140094086 A KR20140094086 A KR 20140094086A KR 1020130006300 A KR1020130006300 A KR 1020130006300A KR 20130006300 A KR20130006300 A KR 20130006300A KR 20140094086 A KR20140094086 A KR 20140094086A
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앰코 테크놀로지 코리아 주식회사
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Abstract

본 발명은 반도체 칩 부착 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 칩의 도전성 연결수단을 기판에 압착한 후, 레이저를 이용하여 접합시킬 수 있도록 한 반도체 칩 부착 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 본딩 툴내의 열적 히팅 소스를 배제하고, 단지 본딩 툴은 반도체 칩을 기판에 대하여 압착하는 수단으로만 사용하고, 반도체 칩의 전도성 범프를 기판에 융착시키는 히팅 소스를 본딩 툴의 상부에 배치되는 레이저 조사수단으로 채택함으로써, 기존의 세라믹 히터에 비하여 열압착 공정의 시간당 생산율(UPH)을 크게 향상시킬 수 있도록 한 반도체 칩 부착 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

반도체 칩 부착 장치 및 방법{Device and method for bonding semiconductor chip}
본 발명은 반도체 칩 부착 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 칩의 전도성 연결수단을 기판에 압착한 후, 레이저를 이용하여 접합시킬 수 있도록 한 반도체 칩 부착 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 패키지는 기판에 반도체 칩을 부착하고, 반도체 칩과 기판간을 도전성 와이어로 연결한 후, 반도체 칩과 도전성 와이어를 몰딩 컴파운드 수지로 봉지시킨 구조로 제조되어 왔지만, 도전성 와이어는 일정한 길이를 갖기 때문에 실질적으로 반도체 패키지의 사이즈를 증가시키는 원인이 되는 단점이 있다.
특히 도전성 와이어는 반도체 칩이 고직접화, 고성능화 및 고속화됨에 따라 입출력수단으로서 한계가 있고, 반도체 패키지를 소형화시키기 위한 노력에 오히려 역행하는 요인이 되고 있다.
이러한 단점을 감안하여, 반도체 칩의 본딩패드(=전극패드)에 전도성 연결수단의 일종인 솔더볼 또는 금속 재질의 범프에 솔더가 도금된 전도성 범프를 일체로 형성하고, 이 전도성 연결수단을 적층 대상 부품(반도체 칩 또는 기판)에 열압착(TC, Thermal Compression) 방식을 이용하여 전기적으로 연결시킨 구조의 반도체 패키지가 제조되고 있다.
여기서, 반도체 칩의 전도성 연결수단을 기판에 부착시키기 위한 종래의 열압착 본딩 툴을 첨부한 도 1을 참조로 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 열압착 본딩 툴(10)은 진공공급수단 및 쿨링에어 공급수단과 연결된 매니폴드 블럭(11)과, 히터 베이스 블럭(12)과, 히터 절연재(13)와, 세라믹 히터(14)와, 칩을 흡착 고정시키는 어태치(15)가 위에서 아래쪽으로 순차 적층 조립된 구조를 갖는다.
이때, 상기 매니폴드 블럭(11)과 히터 베이스 블럭(12)과 히터 절연재(13)와 세라믹 히터(14)에 관통 형성되어 어태치(15)를 진공으로 잡아주는 어태치먼트 진공홀(16)이 형성되고, 또한 어태치(15)까지 관통 형성되어 칩을 진공으로 흡착하기 위한 칩 흡착용 진공홀(17)이 형성된다.
또한, 상기 매니폴드 블럭(11)과 히터 베이스 블럭(12)과 히터 절연재(13)에는 세라믹 히터(14)의 쿨링 다운을 위한 쿨링 에어 블로워홀(18)이 관통 형성된다.
여기서, 상기한 종래의 열압착 본딩 툴을 이용한 열압착 본딩 방법을 첨부한 도 2a 내지 도 2c를 참조로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 본딩 툴(10)이 칩 공급부에 정렬되어 있는 반도체 칩(20)으로 이송된 후, 어태치(15)의 저면이 반도체 칩(20)의 상면에 닿을때 까지 하강한다.
이어서, 진공공급수단으로부터 칩 흡착용 진공홀(17)로 공급된 진공에 의하여 어태치(15)에 반도체 칩(20)이 흡착 고정된다.
이때, 상기 반도체 칩(20)의 저면에 형성된 본딩패드에는 전도성 연결수단의 일종인 전도성 범프(22)가 일체로 형성된 상태이며, 전도성 범프(22)는 반도체 칩의 본딩패드에 도금 공정에 의하여 일체로 형성되는 구리필러(24)와, 구리필러(24)의 하단에 도금 공정에 의하여 일체로 형성되는 전도성 솔더(26)로 구성된다.
다음으로, 반도체 칩(20)을 흡착 고정한 본딩 툴(10)이 기판(30)이 정렬된 곳으로 이송하는 동시에 하강하게 되며, 도 2a에서 보듯이 기판(30)의 상면에는 비전도성 페이스트(NCP: Non Conductive Paste)가 미리 도포된 상태이다.
연이어, 상기 본딩 툴(10)의 하강에 따른 압력에 의하여 반도체 칩(20)의 저면이 비전도성 페이스트(32)를 가압함으로써, 비전도성 페이스트(32)가 기판(30)의 상면에 걸쳐 퍼지게 되고, 동시에 전도성 범프(22)의 솔더(26)가 비전도성 페이스트(32)를 관통하여 기판(30)의 전도성패턴(34)에 닿는 상태가 된다(도 2b 참조).
이때, 상기 세라믹 히터(14)는 쿨링 에어 블로워홀(18)로 공급되는 에어에 의하여 약 150℃ 정도로 쿨링 다운된 상태이며, 이렇게 세라믹 히터를 쿨링 다운시킨 이유는 비전도성 페이스트가 빠르게 경화되는 것을 방지하기 위함에 있다.
즉, 상기 본딩 툴(10)의 하강 압력에 의하여 반도체 칩(20)이 비전도성 페이스트(32)를 가압할 때, 본딩 툴(10)내의 세라믹 히터(14)가 전도성 범프를 융착시키기 위한 온도(약 300℃)까지 히팅 업되면, 비전도성 페이스트(32)가 기판(30)의 상면에 고르게 퍼지기도 전에 경화되는 현상이 발생되므로, 본딩 툴(10)이 비전도성 페이스트(32)를 압착하여 기판(30)에 고르게 퍼질 때까지는 세라믹 히터(14)를 약 150℃ 정도의 쿨링 다운된 상태로 유지시켜야 한다.
다음으로, 상기 본딩 툴(10)의 하강에 따른 압력에 의하여 반도체 칩(20)의 저면이 비전도성 페이스트(32)를 가압하여 비전도성 페이스트(32)가 기판(30)의 상면에 걸쳐 고르게 퍼진 후, 본딩 툴(10)내의 세라믹 히터(14)가 전도성 범프를 융착시키기 위한 온도(약 300℃)까지 히팅 업된다.
따라서, 상기 반도체 칩(20)의 전도성 범프(22)의 솔더(26)가 녹으면서 기판(30)의 전도성패턴(34)에 융착되어 접합(interconnection)되고, 동시에 비전도성 페이스트(32)는 경화되는 상태가 된다(도 2c 참조).
한편, 다음의 반도체 칩(20)을 기판(30)에 접합시키기 위하여 세라믹 히터(14)는 다시 쿨링 다운된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 열압착 본딩 툴 및 본딩 방법은 다음과 같은 단점이 있다.
종래의 열압착 본딩을 위한 히팅 소스(heating source)는 세라믹 히터(ceramic heater)를 사용하였는 바, 이 세라믹 히터를 가열(heat up) 또는 냉각(cooling down)하여 컨덕션(conduction heat) 방식으로 반도체 칩을 기판에 본딩함으로써, 세라믹 히터의 가열 및 냉각을 반복함에 따른 공정 시간이 오래 걸리고, 그에 따라 본딩 툴의 열 압착 온도구배가 일정치 않으며, 특히 세라믹 히터를 여러 번 가열 및 냉각시킴에 따라 내구성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본딩 툴내의 열적 히팅 소스를 배제하고, 단지 본딩 툴은 반도체 칩을 기판에 대하여 압착하는 수단으로만 사용하고, 반도체 칩의 전도성 범프를 기판에 융착시키는 히팅 소스를 본딩 툴의 상부에 배치되는 레이저 조사수단으로 채택함으로써, 기존의 세라믹 히터에 비하여 열압착 공정의 시간당 생산율(UPH)을 크게 향상시킬 수 있도록 한 반도체 칩 부착 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 반도체 칩을 진공으로 흡착 고정한 후, 기판 위에 놓고 가압시키는 본딩 툴과; 본딩 툴의 상부에 배치되어 반도체 칩과 기판 간의 인터커넥션을 위한 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 부착 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 본딩 툴은: 진공제공수단과 연결되는 매니폴드 블럭과; 매니폴드 블럭의 저면에 일체로 형성되어 칩을 진공 흡착 고정시키는 어태치로 구성되고, 상기 매니폴드 블럭과 어태치에는 칩 흡착용 진공홀이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 매니폴드 블럭 및 어태치는 레이저 빔이 통과할 수 있는 석영재질로 만들어진 것임을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 반도체 칩을 기판 위에 정렬시켜 가압시키는 압착 단계와; 레이저 빔을 이용하여 반도체 칩과 기판 간을 인터커넥션시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 부착 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 압착 단계는: 본딩 툴의 어태치에 반도체 칩을 진공 흡착으로 고정시키는 과정과; 본딩 툴이 비전도성 페이스트가 도포된 기판 위로 하강하여 가압력을 제공하는 과정과; 본딩 툴의 가압력에 의하여 반도체 칩의 저면이 비전도성 페이스트를 가압하여 사방으로 퍼지게 하는 동시에 반도체 칩의 전도성 범프의 솔더가 기판의 전도성 패턴에 안착되게 하는 과정; 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 인터커넥션 단계는: 반도체 칩의 전도성 범프의 솔더가 기판의 전도성 패턴에 안착된 상태에서, 레이저 발생기로부터 레이저 빔이 반도체 칩에 조사되는 과정과; 레이저 빔의 가열 작용에 의하여 반도체 칩의 전도성 범프의 솔더가 녹으면서 기판의 전도성 패턴에 융착되는 과정; 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 본딩 툴에 의하여 진공 흡착된 반도체 칩을 기판 위에 정렬시켜 가압시킨 후, 레이저 조사에 의하여 반도체 칩의 전도성 범프가 기판의 전도성 패턴에 융착되도록 함으로써, 기존의 세라믹 히터를 이용한 열 압착 공정에 비하여 시간당 생산율(UPH)을 크게 향상시킬 수 있다.
즉, 기존에는 세라믹 히터의 가열 및 냉각이 반복됨에 따라 열 압착 공정 시간이 오래 걸리는 단점이 있지만, 본 발명은 레이저를 이용하여 가열하는 시간만 소요되므로, 기존의 세라믹 히터의 냉각 시간만큼이 보존되어 열압착 공정 시간을 단축시킬 수 있고, 그에 따라 열 압착 공정을 위한 시간당 생산율(UPH)을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 기존의 본딩 툴에 내설되는 세라믹 히터 등을 배제 가능하여, 본딩 툴의 구조를 단순화시킬 수 있다.
도 1은 종래의 반도체 칩 부착 장치를 나타내는 단면도,
도 2a 내지 도 2c는 종래의 반도체 칩 부착 방법을 설명하는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 반도체 칩 부착 장치를 나타내는 단면도,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 반도체 칩 부착 방법을 설명하는 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 본딩 툴에 의하여 진공 흡착된 반도체 칩을 기판 위에 정렬시켜 가압시키는 압착 과정후, 레이저 조사에 의한 가열 과정에 의하여 반도체 칩의 전도성 범프가 기판의 전도성 패턴에 융착되도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 상기 반도체 칩(20)을 진공으로 흡착 고정시키기 위한 본딩 툴(10)을 구비하고, 이 본딩 툴(10)의 상부에 레이저 발생기(40)를 결합시키거나, 또는 레이저 발생기(40)를 본딩 툴(10)의 상부에 별도로 이격 배치시킨다.
상기 레이저 발생기(40)는 본딩 툴(10)의 상부에 배치되어 반도체 칩(20)과 기판(30) 간의 인터커넥션을 위한 가열수단으로 구비된 것이고, 상기 본딩 툴(10)은 레이저 빔이 통과할 수 있는 재질(예를 들어, 석영 재질)로 성형 제작 구비된 것이다.
본 발명의 본딩 툴(10)은 기존의 본딩 툴과 달리 내부에 별도의 세라믹 히터 등과 같은 가열수단이 배제되고, 단지 반도체 칩을 진공 흡착하여 고정시킬 수 있는 진공라인만이 형성된 것으로 구비된다.
좀 더 상세하게는, 본 발명의 본딩 툴(10)은 진공제공수단과 연결되는 매니폴드 블럭(11)와, 매니폴드 블럭(11)의 저면에 일체로 형성되어 칩을 진공 흡착 고정시키는 어태치(15)로 구성되고, 물론 매니폴드 블럭(11) 및 어태치(15)는 레이저 빔의 통과가 가능한 석영 재질로 만들어진 것이며, 매니폴드 블럭(11)과 어태치(15)에는 진공제공수단으로부터 공급되는 진공이 작용하도록 한 칩 흡착용 진공홀(17)이 관통 형성된다.
이때, 상기 본딩 툴(10)의 상부에는 브라켓(42)을 이용하여 레이저 발생기(40)가 일체로 조립 고정되거나, 또는 본딩 툴의 상부로부터 이격된 위치에 레이저 발생기(40)가 독립적으로 배치될 수 있다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 칩 부착 장치를 기반으로 이루어지는 칩 부착 방법을 첨부한 도 4a 내지 도 4c를 참조로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 본딩 툴(10)이 칩 공급부에 정렬되어 있는 반도체 칩(20)으로 이송된 후, 어태치(15)의 저면이 반도체 칩(20)의 상면에 닿을때 까지 하강하고, 이어서 진공공급수단으로부터 칩 흡착용 진공홀(17)로 공급된 진공에 의하여 어태치(15)에 반도체 칩(20)이 흡착 고정된다.
물론, 이전의 도금 공정에서 반도체 칩(20)의 저면에 형성된 본딩패드에는 이미 전도성 연결수단의 일종인 전도성 범프(22)가 일체로 형성된 상태이며, 전도성 범프(22)는 반도체 칩의 본딩패드에 도금 공정에 의하여 일체로 형성되는 구리필러(24)와, 구리필러(24)의 하단에 도금 공정에 의하여 일체로 형성되는 전도성 솔더(26)로 구성된다.
다음으로, 반도체 칩(20)을 흡착 고정한 본 발명의 본딩 툴(10)이 기판(30)이 정렬된 곳으로 이송하는 동시에 하강하게 되며, 물론 이전의 도포공정에서 기판(30)의 상면에 이미 비전도성 페이스트(32)가 미리 도포된 상태이다(도 4a 참조).
연이어, 상기 본딩 툴(10)의 하강에 따른 압력에 의하여 반도체 칩(20)의 저면이 비전도성 페이스트(32)를 가압함으로써, 비전도성 페이스트(32)가 기판(30)의 상면에 걸쳐 퍼지게 되고, 동시에 전도성 범프(22)의 솔더(26)가 비전도성 페이스트(32)를 관통하여 기판(30)의 전도성패턴(34)에 닿는 상태가 된다(도 4b 참조).
이렇게 본 발명의 본딩 툴(10)은 반도체 칩(20)을 진공 흡착한 후, 기판(30)의 비전도성 페이스트(32)에 일정한 압력으로 가압하는 압착(compression) 기능만 수행하게 된다.
다음으로, 레이저 빔을 이용하여 반도체 칩(20)과 기판(30) 간을 인터커넥션시키는 단계가 진행된다.
이를 위해, 상기 레이저 발생기(40)를 온 시키는 동시에 레이저 발생기(40)로부터의 레이저 빔이 본딩 툴(10)을 통과하여 반도체 칩(20)과 기판(30)쪽으로 조사된다.
즉, 반도체 칩(20)의 전도성 범프(22)의 솔더(26)가 기판(30)의 전도성 패턴(34)에 안착된 상태에서, 레이저 발생기(40)로부터 레이저 빔이 본딩 툴(10)을 통과하여 반도체 칩(20)쪽으로 조사된다.
따라서, 상기 레이저 발생기(40)로부터 조사된 레이저 빔의 가열 작용에 의하여 반도체 칩(20)의 전도성 범프(22)의 솔더(26)가 녹으면서 기판(30)의 전도성 패턴(34)에 융착됨으로써, 반도체 칩(20)과 기판(30) 간의 전기적인 인터커넥션이 이루어진다(도 4c 참조).
또한, 상기 반도체 칩(20)의 전도성 범프(22)의 솔더(26)가 녹으면서 기판(30)의 전도성패턴(34)에 융착되어 접합(interconnection)될 때, 레이저 조사에 따른 가열 작용에 의거 비전도성 페이스트(32)는 경화되어 각 전도성 범프(22)를 절연 가능하게 감싸주는 상태가 된다.
이와 같이, 본딩 툴에 의하여 진공 흡착된 반도체 칩을 기판 위에 정렬시켜 가압시킨 후, 레이저 조사에 의하여 반도체 칩의 전도성 범프가 기판의 전도성 패턴에 융착되도록 함으로써, 기존의 세라믹 히터를 이용한 열 압착 공정에 비하여 시간당 생산율(UPH)을 크게 향상시킬 수 있다.
10 : 본딩 툴 11 : 매니폴드 블럭
12 : 히터 베이스 블럭 13 : 히터 절연재
14 : 세라믹 히터 15 : 어태치
16 : 어태치먼트 진공홀 17 : 칩 흡착용 진공홀
18 : 쿨링 에어 블로워홀 20 : 반도체 칩
22 : 전도성 범프 24 : 구리필러
26 : 전도성 솔더 30 : 기판
32 : 비전도성 페이스트 34 : 전도성패턴
40 : 레이저 발생기 42 : 브라켓

Claims (6)

  1. 반도체 칩(20)을 진공으로 흡착 고정한 후, 기판(30) 위에 놓고 가압시키는 본딩 툴(10)과;
    본딩 툴(10)의 상부에 이격 배치되어 반도체 칩(20)과 기판(30) 간의 인터커넥션을 위한 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생기(40);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 부착 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 본딩 툴(10)은:
    진공제공수단과 연결되는 매니폴드 블럭(11)과;
    매니폴드 블럭(11)의 저면에 일체로 형성되어 칩을 진공 흡착 고정시키는 어태치(15)로 구성되고,
    상기 매니폴드 블럭(11)과 어태치(15)에는 칩 흡착용 진공홀(17)이 관통 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 칩 부착 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 본딩 툴(10)의 매니폴드 블럭(11) 및 어태치(15)는 레이저 빔이 통과할 수 있는 석영 재질로 만들어진 것임을 특징으로 하는 반도체 칩 부착 장치.
  4. 반도체 칩(20)을 기판(30) 위에 정렬시켜 가압시키는 압착 단계와;
    레이저 빔을 이용하여 반도체 칩(20)과 기판(30) 간을 인터커넥션시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 부착 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 압착 단계는:
    본딩 툴(10)의 어태치(15)에 반도체 칩(20)을 진공 흡착으로 고정시키는 과정과;
    본딩 툴(10)이 비전도성 페이스트(32)가 도포된 기판(30) 위로 하강하여 가압력을 제공하는 과정과;
    본딩 툴(10)의 가압력에 의하여 반도체 칩(20)의 저면이 비전도성 페이스트(32)를 가압하여 사방으로 퍼지게 하는 동시에 반도체 칩(20)의 전도성 범프(22)의 솔더(26)가 기판(30)의 전도성 패턴(34)에 안착되게 하는 과정;
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 부착 방법
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 인터커넥션 단계는:
    반도체 칩(20)의 전도성 범프(22)의 솔더(26)가 기판(30)의 전도성 패턴(34)에 안착된 상태에서, 레이저 발생기(40)로부터 레이저 빔이 반도체 칩(20)에 조사되는 과정과;
    레이저 빔의 가열 작용에 의하여 반도체 칩(20)의 전도성 범프(22)의 솔더(26)가 녹으면서 기판(30)의 전도성 패턴(34)에 융착되는 과정;
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 부착 방법.
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