KR20210090430A - 리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈 - Google Patents

리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈 Download PDF

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Abstract

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 형상을 조절하는 빔쉐이퍼; 상기 광원으로부터 출력된 레이저 빔을 반사하여 광 경로를 조절하는 광학부;를 포함하고, 상기 빔쉐이퍼는, 복수개의 렌티큘러렌즈로 적층구성되고, 적층된 렌티큘러렌즈 중 일부를 이동 가변하여 출력되는 빔사이즈를 조정한다.

Description

리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈{Variable Beamshaping Optics Module for Reflow Devices}
본 발명은 레이저 리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조사되는 레이저빔의 사이즈를 원하는 규격으로 조정할 수 있는 레이저 리플로우 장치의 가변 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 점차 다양화되는 제품사이즈에 맞도록 일일이 구성을 새롭게 변경되어야 한다. 이에 따라 많은 시간과 비용이 발생되는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로, 본 발명은 레이저 조사시 제품 사이즈에 맞도록 빔사이즈를 조정할 수 있는 레이저 리플로우 장치의 가변 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 형상을 조절하는 빔쉐이퍼; 상기 광원으로부터 출력된 레이저 빔을 반사하여 광 경로를 조절하는 광학부;를 포함하고, 상기 빔쉐이퍼는, 복수개의 렌티큘러렌즈로 적층구성되고, 적층된 렌티큘러렌즈 중 일부를 이동 가변하여 출력되는 빔사이즈를 조정한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 제품 사이즈에 맞도록 원하는 빔사이즈를 조정할 수 있어 제품 생산력을 높이는 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 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈의 구성도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 응용 예시도 렌티큘러렌즈의 적층 구성도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌티큘러렌즈의 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 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 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈(500)은 바디부(510), 광원(520), 빔쉐이퍼(530), 광학부(540)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. 이때, 광원에서 평행광을 조사하도록 별도의 광학계가 포함될 수도 있다.
광원(520)에서 조사된 빔을 수광하고, 레이저 빔의 형상을 조절하는 빔쉐이퍼(530)를 포함할 수 있다.
이렇게 광원(520)에서 조사된 빔을 수광하고, 레이저 빔의 형상을 조절하는 빔쉐이퍼(530)를 포함할 수 있다.
빔쉐이퍼(530)에서 출력되는 레이저 빔의 형상은 면 형태일 수 있다.
이때, 빔쉐이퍼는 도6에 도시된 바와 같이, 복수개의 렌티큘러렌즈로 적층구성되고, 적층된 렌티큘러렌즈 중 일부를 이동 가변하여 출력되는 빔사이즈를 조정할 수 있다.
자세히는 적층된 렌티큘러렌즈가 동일방향으로 배치된 X1,X2와 다른방향으로 배치된 Y1,Y2로 각각 이루어질 수 있다. 물론, 설계사항에 따라 배치의 순서는 달리 될 수 있다.
이때, 적층된 순서가 X1이 최상단층이고, Y2가 제일 하단층이면, X1과Y2의 이동 가변을 통해 빔사이즈 크기를 조정할 수 있다. 조정된 빔의 모양은 정사각형, 직사각형, 라인 등으로 구현될 수 있다.
여기서, 이동 가변을 위해 구동조절부(550)가 더 포함될 수 있다. 구동조절부는 DC MOTOR, CORELESSD MOTOR, UNIVERSAL MOTOR, STEPPING MOTOR, GEARED MOTOR 중 어느 하나 일 수 있다.
다음으로, 도7에 도시된 바와 같이, 렌티큘러렌즈의 이동 간격은 렌티큘러렌즈 높이(H)를 기준으로 최소 0.1배 ~ 최대 10배 이내인 것으로 할 수 있다.
또한, 렌티큘러렌즈의 곡률반지름(R)은 최소 1mm ~ 최대 50mm 이내일 수 있다.
한편, 적층된 렌티큘러렌즈는 외곽 테두리를 보호하는 지지부(미도시)와 지지부를 둘러싸고 상기 바디부 내부에서 고정 및 이동가능하도록 하우징(미도시)을 포함할 수 있다. 좀더 자세히는 하우징이 레일을 통해 이동하거나 고정될 수 있는데, 레일과의 고정은 리벳이나, 볼트, 등으로 구현될 수 있으며, 레일에서의 이동은 레일의 형상에 대응되는 모양인 바퀴등으로 구현될 수 있다.
빔쉐이퍼(530)로 출력된 레이저 빔을 반사하여 광 경로를 조절하는 광학부(540)를 포함할 수 있다. 여기서, 광학부는 제품과의 거리로부터 배율 등을 결정할 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 : 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈 510 : 바디부
520 : 광원 530 : 빔쉐이퍼
540 : 광학부 550 : 구동조절부

Claims (8)

  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 광원으로부터 출력된 레이저 빔을 반사하여 광 경로를 조절하는 광학부;를 포함하고,
    상기 빔쉐이퍼는, 복수개의 렌티큘러렌즈로 적층구성되고, 적층된 렌티큘러렌즈 중 일부를 이동 가변하여 출력되는 빔사이즈를 조정하는 레이저 리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적층된 렌티큘러렌즈의 이동 가변은 최상단의 렌티큘러렌즈와 최하단의 렌티큘러렌즈인 것인 레이저 리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적층된 렌티큘러렌즈는 동일방향으로 배치된 X1,X2와 다른방향으로 배치된 Y1,Y2로 각각 이루어진 것인 레이저 리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적층된 렌티큘러렌즈의 이동 가변을 위해 구동조절부를 더 포함하고,
    상기 구동조절부는 DC MOTOR, CORELESSD MOTOR, UNIVERSAL MOTOR, STEPPING MOTOR, GEARED MOTOR 중 어느 하나 인 것인 레이저 리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔쉐이퍼를 통한 레이저 빔의 형상은 면 인 것인 레이저 리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이동 가변의 간격은 렌티큘러렌즈 높이를 기준으로 최소 0.1배 ~ 최대 10배 이내인 것인 레이저 리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 렌티큘러렌즈의 곡률반지름은 최소 1mm ~ 최대 50mm 이내인 것인 레이저 리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적층된 렌티큘러렌즈는 외곽 테두리를 보호하는 지지부와 상기 지지부를 둘러싸고 상기 바디부 내부에서 고정 및 이동가능하도록 하우징을 포함하는 것인 레이저 리플로우 장치의 가변 빔쉐이핑 옵틱 모듈.
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