TWI735149B

TWI735149B - 雷射剝離裝置的雷射頭模組

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Publication number: TWI735149B
Application number: TW109103276A
Authority: TW
Inventors: 崔在浚; 金南成; 金秉祿; 俞鍾在; 朴赴省
Original assignee: 南韓商鐳射希股份有限公司
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-08-01
Also published as: TW202030040A; CN210334761U; WO2020159338A1; CN111531280A; KR20200095769A

Abstract

本發明的雷射剝離裝置的雷射頭模組用於選擇性地融化配置於基板上的一個以上的電子部件的焊接處來從基板剝離電子部件，其特徵在於包括：環形的外殼；光學透鏡模組，設置於上述外殼內來放大或縮小從雷射振盪器生成的光束；固定支架，與上述外殼的外周面相結合；夾具部件，與上述外殼的外周面相結合；送風單元，設置於上述夾具部件的一側來朝向基板的電子部件噴氣；以及抽吸單元，以與送風單元相向的方式設置於上述夾具部件的另一側，透過送風單元吸入從基板分離的電子部件。

Description

雷射剝離裝置的雷射頭模組

本發明有關雷射剝離裝置，更詳細地，有關可透過雷射照射來以不污染基板的方式去除焊接處熔融的電子部件的雷射剝離裝置的雷射頭模組。

在產業用雷射加工中，具有微米(μm)級的精密度的應用領域為微雷射加工，廣泛用於半導體產業、顯示器產業、印刷電路板(PCB)產業、智慧手機產業等。用於所有電子設備的儲存晶片中，為了實現積集度和性能及超高速通訊速度，技術朝向最大限度地縮小電路線寬與線寬間隔的方向發展，但，目前僅透過縮小電路線寬與線寬間隔無法實現所要求的技術水準，僅處於以垂直方向層疊多個儲存晶片的水平。臺灣積體電路製造股份有限公司(TSMC)已經研發了層疊至128層為止的層疊技術，三星電子、SK海力士等將層疊至72層為止的技術適用於大量生產。

並且，正在積極研究研發將儲存晶片、微處理器晶片、圖形處理器晶片、無線處理器晶片、感測器處理器晶片等封裝於1個組裝件的技術，相當高水準的技術已經實戰適用。

但是，在之前提及的技術研發過程中，在超高速/超高容量半導體晶片內部中，更多的電子參與訊號處理工序，因此，耗電量變大，提出了與發熱有關的冷卻處理技術。並且，為了實現與更多的訊號有關的作為超高速訊號處理及超高頻訊號處理的要求事項，提出了需以超高速傳遞大量的電訊號的技術。並且，訊號線需變多，無法以一維引線方式處理向半導體晶片外部的訊號端口線，實際適用在半導體晶片下部以二維處理的球柵陣列(BGA)方式(稱為扇入型球柵陣列(Fan-In BGA)或扇入型晶圓級封裝(Fan-in Wafer-Level-Package(FIWLP)))、在晶片下部的超微細球柵陣列層下方隔著訊號配線再排列層(Signal Layout Redistribution Layer)在其下部設置二次微細球柵陣列層的方式(稱為扇出型球柵陣列(Fan-Out BGA)或扇出型晶圓級封裝(Fan-Out Wafer-Level-Package(FOWLP))或扇出型面板級封裝(Fan-Out Panel-Level-Package))方式。

最近，在半導體晶片的情況下，包括環氧模塑料(EMC，Epoxy-Mold Compound)層的厚度為200μm以下的產品正上市。為了將如上所述的厚度僅為數百微米的微米級的超輕薄型半導體晶片附著於超輕薄型印刷電路板，若適用如作為以往的表面封裝技術(SMT)標準工序的熱回流爐(Thermal Reflow Oven)技術的質量回流(MR)工序，則半導體晶片在100~300℃的空氣溫度環境內露出數百秒的時間，因此，由於熱膨脹係數(CTE；Coefficient of Thermal Expansion)差異，產生晶片-邊緣翹起(Chip-Boundary Warpage)、印刷電路板-邊緣翹起(PCB-Boundary Warpage)、熱衝擊隨機鍵合失效(Random-Bonding Failure by Thermal Shock)等多種形態的焊料焊接粘結不良。

由此，在以往，為了對包括如上所述的原因的焊接工序上產生的各種形態的電子部件的焊接不良進行返工，研發了局部加熱(Localized Heating)技術，其中，最近研究的最積極的領域為借助雷射束照射的焊接剝離技術。

以往的借助雷射束照射的剝離技術具有非接觸式的優點，雷射直接被半導體晶片吸收的方法為一次性吸熱機理，因此，具有沒有熱膨脹係數的差異引起的熱衝擊的優點，僅在需要的時間內執行非常局部的加熱，因此，具有低耗電、使總熱量輸入最小化、使熱衝擊最小化、使處理時間最小化等各種優點。

另一方面，通常所知的雷射焊接裝置的雷射頭模組按壓焊接對象物(半導體晶片或積體電路(IC))數秒並照射雷射來進行焊接的方式，照射與半導體晶片或積體電路大小相對應的面光源形態的雷射來進行焊接。

對於這種加壓方式的雷射頭模組，參照韓國授權專利第10-1245356號(以下，稱為「現有文獻」)，記載了透過真空吸附半導體晶片並使面光源形態的雷射向半導體晶片照射的吸附模組和包括其的加壓頭結構。

但是，如上所述的現有加壓方式的雷射頭模組中，加壓頭與雷射照射部製造為一個模組並驅動，因此，在對如半導體帶的多個半導體晶片進行焊接的情況下，以與多個半導體晶片數量相同的次數重複對一個半導體晶片進行加壓並照射面光源形態的雷射的動作。

由此，用於焊接多個半導體晶片的整體作業時間增加，且隨著追加搭載加熱頭，具有整體裝備的價格急劇增加的問題。

另一方面，即使代替上述加壓頭方式將借助雷射束照射的雷射頭模組適用於剝離裝置，但是，目前，工作人員利用工具被雷射分離的電子部件一一透過手工作業去除或利用額外的噴射裝置去除，因此，不僅具有基板被加熱及熔融的焊接液污染的問題，還具有工作人員被雷射頭模組的高熱受到安全事故的危險。

因此，本發明用於解決如上所述的問題，本發明的目的在於，提供透過吹氣及抽吸方式沒有基板的污染地直接在其位置去除借助雷射照射熔融的電子部件的雷射剝離裝置的雷射頭模組。

用於實現上述目的的本發明為選擇性地溶化配置於基板上的至少一個電子部件的焊接處來用於從基板剝離電子部件的雷射剝離裝置，包括：環形的外殼；光學透鏡模組，設置於上述外殼內來放大或縮小從雷射振盪器生成的光束；固定支架，與上述外殼的外周面相結合；夾具部件，與上述外殼的外周面相結合；送風單元，設置於上述夾具部件的一側來朝向基板的電子部件噴氣；以及抽吸單元，以與送風單元相向的方式設置於上述夾具部件的另一側，透過送風單元吸入從基板分離的電子部件。

並且，在上述外殼內還包括選擇性地轉換從雷射振盪器生成的光束的形狀之後向光學透鏡模組傳遞的光束整形器。

並且，上述光束整形器將從雷射振盪器生成的圓形雷射束轉換為方形的光束。

並且，上述送風單元包括：固定板，與夾具部件固定結合；支撐框架，與上述固定板的一端鉸鏈結合；以及空氣噴嘴，與上述支撐框架相結合來噴射從壓氣機(compressor)供給的空氣。

並且，上述抽吸單元包括：固定板，與夾具部件固定結合；支撐框架，與上述固定板的一端鉸鏈結合；以及漏斗部件，與上述支撐框架相結合來透過壓氣機的吸力吸入電子部件。

並且，上述夾具部件在上述固定支架的下端以具有朝向下方逐漸變窄的圓錐形狀的方式形成為一體，並以中空為中心來在本體內部的左右側分別向下傾斜地陰刻形成用於構成送風單元和抽吸單元的空氣流路。

並且，構成上述送風單元與抽吸單元的空氣流路的相向的末端部分別呈噴嘴形狀和漏斗形狀。

並且，上述抽吸單元的吸入路徑的一部分還連接設置有電子部件回收桶。

並且，借助上述送風單元的空氣噴射與借助抽吸單元的空氣吸入透過一個壓氣機同時執行。

並且，在上述外殼、光學透鏡模組、固定支架分別設置有多個且分割配置的狀態下，從各上述光學透鏡模組照射的雷射束的至少一部分重疊照射於基板的規定區域，上述夾具部件、送風單元及抽吸單元設置於多個上述外殼中的一個。

如上所述的本發明具有如下的效果，即，本發明形成雙矩形光束來向電子部件的焊接處照射，因此，相比於從以往的雷射剝離裝置中照射單輪光束的情況，可改善10~20度水平的溫度偏差，因此，可防止在剝離處理過程中作為薄的軟性基板的軟性印刷電路板(FPCB)被熱損傷燃燒或融化等的問題。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

310:第一雷射模組

311:雷射振盪器

312:光束整形器

313:光學透鏡模組

314:驅動裝置

315:控制裝置

316:冷卻裝置

317:供電部

370:雷射輸出調整部

410:光束傳輸光纖維

420:凸鏡

430:光束整型器

440:凹鏡

A1、A2:面光源

S:成像面

600:雷射頭模組

610:外殼

620、621:夾具部件

621b、621c:空氣流路

621a:中空

631:固定板

632:支撐框架

633:空氣噴嘴

641:固定板

642:支撐框架

643:漏斗部件

650:固定支架

700:部件回收桶

圖1為本發明一實施例的雷射剝離裝置的單光束模組的示意圖。

圖2為本發明一實施例的借助剝離裝置照射單雷射束的軟性印刷電路板的圖像。

圖3為本發明一實施例的雷射剝離裝置的構成示意圖。

圖4為本發明一實施例的雷射光學儀的結構示意圖。

圖5為本發明一實施例的雷射頭模組的外觀立體圖。

圖6為本發明另一實施例的雷射頭模組的部分剖視圖。

在本說明書中使用的術語僅用於說明特定實施例，並不限定本發明。除非在文脈上明確表示不同，單數的表達包括複數的表達。在本說明書中，「包括」、「具有」或「具備」等的術語用於指定在本說明書中記載的特徵、數字、步驟、動作、結構要素、部件或它們的組合的存在，而不是事先排除一個或一個以上的其他特徵或數字、步驟、動作、結構要素、部件或它們的組合的存在或附加可能性。

在本說明書中，除非另行定義，包括技術或科學術語的在此使用的所有術語呈現與本發明所屬技術領域的普通技術人員通常所理解的含義相同的含義。

與通常使用的詞典所定義的含義相同的術語應當解釋為具有與關聯技術的前後文所具有含義一致的含義，除非在本說明書中明確定義，不應解釋為理想或過於形式上的含義。

以下，所附的圖1為本發明一實施例的雷射剝離裝置的單光束模組的示意圖，圖2為借助本發明一實施例的剝離裝置照射單雷射束的軟性印刷電路板的圖像。

參照上述圖1，本發明的雷射剝離裝置根據一實施例具有單一的第一雷射模組310，由此，向軟性印刷電路板上照射單雷射束。在此情況下，參照圖2，借助上述第一雷射模組310照射的雷射束以變形為方形光束形狀的狀態向基板上照射。

即，藉由上述第一雷射模組310照射的雷射束將焊接處不良部的溫度選擇性地加熱至焊接處被熔融的剝離溫度，使電子部件處於可從基板去除的狀態，接著，透過規定形態的噴射裝置(參照圖5及圖6)從基板吸入並去除上述焊接處熔融的不良電子部件。

以下，參照所附的圖3及圖4並根據一實施例對本發明的雙光束構成及工作關係進行具體說明。

圖3為本發明一實施例的雷射剝離裝置的結構示意圖。

在上述圖3中，雷射照射部的第一雷射模組310分別包括具有冷卻裝置316的雷射振盪器311、光束整形器312、光學透鏡模組313、驅動裝置314、控制裝置315以及供電部317。

上述雷射振盪器311生成具有規定範圍的波長和輸出功率的雷射束。如一例，雷射振盪器可為具有「750nm至1200nm」或「1400nm至1600nm」或「1800nm至2200nm」或「2500nm至3200nm」的波長的雷射二極體(Laser Diode，LD)、稀土摻雜光纖雷射器(Rare-Earth-Doped Fiber Laser)或稀土摻雜晶體雷射器(Rare-Earth-Doped Crystal Laser)，與此不同地，可包括具有755nm的波長的用於釋放變石雷射的介質或者具有1064nm或1320nm的波長的用於市場釔鋁石榴石晶體(Nd：YAG)雷射的介質。

光束整形器(beam shaper)312將在雷射振盪器311中發生並透過光纖維傳遞的點(spot)形態的雷射轉換為具有平頂的面光源(Area Beam)形態。光束整形器312可包括方形光管(Square Light Pipe)、衍射光器件(Diffractive Optical Element，DOE)或微透鏡陣列(Micro-Lens Array，MLA)。

光學透鏡模組313調整在光束整形器中轉換為面光源形態的雷射束的大小，來向安裝於印刷電路板的電子部件或照射區域照射。光學透鏡模組透過多個透鏡的結合構成光學儀。

驅動裝置314相對於照射面移動雷射模組的距離及位置，控制裝置315透過控制驅動裝置314來調整雷射束到達照射面時的光束形狀、光束面積大小、光束亮度及光束照射角度。控制裝置315控制驅動裝置314之外，還可綜合控制第一雷射模組310各部的工作。

另一方面，雷射輸出調整部370根據透過使用人員端口接收的程序或預設的程序控制從與各第一雷射模組310相對應的供電部317向各第一雷射模組310供給的電量。雷射輸出調整部370從一個以上的攝像機模組350接收照射面上的各部件、各區域或整體剝離狀態信息並據此控制各供電部317。與此不同地，從雷射輸出調整部370的控制信息向各第一雷射模組310的控制裝置315傳遞，還可提供在各控制裝置315中控制各自對應的供電部317的回饋訊號。

可透過這種功能調節雷射束的大小與輸出來執行照射面內的多個電子部件與基板之間的接合或去除照射面內的多個電子部件與基板之間的接合。尤其，在從基板上去除受損的電子部件的情況下，隨著將雷射束的面積最小化為相應電子部件區域，可使透過雷射束向位於基板的相鄰的其他電子部件或正常電子部件施加的熱量最小化，由此，可僅去除作為去除對象的受損的電子部件。

另一方面，在使各雷射模組釋放具有互不相同的波長的雷射束的情況下，雷射照射部可由具有包括於電子部件的多個材料層(例：環氧塑封料層，矽層，焊接層)各自很好地吸收的波長的個別雷射模組構成。

因此，本發明的雷射剝離裝置使電子部件的溫度和如作為印刷電路板或電子部件電極之間的連接材質的焊接(Solder)的中間接合材料的溫度選擇性地上升為不同溫度，從而可執行最佳化的接合(Attaching or Bonding)或分離(Detaching or Debonding)工序。

具體地，可均透射電子部件的環氧塑封料模塑層與矽層來使焊接層吸收各雷射束的所有能源，還可使雷射束不透射環氧塑封料模塑層並對電子部件的表面進行加熱來使熱量向電子部件下部的焊接部傳遞。

圖4為本發明一實施例的雷射光學儀的結構示意圖。

上述圖4為可適用於本發明的結構最簡單光學儀，若從光束傳輸光纖維410釋放的雷射束透過凸鏡420整列交點並向光束整形器430入射，則在光束整形器430將點形態的雷射束轉換為平坦(Flat-Top)形態的面光源A1，從光束整形器430輸出的正方形雷射束A1透過凹鏡440放大為所需的大小以放大的面光源A2向成像面S照射。

以下，參照圖5及圖6對本發明的雷射頭模組的結構及工作關係進行詳細說明。首先，在下述內容中，本發明的雷射頭模組600包括在如上所述的雷射模組中除雷射振盪器311、冷卻裝置316、驅動裝置314等之外的一部分結構。

圖5為本發明一實施例的雷射頭模組的外觀立體圖。

在所附的圖5中，首先上述雷射頭模組600包括環形的外殼610，上述外殼610的上端與光束傳輸光纖維410相連接，來使從雷射振盪器311生成的雷射束向外殼610的內部傳遞。

在上述外殼610內具有將從雷射振盪器311生成的圓弧形光束轉換為方形光束的光束整形器430，在上述光束整形器430的下部插入配置有以符合用途的方式放大或縮小透過上述光束整形器的方形光束的光學透鏡模組313等。

本發明的特徵在於，若透過從上述雷射頭模組600照射的雷射束對電子部件的焊接處進行熔融，則用於去除其的噴射裝置的結構形成為一體。

為此，在本發明中，如所附的圖5所示，上述外殼610的外周面與用於固定設置外殼的固定支架650相結合，上述固定支架的下部與夾具部件620相結合，在上述夾具部件620的左側安裝有朝向基板的電子部件噴射空氣的送風單元，在上述夾具部件620的右側安裝有用於吸入透過上述送風單元從基板分離的電子部件的抽吸單元。

更具體地，在上述送風單元中，由於夾具部件620與固定板631固定結合並使得上述固定板631的一端與支撐框架632鉸鏈結合，因而，在需要工作人員的情況下，可任意調節上述支撐框架的角度。並且，例如，上述支撐框架632透過螺紋連接方式與空氣噴嘴633相結合，因此，可向基板的電子部件噴射從外部的壓氣機(未圖示)供給的空氣。

並且，上述抽吸單元具有與上述送風單元相似的結構，例如，夾具部件620透過螺紋連接方式與固定板641相結合，上述固定板641的一端與支撐框架642鉸鏈結合，在上述支撐框架642安裝有透過外部的壓氣機(未圖示)的吸力吸入電子部件的漏斗部件643。

在此情況下，藉由上述送風單元的空氣噴射與借助抽吸單元的空氣吸入分別可被獨立的壓氣機驅動，為了緊湊的裝置結構，優選地，由相同的一個壓氣機(未圖示)來使送風單元與抽吸單元同時驅動。

另一方面，圖6為本發明另一實施例的雷射頭模組的部分剖視圖。

以下，參照所附的圖6，構成上述送風單元與抽吸單元的多個空氣流路能夠以與夾具部件的本體的內部形成為一體的方式分別陰刻形成，而不是向上述圖5中的一實施例那樣使得送風單元與抽吸單元安裝於夾具部件的外側。

如一例，在此情況下，參照圖6，上述夾具部件621以在粘連於上述外殼的外周面的固定支架650的下端朝向下方逐漸變窄的圓錐形狀的方式形成為一體。

在此情況下，在上述夾具本體部的中心部分形成有中空621a，可以理解的是，從雷射振盪器311照射的雷射束經由外殼內部的光束整形器312與光學透鏡模組313並透過上述中空621a向基板照射。

並且，以上述中空621a為中心來在夾具部件621的本體內部的左右側分別向下傾斜地陰刻有用於構成送風單元與抽吸單元的空氣流路621b、621c。

在此情況下，更優選地，構成上述送風單元與抽吸單元的空氣流路的相向的末端部分別呈噴嘴形狀和漏斗形狀，透過上述送風單元的空氣流路621b噴射的空氣從基板分離電子部件之後透過抽吸單元的空氣流路621c吸入及去除。

另一方面，在上述抽吸單元的吸入路徑上還連接有漏網形態的電子部件回收桶700，工作人員需隨時取出聚在上述電子部件回收桶700的電子部件並再次利用。

同時，例如，本發明的雷射頭模組還可由具有2個雷射模組的雙光束雷射剝離裝置構成，而不是由具有上述一實施例的單一雷射模組構成。為了構成這種雙光束雷射剝離裝置，例如，包括2個分別具有外殼、光學透鏡模組、固定支架的雷射頭模組之後，還能夠以隔著規定間隔分割配置上述各雷射頭模組的形態構成。在此情況下，從設置於上述2個雷射頭模組的各自的光學透鏡模組照射的雷射束以一部分在基板的規定區域重疊的方式照射。

如上所述，在驅動2個雷射頭模組的情況下，例如，在分配一個雷射光源來向各雷射頭模組輸入的情況下，雷射輸出調整部370可具有用於同時調節分配的各雷射束的輸出和相位的功能。在此情況下，能夠以引導各雷射束之間的抵消干涉的方式控制相位來顯著改善光束平坦度，由此，進一步增加能源效率。

另一方面，如上所述，在實現多個位置同時加工模式的情況下，雷射輸出調整部370以從各雷射頭模組產生的雷射束的一部分或全部不同的方式控制各雷射束的光束形狀、光束面積大小、光束亮度、光束照射角度及光束波長中的一種以上。在此情況下，在分配一個雷射光源來向各雷射頭模組輸入的情況下，雷射輸出調整部370可具有用於同時調節所分配的各雷射束的輸出和相位的功能。

相比於單光束，可透過調整雷射束大小和輸出來更容易地進行使照射面內的多個電子部件與基板之間接合或去除照射面內的多個電子部件與基板之間的接合的作業。尤其，在去除基板上的受損的電子部件的情況下，隨著使雷射束的面積最小化為相應電子部件區域，可使透過雷射束向位於基板的相鄰的其他電子部件或正常部件施加的熱量最小化，由此，可僅去除作為去除對象的電子部件。

另一方面，在如上所述的雙雷射頭模組的剝離裝置結構中，無需在所有雷射頭模組設置噴射裝置，例如，可僅在上述多個雷射頭模組的一個外殼設置噴射裝置。為此，可理解的是，在將構成噴射裝置的夾具部件與送風單元、抽吸單元僅安裝於2個雷射頭模組中的一個的情況下，可充分地進行基於吹氣及抽吸去除剝離的電子部件的功能。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。