KR20200125205A - 레이저 디본딩 장치의 히팅모듈 - Google Patents

레이저 디본딩 장치의 히팅모듈 Download PDF

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KR20200125205A KR1020190049155A KR20190049155A KR20200125205A KR 20200125205 A KR20200125205 A KR 20200125205A KR 1020190049155 A KR1020190049155 A KR 1020190049155A KR 20190049155 A KR20190049155 A KR 20190049155A KR 20200125205 A KR20200125205 A KR 20200125205A
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이영진
이규호
박부성
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Abstract

기판으로부터 전자부품을 디본딩하기 위한 레이저 디본딩 장치에 있어서,전원공급을 통해 가열되는 히팅부;상기 히팅부와 접촉되어 가열되는 베이스부; 상기 베이스의 측면을 둘러싸도록 형성된 격벽부; 상기 히팅부와 베이스부를 관통하여 배치되고, 상온의 에어가 분사되어 전자부품을 냉각시키도록 하는 블로잉부;를 포함할 수 있다.

Description

레이저 디본딩 장치의 히팅모듈{Heating module of laser debonding device}
본 발명은 레이저 디본딩 장치의 히팅모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 조사에 의해 솔더링이 용융된 전자부품을 기판의 오염없이 제거할 수 있도록된 레이저 디본딩 장치의 히팅모듈에 관한 것이다.
산업용 레이저 가공에서 마이크론(㎛)급의 정밀도를 가지는 응용분야가 마이크로 레이저프로세싱인데, 반도체 산업, 디스플레이 산업, 인쇄회로기판(PCB) 산업, 스마트폰 산업 등에서 널리 사용되고 있다. 모든 전자기기에 사용되는 메모리칩은 집적도와 성능 및 초고속 통신속도를 구현하기 위해 회로간격을 최소한으로 축소시키는 기술이 발전하다가 현재는 회로선폭과 선폭간격을 축소시키는 것만으로는 요구되는 기술수준을 달성하기 어려워서 메모리칩들을 수직방향으로 적층하는 수준이 되었다. 이미 128층까지의 적층기술이 TSMC사(社)에서 개발되었고, 72층까지 적층하는 기술을 삼성전자, SK하이닉스 등에서 대량생산에 적용하고 있다.
또한, 메모리칩, 마이크로프로세서칩, 그래픽프로세서칩, 무선프로세서칩, 센서프로세서칩 등을 1개의 패키지에 실장하려는 기술개발들이 치열하게 연구개발되고 있으며 상당한 수준의 기술들이 이미 실전적용되고 있다.
그러나 앞에서 언급한 기술의 개발과정에서, 초고속/초고용량 반도체칩 내부에서 더욱 더 많은 전자들이 신호처리프로세스에 참여해야 하므로 전력소비량이 커져서 발열에 대한 냉각처리 이슈가 제기되었다. 또한, 더욱 많은 신호들에 대한 초고속 신호처리 및 초고주파 신호처리라는 요구사항을 달성하기 위하여 대량의 전기신호들을 초고속으로 전달해야 한다는 기술이슈가 제기되었다. 또한, 신호선들이 많아져야 해서 반도체칩 외부로의 신호 인터페이스 선들을 더 이상 1차원적인 리드선방식으로는 처리하지 못하고 반도체칩 하부에서 2차원적으로 처리하는 볼그리드어레이(BGA) 방식(Fan-In BGA 또는 Fan-in Wafer-Level-Package(FIWLP)라고 함)과, 칩 하부의 초미세 BGA층 아래에 신호 배선 재배열층(Signal Layout Redistribution Layer)을 두고 그 하부에 2차 미세 BGA층을 설치하는 방식(Fan-Out BGA 또는 Fan-Out Wafer-Level-Package(FOWLP) 또는 Fan-Out Panel-Level-Package라고 함) 방식이 실적 적용되고 있다.
최근에는 반도체칩의 경우, EMC(Epoxy-Mold Compound)층을 포함하여 두께가 200㎛ 이하 제품이 등장하고 있다. 이와 같이 두께가 수백 마이크론에 불과한 마이크론급의 초경박형 반도체칩을 초경박형 PCB에 부착하기 위하여 기존의 표면실장기술(SMT) 표준공정인 써멀리플로우오븐(Thermal Reflow Oven) 기술과 같은 매스리플로우(MR) 공정을 적용하면 수백 초의 시간 동안 100∼300도(℃)의 공기온도환경 속에 반도체칩이 노출되므로 열팽창계수(CTE; Coefficient of ThermalExpansion) 차이 때문에 칩-테두리 휨(Chip-Boundary Warpage), PCB-테두리 휨(PCB-Boundary Warpage), 열충격형 랜덤본딩불량(Random-Bonding Failure by Thermal Shock) 등 다양한 형태의 솔더링 본딩 접착불량이 발생할 수 있다.
이에 따라 종래에는 상기한 원인을 포함하여 솔더링 공정 상에서 발생되는 다양한 형태의 전자부품의 솔더링 불량을 리웍하기 위해 국부적인 가열(Localized Heating) 기술이 개발되었는데, 그 중 최근에 가장 활발하게 연구되고 있는 분야가 레이저 빔 조사에 의한 솔더링 디본딩 기술이다.
종래 레이저 빔 조사에 의한 디본딩 기술은 비접촉식이라는 장점을 가지고 있고, 레이저광이 직접 반도체칩에 흡수되는 방법이 1차적인 열흡수메카니즘이므로 열팽창계수의 차이에 의한 열충격이 없다는 장점이 있으며, 매우 국부적인 가열을 꼭 필요한 시간만 수행하므로 저전력소비, 총 입열량 최소화, 열충격 최소화, 프로세스 시간 최소화 등 여러가지 장점들을 가지고 있다.
한편, 통상적으로 알려진 레이저 본딩 장치의 레이저 헤드 모듈은 본딩대상물(반도체 칩 또는 집적회로 IC)을 수 초 동안 눌러주면서 레이저를 조사하여 본딩하는 방식으로, 반도체 칩 또는 집적회로(IC) 사이즈에 대응하는 면 광원형태의 레이저를 조사하여 본딩을 수행한다.
이러한 가압방식의 레이저 헤드 모듈에 대해서는 한국등록특허 제10-1245356호(이하, '선행문헌'이라 함)을 참조하면, 반도체 칩을 진공에 의해 흡착하면서 면 광원 형태의 레이저가 반도체 칩으로 조사되도록 하는 흡착모듈과 그를 포함하는 가압 헤드 구성이 기술되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 가압방식의 레이저 헤드 모듈은 가압 헤드와 레이저 조사부가 하나의 모듈로 제작되어 구동되기 때문에 반도체 스트립과 같이 복수의 반도체 칩을 본딩하는 경우 하나의 반도체 칩을 가압하면서 면 광원 형태의 레이저를 조사하는 동작을 복수의 반도체 칩 개수만큼 반복적으로 수행해야 한다.
이로 인해 복수의 반도체 칩을 본딩하기 위한 전체 작업시간이 증가될 뿐만 아니라, 가열헤드를 추가 탑재함에 따라 전체 장비의 가격이 급격히 증가되는 문제점이 있었다.
한편 상술한 가압헤드 방식 대신에 레이저 빔 조사에 의한 레이저 헤드 모듈을 디본딩 장치에 적용하더라도, 현재로선 레이저에 의해 분리된 전자부품을 작업자가 공구를 이용하여 일일이 수작업으로 제거하거나 또는 별도의 이젝터 장치를 이용하여 제거하고 있어 가열 및 용융된 솔더액에 의해 기판이 오염되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 레이저 헤드 모듈의 고열에 작업자가 안전사고를 입을 수 있는 위험도 상존하였다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로, 본 발명은 레이저 조사에 의해 용융된 전자부품을 석션에 의해 기판의 오염없이 그 자리에서 즉시 제거할 수 있도록 된 레이저 디본딩 장치의 히팅모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전자부품에 레이저를 조사하여 솔더링을 용융하기 이전에 전자부품의 하부에 예열을 함으로써 전자부품에 레이저를 조사하더라도 상하부 온도편차를 줄여 솔더링 용융이 보다 원할히 진행될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 히팅모듈로 전자부품에 예열을 하는 과정에서 특정 전자부품의 손상을 방지하기 위해 상온의 블로잉이 구현될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판으로부터 전자부품을 디본딩하기 위한 레이저 디본딩 장치에 있어서,전원공급을 통해 가열되는 히팅부;상기 히팅부와 접촉되어 가열되는 베이스부; 상기 베이스의 측면을 둘러싸도록 형성된 격벽부; 상기 히팅부와 베이스부를 관통하여 배치되고, 상온의 에어가 분사되어 전자부품을 냉각시키도록 하는 블로잉부;를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 전자부품이 실장된 기판 하부를 고르게 예열하여 전자부품에 레이저를 조사하더라도 기판 상하부의 온도편차를 줄여 솔더링 용융이 효과적으로 진행될 수 있다.
또한, 본 발명의 효과는 전자부품이 실장된 기판을 예열하는 과정에서 특정 전자부품에만 상온의 블로잉이 구현되어 전자부품의 온도 상승을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 전자부품의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과는 히팅하는 과정에서 복사열이 발생하여 예열 온도를 지속적이면서 고르게 분포할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 디본딩 장치의 싱글 빔 모듈의 개념도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 디본딩 장치에 의해 싱글 레이저 빔이 조사되는 FPCB 기판의 이미지
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 디본딩 장치의 구성 개념도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성 개념도
도 5는 본 발명의 일 실싱예에 따른 히팅모듈의 사시도
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 A-A'의 단면도
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 내지 "구비하다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자,단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하, 첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 디본딩 장치의 싱글빔 모듈의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 시시예에 따른 디본딩 장치에 의해 실긍 레이저 빔이 조사되는 FPCB 기판의 이미지이다.
상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 레이저 디본딩 장치는 일실시예에 따라 단일의 레이저 모듈(310)을 구비하며, 이에 따라 FPCB 기판 상에 싱글 레이저 빔을 조사하게 된다. 이때, 도 2를 참조하면 상기 제1레이저 모듈(310)에 의해 조사된 레이저 빔은 스퀘어 빔 형상으로 변형된 상태로 기판 상에서 조사된다.
즉, 상기 레이저 모듈(310)에 의해 조사된 레이저 빔이 솔더링 불량부의 온도를 솔더링의 용융이 일어나는 디본딩 온도까지 선택적으로 가열함에 따라 전자부품이 기판에서 제거 가능한 상태가 되고, 이어서 일정 형태의 이젝터 장치(도 5 및 도 6 참조)에 의해 상기 솔더링이 용융된 불량 전자부품을 기판으로부터 흡입 제거하게 되는 것이다.
이하, 첨부된 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 듀얼 빔 구성 및 작동 관계를 일실시예에 따라 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 디본딩 장치의 구성 개념도이다.
상기 도 3에서, 레이저 조사부의 레이저 모듈(310)은 각기 냉각장치(316)를 구비한 레이저 발진기(311), 빔 쉐이퍼(312), 광학렌즈모듈(313), 구동장치(314), 제어장치(315) 및 전원공급부(317)를 포함하여 구성된다.
상기 레이저 발진기(310)는 소정 범위의 파장과 출력 파워를 갖는 레이저 빔을 생성한다. 레이저 발진기는 일례로 '750nm 내지 1200nm' 또는 '1400nm 내지 1600nm' 또는 '1800nm 내지 2200nm' 또는 '2500nm 내지 3200nm'의 파장을 갖는 다이오드 레이저(Laser Diode, LD) 또는 희토류 매질 광섬유 레이저(Rare-Earth-Doped Fiber Laser) 또는 희토류 매질 광결정 레이저(Rare-Earth-Doped Crystal Laser)일 수 있으며, 이와 달리 755nm의 파장을 갖는 알렉산드라이트 레이저 광을 방출하기 위한 매질, 또는 1064nm 또는 1320nm의 파장을 갖는 엔디야그(Nd:YAG) 레이저 광을 방출하기 위한 매질을 포함하여 구현될 수 있다.
빔 쉐이퍼(beam shaper)(312)는 레이저 발진기(310)에서 발생하여 광섬유를 통해 전달되는 스폿(spot) 형태의 레이저를 플랫 탑을 가진 면광원(Area Beam) 형태로 변환시킨다. 빔 쉐이퍼(312)는 사각 광 파이프(Square Light Pipe), 회절광학소자(Diffractive Optical Element, DOE) 또는 마이크로렌즈어레이(Micro-Lens Array, MLA)를 포함하여 구현될 수 있다.
광학렌즈모듈(313)은 빔 쉐이퍼에서 면 광원 형태로 변환된 레이저 빔의 형태와 크기를 조정하여 PCB 기판에 장착된 전자부품 내지 조사 구역으로 조사하도록 한다. 광학렌즈모듈은 복수의 렌즈의 결합을 통해 광학계를 구성한다.
구동장치(314)는 조사면에 대해 레이저 모듈의 거리 및 위치를 이동시키고, 제어장치(315)는 구동장치(314)를 제어하여 레이저 빔이 조사면에 도달할 때의 빔 형상, 빔 면적 크기, 빔 선명도 및 빔 조사 각도를 조정한다. 제어장치(315)는 또한 구동장치(314) 외에 레이저 모듈(310) 각 부의 동작을 통합적으로 제어할 수 있다.
한편, 레이저출력조정부(370)는 사용자 인터페이스를 통해 수신한 프로그램 또는 미리 설정된 프로그램에 따라 레이저 모듈(310)에 대응하는 전원 공급부(317)에서 레이저 모듈(310)로 공급되는 전력량을 제어한다. 레이저출력조정부(370)는 하나 이상의 카메라 모듈(350)로부터 조사면 상에서의 부품별, 구역별 또는 전체 디본딩 상태 정보를 수신하여 이를 토대로 전원 공급부(317)를 제어한다.
이와 달리, 레이저출력조정부(370)로부터의 제어정보가 레이저 모듈(310)의 제어장치(315)로 전달되고, 상기 제어장치(315)에서 각기 대응하는 전원공급부(317)를 제어하기 위한 피드백 신호를 제공하는 것도 가능하다.
한편, 복수의 레이저 모듈 별로 서로 다른 파장을 가진 레이저 빔을 방출하도록 구성하는 경우에는, 레이저 조사부는 전자부품에 포함된 복수의 재료층(예: EMC층, 실리콘층, 솔더층)이 각기 잘 흡수하는 파장을 갖는 개별 레이저 모듈로 구성될 수 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 레이저 디본딩 장치는 전자부품의 온도와 인쇄회로기판이나 전자부품 전극간의 연결소재인 솔더(Solder)와 같은 중간접합재의 온도를 선택적으로 상이하게 상승시켜 최적화된 접합(Attaching or Bonding) 또는 분리(Detaching or Debonding) 공정을 수행할 수 있다.
구체적으로, 전자부품의 EMC몰드층과 실리콘층을 모두 투과하여 솔더층에 각 레이저 빔의 모든 에너지가 흡수되도록 하거나, 레이저 빔이 EMC몰드층을 투과하지 않고 전자부품의 표면을 가열하여 전자부품 하부의 본딩부로 열이 전도되도록 할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성 개념도이다.
상기 도 4는 본 발명에 적용가능한 가장 간단한 구조의 광학계로서,빔 전송 광섬유(410)로부터 방출된 레이저 빔이 볼록렌즈(420)를 통해 초점 정렬되어 빔 쉐이퍼(430)로 입사하면, 빔 쉐이퍼(430)에서 스폿 형태의 레이저 빔을 플랫탑(Flat-Top) 형태의 면광원(A1)으로 변환시키고, 빔 쉐이퍼(430)로부터 출력된 정사각형 레이저 빔(A1)이 오목 렌즈(440)를 통해 원하는 크기로 확대되어 확대된 면광원(A2)으로 결상면(S)에 조사된다.
이하 첨부된 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 히팅모듈의 구성 및 작동관계에 대해 자세히 살펴보기로 한다. 먼저 본 발명의 레이저헤드모듈(600)은 앞서 상술한 레이저 모듈에서 레이저 발진기(311)와 냉각장치(316), 구동장치(314) 등을 제외한 일부 구성으로 이하 기술된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅모듈의 사시도이다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 A-A'의 단면도이다.
히팅모듈은 히팅부, 베이스부, 격벽부, 블로잉부를 포함할 수 있다. 히팅부는 전원공급을 통해 가열되는 것으로 금속소재로 이루어질 수 있다. 히팅부와 접촉되어 히팅부의 열을 통해 가열되는 베이스부가 구성될 수 있다.
베이스부는 글라스 소재로 구성될 수 있으며, 열을 고르게 퍼지도록 일정간격으로 홀 또는 홈이 구성될 수 있다.
이러한 베이스부의 열을 가두면서 온도를 일정하게 유지하기 위해 베이스부의 측면과 바닥면에는 격벽부를 구성할 수 있다. 격벽부는 열의 전도가 우수한 세라믹소재일 수 있다.
블로잉부는 히팅부와 베이스부를 관통하여 배치되고, 상온의 에어가 분사되어 전자부품을 냉각시키도록 할 수 있다. 즉, 전자부품이 높은 온도가 올라 가는 것을 방지하여 파손되는 것을 막을 수 있다.
좀더 자세히 설명하면, 전자부품 특성상 높은 온도를 견디지 못하는 부품들이 존재하여 이러한 전자부품에는 비록 히팅부를 통해 예열을 하지만, 문제가 될 수 있는 전자부품에는 상온의 에어를 분사함으로써 파손을 방지함과 동시에 디본딩을 구현할 수 있게 된다.
그리고, 격벽부의 하면에는 높이 조절 및 체결을 위한 스페이서가 더 포함될 수 있다. 스페이서는 일종의 박스 형상으로 금속 소재로 구성될 수 있다.
또한, 격벽부의 일측에는 가열된 베이스의 온도를 측정하기 위한 온도센서부가 포함될 수 있다. 즉, 베이스의 온도가 기설정된 온도 이상되면 히팅부의 전원을 일시적으로 차단할 수 도 있다.
아울러 본 발명은 단지 앞서 기술된 일 실시예에 의해서만 한정된 것은 아니며, 장치의 세부 구성이나 개수 및 배치 구조를 변경할 때에도 동일한 효과를 창출할 수 있으므로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 구성의 부가 및 삭제, 변형이 가능한 것임을 명시하는 바이다.
500 : 히팅모듈 510 : 히팅부
520 : 베이스 530 : 격벽부
540 : 블로잉부 550 : 스페이서
560 : 온도센서부

Claims (5)

  1. 기판으로부터 전자부품을 디본딩하기 위한 레이저 디본딩 장치에 있어서,
    전원공급을 통해 가열되는 히팅부;
    상기 히팅부와 접촉되어 가열되는 베이스부;
    상기 베이스의 측면을 둘러싸도록 형성된 격벽부;
    상기 히팅부와 베이스부를 관통하여 배치되고, 상온의 에어가 분사되어 전자부품을 냉각시키도록 하는 블로잉부;를 포함하는 레이저 디본딩 장치의 히팅모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스에는 일정 간격으로 홀 또는 홈이 형성된 것인 레이저 디본딩 장치의 히팅모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스는 글라스 소재인 것인 레이저 디본딩 장치의 히팅모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 격벽부의 하면에는 높이 조절 및 체결을 위한 스페이서가 더 포함된 것인 레이저 디본딩 장치의 히팅모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 격벽부의 일측에는 가열된 베이스의 온도를 측정하기 위한 온도센서부가 포함된 것인 레이저 디본딩 장치의 히팅모듈.



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