JP2020044576A - ミクロンレベルの厚さを有する電子部品のレーザーリフロー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ付けボンディングの接着不良を防止する。【解決手段】本発明のレーザーリフロー装置は、ステージ１１０上に配置された基板１２０に電子部品１３０をリフローイングするためのレーザーリフロー装置として、前記電子部品が配置された基板の少なくとも一部の区域にフラットトップ出力プロファイルを有するレーザービームを照射するためのレーザーモジュール１００を複数設けて構成されるレーザー照射部、前記レーザービームによる前記電子部品のリフローイング工程を撮影するため少なくとも一つのカメラモジュール１４０で構成されるカメラ部、および前記カメラ部からの出力信号に基づき、前記レーザー照射部の各レーザーモジュールを独立的にコントロールするための制御信号を生成して前記レーザー照射部に伝えるレーザー出力調整部。【選択図】図１

Description

本発明は、ミクロンレベルの厚さを有する電子部品のマルチレーザーリフロー装置及び方法に関する。

産業用レーザー加工において、ミクロン（μｍ）レベルの精密度を有する応用分野がミクロンレーザープロセシングであるが、半導体産業、ディスプレー産業、印刷回路基板（ＰＣＢ）産業、スマートフォン産業などで広く用いられている。全ての電子機器に用いられるメモリーチップは、集積度と性能および超高速の通信速度を実現するため、回路の間隔を最小限に縮小する技術が発展した。しかし、回路の線幅と線幅の間隔を縮小するだけでは要求される技術の水準まで達することが難しく、もはや、メモリーチップを垂直方向へと積み重ねる水準まで達している。すでに１２８層まで積み重ねる技術がＴＳＭＣ社から開発された。７２層まで積み重ねる技術は既に、三星、ＳＫハイニックスなどの韓国企業で大量生産工程に適用している。また、メモリーチップ、マイクロプロセッサーチップ、グラフィックプロセッサーチップ、無線プロセッサーチップ、センサープロセッサーチップなどを一つのパッケージに実装しようとする技術の開発に励み、相当の水準の技術が既に現場で活用されている。

しかし、前述の技術の開発過程において超高速・超高容量の半導体チップの内部で、より多くの電子が信号処理プロセスに用いられるため、電力消費が多くなる。それで、発熱による冷却処理が問題となる。また、より多くの信号を超高速・超高周波で処理することが求められるため、大量の電気信号を超高速で伝えなければならないという問題が提起された。また、信号線が多くなり、半導体チップの外部からの信号インターフェースの線は、それ以上一次元的なリード線方式では処理できず、半導体チップの下部から二次元的に処理するボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）方式（Ｆａｎ−Ｉｎ ＢＧＡまたはＦａｎ−ｉｎ Ｗａｆｅｒ−Ｌｅｖｅｌ−Ｐａｃｋａｇｅ（ＦＩＷＬＰ）と称する）と、チップの下部の超微細なＢＧＡ層の下に信号配線の再配列層（Ｓｉｇｎａｌ Ｌａｙｏｕｔ Ｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）をおいて、その下部に２次微細ＢＧＡ層を設ける方式（Ｆａｎ−Ｏｕｔ ＢＧＡまたはＦａｎ−Ｏｕｔ Ｗａｆｅｒ−Ｌｅｖｅｌ−Ｐａｃｋａｇｅ（ＦＯＷＬＰ）または、Ｆａｎ−Ｏｕｔ Ｐａｎｅｌ−Ｌｅｖｅｌ−Ｐａｃｋａｇｅと称する）が実際に適用されている。

最近、半導体チップの場合、ＥＭＣ（Ｅｐｏｘｙ−Ｍｏｌｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）層を含み、厚さが２００μｍ以下の製品が登場している。このように厚さが数百ミクロンにすぎないミクロンレベルの超軽薄半導体チップを超軽薄ＰＣＢに付着するために、既存の表面装着技術（ＳＭＴ）の標準工程であるサーマルリフローオーブン（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｆｌｏｗ Ｏｖｅｎ）技術のようなマスリフロー（ＭＲ）工程を適用すると、数百秒の時間の間１００〜３００℃の空気温度の環境の中で半導体チップが露出されるので、熱膨張係数（ＣＴＥ；Ｃｏｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）の差によりチップ枠の歪み（Ｃｈｉｐ−Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｗａｒｐａｇｅ）、ＰＣＢ枠の歪み（ＰＣＢ−Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｗａｒｐａｇｅ）、熱衝撃によるランダムボンディング不良（Ｒａｎｄｏｍ−Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｆａｉｌｕｒｅ ｂｙ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｈｏｃｋ）など、さまざまな形のはんだ付けボンディングの接着不良が生じる恐れがある。

そこで、超軽薄半導体チップを超軽薄ＰＣＢに実装するため、局所加熱（Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｈｅａｔｉｎｇ）技術が開発された。その中で代表的なものが発熱パッド圧着加熱方式のＢＧＡはんだ付け技術と四角のレーザービームを照射することによる吸収加熱方式のＢＧＡはんだ付けの技術である。発熱パッド圧着加熱方式のＢＧＡはんだ付け技術は、電気消費が多く、発熱パッドを高熱のまま維持しなければならないという短所のほか、接触式熱伝達の技術を基にしているため、固体熱伝導→熱吸収→二次熱伝達→温度維持→熱衝撃を受けない低速冷却プロセスが最適な状況の下で行われるべきだが、発熱パッドと半導体素子の熱膨張係数の差により生じられる熱衝撃による素子損傷（Ｃｈｉｐ Ｄａｍａｇｅ ｂｙ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｈｏｃｋ）を防止するためには、プロセスの速度を高速化することができないという欠点があった。

一方、レーザーリフロー（ＬＲ；Ｌａｓｅｒ Ｒｅｆｌｏｗ）プロセス技術は、非接触式であるという長所を有し、レーザー光が直接半導体チップに吸収される方法が一次的な熱吸収メカニズムであるため、熱膨張係数の差による熱衝撃がないという長所があり、極めて局所の加熱を必要な時間だけ行うことによって、電力消費の低減、入熱量の最小化、プロセス時間の短縮などの長所を有している。

しかし、既存のレーザーリフロー（ＬＲ；Ｌａｓｅｒ Ｒｅｆｌｏｗ）のプロセス技術は、最近要求されている大量生産型・大面積加工の工程に適用する際には多くの問題を抱えている。先ず、大面積のレーザーリフローにおいても単位面積当たりのレーザー出力パワーは、小面積レーザーリフローと同様に要求されるため、大面積加工のために必要な全体のレーザー出力パワーが算式に増大し、そのため、高出力レーザーを用いなければならない。

しかし、高出力レーザーはコストが高く（Ｈｉｇｈ Ｃｏｓｔ）、高い平均出力（Ｈｉｇｈ Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ）をもたらすためには、高出力のパワー供給装置（Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）を必要とする。それに、散乱・回折による周辺装置への吸収パワーを無視できない短所がある。また、レーザービームの出力を平坦にするためのビーム均一化光学系（Ｂｅａｍ Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ）の技術的な限界によりビーム平坦度が大体１０％の線で留まり、それ以上減少するのは難しい現状である。それで、ビームの平坦な領域内での最低出力ラインに合わせてレーザーを加工する場合、約１０％のレーザー出力の損失は避けられないし、さらに、通常のマスリフロー（ＭＲ）と競争するためには、大面積の基板上の超軽薄半導体チップの加工の際にも大面積基板全体の温度偏差を３〜４℃以下に維持しなければならない。しかし、それを達成することは不可能である。

従って、レーザーリフロー方式のこのような短所によって、マスリフロー方式にいろいろな短所が存在するにも関わらず、いまだにレーザーリフロー方式がマスリフロー方式に代わることの出来ないのが現況である。このような状況は、大面積加工分野や高出力レーザーを必要とする分野において特に多い。

韓国特許第１０−２０１７−０１４１８６５号

本発明は、前述の背景を基に提案されたもので、本発明は、マスリフロー方式の短所であるチップ枠の歪み、基板枠の歪み、熱衝撃によるランダムボンディング不良など、さまざまな形のはんだ付けボンディングの接着不良を防止できるレーザーリフロー装置と方法に関する。

また、本発明は、発熱パッドの圧着過熱方式のＢＧＡはんだ付け技術の短所である熱衝撃による素子損傷およびそれに伴うプロセス低速化問題を解決できるレーザーリフロー装置と方法に関する。

また、本発明は、大面積加工の際、高出力レーザー用いることによる高費用、高出力パワー供給装置の使用、周辺装置からのパワー吸収などの問題を解決できるレーザーリフロー装置と方法に関する。

また、本発明は、レーザービームの均一化と光学系の技術的な限界によるビーム平坦度問題およびそれに伴うレーザー出力損失問題を解決できるレーザーリフロー装置と方法に関する。

また、本発明は、超軽薄半導体チップの加工の際にも大面積基板全体の温度偏差を３〜４℃以下に維持でき、既存のマスリフロー工程を完全に替えることのできるレーザーリフロー装置と方法に関する。

また、本発明は、複数のレーザービームを区別された非加工面に照射して、同時に多数の位置からリフロー工程を行うことのできるレーザーリフロー装置と方法に関する。

前述の目的を達成するため、本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置は、ステージ上に配置された基板に電子部品をリフローイングするためのレーザーリフロー装置として、前記電子部品が配置された基板の少なくとも一部の区域にフラットトップ出力プロファイルを有するレーザービームを照射するためのレーザーモジュールを複数設けて構成されるレーザー照射部、前記レーザービームによる前記電子部品のリフローイング過程を撮影するため、少なくとも一個のカメラモジュールで構成されるカメラ部、および前記カメラ部からの出力信号に基づき、前記レーザー照射部のレーザーモジュールを独立的にコントロールするための制御信号を生成して、前記レーザー照射部に伝えるレーザー低出力コントロール部を含む。

また、前記レーザーモジュールは、最大出力が同じで、それぞれのレーザーモジュールから照射されるレーザービームは、ビームの形とビームの面積および照射する領域が同一の形で積み重なる。

また、積み重なる前記レーザービームは、波長が同一で、個別空間的な位置からのビーム強度の高低（ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ ｐｅａｋ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｔ ｅａｃｈ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｂｅａｍ ｐｒｏｆｉｌｅ）がランダムに相違し、大体の前記照射する領域から相互間に平坦度が改善される方向へと空間的なビーム強度の平坦化のための積み重なりが起こる。

また、前記レーザーモジュールは、相互対称に配置される。また、前記レーザービームは、同一のビームの照射角度を有する。

前記レーザーモジュールに内蔵された光学系は、ビームシェーパー、少なくとも一組の円筒型レンズ、前記少なくとも一組の円筒型レンズと直角方向に配置された他の少なくとも一組の円筒型レンズ、および一つ以上の凸レンズと一つ以上の凹レンズの組合せで構成されるズームレンズモジュールを含む。

また、前記円筒型レンズなどは、単一軸（ｓｉｎｇｌｅ ａｘｉｓ）用のマイクロレンズアレイ（Ｍｉｃｒｏ Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ；ＭＬＡ）型の円筒型のレンズの場合もある。

本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置は、それぞれのレーザーモジュールから照射されるレーザービームのビームの形とビームの面積および照射する領域の内、少なくとも一つが互いに相違する。

本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置は、応用セットアップに伴い、それぞれのレーザーモジュールから照射されるレーザービームの内、一部は、ビームの形とビームの面積および照射する領域が同一に相互積み重なる。また、他の一部はビームの形とビームの面積および照射する領域の内、少なくとも一つが互いに相違して配置できる。

一方、前記目的を達成するための本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー方法は、ステージ上に配置された基板に電子部品をリフローイングするために複数のレーザーモジュールで構成されるレーザー照射部を用いるレーザーリフロー方法として、前記複数のレーザーモジュールがレーザービームを前記電子部品が配置された区域に照射する段階、少なくとも一つのカメラモジュールを用いて前記レーザービームによる前記電子部品のリフローイング工程を撮影する段階、および前記カメラ部からの出力信号に基づき、前記レーザー照射部のレーザーモジュールを独立的にコントロールするための制御信号を生成して前記レーザー照射部に伝える段階を含む。

前記レーザービームを照射する段階は、前記レーザーモジュールの出力を同一にし、それぞれのレーザーモジュールから照射されるレーザービームの形とビームの面積および照射する領域が同一になるように前記レーザービームを積み重ねる段階である。

前記レーザービームを照射する段階において、前記レーザービームの波長が同一であり、個別空間的な位置からのビーム強度の高低（ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ ｐｅａｋ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｔ ｅａｃｈ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｂｅａｍ ｐｒｏｆｉｌｅ）がランダムに相違して、大体の前記照射する領域で相互間に平坦度が改善される方向へと空間的なビーム強度の平坦化のための積み重なりを起こす。その時、平坦化のために積み重なる際、レーザービームの位置別に時間が経つに連れ起こる微細な出力バンプは、ランダムにレーザービーム強度の高低が形成されるため、多数のレーザービームが積み重なると位置ごとのピーク値が平坦化される方向へと増し、ビームの平坦度（Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｆｌａｔｎｅｓｓ）が改善される。

前述のように、本発明に係るミクロンレベルの厚さを有する電子部品についての選択的レーザーリフローシステムは次のような効果がある。

本発明によるレーザーリフローシステムは、マスリフロー方式の短所であるチップ枠の歪み、基板枠の歪み、熱衝撃によるランダムボンディングの不良など多様な形のはんだ付けボンディングの接着不良を防止できる。

また、本発明によるレーザーリフローシステムは、発熱パッドの圧着加熱方式のＢＧＡはんだ付け技術の短所である熱衝撃による素子損傷およびそれに伴うプロセスの低速化問題を解決できる。

また、本発明によるレーザーリフローシステムは、大面積の加工の際、高出力レーザー使用による高費用、高出力パワー供給装置の使用、周辺の装置からのパワー吸収などの問題を解決できる。

また、本発明によるレーザーリフローシステムは、レーザービームの均一化光学系の技術的な限界によるビーム平坦度問題およびそれに伴うレーザー出力の損失問題を解決できる。

また、本発明によるレーザーリフローシステムは、超軽薄半導体チップの加工の際も大面積の基板全体の温度偏差を３〜４℃以下に維持できて、既存のマスリフロー工程を完全に替えることができる。

また、本発明によるレーザーリフローシステムは、単一高出力レーザービームを用いる場合に比べて、電源供給装置と冷却装置の安定的な駆動が可能になり、全体消耗電力量を節約することができ、製造コストおよび故障率が低く、装備の購入費用と保管費用などのメンテナンス費用の節約ができる。

また、本発明は、空間的および時間的なビームの平坦度の向上により、工程の温度安定性が高くなり、投入エネルギーを節減できるし、大面積の加工の際もマスリフローチャンバーで要求される温度安定性の仕様を満足できる。

また、本発明は、複数のレーザービームが照射する面に傾いて照射されてもレーザービームの照射する方向を対称に設定することによって、照射する面に照射されるレーザービームの傾きによる非対称性が改善乃至相殺される。

また、本発明は、複数のレーザービームを区別された非加工面に照射して、同時に多数の位置からリフロー工程を行うことができる。

従来の技術に係るレーザーリフロー装置の例示図である。 従来の技術に係るレーザーリフロー装置のレーザービーム出力プロファイルの例示図である。 本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置の例示図である。 本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置でのレーザービーム出力プロファイルの例示図である。 本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置でのレーザーの積み重ねモードの概念図である。 本発明の一実施形態に係るレーザーの積み重ねモードから４本のレーザービームを積み重ねた場合のレーザービーム出力プロファイルの例示図である。 図６のレーザービーム出力プロファイルに対応するレーザービーム出力の実験結果表である。 本発明の一実施形態に係るレーザーの積み重ねモードから８本のレーザービームを積み重ねた場合のレーザービーム出力プロファイル例示図である。 本発明の一実施形態に係るレーザーの積み重ねモードから１６本のレーザービームを積み重ねた場合のレーザービームの出力プロファイルの例示図である。 本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置での複数の位置で同時に加工するモードの概念図である。 本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置の構成図である。 本発明の第一実施形態に係るレーザー光学系を示す構成図である。 本発明の第二実施形態に係るレーザー光学系を示す構成図である。 本発明の第三実施形態に係るレーザー光学系を示す構成図である。 本発明の第四実施形態に係るレーザー光学系を示す構成図である。

本発明において用いた用語は、ただ特定の実施例を説明するために用いられたもので、本発明を限定する意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味を有しない限り、複数の表現を含む。本明細書で‘含む’または‘有する’乃至‘設ける’などの用語は本明細書に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在又は付加的な可能性を事前に排除しないものと理解すべきである。

本明細書で他に定義されない限り、技術的かつ科学的な用語を含んでここで用いられるすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同一の意味を表す。一般的に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味があるものと解釈されるべきであり、本明細書で明白に定義しない限り、理想的であったり、過度に形式的な意味として解釈されてはいけない。

以下では添付された図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。

図１は、従来の技術に係るレーザーリフロー装置の例示図である。

図１のレーザーリフロー装置は、Ｘ軸方法へと移動するステージ（１１０）上に配置された基板（１２０）にレーザーモジュール（１００）からのレーザービームを用いて電子部品（１３０）をボンディングする装置を図示している。

半導体チップのような電子部品（１３０）が装着された基板（１２０）の整列状態はカメラモジュール（１４０）から撮影された映像から確認でき、整列に乱れがある場合、整列調整部（１５０）を通してステージ（１１０）をＸ軸またはＹ軸方向へと動き、再整列が行われる。

レーザー照射部は、単一光ファイバーの形のレーザー光源（１０２）とレーザー光源（１０２）からのレーザービームを所定の大きさと形を有するレーザービームに変換するための光学系（１０４）を設けた単一レーザーモジュール（１００）で構成される。

多数の電子部品（１３０）が配列された大面積基板（１２０）をリフローイングする場合、図１のような大容量高出力レーザーモジュール（１００）を通して基板（１２０）全体に長方形または正方形のレーザービームを照射する。その時、各電子部品（１３０）だけでなく、その間の領域でも同一強度のレーザービームが照射されるため、レーザービームの輻射熱以外に周辺の電子部品（１３０）からの伝導熱が各電子部品（１３０）に伝えられ、すべての電子部品が過熱する現象が生じ、伝導熱により各電子部品の領域に伝達する熱エネルギーを精密にコントロールすることが困難なため、基板（１２０）全体の温度偏差を収めることは容易ではない。

図２は、従来の技術に係るレーザーリフロー装置のレーザービームプロファイルの例示図である。

図２の従来の技術に係る単一レーザービームのビームプロファイルは、均一の出力を出すように設定されたトップ領域においても約８％くらいの出力偏差またはリップルを示すが、これは実際に完璧なフラットトッププロファイルを有するビームホモジナイザーを実現しにくいためである。

たとえば、１０kW出力のレーザーモジュール（１００）の場合、フラットトップ領域で最大８００Ｗのリップルが現れるが、それによって電子部品の各部に伝えられる熱エネルギーの均一性が低下されるだけでなく、レーザーが有する短波長の特性によって、電子部品の上下層に満遍なく熱エネルギーが伝達されず、該当する波長の吸収度が高い領域にエネルギーの伝達が集中され、実際ボンディング部ではない電子部品のパッケージの領域でのエネルギーの損失が相当生じることになる。

また、電子部品に伝えられる熱エネルギーの適切なコントロールのためには、最下層の出力、即ち、９kWの水準に合わせて工程を設計するしかないので、９kWを超える残りのエネルギーの浪費を招くことになる。

図３は、本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置の概念図である。

図３のレーザーリフロー装置は、Ｘ軸方向へ移動するステージ（１１０）上に配置された基板（１２０）に複数のレーザーモジュール（３１０−３４０）で構成されるレーザー照射部からの複数のレーザービームを用いて電子部品（１３０）をボンディングする装置を図示している。

半導体チップのような電子部品（１３０）が装着された基板（１２０）の整列状態は、一つ以上のカメラモジュールで実現されるカメラ部（３５０）から撮影された映像から確認することができるし、整列に乱れがある場合、整列調整部（３６０）を通してステージ（１１０）をＸ軸またはＹ軸方向へと動かし再整列を行う。

図３のレーザーリフロー装置は、それぞれレーザー光源と光学系を含む複数のレーザーモジュール（３１０、３２０、３３０、３４０）から構成されるマルチビームマルチオプティックス（Ｍｕｌｔｉ Ｂｅａｍ Ｍｕｌｔｉ Ｏｐｔｉｃ，ＭＢＭＯ）型のレーザー照射部を有する。レーザーモジュールのレーザー光源と光学系は、低出力レーザー光源およびそれに対応する簡単な構造の小型光学系として、全体の構造が簡単で、低価で供給することが可能であり、それに関連する冷却装置（未図示）も小容量化することができる。

多数の電子部品（１３０）が配置された大面積の基板（１２０）をリフローイングする場合、レーザーモジュール（３１０−３４０）を同時に駆動して基板（１２０）全体の領域にレーザービームが積み重なるように照射することができるし、基板（１２０）の一部の領域（赤色に表した部分）のみレーザービームを選択的に照射することも可能である。

このような、選択的レーザーリフローイング工程は、リフローイングが必要な電子部品（１３０）のみレーザービームを照射することができ、電子部品周辺の領域からの熱伝導現象を避けることができるし、基板（１２０）の各部に伝達される熱エネルギーを精密にコントロールすることができて、ついには基板（１２０）全体の温度偏差を低く維持できる。

各電子部品（１３０）のリフローイング状態は、カメラ部（３５０）によって撮影され、レーザー出力調整部（３７０）では撮影された映像による判読を経て、レーザー照射部（３１０−３４０）の出力と位置を個別にコントロールするための制御信号を発生する。

図３のレーザーリフロー装置は、互いに異なる角度からレーザービームを照射する。それで、複数のレーザー照射部は相互対称に位置するように幾何学的に配置可能な二つ以上の低出力モジュールとして構成される。このようにレーザーモジュールを相互対称に配置すると、レーザービームが照射される面に傾いて照射してもレーザービームが相互補完的に干渉し、ついには、レーザービームの傾きによる非対称性を相殺または十分に改善できる。

一方、図２の従来のシングルビームのシングルオプティックス（ＳＢＳＯ）構造の高出力レーザーモジュールつまり、１０kWのレーザーモジュールを用いるリフロー装置の場合、実際にはリプルの最大振幅の最大出力の約８％の８００Ｗに至るため、それを除いた約９０％の出力、つまり９kWの出力のみ実質的なリフローイング工程で活用できるため、凡そ１０％のエネルギー損失を受け入れながらも１０kWの出力のレーザーモジュールを用いることしかできなかった。

しかし、図４の場合のように、マルチビームマルチオプティックス（ＭＢＭＯ）の構造で複数の低出力レーザーモジュール、つまり、それぞれ５kWのレーザーモジュールを二つ用いて、凡そ１０kW出力のリフロー装置を構成する場合、レーザーモジュールの低出力化により最大リプルを６％以内（５kW基準）へと減少できるだけでなく、レーザービームが積み重なる場合、レーザービームの間の相殺干渉により、最大リプルは、４％以内（１０kW基準）へと減少して全体レーザービームの出力を常に９．３kW以上に維持できるので、エネルギー効率が３％程度に向上される効果がある。その時、マルチビームの積み重ね設計とセットアップ状況に従い、最大レーザービームのピークリプル（Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｐｅａｋ Ｒｉｐｐｌｅ）が例示された数値より遥かに多く改善できることもある。

このような、長所を逆に活用して、小容量の低出力レーザーモジュールを多数適用することによって、よりエネルギーの効率が向上されることを期待できる。

図５は、本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置におけるレーザーの積み重ねモードの概念図である。

図５における複数のレーザーモジュールから出力されるレーザービームは、正方形、長方形、円形、楕円形またはその他の形で実現でき、縦横の比率は、つまり、短軸、長軸の費用が１／２０以上および１／１以下である。縦横の比率が１／２０未満であると、線型ビームとしての性格がとても強く、エネルギー伝達および吸収された熱の放熱特性の側面からみて面積ビームとしての機能を発揮することができなくて、１／１は、理論的な最大値である。

図５は、複数の電子部品を同時にリフローイングするため、相互対称に位置した４つのレーザーモジュール（３１０−３４０）から同一の出力で正方形のレーザービームを照射して、各レーザービームを同一の照射する面上に積み重ねる例を図示している。図５では、例示的に４つの電子部品だけを図示したが、数十乃至数百の半導体チップが配置された大型のウェハのように、大面積基板上に多数の電子部品が配置されればされるほど、積み重ねによる効果はより増大される。

図６は、本発明の一実態に係るレーザーの積み重ねモードで４つのレーザービームを積み重ねた場合のレーザービーム出力プロファイルの例示図であり、図７は、図６のレーザービーム出力プロファイルに対応するレーザービーム出力の実験結果表である。

図６の各レーザービーム（Ｂｅａｍ１，２，３，４）に対する測定位置（Ｘ）とその位置での百分率出力値（Ｐ）が図７に記載されている。

図６の各レーザービームの出力を２．５kWとすると、各レーザービーム別に多少の偏差はあっても、大体全体の照射する区間（大体８０ｍｍ）に及んで、出力値は１．２４乃至１．５９％の標準偏差を有し、それを積み重ねると同一の区間に及んで出力値の標準偏差が０．６９％へと減少する。

これは、各レーザーモジュールの低出力化によって最大のリプルが５．７９％、８．５６％、５．４２％、７．４７％として、平均６．８１％（２．５kW基準）へと減少するだけでなく、各レーザービームが積み重なる場合、ビーム間の相殺干渉によって最大リプルは２．６８％（１０kW）へとさらに減少し、それによって、全体レーザービームの出力が常に９．３５kW以上に維持できるため、エネルギーの効率が３．５％程度に向上する効果がある。

即ち、低出力レーザー照射部を４つ用いると、ビームの平坦度が２．５％に近づくが、それは、マスリフローチャンバーから要求される温度安定性の仕様と類似であるため、実用性の側面からとても優れた長所がある。各レーザーモジュールのレーザービームの照射が照射する面上においてランダムに積み重なるため、複数の低出力レーザー照射部から照射され、積み重なる面積ビームの個数に比例してビームの平坦度が改善する。

一方、レーザービームの積み重ねによる補強効果を排除し、相殺効果を正確にコントロールするためには、単一レーザー光源の出力を配分し、相互に平坦に積み重ねるように、位置別に他のビーム強度の高低を有するレーザービームを同一の照射する面上に積み重ねても局所の微細加熱は、電子部品および基板上での熱伝導効果により殆ど問題にならない。

図８は、本発明の一実施形態に係るレーザーの積み重ねモードにおいて、８本のレーザービームを積み重ねた場合のレーザービームの出力プロファイルの例示図であり、図９は、本発明の一実施形態に係るレーザーの積み重ねモードで１６本のレーザービームを積み重ねた場合のレーザービームの出力プロファイルの例示図である。

同一出力に対して、小型の低出力レーザービームの本数による積み重ね効果を比較するため、８本の小型レーザービーム（各出力１．２５kW）を用いた図８の出力プロファイルと１６本の小型レーザービーム（各出力６２５Ｗ）を用いた図９の出力プロファイルを比べてみると、図８で８本のレーザービームを積み重ねた場合の、リプルが２％以内に減少し、積み重ねたレーザービームの出力が常に９４％、即ち９．４kW以上を維持することと確認でき、図９で１６本のレーザービームを積み重ねた場合には、リプルが１．４％以内に減少し、積み重ねたレーザービームの出力が常に９４．３即ち９．４３kW以上を維持することと確認できた。

それによって、レーザービームの本数が増加するほどビームの平坦度が改善され、最小出力が増加し、全体的にエネルギーの効率が上がることが分かる。しかし、８本以下のレーザービームを積み重ねた場合には、レーザービームの本数増加によるビーム平坦度およびエネルギー効率の改善効果ははっきりと表れるが、レーザービームが多くなるほど構造的な複雑性の増加に備えたビーム平坦度とエネルギー効率の改善効果は大きくないことが分かる。

しかし、これは全体出力を１０kWを前提にした結果であるため、総出力が異なったりレーザー光源の種類が異なる場合には、異なる結果が導出される。従って、本発明が属する分野において、通常の知識を有する者は、本発明の原理を用いて与えられたレーザー光源の種類および、必要な出力の大きさ、照射する対象物の特性などを考慮して各環境に最適化した本数のレーザービームを導出することができるだろう。

図１０は、本発明の一実施形態に係るレーザーリフロー装置における複数の位置、同時加工モードの概念図である。

図１０の場合にも、複数のレーザー照射部から出力されるレーザービームは、正方形、長方形、円形、楕円形またはその他の形で実現できるし、縦横の比率は、例えば短軸／長軸の比が１／２０以上および１／１以下である。縦横の比率が１／２０未満であるとエネルギー伝達の側面からみて面積ビームとしての機能を発揮できなくなるし、１／１は、理論的に最大値である。

図１０は、複数の電子部品を個別にまたは区域を分けてリフローイング（ｒｅｆｌｏｗｉｎｇ）するため、相互対称する位置または非対称の位置においた４つのレーザー照射部（３１０−３４０）で同一出力または相違する出力で正方形のレーザービームを照射して、照射される面上で各レーザービームを積み重ねる例を図示している。

図１０において、照射する領域に図示された四角形をそれぞれ一つの電子部品として扱うこともできるし、多数の電子部品が存在する区域としてもみることができる。一つの基板上に互いに異なる種類の電子部品が区域別に配置された場合、全体基板上の電子部品に対して同時にリフローイングするために、互いに異なる出力または波長を有するレーザービームを用いて、区域別にリフローイングを行うことができる。この場合、一部の区域に図５のような積み重ね構造を適用すると、たとえば図１０の照射する領域の右上段と右下段の区域を同時に積み重ねて照射できるように、レーザーモジュール（３２０、３３０）のレーザービームの方向と大きさをコントロールすることができるし、互いに対称な位置にレーザーモジュールを設けることができる。この場合、積み重ねの構造が適用される右上段と右下段の区域内では図５で図示したような積み重ねによる効果を期待できる。

図１１は、本発明の一実施形態に係るレーザーリフローイング装置の構成図である。

図１１において、レーザー照射部の各レーザーモジュール（３１０、３２０、．．．、３３０）は、それぞれ冷却装置（３１６、３２６、３３６）を設けたレーザー発振機（３１１、３２１、３３１）、ビームシェーパー（３１２、３２２、３３２）、光学レンズモジュール（３１３、３２３、３３３）、駆動装置（３１４、３２４、３３４）、制御装置（３１５、４２５、３３５）および電源供給部（３１７、３２７，３３７）を含んで構成される。

以下では、必要な場合を除き、重複説明を避けるため、同一の構成を有する各レーザーモジュールの内、第１レーザーモジュール（３１０）を主にして説明する。

レーザー発振機（３１1）は、所定の範囲の波長と出力パワーを有するレーザービームを生成する。レーザー発振機は、一例として、‘７５０ｎｍ乃至１２００ｎｍ’または、‘１４００ｎｍ乃至１６００ｎｍ’または‘１８００ｎｍ乃至２２００ｎｍ’または‘２５００ｎｍ乃至３２００ｎｍ’の波長を有するダイオードレーザー（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ，ＬＤ）または、希土類添加光ファイバーレーザー（Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ）また、希土類添加光結晶レーザー（Ｒａｒｅ−Ｅａｒｔｈ−Ｄｏｐｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｌａｓｅｒ）である場合もある。それと異なり７５５ｎｍの波長を有するアレキサンドライトレーザーを放出するための媒質、または１０６４ｎｍまたは、１３２０ｎｍの波長を有するエヌディーヤグレーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ）を放出するための媒質を含んで実現できる。

ビームシェーパー（ｂｅａｍ ｓｈａｐｅｒ）（３１２）は、レーザー発振機から発生して、光ファイバーを通して伝達されるスポット（ｓｐｏｔ）の形のレーザーをフラットトップを有する面光源（Ａｒｅａ Ｂｅａｍ）の形に変換させる。ビームシェーパー（３１２）は、四角い光パイプ（Ｓｑｕａｒｅ Ｌｉｇｈｔ Ｐｉｐｅ）、回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ ＤＯＥ）または、マイクロレンズアレイ（Ｍｉｃｒｏ−Ｌｅｎｓ Ａｒｒａｙ，ＭＬＡ）を含んで実現できる。

光学レンズモジュール（３１３）は、ビームシェーパーから面光源の形に変換されたレーザービームの形と大きさを調整してＰＣＢ基板に装着された電子部品乃至照射区域を照射する。光学レンズモジュールは、複数のレンズの結合により光学系を構成する。このような光学系の具体的な構成については図１２乃至図１５により具体的に後述する。

駆動装置（３１４）は、照射する面に対してレーザーモジュールの距離および位置を移動させ、制御装置（３１５）は、駆動装置（３１４）をコントロールし、レーザービームが照射する面に到達する際のビームの形、ビームの面積、ビームの鮮明度および照射する角度を調整する。制御装置（３１５）は、また駆動装置（３１４）以外に、レーザーモジュール（３１０）各部の動作を総合的にコントロールすることができる。

一方、レーザー出力調整部（３７０）は、ユーザーのインタフェースを通して受信したプログラムまたは予め設定されたプログラムに従い、各レーザーモジュール（３１０、３２０、３３０）に対応する電源供給部（３１７，３２７、３３７）から各レーザーモジュールへ供給される電力の量をコントロールする。レーザー出力調整部（３７０）は、一つ以上のカメラモジュール（３５０）から照射する面上での部品別、区域別または全体リフローイング状態の情報を受信し、それを基に各電源供給部（３１７、３２７、３３７）をコントロールする。それと異なり、レーザー出力調整部（３７０）からのコントロール情報が各レーザーモジュール（３１０、３２０，３３０）の制御装置（３１５、３２５、３３５）へ伝達され、各制御装置（３１５、３２５，３３５）で対応する電源供給部（３１７、３２７、３３７）をコントロールするためのフィードバック信号を提供することも可能である。また、図１１とは異なり、一つの電源供給部を通して各レーザーモジュールへ電力を分配することも可能である。この場合、レーザー出力調整部（３７０）において電源供給部をコントロールすべきである。

図５のレーザーの積み重ねモードと図１０の複数位置同時加工モード、または、二つが同時に適用される並行モードを実現するためのレーザー出力調整部（３７０）の動作を説明する。

図５のようにレーザーの積み重ねモードを実現する場合、レーザー出力調整部（３７０）は、各レーザーモジュール（３１０、３２０、３３０）からのレーザービームが同一のビームの形、ビームの面積、ビームの鮮明度およびビームの照射する角度を有するように、各レーザーモジュールおよび電源供給部（３１７、３２７，３３７）をコントロールする。

一方、一つのレーザー光源を分配して各レーザーモジュールに入力する場合には、分配された各レーザービームの出力と位相を同時に調節するための機能をレーザー出力調整部（３７０）に設けることができる。このような場合には、単一のレーザー光を用いる従来の技術と比べて全体の出力は減少するが各レーザービームの相殺干渉を維持するように位相をコントロールして、ビームの平坦度を顕著に改善することができる。それでエネルギーの効率がさらにアップする。

一方、図１０のように複数の位置、同時加工モードを実現する場合は、レーザー出力調整部（３７０）が各レーザーモジュールからのレーザービームの一部または全部が相違するように各レーザービームの形、ビームの面積、ビームの鮮明度、ビームを照射する角度及びビームの波長の内、一つ以上をコントロールする。その場合にも一つのレーザー光源を分配して、各レーザーモジュールに入力する場合には、分配された各レーザービームの出力と位相を同時にコントロールするための機能をレーザー出力調整部（３７０）に設けることができる。

このような機能を通して、レーザービームの大きさと出力を調節することによって、照射する面内の電子部品と基板間の接合を行ったり、接合する工程を除去することができる。特に、基板上において、損傷された電子部品を取り除く場合には、レーザービームの面積を該当する電子部品の領域に絞って最小化することによって、基板に存在する隣接した他の電子部品乃至正常の電子部品にレーザービームによる熱が加わることを最小化することができる。それによって取り除く対象となる損傷された電子部品だけを取り除くことができる。

一方、複数のレーザーモジュール別に、互いに異なる波長を有するレーザービームを放出するようにする場合には、レーザー照射部は、電子部品に含まれた複数の材料層（例えば：ＥＭＣ層、シリコン層、はんだ付け層）がそれぞれ吸収しやすい波長を有する個別のレーザーモジュールとして構成されることも可能である。それによって、本発明に係るミクロンレベルの厚さを有する電子部品に関する選択的なレーザーリフローシステムは、電子部品の温度と印刷回路基板や電子部品の電極間をつなぐ素材であるはんだ付け（ＳＯＬＤＥＲ）のような中間接合材の温度を選択的に相違するように向上させ最適化された接合（Ａｔｔａｃｈｉｎｇ ｏｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）または分離（Ｄｅｔａｃｈｉｎｇ ｏｒ Ｄｅｂｏｎｄｉｎｇ）の工程を行うことができる。

具体的に、電子部品のＥＭＣモールド層とシリコン層を透過してはんだ付け層に各レーザービームの全てのエネルギーが吸収されるようにしたり、レーザービームがＥＭＣモールド層を透過しないまま電子部品の表面を加熱して電子部品の下部のボンディング部へ熱が伝わるようにすることも可能である。

図１２は、本発明の一実施例に係るレーザーモジュールに適用される光学系の一例の構成図である。

図１２は、本発明に適用可能な一番簡単な構造の光学系として、ビーム伝送光ファイバー（４１０）から放出されたレーザービームが凸レンズ（４２０）を通して焦点が整列され、ビームシェーパー（４３０）に入射されると、ビームシェーパー（４３０）からスポットの形のレーザービームをフラットトップ（Ｆｌａｔ−Ｔｏｐ）の形の面光源（Ａ１）へと変換させ、ビームシェーパー（８３０）から出力された正方形のレーザービーム（Ａ１）が凹レンズ（４４０）を通して好ましい大きさに拡大され、拡大された面光源（Ａ２）の形で結像面（Ｓ）に照射される。

図１３は、図１２の光学系にマスクを適用した場合の構成図である。

ビームシェーパー（４３０）からの面光源（Ｂ１）が凹レンズ（４４０）を通して所定の大きさに拡大され、第１結像面（Ｓ１）に照射される面光源（Ｂ２）となる。この面光源（Ｂ２）をさらに拡大して用いようとする場合には、追加拡大により面光源（Ｂ２）のエッジ（ｅｄｇｅ）部分の境がより不明になるため、最終に照射する面が第２結像面（Ｓ２）でもエッジが明確に照射される光を有するためには、第１結像面（Ｓ２）にマスク（４５０）を設けてエッジをトリミングする。

マスク（４５０）を通過した面光源は、一つ以上の凸レンズと凹レンズの組合せで構成されるズームレンズモジュール（４６０）を通過しながら望む大きさに縮小（または拡大）され、電子部品が配置された第２結像面（Ｓ２）に四角い照射光（Ｂ３）を形成する。

図１４は、本発明の一実施例に係るレーザーモジュールの適用される他の光学系の構成図である。

ビームシェーパー（４３０）からの正方形面光源（Ｃ１）が凹レンズ（４４０）を通して所定の大きさに拡大された後、少なくとも一組の円筒型レンズ（４７０）を通りながら、Ｘ軸方向へと拡大（又は縮小）（Ｃ２）され、再び少なくとも一組の円筒型レンズ（４８０）を通りながらＹ軸方向へと縮小（または拡大）され、長方形の面光源（Ｃ３）に変換される。ここで、円筒型レンズは、円筒形を長手方向に切断した形で、各レンズが上下方向に配置される形によって、レーザービームを拡張または縮小させる機能を有し、円筒型のレンズが配置された表面上でのレンズがＸ、Ｙ軸方向に配置される形によって、レーザービームをＸ軸、またはＹ軸方向へと調節する。

続いて、面光源（Ｃ３）は、一つ以上の凸レンズと凹レンズの組合せで構成されるズームレンズモジュール（４６０）を通過しながら望む大きさに拡大（または縮小）調整され、電子部品が配置された第２の結像面（Ｓ２）に長方形の照射光（Ｃ４）を形成する。

図１５は、図１４の光学系にマスクを適用した場合の構成図である。

図１５の光学系は、図１４の光学系にマスクを適用し、レーザービームのエッジをトリミングする構成が追加されたもので、図１４の場合に比べてより鮮明なエッジを有する最終的な面光源（Ｄ５）を得ることができる。

今まで、本明細書には、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が、本発明を容易に理解し、再現できるように図面に図示した実施例を参考に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該技術分野の通常の知識を有する者であれば、本発明の実施例から多様な変形および均等する他の実施例が可能であることを理解するだろう。従って、本発明の技術的な保護範囲は、添付された請求範囲においてのみ定められるべきである。

Claims (13)

1. ステージ上に配置された基板に電子部品をリフローイングするためのレーザーリフロー装置において、前記電子部品が配置された基板の少なくとも一部の区域にフラットトップ出力プロファイルを有するレーザービームを照射するためのレーザーモジュールを複数設けて構成されるレーザー照射部、
   前記レーザービームによる前記電子部品のリフローイング工程を撮影するため、少なくとも一つのカメラモジュールで構成されるカメラ部、および
   前記カメラ部からの出力信号に基づき、前記レーザー照射部の各レーザーモジュールを独立的にコントロールするための制御信号を生成して前記レーザー照射部に伝えるレーザー出力調整部を含むレーザーリフロー装置。
2. 前記それぞれのレーザーモジュールは、最大出力が同一で、それぞれのレーザーモジュールから照射されるレーザービームは、ビームの形とビームの面積及び照射する領域が同一で、相互に積み重なる請求項１に記載のレーザーリフロー装置。
3. 前記レーザービームは、波長が同一の請求項２に記載のレーザーリフロー装置。
4. 前記レーザーモジュールは、相互に対称に配置され、前記レーザービームは、同一のビーム照射角度を有する請求項３に記載のレーザーリフロー装置。
5. 前記レーザービームは、大体前記照射する領域において相互平坦化のための積み重なりを起こす請求項３に記載のレーザーリフロー装置。
6. 前記それぞれのレーザーモジュールから照射されるレーザービームは、ビームの形、ビームの面積および照射する領域のうち、少なくとも一つが互いに相違する請求項１に記載のレーザーリフロー装置。
7. 前記レーザービームは、波長が相違する請求項６に記載のレーザーリフロー装置。
8. 前記それぞれのレーザーモジュールから照射されるレーザービームの内、一部は、ビームの形とビームの面積および照射する領域が同一で、相互積み重なり、その一部は、ビームの形とビームの面積および照射する領域の内、少なくとも一つが相違する請求項１に記載のレーザーリフロー装置。
9. 前記レーザーモジュールに内装された光学系は、ビームシェーパー、少なくとも一組の円筒型のレンズ、前記少なくとも一組の円筒型のレンズと直角方向へ配置された他の少なくとも一組の円筒型のレンズおよび一つ以上の凸レンズと凹レンズの組合せで構成されるズームレンズモジュールを含む請求項２、６または８のいずれか一項の請求項に記載のレーザーリフロー装置。
10. ステージ上に配置された基板に電子部品をリフローイングするために複数のレーザーモジュールで構成されるレーザー照射部を用いるレーザーリフロー方法において、
    前記複数のレーザーモジュールそれぞれがレーザービームを前記電子部品が配置された区域に照射する段階、
    少なくとも一つのカメラモジュールを用いて、前記レーザービームによる前記電子部品のリフローイング工程を撮影する段階および、
    前記カメラ部からの出力信号に基づき、前記レーザー照射部のレーザーモジュールを独立的にコントロールするための制御信号を生成して、前記レーザー照射部に伝える段階を含むレーザーリフロー方法。
11. 前記それぞれのレーザーモジュールの出力を同一にし、それぞれのレーザーモジュールから照射されるレーザービームのビームの形とビームの面積および照射する領域が同一になるように前記レーザービームを積み重ねる段階である請求項１０に記載のレーザーリフロー方法。
12. 前記レーザービームを照射する段階で、前記レーザービームの波長が同一の請求項１１に記載のレーザーリフロー方法。
13. 前記レーザービームを照射する段階で、前記レーザービームは、相互間に平坦化のため、積み重なりを起こす請求項１１に記載のレーザーリフロー方法。