KR20210059181A - 레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 모듈 - Google Patents

레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 모듈 Download PDF

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KR20210059181A
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김남성
이규호
이영진
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레이저쎌 주식회사
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Abstract

기판에 전자부품을 본딩 또는 디본딩하기 위한 레이저 리플로우 장치에 있어서,내부에 수용 공간이 구비된 바디부;상기 바디부 내부에 구비되며, 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원;상기 레이저 광원으로부터 조사된 레이저 빔을 수광하고, 레이저 빔의 변위에 따른 에너지를 출력하는 컨버터;상기 컨버터로부터 출력된 레이저 빔을 반사하여 광 경로를 조절하는 광학부; 및상기 광학부를 통과한 레이저 빔을 미세하게 움직일 수 있도록 하는 구동조절부;를 포함한다.

Description

레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 모듈{Beam Shaping Optics Module for Laser Reflow Devices}
본 발명은 레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 빔이 조사된 영역의 균일도를 높이기 위한 레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 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, LED는 마이크로 또는 미니 LED 형태의 제품의 등장하고 있다.
이러한 제품의 등장에 따라 보다 새로운 형태의 본딩 기술이 필요하게 되었다. 이는 레이저 빔을 이용한 본딩 기술이다.
현재, 레이저 빔을 이용한 본딩은 이미 일부 제품 공정에서 이용하고 있으며, 점차 다양한 제품군에서 요구할 것으로 전망된다.
하지만, 이러한 레이저 빔을 활용한 본딩 기술은 아직 빔의 균일도를 완전히 해결하지는 못한 상태로 활용되고 있다. 이에 따라 조사된 영역에서 일부 온도 편차등이 발생하여 솔더링 불량등이 발생되고 있다.
이러한 근본 적인 문제는 내부 광학계의 형상 설계에 따라 균일도가 고르지 못하고 빔의 골과 산의 분포가 존재하기 때문이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로, 본 발명은 레이저 조사시 빔의 균일도를 높일 수 있도록 레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판에 전자부품을 본딩 또는 디본딩하기 위한 레이저 리플로우 장치에 있어서,내부에 수용 공간이 구비된 바디부;상기 바디부 내부에 구비되며, 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원;상기 레이저 광원으로부터 조사된 레이저 빔을 수광하고, 레이저 빔의 변위에 따른 에너지를 출력하는 컨버터;상기 컨버터로부터 출력된 레이저 빔을 반사하여 광 경로를 조절하는 광학부; 및상기 광학부를 통과한 레이저 빔을 미세하게 움직일 수 있도록 하는 구동조절부;를 포함한다.
상기 컨버터로 출력된 레이저 빔의 형상은 면 또는 스팟 중 어느 하나 인 것일 수 있다.
상기 구동조절부는 바디부, 광원, 컨버터, 광학부 중 어느 하나 이상 연결되어 구동되는 것일 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 레이저 조사시 미세진동을 통해 빔의 균일도를 높여 조사 영역에 형성된 빔의 결패턴(MURA)을 방지하는 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 모듈의 구성도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 응용 예시도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 결패턴 예시도
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 5를 참조하여 본 발명에 따른 레이저모듈의 구성 및 작동관계에 대해 자세히 살펴보기로 한다. 먼저 본 발명의 레이저모듈(600)은 앞서 상술한 레이저 모듈에서 레이저 발진기(311)와 냉각장치(316), 구동장치(314) 등을 제외한 일부 구성으로 이하 기술된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 레이저 리플로우 장치의 레이저모듈(500)은 바디부(510), 광원(520), 빔쉐이퍼(530), 광학부(540), 구동조절부(550)를 포함할 수 있다.
바디부(510)는 모듈의 외부 형상으로 내부에 수용공간이 형성될 수 있다.
바디부(510) 내부의 수용공간에 구비되며, 레이저 빔을 조사하는 광원(520)을 포함할 수 있다.
이렇게 광원(520)에서 조사된 빔을 수광하고, 레이저 빔의 형상을 조절하는 빔쉐이퍼(530)를 포함할 수 있다.
이때, 빔쉐이퍼(530)에서 출력되는 레이저 빔의 형상은 면 형태일 수 있다.
빔쉐이퍼(530)로 출력된 레이저 빔을 반사하여 광 경로를 조절하는 광학부(540)를 포함할 수 있다.
광학부(540)를 통과한 레이저 빔을 미세하게 움직일 수 있는 구동조절부(550)를 포함할 수 있다. 이때, 구동조절부(550)는 바디부, 광원, 빔쉐이퍼, 광학부 중 어느 하나이상 연결되어 구동될 수 있다.
예를 들어, 구동조절부가 바디부에만 연결된 경우, 바디부와 광학부에만 연결된 경우, 빔쉐이퍼만 연결된 경우 등 다양한 조합으로 연결될 수 있다.
구동조절부는 DC MOTOR, CORELESSD MOTOR, UNIVERSAL MOTOR, STEPPING MOTOR, GEARED MOTOR 중 어느 하나 일 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 구동조절부는 레이저빔이 조사된 영역에서 빔의 결패턴(MURA)을 최소화할 수 있도록 X축 , Y축 또는 X,Y 축 동시에 움직일 수 있다.
여기서,레이저빔의 결패턴은 산과 골의 모양으로 형성되는데 구동조절부를 통해 결패턴을 최소화 하려면 적어도 산과 골의 시작점과 중심점까지 움직이거나 중심점에서 끝점까지의 움직임이 있어야한다.
다시말해, 결패턴인 산과 골 각각의 시작점과 끝점 사이 간격(여러 개일 경우에 평균값을 적용)의 1/2 지점만큼은 움직여야 여러 빔들간의 평균화(averaging)에 의한 피크뭉개짐 현상을 이용하여 결패턴 형상을 최소화할 수 있다.
도 7을 참고하여 좀더 상세히 설명하면, 산의폭(P1의 폭 또는 P2의 폭 또는 복수의 Pn 폭의 평균폭),또는 골의폭(V1의폭 또는 V2의 폭 또는 복수의 Vn 폭의 평균폭)의 1/2 만큼 디더링할 수 있다.
한편, 이러한 이동거리를 디더링주기거리(Dithering Period Distance)로 칭한다면,단축방향선폭 거리를 빔이 이동하는 동안에 적어도 1번 이상의 장축방향으로 디더링 왕복운동을 수행해야 할 필요가 있다.
　　　　　　　　　　하지만, 기구적인 이동시 정지상태가 수반되는 감가속운동에서 사용되는 통상의 실용적으로 사용가능한 가속도 수준은 수백그램(gram) 이상의 무거운 물체이동인 경우엔 약 0.1G~0.2G (G = 중력가속도 = 9.8m/sec^2), 100~200그램 이하의 가벼운 물체이동인 경우엔 0.5G~1.0G까지의 범위라고 할 수 있다.
따라서 디더링은 왕복운동이므로 정지상태가 수반되고 중앙부에서 최대속도가 되므로 위의 수치범위를 허용가능한 가속도 범위로 판단할 수 있으며, 이 가속도범위 수준을 사용하는 디더링 기법을 본 실시예에 　적용하고자 한다.
[수치적인 예시]
100mm*1mm 라인빔을 이용하고 라인빔이 단축방향으로 20mm/sec로 진행하면서 본딩공정 또는 유사한 응용공정을 수행한다고 하자.
그러면 라인빔의 단축길이인 1mm를 이동하는 시간 T1은
T1(시간) = S1(거리) / V1(속도) = 1mm / (20mm/sec) = 1/20 sec = 0.05 sec
가 된다.
이 0.05 sec 동안에 최소한 1회(디더링횟수; N1)의 장축방향 디더링을 수행한다고 가정하면 디더링주기시간(Dithering Period Time; T2)은
T2 = 0.05 sec / 2 = 0.025 sec가 된다.
이때 1초당 디더링왕복횟수 N2는 N2 = 1 / T2 = 1/(0.025 sec) = 40 Hz
가 된다.
하지만 좀 더 효과를 보려면 이 주파수의 2배인 80Hz 이상을 사용할 필요가 있으나 일단 이 디더링주기 시간인 T2를 가정해서 계산해 본다.
(통상 왕복운동이나 회전운동은 분당회전수인 rpm으로 표현을 많이 하는데 분당왕복운동수를 역시 rpm으로 정의하면,80Hz는 1초당 80회 왕복운동이므로 1분(60초)에는 4800회 왕복운동이어서 4800rpm이 된다.)
이때 산의 폭 절반 또는 골의 폭 절반의 2배인 실제 디더링주기왕복거리가 1mm(S3)라고 가정하면
V3(디더링평균속도) = S3 / T2 = 1mm / 0.025sec = 40 mm/sec
가 된다.
이때, 이동시퀀스는 디더링하는 산 또는 골의 양끝점의 절반, 양단인 양쪽 디더링엣지1과 디더링엣지2를 왕복하는 것이므로
(디더링엣지1 - 중심부 - 디더링엣지2 - 중심부 - 디더링엣지1)을 반복하게 된다.
일정한 값의 가속도(constant acceleration)를 가정하면 디더링속도는 중심에서 대략 최대속도인 2*V3가 되며,
디더링엣지1과 디더링엣지2에서는 방향전환을 해야 하므로 최소속도인 0이 된다.
이때의 가속도(G4)를 계산해 보면 다음과 같이 된다.
T4(엣지에서 중심까지의 이동시간) = 디더링주기 / 4 = T2 / 4 = 0.025 sec / 4 = 0.00625 sec.
V4(중심부최대속도) = 2 * 디더링평균속도 = 2 * V3 = 2*40mm/sec = 80 mm/sec
G4 = (중심부최대속도 - 디더링엣지1 속도) / T4 = (V4 - 0) / T4
　　　　　　　　= (80mm/sec) / 0.00625 = 12.8 m/sec^2
　　　　　　　　= 1.3 * 9.8m/sec^2
　　　　　　　　= 1.3G
　　　　　　　　; G = 9.8m/sec^2 = 중력가속도
상기와 같은 수식을 또다른 예로 도8의 예시도를 참고할 수 있다.
이러한 결패턴이 최소화되면, 기판에 전자부품을 솔더링하는 과정에서 온도편차를 줄여 접착 불량을 낮출 수 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 : 레이저 모듈 510 : 바디부
520 : 광원 530 : 빔쉐이퍼
540 : 광학부 550 : 구동조절부

Claims (5)

  1. 기판에 전자부품을 본딩 또는 디본딩하기 위한 레이저 리플로우 장치에 있어서,
    내부에 수용 공간이 구비된 바디부;
    상기 바디부 내부에 구비되며, 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원으로부터 조사된 레이저 빔을 수광하고, 레이저 빔의 형상을 조절하는 빔쉐이퍼;
    상기 컨버터로부터 출력된 레이저 빔을 반사하여 광 경로를 조절하는 광학부; 및
    상기 광학부를 통과한 레이저 빔을 미세하게 움직일 수 있도록 하는 구동조절부;를 포함하는 레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동조절부는 바디부, 광원, 빔쉐이퍼, 광학부 중 어느 하나 이상 연결되어 구동되는 것인 레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동조절부는 DC MOTOR, CORELESSD MOTOR, UNIVERSAL MOTOR, STEPPING MOTOR, GEARED MOTOR 중 어느 하나 인 것인 레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔쉐이퍼를 통한 레이저 빔의 형상은 면 인 것인 레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔쉐이퍼는 사각 광 파이프(Square Light Pipe), 회절광학소자(Diffractive Optical Element, DOE) 또는 마이크로렌즈어레이(Micro-Lens Array, MLA)를 포함하는 레이저 리플로우 장치의 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
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