KR101818918B1 - 레이저 리플로우 방법 및 이의 방법으로 제조된 기판구조체 - Google Patents

레이저 리플로우 방법 및 이의 방법으로 제조된 기판구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 리플로우 방법 및 이의 방법으로 제조된 기판구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 이용한 리플로우 공정을 통해 기판구조체를 제조하기 위한 레이저 리플로우 방법 및 이의 방법으로 제조된 기판구조체에 관한 것이다. 본 발명은 레이저 리플로우 방법에 관한 것으로, a) 다수의 솔더볼이 안착된 기판을 준비하는 단계; b) 상기 솔더볼의 상부에 반도체 패키지를 안착시키는 단계; c) 상기 기판을 조사 위치로 이송하는 단계; 및 d) 상기 조사 위치에 위치한 상기 솔더볼에 레이저빔을 면 조사하여 상기 기판에 상기 반도체 패키지를 고정시키는 단계를 포함하며, 상기 d) 단계에서, 상기 레이저빔의 에너지를 균질화하고, 이 균질화된 레이저빔을 상기 솔더볼에 면 조사하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 리플로우 방법 및 이의 방법으로 제조된 기판구조체{LASER REFLOW METHOD AND SUBSTRATE STRUCTURE THEREBY}
본 발명은 레이저 리플로우 방법 및 이의 방법으로 제조된 기판구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 이용한 리플로우 공정을 통해 기판구조체를 제조하기 위한 레이저 리플로우 방법 및 이의 방법으로 제조된 기판구조체에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 패키지를 기판에 고정하기 위해서 리플로우 공정이 실시된다. 리플로우 공정에서 주로 사용되는 매스 리플로우(mass reflow) 공정은 솔더볼, 솔더패드, 솔더페이스트 등의 솔더 물질이 부착된 다수의 기판을 컨베이어 벨트 상에 안착하고, 기판이 컨베이어 벨트에 의해 연속적으로 이동하면서 적외선 히터(infrared heater)가 구비된 가열 구간을 소정의 시간동안 지나치게 한다. 이때, 적외선 히터는 컨베이어 벨트의 상측과 하측에 마련되며, 적외선 히터는 기판상의 솔더볼에 열을 가하여 반도체 소자를 기판에 부착시킨다.
그러나, 매스 리플로우 공정은 적외선 히터가 솔더볼에 열을 가해 반도체 소자를 기판에 결합하는데 소요되는 시간이 10~30분 정도의 시간이 소요되어 경제적이지 못하다는 문제점이 있다.
또한, 최근에는 기판과 반도체 패키지가 결합된 기판구조체의 두께를 얇게 하고, 원가를 절감하기 위해 하나의 기판에 수동소자, IC소자 등의 반도체 패키지를 부착한다. 이때, 수동 소자는 리플로우 공정에 의해 기판에 결합되나, IC소자는 별도의 본딩 장비에 의해 기판에 부착된다. 그러나, 매스 리플로우 공정은 국부적으로 열에너지를 가하는 것이 불가능하기 때문에, IC소자는 수동 소자와 함께 매스 리플로우 공정을 거칠 경우 IC소자가 열 충격을 받아 불량이 발생하는 문제점이 있다.
그리고, 상기와 같은 문제점을 방지하기 위해 IC소자를 매스 리플로우 공정 이후에 기판에 부착할 경우, 적외선 히터에 의해 소정의 열 변형이 발생한 기판에 IC소자를 부착해야 하기 때문에 IC소자가 정해진 위치에 정상적으로 본딩되기 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 매스 리플로우 공정은 기판의 하면과 컨베이어 벨트의 상면 사이에 에어 갭이 발생할 수 있다. 따라서, 적외선 히터로부터 가해지는 열의 일부가 에어 갭에 갇혀 잔류하기 때문에 기판에 열 변형이 발생하는 문제도 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 레이저를 이용한 리플로우 공정을 통해 기판구조체를 제조하기 위한 레이저 리플로우 방법 및 이의 방법으로 제조된 기판구조체를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 a) 다수의 솔더볼이 안착된 기판을 준비하는 단계; b) 상기 솔더볼의 상부에 반도체 패키지를 안착시키는 단계; c) 상기 기판을 조사 위치로 이송하는 단계; 및 d) 상기 조사 위치에 위치한 상기 솔더볼에 레이저빔을 면 조사하여 상기 기판에 상기 반도체 패키지를 고정시키는 단계를 포함하며, 상기 d) 단계에서, 상기 레이저빔의 에너지를 균질화하고, 균질화된 레이저빔의 조사영역을 상기 반도체 패키지의 형상에 대응되도록 조절하여, 상기 솔더볼에 면 조사하며, 상기 c) 단계는 c1) 상기 기판을 이송체에 안착시키는 단계; 및 c2) 각각의 기판이 기설정된 시간 동안 상기 조사 위치에 머무르도록 상기 이송체를 이동 또는 정지시키는 단계를 포함하고, 상기 c1) 단계에서 가압 밀착부를 이용하여 상기 기판의 하면이 상기 이송체에 밀착되도록 상기 기판의 상면에 상기 솔더볼이 위치하지 않는 부분에 압력을 가하며, 상기 가압 밀착부는 상기 기판의 상면에 압력을 가하는 하나 이상의 가압로드; 및 상기 가압로드의 위치를 제어하는 가압제어모듈을 포함하고, 상기 가압제어모듈은 상기 가압로드가 상기 기판의 상면에 상기 솔더볼이 위치하지 않는 부분에 압력을 가하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 리플로우 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 a) 단계는, a1) 상기 기판의 상면에 안착홈을 가공하는 단계; a2) 상기 안착홈의 표면에 메탈층을 형성하는 단계; 및 a3) 상기 안착홈에 상기 솔더볼을 안착시키는 단계를 포함할 수 있다.
삭제
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 c1) 단계에서, 상기 이송체는 상면에 상기 기판이 밀착되도록 상기 기판을 진공흡착할 수 있다..
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이송체는 다공성 진공척(porous vaccum chuck)으로 마련될 수 있다.
삭제
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d) 단계는, d1) 상기 레이저빔의 에너지가 균질화되는 단계; d2) 상기 레이저빔의 조사 영역이 조절되는 단계; 및 d3) 상기 레이저빔에 의해 상기 조사 영역 내에 위치한 솔더볼이 리플로우되어 상기 기판에 상기 반도체 패키지가 고정되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d3) 단계에서, 상기 조사 영역 내에는 하나 이상의 측정 로케이션이 지정되며, 상기 측정 로케이션에 위치한 솔더볼은 실시간으로 온도가 측정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d3) 단계에서, 상기 레이저빔의 에너지 조사 세기는 상기 측정 로케이션에 위치한 솔더볼이 기설정된 정상 온도 범위를 유지하도록 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 d3) 단계에서, 상기 측정 로케이션에 위치한 솔더볼의 온도가 기설정된 정상 온도 범위를 벗어난 경우, 사용자에게 알릴 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 상기 레이저 리플로우 방법에 의해 제조되는 기판구조체에 있어서, 솔더볼이 안착되는 다수의 안착홈이 마련되며, 상기 안착홈의 표면에는 메탈층이 형성된 기판; 및 상기 기판의 상부에 고정된 반도체 패키지를 포함하는 것인 기판구조체를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 안착홈의 직경은 0.5 ~ 1.0 mm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 메탈층은 도전성을 갖는 금속 소재로 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 1~2초의 시간 동안 솔더볼에 레이저빔을 조사함으로써, 기판과 판도체 패키지를 고정시킬 수 있기 때문에 종래의 매스 리플로우 공정에 비해 공정 시간이 단축된다.
또한, 기판에는 다수의 솔더볼이 안착될 수 있는 안착홈이 가공되어 솔더볼이 기판과 반도체 패키지 사이에 골고루 분포될 수 있고, 솔더볼이 기판상에서 누락되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 기판에 반도체 패키지가 고정될 때 기판의 일부 위치에 솔더볼이 누락되지 않기 때문에 반도체 패키지가 뒤틀리는 현상을 방지할 수 있고, 기판과 반도체 패키지의 결합력이 향상된다.
또한, 기판의 하면은 이송체의 상면에 밀착된 상태에서 레이저 리플로우 공정이 수행되도록 마련된다. 따라서, 이송체와 기판 사이에 에어 갭(air gap)이 발생하지 않기 때문에 기판이 잔류 열에너지에 의해 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 레이저빔이 조사될 때, 측정 로케이션에 위치한 솔더볼의 실시간 온도를 측정하여 레이저빔의 에너지 조사 세기를 실시간으로 조절하고, 불량이 발생한 경우, 사용자에게 즉시 알림으로써, 기판구조체의 불량률을 낮출 수 있다.
또한, 레이저빔이 광섬유를 통과하면서 균질화되기 때문에 조사 영역 내에서 위치에 따른 에너지가 균일해질 수 있다. 따라서, 레이저빔의 조사 영역 내에 위치한 일부 수동소자가 열 충격으로 인하여 고장이 발생하거나, 열이 부족하여 기판에 부착이 되지 않는 문제가 발생하지 않는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 광학부는 원주렌즈 및 포커싱렌즈의 높이를 조절하여 레이저빔의 조사 영역을 용이하게 조절할 수 있다. 즉, 광학부는 수동소자의 부착 위치에 따라 레이저빔의 조사 영역의 형상 및 크기를 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 기판을 준비하는 단계의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법에 있어서, 기판가접체의 종단면을 나타낸 단면예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 기판을 조사 위치로 이송 하는 단계의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법에 있어서, 기판을 조사 위치로 이송하는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 기판에 반도체 패키지를 고정시키는 단계의 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법에 있어서, 기판에 반도체 패키지를 고정시키는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 광섬유를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 제1 원기둥렌즈 및 제2 원기둥렌즈를 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법에 따른 제조 방법으로 제조된 기판구조체를 나타낸 종단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 기판을 준비하는 단계의 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법에 있어서, 기판가접체의 종단면을 나타낸 단면예시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 레이저 리플로우 방법은 다수의 솔더볼(S)이 안착된 기판(211)을 준비하는 단계(S110)를 포함할 수 있다.
우선, S110 단계는 기판(211)의 상면에 안착홈(212)을 가공하는 단계(S111)를 포함한다. 기판(211)은 집적회로나 고밀도 집적회로 등의 회로가 복사되어 전기회로가 편성된 판으로 형성될 수 있다. 그리고, 기판(211)의 상면에는 솔더볼(S)이 안착될 수 있도록 다수의 안착홈(212)이 가공될 수 있다. 안착홈(212)의 형상은 반구 형상으로 마련될 수 있으며, 이때, 안착홈(212)의 직경은 0.5 내지 1.0 mm를 이루도록 가공될 수 있다. 단, 안착홈(212)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 다양한 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 솔더볼(S)이 기판(211)에 용이하게 안착될 수 있는 형상이라면 모두 일실시예에 포함된다.
다음으로, S110 단계는 안착홈(212)의 표면에 메탈층(213)을 형성하는 단계(S112)를 포함한다. 안착홈(212)의 표면에 형성되는 메탈층(213)은 도전성을 갖는 소재로 마련될 수 있다. 일 예로, 메탈층(213)은 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe) 등의 도전성 소재로 마련될 수 있다. 단, 메탈층(213)의 소재는 이에 한정되지는 않는다.
S110 단계는 안착홈(212)에 솔더볼(S)을 안착시키는 단계(S113)를 포함한다. 즉, 기판(211)의 상면에 형성된 다수의 안착홈(212)에 각각 솔더볼(S)을 안착시킬 수 있다. 따라서, 기판(211)의 상면에는 솔더볼(S)이 골고루 분포될 수 있고, 솔더볼(S)이 정해진 위치에서 이탈하지 않을 수 있다. 그리고, 이후 단계에서 솔더볼(S)에 레이저빔이 조사될 때, 반도체 패키지(214)가 비뚤어지거나 휘어지지 않고 기판(211)에 고정되도록 할 수 있다.
S110 단계 이후에, 레이저 리플로우 방법은 솔더볼(S)의 상부에 반도체 패키지(214)를 안착시키는 단계(S120)를 포함한다. 구체적으로, 반도체 패키지(214)는 다수의 솔더볼(S)의 상면에 안착되되, 레이저 리플로우 공정을 거쳐 기판(211)에 전기적으로 연결될 수 있는 위치에 안착될 수 있다. 이처럼 적층된 기판(211) 및 반도체 패키지(214)는 기판가접체(210)를 이룬다. 여기서, 기판가접체(210)란 안착홈(212) 및 메탈층(213)이 가공 형성된 기판(211)에 솔더볼(S)이 안착되고, 솔더볼(S)에 반도체 패키지(214)가 안착되되, 레이저빔에 의해 조사되어 기판(211)과 반도체 패키지(214)가 결합되기 전의 구조체를 의미한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 기판을 조사 위치로 이송 하는 단계의 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법에 있어서, 기판을 조사 위치로 이송하는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 4 및 도 5를 더 참조하면, S120 단계 이후에, 레이저 리플로우 방법은 기판(211)을 조사 위치로 이송하는 단계(S130)를 실시할 수 있다. 이때, 기판(211)은 이송부(220)에 의해 레이저빔의 조사 위치로 이송될 수 있다. 이송부(220)는 상면에 기판(211)이 안착될 수 있는 이송체(221) 및 이송체(221)에 동력을 제공하는 이송모듈(222)을 포함한다.
S130 단계는 우선, 기판(211)을 이송체(221)에 안착시키는 단계(S131)를 실시할 수 있다. 여기서, 이송체(221)는 상술한 바와 같이, 기판(211)이 안착되며, 기판(211)을 레이저빔의 조사 위치로 이송하는 이송부(220)의 본체를 지칭할 수 있다. 그리고, 이송체(221)는 상면에 기판(211)의 하면이 밀착되도록 기판을 진공흡착하는 진공모듈(223)을 더 포함할 수 있다. 즉, 이송부(220)는 진공압을 제공하는 진공모듈(223)을 더 포함하며, 진공모듈(223)은 이송체(221)와 연결되어 기판(211)의 하면이 이송체(221)에 밀착되도록 진공압을 제공할 수 있다. 구체적으로, 이송체(221)는 세라믹(Ceramic) 소재로 이루어진 다공성 진공척으로 마련될 수 있다. 그리고, 다공성 진공척으로 이루어진 이송체(221)는 다수의 미소크랙이 존재하기 때문에, 진공모듈(223)에 의해 이송체(221)의 내부가 진공상태가 될 경우, 이송체(221)의 상면의 공기가 이송체(221)의 내부를 통과하여 하부로 이동할 수 있다. 그리고 기판(211)은 공기의 흐름에 의해 이송체(221)의 상면에 더욱 밀착될 수 있다. 단, 이송체(221)에 기판(211)을 밀착시키는 구성은 일실시예에 한정되지 않는다. 즉, 이송체(221)에 다수의 진공홀(미도시)를 형성하고, 상기 진공홀에 진공압을 발생시켜 기판(211)을 이송체(221)에 밀착시키는 것도 가능하다.
또한, 기판(211)은 제조 과정에서 휨 등의 변형이 발생할 수 있다. 따라서, 기판(211)이 이송체(221)에 안착되었을 때, 변형이 발생한 기판(211)의 하면 중 일부가 이송체(221)에 밀착되지 않을 수 있다. 이 경우, 가압밀착부(230)에 의해 기판(211)이 이송체(221)와 밀착되도록 마련될 수 있다. 구체적으로, 가압밀착부(230)는 가압로드(231) 및 가압제어모듈(232)을 포함한다. 가압로드(231)는 이송체(221)의 상부에 하나 이상으로 마련될 수 있으며, 가압로드(231)는 상하로 연장된 기둥 형상으로 마련될 수 있다. 단, 가압로드(231)의 형상은 일실시예에 한정되지 않으며, 기판(211)의 상면에 일시적으로 압력을 가해 기판(211)이 이송체(221)에 밀착되도록 할 수 있는 형상이라면 모두 일실시에에 포함될 수 있다. 가압제어모듈(232)은 기판(211)과 이송체(221)가 밀착되지 않은 부분의 상측에 가압로드(231)가 위치하도록 가압로드(231)를 수평 방향으로 이동시킬 수 있다. 그리고, 가압제어모듈(232)은 가압로드(231)와 연결되어 가압로드(231)를 하측으로 이동시켜, 기판(211)과 이송체(221)를 밀착시킨 후에 가압로드(231)를 상측으로 이동시킬 수 있다. 이때, 가압제어모듈(232)은 가압로드(231)가 기판(211)의 상면에 압력을 가하되, 솔더볼(S)이 위치하지 않는 부분에 압력을 가하도록 할 수 있다.
기판(211)이 이송체(221)에 밀착되지 않은 경우, 기판(211)의 하면과 이송체(221)의 상면 사이에는 에어 갭이 존재하게 된다. 이 상태에서 기판가접체(210)에 레이저빔이 조사되면 기판가접체(210)를 통과한 레이저빔의 열 중 일부가 기판가접체(210)를 완전히 통과하지 못하고 에어 갭에 잔류하게 된다. 즉, 기판(211)은 잔류 열에너지에 의해 열 변형이 발생할 수 있다. 그러나, 이처럼 기판(211)의 하면이 이송체(221)의 상면에 밀착된 상태에서 기판가접체(210)에 레이저빔이 조사될 경우, 이송체(221)와 기판(211) 사이에 에어 갭이 발생하지 않기 때문에 잔류 열에너지에 의해 기판(211)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이송부(220)는 이송체(221)에 마련되는 히터모듈(224) 및 냉각모듈(225)을 더 포함할 수 있다. 히터모듈(224) 및 냉각모듈(225)은 이송체(221)의 온도를 조절하여 기판(211)에 열 변형이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 여기서, 히터모듈(224)은 적외선 히터로 마련될 수 있으며, 냉각모듈(225)은 냉매를 갖는 쿨러로 마련될 수 있다.
S131 단계 이후에는 각각의 기판(211)이 기설정된 시간 동안 조사 위치에 머무르도록 이송체(221)를 이동 또는 정지시키는 단계(S132)가 실시될 수 있다. 구체적으로, 이송모듈(222)은 각각의 기판(211)이 순차적으로 조사 위치에 위치하도록 이송체(221)를 이동시킨 이후에, 상기 조사 위치에 위치한 기판(211)이 레이저빔에 의해 조사되는 기설정된 시간 동안 상기 조사 위치에 머무르도록 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 기판에 반도체 패키지를 고정시키는 단계의 순서도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법에 있어서, 기판에 반도체 패키지를 고정시키는 상태를 나타낸 예시도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 광섬유를 나타낸 사시도이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법의 제1 원기둥렌즈 및 제2 원기둥렌즈를 나타낸 사시도이다.
도 6 내지 도 9를 더 참조하면, S130 단계 이후에, 조사 위치에 위치한 솔더볼(S)에 레이저빔을 면 조사하여 기판(211)에 반도체 패키지(214)를 고정시키는 단계(S140)를 실시할 수 있다.
먼저, S140 단계는 레이저빔의 에너지가 균질화 되는 단계(S141)가 실시될 수 있다. 일반적으로, 면 조사되는 레이저빔은 조사 영역의 중심에서 멀어질수록 에너지가 감소하는 가우시안 분포를 갖는다. 따라서, 기판가접체(210)에 가우시안 분포를 갖는 레이저빔을 조사할 경우, 조사 영역의 중심부는 과도한 열에너지에 의해 열 변형이 발생하고, 조사 영역의 가장자리는 리플로우에 필요한 열에너지가 부족하여 기판(211)에 반도체 패키지(214)가 고정되지 않을 수 있다. 따라서, S141단계에서, 레이저빔이 조사되는 조사 영역 내의 에너지가 균질해지도록 할 수 있다. 이하, 구체적으로 일실시예에 따른 광섬유(250)를 이용하여 레이저빔의 에너지를 균질화하는 방법을 설명하도록 한다.
일실시예에 따른 광섬유(250)는 코어(251) 및 클래딩(252)을 포함한다. 구체적으로, 코어(251)는 사각형의 단면을 갖고, 기둥 형태로 연장되어 마련될 수 있으며, 코어(251)의 내측에는 레이저빔이 투과될 수 있는 중공부가 마련될 수 있다. 이때, 코어(251)는 단면이 정사각형 또는 직사각형으로 마련될 수 있으며, 단면의 제1축 방향 길이인 가로와 제2축 방향길이인 세로의 비율은 용이하게 변경될 수 있다. 첨언하면, 일반적으로 사용되는 광섬유는 코어의 단면 형상이 원형이다. 이처럼 단면 형상이 원형인 코어를 갖는 광섬유는 레이저빔이 통과할 때, 균질화가 이루어지지 않고, 코어를 통과한 레이저빔의 에너지가 가우시안 분포를 이룬다. 따라서, 코어(251)의 단면 형상은 사각형인 것이 바람직하다. 그러나, 코어(251)의 단면 형상은 사각형으로 한정되지 않으며, 코어(251)를 통과한 레이저빔의 에너지가 균질화될 수 있다면 모두 일실시예에 포함될 수 있다.
클래딩(252)은 코어(251)의 외주면을 둘러싸도록 코어(251)의 길이 방향으로 연장되어 마련될 수 있다.
코어(251) 및 클래딩(252)은 소정의 굴절률을 갖는 소재로 마련될 수 있다. 구체적으로, 코어(251)와 클래딩(252)의 소재는 석영, 유리, 플라스틱 중 어느 하나 이상 또는 이의 합금으로 마련될 수 있다. 그러나, 코어(251)와 클래딩(252)의 소재는 이에 한정되지 않으며, 소정의 굴절률을 갖고 레이저빔의 손실을 최소화할 수 있는 절연체 소재를 모두 포함할 수 있다. 또한, 클래딩(252)은 코어(251)에 비해 굴절률이 낮은 소재로 마련되어 코어(251)에 입사된 레이저빔이 코어(251)와 클래딩(252)의 경계면에서 전반사되도록 할 수 있다. 이때, 코어(251)의 내측 중공부에 레이저빔을 조사할 수 있는 레이저부(미도시)는 광섬유(250)의 입구측에 위치하며, 레이저빔을 면 조사하도록 마련될 수 있다.
상기와 같이 마련되는 코어(251)와 클래딩(252)은 하나의 광섬유(250)를 이루도록 일체화되며, 코어(251)의 내측으로 입사된 레이저빔은 코어(251)와 클래딩(252)의 경계면에서 전반사되며 출구측으로 이동한다. 구체적으로, 빛은 파장이 짧아서 직진하는 성질을 가지며, 반사 또는 굴절되는 성질을 갖고 있다. 따라서, 코어(251)의 내측으로 입사된 레이저빔은 코어(251)와 클래딩(252)의 경계면 굴절률이 변함에 따라 전반사되며 출구측으로 이동한다. 이때, 코어(251)와 클래딩(252)의 경계면에서 전반사되며 이동하는 레이저빔은 코어(251)를 통과하면서 균질화될 수 있다.
이처럼, 광섬유(250)를 통과하며 균질화된 레이저빔은 조사 영역 내에서 위치에 따른 에너지가 균일해진다. 즉, 조사 영역의 중심으로부터 조사 영역의 가장자리까지는 레이저빔의 에너지가 균질하고, 조사 영역을 벗어나면 급격히 레이저빔의 에너지가 감소한다. 따라서, 레이저빔의 조사 영역 내의 중심에 위치한 수동소자 열 충격으로 인하여 고장이 발생하거나, 조사 영역의 가장자리에 위치한 수동소자가 에너지 부족으로 기판에 부착이 되지 않는 문제가 발생하는 것을 방지 할 수 있다. 또한, 조사 영역의 바깥쪽으로는 에너지가 급속히 감소하여 조사 영역의 바깥쪽에 위치한 기판(211)이나 열에 취약한 IC소자 등에 열 충격이 발생하는 것을 방지할 수도 있다.
S141 단계 이후에는 레이저빔의 조사 영역이 조절되는 단계(S142)가 실시될 수 있다. 구체적으로, 기판(211)에 고정되는 반도체 패키지(214)의 크기 및 형상은 반제품에 따라 변경될 수 있다. 또한, 반도체 패키지(214)에는 수동소자, IC소자 등이 포함되며, IC소자는 레이저빔의 열에너지에 쉽게 변형이 발생할 수 있다. 따라서, S142단계에서 반도체 패키지(214)의 형상 및 크기에 대응되는 레이저빔을 조사하거나, 반도체 패키지(214)에 포함되는 소자에 따라 선택적으로 레이저빔을 조사하기 위하여 레이저빔의 조사 영역을 조절할 수 있다. 여기서, 조사 영역은 레이저빔이 기판가접체(210)에 조사될 때, 레이저빔이 조사될 면적을 지칭할 수 있다. 이하, 구체적으로 일실시예에 따른 광학부(240)를 사용하여 레이저빔의 조사 영역을 조절하는 방법을 설명하도록 한다.
일실시예에 따른 광학부(240)는 볼록렌즈(241), 원주렌즈(242) 및 포커싱렌즈(245)를 포함하며, 광학부(240)는 광섬유(250)의 출구측에 위치하여 레이저빔이 기판가접체(210)에 조사될 때 조사 영역을 조절할 수 있다.
볼록렌즈(241)는 면조사되는 레이저빔을 집광하도록 레이저빔을 균질화하는 광섬유(250)의 출구측에 인접하여 마련될 수 있다. 구체적으로, 레이저빔은 광섬유(250)를 통과하며 균질화된 이후에 광섬유(250)의 출구측을 통과할 때, 발산되어 흩어질 수 있다. 따라서, 볼록렌즈(241)는 균질화된 빔이 발산하지 못하도록 집광하고, 집광된 레이저빔을 원주렌즈(242)로 전달할 수 있다. 이때, 볼록렌즈(241)에 의해 집광된 레이저빔의 조사 영역은 레이저빔이 균질화되기 위해 통과한 코어(251)의 형상과 동일하게 형성될 수 있다. 일 예로, 볼록렌즈(241)를 통과한 레이저빔의 조사 영역은 제1 조사 영역(A1)을 이룰 수 있다. 여기서, 볼록렌즈(241)는 광섬유(250)의 출구측에서 발산되는 레이저빔을 집광할 수 있는 렌즈라면 대체 가능하다.
원주렌즈(242)는 제1 원기둥렌즈(243) 및 제2 원기둥렌즈(244)를 포함하며, 볼록렌즈(241)를 통과한 레이저빔의 조사 영역이 기설정된 형상을 갖도록 조절할 수 있다.
제1 원기둥렌즈(243)는 볼록렌즈(241)를 통과한 레이저빔의 제1축 방향 길이를 조절할 수 있다. 제1 원기둥렌즈(243)는 원기둥을 세운상태에서, 종축으로 절단한 형상으로 마련될 수 있으며, 제1 원기둥렌즈(243)는 볼록렌즈(241)의 하부에 마련되되, 제1 원기둥렌즈(243)의 볼록한 면이 상측을 향하도록 배치될 수 있다. 그리고, 제1 원기둥렌즈(243)를 투과하는 레이저빔의 조사 영역은 제1축 방향 길이가 축소되도록 마련될 수 있다. 여기서, 일 예로, 제1 원기둥렌즈(243)를 투과한 레이저빔은 조사 영역의 제1축 방향 길이가 축소되어 제1 조사 영역(A1)에서 제2 조사 영역(A2)으로 조사 영역이 변형될 수 있다.
제2 원기둥렌즈(244)는 제1 원기둥렌즈(243)를 통과한 레이저빔의 제2축 방향 길이를 조절할 수 있다. 이때, 제2축 방향길이는 제1축 방향길이와 서로 직교하고, 제2 원기둥렌즈(244)는 제1 원기둥렌즈(243)와 동일한 형상으로 마련될 수 있다. 그리고, 제2 원기둥렌즈(244)는 제1 원기둥렌즈(243)의 하부에 마련되며, 볼록한 면이 상측을 향하도록 배치되되, 제1 원기둥렌즈(243)와 방향이 직교하도록 배치될 수 있다. 이처럼 마련된 제2 원기둥렌즈(244)를 투과하는 레이저빔의 조사 영역은 제2축 방향 길이가 축소되도록 마련될 수 있다. 일 예로, 제2 원기둥렌즈(244)를 투과한 레이저빔은 조사 영역의 제2축 방향 길이가 축소되어 제2 조사 영역(A2)에서 제3 조사 영역(A3)으로 조사 영역이 변형될 수 있다.
이처럼 마련된 제1 원기둥렌즈(243) 및 제2 원기둥렌즈(244)는 레이저빔의 조사 영역의 형상을 용이하게 조절할 수 있다. 이때, 제1 원기둥렌즈(243) 및 제2 원기둥렌즈(244)는 일실시예에 한정되지 않으며, 레이저빔의 조사 영역의 제1축 방향 길이 및 제2축 방향 길이를 용이하게 조절할 수 있는 구성이라면 모두 일실시예에 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 원기둥렌즈(243) 및 제2 원기둥렌즈(244)는 볼록한 면이 하부로 향하도록 배치될 수도 있고, 상면이 오목한 렌즈가 제1 원기둥렌즈(243) 및 제2 원기둥렌즈(244)의 위치에 마련될 수도 있다. 이 경우, 레이저빔의 조사 영역은 제1축 방향 길이와 제2축 방향 길이가 늘어나도록 조절될 수 있다. 즉, 제1 원기둥렌즈(243) 및 제2 원기둥렌즈(244)는 레이저빔의 조사 영역의 제1축 방향 길이와 제2축 방향 길이를 조절하여 조사 영역의 가로 및 세로의 길이 비율을 조절할 수 있다면 모두 일실시예에 포함될 수 있다.
또한, 제1 원기둥렌즈(243)와 제2 원기둥렌즈(244)는 서로 위치가 바뀔 수 있다. 즉, 볼록렌즈(241)를 투과한 레이저빔이 제1 원기둥렌즈(243)보다 제2 원기둥렌즈(244)를 먼저 투과하게 함으로써, 조사 영역의 제2축 방향 길이가 조절된 이후에 제1축 방향 길이가 조절되도록 할 수도 있다.
한편, 포커싱렌즈(245)는 원주렌즈(242)를 통과한 레이저빔의 조사 영역이 기설정된 넓이를 갖도록 조절할 수 있다. 구체적으로, 포커싱렌즈(245)는 원주렌즈(242)에 의해 형성된 조사 영역의 형상을 유지하되, 조사 영역의 넓이를 증가 또는 감소시킬 수 있다. 즉, 포커싱렌즈(245)는 원주렌즈(242)에 의해 형성된 조사 영역의 가로 및 세로 길이의 비율을 유지하여 형상을 유지한 상태에서 조사 영역의 넓이를 증가 또는 감소시킬 수 있다. 일 예로, 제2 원기둥렌즈(244)를 투과한 레이저빔의 조사 영역인 제3 조사 영역(A3)을 포커싱렌즈(245)를 이용하여 확대함으로써, 제4 조사 영역(A4)의 넓이를 갖도록 할 수 있다. 그리고, 포커싱렌즈(245)가 제3 조사 영역(A3)의 넓이를 축소할 수도 있음은 물론이다. 또한, 포커싱렌즈(245)는 교체 가능하도록 마련될 수 있다.
광학부(240)는 승강모듈(246)을 더 포함하며, 승강모듈(246)은 제1 원기둥렌즈(243), 제2 원기둥렌즈(244) 및 포커싱렌즈(245)를 개별적으로 상승 또는 하강시켜 레이저빔의 조사 영역을 조절할 수 있다. 구체적으로, 승강모듈(246)은 제1 원기둥렌즈(243)를 상승 또는 하강시켜 제1 조사 영역(A1)이 제2 조사 영역(A2)으로 변형될 때, 제1축 방향 길이를 조절할 수 있다. 여기서, 제1 원기둥렌즈(243)는 상승될수록 제2 조사 영역(A2)의 제1축 방향 길이는 크게 감소되며, 제1 원기둥렌즈(243)가 하강될수록, 제2 조사 영역(A2)의 제2축 방향길이는 적게 감소된다.
또한, 승강모듈(246)은 제2 원기둥렌즈(244)를 상승 또는 하강시켜 제2 조사 영역(A2)이 제3 조사 영역(A3)으로 변형될 때, 제2축 방향 길이를 조절할 수 있고, 승강모듈(246)은 포커싱렌즈(245)를 상승 또는 하강시켜 제3 조사 영역(A3)이 제4 조사 영역(A4)으로 변형될 때, 제4 조사 영역(A4)의 넓이를 조절할 수 있다. 제2 원기둥렌즈(244)의 상승 또는 하강에 따른 제2축 방향 길이의 조절과 포커싱렌즈(245)의 상승 또는 하강에 따른 조사 영역의 넓이 조절은 상술한 제1 원기둥렌즈(243)와 유사하여 통상의 기술자가 실시하기 용이하기 때문에 구체적인 설명은 생략한다.
S142 단계 이후에는 레이저빔에 의해 조사 영역 내에 위치한 솔더볼(S)이 리플로우되어 기판(211)에 반도체 패키지(214)가 고정되는 단계(S143)가 실시될 수 있다. 즉, S141 단계에서 균질화된 레이저빔은 S142 단계에서 셋팅된 광학부(240)를 통과하며 조사 영역이 조절되고, 조사 영역이 조절된 레이저빔은 S143 단계에서 기판가접체(210)에 조사되어 기판(211)과 반도체 패키지(214)를 고정시킨다.
또한, S143 단계에서, 조사 영역 내에는 하나 이상의 측정 로케이션이 지정될 수 있다. 그리고, 상기 측정 로케이션에 위치하는 안착홈(212)에 안착된 솔더볼(S)은 실시간으로 온도가 측정될 수 있다. 일 예로, 솔더볼(S)은 이송부(220)의 상부에 위치하는 온도측정부(260)에 의해 실시간으로 온도가 측정될 수 있으며, 온도측정부(260)는 적외선 카메라 또는 열 감지 카메라 등으로 마련될 수 있다. 그리고, 온도측정부(260)는 상기 측정 로케이션에 위치한 솔더볼(S)이 기설정된 정상 온도 범위를 유지하도록 레이저빔의 에너지 조사 세기를 제어할 수 있다. 또한, 상기 측정 로케이션에 위치한 솔더볼(S)의 온도가 기설정된 정상 온도 범위를 벗어난 경우, 사용자에게 기판가접체(210)에 불량이 발생했음을 알려줌으로써, 반제품의 불량률을 낮출 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 리플로우 방법에 따른 제조 방법으로 제조된 기판구조체를 나타낸 종단면도이다.
도 10을 더 참조하면, 레이저 리플로우 방법을 통해 제조된 기판구조체(300)는 솔더볼(S)이 안착되는 다수의 안착홈(312)이 마련되며, 안착홈(312)의 표면에는 메탈층(313)이 형성된 기판(311) 및 기판(311)의 상부에 고정된 반도체 패키지(314)를 포함한다. 이처럼 레이저 리플로우 공정을 통해 제조되는 기판구조체(300)는 솔더볼(S)이 리플로우 되는데 소요되는 시간이 1초 내지 2초 정도에 불과하다. 즉, 레이저 리플로우 방법을 사용하면 신속하게 기판구조체(300)를 생산할 수 있어 경제적이다.
또한, 레이저 리플로우 방법을 사용하면 하나의 기판(311)에 수동소자, IC 소자 등의 반도체 패키지(314)가 고정될 수 있어 기판구조체(300)의 부피가 감소되고, 기판구조체(300)가 열 변형으로 인해 불량이 발생하는 문제를 방지할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
210: 기판가접체 211: 기판
212: 안착홈 213: 메탈층
214: 반도체 패키지 220: 이송부
221: 이송체 222: 이송모듈
223: 진공모듈 224: 히터모듈
225: 냉각모듈 230: 가압밀착부
231: 가압로드 232: 가압제어모듈
240: 광학부 241: 볼록렌즈
242: 원주렌즈 243: 제1 원기둥렌즈
244: 제2 원기둥렌즈 245: 포커싱렌즈
246: 승강모듈 250: 광섬유
251: 코어 252: 클래딩
260: 온도측정부 300: 기판구조체
310: 기판 311: 안착홈
312: 메탈층 320: 반도체 패키지

Claims (13)

  1. a) 다수의 솔더볼이 안착된 기판을 준비하는 단계;
    b) 상기 솔더볼의 상부에 반도체 패키지를 안착시키는 단계;
    c) 상기 기판을 조사 위치로 이송하는 단계; 및
    d) 상기 조사 위치에 위치한 상기 솔더볼에 레이저빔을 면 조사하여 상기 기판에 상기 반도체 패키지를 고정시키는 단계를 포함하며,
    상기 d) 단계에서, 상기 레이저빔의 에너지를 균질화하고, 균질화된 레이저빔의 조사영역을 상기 반도체 패키지의 형상에 대응되도록 조절하여, 상기 솔더볼에 면 조사하며,
    상기 c) 단계는,
    c1) 상기 기판을 이송체에 안착시키는 단계; 및
    c2) 각각의 기판이 기설정된 시간 동안 상기 조사 위치에 머무르도록 상기 이송체를 이동 또는 정지시키는 단계를 포함하고,
    상기 c1) 단계에서, 가압 밀착부를 이용하여 상기 기판의 하면이 상기 이송체에 밀착되도록 상기 기판의 상면에 상기 솔더볼이 위치하지 않는 부분에 압력을 가하며,
    상기 가압 밀착부는,
    상기 기판의 상면에 압력을 가하는 하나 이상의 가압로드; 및
    상기 가압로드의 위치를 제어하는 가압제어모듈을 포함하고,
    상기 가압제어모듈은 상기 가압로드가 상기 기판의 상면에 상기 솔더볼이 위치하지 않는 부분에 압력을 가하도록 제어하는 것인 레이저 리플로우 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    a1) 상기 기판의 상면에 안착홈을 가공하는 단계;
    a2) 상기 안착홈의 표면에 메탈층을 형성하는 단계; 및
    a3) 상기 안착홈에 상기 솔더볼을 안착시키는 단계를 포함하는 것인 레이저 리플로우 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 c1) 단계에서, 상기 이송체는 상면에 상기 기판이 밀착되도록 상기 기판을 진공흡착하는 것인 레이저 리플로우 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이송체는 다공성 진공척(porous vaccum chuck)으로 마련되는 것인 레이저 리플로우 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    d1) 상기 레이저빔의 에너지가 균질화되는 단계;
    d2) 상기 레이저빔의 조사 영역이 조절되는 단계; 및
    d3) 상기 레이저빔에 의해 상기 조사 영역 내에 위치한 솔더볼이 리플로우되어 상기 기판에 상기 반도체 패키지가 고정되는 단계를 포함하는 것인 레이저 리플로우 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 d3) 단계에서, 상기 조사 영역 내에는 하나 이상의 측정 로케이션이 지정되며, 상기 측정 로케이션에 위치한 솔더볼은 실시간으로 온도가 측정되는 것인 레이저 리플로우 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 d3) 단계에서, 상기 레이저빔의 에너지 조사 세기는 상기 측정 로케이션에 위치한 솔더볼이 기설정된 정상 온도 범위를 유지하도록 제어되는 것인 레이저 리플로우 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 d3) 단계에서, 상기 측정 로케이션에 위치한 솔더볼의 온도가 기설정된 정상 온도 범위를 벗어난 경우, 사용자에게 알리는 것인 레이저 리플로우 방법.
  11. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 레이저 리플로우 방법에 의해 제조되는 기판구조체에 있어서,
    솔더볼이 안착되는 다수의 안착홈이 마련되며, 상기 안착홈의 표면에는 메탈층이 형성된 기판; 및
    상기 기판의 상부에 고정된 반도체 패키지를 포함하는 것인 기판구조체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 안착홈의 직경은 0.5 ~ 1.0 mm인 것인 기판구조체.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 메탈층은 도전성을 갖는 금속 소재로 마련되는 것인 기판구조체.
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