KR20230099397A - 레이저 본딩 시스템 - Google Patents

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KR20230099397A
KR20230099397A KR1020210188706A KR20210188706A KR20230099397A KR 20230099397 A KR20230099397 A KR 20230099397A KR 1020210188706 A KR1020210188706 A KR 1020210188706A KR 20210188706 A KR20210188706 A KR 20210188706A KR 20230099397 A KR20230099397 A KR 20230099397A
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laser beam
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유우종
한경록
박영순
김종우
김동욱
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주식회사 에스에프에이
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Abstract

레이저 본딩 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 본딩 시스템은, 기판의 하부를 지지하되, 기판을 미리 결정된 온도로 승온 가능한 가열식 하부스테이지 유닛; 기판의 미리 결정된 위치에 칩을 본딩시키기 위해 기판 또는 칩에 마련되는 솔더를 향해 레이저 빔을 조사함으로써, 솔더를 가열하여 용융시키는 레이저 빔 조사유닛; 및 레이저 빔 조사유닛과 가열식 하부스테이지 유닛 사이에 배치되어 가열식 하부스테이지 유닛에 접근 및 이격 가능하게 마련되며, 레이저 빔 조사유닛으로부터 조사되는 레이저 빔을 기판을 향해 투과시켜 솔더를 용융시키고 기판과 칩을 가압하여 칩을 기판에 본딩시키는 레이저 투과식 가압유닛을 포함한다.

Description

레이저 본딩 시스템{LASER BONDING SYSTEM}
본 발명은, 레이저 본딩 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 기판과 칩 사이의 온도 차이를 줄여주고 기판의 온도 분포를 제어함으로써, 기판과 칩의 열팽창계수 차이로 인한 휨 현상이 발생하는 것과, 이에 따라 솔더에 의한 칩과 기판의 접합부에 접촉 불량이 발생하는 것을 방지하여 보다 정밀하고 안정적으로 대면적 기판에 칩을 본딩할 수 있는 레이저 본딩 시스템에 관한 것이다.
기판에 칩을 본딩하기 위한 방법으로서, 기판과 칩 사이를 금속 와이어로 연결하는 와이어 본딩 방법이 오랜 세월 동안 사용되어 왔다.
그러나 세월이 흐르고 기술의 발전과 함께, 기판과 칩 사이에 더 많은 연결이 필요하게 되었고, 신호 손실을 줄이기 위해 와이어의 저항을 배제시킬 필요가 대두되었기 때문에, 최근에는 입출력 단자의 갯수를 늘릴 수 있으며, 와이어를 사용하지 않으면서도 와이어에 비해 짧은 연결거리로 인한 신호 특성에서의 많은 장점을 지닌 플립칩 형태의 반도체 칩이 널리 사용되고 있다.
이러한 플립칩 형태의 반도체 칩은 반도체 칩의 하면에 솔더 범프 형태의 다수의 전극이 형성되며, 기판에 형성된 솔더 범프에 대응하는 위치에 본딩하는 방식으로 기판에 실장되는데, 크게 리플로우 방식과 레이저 본딩 방식에 의해 반도체 칩을 기판에 실장하게 된다.
이 중에서 일반적으로 LAB(LASER Assisted Bonding)이라고 불리는 레이저 본딩 방식은, 솔더 범프에 플럭스가 도포된 반도체 칩을 기판 위에 배치한 상태에서 칩에 레이저 빔을 조사하여 에너지를 전달함으로써 순간적으로 솔더 범프가 녹았다가 굳으면서 반도체 칩이 기판에 본딩되도록 하는 방식이다.
이 때, 기판과 칩의 접촉 불량을 방지하기 위해 레이저 빔을 조사하여 순간적으로 솔더 범프가 녹은 상태에서 기판 및 칩을 일정 압력이상으로 가압하는 방법이 함께 사용된다.
그런데, 이러한 종래의 레이저 본딩 시스템에 있어서는, 레이저 빔의 조사가 기판과 칩의 본딩 영역을 향해 이루어지므로, 그 부분만 급속도로 온도가 올라가게 되는데, 이 때 기판과 칩의 열팽창계수 차이로 인하여 휨 현상이 발생할 수 있으며, 이에 따라 칩과 솔더의 접합부에 접촉 불량이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0124579호, (2011.11.17)
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 레이저 빔의 조사와 기판 및 칩의 가압이 동시에 이루어지는 레이저 본딩 시스템에 있어서, 기판과 칩 사이의 온도 차이를 줄여주고 기판의 온도 분포를 제어함으로써, 기판과 칩의 열팽창계수 차이로 인한 휨 현상이 발생하는 것과, 이에 따라 솔더에 의한 칩과 기판의 접합부에 접촉 불량이 발생하는 것을 방지하여 보다 정밀하고 안정적으로 대면적 기판에 칩을 본딩할 수 있는 레이저 본딩 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판의 하부를 지지하되, 상기 기판을 미리 결정된 온도로 승온 가능한 가열식 하부스테이지 유닛; 상기 기판의 미리 결정된 위치에 칩을 본딩시키기 위해 상기 기판 또는 상기 칩에 마련되는 솔더를 향해 레이저 빔을 조사함으로써, 상기 솔더를 가열하여 용융시키는 레이저 빔 조사유닛; 및 상기 레이저 빔 조사유닛과 상기 가열식 하부스테이지 유닛 사이에 배치되어 상기 가열식 하부스테이지 유닛에 접근 및 이격 가능하게 마련되며, 상기 레이저 빔 조사유닛으로부터 조사되는 레이저 빔을 상기 기판을 향해 투과시켜 상기 솔더를 용융시키고 상기 기판과 상기 칩을 가압하여 상기 칩을 상기 기판에 본딩시키는 레이저 투과식 가압유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템이 제공될 수 있다.
상기 가열식 하부스테이지 유닛은, 상기 기판의 하부를 지지하는 스테이지 모듈; 및 상기 스테이지 모듈의 내부에 상호 이격 배치되어 마련되어 상기 스테이지 모듈을 가열하는 다수의 히터 모듈을 포함할 수 있다.
상기 가열식 하부스테이지 유닛은, 상기 스테이지 모듈과 연결되어 상기 스테이지 모듈의 온도를 측정하는 열전대 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 가열식 하부스테이지 유닛은, 상기 열전대 모듈에서 측정된 상기 스테이지 모듈의 온도를 기초로 상기 다수의 히터 모듈을 제어하는 히터 제어모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 가열식 하부스테이지 유닛은, 상기 스테이지 모듈의 하부에 배치되어 상기 레이저 투과식 가압유닛에 의해 상기 기판에 가해지는 압력 분포를 측정하는 로드셀 모듈; 및 상기 스테이지 모듈과 상기 로드셀 모듈의 사이에 배치되는 절연체를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 빔 조사유닛은, 상기 기판 및 상기 칩에 마련되는 상기 솔더를 향해 레이저를 조사하는 레이저 조사모듈; 상기 레이저 조사모듈을 상기 가열식 하부스테이지 유닛의 상부에 배치시키되, 상기 레이저 조사모듈을 상기 기판을 향해 선택적으로 접근 및 이격시키는 상하 이송모듈; 및 상기 레이저 조사모듈의 일측에 마련되어 상기 가열식 하부스테이지 유닛의 상부에 배치되는 상기 기판의 온도 분포를 측정하는 적외선 카메라모듈을 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사모듈은, 상기 기판의 일축을 따라 나란하게 배치되어 미리 결정된 영역에 레이저를 조사하는 다수의 단위 레이저 조사모듈을 포함하며, 상기 레이저 빔 조사유닛은, 상기 적외선 카메라모듈에 의해 촬영된 상기 기판의 온도 분포 프로파일을 분석하여 상기 기판의 온도 분포를 조절하기 위해 각각의 상기 단위 레이저 조사모듈의 출력을 제어하는 출력 제어모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 투과식 가압유닛은, 상기 레이저 빔의 투과와, 상기 기판 및 상기 칩의 가압이 모두 이루어지도록, 중앙 영역에 레이저 빔의 투과가 가능한 재질의 미리 결정된 크기의 레이저 투과식 가압부와, 상기 레이저 투과식 가압부의 일측에 결합되어 상기 레이저 투과식 가압부에 의해 상기 기판에 대하여 가해지는 가압 압력 분포를 조절하는 가압 압력 조절부를 구비하는 가압 본체모듈; 및 상기 가압 본체모듈을 상기 기판을 향해 접근 및 이격시키는 가압 구동모듈을 포함할 수 있다.
상기 레이저 투과식 가압부는, 상기 레이저 빔 조사유닛 측에 배치되는 투과용 상부 플레이트; 및 상기 투과용 상부 플레이트와 미리 결정된 거리만큼 이격 배치되어 상기 기판의 상부를 접촉 가압하는 투과 및 가압용 하부 플레이트를 포함하며, 상기 가압 압력 조절부는, 상기 투과용 상부 플레이트와 투과 및 가압용 하부 플레이트 사이에 형성되는 압력분포 조절공간에 공기를 주입하는 가압 압력 공기 주입부일 수 있다.
상기 투과용 상부 플레이트 및 상기 투과 및 가압용 하부 플레이트는, 상기 가압 압력 공기 주입부에 의해 상기 압력분포 조절공간에 공기가 주입될 때 표면이 휘어지지 않는 경도를 가진 동일한 재질의 비탄성체로서, 레이저 빔의 투과가 가능한 투명한 재질로 형성될 수 있다.
상기 투과용 상부 플레이트는, 상기 가압 압력 공기 주입부에 의해 상기 압력분포 조절공간에 공기가 주입될 때 표면이 휘어지지 않는 경도를 가진 재질로 마련되는 비탄성체로서, 레이저 빔의 투과가 가능한 투명한 재질로 형성되며, 상기 투과 및 가압용 하부 플레이트는, 상기 가압 압력 공기 주입부에 의해 상기 압력분포 조절공간에 공기가 주입될 때 표면이 휘어지는 경도를 가진 재질로 마련되는 탄성체로서, 레이저 빔의 투과가 가능한 투명한 재질로 형성되는 멤브레인 패드일 수 있다.
상기 가압 구동모듈은, 상기 가압 본체모듈의 하부와 상기 가열식 하부스테이지 유닛의 상부에 각각 결합되어 상기 가압 본체모듈의 상하 이동을 구동하는 상하 구동부; 및 상기 가압 본체모듈의 외측면과 상기 가열식 하부스테이지 유닛에 각각 결합되어 상기 가압 본체모듈의 상하 이동을 가이드하는 가이드부를 포함할 수 있다.
상기 가열식 하부스테이지 유닛을 상기 레이저 빔 조사유닛의 하부에 마련되는 본딩위치를 향해 수평으로 이송시키는 수평 이송유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 레이저 빔의 조사와 기판 및 칩의 가압이 동시에 이루어지는 레이저 본딩 시스템에 있어서, 기판과 칩 사이의 온도 차이를 줄여주고 기판의 온도 분포를 제어함으로써, 기판과 칩의 열팽창계수 차이로 인한 휨 현상이 발생하는 것과, 이에 따라 솔더에 의한 칩과 기판의 접합부에 접촉 불량이 발생하는 것을 방지하여 보다 정밀하고 안정적으로 대면적 기판에 칩을 본딩할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 본딩 시스템을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 레이저 빔 조사유닛을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 기판의 온도 분포를 조절하기 위해 도 2의 다수의 단위 레이저 조사모듈의 각각의 출력을 제어하는 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 가열식 하부스테이지 유닛과, 레이저 투과식 가압유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 가열식 하부스테이지 유닛의 스테이지 모듈을 도시한 사시도(a)와, 선 A-A 를 기준으로 가열식 하부스테이지 유닛의 단면을 도시한 단면 사시도(b)이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 투과식 가압유닛의 단면을 개략적으로 도시한 단면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 레이저 투과식 가압유닛의 단면을 개략적으로 도시한 단면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 본딩 시스템을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 레이저 빔 조사유닛을 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 3은 기판의 온도 분포를 조절하기 위해 도 2의 다수의 단위 레이저 조사모듈의 각각의 출력을 제어하는 과정을 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 가열식 하부스테이지 유닛과, 레이저 투과식 가압유닛을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 5는 도 4의 가열식 하부스테이지 유닛의 스테이지 모듈을 도시한 사시도(a)와, 선 A-A 를 기준으로 가열식 하부스테이지 유닛의 단면을 도시한 단면 사시도(b)이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 투과식 가압유닛의 단면을 개략적으로 도시한 단면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 본딩 시스템은, 레이저 빔 조사유닛(300)과, 스테이지 유닛(100)과, 레이저 투과식 가압유닛(500)과, 수평 이송유닛(700)을 포함한다.
레이저 빔 조사유닛(300)은 기판(S)의 미리 결정된 위치에 칩(C)을 본딩시키기 위해 기판(S) 및 칩(C)에 마련되는 솔더(SB)를 향해 레이저 빔을 조사함으로써, 솔더(SB)를 가열하여 용융시키는 역할을 한다.
먼저, 기판(S)의 미리 결정된 위치에 칩(C)을 본딩시키는 과정에 대하여 개략적으로 설명하면, 도 6의 X 부분을 확대한 도면에 자세히 도시된 바와 같이, 미리 결정된 위치에 칩(C)이 점착된 상태의 모기판(S2)과, 칩(C)을 본딩시키기 위한 위치에 솔더(SB)가 마련된 기판(S)이 서로 얼라인되어 겹쳐진 상태로 배치되어 있다.
이 상태에서, 레이저 빔 조사유닛(300)에 의해 레이저 빔이 솔더(SB)를 향해 조사되면 솔더(SB)가 순간적으로 가열되어 용융상태가 되는데, 이 때 후술할 레이저 투과식 가압유닛(500)의 레이저 투과식 가압부(520)가 모기판(S2)과 기판(S)을 가압하게 되면, 기판(S)과 칩(C) 사이의 솔더(SB)가 굳어지면서 기판(S)에 칩(C)을 본딩된다.
여기서, 레이저 투과식 가압부(520)는 모기판(S2)과 기판(S)을 가압하는 상태에서도 레이저 빔을 투과할 수 있는 투명한 재질로 마련된다.
솔더(SB)가 굳어지면서 기판(S)에 칩(C)이 본딩된 이후에는, 모기판(S2)을 제거하는 과정이 진행되면서 기판(S)과 칩(C)의 본딩이 마무리 된다.
본 실시 예에서 도 6의 X 부분을 확대한 도면에 도시된 기판(S)에 형성된 솔더(SB)는 가장 기본적인 솔더 범프(solder bump) 형태를 예시적으로 도시한 것이므로, 본 발명이 여기에 한정되는 것이 아니며, 솔더 범프 뿐만 아니라 솔더 볼(solder ball)이나 솔더 페이스트(solder paste) 등 다양한 형태로 마련될 수 있을 것이고, 솔더(SB)가 마련되는 위치는 기판(S) 뿐만 아니라 칩(C)에도 선택적으로 마련될 수 있을 것이다.
레이저 빔 조사유닛(300)은, 도 2에 자세히 도시된 바와 같이, 레이저 조사모듈(310)과, 상하 이송모듈(330)과, 적외선 카메라모듈(350)과, 출력 제어모듈(미도시)을 포함한다.
레이저 조사모듈(310)은 기판 및 칩에 마련되는 솔더를 향해 레이저 빔을 조사하는 역할을 하며, 기판의 일축을 따라 나란하게 배치되어 미리 결정된 영역에 레이저를 조사하는 다수의 단위 레이저 조사모듈(311)을 포함한다.
즉, 다수의 단위 레이저 조사모듈(311)이 도 2 및 도 3에 자세히 도시된 바와 같이, 나란하게 배치되어 각각의 단위 레이저 조사모듈(311)이 맡은 일정한 영역을 향해 레이저 빔을 조사하게 된다.
상하 이송모듈(330)은 레이저 조사모듈(310)을 스테이지 유닛(100)의 상부에 배치시키되, 레이저 조사모듈(310)을 기판을 향해 선택적으로 접근 및 이격시키는 역할을 하며, 이에 따라 초점을 조절하는 등의 조작이 가능하여 레이저 빔이 조사되는 위치를 정확하게 조절할 수 있게 된다.
적외선 카메라모듈(350)은 레이저 조사모듈(310)의 일측에 마련되어 스테이지 유닛(100)의 상부에 배치되는 기판의 온도 분포를 측정하는 역할을 하는데, 도 2에 점선으로 도시된 부분, 즉 기판의 면적에 해당되는 일정한 영역을 촬영함으로써 기판의 온도 분포를 측정하게 된다.
출력 제어모듈(미도시)은 적외선 카메라모듈(350)에 의해 촬영된 기판의 온도 분포 프로파일을 분석하여 기판의 온도 분포를 조절하기 위해 각각의 단위 레이저 조사모듈(311)의 출력을 제어하는 역할을 한다.
이러한 구조를 가진 레이저 빔 조사유닛(300)의 작동에 대하여 설명하면, 먼저 적외선 카메라모듈(350)에 의해 기판의 온도 분포가 측정되고, 출력 제어모듈(미도시)에 의해 적외선 카메라모듈(350)에서 촬영된 기판의 온도 분포 프로파일을 분석하게 되며, 이에 따라 다수의 단위 레이저 조사모듈(311) 각각의 출력을 제어하여 원하는 기판의 온도 분포를 형성하게 된다.
예를 들어, 적외선 카메라모듈(350)에 의해 촬영된 기판의 온도 분포 프로파일로부터 기판의 가장자리 부분의 온도가 기판의 중앙 부분의 온도에 비하여 낮다고 분석한 경우라면, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판의 가장자리 부분에 배치된 단위 레이저 조사모듈(311)의 출력을 제어함으로써 전체적으로 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있을 것이며, 이와 달리 원하는 부분의 온도를 특별히 높게 조절하는 등 다양한 온도 분포의 제어가 가능할 것이다.
한편, 스테이지 유닛(100)은 기판(S)의 하부를 지지하는 역할을 하는데, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 스테이지 유닛(100)은 기판의 하부를 지지하되, 기판을 미리 결정된 온도로 승온 가능한 가열식 하부스테이지 유닛(100)으로 마련된다.
일반적으로, 솔더 범프에 플럭스가 도포된 반도체 칩을 기판 위에 배치한 상태에서 칩에 레이저 빔을 조사하여 에너지를 전달함으로써 순간적으로 솔더 범프가 녹았다가 굳으면서 반도체 칩이 기판에 본딩되도록 하는 방식의 레이저 본딩 방식에서는, 기판과 칩의 접촉 불량을 방지하기 위해 레이저 빔을 조사하여 순간적으로 솔더 범프가 녹은 상태에서 기판 및 칩을 일정 압력이상으로 가압하는 방법이 함께 사용된다.
그런데, 이러한 레이저 본딩 시스템에 있어서는, 레이저 빔의 조사가 기판과 칩의 본딩 영역을 향해 이루어지므로, 그 부분만 급속도로 온도가 올라가게 되는데, 이 때 기판과 칩의 열팽창계수 차이로 인하여 휨 현상이 발생할 수 있으며, 이에 따라 칩과 솔더의 접합부에 접촉 불량이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 기판을 미리 결정된 온도로 승온 가능한 가열식 하부스테이지 유닛(100)으로 마련함으로써, 기판과 칩의 열팽창계수 차이로 인한 휨 현상이 발생하는 것을 방지하여 보다 정밀하고 안정적으로 대면적 기판에 칩을 본딩할 수 있게 된다.
이러한 가열식 하부스테이지 유닛(100)은, 도 4 및 도 5에 자세히 도시된 바와 같이, 스테이지 모듈(110)과, 다수의 히터 모듈(130)과, 열전대 모듈(150)과, 히터 제어모듈(미도시)과, 로드셀 모듈(170)과, 절연체(190)를 포함한다.
스테이지 모듈(110)은 기판의 하부를 지지하는 역할을 하고, 다수의 히터 모듈(130)은 스테이지 모듈(110)의 내부에 상호 이격 배치되어 마련되며, 스테이지 모듈(110)을 가열하는 역할을 한다.
다수의 히터 모듈(130)은 스테이지 모듈(110)의 크기 및 가열을 원하는 온도를 고려하여 다양한 갯수 및 다양한 위치에 마련될 수 있을 것이다.
열전대 모듈(150)은 스테이지 모듈(110)과 연결되어 스테이지 모듈(110)의 온도를 측정하는 역할을 하며, 히터 제어모듈(미도시)은 열전대 모듈(150)에서 측정된 스테이지 모듈(110)의 온도를 기초로 다수의 히터 모듈(130)을 제어하는 역할을 한다.
히터 제어모듈(미도시)은 전술한 레이저 빔 조사유닛(300)의 적외선 카메라모듈(350) 및 출력 제어모듈(미도시)과 연동됨으로써, 보다 효과적으로 기판의 온도 분포를 제어할 수 있게 된다.
로드셀 모듈(170)은 스테이지 모듈(110)의 하부에 배치되어 레이저 투과식 가압유닛(500)에 의해 기판에 가해지는 압력 분포를 측정하는 역할을 하며, 스테이지 모듈(110)과 로드셀 모듈(170)의 사이에는 절연체(190)가 배치된다.
한편, 레이저 투과식 가압유닛(500)은 레이저 빔 조사유닛(300)과 스테이지 유닛(100) 사이에 배치되며, 레이저 빔 조사유닛(300)으로부터 조사되는 레이저 빔을 기판(S)을 향해 투과시켜 솔더(SB)를 용융시키고 기판(S)과 칩(C)을 가압하여 칩(C)을 기판(S)에 본딩시키는 역할을 하는데, 본 발명의 일 실시 예에 의하면 기판(S)에 가해지는 가압 압력 분포를 조절 가능한 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이, 레이저 본딩 시스템을 적용하는 기판이 점차 크기가 커지게 되면서, 대면적 기판을 본딩하기 위해 기판 및 칩을 가압하는 가압유닛의 크기 및 무게도 점점 증가하게 되었으며, 이에 따라 가압유닛의 크기 및 무게 증가에 따라 가압유닛의 자중에 의해 가압면 자체가 평면을 유지하지 못하고 휘어지게 되므로, 가압 시 기판에 가해지는 압력 분포의 차이가 발생하게 되어 일부 영역에서 기판과 칩의 접촉 불량이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 가압 압력 분포를 조절이 가능한 레이저 투과식 가압유닛(500)을 마련하여 기판 및 칩을 가압하는 가압유닛의 가압면에 의해 기판에 가해지는 가압 압력 분포를 조절하면서 가압함으로써, 일부 영역에서 발생할 수 있는 기판과 칩의 접촉 불량을 방지하여 보다 정밀하고 안정적으로 대면적 기판에 칩을 본딩할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 레이저 투과식 가압유닛(500)이 스테이지 유닛(100)에 접근 및 이격 가능하게 마련되지만, 반대로 스테이지 유닛(100)이 레이저 투과식 가압유닛(500)을 향해 접근 및 이격 가능하게 마련될 수도 있을 것이다.
이러한 레이저 투과식 가압유닛(500)은, 가열식 하부스테이지 유닛(100)의 상부에 배치되어 기판을 향해 접근 및 이격됨으로써 기판의 상부를 직접 가압하는 가압 본체모듈(510)과, 가압 본체모듈(510)의 기판을 향한 접근 및 이격을 제어하여 기판의 가압을 구동하는 가압 구동모듈(550)을 포함한다.
먼저, 가압 본체모듈(510)은 기판의 상부를 직접 가압하되 기판을 가압하는 동안에도 기판을 향해 레이저 빔이 투과될 수 있도록 투명한 재질로 마련되는 레이저 투과식 가압부(520)와, 레이저 투과식 가압부(520)가 기판을 가압할 때 레이저 투과식 가압부(520)의 가압면에 의해 기판에 가해지는 가압 압력 분포를 조절하는 가압 압력 조절부(530)를 포함한다.
레이저 투과식 가압부(520)는 레이저 빔의 투과와, 기판 및 칩의 가압이 모두 이루어지도록, 중앙 영역에 레이저 빔의 투과가 가능한 재질의 미리 결정된 크기로 마련된다.
도 4에 자세히 도시된 바와 같이, 레이저 투과식 가압부(520)는 가압 본체모듈(510)의 중앙 영역에 직사각형의 형태로 마련되었으며, 레이저 투과식 가압부(520)의 형태 및 크기는 레이저 본딩이 이루어지는 기판의 크기에 맞게 다양한 형태 및 크기로 마련될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 도 6에 자세히 도시된 바와 같이, 레이저 투과식 가압부(520)는 투과용 상부 플레이트(521)와, 투과 및 가압용 하부 플레이트(525)를 포함한다.
투과용 상부 플레이트(521)는 가압 본체모듈(510)의 상부에 배치되는 레이저 빔 조사유닛(300) 측에 배치되는 부분으로서, 기판과 직접 접촉하지 않으며, 단지 레이저 빔 조사유닛(300)에서 조사된 레이저 빔을 투과시키는 역할을 한다.
투과 및 가압용 하부 플레이트(525)는 투과용 상부 플레이트(521)와 미리 결정된 거리만큼 이격 배치되어 가압 본체모듈(510)의 하부에 마련되며, 투과용 상부 플레이트(521)와 같이 레이저 빔 조사유닛(300)에서 조사된 레이저 빔을 투과시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 기판의 상부에 직접 접촉하여 기판 및 칩을 가압하는 역할을 한다.
종래의 레이저 투과식 가압부는 레이저를 투과할 수 있는 재질의 가압부를 하나의 층으로 형성하였으므로, 가압부의 크기 및 무게가 증가함에 따라 가압부의 자중에 의해 가압면 자체가 평면을 유지하지 못하고 휘어지게 되므로, 가압 시 기판에 가해지는 압력 분포의 차이가 발생하게 되어 일부 영역에서 기판과 칩의 접촉 불량이 발생할 수 있는 문제점이 있었다.
이러한 종래의 가압부 구조와 달리, 본 발명에 따르면, 투과 및 가압용 하부 플레이트(525)와 투과용 상부 플레이트(521)를 포함하는 두 개의 층을 가진 구조로 마련되는 것을 특징으로 하는데, 이렇게 두 개의 층을 가진 구조에서 투과 및 가압용 하부 플레이트(525)와 투과용 상부 플레이트(521)가 미리 결정된 거리만큼 이격 배치됨으로써, 그 사이에 압력분포 조절공간(523)을 형성하게 된다.
이렇게 형성된 압력분포 조절공간(523)은 밀폐가 가능한 상태이며, 후술할 가압 압력 조절부(530)에 의해, 압력분포 조절공간(523)의 압력을 조절함으로써, 결과적으로 투과 및 가압용 하부 플레이트(525)의 기판에 가해지는 압력 분포를 조절할 수 있게 된다.
여기서 투과용 상부 플레이트(521) 및 투과 및 가압용 하부 플레이트(525)는, 후술할 가압 압력 공기 주입부(531)에 의해 압력분포 조절공간(523)에 공기가 주입될 때 표면이 휘어지지 않는 경도를 가진 동일한 재질의 비탄성체로서, 레이저 빔의 투과가 가능한 투명한 재질로 형성되며, 예를 들어 유리로 마련되거나, 폴리카보네이트 등의 합성 플라스틱 재질로 마련될 수 있을 것이다.
다음으로, 가압 압력 조절부(530)는 레이저 투과식 가압부(520)의 일측에 결합되어, 레이저 투과식 가압부(520)에 의해 기판에 대하여 가해지는 가압 압력 분포를 조절하는 역할을 한다.
본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 가압 압력 조절부(530)는 투과용 상부 플레이트(521)와 투과 및 가압용 하부 플레이트(525) 사이에 형성되는 압력분포 조절공간(523)에 공기를 주입하는 가압 압력 공기 주입부(535)로 마련된다.
즉, 가압 압력 공기를 밀폐된 상태의 압력분포 조절공간(523)으로 주입함으로써, 투과 및 가압용 하부 플레이트(525)가 자중에 의해 휘어지는 현상을 보상함으로써, 전체적으로 균일한 압력 분포를 형성하면서 기판 및 칩을 가압할 수 있게 된다.
한편, 가압 구동모듈(550)은 가압 본체모듈(510)을 기판을 향해 접근 및 이격시키는 역할을 하며, 도 4 및 도 6에 자세히 도시된 바와 같이, 상하 구동부(570)와, 가이드부(590)를 포함한다.
상하 구동부(570)는 가압 본체모듈(510)의 하부와 스테이지 유닛(100)의 상부에 각각 결합되어 가압 본체모듈(510)의 상하 이동을 구동하는 역할을 하며, 가이드부(590)는 가압 본체모듈(510)의 외측면과 스테이지 유닛(100)에 각각 결합되어 가압 본체모듈(510)의 상하 이동을 가이드하는 역할을 한다.
이러한 구조를 가진 가압 구동모듈(550)을 마련함으로써, 보다 균일한 가압 분포를 형성하면서 기판 및 칩을 가압할 수 있게 된다.
한편, 수평 이송유닛(700)은 스테이지 유닛(100)을 레이저 빔 조사유닛(300)의 하부에 마련되는 작업위치를 향해 수평으로 이송시키는 역할을 한다.
이러한 구조의 수평 이송유닛(700)을 마련함으로써, 레이저 빔 조사유닛(300)의 배치에 의한 조작의 불편함이 없이 작업위치의 외부에서 스테이지 유닛(100)과 레이저 투과식 가압유닛(500) 사이에 기판을 반입하거나 반출하는 작업이 이루어질 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시 예에 따르면, 기판을 미리 결정된 온도로 승온 가능한 가열식 하부스테이지 유닛(100)과 레이저 빔의 영역별 출력 제어가 가능한 레이저 빔 조사유닛(300)을 마련하여 기판과 칩 사이의 온도 차이를 줄여주고 기판의 온도 분포를 제어함으로써, 기판과 칩의 열팽창계수 차이로 인한 휨 현상이 발생하는 것과, 이에 따라 솔더에 의한 칩과 기판의 접합부에 접촉 불량이 발생하는 것을 방지하여 보다 정밀하고 안정적으로 대면적 기판에 칩을 본딩할 수 있게 된다.
또한, 가압 압력 분포를 조절이 가능한 레이저 투과식 가압유닛(500)을 마련하여 기판 및 칩을 가압하는 가압유닛의 가압면에 의해 기판에 가해지는 가압 압력 분포를 조절하면서 가압함으로써, 일부 영역에서 발생할 수 있는 기판과 칩의 접촉 불량을 방지하여 보다 정밀하고 안정적으로 대면적 기판에 칩을 본딩할 수 있게 된다.
한편, 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 레이저 투과식 가압유닛의 단면을 개략적으로 도시한 단면이다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 레이저 본딩 시스템은, 제1 실시 예와 비교하여 가압 본체모듈(510')의 레이저 투과식 가압부(520')의 구조에서 차이가 있으므로, 이하에서는 이 부분을 중점적으로 설명한다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 투과용 상부 플레이트(521)는, 제1 실시 예에서의 투과용 상부 플레이트(521)와 동일하게, 가압 압력 공기 주입부(535)에 의해 압력분포 조절공간(523)에 공기가 주입될 때 표면이 휘어지지 않는 경도를 가진 재질로 마련되는 비탄성체로서, 레이저 빔의 투과가 가능한 투명한 재질로 형성되며, 예를 들어 유리로 마련되거나, 폴리카보네이트 등의 합성 플라스틱 재질로 마련될 수 있을 것이다.
그러나, 투과용 상부 플레이트(521)와 달리 투과 및 가압용 하부 플레이트(525')는, 가압 압력 공기 주입부(535)에 의해 압력분포 조절공간(523)에 공기가 주입될 때 표면이 휘어지는 경도를 가진 재질로 마련되는 탄성체로서, 레이저 빔의 투과가 가능한 투명한 재질로 형성되는 멤브레인 패드로 마련되는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 멤브레인 패드는 PDMS(Polydimethylsiloxane), 실리콘(Silicone) 등 같은 재질로 마련되는 탄성체로서, 가압 압력 공기 주입부(535)에 의해 압력분포 조절공간(523)에 공기가 주입될 때 기판 및 칩의 형태에 맞게 휘어지면서 전체 면적에 대하여 고르게 가압할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 제3 실시 예에 따르면, 투과 및 가압용 하부 플레이트(525)는, 기판의 전체 면적에 대한 영역별 가압 압력이 조절될 수 있도록, 가압 압력 공기 주입부(535)에 의해 압력분포 조절공간에 공기가 주입될 때 표면이 휘어지는 정도가 서로 다른 다수의 단위 멤브레인 패드가 미리 결정된 영역에 배치되는 형태로 마련될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 가열식 하부스테이지 유닛 110: 스테이지 모듈
130: 히터 모듈 150: 열전대 모듈
170: 로드셀 모듈 190: 절연체
300: 레이저 빔 조사유닛 310: 레이저 조사모듈
311: 단위 레이저 조사모듈 330: 상하 이송모듈
350: 적외선 카메라모듈 500: 레이저 투과식 가압유닛
510: 가압 본체모듈 520: 레이저 투과식 가압부
521: 투과용 상부 플레이트 523: 압력분포 조절공간
525: 투과 및 가압용 하부 플레이트 530: 가압 압력 조절부
535: 가압 압력 공기 주입부 550: 가압 구동모듈
570: 상하 구동부 590: 가이드부
700: 수평 이송유닛

Claims (13)

  1. 기판의 하부를 지지하되, 상기 기판을 미리 결정된 온도로 승온 가능한 가열식 하부스테이지 유닛;
    상기 기판의 미리 결정된 위치에 칩을 본딩시키기 위해 상기 기판 또는 상기 칩에 마련되는 솔더를 향해 레이저 빔을 조사함으로써, 상기 솔더를 가열하여 용융시키는 레이저 빔 조사유닛; 및
    상기 레이저 빔 조사유닛과 상기 가열식 하부스테이지 유닛 사이에 배치되어 상기 가열식 하부스테이지 유닛에 접근 및 이격 가능하게 마련되며, 상기 레이저 빔 조사유닛으로부터 조사되는 레이저 빔을 상기 기판을 향해 투과시켜 상기 솔더를 용융시키고 상기 기판과 상기 칩을 가압하여 상기 칩을 상기 기판에 본딩시키는 레이저 투과식 가압유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열식 하부스테이지 유닛은,
    상기 기판의 하부를 지지하는 스테이지 모듈; 및
    상기 스테이지 모듈의 내부에 상호 이격 배치되어 마련되어 상기 스테이지 모듈을 가열하는 다수의 히터 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가열식 하부스테이지 유닛은,
    상기 스테이지 모듈과 연결되어 상기 스테이지 모듈의 온도를 측정하는 열전대 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가열식 하부스테이지 유닛은,
    상기 열전대 모듈에서 측정된 상기 스테이지 모듈의 온도를 기초로 상기 다수의 히터 모듈을 제어하는 히터 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가열식 하부스테이지 유닛은,
    상기 스테이지 모듈의 하부에 배치되어 상기 레이저 투과식 가압유닛에 의해 상기 기판에 가해지는 압력 분포를 측정하는 로드셀 모듈; 및
    상기 스테이지 모듈과 상기 로드셀 모듈의 사이에 배치되는 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔 조사유닛은,
    상기 기판 및 상기 칩에 마련되는 상기 솔더를 향해 레이저를 조사하는 레이저 조사모듈;
    상기 레이저 조사모듈을 상기 가열식 하부스테이지 유닛의 상부에 배치시키되, 상기 레이저 조사모듈을 상기 기판을 향해 선택적으로 접근 및 이격시키는 상하 이송모듈; 및
    상기 레이저 조사모듈의 일측에 마련되어 상기 가열식 하부스테이지 유닛의 상부에 배치되는 상기 기판의 온도 분포를 측정하는 적외선 카메라모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 레이저 조사모듈은,
    상기 기판의 일축을 따라 나란하게 배치되어 미리 결정된 영역에 레이저를 조사하는 다수의 단위 레이저 조사모듈을 포함하며,
    상기 레이저 빔 조사유닛은,
    상기 적외선 카메라모듈에 의해 촬영된 상기 기판의 온도 분포 프로파일을 분석하여 상기 기판의 온도 분포를 조절하기 위해 각각의 상기 단위 레이저 조사모듈의 출력을 제어하는 출력 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 투과식 가압유닛은,
    상기 레이저 빔의 투과와, 상기 기판 및 상기 칩의 가압이 모두 이루어지도록, 중앙 영역에 레이저 빔의 투과가 가능한 재질의 미리 결정된 크기의 레이저 투과식 가압부와, 상기 레이저 투과식 가압부의 일측에 결합되어 상기 레이저 투과식 가압부에 의해 상기 기판에 대하여 가해지는 가압 압력 분포를 조절하는 가압 압력 조절부를 구비하는 가압 본체모듈; 및
    상기 가압 본체모듈을 상기 기판을 향해 접근 및 이격시키는 가압 구동모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 레이저 투과식 가압부는,
    상기 레이저 빔 조사유닛 측에 배치되는 투과용 상부 플레이트; 및
    상기 투과용 상부 플레이트와 미리 결정된 거리만큼 이격 배치되어 상기 기판의 상부를 접촉 가압하는 투과 및 가압용 하부 플레이트를 포함하며,
    상기 가압 압력 조절부는,
    상기 투과용 상부 플레이트와 투과 및 가압용 하부 플레이트 사이에 형성되는 압력분포 조절공간에 공기를 주입하는 가압 압력 공기 주입부인 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 투과용 상부 플레이트 및 상기 투과 및 가압용 하부 플레이트는,
    상기 가압 압력 공기 주입부에 의해 상기 압력분포 조절공간에 공기가 주입될 때 표면이 휘어지지 않는 경도를 가진 동일한 재질의 비탄성체로서, 레이저 빔의 투과가 가능한 투명한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 투과용 상부 플레이트는,
    상기 가압 압력 공기 주입부에 의해 상기 압력분포 조절공간에 공기가 주입될 때 표면이 휘어지지 않는 경도를 가진 재질로 마련되는 비탄성체로서, 레이저 빔의 투과가 가능한 투명한 재질로 형성되며,
    상기 투과 및 가압용 하부 플레이트는,
    상기 가압 압력 공기 주입부에 의해 상기 압력분포 조절공간에 공기가 주입될 때 표면이 휘어지는 경도를 가진 재질로 마련되는 탄성체로서, 레이저 빔의 투과가 가능한 투명한 재질로 형성되는 멤브레인 패드인 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 가압 구동모듈은,
    상기 가압 본체모듈의 하부와 상기 가열식 하부스테이지 유닛의 상부에 각각 결합되어 상기 가압 본체모듈의 상하 이동을 구동하는 상하 구동부; 및
    상기 가압 본체모듈의 외측면과 상기 가열식 하부스테이지 유닛에 각각 결합되어 상기 가압 본체모듈의 상하 이동을 가이드하는 가이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가열식 하부스테이지 유닛을 상기 레이저 빔 조사유닛의 하부에 마련되는 본딩위치를 향해 수평으로 이송시키는 수평 이송유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 본딩 시스템.
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