WO2020242160A1 - 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치 - Google Patents

선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치 Download PDF

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WO2020242160A1
WO2020242160A1 PCT/KR2020/006747 KR2020006747W WO2020242160A1 WO 2020242160 A1 WO2020242160 A1 WO 2020242160A1 KR 2020006747 W KR2020006747 W KR 2020006747W WO 2020242160 A1 WO2020242160 A1 WO 2020242160A1
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WO
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laser
head module
laser head
bonding object
bonding
Prior art date
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PCT/KR2020/006747
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English (en)
French (fr)
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유종재
박부성
안태종
최재준
김병록
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레이저쎌 주식회사
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50—Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H01L21/56—Encapsulations, e.g. encapsulation layers, coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices

Definitions

  • the present invention relates to a laser reflow device of a linear transfer method, and more particularly, a substrate on which a plurality of electronic components, which are a bonding object, is disposed continuously flows from one side to the other side while being linearly transferred and disposed on the substrate.
  • the present invention relates to a laser reflow apparatus of a linear transfer method for continuously bonding the electronic component to a substrate during linear transfer by dividing or superimposing two or more laser beams on the electronic component.
  • Micro laser processing is an application field with micron ( ⁇ m) precision in industrial laser processing, and is widely used in the semiconductor industry, display industry, printed circuit board (PCB) industry, and smartphone industry.
  • Memory chips used in all electronic devices have developed a technology that minimizes the circuit spacing in order to realize the integration, performance and ultra-high communication speed, but now the required technology level is achieved simply by reducing the circuit line width and line width interval. It is difficult to do so, so it has reached the level of stacking memory chips in a vertical direction.
  • the stacking technology up to 128 layers has already been developed by TSMC, and the technology of stacking up to 72 layers is being applied to mass production at Samsung Electronics and SK Hynix.
  • Fan-in Wafer-Level-Package FIWLP
  • FIWLP Fan-in Wafer-Level-Package
  • the method referred to as Fan-Out BGA or Fan-Out Wafer-Level-Package (FOWLP) or Fan-Out Panel-Level-Package
  • Fan-Out BGA Fan-Out Wafer-Level-Package
  • FOWLP Fan-Out Wafer-Level-Package
  • Fan-Out Panel-Level-Package Fan-Out Panel-Level-Package
  • PCB chip-boundary warpage
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • a laser head module presses a bonding object (semiconductor chip or integrated circuit IC) for several seconds and irradiates a laser to bond.
  • IC bonding is performed by irradiating a laser in the form of a surface light source corresponding to the size.
  • the conventional pressurized laser reflow apparatus disclosed in Prior Document 1 has a means for adsorbing a chip and moving it to a bonding position, and heating the back surface of the chip through a laser and simultaneously pressing the chip onto a carrier substrate.
  • a plurality of semiconductor chips such as a semiconductor strip
  • an operation of irradiating a laser while pressing a single semiconductor chip must be repeatedly performed as many as the number of semiconductor chips, which inevitably increases the working time.
  • the laser reflow device mentioned in the prior document 2 is a laser head in a state in which the pressure head presses several flip chips simultaneously. It is briefly mentioned that the bonding process can be carried out in a horizontal direction by irradiating a laser one by one for each flip chip sequentially or by irradiating a laser to several flip chips simultaneously by a single laser head.
  • the present invention is invented to solve the above problems, and while a substrate on which a plurality of electronic components, which is a bonding object, is disposed, continuously flows from one side to the other and is linearly transferred, and electrons disposed on the substrate are
  • An object of the present invention is to provide a flow laser reflow apparatus for continuously bonding the electronic component to a substrate during linear transfer by dividing or superimposing two or more laser beams on a component.
  • the present invention for achieving the above object is, according to an embodiment, a carrier on which a rectangular substrate on which a plurality of electronic components as a bonding object are disposed is mounted; The electronic component is bonded to the substrate by simultaneously or sequentially irradiating a laser beam to the bonding object while the bonding object is linearly transported, and the shape, density, and displacement of the laser beam are controlled independently of each other.
  • IR infrared
  • the carrier is linearly transferred from one side to the other side according to the driving of the conveyor unit while the carrier is mounted on the conveyor unit.
  • the first laser head module and the second laser head module are moved in the X, Y, or Z directions.
  • the carrier is further slowed down or stopped while being positioned below the first laser head module and the second laser head module.
  • the first laser head module and the second laser head module are moved in the X, Y, or Z directions while the carrier is positioned below the first laser head module and the second laser head module.
  • a laser beam is simultaneously irradiated from the first laser head module and the second laser head module, and the respective laser beams have the same or different shape among rectangular, circular, dot, or line shapes.
  • a position measuring camera for measuring the position of the bonding object is further provided at the center of the first laser head module and the second laser head module, while the infrared ray when the position measuring camera detects the bonding object.
  • the (IR) camera starts measuring the temperature of the bonding object, and the first and second laser head modules control the shape, density, and intensity of the laser beam by interlocking with the temperature data measured by the infrared (IR) camera.
  • a fume suction unit for inhaling fume generated during a reflow process is continuously disposed below the first and second laser head modules.
  • the conveyor unit when the position measuring camera detects the position of the bonding object under the first laser head module and the second laser head module, the conveyor unit performs a linear transfer speed of the carrier and the bonding object according to the reflow process condition. Is controlled differently.
  • the linear movement speed of the bonding object is, as the first laser head module and the second laser head module irradiate a laser beam onto the bonding object when the position measuring camera detects the position of the bonding object below. Slower or freezes.
  • the laser beams irradiated from the first laser head module and the second laser head module are simultaneously irradiated to the bonding object so that at least some of them overlap each other, and the area where the laser beam overlaps is the bonding area of the bonding object.
  • the shape, density, and intensity of each laser beam are complementarily controlled to meet the temperature condition for bonding.
  • the laser beams irradiated from the first laser head module and the second laser head module are simultaneously irradiated to different portions of the bonding object so that they do not overlap with each other, and the area to which each laser beam is irradiated is the bonding object.
  • the shape, density, and intensity of each laser beam are independently controlled to meet the bonding area of and the temperature conditions for bonding.
  • the laser beams irradiated from the first laser head module and the second laser head module are simultaneously irradiated to different portions along the linear transport direction of the bonding object so as to overlap each other, and the respective laser beams are irradiated.
  • the shape, density, and intensity of each laser beam are complementarily controlled so that the area meets the bonding area of the object to be bonded, the feed rate and temperature conditions.
  • the laser beams irradiated from the first laser head module and the second laser head module are sequentially irradiated to different portions along the linear transport direction of the bonding object so that they do not overlap with each other, and each of the laser beams is In the irradiated area, the shape, density, and intensity of each laser beam are complementarily controlled so as to meet the conditions of the bonding area, the transfer speed, and the temperature of the bonding object.
  • the carrier is further provided with a vacuum chuck for vacuum-adsorbing and fixing the bonding object.
  • the carrier is further provided with a heater for preheating the substrate and the heater maintains the surface temperature of the bonding object below 200°C.
  • a substrate on which a plurality of electronic components as a bonding object is disposed is continuously flowing from one side to the other side and is linearly transferred
  • two or more laser beams are divided into the electronic components disposed on the substrate.
  • the electronic component is continuously bonded to the substrate during linear transfer by overlapping irradiation, thereby reducing process time and greatly improving productivity by mass reflow treatment.
  • laser beam irradiation by two or more laser head modules is sequentially divided or superimposed according to each set reference value to precisely control the density of the laser beam, which occurs when mass reflow processing of a plurality of electronic components disposed on the substrate.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the overall flow laser reflow apparatus of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged view of a main part showing a configuration of a laser head module and other parts according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a block diagram schematically showing the configuration of a laser head module according to the present invention
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a multi-laser head module according to an embodiment of the present invention laser pressure head module
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a multi-laser head module according to an embodiment of the present invention laser pressurizing head module
  • 6 to 9 are configuration diagrams of a laser optical system applicable to a multi-laser head module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a state diagram of a laser beam being irradiated from the laser head module according to an embodiment of the present invention, (a) is a state in which the laser beam is irradiated by being completely overlapped along the width direction of the bonding object, (b) is a laser beam In a state in which the bonding object is partially overlapped and irradiated along the width direction of the bonding object, (c) is a state in which the laser beam is irradiated to different portions without overlapping along the transport direction of the bonding object, and (d) is the laser beam is irradiated on different portions of the bonding object.
  • bonding object 100 carrier
  • first laser head module 320 second laser head module
  • beam shaper 510 first infrared camera
  • FIG. 1 is a perspective view showing the overall flow laser reflow apparatus of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged view showing the configuration of a laser head module and other components according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a laser according to the present invention. It is a block diagram schematically showing the configuration of the head module.
  • a carrier 100 on which a substrate on which a plurality of electronic components and solder are disposed, which are the bonding object 11, is mounted is provided.
  • the carrier 100 may be a plate-shaped plate in which the substrate, which is the bonding object 11, is simply mounted and mounted without being fixed, or a vacuum adsorption method for stably supporting the bonding object 11 without shaking.
  • the vacuum chuck configuration of may be added or implemented in various forms such as an electrostatic chuck configuration in which the bonding object 11 is attached by static power.
  • the carrier 100 to which the vacuum chuck configuration is applied has a plurality of vacuum suction holes and flow paths (not shown) formed on the upper surface, so that the bonding object 11 seated on the upper surface is vacuum-adsorbed and fixed. have.
  • a heater 110 for preheating the bonding object 11 to a predetermined temperature may be provided under the carrier 100.
  • the heater 110 maintains the surface temperature of the carrier 100 below 200°C, for example, while the bonding object 11 is mounted on the carrier 100 and is linearly transferred for a reflow process.
  • the heater 110 may be provided inside the carrier 100, the substrate, electronic component and solder, which are the bonding object 11, are continuously preheated to a predetermined temperature.
  • the preheating temperature is preferably set to be less than the melting temperature of the solder, and may be maintained below 200°C, which is a temperature range in which thermal damage is not applied even when the substrate and electronic components are exposed for a predetermined time or longer.
  • the bonding object 11 If the bonding object 11 is not preheated as described above, the bonding object 11 must be rapidly heated from room temperature to the melting temperature of the solder only with the thermal energy of the laser beam during the laser reflow treatment, in this case, rapid heating. Due to this, bonding defects such as overflow may occur in the solder. Therefore, as the temperature is increased step by step from the preheating temperature to the melting temperature of the solder, the solder is stably melted and bonding defects can be minimized.
  • the melting temperature of the solder may vary depending on the material of the solder, but may be 200°C or higher, which is the melting temperature of a general solder paste.
  • the transfer speed of the carrier 100 is controlled according to the control of the conveyor unit 200.
  • a plurality of laser head modules 310 and 320 bonding electronic components to the substrate by irradiating two or more laser beams onto the substrate, electronic components and solder bonding objects 11 that are linearly transferred above the conveyor unit 200. ) Is provided.
  • a plurality of laser head modules 310 and 320 of the present invention include a first laser head module 310 in which the shape, area, density, and displacement of a laser beam are independently controlled from each other. And a dual laser head module of the second laser head module 320.
  • the first laser head module 310 and the second laser head module 320 may be mounted on a gantry (not shown), and moving the gantry in the X, Y or Z directions independently of each other. Can be controlled.
  • the bonding object 11 is pre-transferred by the conveyor unit 200 while the bonding object 11 is seated on the carrier, in which case the bonding object is placed under the first and second laser head modules 310 and 320.
  • the linear feed rate of the bonding object 11 can be differently controlled to be slower or temporarily stopped as needed, and in addition to controlling the linear feed rate of the bonding object 11, the first laser head module And moving control in the X, Y or Z directions of the second laser head modules 310 and 320 may be added.
  • bonding may be completed at once by irradiating a laser beam from the first laser head module and the second laser head module 310 and 320 while maintaining the linear feed rate without changing the linear feed rate for each bonding object, or
  • the linear transfer speed of the bonding object 11 is lowered below the first laser head module and the second laser head module 310, 320, or Control such as stopping is possible.
  • first laser head module and the second laser head module 310 and 320 together with the linear feed rate control of the bonding object 11 are simultaneously controlled to move in the X, Y, or Z directions, so that various bonding objects 11 ) It is possible to cope with all of the various reflow process conditions between linear transfers.
  • an infrared (IR) camera 510, 520 that measures the temperature of the laser beam irradiated on the bonding object 11 in a non-contact method at one side of the laser head module 310, 320 , A position measuring camera 600 for measuring the position of the bonding object 11 may be provided.
  • IR infrared
  • each of the laser head modules 310 and 320 may control the shape, density, and intensity of the laser beam by interlocking with temperature data measured by the infrared (IR) cameras 510 and 520. You will be able to.
  • IR infrared
  • the conveyor unit 200 when the position measurement camera 600 detects the bonding object 11 located under the laser head modules 310 and 320, the conveyor unit 200 is suitably configured for the reflow process. 100) movement speed can be changed.
  • the carrier 100 when the carrier 100 is in the initial preheating section, that is, until the bonding object 11 enters the reflow section where the laser beam is irradiated after loading and vacuum adsorption on the carrier 100, the carrier It is possible to shorten the process time by rapidly controlling the transfer speed of (100).
  • the transport speed of the carrier 100 is adjusted according to the density and intensity of the laser beam in consideration of the melting point of the bonding object 11. You can pause or decelerate more slowly.
  • a fume suction unit 700 for inhaling fume generated during the reflow process is continuously disposed below the laser head module along the transport direction of the bonding object 11. I can.
  • the linear transfer type laser reflow apparatus of the present invention configured as described above includes first and second lasers that irradiate a surface light source type laser to a bonding object 11 that is transferred while being supported by the carrier 100.
  • the head modules 310 and 320 are shown.
  • the first and second laser head modules 310 and 320 convert a laser generated by a laser oscillator and transmitted through an optical fiber into a surface light source to irradiate the bonding object 11.
  • the laser head modules 310 and 320 include a beam shaper that converts a spot-shaped laser into a surface light source (see FIG. 4), and a surface light source disposed under the beam shaper and emitted from the beam shaper.
  • a plurality of lens modules may be implemented including an optical unit (refer to FIGS. 4 to 8) that are spaced apart from each other and mounted inside the barrel so as to irradiate the irradiation area of the bonding object 11.
  • the laser head modules 310 and 320 may rise or fall along the z axis, left or right along the x axis, or move along the y axis for alignment with the bonding object 11.
  • the laser reflow apparatus of the linear transfer method of the present invention linearly transfers the carrier 100 on which the bonding object 11 is mounted while preheating to less than 200°C, and the bonding object being preheated between the linear transfers of the bonding object 11
  • the reflow process tact time of the bonding object 11 can be shortened by continuous processing of the reflow process, thereby realizing high speed bonding.
  • thermal damage eg, substrate warping or warping, yellowing, etc.
  • first and second laser head modules 310 and 320 may be transported or rotated in the vertical, left and right directions, for this purpose, in the x-axis, y-axis, or z-axis. It should be interpreted as including a configuration that is movable and supports each of the laser head modules 310 and 320 so as to rotate.
  • first and second laser head modules 310 and 320 may include a linear encoder as a height sensor, through which the height position value is calculated to calculate the irradiation distance of the laser beam to the bonding object 11.
  • Technical data can be provided to confirm or find more accurate values for the density and intensity of the laser beam.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a dual laser head module according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention may include a multi-laser head module.
  • a dual laser head module of a first laser head module 310 and a second laser head module 320 is provided. Can be.
  • the first and second laser head modules 310 and 320 are irradiated in an overlapping state to irradiate a homogenized overlapping laser beam.
  • the first laser beam has a square shape and the second laser beam has a circular shape, but both laser beams may have a square shape.
  • the first laser beam and the second laser beam may be irradiated at the same time, or the second laser beam may be sequentially irradiated after preheating of the bonding object 11 by the first laser beam.
  • FIG. 5 is a block diagram of a multi-laser head module according to the embodiment of FIG. 4.
  • each laser head module (310, 320, ... 330) is a laser oscillator (311, 321, 331), each having a cooling device (316, 326, 336), beam shaper (312, 322, 332) ), optical lens modules 313, 323, 333, driving devices 314, 324, 334, control devices 315, 325, 335, and power supply units 317, 327, 337.
  • the first laser head module 310 of each laser head module having the same configuration will be mainly described in order to avoid redundant description, except when necessary.
  • the laser oscillator 311 generates a laser beam having a wavelength and output power in a predetermined range.
  • the laser oscillator is, for example, a diode laser (Laser Diode, LD) or a rare-earth medium fiber laser (Rare-Earth- Doped Fiber Laser) or rare-earth-doped crystal laser (Rare-Earth-Doped Crystal Laser), alternatively, a medium for emitting alexandrite laser light having a wavelength of 755 nm, or Nd Yag (Nd :YAG) It may be implemented including a medium for emitting laser light.
  • the beam shaper 312 converts a spot-shaped laser generated in a laser oscillator and transmitted through an optical fiber into an area beam having a flat top.
  • the beam shaper 312 may be implemented by including a Square Light Pipe, a Diffractive Optical Element (DOE), or a Micro-Lens Array (MLA).
  • DOE Diffractive Optical Element
  • MLA Micro-Lens Array
  • the optical lens module 313 adjusts the shape and size of the laser beam converted to the surface light source form by the beam shaper to irradiate the electronic component or the irradiation area mounted on the PCB substrate.
  • the optical lens module constitutes an optical system by combining a plurality of lenses, and a specific configuration of such an optical system will be described later in detail with reference to FIGS. 6 to 9.
  • the driving device 314 moves the distance and position of the laser head module with respect to the irradiation surface, and the control device 315 controls the driving device 314 to determine the beam shape and beam area when the laser beam reaches the irradiation surface. Adjust the size, beam sharpness and beam irradiation angle.
  • the control device 315 may also integrally control the operation of each unit of the laser head module 310 in addition to the driving device 314.
  • the laser power adjustment unit 370 is a power supply unit (317, 327, 337) corresponding to each laser head module (310, 320, 330) according to a program received through the user interface or a preset program. It controls the amount of power supplied to it.
  • the laser output adjustment unit 370 receives information on the reflow status of each part, area, or entire reflow on the irradiation surface from one or more camera modules 350 and controls each power supply unit 317, 327, 337 based on this.
  • control information from the laser output control unit 370 is transmitted to the control devices 315, 325, 335 of each laser head module (310, 320, 330), in each control device (315, 325, 335) It is also possible to provide a feedback signal for controlling each corresponding power supply unit 317. In addition, unlike FIG. 6, it is possible to distribute power to each laser head module through one power supply unit. In this case, the power supply unit must be controlled by the laser output adjustment unit 370.
  • the laser power adjustment unit 370 includes each laser head so that the laser beam from each laser head module 310, 320, 330 has a required beam shape, beam area size, beam sharpness, and beam irradiation angle. Controls the module and power supply units 317, 327, and 337. In addition to the case of preheating the area around the debonding target position using the first laser head module 310 and additionally heating the narrower reflow target area using the second laser head module 320, preheating It is also applied to the case of controlling each laser head module to have a required temperature profile by appropriately distributing a function or an additional heating function between the first, second, and third laser head modules 310, 320, ... 330.
  • the laser power adjusting unit 370 may have a function for simultaneously adjusting the output and phase of each distributed laser beam.
  • the beam flatness can be remarkably improved by controlling the phase to induce destructive interference between the respective laser beams, thereby further increasing energy efficiency.
  • the laser power adjustment unit 370 is used to determine the beam shape, beam area size, beam sharpness, and beam of each laser beam so that some or all of the laser beams from each laser head module are different. One or more of the irradiation angle and the beam wavelength are controlled. Even at this time, when a single laser light source is distributed and input to each laser head module, a function for simultaneously adjusting the output and phase of each distributed laser beam may be provided in the laser output adjustment unit 370.
  • bonding between the electronic components in the irradiation surface and the substrate can be performed or the bonding can be removed by adjusting the laser beam size and output.
  • the application of heat by the laser beam to other adjacent electronic components or normal electronic components existing on the substrate can be minimized by minimizing the area of the laser beam to the corresponding electronic component area.
  • the laser head module has a plurality of material layers (e.g., EMC layer, silicon layer, solder layer) included in the electronic component. It can be configured with individual laser head modules with absorbing wavelengths.
  • material layers e.g., EMC layer, silicon layer, solder layer
  • the laser reflow apparatus selectively increases the temperature of the electronic component and the temperature of the intermediate bonding material such as solder, which is a connecting material between the printed circuit board or the electrode of the electronic component, to be optimized for optimal bonding (Attaching or Bonding) or separation (detaching or debonding) process may be performed.
  • the intermediate bonding material such as solder
  • the temperature of the electronic component region to be reflowed is selectively heated to the reflow temperature at which solder melting occurs.
  • 6 to 9 are configuration diagrams of a laser optical system applicable to a single laser beam or a multi-laser head module of the laser reflow method of the present invention.
  • the laser beam emitted from the beam transmission optical fiber 410 is focused through the convex lens 420 and incident on the beam shaper 430, the beam shaper 430 ), the spot-shaped laser beam is converted into a flat-top type surface light source (A1), and the square laser beam (A1) output from the beam shaper 430 is the desired size through the concave lens 440
  • the image-forming surface S is irradiated with the enlarged surface light source A2.
  • FIG. 7 is a block diagram of a laser optical system according to another embodiment of the present invention.
  • the surface light source B1 from the beam shaper 430 is enlarged to a predetermined size through the concave lens 440 to become a surface light source B2 irradiated to the first imaging surface S1.
  • the boundary of the edge portion of the surface light source (B2) may become more unclear according to the additional enlargement, so that the final irradiation surface is the second imaging surface (S2).
  • a mask 450 is installed on the first imaging surface S1 to trim the edge.
  • the surface light source passing through the mask 450 is reduced (or enlarged) to a desired size while passing through the zoom lens module 460 composed of a combination of at least one convex lens and a concave lens, and the second imaging surface on which the electronic component is placed Square irradiation light B3 is formed in (S2).
  • FIG. 8 is a block diagram of a laser optical system according to another embodiment of the present invention.
  • the square surface light source C1 from the beam shaper 430 is enlarged to a predetermined size through the concave lens 440, it is enlarged (or reduced) in the x-axis direction while passing through at least a pair of cylindrical lenses 470 (C2) and again passing through at least a pair of cylindrical lenses 480, for example, it is reduced (or enlarged) in the y-axis direction and converted into a rectangular surface light source C3.
  • the cylindrical lens is a shape obtained by cutting a cylindrical shape in the longitudinal direction, and functions to expand or reduce the laser beam according to the shape in which each lens is arranged in the vertical direction, and the lens on the surface on which the cylindrical lens is placed is x, y Depending on the shape arranged in the axial direction, the laser beam is adjusted in the x-axis or y-axis direction.
  • the surface light source C3 is enlarged (or reduced) to a desired size while passing through the zoom lens module 460 composed of a combination of at least one convex lens and a concave lens, and the second imaging surface S2 on which the electronic component is disposed. ) To form a rectangular irradiation light C4.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a laser optical system according to another embodiment of the present invention.
  • the optical system of FIG. 9 has a configuration for trimming the edge of the laser beam by applying a mask to the optical system of FIG. 8, and it is understood that a final surface light source D5 having a sharper edge can be obtained compared to the case of FIG. 8. I will be able to.
  • FIG. 10 is a state diagram in which a laser beam is irradiated from the laser head module according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10 below, a process in which laser reflow between linear transfers is performed for each state in which each laser beam is irradiated onto a bonding object. Looking at is as follows.
  • FIG. 10A shows a state in which the laser beam is completely overlapped and irradiated along the width direction of the bonding object.
  • first laser beam LB1 irradiated from the first laser head module 310 and the second laser beam LB2 irradiated from the second laser head module 320 are simultaneously irradiated on the bonding object 11, two lasers
  • the beams LB1 and LB2 may be completely overlapped.
  • the complete overlap refers to a state in which one laser beam completely belongs to another laser beam.
  • the density, intensity, and temperature of the laser beam are formed higher than the first and second laser beams LB1 and LB2, respectively, in the overlapped region OA. That is, the first laser head module 310 irradiates the laser beam LB1 for preheating the bonding object 11, and the second laser head module 320 irradiates the laser beam LB2 for bonding.
  • the density, intensity, and temperature conditions of the first and second laser beams LB1 and LB2 may be complementarily controlled according to physical properties or bonding areas of the bonding object during the reflow process.
  • laser beam irradiation through superposition can reduce the temperature deviation with the previously heated bonding object, and minimize thermal damage such as warping or warping, and yellowing, compared to the case of irradiating a strong laser beam at a time for actual bonding. You will be able to.
  • the shapes of the laser beams LB1 and LB2 irradiated from each of the laser head modules 310 and 320 are all shown in a rectangular shape, but are not limited thereto, and a square, circular, dot or line shape
  • the two laser beams may be variously varied in the same or different form depending on the bonding object and the process conditions of the reflow treatment.
  • a laser beam is partially overlapped and irradiated along a width direction of a bonding object.
  • Two laser beams when the first laser beam LB1 irradiated from the first laser head module 310 and the second laser beam LB2 irradiated from the second laser head module 320 are irradiated on the bonding object 11 (LB1, LB2) can be completely overlapped.
  • the overlapping area is smaller than that of FIG. 10A
  • the complete overlap refers to a state in which one laser beam completely belongs to the other laser beam.
  • the density and intensity of the laser beams are formed higher than the first and second laser beams LB1 and LB2, respectively, in the overlapped area OA. That is, the first laser head module 310 irradiates the laser beam LB1 for preheating the bonding object 11, and the second laser head module 320 irradiates the laser beam LB2 for bonding.
  • the density, intensity, and temperature conditions of the first and second laser beams LB1 and LB2 may be complementarily controlled according to physical properties or bonding areas of the bonding object during the reflow process.
  • the laser beam irradiation through this overlap can reduce the temperature deviation with the previously heated bonding object 11, and thermal damage such as warping or warping and yellowing Can be prevented.
  • the shapes of the laser beams LB1 and LB2 irradiated from each of the laser head modules 310 and 320 are all illustrated in a rectangular shape, but are not limited thereto, and are in the form of a square, circle, point, or line.
  • the two laser beams LB1 and LB2 may be variously varied in the same or different form depending on the bonding object 11 and the process conditions of the reflow treatment.
  • the laser beam is irradiated to different portions without overlapping along the transport direction of the bonding object.
  • the (LB1, LB2) does not overlap and may be irradiated to different portions sequentially along the transport direction of the bonding object 11.
  • the first laser head module 310 irradiates a laser beam LB1 for preheating the bonding object 11, and the second laser head module 320 is used to pre-heat the bonding object 11
  • a laser beam (LB2) for bonding can be continuously irradiated to the heated part, and the density, intensity, and temperature conditions of the first and second laser beams (LB1, LB2) are the bonding object (11) during the reflow process. It may be complementarily controlled according to the physical properties of the material, the bonding area, and the transport speed of the carrier 100.
  • the shapes of the laser beams LB1 and LB2 irradiated from each of the laser head modules 310 and 320 are all illustrated in a rectangular shape, but are not limited thereto, and are in the form of a square, circle, point, or line.
  • the two laser beams LB1 and LB2 may be variously varied in the same or different form depending on the bonding object 11 and the process conditions of the reflow treatment.
  • the laser beams are irradiated side by side without overlapping along the width direction of the bonding object.
  • the first laser head module 310 irradiates the laser beam LB1 to the left area of the bonding object 11, and the second laser head module 320 is used for bonding to the right area of the bonding object 11.
  • the laser beam LB2 can be divided and irradiated, and the density, intensity, and temperature conditions of the first and second laser beams LB1 and LB2 are determined according to the physical properties or bonding area of the bonding object 11 during the reflow process. Each can be controlled independently.
  • the shapes of the laser beams LB1 and LB2 irradiated from each of the laser head modules 310 and 320 are all illustrated in a rectangular shape, but are not limited thereto, and are in the form of a square, circle, point, or line.
  • the two laser beams may be variously varied in the same or different form depending on the bonding object and the process conditions of the reflow treatment.
  • the laser beam is partially overlapped and irradiated along the width direction of the bonding object.
  • Two laser beams when the first laser beam LB1 irradiated from the first laser head module 310 and the second laser beam LB2 irradiated from the second laser head module 320 are irradiated on the bonding object 11 (LB1, LB2) may partially overlap.
  • the partial overlap refers to a state in which one laser beam belongs to another laser beam.
  • each of the first and second laser head modules 310 and 320 irradiates a laser beam for preheating the bonding object 11, and actual bonding may be performed in the overlapped area OA.
  • Density, intensity, and temperature conditions of the first and second laser beams LB1 and LB2 may be complementarily controlled according to physical properties or bonding areas of a bonding object during a reflow process.
  • bonding occurs only in the overlapped area, thus compensating for temperature deviation of each area of the bonding object 11, warping or bending, It is possible to prevent thermal damage such as yellowing.
  • the shapes of the laser beams LB1 and LB2 irradiated from each of the laser head modules 310 and 320 are all illustrated in a rectangular shape, but are not limited thereto, and are in the form of a square, circle, point, or line.
  • the two laser beams may be variously varied in the same or different form depending on the bonding object and the process conditions of the reflow treatment.
  • a laser beam is partially overlapped and irradiated along a width direction and a transport direction of a bonding object.
  • the first laser beam LB1 in the width direction irradiated from the first laser head module 310 and the second laser beam LB2 in the transport direction irradiated from the second laser head module 320 are on the bonding object 11.
  • the two laser beams LB1 and LB2 may be partially overlapped.
  • the partial cross-overlapping refers to a state in which one laser beam crosses another laser beam and a part belongs.
  • the density and intensity of the laser beams are formed higher than the first and second laser beams LB1 and LB2, respectively, in the cross-overlapping area OA. That is, the first and second laser head modules 310 and 320 respectively irradiate the laser beams LB1 and LB2 for preheating the bonding object 11, and the actual bonding is performed in the cross-overlapping area OA. Can be done.
  • Density, intensity, and temperature conditions of the first and second laser beams LB1 and LB2 may be complementarily controlled according to physical properties or bonding areas of a bonding object during a reflow process.
  • bonding occurs only in the overlapped area, thus compensating the temperature deviation of each area of the bonding object 11, and is also warped or warped. , It is possible to prevent thermal damage such as yellowing.
  • the shapes of the laser beams LB1 and LB2 irradiated from each of the laser head modules 310 and 320 are all illustrated in a rectangular shape, but are not limited thereto, and are in the form of a square, circle, point, or line.
  • the two laser beams LB1 and LB2 may be variously varied in the same or different form depending on the bonding object 11 and the process conditions of the reflow treatment.

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Abstract

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 장방형의 기판이 안착되는 캐리어; 상기 캐리어 상방에 구비되어 본딩대상물이 선형 이송되는 동안 본딩대상물에 각각 레이저 빔을 동시 또는 순차적으로 조사함으로써 전자부품을 기판에 본딩하되, 상기 레이저 빔의 형상, 밀도, 및 변위는 서로 독립적으로 제어되는 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈; 및 상기 레이저 헤드 모듈의 일측에 구비되어 기판 상에 조사된 레이저 빔의 온도를 비접촉 방식으로 측정하는 적외선(IR) 카메라;를 포함한다.

Description

선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치
본 발명은 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 기판이 일측에서 타측으로 연속적으로 흘러 선형 이송(flow transfer)되면서, 상기 기판에 배치된 전자부품에 둘 이상의 레이저 빔을 분할 또는 중첩 조사함으로써 선형 이송 간 상기 전자부품을 기판에 연속적으로 본딩하는 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치에 관한 것이다.
산업용 레이저 가공에서 마이크론(㎛)급의 정밀도를 가지는 응용분야가 마이크로 레이저프로세싱인데, 반도체 산업, 디스플레이 산업, 인쇄회로기판(PCB) 산업, 스마트폰 산업 등에서 널리 사용되고 있다. 모든 전자기기에 사용되는 메모리칩은 집적도와 성능 및 초고속 통신속도를 구현하기 위해 회로간격을 최소한으로 축소시키는 기술이 발전하다가 현재는 회로선폭과 선폭간격을 축소시키는 것만으로는 요구되는 기술수준을 달성하기 어려워서 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 최근들어 각광받고 있는 레이저 리플로우 장치의 구성을 살펴보면, 레이저 헤드 모듈이 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.
종래 이러한 레이저 리플로우 장치의 한 예가 한국등록특허 제0662820호(이하, '선행문헌1'이라 함)에 개시되어 있다. 상기 선행문헌1을 참조하면, 플립칩의 후면에 레이저를 조사하여 상기 플립칩을 가열하는 한편, 상기 플립칩을 상기 캐리어 기판에 압착하기 위한 플립칩 가열압착모듈의 구성이 개시되어 있다.
그러나, 상기 선행문헌1에 개시된 종래 가압방식의 레이저 리플로우 장치는 칩을 흡착하여 본딩 포지션으로 이동시키기 위한 수단과, 상기 칩의 이면을 레이저를 통해 가열함과 동시에 상기 칩을 캐리어 기판에 압착시키기 위한 수단으로 분리되기 때문에 반도체 스트립과 같이 복수의 반도체 칩을 본딩하는 경우 하나의 반도체 칩을 가압하면서 레이저를 조사하는 동작을 반도체 칩 개수만큼 반복적으로 수행해야하기 때문에 작업시간이 증대될 수밖에 없었다.
한편, 한국공개특허 2017-0077721(이하, '선행문헌2'이라 함)을 참조하면, 동 선행문헌2에 언급된 레이저 리플로우 장치는 가압 헤드가 여러 개의 플립칩을 동시에 가압한 상태에서 레이저 헤드가 수평 방향으로 이송하며 각 플립칩을 순차적으로 하나씩 레이저를 조사하거나 또는 단일의 레이저 헤드가 여러 개의 플립칩에 레이저를 동시에 조사하는 방식으로 본딩 처리가 가능함에 대해 개괄적으로 언급하고 있다.
그러나, 상술한 선행문헌2의 종래 레이저 리플로우 방법 역시 단일의 레이저 소스를 이용한 가압 방식으로 본딩을 진행하기 때문에 기판 상에 배치된 복수의 플립칩에 레이저 빔이 여러 각도에서 입사함에 따라 균질화된 레이저 빔을 조사 및 불량없이 복수의 플립칩을 한번에 리플로우하기는 기술적으로 많은 어려움이 예상된다.
이에 따라 상기 선행문헌2에서 개시된 종래 레이저 리플로우 방법은 단일의 플립칩을 하나씩 순차적으로 가압 및 리플로우 처리함에 따라 전체 작업시간이 증가될 수밖에 없었고, 또는 복수의 처리를 위해 다양한 본딩대상물의 사이즈에 수평적으로 배치된 복수의 플립칩에 단일의 레이저 빔을 동시에 조사하더라도 각각의 플립칩에 충분한 열에너지가 골고루 전달되기는 사실상 어려우므로 여전히 작업시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 본딩 불량률이 개선되기 어려운 문제점이 남아 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로, 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 기판이 일측에서 타측으로 연속적으로 흘러 선형 이송(flow transfer)되면서, 상기 기판에 배치된 전자부품에 둘 이상의 레이저 빔을 분할 또는 중첩 조사함으로써 선형 이송 간 상기 전자부품을 기판에 연속적으로 본딩하는 플로우 레이저 리플로우 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 실시예에 따라, 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 장방형의 기판이 안착되는 캐리어; 상기 캐리어 상방에 구비되어 본딩대상물이 선형 이송되는 동안 본딩대상물에 각각 레이저 빔을 동시 또는 순차적으로 조사함으로써 전자부품을 기판에 본딩하되, 상기 레이저 빔의 형상, 밀도, 및 변위는 서로 독립적으로 제어되는 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈; 및 상기 레이저 헤드 모듈의 일측에 구비되어 기판 상에 조사된 레이저 빔의 온도를 비접촉 방식으로 측정하는 적외선(IR) 카메라;를 포함하여 구성된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 캐리어는 컨베이어 유닛 상에 장착된 상태로 컨베이어 유닛의 구동에 따라 캐리어가 일측에서 타측으로 선형 이송된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈은 X, Y 또는 Z 방향으로 무빙된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 캐리어는 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈의 하방에 위치된 상태에서 더 느려지거나 정지된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 캐리어가 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈의 하방에 위치된 상태에서 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈이 X, Y 또는 Z 방향으로 무빙된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈로부터 레이저 빔이 동시에 조사되고, 상기 각 레이저 빔은 직사각형, 원형, 점 또는 선 형태 중 서로 같거나 다른 모양이 채택된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈의 중앙에는 본딩대상물의 위치를 측정하기 위한 위치 측정 카메라가 더 구비되는 한편, 상기 위치 측정 카메라가 본딩대상물을 감지하면 적외선(IR) 카메라가 본딩대상물의 온도 측정을 시작하고, 상기 제1 및 제2 레이저 헤드 모듈은 적외선(IR) 카메라에서 측정된 온도 데이터와 연동하여 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기를 제어한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈의 하방에는 리플로우 공정 시 발생되는 흄(fume)을 흡입하기 위한 흄 석션 유닛이 연속적으로 배치된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 위치 측정 카메라가 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈의 하방에 본딩대상물의 위치를 감지하면 리플로우 공정 조건에 따라 컨베이어 유닛이 캐리어 및 본딩대상물의 선형 이송 속도를 다르게 제어한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 본딩대상물의 선형 이동 속도는, 위치 측정 카메라가 하방에 본딩대상물의 위치를 감지하면 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈이 본딩대상물에 레이저 빔을 조사함에 따라 더 느려지거나 정지된다.
또한 일 실시예에 따라, 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈에서 조사된 레이저 빔은 적어도 일부가 서로 중첩되도록 본딩대상물에 동시에 조사되고, 상기 레이저 빔이 중첩된 영역은 본딩대상물의 본딩 영역 및 본딩을 위한 온도 조건에 부합되도록 각 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기가 상호 보완적으로 제어된다.
또한 일 실시예에 따라, 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈에서 조사된 레이저 빔은 서로 중첩되지 않도록 본딩대상물의 각각 다른 부분에 동시에 조사되고, 상기 각 레이저 빔이 조사되는 영역은 본딩대상물의 본딩 영역 및 본딩을 위한 온도 조건에 부합되도록 각 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기가 독립적으로 제어된다.
또한 일 실시예에 따라, 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈에서 조사된 레이저 빔은 서로 중첩되도록 본딩대상물의 선형 이송방향을 따라 각각 다른 부분에 동시에 조사되고, 상기 각 레이저 빔이 조사되는 영역은 본딩대상물의 본딩 영역, 이송 속도 및 온도 조건에 부합되도록 각 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기가 상호 보완적으로 제어된다.
또한 일 실시예에 따라, 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈에서 조사된 레이저 빔은 서로 중첩되지 않도록 본딩대상물의 선형 이송방향을 따라 각각 다른 부분에 순차적으로 조사되고, 상기 각 레이저 빔이 조사되는 영역은 본딩대상물의 본딩 영역, 이송 속도 및 온도 조건에 부합되도록 각 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기가 상호 보완적으로 제어된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 캐리어에는 본딩대상물을 진공 흡착하여 고정하는 진공 척이 더 구비된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 캐리어에는 기판을 예열하는 히터가 더 구비됨과 함께 상기 히터는 본딩대상물의 표면 온도를 200℃ 미만으로 유지한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 기판이 일측에서 타측으로 연속적으로 흘러 선형 이송(flow transfer)되는 동안, 상기 기판에 배치된 전자부품에 둘 이상의 레이저 빔을 분할 또는 중첩 조사하여 선형 이송 간 상기 전자부품을 기판에 연속적으로 본딩함으로써 대량 리플로우 처리에 의해 공정시간의 단축 및 생산성이 대폭 개선되는 효과가 있다.
또한 둘 이상의 복수 레이저 헤드 모듈에 의한 레이저 빔의 조사를 각각 설정된 기준값에 의해 순차적으로 분할 또는 중첩시켜 레이저 빔의 밀도를 정밀하게 제어함으로써 기판 상에 배치된 복수의 전자부품의 대량 리플로우 처리 시 발생될 수 있는 일부 솔더의 접촉불량이나 오버플로우와 같은 여러 가지 본딩불량이 대폭 개선되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명 플로우 레이저 리플로우 장치를 전체적으로 보인 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 헤드 모듈 및 다른 부품들의 구성을 보인 요부 확대도
도 3은 본 발명에 따른 레이저 헤드 모듈 구성을 개략적으로 보인 블록 구성도
도 4는 본 발명 레이저 가압 헤드 모듈의 일 실시예에 따른 멀티 레이저 헤드 모듈의 개념도
도 5는 본 발명 레이저 가압 헤드 모듈의 일 실시예에 따른 멀티 레이저 헤드 모듈의 구성도
도 6 내지 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레이저 헤드 모듈에 적용가능한 레이저 광학계의 구성도
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 헤드 모듈로부터 레이저 빔이 조사되는 상태도로서, (a)는 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 완전 중첩되어 조사되는 상태, (b)는 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 일부 중첩되어 조사되는 상태, (c)는 레이저 빔이 본딩대상물의 이송방향을 따라 중첩되지 않고 각각 다른 부분에 조사되는 상태, (d)는 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 중첩되지 않고 나란히 조사되는 상태, (e)는 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 일부 중첩되어 조사되는 상태, (f)는 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향 및 이송방향을 따라 일부 교차 중첩되어 조사되는 상태
11 : 본딩대상물 100 : 캐리어
110 : 히터 200 : 컨베이어 유닛
310 : 제 1 레이저 헤드 모듈 320 : 제 2 레이저 헤드 모듈
410 : 빔 전송 광섬유 420 : 볼록렌즈
430 : 빔 쉐이퍼 510 : 제1 적외선 카메라
520 : 제2 적외선 카메라 600 : 위치 측정 카메라
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 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, 구성요소, 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, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 리플로우 장치를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 플로우 레이저 리플로우 장치를 전체적으로 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 헤드 모듈 및 다른 부품들의 구성을 보인 요부 확대도이며, 도 3은 본 발명에 따른 레이저 헤드 모듈 구성을 개략적으로 보인 블록 구성도이다.
먼저, 본딩대상물(11)인 복수의 전자부품 및 솔더가 배치된 기판이 안착되는 캐리어(100)가 구비된다. 이 때, 상기 캐리어(100)는 본딩대상물(11)인 기판이 단순히 올려져 고정됨없이 안착되는 평판 형태의 플레이트일 수 있으며, 또는 본딩대상물(11)을 보다 흔들림없이 안정적으로 지지하기 위한 진공 흡착 방식의 진공 척 구성이 부가되거나 정전력에 의해 본딩대상물(11)을 부착하는 정전 척 구성 등 다양한 형태로 구현 가능하다. 일 예로, 상기 진공 척 구성이 적용된 캐리어(100)는 상면에 다수의 진공 석션 홀 및 유로(도면 미도시)가 형성되어 있음에 따라 상면에 안착된 본딩대상물(11)을 진공 흡착시켜 고정할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따라, 상기 캐리어(100)의 하부에는 본딩대상물(11)을 일정 온도로 예열하기 위한 히터(110)가 구비될 수 있다. 상기 히터(110)는 본딩대상물(11)이 캐리어(100)에 안착된 상태에서 리플로우 공정을 위해 선형 이송되는 동안 캐리어(100)의 표면 온도를 일 예로 200℃ 미만으로 유지하게 된다.
이 때, 상술한 바와 같이 상기 캐리어(100) 내부에는 히터(110)가 구비될 수 있음에 따라 상기 본딩대상물(11)인 기판, 전자부품 및 솔더를 소정 온도로 계속해서 예열한다. 예컨대, 상기 예열 온도는 솔더의 용융온도 미만으로 설정됨이 바람직하며, 기판 및 전자부품이 일정 시간 이상 노출되어도 열적 데미지가 가해지지 않는 온도범위인 200℃ 미만으로 유지될 수 있다.
만약 상기와 같이 본딩대상물(11)을 예열하지 않는 경우에는 본 공정인 레이저 리플로우 처리 시 레이저 빔의 열에너지만으로 본딩대상물(11)을 상온에서부터 솔더의 용융 온도까지 급속히 가열해야만 하며, 이 경우 급속한 가열로 인해 솔더에 오버플로우와 같은 본딩불량이 야기될 수 있다. 그러므로, 예열 온도에서 솔더의 용융 온도까지 단계적으로 온도를 증가시킴에 따라 솔더가 안정적으로 용융되어 본딩불량이 최소화될 수 있다. 예컨대, 여기서 상기 솔더의 용융 온도는 솔더의 재료에 따라 차이가 있을 수 있으나, 일반적인 솔더 페이스트의 용융 온도인 200℃이상 일 수 있다.
또한, 상기 캐리어(100)는 컨베이어 유닛(200) 상에 일측에서 타측으로 선형이송 가능하게 장착되어 있음에 따라 상기 컨베이어 유닛(200)의 제어에 따라 캐리어(100)의 이송 속도가 제어된다.
한편, 상기 컨베이어 유닛(200)의 상방에는 선형 이송되는 기판, 전자부품 및 솔더의 본딩대상물(11)에 둘 이상의 레이저 빔을 조사함으로써 전자부품을 기판에 본딩하는 복수의 레이저 헤드 모듈(310, 320)이 구비된다.
첨부된 도면의 일 실시예를 참조하면 본 발명의 복수의 레이저 헤드 모듈(310, 320)은, 레이저 빔의 형상, 면적, 밀도 및 변위 등이 서로 독립적으로 제어되는 제1 레이저 헤드 모듈(310) 및 제2 레이저 헤드 모듈(320)의 듀얼 레이저 헤드 모듈로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1 레이저 헤드 모듈(310) 및 제2 레이저 헤드 모듈(320)은 겐트리(도면 미도시)에 장착될 수 있고, 상기 겐트리를 X, Y 또는 Z 방향으로 무빙이 서로 독립적으로 제어될 수 있다.
즉, 본딩대상물(11)이 캐리어에 안착된 상태로 컨베이어 유닛(200)에 의해 선행 이송되는데, 이 때 상기 본딩대상물이 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)의 하방에 위치된 상태에서 필요에 따라 본딩대상물(11)의 선형 이송 속도를 더 느리거나 일시적으로 정지하도록 다르게 제어할 수 있으며, 아울러 상기 본딩대상물(11)의 선형 이송 속도의 제어와 더불어 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)의 X, Y 또는 Z 방향 무빙 제어를 추가할 수 있다.
그러므로, 실제 다양한 솔더 재질과 본딩 면적을 갖는 여러가지 본딩대상물(11)들을 선형 이송 간 불량없이 본딩하기 위해서는 그에 적합한 리플로우 공정 조건을 수립할 필요가 있다. 일례로, 본딩대상물별로 선형 이송 속도의 변화없이 를 선형 이송 속도를 유지하면서 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)로부터 레이저 빔을 조사하여 한번에 본딩이 완료될 수도 있고, 또는 리플로우를 위해 보다 높은 융점까지 승온해야 하거나 본딩 면적이 넓은 경우에는 상기 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)의 하방에서 본딩대상물(11)의 선형 이송 속도를 더 느리게 또는 정지하는 등의 제어가 가능하다.
또한 다른 예로, 본딩대상물(11)의 선형 이송 속도 제어와 함께 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)도 X, Y 또는 Z 방향으로 무빙을 동시에 제어함으로써 다양한 본딩대상물(11)별로 선형 이송간 다양한 리플로우 공정 조건들에 모두 대응할 수 있게 된다.
이하, 상기 제1 및 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)의 자세한 구성에 대해서는 후술하는 도 5 내지 도 9에서 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
또한, 일 실시예에 따라, 상기 레이저 헤드 모듈(310, 320)의 일측에는 본딩대상물(11) 상에 조사된 레이저 빔의 온도를 비접촉 방식으로 측정하는 적외선(IR) 카메라(510, 520)와, 본딩대상물(11)의 위치를 측정하기 위한 위치 측정 카메라(600)가 구비될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따라, 상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320)은 적외선(IR) 카메라(510, 520)에서 측정된 각각의 온도 데이터와 연동하여 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기를 제어할 수 있게 된다.
또한, 일 실시예에 따라, 상기 위치 측정 카메라(600)가 레이저 헤드 모듈(310, 320)의 하방에 위치된 본딩대상물(11)을 감지하면 컨베이어 유닛(200)은 리플로우 공정에 알맞게 캐리어(100)의 이동 속도를 변화시킬 수 있다.
예를 들어, 캐리어(100)이 초기 예열 구간에 있을 때, 즉, 본딩대상물(11)이 캐리어(100) 상에 로딩 및 진공 흡착된 후 레이저 빔이 조사되는 리플로우 구간에 진입하기 전까지는 캐리어(100)의 이송 속도를 빠르게 제어하여 공정시간을 단축할 수 있다.
이 후, 본딩대상물(11)이 예열 구간에서 레이저 빔이 조사되는 리플로우 구간에 진입하면 본딩대상물(11)의 용융점 등을 고려하여 레이저 빔의 밀도 및 세기에 맞추어 캐리어(100)의 이송 속도를 일시 정지하거나 보다 느리게 감속할 수 있다.
또한, 일 실시에에 따라, 상기 레이저 헤드 모듈의 하방에는 리플로우 공정 시 발생되는 흄(fume)을 흡입하기 위한 흄 석션 유닛(700)이 본딩대상물(11)의 이송방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 이와 같이 구성된 본 발명 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치는, 캐리어(100)에 지지되면서 이송되는 본딩대상물(11)에 면 광원 형태의 레이저를 조사하는 제1 및 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)을 도시한다.
상기 제1 및 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)은 레이저 발진기에서 발생되어 광섬유를 통해 전달되는 레이저를 면 광원으로 변환시켜서 본딩대상물(11)에 조사한다.
*상기 레이저 헤드 모듈(310, 320)은 스폿(spot) 형태의 레이저를 면 광원 형태로 변환하는 빔 쉐이퍼(도 4 참조)와, 상기 빔 쉐이퍼의 하부에 배치되며 빔 쉐이퍼에서 출사되는 면 광원이 본딩대상물(11)의 조사영역에 조사되도록 복수의 렌즈모듈이 경통 내부에 서로 적당한 간격을 두고 이격되어 장착되는 광학부(도 4 내지 도 8 참조)를 포함하여 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 레이저 헤드 모듈(310, 320)은 본딩대상물(11)과의 정렬을 위해 z 축을 따라 상승 또는 하강하거나 x 축을 따라 좌, 우 이동하거나 y 축을 따라 이동될 수 있다.
따라서, 본 발명 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치는 본딩대상물(11)이 안착되는 캐리어(100)를 200℃ 미만으로 예열하면서 선형 이송하고, 상기 본딩 대상물(11)의 선형 이송 간에 예열 중인 본딩대상물(11)의 상방에서 레이저 빔을 조사하여 리플로우를 진행함으로써 리플로우 공정의 연속적인 처리에 의해 본딩대상물(11)의 리플로우 공정 택트 타임(tact time)의 단축하여 본딩 작업의 고속화를 실현할 수 있고, 뿐만 아니라 레이저 빔의 지속적인 노출에 의해 본딩대상물(11)에 가해질 수 있는 열적 데미지(예, 기판 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등)를 최소화할 수 있게 된다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 본 발명에 따른 제1 및 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)은 상하, 좌우 방향으로 이송 또는 회전될 수 있는데, 이를 위해 x 축, y 축, 또는 z 축으로 이동가능하고, 각 레이저 헤드 모듈(310, 320)을 회전시킬 수 있도록 지지하는 구성을 포함하는 것으로 해석되어져야 한다.
또한, 상기 제1 및 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)에는 높이 센서로서 리니어 엔코더 등을 포함할 수 있으며, 이를 통해 본딩대상물(11)까지 레이저 빔의 조사거리를 계산하기 위해 높이 위치값을 확인하거나 더 정확한 레이저 빔의 밀도와 세기에 대한 수치를 찾을 수 있는 기술적 데이타를 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 레이저 헤드 모듈의 개념도이다.
상기 도 4를 참조하면, 본 발명은 멀티 레이저 헤드 모듈이 구비될 수 있는데, 일 실시예에 따라, 제1 레이저 헤드 모듈(310)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)의 듀얼 레이저 헤드 모듈로 구성될 수 있다.
따라서, 본딩대상물(11)의 전자부품이 부착되는 위치에서는 제1, 2 레이저 헤드 모듈(310, 320)이 중첩된 상태로 조사됨으로써 균질화된 중첩 레이저 빔이 조사된다.
상기 도 4에서는 제1 레이저 빔이 스퀘어 형상이고 제2 레이저 빔이 원형인 것으로 도시되었으나, 두 레이저 빔이 모두 스퀘어 형상일 수도 있다. 또한, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔은 동시에 조사될 수도 있고, 제1 레이저 빔에 의한 본딩대상물(11)의 예열 후에 제2 레이저 빔이 순차적으로 조사될 수도 있다.
도 5는 도 4의 일 실시예에 따른 멀티 레이저 헤드 모듈의 구성도이다.
도 5에서, 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, ... 330)은 각기 냉각장치(316, 326, 336)를 구비한 레이저 발진기(311, 321, 331), 빔 쉐이퍼(312, 322, 332), 광학렌즈모듈(313, 323, 333), 구동장치(314, 324, 334), 제어장치(315, 325, 335) 및 전원공급부(317, 327, 337)를 포함하여 구성된다.
이하에서는, 필요한 경우를 제외하고는, 중복 설명을 피하기 위해 동일 구성을 갖는 각 레이저 헤드 모듈 중 제1 레이저 헤드 모듈(310)을 위주로 설명한다.
레이저 발진기(311)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 발진기에서 발생하여 광섬유를 통해 전달되는 스폿(spot) 형태의 레이저를 플랫 탑을 가진 면광원(Area Beam) 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 레이저 빔의 형태와 크기를 조정하여 PCB 기판에 장착된 전자부품 내지 조사 구역으로 조사하도록 한다. 광학렌즈모듈은 복수의 렌즈의 결합을 통해 광학계를 구성하는데, 이러한 광학계의 구체적 구성에 대해서는 도 6 내지 도 9를 통해 구체적으로 후술하기로 한다.
구동장치(314)는 조사면에 대해 레이저 헤드 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 헤드 모듈(310) 각 부의 동작을 통합적으로 제어할 수 있다.
한편, 레이저출력조정부(370)는 사용자 인터페이스를 통해 수신한 프로그램 또는 미리 설정된 프로그램에 따라 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)에 대응하는 전원 공급부(317, 327, 337)에서 각 레이저 헤드 모듈로 공급되는 전력량을 제어한다. 레이저출력조정부(370)는 하나 이상의 카메라 모듈(350)로부터 조사면 상에서의 부품별, 구역별 또는 전체 리플로우 상태 정보를 수신하여 이를 토대로 각 전원 공급부(317, 327, 337)를 제어한다. 이와 달리, 레이저출력조정부(370)로부터의 제어정보가 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)의 제어장치(315, 325, 335)로 전달되고, 각 제어장치(315, 325, 335)에서 각기 대응하는 전원공급부(317)를 제어하기 위한 피드백 신호를 제공하는 것도 가능하다. 또한, 도 6과 달리, 하나의 전원 공급부를 통해 각 레이저 헤드 모듈로 전력을 분배하는 것도 가능한데, 이 경우에는 레이저출력조정부(370)에서 전원공급부를 제어해야 한다.
레이저 중첩 모드를 구현하는 경우, 레이저출력조정부(370)는 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)로부터의 레이저 빔이 필요한 빔 형상, 빔 면적 크기, 빔 선명도 및 빔 조사 각도를 갖도록 각 레이저 헤드 모듈 및 전원공급부(317, 327, 337)를 제어한다. 레이저 중첩 모드는 제1 레이저 헤드 모듈(310)을 이용하여 디본딩 대상 위치 주변 영역까지를 예열하고 제2 레이저 헤드 모듈(320)을 이용하여 보다 좁은 리플로우 대상 영역을 추가 가열하는 경우 외에도, 예열 기능 내지 추가 가열 기능을 제1, 2, 3 레이저 헤드 모듈(310, 320, ... 330) 간에 적절하게 분배하여 필요한 온도 프로파일을 갖도록 각 레이저 헤드 모듈을 제어하는 경우에도 적용된다.
한편, 하나의 레이저 광원을 분배하여 각 레이저 헤드 모듈에 입력하는 경우에는 분배된 각 레이저 빔의 출력과 위상을 동시에 조절하기 위한 기능이 레이저출력조정부(370)에 구비될 수 있다. 이러한 경우에는, 각 레이저 빔 간에 상쇄 간섭을 유도하도록 위상을 제어하여 빔 평탄도를 현저하게 개선할 수 있으며 이에 따라 에너지 효율이 더욱 증가하게 된다.
한편, 복수 위치 동시 가공 모드를 구현하는 경우에는, 레이저출력조정부(370)가 각 레이저 헤드 모듈로부터의 레이저 빔의 일부 또는 전부가 상이하도록 각 레이저 빔의 빔 형상, 빔 면적 크기, 빔 선명도, 빔 조사 각도 및 빔 파장 중 하나 이상을 제어한다. 이 때에도, 하나의 레이저 광원을 분배하여 각 레이저 헤드 모듈에 입력하는 경우에는 분배된 각 레이저 빔의 출력과 위상을 동시에 조절하기 위한 기능이 레이저출력조정부(370)에 구비될 수 있다.
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 헤드 모듈 별로 서로 다른 파장을 가진 레이저 빔을 방출하도록 하는 경우에는, 레이저 헤드 모듈은 전자부품에 포함된 복수의 재료층(예: EMC층, 실리콘층, 솔더층)이 각기 잘 흡수하는 파장을 갖는 개별 레이저 헤드 모듈로 구성될 수 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 레이저 리플로우 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.
한편, 이상의 기능을 활용하여 적어도 하나의 제 1 레이저 빔에 의해 리플로우 대상 전자부품 영역과 그 주변을 포함하는 본딩대상물의 일정 구역이 소정의 예열 온도까지 예열된 후, 적어도 하나의 제 2 레이저 빔에 의해 리플로우 대상 전자부품 영역의 온도가 솔더의 용융이 일어나는 리플로우 온도까지 선택적으로 가열되어진다.
도 6 내지 도 9는 본 발명 레이저 리플로우 방법의 싱글 레이저 빔 또는 멀티 레이저 헤드 모듈에 적용가능한 레이저 광학계의 구성도이다.
도 6은 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 플랫 탑(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.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성도이다.
빔 쉐이퍼(430)로부터의 면광원(B1)이 오목 렌즈(440)를 통해 소정의 크기로 확대되어 제1 결상면(S1)에 조사되는 면광원(B2)이 된다. 이 면광원(B2)을 더욱 확대하여 사용하고자 하는 경우에는 추가 확대에 따라 면광원(B2)의 에지(edge) 부분의 경계가 더 불분명해 질 수 있으므로, 최종 조사면이 제2 결상면(S2)에서도 에지가 명확한 조사광을 얻기 위해서, 제1 결상면(S1)에 마스크(450)를 설치하여 에지를 트리밍한다.
마스크(450)를 통과한 면광원은 하나 이상의 볼록렌즈와 오목 렌즈의 조합으로 구성되는 줌 렌즈 모듈(460)을 통과하면서 원하는 크기로 축소(또는 확대) 조정되어 전자부품이 배치된 제2 결상면(S2)에 사각형 조사광(B3)을 형성한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성도이다.
빔 쉐이퍼(430)로부터의 정사각형 면광원(C1)이 오목 렌즈(440)를 통해 소정의 크기로 확대된 후, 적어도 한쌍의 원통형 렌즈(470)를 지나면서 예컨대 x축 방향으로 확대(또는 축소)(C2)되고 다시 적어도 한쌍의 원통형 렌즈(480)를 지나면서 예컨대 y축 방향으로 축소(또는 확대)되어 직사각형 형상의 면광원(C3)으로 변환된다.
여기서, 원통형 렌즈는 원기둥 형상을 길이방향으로 절단한 형태로서 각 렌즈가 상하 방향으로 배치되는 형태에 따라 레이저 빔을 확장 또는 축소시키는 기능을 하며, 원통형 렌즈가 배치된 표면 상에서의 렌즈가 x, y 축 방향으로 배치되는 형태에 따라 레이저 빔을 x축 또는 y축 방향으로 조절한다.
이어서, 면광원(C3)은 하나 이상의 볼록렌즈와 오목 렌즈의 조합으로 구성되는 줌 렌즈 모듈(460)을 통과하면서 원하는 크기로 확대(또는 축소) 조정되어 전자부품이 배치된 제2 결상면(S2)에 직사각형 조사광(C4)을 형성한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성도이다.
도 9의 광학계는 도 8의 광학계에 마스크를 적용하여 레이저 빔의 에지를 트리밍하는 구성이 추가된 것으로서, 도 8의 경우에 비해 보다 선명한 에지를 가진 최종 면광원(D5)을 얻을 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 헤드 모듈로부터 레이저 빔이 조사되는 상태도로서, 이하 도 10을 참조하여 각 레이저 빔이 본딩대상물 위에 조사되는 상태별로 선형 이송 간 레이저 리플로우가 진행되는 과정에 대해 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 10a는, 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 완전 중첩되어 조사되는 상태이다. 제1 레이저 헤드 모듈(310)로부터 조사된 제1 레이저 빔(LB1)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)로부터 조사된 제2 레이저 빔(LB2)이 본딩대상물(11) 상에서 동시에 조사될 때 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 완전 중첩될 수 있다. 여기서, 완전 중첩이란 어느 하나의 레이저 빔이 다른 하나의 레이저 빔에 완전히 속하는 상태를 말한다.
이에 따라 상기 중첩된 영역(OA)에서는 레이저 빔의 밀도, 세기 및 온도가 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2) 각각 보다 높게 형성됨이 예측 가능하다. 즉, 제1 레이저 헤드 모듈(310)이 본딩대상물(11)을 미리 가열하기 위한 레이저 빔(LB1)을 조사하고, 제2 레이저 헤드 모듈(320)은 본딩을 위한 레이저 빔(LB2)을 조사할 수 있으며, 상기 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2)의 밀도, 세기 및 온도 조건은 리플로우 공정 시 본딩대상물의 물성이나 본딩 영역에 따라 각각 상호 보완적으로 제어될 수 있다.
이렇게 중첩을 통한 레이저 빔 조사는 실제 본딩을 위해 한번에 강한 레이저 빔을 조사하는 경우와 대비하여 미리 가열된 본딩대상물과의 온도 편차를 줄일 수 있고, 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등의 열적 데미지를 최소화할 수 있게 된다.
한편, 일 실시예에 따라, 상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320)로부터 조사된 레이저 빔(LB1, LB2)의 형상은 모두 직사각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정된 것은 아니며 정사각형, 원형, 점 또는 선 형태 등 본딩대상물 및 리플로우 처리의 공정 조건에 따라서 두 레이저 빔이 같거나 다른 형태로 다양하게 가변될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 일부 중첩되어 조사되는 상태이다. 제1 레이저 헤드 모듈(310)로부터 조사된 제1 레이저 빔(LB1)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)로부터 조사된 제2 레이저 빔(LB2)이 본딩대상물(11) 상에서 조사될 때 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 완전 중첩될 수 있다. (도 10a보다는 중첩 영역이 작음) 여기서, 완전 중첩이란 어느 하나의 레이저 빔이 다른 하나의 레이저 빔에 완전히 속하는 상태를 말한다.
이에 따라 상기 중첩된 영역(OA)에서는 레이저 빔의 밀도 및 세기가 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2) 각각 보다 높게 형성됨이 예측 가능하다. 즉, 제1 레이저 헤드 모듈(310)이 본딩대상물(11)을 미리 가열하기 위한 레이저 빔(LB1)을 조사하고, 제2 레이저 헤드 모듈(320)은 본딩을 위한 레이저 빔(LB2)을 조사할 수 있으며, 상기 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2)의 밀도, 세기 및 온도 조건은 리플로우 공정 시 본딩대상물의 물성이나 본딩 영역에 따라 각각 상호 보완적으로 제어될 수 있다.
이렇게 중첩을 통한 레이저 빔 조사는 실제 본딩을 위해 한번에 강한 레이저 빔을 조사하는 경우와 대비하여 미리 가열된 본딩대상물(11)과의 온도 편차를 줄일 수 있고, 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등의 열적 데미지를 방지할 수 있게 된다.
한편, 일 실시예에 따라, 상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320)로부터 조사된 레이저 빔(LB1, LB2)의 형상은 모두 직사각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정된 것은 아니며 정사각형, 원형, 점 또는 선 형태 등 본딩대상물(11) 및 리플로우 처리의 공정 조건에 따라서 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 같거나 다른 형태로 다양하게 가변될 수 있다.
도 10c를 참조하면, 레이저 빔이 본딩대상물의 이송방향을 따라 중첩되지 않고 각각 다른 부분에 조사되는 상태이다. 제1 레이저 헤드 모듈(310)로부터 조사된 제1 레이저 빔(LB1)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)로부터 조사된 제2 레이저 빔(LB2)이 본딩대상물(11) 상에서 조사될 때 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 중첩되지 않고 본딩대상물(11)의 이송방향을 따라 순차적으로 각각 다른 부분에 조사될 수 있다.
즉, 제1 레이저 헤드 모듈(310)은 본딩대상물(11)을 미리 가열하기 위한 레이저 빔(LB1)을 조사하고, 제2 레이저 헤드 모듈(320)은 선형 이송되는 본딩대상물(11)의 상기 미리 가열된 부분에 본딩을 위한 레이저 빔(LB2)을 연속해서 조사할 수 있으며, 상기 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2)의 밀도, 세기 및 온도 조건은 리플로우 공정 시 본딩대상물(11)의 물성이나 본딩 영역, 캐리어(100)의 이송 속도에 따라 각각 상호 보완적으로 제어될 수 있다.
이렇게 선형 이송되는 본딩대상물(11)에 레이저 빔을 순차적으로 조사함으로써 실제 본딩을 위해 한번에 강한 레이저 빔을 조사하는 경우와 대비하여 미리 가열된 본딩대상물(11)과의 온도 편차를 줄일 수 있고, 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등의 열적 데미지를 방지할 수 있게 된다.
한편, 일 실시예에 따라, 상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320)로부터 조사된 레이저 빔(LB1, LB2)의 형상은 모두 직사각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정된 것은 아니며 정사각형, 원형, 점 또는 선 형태 등 본딩대상물(11) 및 리플로우 처리의 공정 조건에 따라서 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 같거나 다른 형태로 다양하게 가변될 수 있다.
도 10d를 참조하면, 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 중첩되지 않고 나란히 조사되는 상태이다. 제1 레이저 헤드 모듈(310)로부터 조사된 제1 레이저 빔(LB1)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)로부터 조사된 제2 레이저 빔(LB2)이 본딩대상물(11) 상에서 조사될 때 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 중첩되지 않고 각각 폭방향으로 나란하게 다른 부분에 조사될 수 있다.
즉, 제1 레이저 헤드 모듈(310)은 본딩대상물(11)의 왼쪽 영역에 레이저 빔(LB1)을 조사하고, 제2 레이저 헤드 모듈(320)은 본딩대상물(11)의 오른쪽 영역에 본딩을 위한 레이저 빔(LB2)을 분할하여 조사할 수 있으며, 상기 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2)의 밀도, 세기 및 온도 조건은 리플로우 공정 시 본딩대상물(11)의 물성이나 본딩 영역에 따라 각각 독립적으로 제어될 수 있다.
이렇게 선형 이송되는 본딩대상물(11)에 레이저 빔을 각각 분할하여 조사함으로써 실제 본딩을 위해 한번에 강한 레이저 빔을 조사하는 경우와 대비하여 본딩대상물(11)의 영역별 온도 편차를 보상할 수 있고, 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등의 열적 데미지를 방지할 수 있게 된다.
한편, 일 실시예에 따라, 상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320)로부터 조사된 레이저 빔(LB1, LB2)의 형상은 모두 직사각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정된 것은 아니며 정사각형, 원형, 점 또는 선 형태 등 본딩대상물 및 리플로우 처리의 공정 조건에 따라서 두 레이저 빔이 같거나 다른 형태로 다양하게 가변될 수 있다.
도 10e를 참조하면, 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 일부 중첩되어 조사되는 상태이다. 제1 레이저 헤드 모듈(310)로부터 조사된 제1 레이저 빔(LB1)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)로부터 조사된 제2 레이저 빔(LB2)이 본딩대상물(11) 상에서 조사될 때 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 일부 중첩될 수 있다. 여기서, 일부 중첩이란 어느 하나의 레이저 빔이 다른 하나의 레이저 빔에 일부가 속하는 상태를 말한다.
이에 따라 상기 중첩된 영역(OA)에서는 레이저 빔의 밀도 및 세기가 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2) 각각 보다 높게 형성됨이 예측 가능하다. 즉, 제1, 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)이 본딩대상물(11)을 미리 가열하기 위한 레이저 빔을 각각 조사하고, 상기 중첩된 영역(OA)에서 실제 본딩이 이루어질 수 있다.
상기 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2)의 밀도, 세기 및 온도 조건은 리플로우 공정 시 본딩대상물의 물성이나 본딩 영역에 따라 각각 상호 보완적으로 제어될 수 있다.
이렇게 중첩을 통한 레이저 빔 조사는 본딩을 위해 한번에 강한 레이저 빔을 조사하는 경우와 대비하여 중첩된 영역에서만 본딩이 일어나므로 본딩대상물(11)의 영역별 온도 편차를 보상할 수 있고, 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등의 열적 데미지를 방지할 수 있게 된다.
한편, 일 실시예에 따라, 상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320)로부터 조사된 레이저 빔(LB1, LB2)의 형상은 모두 직사각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정된 것은 아니며 정사각형, 원형, 점 또는 선 형태 등 본딩대상물 및 리플로우 처리의 공정 조건에 따라서 두 레이저 빔이 같거나 다른 형태로 다양하게 가변될 수 있다.
도 10f를 참조하면, 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향 및 이송방향을 따라 일부 교차 중첩되어 조사되는 상태이다. 제1 레이저 헤드 모듈(310)로부터 조사된 폭방향의 제1 레이저 빔(LB1)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)로부터 조사된 이송방향의 제2 레이저 빔(LB2)이 본딩대상물(11) 상에서 조사될 때 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 일부 교차 중첩될 수 있다. 여기서, 일부 교차 중첩이란 어느 하나의 레이저 빔이 다른 하나의 레이저 빔을 교차하면서 일부가 속하는 상태를 말한다.
이에 따라 상기 교차 중첩된 영역(OA)에서는 레이저 빔의 밀도 및 세기가 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2) 각각 보다 높게 형성됨이 예측 가능하다. 즉, 제1, 제2 레이저 헤드 모듈(310, 320)이 본딩대상물(11)을 미리 가열하기 위한 레이저 빔(LB1, LB2)을 각각 조사하고, 상기 교차 중첩된 영역(OA)에서 실제 본딩이 이루어질 수 있다.
상기 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2)의 밀도, 세기 및 온도 조건은 리플로우 공정 시 본딩대상물의 물성이나 본딩 영역에 따라 각각 상호 보완적으로 제어될 수 있다.
이렇게 중첩을 통한 레이저 빔 조사는 본딩을 위해 한번에 강한 레이저 빔을 조사하는 경우와 대비하여 중첩된 영역에서만 본딩이 일어나므로 본딩대상물(11)의 영역별 온도 편차를 보상할 수 있고, 또한 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등의 열적 데미지를 방지할 수 있게 된다.
한편, 일 실시예에 따라, 상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320)로부터 조사된 레이저 빔(LB1, LB2)의 형상은 모두 직사각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정된 것은 아니며 정사각형, 원형, 점 또는 선 형태 등 본딩대상물(11) 및 리플로우 처리의 공정 조건에 따라서 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 같거나 다른 형태로 다양하게 가변될 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 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 구성의 부가 및 삭제, 변형이 가능한 것임을 명시하는 바이다.

Claims (16)

  1. 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 기판이 안착되는 캐리어;
    상기 캐리어 상방에 구비되어 본딩대상물이 선형 이송되는 동안 본딩대상물에 각각 레이저 빔을 동시 또는 순차적으로 조사함으로써 전자부품을 기판에 본딩하되, 상기 레이저 빔의 형상, 밀도, 및 변위는 서로 독립적으로 제어되는 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈; 및
    상기 레이저 헤드 모듈의 일측에 구비되어 기판 상에 조사된 레이저 빔의 온도를 비접촉 방식으로 측정하는 적외선(IR) 카메라;를 포함하는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어는 컨베이어 유닛 상에 장착된 상태로 컨베이어 유닛의 구동에 따라 캐리어가 일측에서 타측으로 선형 이송되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈은 X, Y 또는 Z 방향으로 무빙되는,
    빙선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 캐리어는 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈의 하방에 위치된 상태에서 상기 레이저 빔의 조사 시간 동안 이송 속도가 더 느려지거나 정지되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐리어가 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈의 하방에 위치된 상태에서 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈이 X, Y 또는 Z 방향으로 무빙되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈로부터 레이저 빔이 동시에 조사되고, 상기 각 레이저 빔은 직사각형, 원형, 점 또는 선 형태 중 서로 같거나 다른 모양이 채택되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈의 중앙에는 본딩대상물의 위치를 측정하기 위한 위치 측정 카메라가 더 구비되는 한편, 상기 위치 측정 카메라가 본딩대상물을 감지하면 적외선(IR) 카메라가 본딩대상물의 온도 측정을 시작하고, 상기 제1 및 제2 레이저 헤드 모듈은 적외선(IR) 카메라에서 측정된 온도 데이터와 연동하여 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기를 제어하는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈의 하방에는 리플로우 공정 시 발생되는 흄(fume)을 흡입하기 위한 흄 석션 유닛이 연속적으로 배치되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치 측정 카메라가 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈의 하방에 본딩대상물의 위치를 감지하면 리플로우 공정 조건에 따라 컨베이어 유닛이 캐리어 및 본딩대상물의 선형 이송 속도를 다르게 제어하는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 본딩대상물의 선형 이동 속도는,
    위치 측정 카메라가 하방에 본딩대상물의 위치를 감지하면 제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈이 본딩대상물에 레이저 빔을 조사함에 따라 더 느려지거나 정지되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈에서 조사된 레이저 빔은 적어도 일부가 서로 중첩되도록 본딩대상물에 동시에 조사되고, 상기 레이저 빔이 중첩된 영역은 본딩대상물의 본딩 영역 및 본딩을 위한 온도 조건에 부합되도록 각 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기가 상호 보완적으로 제어되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈에서 조사된 레이저 빔은 서로 중첩되지 않도록 본딩대상물의 각각 다른 부분에 동시에 조사되고, 상기 각 레이저 빔이 조사되는 영역은 본딩대상물의 본딩 영역 및 본딩을 위한 온도 조건에 부합되도록 각 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기가 독립적으로 제어되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  13. 제 7 항에 있어서,
    제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈에서 조사된 레이저 빔은 서로 중첩되도록 본딩대상물의 선형 이송방향을 따라 각각 다른 부분에 동시에 조사되고, 상기 각 레이저 빔이 조사되는 영역은 본딩대상물의 본딩 영역, 이송 속도 및 온도 조건에 부합되도록 각 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기가 상호 보완적으로 제어되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  14. 제 7 항에 있어서,
    제1 레이저 헤드 모듈 및 제2 레이저 헤드 모듈에서 조사된 레이저 빔은 서로 중첩되지 않도록 본딩대상물의 선형 이송방향을 따라 각각 다른 부분에 순차적으로 조사되고, 상기 각 레이저 빔이 조사되는 영역은 본딩대상물의 본딩 영역, 이송 속도 및 온도 조건에 부합되도록 각 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기가 상호 보완적으로 제어되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어에는 본딩대상물을 진공 흡착하여 고정하는 진공 척이 더 구비되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어에는 기판을 예열하는 히터가 더 구비됨과 함께 상기 히터는 본딩대상물의 표면 온도를 200℃ 미만으로 유지하는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 장치.
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