KR20210012343A - 레이저 리웍 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판으로부터 전자부품을 떼어내기 위한 디테치부;상기 디테치부와 인접하게 배치되고 탈거된 전자부품을 흡입하기 위한 석션부;상기 디테치부와 석션부를 포함하도록 구비하고, 삼축 이동이 가능한 몸체부;를 포함할 수 있다.

Description

레이저 리웍 장치{Laser Rework Device}

본 발명은 레이저 리웍 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 불량 전자부품을 기판의 오염 및 변형 없이 제거할 수 있도록된 레이저 디본딩 장치의 석션모듈에 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.

그러나, 상기 디본딩 기술은 모두 적용하기에는 어려움이 있다. 예를 들어, 블랙 PCB에서 레이저 빔을 조사하는 경우, PCB 자체에서 빛을 흡수하여 주변 전자부품(칩)에 영향을 미칠 수 있다. 또한, PCB가 빛을 흡수하면서 높을 열을 발생하여 뒤틀림이 발생되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로, 본 발명은 최소한의 물리적인 힘으로 불량 전자부품만을 선별하여 탈거하는 하도록 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판으로부터 전자부품을 떼어내기 위한 디테치부;상기 디테치부와 인접하게 배치되고 탈거된 전자부품을 흡입하기 위한 석션부;상기 디테치부와 석션부를 포함하도록 구비하고, 삼축 이동이 가능한 몸체부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 디테치부와 석션부는 몸체부 하단에 서로 맞닿게 배치된 것 일 수 있다.

본 발명의 몸체부는 삼축으로 선택 이동하여 불량 전자부품에 배치되고 X축 또는 Y축으로 이동함과 동시에 디테치부에 의해 불량 전자부품이 떼어 지는 것일 수 있다.

본 발명의 디테치부와 석셕부는 동일 소재로 일체형으로 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 디테치부와 석션부는 몸체부의 선단으로부터 동일 높이로 형성되거나 디테치부가 석셕부보다 높게 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 디테치부는 선단이 칼날 모양으로 경사지게 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 디테치부는 몸체부의 선단으로부터 높이 조절이 되는 것일 수 있다.

본 발명의 디테치부와 석셕부는 맞닿는 부분이 면으로 형성되는 것일 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 최소한의 물리적인 힘으로 불량 전자부품만을 선별하여 탈거하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 석션부와 디테치부는 서로 맞닿게 배치함으로서 불량 전자부품을 탈거할 경우 보다 용이하고 신속하게 흡입할 수 있는 효과가 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 실시예에 따른 레이저 리웍 장치의 부분 개략도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리웍 장치의 단면도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리웍 방법의 순서도이다.

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 5와 도 6 및 도7을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 리웍 장치의 구성 및 작동관계에 대해 자세히 살펴보기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리웍 장치의 부분 개략도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리웍 장치의 단면도이다.

레이저 리웍 장치는 디테치부와 석셕부와 이를 포함하는 몸체부로 구성될 수 있다.

디테치부는 기판으로부터 불량 전자부품을 떼어내기 위한 부분이다. 디테치부는 금속의 소재로 형성될 수 있으며, 그 모양이 마치 칼날모양일 수 있다.

석션부는 디테치부와 인접하게 배치되고 탈거된 전자부품을 흡입할 수 있다. 여기서 전자부품은 다양한 종류가 될 수 있지만, 그 크기가 매우 작은 미니LED 또는 마이크로 LED 일 수 있다.

이러한 디테치부와 석션부를 포함하고, 삼축이동이 가능한 몸체부가 구성될 수 있다. 몸체부는 X,Y,Z 축방향으로 기판에 실장된 불량 전자부품을 향해 이동할 수 있다. 디테치부와 석셕부는 몸체부의 선단 즉, 하단에 구성될 수 있다.

기판에 실장된 불량 전자부품은 몸체부가 X축 방향으로 이동하면서 일차적으로 디테치부에 의해 물리적으로 떼어지게 될 수 있다. 이 과정에서 석셕부는 동시에 불량 전자부품을 흡입할 수 있다.

이때, 석셕부와 디테치부는 서로 맞닿게 구성될 수 있으며, 서로의 거리가 가까울 수록 보다 안정되게 불량 전자부품을 탈거 및 흡입하는 과정이 이루어 질 수 있다.

한편, 디테치부는 불량 전자부품의 사양에 따라 높이 조절이 될 수 도 있다.

디테치부와 석션부는 몸체부의 선단으로부터 동일 높이로 형성되거나 디테치부가 석셕부보다 높게 형성될 수도 있다.

석석부와 디테치부는 동일한 소재로 일체형으로 구성될 수도 있다. 이러한 일체형 구성은 석셕부와 디테치부 간에 최소한의 거리로 불량 전자부품의 탈거가 보다 용이할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리웍 방법의 순서도이다.

먼저, 몸체부가 삼축이동하여 불량 전자부품으로 이동하는 단계가 포함될 수 있다(S710). 좀더 자세히는 몸체부에 포함된 디테치부가 불량 전자부품 중앙의 동일 축선상으로 이동하여 얼라인을 맞추고, 다시 불량 전자부품과 인접한 위치로 이동하는 과정을 포함할 수 있다.

다음으로, 물리적으로 디테치하는 단계가 포함될 수 있다(S720). 이때, 물리적으로 디테치하는 단계는 도 8을 참고하여 자세히 설명하겠다.

먼저, 몸체부를 Z축 방향으로 내리는 단계를 포함할 수 있다(S810). 여기서, 몸체부에 포함된 디테치부는 불량 전자부품과 인접한 위치로 내려올 수 있다.

다시 X축 방향으로 이동하여 디테치부로 떼어냄과 동시에 석션부로 흡입하는 단계가 포함될 수 있다(S820). 이어서 X축방향으로 이동한 만큼 원위치 함과 동시에 석셕부의 흡입을 멈추는 단계가 포함될 수 있다(S830). 여기서, 원위치 하는 이유는 탈거할 불량 전자부품이 혹시 제대로 흡입이 안되는 것을 방지하기 위해 한 번더 흡입하는 과정을 포함한 것이다. 물론, 원위치 하는 이동과정은 제품 설계사항에 따라 과정 자체가 생략될 수도 있다.

마지막으로, 몸체부를 상측 방향으로 올리는 단계를 포함할 수 있다(S840).

전술한 S720 단계에 이어서 양품의 전자부품을 재배치하는 단계가 포함될 수 있다(S730). 즉, 탈거한 불량 전자부품 자리에 새로운 양품의 전자부품을 배치하는 과정이다.

다음으로, 이러한 양품의 전자부품을 레이저 빔으로 솔더링 하는 단계가 포함될 수 있다(S740).

최종적으로 불량 전자부품이 존재하는지 판단하는 단계가 더 포함될 수 있다(S750). 여기서, 불량 전자부품이 존재하면 다시 S710단계로 돌아가 반복 수행하게 되며, 더이상 불량 전자부품이 존재하지 않으면, 단계를 마무리하게 된다.

이와 같이, 물리적 디테치 과정과 레이저 솔더링 과정을 병행함으로써 기판의 훼손을 방지하고, 보다 안정적으로 리웍 과정을 진행할 수 있게 된다.

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 : 디테치부 510 : 석션부
520 : 몸체부

Claims (8)

1. 기판으로부터 전자부품을 떼어내기 위한 디테치부;
   상기 디테치부와 인접하게 배치되고 탈거된 전자부품을 흡입하기 위한 석션부;
   상기 디테치부와 석션부를 포함하도록 구비하고, 삼축 이동이 가능한 몸체부;를 포함하는 레이저 리웍 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 디테치부와 석션부는 몸체부 하단에 서로 맞닿게 배치된 것인 레이저 리웍 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 몸체부는 삼축으로 선택 이동하여 불량 전자부품에 배치되고 X축 또는 Y축으로 이동함과 동시에 디테치부에 의해 불량 전자부품이 떼어 지는 것인 레이저 리웍 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 디테치부와 석셕부는 동일 소재로 일체형으로 형성된 것인 레이저 리웍 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 디테치부와 석션부는 몸체부의 선단으로부터 동일 높이로 형성되거나 디테치부가 석셕부보다 높게 형성된 것인 레이저 리웍 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 디테치부는 선단이 칼날 모양으로 경사지게 형성된 것인 레이저 리웍 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 디테치부는 몸체부의 선단으로부터 높이 조절이 되는 것인 레이저 리웍 장치.
8. 제2항에 있어서,
   상기 디테치부와 석셕부는 맞닿는 부분이 면으로 형성되는 것인 레이저 리웍 장치.
   

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