KR20240079491A

KR20240079491A - 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20240079491A
Application number: KR1020220162451A
Authority: KR
Inventors: 고윤성; 안근식
Original assignee: 주식회사 프로텍
Priority date: 2022-11-29
Filing date: 2022-11-29
Publication date: 2024-06-05
Also published as: CN118117435A; JP2024078445A; US20240178182A1

Abstract

본 발명은 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플립칩 형태의 반도체 칩을 레이저 광을 이용하여 기판에 본딩하는 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법은 휘어져 있거나 휘어질 수 있는 플립칩 형태의 반도체 칩을 솔더 범프의 접촉 불량 없이 고품질로 빠르게 기판에 본딩할 수 있는 효과가 있다.

Description

플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법{Apparatus and Method for Flip Chip Laser Bonding}

본 발명은 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플립칩 형태의 반도체 칩을 레이저 광을 이용하여 기판에 본딩하는 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법에 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.

TC 본더(Thermal Compression Bonder)의 경우, 히팅 블록으로 반도체 칩을 가열하여 본딩하는 방식이다. 이 경우 열전도에 의한 가열 방식을 사용하기 때문에 솔더를 가열하는 데에 시간이 소요되고 반도체 칩의 온도를 불필요하게 상승시켜 반도체 칩에 데미지(damage)를 입히는 문제점이 있다.

따라서, 신속하게 반도체 칩 본딩 공정을 수행하면서도 반도체 칩의 온도를 높이지 않는 방식의 플립칩 본딩 장치 또는 플립칩 본딩 방법이 필요하게 되었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 필요성을 만족시키기 위해 안출된 것으로, 휘어져 있거나 뒤틀려 있는 반도체 칩 또는 온도 상승에 의해 휘어지거나 뒤틀릴 수 있는 반도체 칩을 솔더 범프의 접촉 불량을 방지하면서 고품질로 빠르게 플립칩 형태의 반도체 칩을 기판에 본딩할 수 있는 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 필요성을 만족시키기 위하여 본 발명의 플립칩 레이저 본딩 장치는, 레이저를 이용하여 플립칩 형태의 반도체 칩을 기판에 본딩하는 플립칩 레이저 본딩 장치에 있어서, 상기 기판의 하면을 흡착하여 고정하고 지지하는 기판 지지 부재; 상기 반도체 칩의 상면을 고정하여 지지하는 칩 지지 부재; 상기 기판에 대해 상기 반도체 칩의 위치를 정렬하도록 상기 기판 지지 부재에 대해 상기 칩 지지 부재를 이송하는 칩 이송 유닛; 및 상기 기판 지지 부재에 지지되는 상기 기판의 하면으로 레이저 광을 조사하여 상기 반도체 칩을 상기 기판에 대해 본딩하는 레이저 헤드;를 포함하는 점에 특징이 있다.

또한, 본 발명에 플립칩 레이저 본딩 방법은, 레이저를 이용하여 플립칩 형태의 반도체 칩을 기판에 본딩하는 플립칩 레이저 본딩 방법에 있어서, (a) 기판 지지 부재에 의해 상기 기판의 하면을 흡착하여 고정하고 지지하는 단계; (b) 칩 지지 부재에 의해 상기 반도체 칩의 상면을 고정하여 지지하는 단계; (c) 칩 이송 유닛에 의해 상기 기판에 대해 상기 반도체 칩의 위치를 정렬하도록 상기 기판 지지 부재에 대해 상기 칩 지지 부재를 이송하고, 상기 반도체 칩을 상기 기판에 접촉시키는 단계; 및 (d) 레이저 헤드에 의해 상기 기판 지지 부재에 지지되는 상기 기판의 하면으로 레이저 광을 조사하여 상기 반도체 칩을 상기 기판에 대해 본딩하는 단계;를 포함하는 점에 특징이 있다.

본 발명에 의한 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법은 휘어져 있거나 휘어질 수 있는 플립칩 형태의 반도체 칩을 솔더 범프의 접촉 불량 없이 고품질로 빠르게 기판에 본딩할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플립칩 레이저 본딩 장치의 개략도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 플립칩 레이저 본딩 장치의 작동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 레이저 본딩 방법을 실시하는 순서도이다.

이하, 본 발명에 따른 플립칩 레이저 본딩 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 플립칩 레이저 본딩 장치에 의해 기판에 본딩되는 반도체 칩은 개별 소자뿐만 아니라 기판에 본딩되는 다양한 형태의 플립칩 형태 반도체 부품을 모두 포함하는 개념이다. 개별 소자가 패키징된 상태의 부품이나 멀티 칩 모듈(MCM; Multi Chip Module) 형태의 부품 역시 본 발명에 따른 플립칩 레이저 본딩 장치에 의해 기판에 본딩되는 반도체 칩에 해당할 수 있다. 이와 같은 반도체 칩과 기판은 각각에 형성된 전극을 솔더 볼이나 구리 필러(copper pillar)와 같은 솔더 범프(solder bump)에 의해 전기적으로 연결함으로써 서로 본딩된다. 기판과 반도체 칩 중 어느 한쪽에 솔더 볼 또는 구리 필러가 본딩된 상태로 공급되고 미리 도포된 플럭스와 솔더 범프를 가열하는 방법으로 솔더 볼 또는 구리 필러를 다른 한쪽에 본딩한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플립칩 레이저 본딩 장치의 개략도이다.

상술한 바와 같이 기판(10)과 반도체 칩(20)을 연결하는 요소로 솔더 볼이나 구리 필러와 같은 솔더 범프(21)가 사용된다. 본 실시예에서는 구리 필러를 솔더 범프(21)로 사용하는 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 구리 필러(21)는 반도체 칩(20)에 미리 본딩된 상태일 수도 있고 기판(10)에 미리 본딩된 상태일 수도 있으나, 본 실시예에서는 반도체 칩(20)의 하면에 구리 필러(21)가 미리 본딩되고 기판(10)에는 플럭스가 도포된 상태로 공급 받아 반도체 칩(20)을 기판(10)에 본딩하는 경우를 예로 들어 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 플립칩 레이저 본딩 장치는 기판 지지 부재(100)와 칩 지지 부재(200)와 칩 이송 유닛(300)과 레이저 헤드(400)를 포함하여 이루어진다.

기판 지지 부재(100)는 기판(10)의 하면을 흡착하여 고정하고 지지한다. 지판 지지 부재는 투명 재질로 형성된 투과부(110)를 구비한다. 투과부(110)는 기판(10)의 적어도 일부분의 영역과 대응하는 위치를 차지하도록 형성되어 기판(10)의 하면과 접촉하도록 배치된다. 투과부(110)는 쿼츠(quartz) 재질로 형성될 수도 있고 다공성 수지 형태로 형성될 수도 있다. 레이저 헤드(400)에서 발생한 레이저 광은 이와 같은 투과부(110)를 통해 기판(10)의 하면에 조사된다.

기판 지지 부재(100)는 진공 흡착 방식에 의해 기판(10)의 하면을 흡착하여 고정한다. 진공 부압을 전달할 수 있는 구멍을 투과부(110)에 형성하거나 투과부(110)와 인접한 주위에 배치하여 기판(10)의 하면을 흡착하게 된다. 별도의 기판(10) 이송 유닛을 마련하여 기판(10)을 기판 지지 부재(100)에 공급하고, 반도체 칩(20)이 본딩된 상태의 기판(10)을 외부로 배출하도록 할 수 있다.

칩 지지 부재(200)는 기판(10)에 본딩할 반도체 칩(20)의 상면을 고정하고 지지한다. 본 실시예의 경우 칩 지지 부재(200)는 기판 지지 부재(100)와 마찬가지로 흡착 방법에 의해 반도체 칩(20)의 상면을 흡착하여 고정한다. 필요에 따라 칩 지지 부재(200)는 흡착 방법이 아니라 다른 다양한 방법에 의해 반도체 칩(20)을 클램핑하고 지지할 수 있다.

칩 이송 유닛(300)은 기판(10)에 대한 반도체 칩(20)의 위치를 정렬할 수 있도록 기판 지지 부재(100)에 대해 칩 지지 부재(200)를 이송한다. 칩 이송 유닛(300)은 칩 지지 부재(200)를 전후 좌우로 수평 이송하고 상하로 승강한다. 또한, 칩 이송 유닛(300)은 상하 방향 수직 축에 대해 칩 지지 부재(200)를 소정 각도 범위 내에서 회전시킬 수 있도록 구성된다. 이와 같은 구조에 의해 칩 이송 유닛(300)은 칩 지지 부재(200)에 흡착된 반도체 칩(20)의 위치와 방향을 조정하여 기판 지지 부재(100)에 지지된 상태의 기판(10)에 대해 정렬하게 된다.

레이저 헤드(400)는 기판 지지 부재(100)에 지지된 상태의 기판(10)의 하면으로 레이저 광을 조사한다. 레이저 헤드(400)에서 조사된 레이저 광은 투과부(110)를 거쳐서 기판(10)의 하면에 조사된다. 기판(10)에 조사된 레이저 광은 기판(10)과 반도체 칩(20)의 전극을 연결하는 솔더 범프(21)(솔더 볼 또는 구리 필러(copper pillar))와 그 주위에 도포된 솔더를 가열하여 반도체 칩(20)을 기판(10)에 본딩한다. 본 실시예의 경우, 레이저 헤드(400)는 기판 지지 부재(100)의 하측에 배치되어, 상측을 항해 레이저 광을 조사한다. 경우에 따라서는 레이저 헤드(400)가 기판 지지 부재(100)의 직하방이 아닌 측방향이나 다른 방향에 배치될 수도 있다. 이 경우 렌즈와 프리즘과 같은 광학계를 사용하여 레이저 광이 기판 지지 부재(100)의 투과부(110)를 통해 기판(10)의 하면에 조사되도록 레이저 헤드를 구성할 수도 있다. 이와 같이 레이저 광을 발생시키는 레이저 헤드(400)는 공지된 다양한 형태의 광원이 사용될 수 있다. 레이저 광을 발생시키는 광원으로서 빅셀 소자로 구성된 레이저 헤드(400)를 사용하는 것도 가능하다.

한편, 본 실시예에 따른 플립칩 레이저 본딩 장치는 반도체 칩(20)과 기판(10)의 상대 위치와 방향을 정확하게 정렬하기 위하여 기판 카메라(510)와 칩 카메라(520)를 이용하여 각각 기판(10)과 반도체 칩(20)을 촬영한다. 기판 카메라(510)는 기판 지지 부재(100)에 거치된 기판(10)의 상면을 촬영한다. 칩 카메라(520)는 칩 지지 부재(200)에 지지된 반도체 칩(20)의 하면을 촬영한다. 기판 카메라(510)와 칩 카메라(520)는 고정되어 설치될 수도 있고, 기판 카메라(510) 또는 칩 카메라(520)는 이송하는 별도의 이송 유닛에 설치되어 움직이면서 대상을 촬영할 수 있다. 본 실시예의 경우 기판 카메라(510)는 칩 이송 유닛(300)에 설치되어, 기판(10)에 대해 움직이면서 기판(10)의 위치와 방향을 촬영한다. 또한, 기판 카메라(510)는 기판 지지 부재(100)의 측방향에 고정된 상태로 설치된다. 기판 카메라(510)는 칩 이송 유닛(300)에 의해 움직이는 반도체 칩(20)을 하측에서 촬영하여 칩의 위치와 방향을 촬영한다.

기판 카메라(510)와 칩 카메라(520)에서 촬영된 영상은 제어부(600)로 전달된다. 제어부(600)는 기판 카메라(510)와 칩 카메라(520)에서 촬영된 이미지를 이용하여 기판(10)과 반도체 칩(20)의 정확한 상대적 위치를 파악한다. 제어부(600)는 기판 지지 부재(100)와 칩 지지 부재(200)와 칩 이송 유닛(300)과 레이저 헤드(400)의 작동을 제어한다. 제어부(600)는 기판(10)과 반도체 칩(20)의 위치와 방향을 바탕으로 칩 이송 유닛(300)을 작동시켜 기판(10)에 대해 반도체 칩(20)의 위치와 방향을 정렬한다. 대량 생산한 반도체 칩(20)이나 기판(10)의 경우에도 미세하게 위치와 방향이 다를 수 있는데, 본 발명의 경우 이와 같이 각각의 기판(10)과 반도체 칩(20)의 위치와 방향을 매번 파악하여 정렬 후 본딩하므로 품질을 향상시킬 수 있다.

한편, 칩 지지 부재(200)는 틸팅 유닛(210)을 포함한다. 칩 이송 유닛(300)에 의해 칩 지지 부재(200)를 하강시켜 반도체 칩(20)에 접촉하고 반도체 칩(20)을 클램핑할 때, 도 2에 도시한 것과 같이 틸팅 유닛(210)은 반도체 칩(20)의 상면 경사에 맞추어 기울어지면서 반도체 칩(20)에 접촉하기 시작한다. 틸팅 유닛(210)이 반도체 칩(20)의 상면에 완전히 접촉하면, 칩 지지 부재(200)는 반도체 칩(20)을 흡착 지지하도록 작동한다.

본 실시예의 틸팅 유닛(210)은 고정부(211)와 접촉부(212)를 구비한다. 고정부(211)는 칩 지지 부재(200)의 몸체에 고정되고, 접촉부(212)는 고정부(211)에 대해 기울어지는 회전 운동이 가능하도록 설치된다. 고정부(211)와 접촉부(212)의 서로 마주하는 면은 곡면으로 형성되어, 서로가 상대적인 기울어짐을 허용하도록 구성된다. 본 실시예의 경우 고정부(211)는 볼록한 반구 형태로 형성되고, 이와 마주하는 접촉부(212)의 면은 오목한 반구 형태로 형성된다. 그에 따라 접촉부(212)는 고정부(211)에 대해 접촉면의 곡면을 따라 소정 각도 범위 내에서 기울어지는 것이 가능하다. 접촉부(212)가 반도체 칩(20)의 상면 경사에 맞추어 고정부(211)에 대해 기울어지면, 틸팅 유닛(210)은 진공 흡착 방식에 의해 고정부(211)에 대한 접촉부(212)의 경사 각도를 유지한다. 이와 같은 틸팅 유닛(210)은 일반적으로 “에어 자이로” 또는 “모방 장치(Copying Apparatus)”라고 불리는 기계 부품이 사용된다. 이와 같은 틸팅 유닛(210)의 접촉부(212)는 반도체 칩(20)의 상면에 접촉하여 반도체 칩(20)의 상면을 흡착 고정하고, 칩 이송 유닛(300)에 의해 반도체 칩(20)을 가압하거나 반도체 칩(20)의 높이를 조절할 때에도 틸팅 유닛(210)은 반도체 칩(20)의 상면 경사를 유지한다.

멀티 칩 모듈과 같은 형태의 반도체 칩(20)의 경우 복수의 칩으로 조합되어 패키징되어 있기 때문에 반도체 칩(20)의 상면이 수평하지 않은 경우가 있을 수 있다. 또한, 멀티 칩 모듈과 같은 반도체 칩(20)의 내부 구성이 균일하지 않은 경우 온도 변화에 따른 열팽창의 차이가 발생하여 반도체 칩(20)의 상면이 완벽한 육면체가 아닌 경우가 많다. 즉, 본딩 과정에서 반도체 칩(20)이 가열되는 경우 반도체 칩(20)의 상면이 미세하게 기울어진 형태가 될 수도 있다. 본 실시예에 따른 플립칩 레이저 본딩 장치의 경우 반도체 칩(20)의 상면 경사에 대응하는 각도로 틸팅 유닛(210)이 접촉하여 그 경사 각도를 유지한 상태로 반도체 칩(20)의 위치와 방향 높이를 조정하고 균일하게 가압하기 때문에, 반도체 칩(20)의 위치가 일정하게 유지되고 반도체 칩(20)의 가압력도 비교적 균일하게 전달될 수 있는 장점이 있다. 즉, 반도체 칩(20)의 상면과 칩 지지 부재(200)의 접촉면이 서로 평행하지 않을 경우 반도체 칩(20)을 가압할 때 반도체 칩(20)이 측방향으로 움직일 수도 있으나, 상술한 바와 같은 틸팅 유닛(210)을 사용하여 가압하는 경우에는 반도체 칩(20)의 위치를 유지하는 것이 가능하다.

이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 플립칩 레이저 본딩 장치를 이용하여 본 발명에 따른 플립칩 레이저 본딩 방법의 일례를 실시하는 과정을 도 2 내지 도 5를 참고하여 설명한다. 도 2 내지 도 4는 설명을 위하여 반도체 칩(20)의 상면이 기울어져 있는 상태를 실제보다 과장하여 도시한 것이다.

개별 소자가 패키징된 상태의 부품이나 멀티 칩 모듈(MCM; Multi Chip Module) 형태의 부품과 같은 반도체 칩(20)의 경우 미세하게 반도체 칩(20)이 상면이 기울어지는 경우가 종종 발생한다. 또한, 반도체 칩(20)의 내부 재료가 균일하지 않기 때문에 열팽창 계수의 차이에 의하여 온도에 따라 반도체 칩(20)의 형상 변화가 일어나면 반도체 칩(20)의 상면이 기울어져 있는 경우가 발생한다. 본 실시예의 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법은 이와 같은 반도체 칩(20)의 상면 경사까지 고려하여 반도체 칩(20)의 위치와 방향을 정렬함으로써, 플립칩 본딩 공정의 품질을 비약적으로 향상시킬 수 있다.

통상, 기판(10)과 반도체 칩(20)은 플럭스가 도포되어 임시 적층된 상태로 공급된다. 이와 같은 상태에서, 기판 지지 부재(100)는 외부로부터 공급 받은 기판(10)의 하면을 흡착하여 고정하고 지지한다((a) 단계; S100). 이때, 기판(10) 위에는 반도체 칩(20)이 배치된 상태이다.

이와 같은 상태에서 칩 지지 부재(200)는 기판(10) 위에 배치된 반도체 칩(20)의 상면을 흡착하여 고정하고 지지한다((b) 단계; S200). 이때, 도 2에 도시한 것과 같이 틸팅 유닛(210)의 작동에 의해 틸팅 유닛(210)의 접촉부(212)가 고정부(211)에 대해 기울어지면서 반도체 칩(20)의 상면 경사에 맞추어 기울어지면서 칩 지지 부재(200)가 반도체 칩(20)을 흡착하게 된다.

이와 같은 상태에서 도 3에 도시한 것과 같이 칩 이송 유닛(300)은 칩 지지 부재(200)을 상승시켜서 기판(10) 위의 반도체 칩(20)을 들어 올린다. 틸팅 유닛(210)에 의해 반도체 칩(20)의 상면 경사가 유지된 상태로 반도체 칩(20)은 들어 올려지게 된다.

칩 이송 유닛(300)이 기판 카메라(510)를 전후 좌우로 이송하면 기판 카메라(510)는 칩 지지 부재(200)와 함께 움직이면서, 기판 지지 부재(100)에 거치된 기판(10)의 상면을 촬영한다((e) 단계: S300). 기판 카메라(510)에서 촬영된 영상은 제어부(600)로 전달된다.

다음으로, 칩 이송 유닛(300)이 칩 지지 부재(200)를 전후 좌우로 이송하면, 칩 카메라(520)는 칩 지지 부재(200)에 지지된 반도체 칩(20)의 하면을 촬영한다((f) 단계; S400). 칩 카메라(520)에서 촬영된 영상은 제어부(600)로 전달된다. 상술한 바와 같이 틸팅 유닛(210)에 의해 반도체 칩(20)의 상면 경사가 유지된 상태로 칩 카메라(520)는 반도체 칩(20)의 하면을 촬영하기 때문에, 실제 기판(10)에 접촉할 때의 경사 각도로 반도체 칩(20)을 촬영하게 된다. 따라서, 칩 카메라(520)은 더욱 정확하게 반도체 칩(20)의 위치를 촬영할 수 있다.

제어부(600)는 기판 카메라(510)와 칩 카메라(520)에서 촬영된 이미지를 분석하여 기판(10)과 칩의 상대적 위치와 방향의 차이를 계산한다.

제어부(600)는 이와 같은 계산 결과를 이용하여 칩 이송 유닛(300)을 작동시킨다. 칩 이송 유닛(300)은 기판 지지 부재(100)에 대해 칩 지지 부재(200)를 이송하여 기판(10)에 대한 반도체 칩(20)의 위치와 방향을 정렬한다. 상술한 바와 같이 칩 이송 유닛(300)은 반도체 칩(20)을 수직 회전축에 대해 회전시키는 기능을 가지고 있으므로, 칩 이송 유닛(300)은 반도체 칩(20)의 위치뿐만 아니라 방향까지 정렬하여 기판(10)에 대한 정렬을 완료한다.

이와 같은 상태에서 칩 이송 유닛(300)은 칩 지지 부재(200)를 하강시킨다((c) 단계; S500). 도 4에 도시한 것과 같이 반도체 칩(20)은 하강하여 구리 필러(21)가 기판(10)의 전극에 접촉하게 된다. 이때도, 상술한 바와 같이 틸팅 유닛(210)은 반도체 칩(20)의 상면 경사를 유지한 상태로 반도체 칩(20)을 흡착하고 있고, 칩 이송 유닛(300)은 칩 지지 부재(200)를 하강시켜 반도체 칩(20)을 기판(10)에 대해 가압하게 된다. 칩 이송 유닛(300)은 칩 지지 부재(200)를 하강시켜 가압할 때 그 가압력을 센싱하고 조절할 수 있도록 구성된다.

이와 같이 (c) 단계에 의해 반도체 칩(20)이 기판(10)에 접촉한 상태에서, 제어부(600)는 레이저 헤드(400)를 작동시켜 기판(10)의 하면으로 레이저 광을 조사하여 반도체 칩(20)을 기판(10)에 대해 본딩한다((d) 단계; S600).

상술한 바와 같이 기판 지지 부재(100)는 투명 재질로 형성된 투과부(110)를 구비하므로, 레이저 헤드(400)에서 발생한 레이저 광은 투과부(110)를 투과하여 기판(10)의 하면에 효과적으로 에너지를 전달한다.

종래의 TC 본더(Thermal Compression Bonder)의 경우 전도에 의한 열전달 방식을 사용하기 때문에 솔더 범프를 가열하는 데에 시간이 소요되고, 그러한 과정에서 불필요하게 반도체 칩(20)의 온도를 상승시켜 반도체 칩(20)에 데미지(damage)를 입히는 문제점이 있다. 이와 같은 TC 본더와 달리 본 발명에 따른 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법은 레이저 광을 이용하여 순간적으로 솔더 범프를 용융시켜 본딩한다. 따라서 본 발명은 레이저에 의한 본딩 과정에서 반도체 칩(20) 자체의 온도를 크게 상승시키지 않는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 본딩이 완료된 즉시 레이저 광을 차단함으로써 반도체 칩(20)의 온도 상승을 방지하고 빠르게 냉각할 수 있는 장점이 있다. 그에 따라 본 발명은 반도체 칩(20) 본딩 공정의 품질을 향상시키고 동시에 작업 속도도 매우 빠르게 하는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 따른 플립칩 레이저 본딩 장치는 상술한 바와 같이 (d) 단계를 통해 레이저 광을 조사하는 동안 칩 이송 유닛(300)을 이용하여 반도체 칩(20)에 대한 가압력과 반도체 칩(20)의 높이를 조절한다. 레이저 헤드(400)가 레이저 광을 이용하여 본딩을 수행하는 동안에 TC 본더 정도의 수준은 아니지만 어느 정도 기판(10)과 반도체 칩(20)의 온도가 상승할 수 있다. 이때, 소재들의 열팽창 계수의 차이로 인해 기판(10) 또는 반도체 칩(20)에 뒤틀림(warpage) 변형이 발생할 수 있다. 이때, 칩 이송 유닛(300)은 적절한 가압력으로 반도체 칩(20)을 가압하는 힘을 유지함으로써, 반도체 칩(20)과 기판(10)의 변형에 의한 본딩 불량을 방지할 수 있다. 기판 지지 부재(100)와 칩 지지 부재(200)가 각각 기판(10)과 반도체 칩(20)을 흡착하여 진공 압력을 넓은 면에 유지함으로써 기판(10)과 반도체 칩(20)의 뒤틀림 변형을 방지하는 역할을 추가로 수행한다. 한편, 상술한 바 있는 틸팅 부재도 반도체 칩(20)의 상면 경사에 대응하는 경사로 기울어져서 그 경사 각도를 유지한 채로 반도체 칩(20)의 상면을 전체적으로 가압함으로써, 반도체 칩(20)의 뒤틀림 변형을 방지하는 역할을 한다.

한편, 반도체 칩(20)과 기판(10)의 사이에 배치되는 구리 필러들(21)의 특성에 따라서 제어부(600)는 칩 이송 유닛(300)에 의해 반도체 칩(20)의 높이를 다양하게 제어할 수 있다.

첫째, 제어부(600)는 레이저 헤드(400)를 발광시킨 상태에서 반도체 칩(20)에 대한 가압력을 일정하게 유지하도록 칩 이송 유닛(300)을 작동시킬 수 있다. 레이저 광에 의해 솔더 범프(21)가 용융되면서 반도체 칩(20)이 미세하게 하강할 수 있는데, 제어부(600)는 이와 같은 반도체 칩(20)의 하강을 고려하여 계속하여 칩 지지 부재(200)를 하강시키면서 반도체 칩(20)에 대한 가압력을 유지하게 할 수 있다. 이와 같은 방식에 의해 반도체 칩(20) 또는 기판(10)의 뒤틀림 변형을 방지하면서 정확하게 반도체 칩(20)이 본딩되도록 하는 것이 가능하다.

둘째, 제어부(600)는 레이저 헤드(400)를 발광시킨 상태에서 반도체 칩(20)의 높이를 일정하게 유지하도록 칩 이송 유닛(300)을 작동시킬 수 있다. 솔더나 구리 필러(21)의 특성에 따라 지나친 가압력으로 인해 기판(10)에 대한 반도체 칩(20)의 위치가 변하는 경우가 발생할 수도 있다. 이와 같은 경우를 대비해, 레이저 광이 조사되기 시작하면 반도체 칩(20)을 더 이상 하강시키지 않고 처음 높이로 유지한 상태에서 기판(10) 위의 솔더가 용융되도록 할 수도 있다. 특히, 앞에서 설명하고 도시한 경우에 달리 구리 필러(21) 대신에 도전성 볼(솔더 볼)을 사용하여 기판(10)에 반도체 칩(20)을 본딩하는 경우 반도체 칩(20)의 높이를 일정하게 유지하는 것이 더 높은 본딩 품질을 달성하는 방법일 수 있다. 용융된 솔더는 모세관 현상과 표면 장력에 의해 구리 필러 또는 솔더 볼을 기판(10)과 반도체 칩(20)의 전극의 위치에 유지한 상태에서 본딩되면서 고품질로 빠르게 본딩할 수 있다.

셋째, 제어부(600)는 레이저 헤드(400)를 발광시킨 상태에서 반도체 칩(20)의 높이를 소정 높이까지 미세하게 하강시킨 후에 그 높이로 일정하게 유지하도록 칩 이송 유닛(300)을 작동시킬 수도 있다. 기판(10), 반도체 칩(20), 솔더, 구리 필러(21) 또는 솔더 볼의 특성에 따라 레이저 헤드(400)에 의해 조사되는 레이저 광의 온도나 조사 시간에 따라 반도체 칩(20)의 높이를 적절히 변경하거나 유지하면서 최적의 품질을 달성할 수 있도록 제어부(600)는 칩 이송 유닛(300)의 승강 운동을 제거하게 된다. 즉, 미리 설정된 적절한 프로파일에 따라 칩 지지 부재(200)의 높이를 변경하거나 유지하도록 제어부(600)는 칩 이송 유닛(300)을 제어할 수 있다.

상술한 바와 같은 다양한 방식으로 플립칩 형태의 반도체 칩(20)을 레이저 본딩함으로써 전극의 직접도가 매우 높고 솔더 볼이나 구리 필러(21)의 크기가 매우 작은 경우에도 불량의 발생을 방지하면서 고품질로 빠르게 플립칩 형태의 반도체 칩(20)을 본딩하는 것이 가능하다.

특히, 본 발명의 플립칩 레이저 본딩 장치는 레이저 광을 반도체 칩(20)의 상면에 조사하는 것이 아니라 투과부(110)를 통해 기판(10)의 하면에 조사하기 때문에 반도체 칩(20)의 파손이나 열변형을 최소화하면서 고품질로 반도체 칩(20)을 본딩하는 것이 가능하다. 최근에는 멀티 칩 모듈과 같이 반도체 칩(20)이 고도하게 집적되고 서로 다른 종류의 반도체 소자를 하나의 패키지에 조합하여 반도체 칩(20)을 구성하는 경우가 많기 때문에, 반도체 칩(20)의 상면에 레이저 광을 조사하는 경우 반도체 칩(20)을 투과하는 레이저 광의 강도가 위치에 따라 균일하지 않게 된다. 따라서, 이러한 경우에는 레이저 본딩 공정의 품질을 높이기 어렵다. 그런데, 본 발명과 같이 기판(10)의 하면을 통해 레이저 광을 조사하는 경우, 반도체 칩(20)에 비해 상대적으로 균일한 두께와 재질로 구성된 기판(10)은 레이저 광을 균일하게 투과시켜 솔더의 효과적인 용융을 구현할 수 있게 된다. 또한 이와 같은 경우에는 비교적 얇은 기판(10)의 두께로 인해 상대적으로 낮은 에너지 수준의 레이저 광만으로서 본딩 공정을 수행할 수 있다. 또한, 이 경우 반도체 칩(20)에 전달되는 레이저 광의 에너지 수준이 다른 경우에 비해 비약적으로 낮으므로, 본딩 작업 중에 반도체 칩(20)이 손상되거나 파손되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법은 레이저 광을 에너지 원으로 사용하기 때문에 빠른 시간에 솔더 볼 또는 솔더를 가열할 수 있고, 레이저 광원을 차단하는 것만으로 빠르게 상온으로 냉각이 이루어진다. 따라서, 종래서 TC 본더 등에서 히팅 블록을 사용하여 반도체 칩(20)을 가열하는 것에 비해 비약적으로 빠른 속도로 반도체 칩(20)을 기판(10)에 본딩할 수 있는 장점이 있다. 동시에 반도체 칩(20)이 상온보다 높은 온도에 노출되는 시간을 최소화할 수 있으므로 반도체 칩(20)의 파손이나 손상의 가능성을 최소화하면서 반도체 칩(20)을 본딩할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법은 반도체 칩(20)의 상면이 경사져 있는 경우를 고려하여, 틸팅 유닛(210)에 의해 반도체 칩(20)이 기판(10)에 접촉한 상태의 경사 각도를 유지한 상태로 반도체 칩(20)이 촬영되도록 하고 반도체 칩(20)의 위치와 방향을 정렬하며 반도체 칩(20)을 기판(10)에 대해 가압하기 때문에 더욱 정확한 플립칩 본딩 공정을 수행할 수 있다.

이상, 본 발명에 대해 바람직한 예를 들어 설명하고 도시하였으나, 본 발명의 범위가 앞에서 설명하고 도시한 형태로 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 앞에서 칩 지지 부재(200)는 틸팅 유닛(210)을 포함하여 구성되는 것으로 설명하였으나, 경우에 따라서는 틸팅 유닛(210)을 포함하지 않는 플립칩 레이저 본딩 장치를 구성하는 것도 가능하다. 이 경우 칩 지지 부재는 반도체 칩(20)의 상면에 따라 기울어지지 않고 수평하게 형성된 접촉면으로 반도체 칩(20)을 흡착하고 가압하게 된다. 또한, 칩 지지 부재(200)가 틸팅 유닛(210)을 구비하는 경우에도, 칩 지지 부재(200)가 앞에서 설명하고 도시한 형태 이외에 다른 다양한 구조와 형태로 구성된 틸닝 유닛을 사용하는 것이 가능하다.

또한, 앞에서 구리 필러(21)가 반도체 칩(20)의 하면에 미리 본딩된 상태로 공급 받아 이를 기판(10)에 본딩하는 방식을 예로 들어 설명하였으나, 반대로 기판에 솔더 범프들이 미리 본딩된 상태로 공급 받아 그와 같은 기판(10)에 반도체 칩(20)을 본딩하는 경우에도 본 발명의 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 구리 필러(21) 뿐만 아니라 도전성 볼(솔더 볼) 또는 이와 유사한 구조물을 솔더 범프로 사용하여 반도체 칩(20)과 기판(10)의 전극을 솔더로 연결하는 본딩 공정에 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.

또한, 앞에서 기판 카메라(510)와 칩 카메라(520)를 구비하는 구조의 플립칩 레이저 본딩 장치를 예로 들어 설명하였으나, 이와 같은 기판 카메라(510) 또는 칩 카메라(520)를 구비하지 않는 구조의 플립칩 레이저 본딩 장치를 구성하는 것도 가능하다. 이 경우 카메라나 다른 장치를 사용하여 미리 기판(10)과 반도체 칩(20)의 위치를 측정하고 그 측정 값을 제어부)가 입력 받아 기판(10)과 반도체 칩(20)을 정렬하도록 칩 이송 유닛(300)을 작동시킬 수 있다. 또한, 기판 카메라(510)와 칩 카메라(520)를 구비하는 플립칩 레이저 본딩 장치의 경우에도 기판 카메라 및 칩 카메라의 설치 구조 및 이송 구조를 필요에 따라 다양하게 변형한 플립칩 레이저 본딩 장치를 구성하는 것이 가능하다.

또한, 앞에서 기판(10)에 하나의 반도체 칩(20)을 본딩하는 경우를 예로 들어 설명하고 도시하였으나 이는 설명의 편의를 위하여 도시한 것이다. 대부분의 경우 하나의 기판(10)에 복수의 반도체 칩(20)을 본딩하는 방식으로 본 발명에 따른 플립칩 레이저 본딩 장치와 플립칩 레이저 본딩 방법을 실시하게 된다. 이 경우, 하나의 기판(10)에 복수의 반도체 칩(20)을 하나씩 순차적으로 본 발명의 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법을 실시할 수 있다. 또한 경우에 따라서는 칩 지지 부재로 한번에 두 개 이상의 반도체 칩(20)을 흡착하여 기판(10)에 대한 위치를 정렬한 후 기판(10)에 대해 본딩하도록 본 발명의 플립칩 레이저 본딩 장치 및 방법을 구성하는 것도 가능하다.

또한, 앞에서 기판 지지 부재(100)는 투명 재질로 형성된 투과부(110)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 경우에 따라 투과부(110)를 구비하지 않고 반투명 재질로 기판(10)의 하면을 지지하도록 기판 지지 부재를 구성하는 것도 가능하다. 이 경우에도 레이저 광의 일부분이 기판(10)의 하면을 투과하여 솔더를 가열하면서 본딩을 가능하게 할 수 있다.

10: 기판 20: 반도체 칩
21: 솔더 범프 100: 기판 지지 부재
110: 투과부 200: 칩 지지 부재
210: 틸팅 유닛 211: 고정부
212: 접촉부 300: 칩 이송 유닛
400: 레이저 헤드 510: 기판 카메라
520: 칩 카메라 600: 제어부

Claims

레이저를 이용하여 플립칩 형태의 반도체 칩을 기판에 본딩하는 플립칩 레이저 본딩 장치에 있어서,
상기 기판의 하면을 흡착하여 고정하고 지지하는 기판 지지 부재;
상기 반도체 칩의 상면을 고정하여 지지하는 칩 지지 부재;
상기 기판에 대해 상기 반도체 칩의 위치를 정렬하도록 상기 기판 지지 부재에 대해 상기 칩 지지 부재를 이송하는 칩 이송 유닛; 및
상기 기판 지지 부재에 지지되는 상기 기판의 하면으로 레이저 광을 조사하여 상기 반도체 칩을 상기 기판에 대해 본딩하는 레이저 헤드;를 포함하는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제1항에 있어서,
상기 기판 지지 부재는, 상기 레이저 헤드에서 조사된 레이저 광을 상기 기판에 전달할 수 있도록 투명 재질로 형성된 투과부를 포함하는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제2항에 있어서,
상기 기판 지지 부재의 투과부는 쿼츠로 형성되는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제2항에 있어서,
상기 기판 지지 부재의 투과부는 다공성 수지로 형성되는 플립칩 레이저 본딩 장치
제1항에 있어서,
상기 칩 지지 부재는, 상기 반도체 칩의 상면을 흡착하여 상기 반도체 칩을 고정하고 지지하는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제5항에 있어서,
상기 칩 지지 부재는, 상기 반도체 칩의 상면에 접촉하여 상기 반도체 칩의 상면 경사에 맞추어 기울어지면서 상기 반도체 칩을 흡착 지지하는 틸팅 유닛을 포함하는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제6항에 있어서,
상기 칩 지지 부재는, 상기 틸팅 유닛에 의해 상기 반도체 칩의 상면 경사에 맞추어 기울어진 각도를 유지한 상태로 상기 반도체 칩을 지지하고,
상기 칩 이송 유닛은, 상기 칩 지지 부재에 의해 상기 반도체 칩의 기울어진 각도를 유지한 상태로 상기 칩 지지 부재를 이송하는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제7항에 있어서,
상기 칩 지지 부재의 틸팅 유닛은, 상기 반도체 칩의 상면에 접촉하여 지지하는 접촉부와 상기 접촉부를 틸팅 가능하게 지지하는 고정부를 포함하고, 상기 고정부와 접촉부는 서로 마주하는 면이 곡면으로 형성되어 상대적인 기울어짐이 가능하도록 형성되며, 공압에 의해 상기 고정부에 대한 상기 접촉부의 각도를 유지하는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제1항에 있어서,
상기 반도체 칩은 솔더 볼과 구리 필러 중의 어느 하나를 솔더 범프로 사용하여 상기 기판에 본딩되는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판 지지 부재와 칩 지지 부재와 칩 이송 유닛과 레이저 헤드의 작동을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제10항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 칩 이송 유닛을 제어하여 상기 칩 지지 부재의 높이를 조절하는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제11항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 레이저 헤드에 의해 레이저를 조사한 상태에서 상기 칩 이송 유닛에 의해 상기 칩 지지 부재를 하강시키는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제11항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 레이저 헤드에 의해 레이저를 조사한 상태에서 상기 칩 이송 유닛에 의해 상기 칩 지지 부재의 높이를 유지하는 플립칩 레이저 본딩 장치.
제11항에 있어서,
상기 기판 지지 부재에 거치된 상기 기판의 상면을 촬영하는 기판 카메라; 및
상기 칩 지지 부재에 지지된 상기 반도체 칩의 하면을 촬영하는 칩 카메라;를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 기판 카메라와 칩 카메라에 의해 촬영된 영상을 이용하여 상기 기판에 대한 상기 반도체 칩의 위치와 방향을 조절하도록 상기 칩 이송 유닛을 작동시키는 플립칩 레이저 본딩 장치.
레이저를 이용하여 플립칩 형태의 반도체 칩을 기판에 본딩하는 플립칩 레이저 본딩 방법에 있어서,
(a) 기판 지지 부재에 의해 상기 기판의 하면을 흡착하여 고정하고 지지하는 단계;
(b) 칩 지지 부재에 의해 상기 반도체 칩의 상면을 고정하여 지지하는 단계;
(c) 칩 이송 유닛에 의해 상기 기판에 대해 상기 반도체 칩의 위치를 정렬하도록 상기 기판 지지 부재에 대해 상기 칩 지지 부재를 이송하고, 상기 반도체 칩을 상기 기판에 접촉시키는 단계; 및
(d) 레이저 헤드에 의해 상기 기판 지지 부재에 지지되는 상기 기판의 하면으로 레이저 광을 조사하여 상기 반도체 칩을 상기 기판에 대해 본딩하는 단계;를 포함하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제15항에 있어서,
상기 (a) 단계는, 상기 (d) 단계에 의해 상기 레이저 헤드에서 조사된 레이저 광을 상기 기판에 전달할 수 있도록 투명 재질로 형성된 투과부를 구비하는 상기 기판 지지 부재를 이용하여 수행하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제16항에 있어서,
상기 (a) 단계는, 쿼츠로 형성된 상기 투과부를 구비하는 상기 기판 지지 부재를 이용하여 수행하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제16항에 있어서,
상기 (a) 단계는, 다공성 수지로 형성되는 상기 투과부를 구비하는 상기 기판 지지 부재를 이용하여 수행하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제15항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 상기 칩 지지 부재에 의해 상기 반도체 칩의 상면을 흡착하여 상기 반도체 칩을 고정하고 지지하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제19항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 상기 반도체 칩의 상면에 접촉하여 상기 반도체 칩의 상면 경사에 맞추어 기울어지면서 상기 반도체 칩을 흡착 지지하는 틸팅 유닛을 구비하는 상기 칩 지지 부재를 이용하여 수행하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제20항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 상기 틸팅 유닛에 의해 상기 반도체 칩의 상면 경사에 맞추어 기울어진 각도를 유지한 상태로 상기 반도체 칩을 지지하고,
상기 (c) 단계는, 상기 (b) 단계에 의해 상기 반도체 칩의 기울어진 각도를 유지한 상태로 상기 칩 지지 부재를 이송하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제21항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 상기 반도체 칩의 상면에 접촉하여 지지하는 접촉부와 상기 접촉부를 틸팅 가능하게 지지하는 고정부를 포함하고, 상기 고정부와 접촉부는 서로 마주하는 면이 곡면으로 형성되어 상대적인 기울어짐이 가능하도록 형성되고 공압에 의해 상기 고정부에 대한 상기 접촉부의 각도를 유지하는 상기 틸팅 유닛을 구비하는 상기 칩 지지 부재를 이용하여 수행하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제15항에 있어서,
상기 반도체 칩은 솔더 볼과 구리 필러 중의 어느 하나를 솔더 범프로 사용하여 상기 기판에 본딩되는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (a) 단계와 (b) 단계와 (c) 단계와 (d) 단계는, 각각 상기 기판 지지 부재와 칩 지지 부재와 칩 이송 유닛과 레이저 헤드의 작동을 제어하는 제어부를 이용하여 수행하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제24항에 있어서,
상기 (c) 단계는, 상기 제어부가 상기 칩 이송 유닛을 제어하여 상기 칩 지지 부재의 높이를 조절하는 과정을 포함하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제25항에 있어서,
상기 (c) 단계는, 상기 (d) 단계를 수행하는 동안 상기 제어부가 상기 칩 이송 유닛을 작동시켜 상기 칩 지지 부재를 하강시키는 과정을 포함하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제25항에 있어서,
상기 (c) 단계는, 상기 (d) 단계를 수행하는 동안 상기 제어부가 상기 칩 이송 유닛을 작동시켜 상기 칩 이송 유닛의 높이를 유지하는 과정을 포함하는 플립칩 레이저 본딩 방법.
제25항에 있어서,
(e) 기판 카메라에 의해 상기 기판 지지 부재에 거치된 상기 기판의 상면을 촬영하는 단계; 및
(f) 칩 카메라에 의해 상기 칩 지지 부재에 지지된 상기 반도체 칩의 하면을 촬영하는 단계;를 더 포함하고,
상기 (c) 단계는, 상기 (e) 단계와 (f) 단계에 의해 촬영된 영상을 이용하여 상기 기판에 대한 상기 반도체 칩의 위치와 방향을 조절하는 플립칩 레이저 본딩 방법.