KR20220071383A

KR20220071383A - 레이저 본딩 장치의 본딩헤드

Info

Publication number: KR20220071383A
Application number: KR1020200158413A
Authority: KR
Inventors: 유종재
Original assignee: 레이저쎌 주식회사
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2022-05-31

Abstract

본 발명은 기판에 전자부품을 본딩하기 위한 레이저 본딩 장치에 있어서, 상기 전자부품이 실장될 기판의 전극 위치에 솔더볼을 도포하는 도팅부; 상기 솔더볼이 도포된 전극위치에 전자부품을 이동시키는 픽업부; 상기 도팅부의 일측에 포함되어 솔더볼 도포시 기판에 가해지는 누름 압력을 제어하는 로드셀을 포함한다.

Description

레이저 본딩 장치의 본딩헤드{Bonding head of laser bonding device}

본 발명은 레이저 본딩 장치의 본딩헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자부품이 기판에 실장할 경우 보다 정밀한 압력으로 원하는 위치에 솔더 페이스트를 도팅(Dotting)할 수 있는 레이저 본딩 장치의 본딩헤드에 관한 것이다.

산업용 레이저 가공으로 마이크론(um)급의 정밀도를 가지는 응용분야가 마이크로 레이저 프로세싱인데, 반도체 산업, 디스플레이 산업, 인쇄회로기판(PCB)산업, 스마트폰 산업 등으로 널리 사용되고 있다.

모든 전자기기에 사용되는 메모리칩은 집적도와 성능 및 초고속 통신 속도를 구현하기 위해 회로 선포과 선폭 간격을 최소한으로 축소시키는 방향으로 기술이 발전하다가 현재는 회로 선폭과 선폭 간격을 축소시키는 것만으로는 요구되는 기술수준을 달성하기 어려워 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.

한편, 통상적으로 알려진 레이저 본딩 장치의 레이저 헤드 모듈은 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 제10-1245356호(이하, '선행문헌'이라 함)을 참조하면, 반도체 칩을 진공에 의해 흡착하면서 면 광원 형태의 레이저가 반도체 칩으로 조사되도록 하는 흡착모듈과 그를 포함하는 가압 헤드 구성이 기술되어 있다.

그러나, 이러한 반도체칩 즉, 전자부품 들은 기판이 글라스인 곳에서는 도팅시 글라스가 깨지는 등의 파손이 발생된다. 즉, 리지드 기판(PCB)에서는 소재의 특성상 큰 문제가 없지만, 글라스 소재는 일정 한계치를 조금만 벗어나도 파손이 될 수 있다.

도1에 도시된 바와 같이, 도팅시 누름에 의해 글라스 소재의 기판이 판손된 것을 나타내 주고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 정밀한 압력으로 원하는 위치에 솔더 페이스트를 도팅(Dotting)할 수 있어 도팅시 글라스 기판이 파손되는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판에 전자부품을 본딩하기 위한 레이저 본딩 장치에 있어서, 상기 전자부품이 실장될 기판의 전극 위치에 솔더볼을 도포하는 도팅부; 상기 솔더볼이 도포된 전극위치에 전자부품을 이동시키는 픽업부; 상기 도팅부의 일측에 포함되어 솔더볼 도포시 기판에 가해지는 누름 압력을 제어하는 로드셀을 포함한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 본 발명은 정밀한 압력으로 원하는 위치에 솔더 페이스트를 도팅(Dotting)할 수 있어 도팅시 글라스 기판이 파손되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 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, 구성용소, 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, 이상적으로 과도하게 형식적인 의미로 해서되지 않아야 한다.

이하, 첨부된 도2를 참조하면, 본 발명의 레이저 본딩장치는 일실시예에 따라 단일의 레이저 모듈을 구비하며, 기판 상에 싱글 레이저 빔을 조사하게 된다.

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(AreaBeam) 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 레이저빔의 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.

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 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.

이하, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성 개념도이다.

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, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 본딩장치의 본딩헤드의 구성도이다.

본 발명의 레이저 본딩장치의 본딩헤드(500)는 도팅부(520), 픽업부(530), 로드셀(520a)을 포함할 수 있다.

도팅부(520)는 전자부품에 실장될 기판의 전극 위치에 솔더 페이스트를 도포할 수 있다. 이때, 전자부품은 마이크로 LED일 수 있으며, 기판은 글라스 소재일 수 있다. 이러한 마이크로 LED는 차세대 디스플레이 광원으로서 소자 크기가 가로세로 각각 100um이하일 수 있다.

픽업부(530)는 솔더 페이스트가 도포된 전극 위치에 전자부품을 이동시킬 수 있다. 픽업부(530)는 진공으로 마이크로 LED를 흡착하여 이동할 수 있다.

한편, 도팅부(520)와 픽업부(530)는 하나의 몸체부(510)로 형성될 수 있다. 여기서, 도팅부(520)와 픽업부(530)는 몸체부(510)를 기준으로 상하 수직이동될 수 있다.

이러한 도팅부(520)의 일측에 포함되어 솔더 페이스트 도포시 기판에 가해지는 누름 압력을 제어하는 로드셀(520a)이 포함될 수 있다. 이때, 기판에 가해지는 누름 압력은 로드셀(Loadcell) 기준으로 1g 내지 200g 범위 이내 일 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 있는 것이므로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 구성의 부가 및 삭제, 변형이 가능한 것임을 명시하는 바이다.

500 : 본딩헤드 510 : 몸체부
520 : 도팅부 520a : 로드셀
530 : 픽업부

Claims

기판에 전자부품을 본딩하기 위한 레이저 본딩 장치에 있어서,
상기 전자부품이 실장될 기판의 전극 위치에 솔더 페이스트를 도포하는 도팅부;
상기 솔더 페이스트가 도포된 전극위치에 전자부품을 이동시키는 픽업부;
상기 도팅부의 일측에 포함되어 솔더 페이스트 도포시 기판에 가해지는 누름 압력을 제어하는 로드셀;을 포함하는 레이저 본딩장치의 본딩헤드.
제1항에 있어서,
상기 도팅부와 픽업부는 하나의 몸체부로 형성된인 것인 레이저 본딩장치의본딩헤드.
제2항에 있어서,
상기 도팅부와 픽업부는 몸체부를 기준으로 상하 수직이동되는 것인 레이저 본딩장치의 본딩헤드.
제1항에 있어서,
상기 기판은 글라스 또는 사파이어 소재인 것인 레이저 본딩장치의 본딩헤드.
제1항에 있어서,
상기 전자부품은 마이크로 LED 인 것인 레이저 본딩장치의 본딩헤드.
제1항에 있어서,
상기 기판에 가해지는 누름 압력은 로드셀 기준으로 1g 내지 200g 범위 이내 인 것인 레이저 본딩장치의 본딩헤드.