KR100325130B1 - 핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치 - Google Patents

핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치에 관한 것으로, 마스크와 노광될 필름을 핀구멍을 이용하여 기계적으로 정렬할 수 있는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 노광장치는 마스크(NM) 및 핀(13)을 부착하는 내부판(IP)과, 상기 내부판(IP)을 고정하며 마스크(NM)를 상하로 이동시킬 수 있도록 상부안내축구멍(24)을 포함하는 상부판(TP)과, 핀 구멍(14), 센서(15), 센서 구멍(16) 및 하부안내축구멍(25)을 포함하는 하부판(BP)으로 구성되고, 상부판(TP)은 하부판(BP)을 관통하도록 설치된 하부안내축(34)에 의해 승,하강되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치에 의해 마스크와 필름의 정렬 속도 및 신뢰성이 향상되어 최종 회로의 생산성 및 수율을 증대시키는 효과를 갖는다.

Description

핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치{EXPOSING TOOL FOR FLEXIBLE BALL GRID ARRAY SEMICONDUCTOR PACKAGE USING A PIN-HOLE ALIGNMENT}
본 발명은 핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 설명하면 마스크를 필름의 소정 위치에 정확히 위치시키도록 마스크에 인접하여 돌출되게 설치된 핀을 필름상에 일정 간격으로 형성된 스프로켓 구멍에 기계적으로 결합시켜 유리 마스크와 필름을 정렬시킴으로써 마스크와 필름의 정렬 소요시간을 대폭 단축시킬 뿐만 아니라 정렬의 신뢰성을 향상시키므로 최종 회로의 생산성 및 수율이 증대되는 핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체패키지라 함은 각종 전자회로 및 배선이 적층되어 형성된 단일소자 및 집적회로 등의 반도체칩을 먼지, 습기, 전기적, 기계적 부하 등의 각종 외부환경으로부터 보호하고 상기 반도체칩의 전기적 성능을 최적화, 극대화시키기 위해 리드프레임(lead frame)이나 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB) 등을 이용해 메인보드로의 신호 입/출력 단자를 형성하고 봉지수단을 이용하여 몰딩(molding)한 것을 말한다.
이러한 반도체패키지는 최근 반도체칩의 진보된 집적화 기술과 전자기기의 소형화에 따라서 이를 뒷받침하기 위해 경박단소(輕薄短小)화의 추세에 있으며 리드프레임을 이용한 어레이형 반도체패키지, 핀그리드어레이(pin grid array, PGA) 반도체패키지, 볼그리드어레이(ball grid array, BGA) 반도체패키지(이하 'BGA패키지'라 한다) 등의 수요가 증가하고 있다.
BGA패키지란 고집적도의 반도체칩 및 다핀화 요구 등을 수용하기 위해 개발된 것으로, 메인보드에의 실장을 위해 저면에 일정한 형태로 배열된 다수의 솔더볼(solder ball)을 갖는 표면실장형(SMT) 패키지의 한 종류이다.
또한, 플렉서블 볼그리드어레이(flexible BGA) 반도체패키지(이하 'fleXBGA패키지'라 한다)는 기존의 BGA패키지보다 한정되어 있는 좁은 면적에서도 많은 수의 신호 인출단자를 만들어낼 수 있기 때문에 소형화, 고집적화, 다핀화 등을 추구할 수 있는 차세대 패키지기술이다.
이와같은 fleXBGA패키지의 어셈블링(assembling) 이전에 필름상에 소정의 패턴이 형성된 회로(circuit) 제작이 선행되며, 상기 회로의 일반적인 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
1. 펀칭(punching)단계로서, fleXBGA패키지 회로의 재료가 되는 폴리이미드(polyimide) 필름의 가장자리에 일정 간격으로 직사각형 모양의 스프로켓 구멍(sprocket hole)을 뚫는다.
2. 구리도포단계로서, 상기 펀칭된 필름상에 동박(copper foil)을 도포한다.
3. 회로패턴형성단계로서, 상기 필름상에 감광재(photoresist)를 도포한 후, 소정의 회로패턴이 형성된 유리 마스크(glass mask)를 통해서 자외광(U.V. light)을 상기 필름의 감광재에 방사하는 노광공정(exposing)과, 자외광에 노출된 영역을 제거하는 현상공정(developing), 및 상기 필름 전체에 도포되어 있는 구리를 화학적 식각용액을 사용해서 소정의 회로패턴에 해당하지 않는 영역을 제거하는 식각공정(etching)을 통해 상기 필름상에 소정의 회로패턴을 형성한다.
4. 니켈/금 도금단계로서, 상기 형성된 소정의 회로패턴에 니켈과 금을 도금한다.
일반적으로, 이상에서와 같은 회로 제조공정 중 노광공정이 최종회로의 수율 및 생산성에 가장 큰 영향을 미치는데 소정의 회로패턴이 필름의 소정 위치에 형성되도록 마스크와 필름을 정확히 정렬(align)하는 수단이 수율 및 생산성에 영향을 미치는 주요인으로 알려져 있다. 지금까지의 정렬방법은 카메라를 사용해서 필름상에 표시된 기준점을 모니터링하면서 마스크의 회로패턴이 필름의 바람직한 영역에 위치할 때까지 마스크의 위치를 조금씩 조정하는 궤환(feedback)방식의 전자적 시스템이었다.
도1에 도시된 종래 마스크(OM)의 평면도에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 유리 마스크내에 1유닛의 회로패턴(CP)만이 형성되어 있다. 이는 종래의 플렉서블 볼그리드어레이(fleXBGA) 반도체패키지용 노광장치는 필름을 노광시키기 위해 카메라를 이용해서 마스크와 필름을 정렬시킬 때, 마스크와 필름의 정렬허용오차에 대한 신뢰수준이 낮아서 1회 노광공정중 1유닛의 회로패턴(CP)만을 처리할 수 밖에 없었기 때문이다. 실제적으로 fleXBGA패키지에서 요구하는 정렬허용오차는 10㎛인데 반해 카메라를 이용한 종래 전자방식의 오차는 20㎛정도의 신뢰수준을 갖는다.
그러나, 이와 같이 종래의 카메라를 이용하여 1유닛의 회로패턴만이 형성된 마스크와 필름을 정렬시킬 때에, 정렬의 신뢰수준 한계로 인해 1회 노광능력이 1유닛으로 제한됐음에도 불구하고, 종래의 전자방식 정렬장치는 마스크와 필름을 정확히 정렬하는 데만 20초 이상의 시간이 소요됐고, 정렬오차 역시 fleXBGA패키지에서 요구하는 허용범위를 충분히 만족시키지 못하였다. 따라서, 정렬시간 및 1회 노광 능력의 한계로 인해 최종 회로의 생산성과 수율이 상당히 저조하였다. 그리고, 노광장치의 정확한 정렬을 위해 복잡한 전자장치를 사용하고, 이를 수행하기 위해 더욱 고가의 전자장치 사용하였기 때문에 노광장치의 비용이 매우 값비쌀 뿐만 아니라 부품의 유지보수를 위한 작업시간이 상당히 소요되는 등 여러 가지 문제점이 제기되었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명의 첫 번째 목적은 전자적 방식이 아닌 기계적 방식의 핀구멍을 이용하여 필름 노광시 마스크와 필름의 정렬소요시간을 단축시킬 수 있는 정렬장치를 제공하는 데 있다.
두 번째 목적은 핀구멍의 정확도를 향상시킴으로써 정렬오차를 fleXBGA패키지에서 요구하는 허용범위 이상의 향상된 신뢰성을 제공하는 데 있다.
세 번째 목적은 정렬오차에 대한 신뢰성 향상을 통해서 1회 노광시 1유닛 이상을 노광시킬 수 있도록 마스크의 구조를 변경시킴으로써 노광장치의 1회 노광능력을 향상시키는 데 있다.
네 번째 목적은 핀구멍을 이용한 기계방식의 단순한 정렬방법을 통해서 노광장치의 비용이 저렴하고, 노광장치의 유지보수가 용이한 노광장치를 제공하는 데 있다.
도1은 종래 마스크의 평면도.
도2는 본 발명의 마스크의 평면도.
도3은 본 발명의 핀구멍 정렬에 의해 필름위에 위치된 마스크를 보여주기 위해 마스크를 지지하는 내부판 및 상부판을 제거한 마스크의 평면도.
도4는 본 발명의 마스크와 핀 및 하부판과의 결합구조를 보여주기 위한 본 발명의 핀구멍의 단면도.
도5는 본 발명의 마스크를 지지하는 내부판 및 상부판의 결합관계를 보여주는 저면도.
도6은 본 발명의 하부판의 평면도.
도7은 본 발명에 의한 핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치의 개략적인 구성도.
* 도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
EX: 노광장치 UV: 자외광원
OM: 종래 마스크 NM: 본 발명의 마스크
CP: 회로패턴 TP: 상부판
IP: 내부판 BP: 하부판
11: 필름 12: 스프로켓 구멍
13: 핀 14: 핀 구멍
15: 센서 21: 마스크 고정판
24: 상부안내축구멍 25: 하부안내축구멍
27: 진공구멍 32: 피스톤
상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의한 기계방식의 핀구멍 정렬장치를 이용한 fleXBGA패키지용 노광장치는 노광을 위해 이송되는 필름(11)의 스프로켓 구멍(12)에 결합되도록 핀(13)이 마스크(NM)의 둘레 중앙에 인접하여 돌출 형성되고, 상기 핀(13)을 수용하도록 상기 핀(13)의 대응 위치에 핀 구멍(14)이 형성되고 스프로켓 구멍(12)의 수를 계산하기 위한 센서(15)가 필름안내용 하부판(BP)에 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 회로 제작공정에서 설명한 펀칭단계를 통해서 동일 간격의 직사각형 형태로 필름(일반적으로 '자재'라 하고 있음)외곽에 형성되는 스프로켓 구멍(12)과 일치하는 위치에 핀(13)이 삽입되게 함으로써 마스크(NM)와 필름(11)을 기계적으로 정렬하는 것으로, 이를 '핀구멍 정렬장치'라 칭한다.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 더욱 용이하게 이해할 수 있도록 본 발명에 의한 핀구멍 정렬을 이용한 fleXBGA패키지용 노광장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도3에 필름과 마스크의 결합상태가 평면도로 도시된 바와 같이, 본 발명의 핀구멍 정렬을 이용하는 노광장치의 마스크는 필름에 형성된 스프로켓 구멍(12)에 핀(13)이 결합되면 마스크와 필름이 자동으로 정렬되게 한 것으로서, 3유닛의 패턴이 형성된 마스크(NM)의 중앙 일부분이 제거되어 오목부가 형성되고 이 오목부에 돌출되게 형성된 핀(13)은 폴리이미드 필름(11)의 스프로켓 구멍(12)에 결합된다.
여기에서 마스크(NM)의 오목부에는 4개씩 8개의 핀(13)이 도시되어 있으나 핀의 수 및 배치는 임의로 변경될 수 있다.
도4에 본 발명의 마스크와 핀 및 하부판과의 결합구조를 보여주기 위해 단면도로 도시된 바와 같이, 본 발명의 마스크(NM)는 상부의 내부판(IP)에 고정되고 마스크의 중앙부분에는 스프로켓 구멍(12)과 결합되는 핀(13)이 설치된다.
하부판(BP)에는 상부판의 핀(13)을 수용도록 핀(13)에 대응하는 위치에 핀 구멍(14)이 형성되고, 핀 구멍(14)사이의 중앙 하부에는 스프로켓 구멍(12)을 계산하는 센서(15)가 설치되며, 하부판(BP)의 상면에는 이송된 필름(11)이 위치된다.
상기 센서(15)의 센서 구멍(16)은 하부판(BP)의 핀 구멍(14)과 평행하게 형성되고 센서(15)도 센서 구멍(16)과 평행하게 하부판의 하측에 일직선 상으로 설치된다.
마스크(NM)는 마스크 고정판(21)을 이용하여 볼트(36)로 내부판(IP)에 고정된다.
도5에 저면도로 도시된 바와 같이, 상기 마스크(NM)는 다수의 마스크고정판(21)을 통해서 내부판(IP)에 결합되고, 내부판(IP)은 상부판(TP)에 고정된다. 상부판(TP)에는 상부판을 승하강시키도록 상부안내축 구멍(24)이 형성된다.
도6에 평면도로 도시된 바와 같이, 하부판(BP)에는 이송된 필름을 정위치에 고정하도록 진공판(26)이 설치된다. 진공판(26)은 도시되지 않은 진공원이 필름에 작용하여 필름이 하부판의 상면에 밀착되도록 다수의 진공 구멍(27)이 형성된다.
상기 진공판(26) 및 상기 진공구멍(27)은 상기 핀(13)이 상기 필름(11)의 스프로켓 구멍(12)에 삽입될 때 진공으로 상기 필름(11)를 고정시켜서 정렬 및 노광공정동안 상기 필름(11)이 요동되는 것을 방지하는 구성요소이다. 또한, 하부판(BP)에는 상부판(TP)을 승강시키도록 하부 이동축이 안내되는 하부안내축 구멍(25)이 형성된다. 또한 스프로켓 구멍(12)을 계산하는 센서(15)를 설치하기 위한 상기 센서 구멍(16), 상기 핀(13)을 정렬되게 수용하는 상기 핀 구멍(14), 필름의 요동을 방지하기 위한 진공판(26) 및 진공구멍(27)이 존재한다.
한편, 도2 및 도4를 이용하여 본 발명에 의한 핀구멍 정렬을 이용한 fleXBGA패키지용 노광장치에 적용가능한 유리 마스크의 구조를 설명하면 다음과 같다.
도2에 도시된 본 발명에 의한 마스크(NM)는 필름에 형성된 스프로켓 구멍과 일치하는 위치에 핀이 위치할 수 있도록 핀위치부에 해당하는 마스크의 일부를 제거한 형태의 구조를 가지며, 고가의 유리 마스크를 종래 마스크(OM) 크기의 1/2로 제작할 수 있어 생산단가를 절감할 수 있는 장점을 갖는다. 또한 종래의 1유닛보다 더욱 많은 3유닛의 회로패턴(CP)을 한 마스크(NM)상에 형성할 수 있다.
이는 본 발명에 의한 정렬방법이 정렬허용오차에 대한 신뢰성을 향상시킨 결과로 실제적으로 fleXBGA패키지에서 요구하는 정렬허용오차는 10㎛인데 반해 본 발명의 핀구멍을 이용한 기계방식의 오차는 차세대에도 적용가능한 5㎛정도의 신뢰수준을 갖는다(종래의 카메라를 이용한 전자방식의 오차는 20㎛정도의 신뢰수준이다). 이와 같은 정렬오차에 대한 신뢰수준의 향상은 1회 노광능력을 기존의 1유닛에서 3유닛으로 크게 향상시킴에 따라 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 최종 회로의 생산성도 자연히 증가된다.
이러한 구성을 갖는 상기 노광장치(EX)의 동작원리를 도7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도7의 중앙선 우측에 도시된 바와 같이, 상기 내부판(IP), 상부판(TP) 및 자외광원(UV)이 상승(up)된 상태에서 필름(11)이 상기 노광장치(EX)내로 공급되는 동안 센서(15)는 센서 구멍(16)을 통해 노광될 필름의 스프로켓 구멍(12) 수를 감지하여 계산함으로써 필름(11)의 정확한 위치 및 이송길이를 확인한다. 이와 같이 필름의 이송길이를 확인하는 센서는 필름이송장치를 정지시키도록 제어장치(도시되지 않음)로 신호를 보내고, 이 제어장치는 필름이송장치를 정지시킨다. 이때 진공원(도시되지 않음)이 작동되면 진공이 진공판(26)의 진공 구멍(27)을 통해 필름의 저면에 작용되고 필름은 하부판(BP)의 상면 소정위치에 유지된다.
이후, 피스톤(32)을 하강(down)시키면 도7의 중앙선 좌측에 도시된 바와 같이, 승강판(33)이 하강되고, 승강판(33)의 하강에 의해 하부 안내축(34)이 하강되며, 하부 안내축(34)에 의해 지지되는 상부 안내축(35)이 또한 하강되어서 마스크(NM) 및 핀(13)이 부착되어 있는 상부판(TP)이 하부판(BP)을 향해 하강(down)되며, 상기 핀(13)이 상기 스프로켓 구멍(12)을 통하여 상기 핀 구멍(14) 속으로 서서히 들어가서 마스크와 필름의 정렬이 수행된다. 이때, 마스크(NM)는 필름(11)상에 완전히 접촉되지 않고 소정 간격 이격되어 있으며, 필름(11)은 진공에 의해 하부판(BP)에 완전히 접촉된다. 이와 같이 마스크와 필름의 정렬이 완료된 후, 자외광원(UV)을 이용해서 노광공정을 실시한다.
그리고, 노광공정이 완료되면 상기 하강동작과 반대순서로 마스크(NM)가 하부판(BP)에서 상승된다. 즉, 상기 피스톤(32)의 상승(up)작동에 따라 승강판(33)이 상승되고, 승강판(33)의 상승에 따라서 하부안내축(34)이 상승되며, 하부안내축(34)이 상승되면 하부안내축(34)과 접촉되게 지지되는 상부안내축(35)이 상승되고, 상부안내축(35)의 상승에 의해 상부판(TP)이 순차적으로 상승되면 상기 핀(13)이 핀 구멍(14)에서 상승되어 필름(11)의 스프로켓 구멍(12)에서 완전히 분리되어 도7의 우측상태와 같이 된다. 이후 진공판(26)으로의 진공 공급이 중단되어 필름의 진공부착이 해제되고 소정의 회로패턴(CP)이 형성된 필름(자재)(11)이 다음의 후속 공정으로 이송된다.
상기와 같은 단계들을 반복하여 연속적으로 실시함으로써 회로제작공정 중 노광공정이 완료된다.
이상에서와 같이 본 발명은 비록 상기의 실시예에 한하여 설명하였지만 여기에만 한정되지 않으며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 당업자에 의해 여러 가지로 변형된 실시예도 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 의하면, 첫째, 기계적 방식의 핀구멍을 이용하여 마스크와 필름을 정렬하는 데 소요되는 시간을 단축시킬 수 있는 정렬방법을 제공한다.
둘째, 핀구멍의 정확도를 향상시킴으로써 정렬오차를 fleXBGA패키지에서 요구하는 허용범위 이상의 신뢰성을 제공한다.
셋째, 정렬오차에 대한 신뢰성 향상을 통해서 1회 노광능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
넷째, 핀구멍을 이용한 기계방식의 단순한 정렬방법을 통해서 노광장치의 가격을 저렴하게 하고, 유지보수를 용이하게 하는 효과가 있다.
종래 카메라를 이용한 전자방식에 의해 소요되는 정렬시간은 약 20초인데 반해, 상기 핀구멍을 이용한 기계방식으로 정렬을 할 때는 약 3초정도 소요됨으로써 정렬시간이 대폭 단축됨은 물론 정렬의 신뢰성이 향상되므로 노광필름의 생산성 및 수율이 향상되어 fleXBGA패키지의 제조단가를 대폭 절감하는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지(fleXBGA패키지)용 회로 제작시 노광공정을 위해 마스크(NM)상의 소정의 회로패턴을 fleXBGA패키지용 필름(11)의 정확한 위치에 노광시키기 위하여 마스크(NM)의 상측에 고정 설치된 노광 광원(UV)과, 이 노광 광원(UV)의 하부에 마스크(NM)를 지지하도록 설치되어 노광 광원과 함께 이동되는 상부판(TP)과, 노광될 필름이 안내되도록 안내 장치가 형성되고 상기 상부판(TP)과 대응 결합되는 하부판(BP)으로 구성된 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지(fleXBGA패키지)용 노광장치에 있어서,
    노광을 위해 이송되는 필름(11)의 스프로켓 구멍(12)에 결합되도록 마스크(NM)의 둘레 중앙에 인접하여 핀(13)이 돌출 형성되고,
    상기 핀(13)을 수용하도록 상기 핀의 대응 위치에 핀 구멍(14)이 형성되고 스프로켓 구멍(12)의 수를 계산하기 위한 센서(15)가 필름안내용 하부판(BP)에 설치되어
    마스크(NM)와 필름(11)을 기계적으로 정렬시키는 것을 특징으로 하는 핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치.
  2. 제 1항에 있어서, 마스크(NM)의 필름(11) 이송방향 둘레 중앙부분은 돌출 핀(13)이 설치되도록 오목부가 형성된 것을 특징으로 하는 핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상부판(TP)이 상측에 결합된 내부판(IP)의 하측에 다수개의 고정판(21)을 이용하여 마스크(NM)를 고정시키도록 마스크(NM)의 둘레에 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는 핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치.
  4. 제 1항에 있어서, 하부판(BP)은 이송된 필름(11)을 하부판의 안내면에 밀착시키도록 진공 구멍(27)이 형성된 진공판(26)을 갖는 것을 특징으로 하는 핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치.
  5. 제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상부판(TP)은 하부판(BP)을 관통하도록 설치된 하부안내축(34)에 의해 승,하강되는 것을 특징으로 하는 핀구멍 정렬을 이용한 플렉서블 볼그리드어레이 반도체패키지용 노광장치.
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