KR101299241B1 - 공융 다이 점착 장치, 시스템 및 이를 이용한 점착 공정 수행 방법 - Google Patents

공융 다이 점착 장치, 시스템 및 이를 이용한 점착 공정 수행 방법 Download PDF

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Abstract

공융 다이 점착 장치, 시스템 및 이를 이용한 공융 점착 공정 수행 방법을 개시한다. 상기 공융 다이 점착 시스템은 내부에 기판이 구비된 밀폐형 챔버; 상기 밀폐형 챔버 내에 구비되어, 후면에 공융층이 형성된 LED 다이; 고주파 유도 가열 장치와 결합되며, 상기 LED 다이 후면에 자기장을 발생시켜 상기 LED 다이 후방에 와전류를 통해 상기 공융층을 가열시키는 공융 다이 점착 장치; 상기 밀폐형 챔버, LED 다이 및 공융 다이 점착 장치의 동작을 제어하는 제어부을 포함하며, 상기 공융 다이 점착 장치는, 고주파 발진기가 결합된 공융 다이 콜릿; 공융 다이 콜릿 외부 표면에 형성된 제1 절연막; 상기 제1절연막 둘레에 감겨진 유도 코일; 상기 유도코일이 감겨진 제1절연막 둘레에 형성된 제2 절연막; 상기 공융 다이 콜릿과 동일한 길이 방향으로 상기 제2절연막에 형성된 열전대(thermocouple) 센서를 포함한다.

Description

공융 다이 점착 장치, 시스템 및 이를 이용한 점착 공정 수행 방법{EUTECTIC DIE BONDING APPARATUS, SYSTEM AND BONDING EUTECTIC PERFORM METHOD USING THEREOF}
본 발명은 기판상에 반도체 다이를 공융 점착하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 와전류를 통해 LED 다이 후면상의 공융층을 가열시켜 기판과 점착시킬 수 있는 공융 다이 점착 장치, 시스템 및 이를 이용한 점착 공정 수행 방법을 제공하는 것이다.
고주파 유도가열은 교류 전류가 흐르는 코일 속에 위치하는 금속 등의 도전체에 시변하는 자속을 발생시켜 그로인한 히스테리시스 손실 혹은 와전류 손실에 의해 도전체를 가열하는 방식이다. 코일에 교류전류를 통하면 코일 내부에 시변하는 자속이 발생하고 이 자계 속에 놓인 도전체에는 와전류가 발생하여, 와전류에 의한 줄열에 의해 도전체는 가열된다.
고주파 유도가열은 용해, 열처리, 단조가열, 브레이징, 용접 등의 다양한 금속 제조공정에 이용되며, 고주파 인두기 또는 인덕션 레인지와 같은 상품도 출시되어 있다.
본 발명에서는 고주파 유도가열의 원리를 이용하여 공융 점착 공정에 이용하는 방법을 모색하고자 한다.
LED 다이와 기판을 접하는 공정에는 다음과 같이 크게 5가지가 있다. Ag 에폭시 공정, 직접 공융 점착(dierect eutectic) 공정, 유속 공융 점착(flux eutectic) 공정, 플립 칩(flip chip) 공정, 소프트 솔더(soft solder) 공정. 그 중에서도 전기 전도성 및 열 전도성, 안전성, 신뢰성 등을 고려할 때 직접 공융 ㅈ저점착(dierect eutectic) 공정이 많이 이용되어 진다.
직접 공융 점착(Direct eutectic) 공정 (이하 공융 점착 공정 또는 공융 점착)에 이용되는 금속 물질은 80% Au/20% Sn 물질이 주로 이용되고, 이 물질의 용융점은 약 280℃이다.
이게 관련하여, 미국 특허 제7,854,365 호에는 LED 다이를 픽업하고 기판 위에 배치하는 공융 다이 콜렛에 히터를 연결하여 용융점 이상의 온도로 설정하고, 기판은 용융점 이하의 온도로 설정해 놓고 공융 점착 공정을 수행하면 공융 다이 콜렛에 연결된 히터에 의해 용융 되었던 공융 층(eutectic layer)이 기판에 점착한 후 빠르게 응결(solidification)되어 점착의 특성이 향상시키는 기술에 관한 내용이 개시되어 있다.
하지만 이러한 경우 LED 다이를 구성하는 p, n 반도체 층, 양자 우물 층 및 전극 등에도 열이 가해져 LED의 특성이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 LED 다이에 열적 손상을 입히지 않고, LED 다이의 하부 면에 위치한 용융 층에 점착에 필요한 열량만을 신속하게 공급하여 필요 이상의 열량에 의한 부품 파손이나 손상을 방지할 수 있는 기술을 제안하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고주파 유도가열 방식으로 직접 가열 방식의 문제점을 개선하여 LED 다이에 손상을 입히지 않고, 점착에 필요한 열량만을 신속하게 공급하여 필요 이상의 열량에 의한 부품파손이나 손상을 방지할 수 있는 고주파 유도 가열 장치가 결합된 공융 다이 콜릿을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 공융 다이 점착 장치는 고주파 발진기가 결합된 공융 다이 콜릿; 공융 다이 콜릿 외부 표면에 형성된 제1 절연막; 상기 제1절연막 둘레에 감겨진 유도 코일; 상기 제1절연막 둘레에 형성된 제2 절연막; 및 상기 공융 다이 콜릿과 동일한 길이 방향으로 상기 제1절연막에 형성된 열전대(thermocouple) 센서;를 포함하며, 후면에 공융층이 형성된 발광구조물의 후면에 자기장을 발생시켜 상기 발광구조물 후방에 와전류를 통해 상기 공융층을 가열시키는 것을 특징으로 한다.
상기 열전대(thermocouple) 센서는, 고주파 유도전류에 따른 공융 다이 콜릿의 온도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 공융 다이 점착 시스템은 내부에 기판이 구비된 밀폐형 챔버; 상기 밀폐형 챔버 내에 구비되어, 후면에 공융층이 형성된 LED 다이; 고주파 유도 가열 장치와 결합되며, 상기 LED 다이 후면에 자기장을 발생시켜 상기 LED 다이 후방에 와전류를 통해 상기 공융층을 가열시키는 공융 다이 점착 장치; 상기 밀폐형 챔버, LED 다이 및 공융 다이 점착 장치의 동작을 제어하는 제어부을 포함하며, 상기 공융 다이 점착 장치는, 고주파 발진기가 결합된 공융 다이 콜릿; 공융 다이 콜릿 외부 표면에 형성된 제1 절연막; 상기 제1절연막 둘레에 감겨진 유도 코일; 상기 제1절연막 둘레에 형성된 제2 절연막; 상기 공융 다이 콜릿과 동일한 길이 방향으로 상기 제1절연막에 형성된 열전대(thermocouple) 센서;를 포함한다.
상기 열전대(thermocouple) 센서는, 고주파 유도전류에 따른 공융 다이 콜릿의 온도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 공융층 물질은, Au, Sn을 포함하는 금속 재질인 것을 특징으로 한다.
상기 챔버는, 상기 공융층의 산화를 막기 위한 질소 가스가 충전된 챔버인 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 열전대(thermocouple) 센서로부터 측정된 온도와 기설정된 온도를 비교하는 비교부를 더 포함하며, 상기 비교부로부터 출력된 제어신호를 통해 상기 고주파 발진기로부터 출력되는 고주파의 출력양을 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 공융 다이 점착 장치를 이용한 공융 점착 공정 수행 방법은 내부에 기판 및 후면에 공융층이 형성된 LED 다이가 구비된 밀폐형 챔버를 제공하는 제1 제공단계; 상기 밀폐형 챔버 내부에 공융 다이 점착 장치를 제공하는 제2 제공단계; 상기 공융 다이 점착 장치로부터 자기장을 발생시켜 상기 LED 다이 후면에 구비된 공융층에 와전류를 생성시켜 가열시키는 가열 단계; 및 상기 가열된 공융층을 냉각시킨 후, 상기 기판 상부에 상기 냉각된 LED 다이를 부착시키는 부착 단계를 포함한다.
상기 가열 단계는, 상온으로 유지된 공융층이 구비된 LED 다이를 제공하는 단계; 상기 공융 다이 점착 장치를 상기 LED 다이에 픽업시킨 후, 상기 LED 다이에 자기장을 발생시키는 단계; 및 상기 자기장을 통해 상기 LED 다이 후면에 형성된 공융층에 와전류가 생성되어 가열되는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 LED 다이를 구성하는 p, n 반도체 층, 양자 우물 층 및 전극 층에 열적 손상을 가하지 않으면서도 최적의 공융 점착 특성을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공융 다이 점착 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 2는 고주파 유도 가열의 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공융 다이 점착 장치를 이용한 공융 점착 공정 수행 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 4는 도 3에 도시된 가열 단계를 보다 구체적으로 나타낸 플로우 차트이다.
도 5는 공정 과정에 따른 LED 다이의 하부 면에 위치한 공융 층의 온도 변화를 A 부터 C 구간으로 나타낸 그래프이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합하는 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공융 다이 점착 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공융 다이 점착 시스템(100)은 챔버(60), LED 다이(70), 공융 다이 점착 장치(90)를 포함한다.
상기 챔버(60)는 내부에 기판(80)이 구비되며, 질소 가스가 충전된다.
상기 LED 다이(70)는 상기 챔버(60) 내에 구비되어, 후면에 공융층(75)이 형성되며, 상기 공융층(75)은 Au, Sn을 함유하는 금속물질로 형성된 층일 수 있다.
상기 공융 다이 점착 장치(90)는 고주파 발진기와 결합되며, 상기 LED 다이(70) 후면에 자기장을 발생시켜 상기 LED 다이(70) 후방에 와전류를 유도함으로써 상기 공융층(75)을 가열시키는 장치일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 공융 다이 점착 장치(90)는 고주파 발진기가 결합된 공융 다이 콜릿(10); 공융 다이 콜릿 외부 표면에 형성된 제1 절연막(20); 상기 제1 절연막(20) 둘레에 감겨진 유도 코일(40); 상기 제1 절연막(20) 둘레에 형성된 제2 절연막(30); 상기 공융 다이 콜릿(10)과 동일한 길이 방향으로 상기 제2 절연막(30)둘레에 형성된 열전대(thermocouple) 센서(50)를 포함한다.
상기 제1 절연막(20) 및 상기 제2 절연막(30)은 동일한 재질의 절연체로 구성될 수 있으며, 상기 제1 절연막(20)의 두께는 상기 제2 절연막(30)의 두께와 같거나 그 이상일 수 있다.
상기 열전대(thermocouple) 센서(50)는 상기 공융 다이 콜릿(10)으로부터 출력된 고주파 유도전류에 따른 공융 다이 콜릿(10)의 온도를 측정한다.
상기 시스템(100)은 상기 밀폐형 챔버(60), LED 다이(70)의 위치 조절 및 공융 다이 점착 장치(90)의 동작을 제어하는 제어부(110)를 포함한다.
상기 제어부(110)는 상기 열전대(thermocouple) 센서(50)로부터 측정된 온도와 기설정된 온도를 비교하는 비교부(미도시)를 더 포함하며, 상기 비교부로부터 출력된 제어신호를 통해 상기 고주파 발진기(120)로부터 출력되는 고주파의 출력양을 조절한다.
상기 공융 다이 콜릿(10)에 흐르는 고주파 유도전류는 유도 코일을 통해 자기장을 생성하며, 생성된 자기장은 상기 LED 다이(70)에 전달된다. 상기 LED 다이(70)의 후면에는 자기장 유도에 의해 와전류가 생성되며, 이로 인해 공융층(75)이 가열된다.
도 2는 고주파 유도 전류에 의한 LED 다이의 하부 면에 위치한 용융층을 가열하는 원리를 나타낸 예시도이다.
도 2를 참조하면, 코일에 고주파 교류 전류를 흘려주면 코일 내부에 시변하는 자속이 형성되고 코일 외부에 근접하게 위치한 LED 다이를 통과하는 자속이 발생한다. 발생한 자속에 의해 LED 다이의 하부 면에 위치한 공융층에 와전류가 형성되고, 와전류에 의해 발생한 줄열에 의해 공융층이 가열된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공융 다이 점착 장치를 이용한 공융 점착 공정 수행 방법을 나타낸 플로우 차트이며, 도 4는 도 3에 도시된 가열 단계를 보다 구체적으로 나타낸 플로우 차트이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 공융 점착 공정 수행 방법(S100)은 제1제공 단계(S110), 제2 제공단계(S120), 가열 단계(S130) 및 부착 단계(S140)를 포함한다.
상기 제1 제공단계(S110)는 내부에 기판 및 후면에 공융층이 형성된 LED 다이가 구비된 밀폐형 챔버를 제공하는 단계일 수 있다.
상기 제2 제공단계(S120)는 상기 밀폐형 챔버(60) 내부에 공융 다이 점착 장치를 제공하는 단계일 수 있다.
상기 밀폐형 챔버(60) 내에는 공융층의 산화를 막기 위해 질소 가스가 충전된다.
상기 가열 단계(S130)는 상기 공융 다이 점착 장치로부터 자기장을 발생시켜 상기 LED 다이 후면에 구비된 공융층에 와전류를 생성시켜 가열시키는 단계일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 가열 단계(S130)는 상온으로 유지된 공융층(75)이 구비된 LED 다이(70)를 제공하는 단계(S131); 상기 공융 다이 점착 장치(90)를 상기 LED 다이(70)에 픽업시킨 후, 상기 LED 다이(70)에 자기장을 발생시키는 단계(S132); 및 상기 자기장을 통해 상기 LED 다이 후면에 형성된 공융층에 와전류를 생성시켜 공융층을 가열시키는 단계(S133)를 포함한다.
상기 부착 단계(S140)는 상기 가열된 공융층(75)을 냉각시킨 후, 상기 기판(80) 상부에 상기 냉각된 LED 다이(70)를 부착시키는 단계일 수 있다.
도 5는 공정 과정에 따른 LED 다이의 하부 면에 위치한 공융 층의 온도 변화를 A 부터 C 구간으로 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 공융층의 온도는 제1제공 단계(S110)에서 LED 다이(70) 하부면에 구비된 공융층(75)의 온도가 상온(T0)을 유지한다.(준비구간)
이후, 공융층(75)은 공융 점착 장치(90)의 공융 다이 콜릿(10)이 LED 다이(70)를 픽업하고 LED 다이(70)를 가열해 주면 LED 다이(70)의 후방면에 위치한 공융층(75)은 공융 다이 콜릿(10)의 온도인 TC 까지 가열되어 진다.(A 구간)
이때, TC 는 공융층(75)의 용융점(Tb)보다 높게 설정되어 있어 공융층(75)은 용융된다. 공융층(75)이 용융된 LED 다이(70)를 기판(80) 위에 올려놓으면 공융층(75)은 콜릿(10)의 온도(Tc)와 기판의 온도(Ts) 사이에 놓여지게 되는데, 이때의 온도(Tm)는 여전히 공융층(75)의 용융점(Tb)보다 높다(B 구간).
콜릿(10)에 일정한 힘을 가하여 LED 다이(70)를 기판 위에 점착한 후 콜릿(10)을 떼어내면 공융층(75)의 온도는 기판(80)의 온도와 가까워지고, 기판의 온도(Ts)는 용융점의 온도보다 낮게 설정되어 있어 공융층(75)은 응결(solidification)되어 진다.(C 구간) 점착 공정을 마치면 공융층(75)의 온도는 다시 상온으로 돌아가게 된다.
따라서, 본 발명의 시스템을 이용하면, 공융 다이 콜릿에 고주파 전류를 흘려주어 그로 인해 시변하는 자기장 유도를 생성하고, 유도된 자기장이 공융층으로 코팅된 반도체 다이의 후방면에 와전류를 유도함으로써 공융층이 용융점 이상으로 가열시켜 용융시키는 원리를 이용하여 공융 다이의 점착을 수행하게 된다.
이때 대부분의 와전류는 금속 재료로 이루어진 반도체 다이의 후방면에 있는 공융층에 형성될 것이므로 LED 다이는 열적 손상을 받지 않는다.
이후, 공융층으로 코팅된 후방면이 용융된 반도체 다이를 용융점 이하로 설정해 놓은 기판상에 올려 놓고 공융 다이 콜릿에 일정한 힘을 가하여 반도체 다이를 부착한 후 공융 다이 콜릿을 떼어 내면 공융층이 용융점 이하로 냉각되고, 공융 점착이 다이의 후방면과 기판 사이에 형성되도록 함으로써 다이를 구성하는 반도체 및 전극을 손상시키지 않으면서 반도체 다이와 기판 사이에 양호한 공융 점착을 형성할 수 있다는 이점이 있다.
따라서, 본 발명의 장치 및 방법을 통해 LED 다이를 구성하는 p, n 반도체 층, 양자 우물 층 및 전극 층에 열적 손상을 가하지 않으면서도 최적의 공융 점착 특성을 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10: 공융 다이 콜릿 20: 제1절연막
30: 제2절연막 40: 유도코일
50: 열전대 센서 60: 밀폐형 챔버
70: LED 다이 75: 공융층
80: 기판 90: 공융 다이 점착 장치
100: 공융 다이 점착 시스템 110: 제어부
111: 비교부 120: 교류 발진기

Claims (3)

  1. 고주파 발진기가 결합된 공융 다이 콜릿;
    상기 공융 다이 콜릿 외부 표면에 형성된 제1 절연막;
    상기 제1절연막 둘레에 감겨진 유도 코일;
    상기 유도코일이 감겨진 제1절연막 둘레에 형성된 제2 절연막; 및
    상기 공융 다이 콜릿과 동일한 길이 방향으로 상기 제2절연막 둘레에 형성된 열전대(thermocouple) 센서;를 포함하며,
    후면에 공융층이 형성된 발광구조물의 후면에 자기장을 발생시켜 상기 발광구조물 후방에 와전류를 통해 상기 공융층을 가열시키는 것을 특징으로 하는 공융 다이 점착 장치.
  2. 내부에 기판이 구비된 밀폐형 챔버;
    상기 밀폐형 챔버 내에 구비되어, 후면에 공융층이 형성된 LED 다이;
    고주파 유도 가열 장치와 결합되며, 상기 LED 다이 후면에 자기장을 발생시켜 상기 LED 다이 후방에 와전류를 통해 상기 공융층을 가열시키는 공융 다이 점착 장치;
    상기 밀폐형 챔버, LED 다이 및 공융 다이 점착 장치의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 공융 다이 점착 장치는,
    고주파 발진기가 결합된 공융 다이 콜릿;
    공융 다이 콜릿 외부 표면에 형성된 제1 절연막;
    상기 제1절연막 둘레에 감겨진 유도 코일;
    상기 유도코일이 감겨진 제1절연막 둘레에 형성된 제2 절연막;
    상기 공융 다이 콜릿과 동일한 길이 방향으로 상기 제2절연막에 형성된 열전대(thermocouple) 센서;를 포함하는 공융 다이 점착 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열전대(thermocouple) 센서는,
    고주파 유도전류에 따른 공융 다이 콜릿의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 공융 다이 점착 시스템.
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