KR20180076544A - 레이저 리플로우 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 레이저 리플로우 방법은 a) 인쇄회로기판에 안착된 전자부품소자 또는 디바이스에, 균질화된 레이저빔을 조사하여 솔더부가 용융되는 피크온도까지 상승시키는 온도상승(ramp-up) 단계와; b) 솔더부가 피크온도 도달 후에는 본딩온도를 일정 시간 유지하도록 균질화된 레이저빔을 조사하는 온도유지(Dwell) 단계와; c) 온도유지(Dwell) 단계 이후에, 용융된 솔더부를 급속 냉각시키는 냉각(Cooling down) 단계를 포함한다.

Description

레이저 리플로우 방법{LASER REFLOW METHOD}
본 발명은 레이저 리플로우 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균질화된 레이저빔을 조사하고, 조사 영역을 용이하게 조절할 수 있으며, 내구성이 우수한 본딩 결과를 얻을 수 있는 레이저 리플로우 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 칩과 같은 전자부품소자 또는 집적회로(IC), 트랜지스터(TR), 저항소자(R), 및 캐퍼시터(C)를 포함하는 디바이스를 인쇄회로기판에 부착하기 위해 리플로우 장치가 사용된다. 현재 리플로우 장치는 크게 매스 리플로우(mass reflow) 장치와 레이저 리플로우 장치로 분류된다.
매스 리플로우(mass reflow) 장치는 솔더볼, 솔더패드, 또는 솔더페이스트와 같은 솔더물질이 부착된 다수의 기판을 컨베이어 벨트 상에 안착하고, 컨베이어 벨트를 구동한다. 기판은 구동되는 컨베이어 벨트를 따라 적외선 히터(infrared heater) 혹은 세라믹 히터가 구비된 가열 구간을 통과한다. 이때, 적외선 히터는 컨베이어 벨트의 상측과 하측에 마련되며, 적외선 히터는 기판상의 솔더볼에 열을 가하여 반도체 소자를 기판에 부착시킨다.
매스 리플로우 장치에 따르면, 전자부품소자 또는 디바이스는 약 50℃에서 최대 약 230∼290℃ 사이의 고열에서 약 210초(sec) 동안 열적 스트레스를 받는다. 따라서, 전자부품소자 또는 디바이스가 열에 의해 손상될 수 있으며, 이로 인하여 전자부품소자 또는 디바이스의 특성 또는 수명이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 적외선 히터가 솔더볼에 열을 가해 전자부품소자 또는 디바이스를 기판에 결합하는데 3∼10분(min) 정도의 시간이 소요되어 경제적이지 못하다는 문제점이 있다. 또한, 매스 리플로우 공정은 기판에 부착되는 소자 중에 열에 취약한 소자에도 열을 가하여 불량을 발생시킬 수 있고, 전체 기판에 열을 가하기 때문에 기판상에 열 변형을 발생시킨다는 문제점이 있다.
레이저 리플로우 장치는 레이저빔을 출력하는 레이저 발진기와 레이저 발진기에서 광 섬유를 통하여 전달되는 spot 형태의 레이저 빔을 복수의 렌즈를 통하여 면 형태의 레이저빔으로 변환한 후 변환된 레이저빔을 조사하는 레이저빔 조사부를 포함한다.
일반적으로 레이저 발진기에서 출력되는 레이저빔은 조사 영역 중심에 가장 높은 에너지가 발생하고, 조사 영역 중심에서 멀어질수록 에너지가 급속히 감소하는 가우시안 함수(Gaussian function) 분포를 이룬다. 따라서, 레이저빔의 에너지가 가우시안 함수 분포를 갖는 상태에서 리플로우 공정을 적용할 경우, 조사 영역의 중심은 과한 에너지를 받아 열 변형이 발생하고, 조사 영역에서 멀어질수록 에너지가 부족하여 반도체 칩이 기판에 고정되지 않을 수 있다. 이러한 레이저 빔을 복수의 렌즈를 통하여 면 형태의 레이저빔으로 변환하는 장치가 개발되어 왔다.
한국등록특허 제10-1012959호(이하,‘선행문헌 1’이라 함.)에는 소정의 방향으로 레이저빔을 분할하는 렌즈 어레이와 렌즈 어레이에 의해 분할된 레이저빔을 합성하는 제1 볼록원통렌즈와 소정의 방향으로 레이저빔의 강도 분포를 균일화하는 광 도파로와 광 도파로와 조사면 사이에 설치된 제2 볼록원통렌즈를 포함하며, 제1 볼록원통렌즈는 분할된 레이저빔이 제1 볼록원통렌즈와 광 도파로 사이의 복수의 점에서 집광되도록 배열되는 레이저 조사장치를 개시하고 있다. 선행문헌 1에 따르면, 광도파로의 종방향 또는 횡방향의 폭을 변경함으로써 정사각형 형상의 레이저빔 또는 직사각형 형상의 레이저빔을 형성할 수 있다.
한편, 한국등록특허 제10-0777575호(이하,‘선행문헌 2’라 함.)에는 평판표시소자의 유리기판 또는 필름의 표면에 전자칩을 포함하는 전자부품을 레이저를 이용하여 접속하는 기술이 개시되어 있다. 선행문헌 2에 따르면, 소정 파장의 레이저빔을 발생시키는 제1단계와, 기판과 전자부품을 가압하는 제2단계와, 제1단계에서 발생된 레이저빔을 기판과 전자부품에 조사하여 접속매체를 용융시키면서 가압하여 접속매체의 용융 접속에 의하여 도전성을 가진 상태로 기판과 전자부품의 접속이 이루어지는 제3단계를 포함하고, 제1단계 또는 제3단계에서 사용되는 레이저빔은 라인 빔 또는 에어리어 빔 형태로 사용하고, 제3단계에서 접속매체의 경화온도에 도달한 후 일정한 경화온도를 지속적으로 유지하도록 레이저의 출력을 연속적인 형태에서 펄스 형태로 전환하여 온도의 상승을 억제하도록 제어한다.
그러나 선행문헌 2에서는 기판과 전자부품 사이에 이방 도전성 접착제를 위치시킨 후, 레이저광 조사 면적이 전자부품의 면적을 초과하고 이방 도전성 접착제의 면적 이하가 되도록 이방 도전성 접착제에 레이저광을 조사하는 기술만을 제시하고 있다.
레이저 리플로우 장치는 반도체 칩과 같은 전자부품소자 또는 집적회로(IC), 트랜지스터(TR), 저항소자(R), 및 캐퍼시터(C)를 포함하는 디바이스를 인쇄회로기판에 본딩 시 내구성이 우수한 본딩 결과를 얻을 수 있어야 한다. 특히 인쇄회로기판이 플렉시블한 기판인 경우 인쇄회로기판에 반복적인 열적 스트레스가 가해지면 인쇄회로기판에 본딩된 전자부품소자 또는 디바이스가 파손되거나 이탈되는 문제가 있다.
한국등록특허 제10-1012959호(등록일 2011.03.18) 한국등록특허 제10-0777575호(등록일 2007.11.12)
본 발명은 상기와 같은 배경에서 제안된 것으로, 본 발명은 반도체 칩과 같은 전자부품소자 또는 집적회로(IC), 트랜지스터(TR), 저항소자(R), 및 캐퍼시터(C)와 같은 디바이스를 인쇄회로기판에 본딩 시 내구성이 우수한 본딩 결과를 얻을 수 있는 레이저 리플로우 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 본딩 후 인쇄회로기판에 반복적인 열적 스트레스가 가해지더라도 전도성 범프(bump)와 솔더부의 계면에서 파손이 잘 일어나지 않는 레이저 리플로우 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 전자부품소자 또는 디바이스를 기판에 본딩하는 시간 단축으로 제조효율을 높일 수 있는 레이저 리플로우 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 리플로우 방법은 a) 전자부품소자에, 균질화된 레이저빔을 조사하여 솔더부가 용융되는 피크온도까지 상승시키는 온도상승(ramp-up) 단계와; b) 솔더부가 피크 온도 도달 후에는 본딩온도를 일정 시간 유지하도록 균질화된 레이저빔을 조사하는 온도유지(Dwell) 단계와; c) 온도유지(Dwell) 단계 이후에, 용융된 솔더부를 급속 냉각시키는 냉각(Cooling down) 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 리플로우 방법은 a) 디바이스에, 균질화된 레이저빔을 조사하여 솔더부가 용융되는 피크온도까지 상승시키는 온도상승(ramp-up) 단계와; b) 솔더부가 피크 온도 도달 후에는 본딩온도를 일정 시간 유지하도록 균질화된 레이저빔을 조사하는 온도유지(Dwell) 단계; 및 c) 온도유지(Dwell) 단계 이후에, 용융된 솔더부를 급속 냉각시키는 냉각(Cooling down) 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 리플로우 방법의, a) 균질화된 레이저빔을 조사하여 솔더부가 용융되는 피크온도까지 상승시키는 온도상승(ramp-up) 단계는 인쇄회로기판을 예열시키는 예열(Preheating) 단계를 더 포함하여 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 리플로우 방법는 d) 냉각(Cooling down) 단계 후, 전자부품소자 다이(die)의 전도성 범프(bump)에 형성된 솔더부 또는 디바이스의 핀(PIN)에 형성된 솔더부는 고온의 본딩온도에서 급속히 냉각(Cooling down)되면서 다결정 구조(Multi Grain)가 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 리플로우 방법의, a) 단계 내지 c) 단계까지 총 레이저 리플로우 시간은 0.5초(sec) 이상, 10초(sec) 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레이저 리플로우 방법은 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 전체 레이저 리플로우 공정시간이 0.5초(sec) 이상 10초(sec) 이하로 구현됨으로써, 전자부품소자 또는 디바이스를 기판에 본딩하는 시간 단축으로 제조효율을 높일 수 있다.
둘째, 전자부품소자 다이(die)의 전도성 범프(bump)에 형성된 솔더부 또는 디바이스의 핀(PIN)에 형성된 솔더부는 고온의 본딩온도에서 급속히 냉각(Cooling down)되면서 다결정 구조(Multi Grain)가 형성된다. 반면에 기존 매스 리플로우 방법을 통해 솔더부는 단결정 구조(Single Grain)를 갖는다. 즉, 본 발명에 따른 레이저 리플로우 방법은 기존 매스 리플로우 방법보다 전자부품소자 다이(die) 또는 디바이스의 핀(PIN)과 인쇄회로기판 간의 접착력이 높다. 이에 본딩 후 인쇄회로기판에 반복적인 열적 스트레스가 가해지더라도 전도성 범프(bump)와 솔더부의 계면에서 파손이 잘 일어나지 않는다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리플로우 방법을 도시한다.
도 2a는 전자부품소자 다이(die)의 전도성 범프(bump)와 솔더부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 레이저 리플로우 방법에서 전자부품소자에 균질화된 레이저빔을 조사하는 실시예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 레이저 리플로우 공정과 기존 매스 리플로우 공정을 비교 설명하기 위한 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리플로우 방법은 도 1 에 도시한 바와 같이, 크게 온도상승(ramp-up) 단계(S111)와 온도유지(Dwell) 단계(S112)와 냉각(Cooling down) 단계(S113)와 본딩불량 조사단계(S114)를 포함하여 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리플로우 방법은 각 고객사들의 전자부품소자 다이(die)와 전도성 범프(bump)의 종류에 따라 그리고 디바이스의 종류에 따라 레이저빔 출력 강도 및 레이저빔 크기가 다르며, 또한 온도상승(ramp-up) 단계(S111)와 온도유지(Dwell) 단계(S112)별로 균질화된 레이저빔을 조사하는 시간이 다르다.
먼저, 온도상승(ramp-up) 단계(S111)는 균질화된 레이저빔을 0.1초(sec) 이상, 4초 이하(sec)로 조사하여 전자부품소자 또는 디바이스의 온도를 솔더부가 용융되는 피크온도, 예를 들어 약 210℃ 내지 350℃까지 상승시키는 단계이다.
온도상승(ramp-up) 단계(S111)는 본딩 과정에서 전자부품소자 또는 디바이스의 솔더부가 튕기는 것을 방지하기 위해 인쇄회로기판을 예열시키는 예열(Preheating) 단계를 더 포함할 수 있다. 예열(Preheating) 단계는 일례로, 반도체의 경우 인쇄회로기판이 스테이지에 안착될 시 스테이지를 히트 업(Heat-up)하는 것으로 이루어질 수 있다. 다른 예로, 예열(Preheating) 단계는 레이저빔을 0.5초(sec) 이상, 1초(sec) 이하로 조사하여 전자부품소자 또는 디바이스를 약 60℃ 이상, 170℃ 이하로 예열(Preheating)하도록 구현될 수 있다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 전자부품소자 다이(die)(210)의 전도성 범프(bump)(220)에 형성된 솔더부(230)는 인쇄회로기판(300)에 안착된다. 솔더부(230)는 플럭스(flux)(240)가 형성될 수 있다. 도 2b에 도시한 바와 같이 전자부품소자 다이(die)(210)에 균질화된 레이저빔을 조사하여 본딩한다.
온도유지(Dwell) 단계(S112)는 솔더부가 피크 온도 도달 후 본딩온도를 일정 시간 유지하도록 레이저빔을 0.1초(sec) 이상, 6초(sec) 이하로 조사하여 일정한 본딩온도로 유지시키는 단계이다.
온도유지(Dwell) 단계(S112)는 일례로, 전자부품소자와 인쇄회로기판을 서로 압착하면서 균질화된 레이저빔을 조사할 수 있다. 전자부품소자와 인쇄회로기판을 서로 압착하면서 균질화된 레이저빔을 조사하면 온도유지(Dwell) 시간을 단축할 수 있다.
냉각(Cooling down) 단계(S114)는 온도유지(Dwell) 단계(S112) 이후에, 용융된 솔더부를 급속 냉각시키는 단계이다. 본 발명의 레이저 리플로우 공정을 통해 전도성 범프(bump)에 형성된 솔더부는 급속 냉각(Cooling down)되면서 다결정 구조(Multi Grain)가 형성된다. 그러나 기존의 매스 리플로우 공정을 통해 전도성 범프(bump)에 형성된 솔더부는 냉각(Cooling down)되면서 다결정 구조(Multi Grain)보다 단결정 구조(Single Grain)가 더 많이 형성된다. 솔더부가 다결정 구조(Multi Grain)를 형성할수록 전자부품소자 다이(die)와 인쇄회로기판 간의 접착력이 높다. 이에 따라 기존 매스 리플로우 공정과 비교하여 본 발명의 레이저 리플로우 공정을 통해 전도성 범프(bump)에 형성된 솔더부가 본딩된 인쇄회로기판에 반복적인 열적 스트레스가 가해지더라도 전도성 범프(bump)와 솔더부의 계면에서 파손이 잘 일어나지 않는다.
도 3 은 본 발명에 따른 레이저 리플로우 공정과 기존 매스 리플로우 공정을 비교 설명하기 위한 예시도이다. 본 발명에 따른 레이저 리플로우 공정의 온도상승(ramp-up) 단계, 및 온도유지(Dwell) 단계를 포함하는 처리시간은 도 3의 상측에 도시한 그래프와 같이 총 8초(sec)인데 반해, 매스 리플로우의 처리시간은 총 170.72 초(sec)인 것으로 나타났다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 리플로우 공정의 전체 처리시간을 기존 매스 리플로우 공정과 비교하면, 본 발명에 따른 레이저 리플로우 공정의 전체 처리시간은 기존 매스 리플로우 공정의 전체 처리시간의 극히 일부의 시간만이 소요됨을 알 수 있다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
210 : 전자부품소자 다이(die)
220 : 전도성 범프(bump)
230 : 솔더부
240 : 플럭스(flux)
300 : 인쇄회로기판

Claims (6)

  1. 인쇄회로기판에 안착된, 전자부품소자 다이(die)에 균질화된 레이저빔을 조사하여 상기 인쇄회로기판에 전자부품소자 다이(die)의 전도성 범프(bump)에 형성된 솔더부를 본딩하는 레이저 리플로우 장치에서 실행되는 레이저 리플로우 방법으로서,
    a) 전자부품소자 다이(die)에, 균질화된 레이저빔을 조사하여 상기 솔더부가 용융되는 피크온도까지 상승시키는 온도상승(ramp-up) 단계;
    b) 상기 솔더부가 피크 온도 도달 후에는 본딩온도를 일정 시간 유지하도록 균질화된 레이저빔을 조사하는 온도유지(Dwell) 단계; 및
    c) 상기 온도유지(Dwell) 단계 이후에, 용융된 솔더부를 급속 냉각시키는 냉각(Cooling down) 단계;
    를 포함하는 레이저 리플로우 방법.
  2. 인쇄회로기판에 안착된, 집적회로(IC), 트랜지스터(TR), 저항소자(R), 및 캐퍼시터(C)를 포함하는 디바이스에 균질화된 레이저빔을 조사하여 상기 인쇄회로기판에 상기 디바이스 핀(PIN)에 형성된 솔더부를 본딩하는 레이저 리플로우 장치에서 실행되는 레이저 리플로우 방법으로서,
    a) 디바이스에, 균질화된 레이저빔을 조사하여 상기 솔더부가 용융되는 피크온도까지 상승시키는 온도상승(ramp-up) 단계;
    b) 상기 솔더부가 피크 온도 도달 후에는 본딩온도를 일정 시간 유지하도록 균질화된 레이저빔을 조사하는 온도유지(Dwell) 단계; 및
    c) 상기 온도유지(Dwell) 단계 이후에, 용융된 솔더부를 급속 냉각시키는 냉각(Cooling down) 단계;
    를 포함하는 레이저 리플로우 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
    상기 a) 단계 내지 상기 c) 단계까지 총 레이저 리플로우 시간은 0.5초(sec) 이상, 10초(sec) 이하인 것을 특징으로 하는,
    레이저 리플로우 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
    상기 d) 냉각(Cooling down) 단계 후,
    상기 전자부품소자 다이(die)의 전도성 범프(bump)에 형성된 솔더부 또는 상기 디바이스의 핀(PIN)에 형성된 솔더부는 고온의 본딩온도에서 급속히 냉각(Cooling down)되면서 다결정 구조(Multi Grain)가 형성되는,
    레이저 리플로우 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
    a) 단계는,
    상기 인쇄회로기판을 예열시키는 예열(Preheating) 단계;
    를 더 포함하는 레이저 리플로우 방법.
  6. 청구항 1 에 있어서,
    상기 b) 온도유지(Dwell) 단계는,
    상기 전자부품소자와 인쇄회로기판을 가압하면서 균질화된 레이저빔을 조사하는 단계인 것을 특징으로 하는,
    레이저 리플로우 방법.
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