KR20210156273A - 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플립칩 형태의 반도체 칩을 빅셀 소자에서 발생하는 적외선 레이저 광을 이용하여 기판에 본딩하는 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는 레이저 광을 빠르고 신속하게 제어하여 높은 생산성과 품질로 반도체 칩을 기판에 본딩할 수 있는 효과가 있다.

Description

빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치{Flip Chip Bonding Apparatus Using VCSEL Device}
본 발명은 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플립칩 형태의 반도체 칩을 빅셀 소자에서 발생하는 적외선 레이저 광을 이용하여 기판에 본딩하는 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치에 관한 것이다.
전자제품이 소형화되면서 와이어 본딩을 사용하지 않는 플립칩 형태의 반도체 칩이 널리 사용되고 있다. 플립칩 형태의 반도체 칩은 반도체 칩의 하면에 솔더 범프 형태의 다수의 전극이 형성되어 역시 기판에 형성된 솔더 범프에 대응하는 위치에 본딩하는 방식으로 기판에 실장된다.
이와 같이 플립칩 방식으로 반도체 칩을 기판에 실장하는 방법은 크게 리플로우 방식과 레이저 본딩 방식이 있다. 리플로우 방식은 솔더 범프에 플럭스가 도포된 반도체 칩을 기판 위에 배치한 상태에서 고온의 리플로우를 경유하게 함으로써 반도체 칩을 기판에 본딩하는 방식이다. 레이저 본딩 방식은 리플로우 방식과 마찬가지로 솔더 범프에 플럭스가 도포된 반도체 칩을 기판 위에 배치한 상태에서 반도체 칩에 레이저 빔을 조사하여 에너지를 전달함으로써 순간적으로 솔더 범프가 녹았다가 굳으면서 반도체 칩이 기판에 본딩되도록 하는 방식이다.
최근에 사용되는 플립칩 형태의 반도체 칩은 두께가 수십 마이크로미터 이하로 얇아지는 추세이다. 이와 같이 반도체 칩이 얇은 경우에는 반도체 칩 자체의 내부 응력으로 인해 반도체 칩이 미세하게 휘어져 있거나 뒤틀려(warped) 있는 경우가 많다. 이와 같이 반도체 칩이 변형되어 있는 경우 반도체 칩의 솔더 범프들 중에 기판의 대응하는 솔더 범프와 접촉하지 않은 상태로 본딩되는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 상황은 반도체 칩 본딩 공정의 불량을 초래한다. 또한, 반도체 칩을 기판에 본딩하기 위하여 반도체 칩 및 기판의 온도가 상승하는 경우에 자재 내부 재질의 열팽창 계수의 차이로 인해 반도체 칩 또는 기판이 부분적으로 휘어지거나 뒤틀리게 되는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 현상 역시 반도체 칩 본딩 공정의 불량을 초래한다.
리플로우 방식은 반도체 칩을 고온에 장시간 노출시켜 반도체 칩이 휘어지는 문제점이 있고 반도체 칩을 냉각하는 데에 시간이 소요되어 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.
레이저 본딩 방식은 레이저 광원 발생장치와 호모제나이저(Homogenizer)를 사용한다. 이와 같은 레이저 광원을 사용하는 방식은 호모제나이저에서 발생하는 레이저의 에너지 수준이 너무 높기 때문에 복잡한 광학계를 사용하여 에너지 수준을 낮추어 사용하게 된다. 또한 조사 면적에 대하여 균일한 에너지로 레이저 광을 조사하기 위해서도 복잡한 광학계를 필요로 한다. 이와 같은 종래의 레이저 광 조사 방식은 복잡한 광학계를 필요로 하여 전체적인 장치의 구조가 복잡해지고 사용하기에도 불편한 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 복잡한 광학계를 사용하지 않고도 레이저 광을 이용하여 신속하고 효율적으로 플립칩 반도체 칩을 기판에 본딩할 수 있는 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는, 기판의 상면에 본딩하기 위한 복수의 반도체 칩들이 배치된 상태의 상기 기판이 거치되는 기판 거치 유닛; 상기 기판 거치 유닛에 거치된 기판 위의 상기 반도체 칩에 적외선 레이저 광을 조사하여 상기 기판에 상기 반도체 칩을 본딩할 수 있도록 적외선 레이저를 발광하는 복수의 빅셀 소자(VCSEL 소자: Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 수직 캐비티 표면광 방출 레이저 소자)를 구비하는 복수의 빅셀 어레이와, 상기 복수의 빅셀 어레이가 설치되는 헤드 본체를 구비하는 레이저 헤드; 상기 레이저 헤드를 이송하는 헤드 이송 유닛; 및 상기 레이저 헤드와 헤드 이송 유닛의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 점에 특징이 있다.
본 발명에 의한 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는 레이저 광을 빠르고 신속하게 제어하여 높은 생산성과 품질로 반도체 칩을 기판에 본딩할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 일부분에 대한 저면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 정면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 일부분에 대한 평면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 일부분에 대한 저면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 정면도이다.
본 실시예의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는 빅셀 소자(321)에서 발생하는 적외선 레이저 광을 이용하여 반도체 칩(C)을 기판(S)에 본딩하기 위한 장치이다. 기판(S)과 반도체 칩(C) 중 어느 하나 또는 양쪽에는 각각 솔더 범프가 형성되어 있어서, 적외선 레이저 광에 의해 전달되는 에너지에 의해 솔더 범프가 순간적으로 녹았다가 굳으면서 반도체 칩(C)이 기판(S)에 본딩된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는 기판 거치 유닛(100)과 레이저 헤드(300)와 헤드 이송 유닛(400)과 기판 이송 유닛(200)과 제어부(800)를 포함하여 이루어진다.
기판 거치 유닛(100)에는 기판(S)이 배치된다. 본 실시예의 경우 기판 거치 유닛(100)은 기판(S)의 하면을 흡착하여 고정한다. 기판 거치 유닛(100)은 기판(S)의 하면을 지지하면서 기판(S)을 고정하는 다양한 구조가 사용될 수 있다.
기판 거치 유닛(100)에는 복수의 반도체 칩(C)이 배치된 기판(S)이 거치된다. 기판 거치 유닛(100)은 기판 이송 유닛(200)에 의해 전후좌우로 이송된다. 기판 이송 유닛(200)은 기판 거치 유닛(100)을 수평 방향으로 이송하여 기판 거치 유닛(100)의 위치를 조정한다.
레이저 헤드(300)는 기판 거치 유닛(100)의 상측에 배치된다. 레이저 헤드(300)는 복수의 빅셀 어레이(320)와 헤드 본체(310)를 구비한다. 헤드 본체(310)는 브라켓 또는 프레임 형태로 형성되고, 빅셀 어레이(320)는 헤드 본체(310)에 착탈 가능하게 설치된다. 빅셀 어레이(320)는 복수의 빅셀 소자(321)를 구비한다. 본 실시예에 사용되는 빅셀 소자(321)는 모두 수직 캐비티 표면광 방출 레이저(빅셀, VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 빅셀 소자(321)로 구성된다. 이와 같이 빅셀(VCSEL) 형태의 빅셀 소자(321)를 사용함으로써 직진성이 우수하고 에너지 수준이 높으며 제어가 용이한 적외선 레이저 광을 발생시키는 것이 가능하다. 빅셀 어레이(320)는 이와 같은 빅셀 소자(321)가 일정 간격으로 행과 열을 맞추어 복수개 배열되어 구성된다. 헤드 본체(310)에는 이와 같은 형태의 빅셀 어레이(320)가 다시 행과 열을 맞추어 일정 간격으로 배열되도록 구성된다. 빅셀 소자(321) 및 빅셀 어레이(320)의 개수와 간격 및 종류는 용도에 맞게 다양하게 구성 가능하다. 빅셀 어레이(320)를 구성하는 빅셀 소자(321)는 모두 동일하게 구성할 수도 있고, 본딩 대상이 되는 반도체 칩(C)의 구조에 맞추어 위치에 따라 다른 종류의 빅셀 소자(321)가 배치되도록 빅셀 어레이(320)를 구성하는 것도 가능하다. 빅셀 어레이(320) 단위로 그 빅셀 어레이(320)를 구성하는 빅셀 소자(321)의 종류를 다르게 구성하는 것도 가능하다. 빅셀 어레이(320)를 1열 또는 2열의 빅셀 소자(321)로 구성하거나 1행 또는 2행의 빅셀 소자(321)로 구성하는 등 다양한 형태로 빅셀 어레이(320)를 구성하는 것도 가능하다.
본 실시예의 경우 각각의 빅셀 어레이(320)는 본딩하고자 하는 반도체 칩(C)의 크기와 형상에 대응하도록 형성된다.
또한, 본 실시예의 빅셀 어레이(320)는 각각 헤드 본체(310)에 착탈 가능하게 설치된다. 빅셀 어레이(320)를 구성하는 빅셀 소자(321)들의 조합도 필요 따라 변경 가능하도록 각각의 빅셀 소자(321)들은 착탈 가능한 형태로 빅셀 어레이(320)를 구성하여 헤드 본체(310)에 설치된다. 이러한 경우 각각 다른 출력을 가지거나 각각 다른 주파수의 적외선 레이저 광을 방출하는 빅셀 소자(321) 또는 빅셀 어레이(320)를 조합하여 헤드 본체(310)를 구성하는 것도 가능하다.
레이저 헤드(300)는 헤드 이송 유닛(400)에 의해 이송된다. 본 실시예의 경우 헤드 이송 유닛(400)은 레이저 헤드(300)를 승강시키도록 구성된다. 실시예에 따라 헤드 이송유닛을 수평 방향 상하 방향으로 움직이고 회전시키는 구조의 헤드 이송 유닛(400)을 사용하는 것도 가능하다.
제어부(800)는 레이저 헤드(300)와 헤드 이송 유닛(400)과 기판 이송 유닛(200)의 작동을 제어한다. 제어부(800)는 헤드 이송 유닛(400)을 작동시켜 레이저 헤드(300)의 높이를 조절하고, 기판 이송 유닛(200)을 작동시켜 기판(S)의 위치를 조절한다. 또한, 제어부(800)는 레이저 헤드(300)의 작동을 제어하여 레이저 헤드(300)의 빅셀 소자(321)들을 점멸시키고 각각의 빅셀 소자(321)의 출력을 조절한다. 또한, 제어부(800)는 미리 입력된 프로파일에 의해 시간의 흐름에 따라 각각의 빅셀 소자(321)의 점멸과 출력되는 적외선 레이저 광의 강도를 조절한다. 제어부(800)는 빅셀 어레이(320) 단위로 빅셀 소자(321)의 작동을 제어할 수도 있다. 즉, 동일한 빅셀 어레이(320)에 속하는 빅셀 소자(321)는 동시에 점멸되고 서로 동기되어 출력이 조절되도록 제어부(800)는 각각의 빅셀 어레이(320)의 작동을 제어할 수도 있다. 이와 같이 제어부(800)가 빅셀 어레이(320)를 효과적으로 제어할 수 있는 빅셀 어레이(320)를 컴팩트하게 구성할 수 있도록 동일한 빅셀 어레이(320)에 속하는 빅셀 소자(321)들은 서로 직렬로 연결되도록 구성하는 것도 가능하다.
본 실시예의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는 상술한 바와 같이 구성된 레이저 헤드(300)를 이용하여 적외선 레이저를 반도체 칩(C)의 크기에 대응하는 면적에서 발생시켜 직접적으로 반도체 칩(C)에 조사한다. 따라서, 본 실시예의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는 레이저 헤드(300)와 반도체 칩(C) 사이에 적외선 레이저를 집광하거나 분광하거나 경로를 변경하는 별도의 광학계를 필요로 하지 않는 장점이 있다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 작동에 대해 설명한다.
먼저, 기판(S) 위에 복수의 반도체 칩(C)이 배치된 상태로 기판(S)이 기판 거치 유닛(100) 위에 배치된다. 이와 같은 상태에서 기판 이송 유닛(200)은 기판 거치 유닛(100)을 수평 방향으로 움직여서 기판(S) 위의 각각의 반도체 칩(C)에 대한 본딩 작업을 수행하기 위한 위치로 기판(S)을 이송한다. 기판(S)에 플럭스가 도포된 상태에서 각각의 반도체 칩(C)이 기판(S) 위에 배치되므로, 플러스의 점성 또는 점착성에 의하여 반도체 칩(C)들은 기판(S)에 임시 접착된 상태가 된다. 비교적 큰 진동이나 외력이 가해지지 않는 한 기판(S)에 배치된 반도체 칩(C)들은 플럭스에 의해 흔들리지 않고 기판(S)에 대한 위치가 유지된다. 이때, 카메라와 같은 광학 장치를 이용하여 기판(S) 위에 배치된 반도체 칩(C)을 촬영하고 각각의 반도체 칩(C)의 위치를 파악하고, 제어부(800)는 이러한 정보를 이용하여 기판(S)의 위치를 조정할 수도 있다.
이와 같은 상태에서 제어부(800)는 헤드 이송 유닛(400)을 작동시켜 레이저 헤드(300)를 하강시킨다. 제어부(800)는 레이저 헤드(300)가 반도체 칩(C)에 접촉할 때까지 레이저 헤드(300)를 하강시킬 수도 있고, 반도체 칩(C)에 접촉하지는 않지만 반도체 칩(C)의 상면에 매우 근접한 위치까지 레이저 헤드(300)를 하강시킬 수도 있다.
이와 같은 상태에서 제어부(800)는 레이저 헤드(300)의 각각의 빅셀 소자(321)를 점등하여 적외선 레이저 광이 반도체 칩(C)에 조사되도록 한다. 본 실시예의 경우 각각의 빅셀 어레이(320)의 면적은 본딩 대상 반도체 칩(C)의 면적과 동일하게 형성되고, 각각의 빅셀 어레이(320) 사이의 간격은 기판(S) 위에 배치된 반도체 칩(C) 사이의 간격과 동일하도록 배치되어 레이저 헤드(300)가 구성되어 있다. 또한, 도 2에 도시한 것과 같이 4개의 반도체 칩(C)을 동시에 본딩할 수 있도록 레이저 헤드(300)에는 4개의 빅셀 어레이(320)가 구성되어 배치된 상태이다. 제어부(800)는 미리 저장된 프로파일에 맞추어 시간에 따라 각각의 빅셀 소자(321)를 점멸하거나 출력을 조절하여 반도체 소자의 온도를 상승시킨다. 빅셀 소자(321)에서 방출되는 적외선 레이저 광은 반도체 소자의 온도를 상승시키거나 반도체 칩(C)을 반도체 칩(C)을 투과하여 반도체 칩(C) 하면의 솔더 범프의 온도를 상승시킨다. 이와 같은 방법으로 솔더 범프를 녹여서 반도체 칩(C)을 기판(S)에 본딩할 수 있도록 제어부(800)는 레이저 헤드(300)의 작동을 제어한다.
이때, 레이저 헤드(300)를 반도체 칩(C)의 상면에 접촉시켜 반도체 칩(C)의 상면을 레이저 헤드(300)로 가압하면서 반도체 칩(C)을 기판(S)에 대해 본딩하면 반도체 칩(C)의 온도 상승에 의해 반도체 칩(C)이 휘어지는 것을 방지하면서 본딩할 수 있는 장점이 있다. 이와 같이 접촉식으로 본딩을 수행하기 위해서 각각의 빅셀 어레이(320)를 덮는 투명 재질의 가압 커버를 더 구비하도록 레이저 헤드(300)를 구성하는 것도 가능하다.
빅셀 소자(321)는 전자식으로 빠르고 정확하게 점멸과 출력을 제어하는 것이 가능하다. 특히 빅셀 빅셀 소자(321)의 경우 고출력 에너지를 방출하므로, 제어부(800)는 다양한 방식으로 레이저 헤드(300)의 작동을 제어하여 신속하고 정확하게 반도체 칩(C)을 본딩하는 것이 가능하다. 이와 같이 빠르게 반도체 칩(C)을 본딩하는 것이 가능하므로 본 발명의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는 불필요하게 반도체 칩(C)의 온도를 장시간 상승시켜 반도체 칩(C)이 손상되거나 반도체 칩(C)이 밴딩(bending)되는 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이 4개의 반도체 칩(C)에 대한 본딩이 완료되면, 헤드 이송 유닛(400)은 레이저 헤드(300)를 상승시킨다. 기판 이송 유닛(200)은 다음 4개의 반도체 칩(C)이 레이저 헤드(300)의 하측에 배치되도록 기판 거치 유닛(100)을 이송한다. 헤드 이송 유닛(400)은 레이저 헤드(300)를 다시 하강시키고, 제어부(800)는 레이저 헤드(300)를 작동시켜 다시 4개의 반도체 칩(C)에 대해 본딩 작업을 수행한다.
이와 같은 과정을 순차적으로 진행하여 신속하면서도 높은 품질로 반도체 칩(C) 본딩 작업을 수행하는 것이 가능하다.
경우에 따라서는 위와 같이 접촉식으로 레이저 헤드(300)를 구동하지 않고 비접촉식으로 레이저 헤드(300)를 작동시키는 것도 가능하다. 즉, 헤드 이송 유닛(400)에 의해 레이저 헤드(300)를 반도체 칩(C)에 접촉하지 않는 가까운 위치까지 근접시킨 상태에서 레이저 헤드(300)를 작동시켜 반도체 칩(C)을 본딩하는 것도 가능하다. 이와 같이 반도체 칩(C)을 본딩할 때의 레이저 헤드(300)와 반도체 칩(C) 사이의 간격은 0보다 크고 30cm보다 작은 것이 좋다. 즉 레이저 헤드(300)와 반도체 칩(C) 사이의 간격이 0보다 크게 하여 접촉하지 않게 하되, 30cm보다 작게 하여 레이저 헤드(300)에서 발생하는 적외선 레이저 광이 너무 분산되지 않게 하는 것이 좋다. 레이저 헤드(300)와 반도체 칩(C) 사이의 간격이 좁으면 각각의 빅셀 소자(321)에 대응하는 위치의 반도체 칩(C)의 온도를 개별적으로 정확하게 제어하는 것이 용이한 장점이 있다. 레이저 헤드(300)와 반도체 칩(C) 사이의 간격이 점차 멀어지면, 반도체 칩(C)의 온도가 비교적 균일하게 제어될 수 있는 장점이 있다.
본 실시예의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는 수 mm 이내 크기를 가지는 빅셀 빅셀 소자(321)를 이용하므로 반도체 칩(C)의 국소 영역마다 온도를 다르게 제어하는 것도 가능하다. 예를 들어, 반도체 칩(C)의 솔더 범프가 배치된 위치 주변에 대해서만 적외선 레이저 광이 조사되도록 레이저 헤드(300)를 작동시키는 것도 가능하다. 반도체 칩(C)의 종류에 따라서는 복수의 소자가 조합된 패키지 형태의 반도체 칩(C)도 존재한다. 이와 같은 종류의 반도체 칩(C)을 본딩할 때는 각 소자의 크기와 두께 및 종류에 맞추어 해당 소자의 위치마다 각각 다른 에너지 수준의 적외선 레이저가 조사되도록 제어부(800)가 레이저 헤드(300)를 작동시키는 것도 가능하다. 이때, 제어부(800)가 개별 온도 제어 또는 적외선 레이저 광의 출력 제어를 용이하게 하기 위하여 개별 소자의 영역에 대응하도록 서로 다른 특성의 빅셀 어레이(320)들을 구성하고 동일 빅셀 어레이(320)에 속하는 빅셀 소자(321)들은 서로 동일한 종류가 되도록 레이저 헤드(300)를 구성하는 것도 가능하다.
또한, 앞에서 빅셀 소자(321) 또는 빅셀 어레이(320)는 각각 착탈 가능하게 헤드 본체(310)에 설치되는 것으로 설명한 바와 같이, 본딩 대상 반도체 칩(C)의 종류에 따라서 매번 다른 조합으로 레이저 헤드(300)를 구성하여 사용하는 것도 가능하다. 즉, 반도체 칩(C)의 영역에 대응하여 적절한 온도와 강도의 적외선 레이저 광을 조사할 수 있도록 다른 종류의 빅셀 소자(321)를 조합하여 레이저 헤드(300)를 구성할 수도 있다. 이와 같은 경우 출력 적외선 레이저의 주파수 특성이 다르거나 적외선 레이저 광의 방출 특성이 다른 빅셀 소자(321)를 조합하여 레이저 헤드(300)를 구성하게 된다. 이와 같은 방법에 의해 본 발명의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는 본딩 대상 반도체 칩(C)의 특성에 맞게 구성된 레이저 헤드(300)를 사용하여 본딩 작업을 수행하는 것이 가능한 장점이 있다.
이상, 본 발명의 일실시예에 대해 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 범위가 앞에서 설명하고 도시한 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 앞에서 기판 거치 유닛(100)을 수평 방향으로 이송하는 구조의 기판 이송 유닛(200)을 예로 들어 설명하였으나, 컨베이어 벨트 형태로 기판(S)을 이송하는 형태의 기판 이송 유닛을 사용하는 것도 가능하다. 이 경우에는 헤드 이송 유닛을 승강뿐만 아니라 수평 방향 이송도 가능하도록 구성하여 기판(S)에 대한 레이저 헤드의 위치를 조정하는 것이 가능하다.
기판 이송 유닛과 헤드 이송 유닛 중 어느 하나만을 구비하는 구조의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치를 구성하는 것도 가능하다.
또한, 레이저 헤드(300)를 구성하는 빅셀 소자(321) 및 빅셀 어레이의 조합은 서로 다른 빅셀 소자를 사용하는 것도 가능하고 모두 같은 사양의 빅셀 소자(321)를 사용하여 구성하는 것도 가능하다.
또한, 빅셀 소자(321) 또는 빅셀 어레이(320)는 헤드 본체(310)에 착탈 가능하게 설치되는 것으로 설명하였으나 경우에 따라서는 헤드 본체에 빅셀 소자 및 빅셀 어레이가 결합 고정되는 구조의 레이저 헤드를 구성하는 것도 가능하다. 경우에 따라서는 헤드 본체를 착탈 가능하게 구성할 수도 있다.
다음으로, 도 4 및 도 5를 참조하며, 본 발명의 다른 실시예에 따른 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치에 대해 설명한다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 정면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치의 일부분에 대한 평면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치는 앞에서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치와 대부분의 구성이 동일하고 마스크 부재(500)와 마스크 이송 유닛(600)과 적외선 카메라(700)를 더 포함하는 점에 차이가 있다. 이하에서 도 1 내지 3의 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부재 번호를 부여하여 설명한다.
마스크 부재(500)는 레이저 헤드(300)와 기판 거치 유닛(100)의 사이에 배치되는 구성이다. 마스크 부재(500)는 투명 재질로 구성된 투과부(510)를 구비한다. 투과부(510)는 레이저 헤드(300)에서 발생하는 적외선 레이저 광을 투과시켜 하측에 배치되는 반도체 칩(C)에 전달한다.
마스크 이송 유닛(600)을 마스크 부재(500)를 이송하는 역할을 수행한다.
본 실시예의 경우 마스크 부재(500)는 흡착 구멍(511)과 진공 유로(530)를 더 포함한다. 흡착 구멍(511)과 진공 유로(530)는 마스크 부재(500)의 투과부(510)에 형성된다. 흡착 구멍(511)은 반도체 칩(C)의 상면에 대응하는 위치에 형성된다. 본 실시예의 경우 도 5에 도시한 것과 같이 각각의 반도체 칩(C)에 대응하는 투과부(510)의 영역마다 투과부(510)의 내부가 빈 상태의 캐비티(520)가 형성되고 각 캐비티(520)마다 각각 4개의 흡착 구멍(511)이 형성된다. 진공 유로(530)는 캐비티(520)에 연결된다. 진공 유로(530)에는 진공 펌프가 연결된다. 진공 펌프를 작동시켜 진공 유로(530)를 통해 공기를 흡입하면 흡착 구멍(511)을 통해 음압이 전달되어 반도체 칩(C)의 상면은 투과부(510)의 하면에 흡착된다. 이와 같이 흡착 구멍(511)에 의해 반도체 칩(C)이 투과부(510)에 흡착되면 적외선 레이저 광에 의해 반도체 칩(C)이 가열되는 동안에도 반도체 칩(C)은 휘어지지 않고 평면 상태를 유지할 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 구성에 의해 플립 칩 형태의 반도체 칩(C)의 기판(S)에 대한 본딩 공정의 품질을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 마스크 이송 유닛(600)은 마스크 부재(500)를 이송한다. 제어부(800)는 마스크 부재(500)를 작동시킨다. 기판 이송 유닛(200)에 의해 기판(S)이 이송되거나 기판(S)의 위치를 정렬하는 동안에는 마스크 이송 유닛(600)은 마스크 부재(500)를 상승시켜 반도체 칩(C)에 접촉하지 않도록 한다. 기판 이송 유닛(200)에 의해 기판(S)의 정렬이 완료되면, 마스크 이송 유닛(600)은 마스크 부재(500)를 하강시켜 반도체 칩(C)에 접촉시킨다. 이와 같은 상태에서 제어부(800)는 진공 펌프를 작동시켜 반도체 칩(C)들이 마스크 부재(500)의 투과부(510)에 흡착되도록 한 후, 레이저 헤드(300)를 작동시켜 순차적으로 반도체 칩(C)들을 기판(S)에 본딩한다.
한편, 적외선 카메라(700)는 레이저 헤드(300)에 의해 적외선 레이저 광이 조사된 반도체 칩(C)을 촬영하여 반도체 칩(C)의 온도를 측정한다. 제어부(800)는 적외선 카메라(700)에서 측정된 온도를 피드백 받아 레이저 헤드(300)의 작동을 제어할 수 있다.
레이저 헤드(300)와 마스크 부재(500) 사이의 간격이 어느 정도 존재하는 상태에서 레이저 헤드(300)가 적외선 레이저를 발생시키는 경우에는, 적외선 카메라(700)는 실시간으로 반도체 칩(C)의 온도를 측정할 수 있다.
레이저 헤드(300)가 마스크 부재(500)에 접촉한 상태나 매우 근접한 상태에서 적외선 레이저를 발생시키는 경우에는, 레이저 헤드(300)로 작업을 수행한 후 레이저 헤드(300)를 상승시킨 상태에서 적외선 카메라(700)가 반도체 칩(C)을 촬영한다.
본 실시예의 경우 투과부(510)는 BaF2로 형성된다. 가시광선과 단파장 영역의 적외선만을 투과시키는 쿼츠(Quartz)와 다르게 BaF2는 비교적 장파장 영역의 적외선도 투과시키는 투명 재질이다. 쿼츠는 0.18㎛ 에서 3.5㎛ 파장을 갖는 빛을 투과시키는 재질인 반면, BaF2는 0.15㎛ 에서 12㎛ 파장을 갖는 빛까지 투과시킨다. 적외선 레이저 광이 조사되어 반도체 칩(C)의 솔더 범프가 녹는 과정에서 반도체 칩(C)의 온도도 상승한다. 일반적으로 반도체 칩(C)의 온도는 50 ℃ 에서 500 ℃ 사이에서 변화한다. 빈의 변위법칙에 의하면 50 ℃ 에서 500 ℃ 사이로 변하는 반도체 칩(C)에서 방사되는 적외선의 파장은 대략 3㎛ 이상 9㎛ 이하이다. 상술한 바와 같이, 본 실시예의 마스크 부재(500)의 투과부(510)는 BaF2로 구성되므로 파장이 0.15㎛ 에서 12㎛ 인 빛을 투과시킨다. 즉, 투과부(510)는 레이저 헤드(300)에서 발생하는 레이저 광을 모두 투과시킬 뿐만 아니라 3㎛ 에서 9㎛까지의 파장을 갖는 적외선을 모두 투과시킨다. 이 때문에 투과부(510)의 하측에 배치된 반도체 칩(C)에 적외선 레이저 광을 조사하여 가열하면서 동시에 적외선 카메라(700)가 투과부(510)를 통해 반도체 칩(C)을 촬영할 수 있다. 즉, 50 ℃ 에서 500 ℃ 사이에서 변화하는 반도체 칩(C)의 온도를 적외선 카메라(700)가 투과부(510)을 통해서 정확하게 측정할 수 있다. 실제 반도체 칩(C)을 가열하는 온도는 200 ℃ 내지 400 ℃인 경우가 많으므로, 레이저 광을 투과시키면서 이러한 온도 범위의 적외선도 투과시킬 수 있는 투과부(510)를 사용하여 반도체 칩(C)을 적외선 레이저로 가열하면서 반도체 칩(C)의 온도를 확인할 수 있다. 이 경우 200 ℃ 내지 400 ℃ 에 해당하는 적외선의 파장은 대략 4㎛ 내지 6㎛에 해당한다. 상술한 바와 같이 BaF2는 적외선 레이저 광과 함께 이와 같은 파장 대역의 적외선도 투과시키므로 투과부(510)의 재료로 사용 가능하다. 투과부(510)의 재질은 BrF2로 한정되는 것은 아니고, 다른 투명 재질로 투과부(510)를 구성하는 것도 가능하다. 상술한 바와 같이, 레이저 적외선 레이저 광을 조사 과정에서 반도체 칩(C)의 온도는 50 ℃에서 500 ℃ 사이에서 변한다. 이 때 반도체 칩(C)에서 조사되는 적외선의 파장은 대략 3㎛ 이상 9㎛ 이하이다. 따라서, 3㎛ 이상 9㎛ 이하의 파장을 갖는 적외선을 투과시키는 다양한 재질로 투과부(510)를 형성할 수 있다. 예를 들어, ZnSe와 같은 재질로 투과부(510)를 구성하는 것도 가능하다. ZnSe는 파장이 0.6㎛ 에서 16㎛인 적외선을 투과시킨다. 투과부(510)를 파장이 2㎛ 에서 16㎛인 적외선을 투과시키는 Ge과 같은 재질로 형성하는 것도 가능하다. 또한, 경우에 따라서는 파장이 4㎛ 이상 6.5㎛ 이하인 적외선을 투과시키는 투과부(510)로 마스크를 구성하는 것도 가능하다. 이러한 재질로는 CaF2나 MgF2와 같은 재질을 들 수 있다.
이상, 본 발명에 대해 바람직한 예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명하고 도시한 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 앞에서 적외선 카메라(700)를 구비하는 형태의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치를 예로 들어 설명하였으나, 적외선 카메라를 구비하지 않는 형태의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치를 구성하는 것도 가능하다.
마스크 부재(500)의 투과부의 재질 역시 BaF2, ZnSe, CaF2, MgF2와 등과 같은 재질로 한정되는 것은 아니고 쿼츠를 포함한 다른 다양한 재질로 투과부를 구성하는 것이 가능하다.
또한, 앞에서 마스크 부재(500)에 대해 흡착 구멍(511)과 진공 유로(530)가 형성된 형태를 예로 들어 설명하였으나, 이와 같은 구성을 구비하지 않는 마스크 부재를 사용하여 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치를 구성하는 것도 가능하다. 이 경우 마스크 이송 유닛을 이용하거나 마스크 부재 자체의 무게를 이용하여 반도체 칩(C)을 가압하도록 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치를 구성하는 것도 가능하다.
또한, 앞에서 마스크 부재(500)를 이송하는 마스크 이송 유닛(600)을 구비하는 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치를 예로 들어 설명하였으나, 마스크 이송 유닛을 구비하지 않는 구조의 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치를 구성하는 것도 가능하다.
S: 기판 C: 반도체 칩
100: 기판 거치 유닛 200: 기판 이송 유닛
300: 레이저 헤드 310: 헤드 본체
320: 빅셀 어레이 321: 빅셀 소자
400: 헤드 이송 유닛 500: 마스크 부재
510: 투과부 520: 캐비티
511: 흡착 구멍 530: 진공 유로
600: 마스크 이송 유닛 700: 적외선 카메라
800: 제어부

Claims (8)

  1. 기판의 상면에 본딩하기 위한 복수의 반도체 칩들이 배치된 상태의 상기 기판이 거치되는 기판 거치 유닛;
    상기 기판 거치 유닛에 거치된 기판 위의 상기 반도체 칩에 적외선 레이저 광을 조사하여 상기 기판에 상기 반도체 칩을 본딩할 수 있도록 적외선 레이저를 발광하는 복수의 빅셀 소자(VCSEL 소자: Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 수직 캐비티 표면광 방출 레이저 소자)를 구비하는 복수의 빅셀 어레이와, 상기 복수의 빅셀 어레이가 설치되는 헤드 본체를 구비하는 레이저 헤드;
    상기 레이저 헤드를 이송하는 헤드 이송 유닛; 및
    상기 레이저 헤드와 헤드 이송 유닛의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 헤드 이송 유닛에 의해 상기 레이저 헤드가 상기 복수의 반도체 칩 중의 어느 하나에 직접 접촉한 상태에서 상기 복수의 빅셀 소자를 점등하여 그 반도체 칩을 상기 기판에 본딩하는 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 헤드는, 상기 복수의 빅셀 소자 중 일부 영역의 빅셀 소자들은 출력과 방출 레이저의 주파수 중 적어도 어느 하나가 다른 영역의 빅셀 소자들과 서로 다르게 구성되는 플립칩 본딩 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수의 빅셀 어레이가 각각 개별적으로 작동하도록 제어하고, 상기 빅셀 소자들 중 동일한 빅셀 어레이에 속하는 빅셀 소자들은 동일하게 작동하도록 제어하는 플립칩 본딩 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수의 빅셀 소자들을 각각 개별적으로 작동하도록 제어하는 플립칩 본딩 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 헤드 이송 유닛에 의해 상기 레이저 헤드를 상기 복수의 반도체 칩 중의 어느 하나에 대해 0보다 크고 30cm 보다 작은 높이에 배치한 상태에서 상기 복수의 빅셀 소자를 점등하여 그 반도체 칩을 상기 기판에 본딩하는 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 빅셀 소자에서 발생하는 적외선 레이저 광은 상기 반도체 칩에 직접 조사되는 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 레이저 헤드의 복수의 빅셀 소자의 출력을 시간에 따라 변화시켜서 상기 반도체 칩 중의 어느 하나를 상기 기판에 본딩하는 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판 거치 유닛을 상기 레이저 헤드에 대해 이송하는 기판 이송 유닛;을 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 기판 이송 유닛의 작동을 제어하는 빅셀 소자를 이용한 플립칩 본딩 장치.
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