KR20200129436A - 레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈은, 기판 상에 배열된 복수의 전자부품을 포함하는 본딩대상물을 투광성 가압부재로 눌러 가압함과 동시에 상기 가압부재를 통해 레이저 빔을 조사함으로써 전자부품을 기판에 본딩하는 레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈에 있어서, 서로 분할 배치된 상태로 상기 본딩대상물에 복수의 레이저 빔을 중첩 조사하는 멀티 레이저 모듈; 및 상기 멀티 레이저 모듈의 사이 영역에 구비되어 투광성 가압부재를 통해 빔을 조사함으로써 본딩대상물의 다수 지점의 온도를 감지하는 온도감지센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈 {Laser pressure head module of laser reflow equipment}

본 발명은 레이저 리플로우 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적어도 둘 이상의 레이저 빔을 중첩 조사하는 멀티 레이저 빔 모듈을 갖는 레이저 리플로우 장치에 있어서, 상기 멀티 레이저 빔이 중첩 조사되는 레이저 빔 영역의 온도 분포를 정밀하게 모니터링함으로써 본딩대상물에 포함된 전자부품들이 온도불균형으로 인한 본딩 불량을 최소화할 수 있도록 된 레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈에 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 최근들어 각광받고 있는 레이저 리플로우 장치의 구성을 살펴보면, 레이저 헤드 모듈이 본딩대상물(반도체 칩 또는 집적회로 IC)을 수 초 동안 눌러주면서 레이저를 조사하여 본딩하는 방식으로, 반도체 칩 또는 집적회로(IC) 사이즈에 대응하는 면 광원 형태의 레이저를 조사하여 본딩을 수행한다.

이러한 가압방식의 레이저 헤드 모듈에 대해서는 한국등록특허 제0662820호(이하, ‘선행문헌1’이라 함)를 참조하면, 플립칩의 후면에 레이저를 조사하여 상기 플립칩을 가열하는 한편, 상기 플립칩을 상기 캐리어 기판에 압착하기 위한 플립칩 가열압착모듈의 구성이 개시되어 있다.

그러나, 상기 선행문헌1에 개시된 종래 가압방식의 레이저 헤드 모듈은 칩을 흡착하여 본딩 포지션으로 이동시키기 위한 수단과, 상기 칩의 이면을 레이저를 통해 가열함과 동시에 상기 칩을 캐리어 기판에 압착시키기 위한 수단으로 분리되기 때문에 반도체 스트립과 같이 복수의 반도체 칩을 본딩하는 경우 하나의 반도체 칩을 가압하면서 레이저를 조사하는 동작을 반도체 칩 개수만큼 반복적으로 수행해야하기 때문에 작업시간이 증대될 수밖에 없었다.

한편 한국공개특허 2017-0077721(이하, ‘선행문헌2’이라 함)을 참조하면, 동 특허에 언급된 가압 헤드 구성은 가압 헤드가 여러 개의 플립칩을 동시에 가압한 상태에서 레이저 헤드가 수평 방향으로 이송하며 각 플립칩을 순차적으로 하나씩 레이저를 조사하거나 또는 단일의 레이저 헤드가 여러 개의 플립칩에 레이저를 동시에 조사하는 방식으로 본딩 처리가 가능함에 대해 개괄적으로 언급하고 있다.

그러나, 상술한 선행문헌2의 종래 가압 헤드 구성에 따르면 단일의 레이저 소스를 이용하기 때문에 기판 상에 배치된 복수의 플립칩에 레이저 빔이 여러 각도에서 입사함에 따라 균질화된 레이저 빔을 조사 및 불량없이 복수의 플립칩을 리플로우하기는 기술적으로 많은 어려움이 예상된다.

그러므로 종래에는 단일의 플립칩을 하나씩 순차적으로 가압 및 리플로우 처리함에 따라 전체 작업시간이 증가될 수밖에 없었고, 복수의 처리를 위해 다양한 기판의 사이즈에 수평적으로 배치된 복수의 플립칩에 단일의 레이저 빔을 동시에 조사하더라도 각각의 플립칩에 충분한 열에너지가 골고루 전달되기는 사실상 어려우므로 여전히 본딩 불량률이 개선되기 어려운 문제점이 남아 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로, 본 발명은 멀티 레이저 빔이 중첩 조사되는 영역을 복수의 온도감지센서로 정밀하게 모니터링함으로써 본딩대상물을 구성하는 기판 및 전자부품의 온도불균형을 즉시 감지 및 보상함으로써 특정 전자부품의 본딩 불량을 미연에 방지할 수 있도록 구성된다. 이에 따라 복수의 전자부품을 동시에 가압 및 레이저 빔을 조사하여 한번에 리플로우 처리함에 따라 대량 처리가 가능하면서도 온도불균형에 따른 본딩 불량률이 대폭 개선되는 레이저 리플로우 장치의 멀티 레이저 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 배열된 복수의 전자부품을 포함하는 본딩대상물을 투광성 가압부재로 눌러 가압함과 동시에 상기 가압부재를 통해 레이저 빔을 조사함으로써 전자부품을 기판에 본딩하는 레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈에 있어서, 서로 분할 배치된 상태로 상기 본딩대상물에 복수의 레이저 빔을 중첩 조사하는 멀티 레이저 모듈; 및 상기 멀티 레이저 모듈의 사이 영역에 구비되어 투광성 가압부재를 통해 빔을 조사함으로써 본딩대상물의 다수 지점의 온도를 감지하는 온도감지센서를 포함하여 구성된다.

또한 상기 멀티 레이저 모듈은 서로 마주보는 한쌍의 듀얼 레이저 모듈로 구성된다.

또한 상기 온도감지센서는 일 실시예에 따라 단일의 적외선 온도감지센서로 구성된다.

또한 상기 단일의 적외선 온도감지센서가 본딩대상물의 다수 지점에 순차적으로 적외선을 조사한다.

또한 상기 단일의 적외선 온도감지센서는 복수의 레이저 빔이 중첩 조사되는 영역 내의 둘레 및 가운데 부분 중 다수 지점에 순차적으로 적외선을 조사한다.

또한 상기 온도감지센서는 다른 실시예에 따라 복수의 적외선 온도감지센서로 구성된다.

또한 상기 복수의 적외선 온도감지센서가 본딩대상물의 다수 지점에 동시에 적외선을 조사한다.

또한 상기 복수의 적외선 온도감지센서는 복수의 레이저 빔이 중첩 조사되는 영역 내의 둘레 및 가운데 부분 중 다수 지점에 동시에 적외선을 조사한다.

또한 상기 멀티 레이저 모듈에는 각각 레이저 빔의 출력 및 강도를 측정하기 위한 빔 프로파일러가 더 구비된다.

또한 상기 투광성 가압부재 하부로, 레이저 본딩시 발생하는 가스(fumes)가 투광성 가압부재의 바닥면에 달라붙는 것을 막아주는 보호필름을 더 포함한다.

또한 상기 보호필름은 폴리테트라플로오로에틸렌 수지(PTFE) 또는 퍼플루오로알콕시 수지(PFA)로 구현된다.

또한 상기 보호필름은 롤 형태로 감긴 보호필름을 풀어주면서 일측으로 이송시키는 릴-투-릴(reel to reel) 방식의 보호필름 이송부에 의해 공급된다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 본딩대상물에 포함된 복수의 전자부품에 멀티 레이저 빔을 조사 및 동시에 가압함으로써 대량 리플로우 처리에 의해 생산성이 대폭 향상되는 효과가 있다.

또한 멀티 레이저 빔의 중첩 조사 영역에서 온도불균형을 모니터링을 통해 즉시 감지 및 보상함으로써 본딩 불량률이 대폭 개선되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명 레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈 구성을 전체적으로 보인 예시도
도 2는 도 1의 블록 구성도
도 3은 본 발명 레이저 가압 헤드 모듈의 일 실시예에 따른 싱글 레이저 모듈의 개념도
도 4는 본 발명 레이저 가압 헤드 모듈의 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 모듈의 개념도
도 5는 본 발명 레이저 가압 헤드 모듈의 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 모듈의 구성도
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 모듈에 적용가능한 레이저 광학계의 구성도
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 모듈의 구성 및 작동관계를 개략적으로 보인 측면도
도 11은 도 10의 온도감지센서 구성을 확대하여 보인 요부 사시도
도 12는 도 11의 본딩대상물 구성을 확대하여 보인 요부 평면도

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 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 리플로우 장치를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 리플로우 장치의 구성을 전체적으로 보인 예시도이고, 도 2는 도 1의 블록 구성도이다.

본 발명에 따른 레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈(300)은, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 하부에 열을 가할 수 있는 구조를 갖추고 있는 다공성 물질 혹은 진공 구멍이 형성된 스테이지(111)에 지지되면서 이송되는 본딩대상물(11)에 면 광원 형태의 레이저를 조사하는 적어도 하나 이상의 멀티 레이저 모듈(310, 320)과, 상기 레이저 모듈(310, 320)과 분리되어 독립적으로 설치되며 면 광원 형태의 레이저를 투과시키는 투광성 가압부재(100), 상기 투광성 가압부재(100)를 오염으로부터 보호하는 보호필름(200)을 포함하여 구성된다.

먼저, 복수의 멀티 레이저 모듈(310, 320)은 레이저 발진기에서 발생되어 광섬유를 통해 전달되는 레이저를 면 광원으로 변환시켜서 본딩대상물(11)에 조사한다. 레이저 모듈(310, 320)은 스폿(spot) 형태의 레이저를 면 광원 형태로 변환하는 빔 쉐이퍼(도 5 참조)와, 상기 빔 쉐이퍼의 하부에 배치되며 빔 쉐이퍼에서 출사되는 면 광원이 본딩대상물(11)의 조사영역에 조사되도록 복수의 렌즈모듈이 경통 내부에 서로 적당한 간격을 두고 이격되어 장착되는 광학부(도 5 내지 도 9 참조)를 포함하여 구현될 수 있다.

레이저 모듈(310, 320)은 본딩대상물(11)과의 정렬을 위해 z 축을 따라 상승 또는 하강하거나 x 축을 따라 좌, 우 이동하거나 y 축을 따라 이동될 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 리플로우 장치의 가압 헤드(300)는 본딩대상물(11)을 눌러주는 투광성 가압부재(100)과 본딩대상물(11)에 면 광원 형태의 레이저를 조사하는 레이저 모듈(310, 320)을 서로 독립적으로 분리하여 형성함으로써, 투광성 가압부재(100)로 본딩대상물(11)을 눌러준 상태에서 레이저 모듈(310, 320)을 본딩대상물(11)의 복수의 조사 위치로 이동시킨 후 구동함에 의해 하나의 본딩대상물(11)에 대한 택트 타임(tact time)의 단축 및 복수의 본딩대상물(11) 전체에 대한 본딩 작업의 고속화를 실현할 수 있다.

이 때, 상기 투광성 가압부재(100)는 소정 형태의 투광성 가압부재 이송부(도면 미도시)에 의해 작업 위치 또는 대기 위치로 이동되는데, 일례로 투광성 가압부재 이송부는 투광성 가압부재(100)를 하강 또는 상승시키거나 좌, 우로 이동시킨 후 하강 또는 상승시킬 수 있다.

또한 도면에는 도시하지 않았으나, 본 발명에 따른 레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈(300)은 압력감지센서(도면 미도시)와 높이센서(도면 미도시)로부터 입력되는 데이터를 이용하여 투광성 가압부재 이송부의 동작을 제어하는 제어부(도면 미도시)를 더 포함한다.

상기 압력감지센서와 높이센서는 투광성 가압부재(100)과 투광성 가압부재 이송부와 본딩대상물을 지지하는 스테이지(111)에 설치될 수 있다. 예컨대, 제어부는 압력감지센서로부터 데이터를 입력받아 압력이 목표치에 도달하도록 투광성 가압부재 이송부를 제어하고 또한, 높이센서로부터 데이터를 입력받아 높이의 목표치에 도달하도록 투광성 가압부재 이송부를 제어할 수 있다.

또한 지지부(도면 미도시)는 투광성 가압부재 이송부(도면 미도시)가 이동가능하도록 지지한다. 일례로, 상기 지지부는 스테이지(111)와 나란하게 연장형성되는 한 쌍의 겐트리로 구현될 수 있으며, 투광성 가압부재 이송부를 x 축, y 축, 또는 z 축으로 이동가능하도록 지지하는 구성이 포함되는 것으로 해석되어져야 한다.

본 발명에 따른 레이저 리플로우 장치의 가압 헤드(300)는 투광성 가압부재(100)에 압력을 가하는 1개 이상의 액추에이터와 투광성 가압부재(100)에 미치는 압력을 감지하는 적어도 하나의 압력감지센서와 투광성 가압부재의 높이를 검출하는 하나 이상의 높이센서를 포함하여 구현될 수 있다. 압력감지센서는 일례로 적어도 하나의 로드셀로 구현될 수 있으며, 높이센서는 리니어 엔코더로 구현될 수 있다.

상기 압력감지센서를 통하여 본딩대상물에 가해지는 압력을 조정하여 대면적의 경우 다수의 액추에이터와 다수의 압력감지센서를 통하여 동일한 압력이 본딩대상물에 전달될 수 있도록 제어할 수 있으며 또한 하나 이상 혹은 다수의 높이 센서를 통하여 본딩대상물이 본딩되어지는 순간의 높이 위치값을 확인하거나 더 정확한 본딩 높이의 수치를 찾을 수 있는 기술적 데이타를 제공하며 일정한 높이의 간격을 유지해야 하는 공정을 수행할 경우에 정확한 높이를 제어할 수 있는 기능을 수행한다.

또한 투광성 가압부재(100)은 레이저 모듈(310, 320)로부터 출력되는 레이저를 투과시키는 모재로 구현될 수 있다. 투광성 가압부재(100)의 모재는 모든 빔투과성 재질로 구현 가능하다.

투광성 가압부재(100)의 모재는 예를 들어 쿼츠(Quartz), 사파이어(sapphire), 용융실리카유리(Fused Silica Glass) 또는 다이아몬드 중 어느 하나로 구현될 수 있다. 그러나 쿼츠(Quarts)재질로 구현된 투광성 가압부재의 물리적 특성은 사파이어(sapphire)로 구현된 투광성 가압부재의 물리적 특성과 다르다. 예컨대 980㎚ Laser를 조사할 경우, 쿼츠(Quarts)재질로 구현된 투광성 가압부재의 투과율은 85%∼99%이며 본딩대상물에서 측정된 온도는 100℃이다. 반면에 사파이어(sapphire)로 구현된 투광성 가압부재의 투과율은 80%∼90%이며 본딩대상물에서 측정된 온도는 60℃이다.

즉, 광 투과율과 본딩에 필요한 열 손실 측면에서 쿼츠(Quarts)는 사파이어(sapphire)보다 우수한 성능을 보인다. 그러나 본 출원 발명자는 레이저 리플로우 장치를 개발하면서 투광성 가압부재(100)을 반복적으로 테스트해 본 결과, 쿼츠(quartz)재질로 구현되는 투광성 가압부재(100)은 레이저 본딩 시 크랙(crack)이 발생하거나 바닥면에서 연소(burning)가 발생하여 본딩품질 불량이 발생하는 문제점이 발견되었다. 이는 레이저 본딩 시 발생하는 가스(fumes)가 투광성 가압부재(100)의 바닥면에 달라붙고, 가스(fumes)가 달라붙은 부분에 레이저의 열원이 집중되어 열적 스트레스를 높이는 것으로 분석되었다.

쿼츠(quartz) 재질로 구현되는 투광성 가압부재(100)의 손상을 막고 내구성 향상을 위해, 쿼츠(quartz) 재질로 구현되는 투광성 가압부재의 바닥면에 박막 코팅층을 형성할 수 있다. 투광성 가압부재(100)의 바닥면에 형성되는 박막 코팅층은 통상의 광학코팅인 유전체코팅 또는 SiC코팅 또는 금속물질코팅으로 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈(300)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 투광성 가압부재(100) 하부로, 레이저 본딩시 발생하는 가스(fumes)가 투광성 가압부재(100)의 바닥면에 달라붙는 것을 막아주는 보호필름(200) 및 상기 보호필름(200)을 이송시키는 보호필름 이송부(210)를 더 포함하여 구현된다.

상기 보호필름 이송부(210)는 롤 형태로 감긴 보호필름(200)을 풀어주면서 일측으로 이송시키는 릴-투-릴(reel to reel) 방식으로 구현될 수 있다. 보호필름(200)은 일례로, 최고 사용온도가 섭씨 300도 이상이고, 연속 최고 사용온도가 260도 이상으로 내열성이 우수한 재질로 구현되는 것이 좋다. 에컨대 보호필름(200)은 폴리테트라플루오로에틸렌수지(통상적으로 테플론수지라고도 부름; Polytetrafluoroethylene, PTFE) 또는 퍼플로로 알콕시 수지로 구현될 수 있다. 퍼플루오로알콕시수지(Per Fluoro Alkylvinyether copolymer; PFA)는 불소화 에틸렌 프로필렌 수지의 내열성을 개선하는 제품으로, 연속 최고 사용온도가 폴리테트라플루오로에틸렌수지와 같은 섭씨 260도로 기록되어 고기능성 수지이다.

도 3은 본 발명 본딩대상물 이송 모듈의 일 실시예에 따른 싱글 레이저 모듈의 개념도이고, 도 4는 본 발명 본딩대상물 이송 모듈의 다른 실시예에 따른 듀얼 레이저 모듈의 개념도이다.

상기 도 3을 참조하면, 본 발명은 일실시예에 따라 단일의 레이저 모듈(310)을 구비하며, 이에 따라 FPCB 기판 상에 싱글 레이저 빔을 조사하게 된다. 이 때 도 3을 참조하면 상기 제 1 레이저 모듈(310)에 의해 조사된 레이저 빔은 레이저 빔의 세기가 균질화된 스퀘어 빔 형상으로 변형된 상태로 기판 상에서 조사된다.

한편 상기 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 모듈은 예를 들어 제1 레이저 모듈(310)과 제2 레이저 모듈(320)로 구성되며, 본딩대상물(11)의 전자부품이 부착되는 위치에서는 제1, 2 레이저 모듈이 중첩된 상태로 조사됨으로써 균질화된 중첩 레이저 빔이 조사된다.

도 4에서는 제1 레이저 빔이 스퀘어 형상이고 제2 레이저 빔이 원형인 것으로 도시되었으나, 두 레이저 빔이 모두 스퀘어 형상일 수도 있다. 또한, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔은 동시에 조사될 수도 있고, 제1 레이저 빔에 의한 본딩대상물(11)의 예열 후에 제2 레이저 빔이 순차적으로 조사될 수도 있다.

도 5는 본 발명 가압 헤드의 다른 실시예에 따른 듀얼 레이저 모듈의 구성도이다.

도 5에서, 각 레이저 모듈(310, 320, ... 330)은 각기 냉각장치(316, 326, 336)를 구비한 레이저 발진기(311, 321, 331), 빔 쉐이퍼(312, 322, 332), 광학렌즈모듈(313, 323, 333), 구동장치(314, 324, 334), 제어장치(315, 325, 335) 및 전원공급부(317, 327, 337)를 포함하여 구성된다.

이하에서는, 필요한 경우를 제외하고는, 중복 설명을 피하기 위해 동일 구성을 갖는 각 레이저 모듈 중 제1 레이저 모듈(310)을 위주로 설명한다.

레이저 발진기(311)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 발진기에서 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 구성하는데, 이러한 광학계의 구체적 구성에 대해서는 도 6 내지 도 9를 통해 구체적으로 후술하기로 한다.

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 각 레이저 모듈(310, 320, 330)에 대응하는 전원 공급부(317, 327, 337)에서 각 레이저 모듈로 공급되는 전력량을 제어한다. 레이저출력조정부(370)는 하나 이상의 카메라 모듈(350)로부터 조사면 상에서의 부품별, 구역별 또는 전체 리플로우 상태 정보를 수신하여 이를 토대로 각 전원 공급부(317, 327, 337)를 제어한다. 이와 달리, 레이저출력조정부(370)로부터의 제어정보가 각 레이저 모듈(310, 320, 330)의 제어장치(315, 325, 335)로 전달되고, 각 제어장치(315, 325, 335)에서 각기 대응하는 전원공급부(317)를 제어하기 위한 피드백 신호를 제공하는 것도 가능하다. 또한, 도 6과 달리, 하나의 전원 공급부를 통해 각 레이저 모듈로 전력을 분배하는 것도 가능한데, 이 경우에는 레이저출력조정부(370)에서 전원공급부를 제어해야 한다.

레이저 중첩 모드를 구현하는 경우, 레이저출력조정부(370)는 각 레이저 모듈(310, 320, 330)로부터의 레이저 빔이 필요한 빔 형상, 빔 면적 크기, 빔 선명도 및 빔 조사 각도를 갖도록 각 레이저 모듈 및 전원공급부(317, 327, 337)를 제어한다. 레이저 중첩 모드는 제1 레이저 모듈(310)을 이용하여 디본딩 대상 위치 주변 영역까지를 예열하고 제2 레이저 모듈(320)을 이용하여 보다 좁은 리플로우 대상 영역을 추가 가열하는 경우 외에도, 예열 기능 내지 추가 가열 기능을 제1, 2, 3 레이저 모듈(310, 320, ... 330) 간에 적절하게 분배하여 필요한 온도 프로파일을 갖도록 각 레이저 모듈을 제어하는 경우에도 적용된다.

한편, 하나의 레이저 광원을 분배하여 각 레이저 모듈에 입력하는 경우에는 분배된 각 레이저 빔의 출력과 위상을 동시에 조절하기 위한 기능이 레이저출력조정부(370)에 구비될 수 있다. 이러한 경우에는, 각 레이저 빔 간에 상쇄 간섭을 유도하도록 위상을 제어하여 빔 평탄도를 현저하게 개선할 수 있으며 이에 따라 에너지 효율이 더욱 증가하게 된다.

한편, 복수 위치 동시 가공 모드를 구현하는 경우에는, 레이저출력조정부(370)가 각 레이저 모듈로부터의 레이저 빔의 일부 또는 전부가 상이하도록 각 레이저 빔의 빔 형상, 빔 면적 크기, 빔 선명도, 빔 조사 각도 및 빔 파장 중 하나 이상을 제어한다. 이때에도, 하나의 레이저 광원을 분배하여 각 레이저 모듈에 입력하는 경우에는 분배된 각 레이저 빔의 출력과 위상을 동시에 조절하기 위한 기능이 레이저출력조정부(370)에 구비될 수 있다.

이러한 기능을 통해서, 레이저 빔 크기와 출력을 조정함에 의해 조사면 내의 전자부품들과 기판 간의 접합을 수행하거나 접합을 제거할 수 있다. 특히, 기판 상에서 손상된 전자부품을 제거하는 경우에는 레이저 빔의 면적을 해당 전자부품 영역으로 최소화함에 따라 기판에 존재하는 인접한 다른 전자부품 내지 정상적인 전자부품에 레이저 빔에 의한 열이 인가되는 것을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 제거 대상인 손상된 전자부품만을 제거하는 것이 가능하다.

한편, 복수의 레이저 모듈 별로 서로 다른 파장을 가진 레이저 빔을 방출하도록 하는 경우에는, 레이저 모듈은 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.

한편, 이상의 기능을 활용하여 적어도 하나의 제 1 레이저 빔에 의해 리플로우 대상 전자부품 영역과 그 주변을 포함하는 기판의 일정 구역이 소정의 예열 온도까지 예열된 후, 적어도 하나의 제 2 레이저 빔에 의해 리플로우 대상 전자부품 영역의 온도가 솔더의 용융이 일어나는 리플로우 온도까지 선택적으로 가열되어진다.

도 6 내지 도 9는 본 발명 본딩대상물 이송 모듈의 싱글 레이저 빔 또는 멀티 레이저 모듈에 적용가능한 레이저 광학계의 구성도이다.

도 6은 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 플랫 탑(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.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성도이다.

빔 쉐이퍼(430)로부터의 면광원(B1)이 오목 렌즈(440)를 통해 소정의 크기로 확대되어 제1 결상면(S1)에 조사되는 면광원(B2)이 된다. 이 면광원(B2)을 더욱 확대하여 사용하고자 하는 경우에는 추가 확대에 따라 면광원(B2)의 에지(edge) 부분의 경계가 더 불분명해 질 수 있으므로, 최종 조사면이 제2 결상면(S2)에서도 에지가 명확한 조사광을 얻기 위해서, 제1 결상면(S1)에 마스크(450)를 설치하여 에지를 트리밍한다.

마스크(450)를 통과한 면광원은 하나 이상의 볼록렌즈와 오목 렌즈의 조합으로 구성되는 줌 렌즈 모듈(460)을 통과하면서 원하는 크기로 축소(또는 확대) 조정되어 전자부품이 배치된 제2 결상면(S2)에 사각형 조사광(B3)을 형성한다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성도이다.

빔 쉐이퍼(430)로부터의 정사각형 면광원(C1)이 오목 렌즈(440)를 통해 소정의 크기로 확대된 후, 적어도 한쌍의 원통형 렌즈(470)를 지나면서 예컨대 x축 방향으로 확대(또는 축소)(C2)되고 다시 적어도 한쌍의 원통형 렌즈(480)를 지나면서 예컨대 y축 방향으로 축소(또는 확대)되어 직사각형 형상의 면광원(C3)으로 변환된다.

여기서, 원통형 렌즈는 원기둥 형상을 길이방향으로 절단한 형태로서 각 렌즈가 상하 방향으로 배치되는 형태에 따라 레이저 빔을 확장 또는 축소시키는 기능을 하며, 원통형 렌즈가 배치된 표면 상에서의 렌즈가 x, y 축 방향으로 배치되는 형태에 따라 레이저 빔을 x축 또는 y축 방향으로 조절한다.

이어서, 면광원(C3)은 하나 이상의 볼록렌즈와 오목 렌즈의 조합으로 구성되는 줌 렌즈 모듈(460)을 통과하면서 원하는 크기로 확대(또는 축소) 조정되어 전자부품이 배치된 제2 결상면(S2)에 직사각형 조사광(C4)을 형성한다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성도이다.

도 9의 광학계는 도 8의 광학계에 마스크를 적용하여 레이저 빔의 에지를 트리밍하는 구성이 추가된 것으로서, 도 8의 경우에 비해 보다 선명한 에지를 가진 최종 면광원(D5)을 얻을 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 모듈의 구성 및 작동관계를 개략적으로 보인 측면도이고, 도 11은 도 10의 온도감지센서 구성을 확대하여 보인 요부 사시도이며, 도 12는 도 11의 본딩대상물 구성을 확대하여 보인 요부 평면도이다.

이하 도 10 내지 12를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 모듈의 구성 및 작동관계에 대해 살펴보기로 한다.

먼저 도 10을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 모듈은 한쌍의 제1 레이저 모듈(310)과 제2 레이저 모듈(320)로 구성되며, 상기 제1 레이저 모듈(310)과 제2 레이저 모듈(320)의 사이에는 적외선 온도감지센서(810)가 구비되어 있어서 상기 제1 및 제2 레이저 모듈(310, 320)로부터 중첩 조사된 레이저 빔의 온도를 측정한다.

한편 제1 레이저 모듈(310)과 제2 레이저 모듈(320)에는 빔 프로파일러(318, 328)가 각각 구비되어 있어서 상기 제1 및 제2 레이저 모듈(310, 320)의 레이저 빔 출력 및 강도 등을 상시에 모니터링한다. 상기 빔 프로파일러(318, 328)의 구성은 일례로 제1 및 제2 레이저 모듈(310, 320)의 레이저 빔 경로 상에 구비되어 출력되는 레이저 빔의 일부를 빔 프로파일러에 조사 또는 투과시킴으로서 레이저 빔의 출력 및 강도 등을 측정할 수 있다.

상기 적외선 온도감지센서(810)는 일 실시예에 따라 단일의 적외선 온도감지센서(810)일 수 있으며, 상기 단일의 적외선 감지센서는 제1 및 제2 레이저 모듈로부터 레이저 빔이 중첩 조사되는 영역(12)의 표면온도값을 측정하게 된다. 이 때, 상기 단일의 적외선 온도감지센서(810)는 상기 레이저 빔이 중첩 조사되는 영역 중 다수의 지점을 순차적으로 온도를 측정함으로써 레이저 빔의 중첩 조사 영역의 전면적인 온도분포값을 측정하게 된다.

만약 이러한 온도분포값이 불균일한 것으로 측정될 경우, 예를 들어 하나의 지점에서 솔더 용융 온도보다 온도값이 높게 측정되는 지점에서는 솔더의 과열에 의한 오버플로우(overflow) 본딩불량이 발생될 수 있으며, 반대로 솔더 용융 온도보다 낮게 측정되는 경우에는 솔더가 충분히 용융 및 접속되지 못하는 본딩불량이 발생될 수 있다.

이를 위해 본 발명에서는 상기 적외선 온도감지센서(810)가 중첩 조사된 영역의 온도를 상시에 측정함으로써 상기 제1 또는 제2 레이저 모듈(310, 320)로부터 출력되는 각각의 레이저 빔의 출력 또는 강도, 빔의 형상 등을 조정하여 중첩 조사 영역(12)에서의 온도분포값을 보상한다.

한편 본 발명의 다른 실시예로 복수의 적외선 온도감지센서(810)를 구비하여서도 가능하다. 도 11을 참조하면, 본 발명의 복수의 적외선 온도감지센서는 일례로 5개의 온도감지센서(810#1, 810#2, 810#3, 810#4, 810#5)로 이루어질 수 있으며, 사각형 배치 구조 내에 각 모서리 부분에 각 1개씩의 온도감지센서(810#1, 810#2, 810#3, 810#4)가 배치되고, 가운데 부분에는 1개의 온도감지센서(810#5)가 배치된 구조일 수 있다. 그러므로 5개의 적외선 온도감지센서(810#1, 810#2, 810#3, 810#4, 810#5)가 동시에 적외선 빔을 조사하게 되고, 이 경우 도 12에서 도시된 바와 같이 레이저 중첩 조사되는 사각형 영역(12)의 각 모서리 부분에 위치한 전자부품들(11b#1, 11b#3, 11b#7, 11b#9)과 가운데 부분에 위치한 전자부품(11b#5)에 적외선 빔이 조사 및 온도가 측정된다.

이 때, 상술한 바에서 온도가 측정되는 전자부품(11b)의 위치나 개수는 특정된 것은 아니며, 전자부품이 배치되지 않은 기판 표면의 온도도 측정할 수 있다. 레이저 빔이 중첩 조사되는 영역의 보다 정확한 온도분포값을 얻기 위해 가급적 많은 수의 전자부품 및 기판의 온도값을 측정함으로써 달성될 수 있다.

한편, 상기한 온도분포값을 보상하기 위한 다른 방법으로 상기 제1 또는 제2 레이저 빔의 조사 각도 및 높이 등을 조정할 때에도 온도분포값을 보상함이 가능하다.

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 있는 것이므로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 구성의 부가 및 삭제, 변형이 가능한 것임을 명시하는 바이다.

11 : 본딩대상물 11a : 기판
11b : 전자부품 12 : 레이저 중첩 조사 영역
100 : 투과성 가압부재 100a: 가압면
200 : 보호필름 210 : 보호필름 이송부
310 : 제 1 레이저 모듈 320 : 제 2 레이저 모듈
318, 328 : 빔 프로파일러 810 : 적외선 온도감지센서
811 : 적외선 조사점

Claims (10)

1. 기판 상에 배열된 복수의 전자부품을 포함하는 본딩대상물을 투광성 가압부재로 눌러 가압함과 동시에 상기 가압부재를 통해 레이저 빔을 조사함으로써 전자부품을 기판에 본딩하는 레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈에 있어서,
   서로 분할 배치된 상태로 상기 본딩대상물에 복수의 레이저 빔을 중첩 조사하는 멀티 레이저 모듈; 및
   상기 멀티 레이저 모듈의 사이 영역에 구비되어 투광성 가압부재를 통해 빔을 조사함으로써 본딩대상물의 다수 지점의 온도를 감지하는 온도감지센서를 포함하는,
   레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,
   멀티 레이저 모듈은 서로 마주보는 한쌍의 듀얼 레이저 모듈로 구성되는,
   레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 온도감지센서는 단일의 적외선 온도감지센서로 구성되며,
   상기 단일의 적외선 온도감지센서가 본딩대상물의 다수 지점에 순차적으로 적외선을 조사하는,
   레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 단일의 적외선 온도감지센서는 복수의 레이저 빔이 중첩 조사되는 영역 내의 둘레 및 가운데 부분 중 다수 지점에 순차적으로 적외선을 조사하는,
   레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 온도감지센서는 복수의 적외선 온도감지센서로 구성되며,
   상기 복수의 적외선 온도감지센서가 본딩대상물의 다수 지점에 동시에 적외선을 조사하는,
   레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 복수의 적외선 온도감지센서는 복수의 레이저 빔이 중첩 조사되는 영역 내의 둘레 및 가운데 부분 중 다수 지점에 동시에 적외선을 조사하는,
   레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 멀티 레이저 모듈에는 각각 레이저 빔의 출력 및 강도를 측정하기 위한 빔 프로파일러가 더 구비되는,
   레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 투광성 가압부재 하부로, 레이저 본딩시 발생하는 가스(fumes)가 투광성 가압부재의 바닥면에 달라붙는 것을 막아주는 보호필름을 더 포함하는,
   레이저 리플로우 장치의 레이저 가압 헤드 모듈.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 보호필름은 폴리테트라플로오로에틸렌 수지(PTFE) 또는 퍼플루오로알콕시 수지(PFA)로 구현되는,
   레이저 리플로우 장치의 가압 헤드.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 보호필름은 롤 형태로 감긴 보호필름을 풀어주면서 일측으로 이송시키는 릴-투-릴(reel to reel) 방식의 보호필름 이송부에 의해 공급되는,
    레이저 리플로우 장치의 가압 헤드.

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