KR100662820B1 - 플립칩 본더 - Google Patents

Abstract

플립칩 본더를 제공한다. 개시된 플립칩 본더는 캐리어 기판이 안착되는 본딩 스테이지와, 상기 캐리어 기판에 본딩될 플립칩을 흡착하여 본딩 위치로 정렬시키는 플립칩 위치정렬모듈, 및 상기 플립칩의 후면에 레이저를 조사하여 상기 플립칩을 가열하는 한편, 상기 플립칩을 상기 캐리어 기판에 압착하기 위한 플립칩 가열압착모듈을 구비한다.

반도체 패키지, 플립칩, 캐리어 기판, 본딩

Description

플립칩 본더{FLIP CHIP BONDER}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 본더의 개략적 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 A부의 부분 단면도가 포함된 확대 상세도이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 본더의 작용도이다.

**도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명**

10 : 캐리어 기판 20 : 플립칩

110 : 본딩 스테이지 112 : 가열냉각유닛

120 : 암 122 : 진공압 발생장치

124 : 탄성부재 126 : 수평구동부

132 : 투명체 134 : 레이저 차단체

136 : 진공흡착통로 152 : 수직구동부

154 : 레이저 발생부 156 : 레이저 경통

본 발명은 반도체 디바이스의 제조 설비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 패키지 공정에 사용되는 플립칩 본더에 관한 것이다.

최근 들어 전자 제품이 소형화 및 고기능화됨에 따라 전자 제품의 핵심부분을 이루고 있는 반도체 칩도 고집적화 및 고성능화되고 있는 추세이다.

그리고 이러한 반도체 칩을 먼지나 습기 또는 전기적, 기계적 부하 등의 각종 외부환경으로부터 보호해주는 반도체 패키지(Package)의 제조에 있어서도 이와 같은 추세를 수용하기 위하여 경박단소화 및 다핀화되고 있다.

이에, 반도체 패키지의 방식도 기존의 와이어 본딩(Wire Bonding) 방식으로는 경박단소화 및 다핀화되고 있는 추세에 대응하기 힘들다고 판단되어 이를 해결할 수 있는 새로운 방식들이 다양하게 모색되고 있으며, 그 중 한 방식이 솔더범프(Solder Bump) 방식이다.

즉, 솔더범프 방식이란, 반도체 칩의 입출력 단자인 패드(Pad) 위에 별도의 솔더범프를 형성시킨 다음 이 반도체 칩을 뒤집에서 캐리어(Carrier) 기판이나 서킷 테이프(Circuit Tape)의 회로패턴(Pattern)에 직접 붙이는 방식으로, 반도체 칩이 뒤집혀진 상태로 본딩되기 때문에 '플립칩 본딩' 이라고도 지칭되고 있다.

이하, 종래 플립칩 본딩 방식에 대해 구체적으로 살펴보면, 종래 플립칩 본딩 방식은 크게 열압착 방식과, 레이저(Laser)압착 방식 등으로 구분된다.

이때, 열압착 방식은 칩의 솔더범프들을 캐리어 기판의 지정된 솔더범프와 대향되도록 본드 포지션(Bond Position)으로 이동시킨 후에 칩의 후면으로부터 칩을 가열하면서 가압하되, 칩의 솔더범프와 기판의 솔더범프 사이에 배열된 접합물질을 녹는점까지 가열하면서 가압함으로써 양 솔더범프 사이를 접합하는 방식으로, 일본 공개특허 2002-141376 호에 개시된 바 있다.

그리고 레이저압착 방식은 칩의 솔더범프들을 캐리어 기판의 지정된 솔더범프와 대향되도록 본드 포지션으로 이동시킨 후에 칩의 후면으로부터 칩을 가열하면서 가압하되, 칩의 가열을 레이저를 이용하여 가열하는 방식으로, 한국 공개특허 2001-0108103 호에 개시된 바 있다.

이상과 같은 종래 플립칩 본딩 방식에 대해 구체적으로 살펴보면, 종래 열압착 방식의 경우, 칩을 가열할 때 나타나는 열전달 부위에서의 높은 열손실로 인하여 장시간 칩을 가열해야 하고, 이러한 장시간의 가열은 결과적으로 생산성의 저하를 초래할 뿐만 아니라 솔더범프의 접합온도에 도달하는 시간이 길기 때문에 고온에 민감한 재질에 대해서는 적용이 불가능하게 되는 문제점이 발생된다.

또한, 이러한 열압착 방식은 칩과 캐리어 기판의 열적팽창계수 차이로 인하여 접합위치가 조금씩 틀어지게 되는 접합 정밀도 문제가 발생될 뿐만 아니라 냉각 후 칩과 기판의 수축으로 인해 조금씩 틀어진 부분에서 크랙(Crack)과 같은 접합부위 손상이 발생되는 문제점이 있다.

한편, 종래 레이저압착 방식의 경우, 레이저를 이용하여 가열하기 때문에 상기 열압착 방식에 의할 때보다 상대적으로 짧은 가열 시간과, 낮은 열적팽창계수를 실현할 수 있다는 장점이 있으나, 다음과 같은 문제점이 여전히 남는다.

즉, 플립칩을 캐리어 기판에 접촉하도록 제공되는 접촉 장치인 본딩 헤드에 다음과 같은 여러 구성장비들 즉, 상기 플립칩의 후면에 레이저를 조사하여 주기 위한 레이저 공급모듈과, 칩을 흡착하기 위한 진공흡착모듈과, 상기 칩을 흡착한 상태로 캐리어 기판의 상측인 본드 포지션으로 이동시키기 위한 수평구동부, 및 상 기 칩을 하강시켜 상기 캐리어 기판과 접촉시키기 위한 수직구동부가 일체로 장착됨으로써 본딩 헤드의 대형화 및 중량화를 초래하게 된다. 이러한 본딩 헤드의 대형화 및 중량화는 필연적으로 이를 구동시키기 위한 구동부하를 크게 가져가야 하는 단점을 갖기 때문에 본딩을 위한 초정밀의 위치 제어 및 고속 구동을 어렵게 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 본딩 헤드를 칩을 흡착하여 본딩 포지션으로 이동시키기 위한 수단과, 상기 칩의 이면을 레이저를 통해 가열함과 동시에 상기 칩을 캐리어 기판에 압착시키기 위한 수단으로 분리시킴으로써 경량화를 실현함과 동시에 적은 구동부하로도 그 구동이 가능하도록 함으로써 정밀한 위치 제어 및 고속 구동이 가능한 플립칩 본더를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 플립칩 본더는, 캐리어 기판이 안착되는 본딩 스테이지와, 상기 캐리어 기판에 본딩될 플립칩을 흡착하여 본딩 위치로 정렬시키는 플립칩 위치정렬모듈, 및 상기 플립칩의 후면에 레이저를 조사하여 상기 플립칩을 가열하는 한편, 상기 플립칩을 상기 캐리어 기판에 압착하기 위한 플립칩 가열압착모듈을 포함한다.

본 발명의 실시예들에서 상기 플립칩 위치정렬모듈은 진공압 발생장치를 구비하고 상기 진공압 발생장치와 연결되어 상기 플립칩을 흡착하기 위한 흡착팁이 일단에 마련된 암과, 상기 암의 일측 하단에 마련된 탄성부재, 및 상기 암을 X축 및 Y축 방향으로 수평 이동시키는 수평구동부를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 흡착팁은 상기 플립칩을 흡착하도록 상기 진공압 발생장치와 연결되는 진공흡착통로를 구비하고 상기 플립칩을 가열하기 위한 레이저를 투과시키는 투명체, 및 상기 투명체를 둘러싸도록 설치되어 상기 플립칩에만 레이저가 입사되도록 하는 레이저 차단체를 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 상기 플립칩 가열압착모듈은 레이저 발생부와, 일단에 상기 레이저 발생부에서 발생된 레이저를 투과시키는 투명판을 구비하여 상기 레이저 발생부의 하부에 장착되는 레이저 경통, 및 상기 레이저 발생부의 상부에 배치되어 상기 레이저 발생부를 Z축 방향으로 수직 이동시키는 수직구동부를 포함하여 구성될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 플립칩 본더에 대해 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면들에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위해 다소 과장되어진 것으로 이해되는 것이 바람직하며, 명세서 전반에 걸쳐 동일한 참조부호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 본더의 개략적 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 A부의 부분 단면도가 포함된 확대 상세도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플립칩 본더(100)는, 캐리어 기판(10)이 안착되는 본딩 스테이지(110)와, 상기 캐리어 기판(10)에 본딩될 플립칩(20)을 흡착하여 본딩 위치로 정렬시키는 플립칩 위치정렬모듈(140), 및 상 기 플립칩(20)의 후면에 레이저를 조사하여 상기 플립칩(20)을 가열하는 한편, 상기 플립칩(20)을 상기 캐리어 기판(10)에 압착하기 위한 플립칩 가열압착모듈(150)을 포함한다.

상기 본딩 스테이지(110)의 내부에는 상기 캐리어 기판(10)을 가열 및 냉각하기 위한 가열냉각유닛(112)이 구비된다. 상기 가열냉각유닛(112)으로는 통전 방향에 따라 발열 또는 흡열하도록 구성된 펠체소자 등이 사용될 수 있다.

상기 플립칩 위치정렬모듈(140)은 상기 플립칩(20)을 흡착하여 본딩 위치인 상기 캐리어 기판(10)의 직상부로 수평 이동시키기 위한 것으로서, 진공압 발생장치(122)를 구비하고 상기 진공압 발생장치(122)와 연결되어 상기 플립칩(20)을 흡착하기 위한 흡착팁(130)이 일단에 마련된 암(120)과, 상기 암(120)의 일측 하단에 마련된 탄성부재(124), 및 상기 암(120)을 X축 및 Y축 방향으로 수평 이동시키는 수평구동부(126)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 수평구동부(126)는 X축 구동부(126a)와 Y축 구동부(126b)로 구성되어 상기 암(120)을 수평이동시키도록 하며, 상기 탄성부재(124)는 후술할 플립칩 가열압착모듈(150)의 승하강 작용에 의한 수직 방향의 가압 및 가압 해제시 상기 암(120)의 수직 방향 이동을 가능하게 한다.

한편, 상기 암(120)의 일단에 장착되는 상기 흡착팁(130)은 상기 플립칩(20)을 흡착하도록 상기 진공압 발생장치(122)와 연결되는 진공흡착통로(136)를 구비하고 상기 플립칩(20)을 가열하기 위한 레이저를 투과시키는 투명체(132), 및 상기 투명체(132)를 둘러싸도록 설치되어 상기 플립칩(20)에만 레이저가 입사되도록 하는 레이저 차단체(134)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 플립칩(20)의 흡착 부위인 상기 투명체(132)의 하단부는 상기 플립칩(20)의 이면 전체를 커버할 수 있는 면적을 가지는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 플립칩(20)의 이면과 대응되는 형상을 갖도록 하는 것이 좋으며, 이를 위해 상기 투명체(132) 및 레이저 차단체(134)의 형상은 각 플립칩(20)의 형상에 맞게 변형될 수 있다.

한편, 상기 플립칩 가열압착모듈(150)은 상기 흡착팁(130)의 투명체(132)를 통해 상기 플립칩(20)의 이면에 레이저를 공급하여 상기 플립칩(20)을 가열하는 한편, 수직 구동을 통해 상기 암(120)을 가압하여 상기 플립칩(20)을 상기 캐리어 기판(10)에 압착하는 역할을 수행한다. 이를 위한 상기 플립칩 가열압착모듈(150)은 레이저 발생부(154)와, 일단에 상기 레이저 발생부(154)에서 발생된 레이저를 투과시키는 투명판(158)을 구비하여 상기 레이저 발생부(154)의 하부에 장착되는 레이저 경통(156), 및 상기 레이저 발생부(154)의 상부에 배치되어 상기 레이저 발생부(154)를 Z축 방향으로 수직 이동시키는 수직구동부(152)를 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 플립칩 본더(100)는 종래 기술에서의 본딩 헤드와 달리, 플립칩(20)을 흡착하여 본딩 포지션으로 이동시키기 위한 수단인 플립칩 위치정렬모듈(140)과, 상기 플립칩(20)의 이면을 레이저를 통해 가열함과 동시에 상기 플립칩(20)을 캐리어 기판(10)에 압착시키기 위한 수단인 플립칩 가열압착모듈(150)로 분리시켜 구성함으로써 경량화를 실현함과 동시에 적은 구동부하로도 그 구동이 가능하도록 함으로써 정밀한 위치 제어 및 고속 구동이 가능하다. 따라서 반도체 패키지 공정에 소요되는 공정 시간을 단축시킴으로써 반 도체 디바이스의 제조 수율 및 생산성을 극대화할 수 있다.

이하, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 본더의 작용에 대해 설명한다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 본더의 작용도이다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 솔더범프(12)가 형성된 캐리어 기판(10)이 본딩 스테이지(110)의 소정 위치에 안착되면, 상기 본딩 스테이지(110)의 내부에 마련된 가열냉각유닛(112)이 상기 캐리어 기판(10)을 본딩에 적합한 온도로 가열한다. 그 다음, 플립칩 위치정렬모듈(140)은 솔더범프(22)가 형성된 플립칩(20)을 흡착팁(130)을 통해 흡착하여 본딩 포지션, 즉 상기 플립칩(20)의 솔더범프(22)들이 상기 캐리어 기판(10)의 지정된 솔더범프(12)들과 대향되도록 상기 플립칩(20)을 상기 캐리어 기판(10)의 수직 상부로 이동 및 정렬시킨다.

그 다음, 도 3a에 도시된 바와 같이, 플립칩 가열압착모듈(150)이 하강하여 그 레이저 경통(156)의 투명판(158)이 상기 플립칩 위치정렬모듈(140)의 구성요소인 암(120)의 상기 흡착팁(130)을 접촉가압하면, 상기 암(120)의 일측 하단에 마련된 탄성부재(124)가 압축되면서 상기 암(120)을 하강시켜 상기 흡착팁(130)에 흡착된 상기 플립칩(20)의 솔더범프(22)들을 이에 대응되는 상기 캐리어 기판(10)의 지정된 솔더범프(12)들 상에 소정 압력으로 압착한다. 이때, 상기 레이저 경통(156)의 투명판(158)이 상기 흡착팁(130)의 상면과 접촉되는 시점부터 상기 플립칩 가열압착모듈(150)의 레이저 발생부(154)에서 레이저 광이 방출되어 상기 플립칩(20)을 가열한다. 이를 통해 상기 플립칩(20)의 솔더범프(22)들은 융점온도 이상으로 가열 되어 상기 캐리어 기판(10)의 지정된 솔더범프(12)들과 접합된다.

그 다음, 상기 레이저 발생부(154)는 레이저 광의 방출을 종료하고, 상기 플립칩 가열압착모듈(150)은 상승한다. 이에 따라 상기 플립칩 위치정렬모듈(140)의 암(120)은 압축되었던 상기 탄성부재(124)의 복원력에 의해 상승된 후 수평이동을 통해 상기 캐리어 기판(10)의 상부 영역으로부터 이탈한다. 이때, 상기 레이저 광의 방출이 종료되는 시점부터 본딩 스테이지(110)에 마련된 가열냉각유닛(112)은 상기 캐리어 기판(10)을 냉각시켜 상기 플립칩(20)의 솔더범프(22)들과 상기 캐리어 기판(10)의 솔더범프(12)들이 접합된 상태로 고화되도록 함으로써 상기 플립칩(20)과 캐리어 기판(10)의 본딩을 완료한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라, 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 종래 기술에서의 본딩 헤드와 달리, 플립칩을 흡착하여 본딩 포지션으로 이동시키기 위한 수단인 플립칩 위치정렬모듈과, 상기 플립칩의 이면을 레이저를 통해 가열함과 동시에 상기 플립칩을 캐리어 기판에 압착시키기 위한 수단인 플립칩 가열압착모듈로 분리시켜 구성함으로 써 경량화를 실현함과 동시에 적은 구동부하로도 그 구동이 가능하여 정밀한 위치 제어 및 고속 구동이 가능한 이점이 있다. 따라서 반도체 패키지 공정에 소요되는 공정 시간을 단축시킴으로써 반도체 디바이스의 제조 수율 및 생산성을 극대화할 수 있다.

Claims (4)

1. 캐리어 기판이 안착되는 본딩 스테이지;

   상기 캐리어 기판에 본딩될 플립칩을 흡착하여 본딩 위치로 정렬시키는 플립칩 위치정렬모듈; 및

   상기 플립칩의 후면에 레이저를 조사하여 상기 플립칩을 가열하는 한편, 상기 플립칩을 상기 캐리어 기판에 압착하기 위한 플립칩 가열압착모듈을 포함하는 플립칩 본더.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 플립칩 위치정렬모듈은

   진공압 발생장치를 구비하고, 상기 진공압 발생장치와 연결되어 상기 플립칩을 흡착하기 위한 흡착팁이 일단에 마련된 암;

   상기 암의 일측 하단에 마련된 탄성부재; 및

   상기 암을 X축 및 Y축 방향으로 수평 이동시키는 수평구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플립칩 본더.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 흡착팁은

   상기 플립칩을 흡착하도록 상기 진공압 발생장치와 연결되는 진공흡착통로를 구비하고, 상기 플립칩을 가열하기 위한 레이저를 투과시키는 투명체; 및

   상기 투명체를 둘러싸도록 설치되어 상기 플립칩에만 레이저가 입사되도록 하는 레이저 차단체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플립칩 본더.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 플립칩 가열압착모듈은

   레이저 발생부;

   일단에 상기 레이저 발생부에서 발생된 레이저를 투과시키는 투명판을 구비하여 상기 레이저 발생부의 하부에 장착되는 레이저 경통; 및

   상기 레이저 발생부의 상부에 배치되어 상기 레이저 발생부를 Z축 방향으로 수직 이동시키는 수직구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플립칩 본더.

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