KR102174928B1 - 멀티 빔 레이저 디본딩 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 멀티 빔 레이저 디본딩 장치는, 기판으로부터 전자부품을 디본딩하기 위한 레이저 디본딩 장치로서, 디본딩 대상인 전자부품과 그 주변 전자부품의 부착위치들을 포함하는 소정 범위의 제1 기판 영역에 제1 레이저 빔을 조사하여 상기 전자부품들의 솔더링을 소정의 예열 온도까지 가열하는 제1 레이저 모듈; 및 상기 제1 기판 영역보다 좁은 영역으로서 상기 디본딩 대상인 전자부품의 부착위치만을 포함하는 제2 기판 영역에 상기 제1 레이저 빔과 중첩되는 제2 레이저 빔을 조사하여 상기 디본딩 대상 전자부품의 솔더링을 용융이 되기 시작하는 디본딩 온도까지 추가로 가열하는 제2 레이저 모듈을 포함한다.

Description

멀티 빔 레이저 디본딩 장치 및 방법 {Multi-beam laser de-bonding equipment and method thereof}
본 발명은 레이저 디본딩 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 싱글 빔에 의한 기판의 열적 손상을 해소하여 레이저 디본딩 처리에 따른 전자부품 불량률을 대폭 개선하기 위해 멀티 레이저 빔을 적용한 레이저 디본딩 장치 및 방법에 관한 것이다. 레이저 디본딩 장치는 레이저 리워크(re-work) 장치라고 불리기도 한다.
산업용 레이저 가공에서 마이크론(㎛)급의 정밀도를 가지는 응용분야가 마이크로 레이저 프로세싱인데, 반도체 산업, 디스플레이 산업, 인쇄회로기판(PCB) 산업, 스마트폰 산업 등에서 널리 사용되고 있다.
모든 전자기기에 사용되는 메모리칩은 집적도와 성능 및 초고속 통신 속도를 구현하기 위해 회로 선폭과 선폭 간격을 최소한으로 축소시키는 방향으로 기술이 발전하다가 현재는 회로 선폭과 선폭 간격을 축소시키는 것만으로는 요구되는 기술수준을 달성하기 어려워서 메모리칩들을 수직방향으로 적층하는 수준이 되었다. 이미 128층까지의 적층기술이 TSMC사(社)에서 개발되었고, 72층까지 적층하는 기술을 삼성전자, SK하이닉스 등에서 대량생산에 적용하고 있다.
디스플레이의 경우에도, 수백 미크론 크기(예를 들어, 320*180㎛)를 가지며 LCD TV 등의 백라이트유닛(BLU)로 사용되는 미니 LED와, 수십 미크론 크기(예를 들어, 100*100㎛, 40*50㎛ 등)를 가지며 RGB TV나 디지털 사이니지의 자체 발광 광원으로 사용되는 마이크로 LED에 복수의 배선의 적층된 PCB 기판이 사용되고 있다.
이와 같이 복수의 내부 배선층을 가진 다층 PCB 기판에 본딩된 메모리칩, LED칩 등의 일부 전자부품에 결함 발생할 경우 다수의 전자부품이 고밀도로 배치된 PCB 기판 상에서 결함이 발생된 해당 전자부품만을 디본딩할 때 레이저 광의 조사에 따른 발열 처리로 인해 불량이 발생할 수 있다.
도 1은 전자부품이 배치된 다층 PCB 기판의 일부 구간에 대한 단면도이다. 영역 A에 배치된 전자부품(10)의 하부에는 고밀도의 배선층이 존재하고 영역 B에 배치된 전자부품(20)의 하부에는 저밀도의 배선층이 존재한다.
예를 들어, 20w 출력으로 레이저 광원을 조사하면 영역 A에 비해 영역 B의 온도가 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 영역 A의 전자부품(10)이 적정한 디본딩 온도인 230~240℃에 도달하는 사이 영역 B의 전자부품(20)은 300℃까지 과열되는 것이다. 기판의 전자부품에 레이저 빔을 조사할 때 빔 사이즈 1mm 이하의 레이저 빔을 조사할 경우 전자부품의 솔더를 용융시키기 위한 레이저 빔의 에너지 밀도가 상대적으로 너무 크고 기판 상에서의 위치에 따라 온도 편차가 크기 때문에 동일한 레이저 빔 출력 조건을 적용하여도 기판 상에서의 위치에 따라 과열이 발생하게 된다.
이러한 현상은 각 영역의 기판에 내지된 배선층의 밀도에 따른 것으로 파악된다. 영역 A에서는 고밀도 배선층이 레이저 광 조사에 따른 열을 기판의 다른 부분으로 방출하는 기능을 원활하게 수행하지만 영역 B에서는 저밀도 배선층으로 인해서 이러한 방열 작용이 충분하지 않기 때문이다.
따라서, 레이저 디본딩 작업시에 PCB 기판 내부 배선 구조를 위치 별로 파악하기는 곤란하기 때문에 동일한 출력의 레이저 광원을 이용하여 레이저 디본딩을 수행할 수 밖에 없으며 이러한 경우 영역 A의 전자부품(10)에 대해서는 양호한 디본딩 결과를 얻더라도 영역 B에서는 해당 전자부품(20)이 과열되거나 심지어 타버리는 현상이 발생할 수 있다.
이와 유사한 현상은 동일 평면 상에 서로 다른 밀도로 칩이 배치된 플렉시블PCB(FPCB, 연성 인쇄회로기판) 기판 상에서도 관찰된다. 즉, 조밀하게 전자부품이 배치된 영역에 존재하는 전자부품을 디본딩하기 위해 레이저 광원을 조사할 때 인접 영역에 성기게 배치된 전자부품이 더 과열되는 현상이 발생하는 것이다.
본 발명은 종래 레이저 디본딩 장치에서 싱글 빔의 에너지 밀도 집중에 의해 디본딩 위치 주변의 전자부품 및 기판이 손상되는 문제점을 해소할 수 있는 레이저 디본딩 장치와 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 멀티 레이저 빔을 이용하여 디본딩 대상 전자부품과 그 주변의 전자부품을 동시에 또는 순차적으로 조사함으로써 기판 상에서의 위치별 온도 편차를 개선할 수 있어서 전자부품 및 기판이 손상 내지 열화되는 것을 방지할 수 있는 레이저 디본딩 장치와 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 제1 레이저 빔을 이용하여 디본딩 대상 영역 주변을 충분히 예열한 상태에서 출력이 더 낮은 제2 레이저 빔을 이용하여 디본당 대상 전자부품에 조사하기 때문에, 싱글 빔에 의해 한 번에 레이저를 조사하는 경우보다 레이저 빔의 온도 프로파일의 미세한 제어가 훨씬 용이한 레이저 디본딩 장치와 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판으로부터 전자부품을 디본딩하기 위한 멀티 빔 레이저 디본딩 장치로서, 디본딩 대상인 전자부품과 그 주변 전자부품의 부착위치들을 포함하는 소정 범위의 제1 기판 영역에 제1 레이저 빔을 조사하여 상기 전자부품들의 솔더링을 소정의 예열 온도까지 가열하는 제1 레이저 모듈; 및 상기 제1 기판 영역보다 좁은 영역으로서 상기 디본딩 대상인 전자부품의 부착위치만을 포함하는 제2 기판 영역에 상기 제1 레이저 빔과 중첩되는 제2 레이저 빔을 조사하여 상기 디본딩 대상 전자부품의 솔더링을 용융이 되기 시작하는 디본딩 온도까지 추가로 가열하는 제2 레이저 모듈을 포함한다.
또한, 상기 제1 레이저 모듈과 상기 제2 레이저 모듈을 각기 하나 이상 구비한다.
또한, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔의 조사면은 각기 사각 형상 또는 원형으로 구성된다.
또한, 상기 제1 기판 영역의 상기 예열 온도와 상기 제2 기판 영역의 상기 디본딩 온도의 온도차는 20 내지 40℃이다.
또한, 상기 각 레이저 모듈은 상호 대칭적으로 배치되고 상기 각 레이저 빔은 동일한 빔 조사 각도를 가지며, 서로 상이한 최대 출력과 파장을 갖는다.
또한, 상기 제1 기판 영역의 상기 예열 온도와 상기 제2 기판 영역의 상기 디본딩 온도의 편차는 최대치의 10 내지 15%이다.
또한, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔은 동시에 조사된다.
또한, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔은 순차적으로 조사된다.
또한, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔의 중첩에 따른 온도 프로파일은 2단계의 상승기와 2단계의 하강기를 구비한다.
또한, 상기 각 레이저 빔에 의한 상기 전자부품의 디본딩 과정을 촬영하기 위해 적어도 하나의 카메라 모듈로 구성되는 카메라부; 및 상기 카메라부로부터의 출력신호에 근거하여 상기 레이저 조사부의 각 레이저 모듈을 독립적으로 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 상기 레이저 조사부에 인가하는 레이저 출력 조정부를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 종래 레이저 디본딩 장치에서 싱글 빔의 에너지 밀도 집중에 의해 디본딩 위치 주변의 전자부품 및 기판이 손상되는 문제점을 해소할 수 있는 레이저 디본딩 장치와 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 멀티 레이저 빔을 이용하여 디본딩 대상 전자부품과 그 주변의 전자부품을 동시에 또는 순차적으로 조사함으로써 기판 상에서의 위치별 온도 편차를 개선할 수 있어서 전자부품 및 기판이 손상 내지 열화되는 것을 방지할 수 있는 레이저 디본딩 장치와 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 제1 레이저 빔을 이용하여 디본딩 대상 영역 주변을 충분히 예열한 상태에서 출력이 더 낮은 제2 레이저 빔을 이용하여 디본당 대상 전자부품에 조사하기 때문에, 싱글 빔에 의해 한 번에 레이저를 조사하는 경우보다 레이저 빔의 온도 프로파일의 미세한 제어가 훨씬 용이한 레이저 디본딩 장치와 방법이 제공된다.
도 1은 전자부품이 배치된 다층 PCB 기판의 일부 구간에 대한 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 빔 레이저 디본딩 장치의 듀얼 빔 모듈의 개념도이다.
도 2b는 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔 조사시의 온도 프로파일이고, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 레이저 빔 조사의 온도 프로파일이다.
도 3은 전자부품이 배치된 FPCB 기판에 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 레이저 빔을 조사하는 공정의 설명도이다.
도 4a 및 도 4b는 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔이 조사되는 FPCB 기판과 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 빔 레이저 디본딩 장치에 의해 듀얼 레이저 빔이 조사되는 FPCB 기판의 비교 이미지이다.
도 5a 및 도 5b는 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔 조사 후의 FPCB 기판 상의 전자부품 상태와 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 레이저 빔 조사 후의 FPCB 기판 상의 전자부품 상태의 비교 이미지이다.
도 6은 두께 0.08mm의 FPCB에 대해 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔 조사시와 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 레이저 빔 조사시의 온도 편차 실험 결과표이다.
도 7은 두께 0.6mm의 Rigid FPCB(경연성 인쇄회로기판)에 대해 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔 조사시와 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 레이저 빔 조사시의 온도 편차 실험 결과표이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 빔 레이저 디본딩 장치의 구성도이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 빔 레이저 디본딩 장치에 적용가능한 레이저 광학계의 구성도이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 내지 "구비하다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 빔 레이저 디본딩 장치의 듀얼 빔 모듈의 개념이며, 도 2b는 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔 조사시의 온도 프로파일이고, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 레이저 빔 조사의 온도 프로파일이다.
도 2a의 듀얼 빔 모듈은 디본딩 대상 전자부품 및 그 주변위치까지를 광범위하게 조사하는 제1 레이저 빔 모듈(310)과 디본딩 대상 전자부품 부착위치만을 조사하는 제2 레이저 빔 모듈(320)로 구성되며, 디본딩 대상 전자부품 부착위치에서는 제1, 2 레이저 빔의 중첩이 일어난다.
도 2a에서는 제1 레이저 빔이 사각 형상이고 제2 레이저 빔이 원형인 것으로 도시되었지만, 두 레이저 빔이 모두 사각 형상일 수도 있다. 또한, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔은 동시에 조사될 수도 있고, 제1 레이저 빔에 의한 기판의 예열 후에 제2 레이저 빔이 순차적으로 조사될 수도 있다.
도 2b 및 도 2c는 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔 조사시의 온도 프로파일과 본 발명의 일 실예에 따른 중첩된 듀얼 레이저 빔 조사시의 온도 프로파일의 비교도이다.
도 2b에서는 예를 들어, 20w 출력의 단일 레이저 빔을 디본딩 대상 전자부품(target chip)에 조사하여 솔더가 용융되는 소정의 디본딩 온도(tm)까지 가열하게 되는데 이때 디본딩 대상 전자부품의 주변 영역에 위치한 전자부품들에까지 열이 전달되는 현상이 발생한다.
그러나, 도 2c에서는 예를 들어, 15w 출력의 제1 레이저 빔 모듈(210)에 의한 제1 레이저 빔의 온도 프로파일은 솔더의 용융점 보다 낮은 소정의 예열 온도(tp)까지만 디본딩 대상 전자부품과 그 주변 영역을 포함하는 소정 면적의 기판 온도를 상승시키는데, 이러한 예열 온도(tp)는 기판 내부에서 방열이 충분히 이루어지지 않는 위치의 전자부품에도 손상을 주지 않는 저온으로 유지되어야 한다.
이에 더하여 예를 들어, 5w 출력의 제2 레이저 빔 모듈(220)에 의한 제2 레이저 빔의 온도 프로파일은 디본딩 대상 전자부품 부착영역(또는 이를 포함하는 전자부품 최근접 영역)에 대해서만 기판 내지 전자부품의 온도를 추가로 상승시키므로, 기판 상의 타 영역의 전자부품들에 손상을 가하지 않고 디본딩 대상 전자부품에만 디본딩에 필요한 충분한 열원을 공급할 수 있게 된다.
도 3은 전자부품이 배치된 FPCB 기판에 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 레이저 빔을 조사하는 공정의 설명도이다.
복수의 전자부품들(110, 120, 130)이 배치된 FPCB 기판에 제1 레이저 빔 모듈(210)을 통해 제1 레이저 빔을 조사하여 제1 레이저 빔 조사 영역(150)의 온도를 솔더의 용융점 보다 낮은 소정의 예열 온도(tp) 예컨대 225℃로 유지한 상태에서, 제2 레이저 빔 모듈(320)을 통해 제2 레이저 빔을 조사하여 디본딩 대상 전자부품 부착영역(또는 이를 포함하는 전자부품 최근접 영역)(100)에 대해서만 기판 내지 전자부품의 온도를 디본딩 온도(tm) 예컨대 250℃까지 상승시켜 디본딩 대상 전자부품 부착영역 내의 전자부품들의 솔더만이 용융되도록 유도한다.
이때 제1, 2 레이저 빔의 조사는 동시에 수행되는 것이 공정 시간 단축을 위해서 바람직하다.
도 4a 및 도 4b는 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔이 조사되는 FPCB 기판과 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 빔 레이저 디본딩 장치에 의해 듀얼 레이저 빔이 조사되는 FPCB 기판의 비교 이미지이다.
도 4a에서는 원형 조사면을 갖는 싱글 레이저 빔이 디본딩 대상 전자부품에 조사되고 있고, 도 4b에서는 사각 조사면을 갖는 제1 레이저 빔이 디본딩 대상 전자부품을 포함하는 소정 면적의 기판 온도를 상승시키는 동시에 제2 레이저 빔이 디본딩 대상 전자부품 부착영역에만 추가로 조사되고 있다.
도 5a 및 도 5b는 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔 조사 후의 FPCB 기판 상의 칩 상태와 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 레이저 빔 조사 후의 FPCB 기판 상의 칩 상태의 비교 이미지인데, 도 5a의 싱글 레이저 빔 조사 결과에서는 전자부품에 손상이 발생한 것이 확인되며 도 5b의 듀얼 레이저 빔 조사결과에서는 전자부품에에 아무런 손상이 없는 것이 확인되었다.
도 6은 두께 0.08mm의 FPCB에 대해 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔 조사시와 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 레이저 빔 조사시의 온도 편차 실험 결과표이다.
도 6은 듀얼 레이저 빔이 조사된 기판(두께 0.08mm FPCB 기준)의 레이저 빔 조사면에서 18개 지점의 온도를 측정하여 표시(Dual)하고, 동일 위치에 종래기술에 따라 싱글 레이저 빔이 조사된 경우의 온도를 측정하여 표시(Single)한 비교 실험 결과표와 그래프를 도시하고 있다.
상기 실험에서 종래기술의 싱글 레이저 빔에 의한 온도 분포는 202~255℃로서 53℃의 온도 편차를 보인 반면, 본 발명에 의한 듀얼 레이저 빔을 적용한 온도 분포는 222~258℃로서 36℃의 온도 편차를 나타내었다.
본딩 대상 전자부품의 중심점 위치(1)에서 레이저 빔 조사면의 가장자리 위치(18)로 갈수록 전체적으로 온도가 하락하는 점은 동일하지만, 동일 면적 내에서도 듀얼 레이저 빔이 적용된 경우의 최대 및 최대 온도 편차는 싱글 레이저 빔이 적용된 경우보다 17℃ 작은 것으로 나타났다. 듀얼 레이저 빔의 적용된 경우의 최저 온도는 최고 온도의 약 86%로써 약 12% 차이가 있지만, 싱글 레이저 빔이 적용된 경우의 최저 온도는 최고 온도의 약 79%로서 약 21%의 차이를 보였다.
도 7은 두께 0.6mm의 Rigid FPCB(경연성 인쇄회로기판)에 대해 종래기술에 따른 싱글 레이저 빔 조사시와 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 레이저 빔 조사시의 온도 편차 실험 결과표이다.
도 7은 듀얼 레이저 빔이 조사된 기판(두께 0.6mm Rigid FPCB 기준)의 레이저 빔 조사면에서 16개 지점의 온도를 측정하여 표시(Dual)하고, 동일 위치에 종래기술에 따라 싱글 레이저 빔이 조사된 경우의 온도를 측정하여 표시(Single)한 비교 실험 결과표와 그래프를 도시하고 있다.
상기 실험에서 종래기술의 싱글 레이저 빔에 의한 온도 분포는 187~224℃로서 37℃의 온도 편차를 보인 반면, 본 발명에 의한 듀얼 레이저 빔을 적용한 온도 분포는 209~235℃로서 26℃의 온도 편차를 나타내었다.
본딩 대상 전자부품의 중심점 위치(1)에서 레이저 빔 조사면의 가장자리 위치(16)로 갈수록 전체적으로 온도가 하락하는 점은 동일하지만, 동일 면적 내에서도 듀얼 레이저 빔이 적용된 경우의 최대 및 최대 온도 편차는 싱글 레이저 빔이 적용된 경우보다 11℃ 작은 것으로 나타났다. 듀얼 레이저 빔의 적용된 경우의 최저 온도는 최고 온도의 약 89%로써 약 11% 차이가 있지만, 싱글 레이저 빔이 적용된 경우의 최저 온도는 최고 온도의 약 83%로서 약 27%의 차이를 보였다.
도시되지는 않았지만, 다른 종류의 PCB 기판을 사용하여 실험한 경우에도, 대체로 상기 제1 기판 영역의 상기 예열 온도와 상기 제2 기판 영역의 상기 디본딩 온도의 온도차는 20 내지 40℃이며(디본딩 온도 약 250℃ 기준), 상기 제1 기판 영역의 상기 예열 온도와 상기 제2 기판 영역의 상기 디본딩 온도의 최대 편차는 온도 최대치의 10 내지 15%로 유지하는 경우에 우수한 디본딩 결과를 얻을 수 있었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 빔 레이저 디본딩 장치의 구성도이다.
도 8에서, 레이저 조사부의 각 레이저 모듈(310, 320, ... 330)은 각기 냉각장치(316, 326, 336)를 구비한 레이저 발진기(311, 321, 331), 빔 쉐이퍼(312, 322, 332), 광학렌즈모듈(313, 323, 333), 구동장치(314, 324, 334), 제어장치(315, 325, 335) 및 전원공급부(317, 327, 337)를 포함하여 구성된다.
이하에서는, 필요한 경우를 제외하고는, 중복 설명을 피하기 위해 동일 구성을 갖는 각 레이저 모듈 중 제1 레이저 모듈(310)을 위주로 설명한다.
레이저 발진기(311)는 소정 범위의 파장과 출력 파워를 갖는 레이저 빔을 생성한다. 레이저 발진기는 일례로 '750nm 내지 1,200nm' 또는 '1,400nm 내지 1,600nm' 또는 '1,800nm 내지 2,200nm' 또는 '2,500nm 내지 3,200nm'의 파장을 갖는 다이오드 레이저(Laser Diode, LD) 또는 희토류 매질 광섬유 레이저(Rare-Earth-Doped Fiber Laser) 또는 희토류 매질 광결정 레이저(Rare-Earth-Doped Crystal Laser)일 수 있으며, 이와 달리 755nm의 파장을 갖는 알렉산드라이트 레이저 광을 방출하기 위한 매질, 또는 1064nm 또는 1320nm의 파장을 갖는 엔디야그(Nd:YAG) 레이저 광을 방출하기 위한 매질을 포함하여 구현될 수 있다.
빔 쉐이퍼(beam shaper)(312)는 레이저 발진기에서 발생하여 광섬유를 통해 전달되는 스폿(spot) 형태의 레이저를 플랫 탑을 가진 면광원(Area Beam) 형태로 변환시킨다. 빔 쉐이퍼(312)는 사각 광 파이프(Square Light Pipe), 회절광학소자(Diffractive Optical Element, DOE) 또는 마이크로렌즈어레이(Micro-Lens Array, MLA)를 포함하여 구현될 수 있다.
광학렌즈모듈(313)은 빔 쉐이퍼에서 면 광원 형태로 변환된 레이저 빔의 형태와 크기를 조정하여 PCB 기판에 장착된 전자부품 내지 조사 구역으로 조사하도록 한다. 광학렌즈모듈은 복수의 렌즈의 결합을 통해 광학계를 구성하는데, 이러한 광학계의 구체적 구성에 대해서는 도 9 내지 도 12를 통해 구체적으로 후술하기로 한다.
구동장치(314)는 조사면에 대해 레이저 모듈의 거리 및 위치를 이동시키고, 제어장치(315)는 구동장치(314)를 제어하여 레이저 빔이 조사면에 도달할 때의 빔 형상, 빔 면적 크기, 빔 선명도 및 빔 조사 각도를 조정한다. 제어장치(315)는 또한 구동장치(314) 외에 레이저 모듈(310) 각 부의 동작을 통합적으로 제어할 수 있다.
한편, 레이저출력조정부(370)는 사용자 인터페이스를 통해 수신한 프로그램 또는 미리 설정된 프로그램에 따라 각 레이저 모듈(310, 320, 330)에 대응하는 전원 공급부(317, 327, 337)에서 각 레이저 모듈로 공급되는 전력량을 제어한다. 레이저출력조정부(370)는 하나 이상의 카메라 모듈(350)로부터 조사면 상에서의 부품별, 구역별 또는 전체 디본딩 상태 정보를 수신하여 이를 토대로 각 전원 공급부(317, 327, 337)를 제어한다. 이와 달리, 레이저출력조정부(370)로부터의 제어정보가 각 레이저 모듈(310, 320, 330)의 제어장치(315, 325, 335)로 전달되고, 각 제어장치(315, 325, 335)에서 각기 대응하는 전원공급부(317)를 제어하기 위한 피드백 신호를 제공하는 것도 가능하다. 또한, 도 8과 달리, 하나의 전원 공급부를 통해 각 레이저 모듈로 전력을 분배하는 것도 가능한데, 이 경우에는 레이저출력조정부(370)에서 전원공급부를 제어해야 한다.
멀티 빔을 이용한 레이저 중첩 모드를 구현하는 경우, 레이저출력조정부(370)는 각 레이저 모듈(310, 320, 330)로부터의 레이저 빔이 필요한 빔 형상, 빔 면적 크기, 빔 선명도 및 빔 조사 각도를 갖도록 각 레이저 모듈 및 전원공급부(317, 327, 337)를 제어한다. 레이저 중첩 모드는 제1 레이저 모듈(310)을 이용하여 디본딩 대상 위치 주변 영역까지를 예열하고 제2 레이저 모듈(320)을 이용하여 보다 좁은 디본딩 대상 영역을 추가 가열하는 경우 외에도, 예열 기능 내지 추가 가열 기능을 제1, 2, 3 레이저 모듈(310, 320, ... 330) 간에 적절하게 분배하여 필요한 온도 프로파일을 갖도록 각 레이저 모듈을 제어하는 경우에도 적용된다.
한편, 하나의 레이저 광원을 분배하여 각 레이저 모듈에 입력하는 경우에는 분배된 각 레이저 빔의 출력과 위상을 동시에 조절하기 위한 기능이 레이저출력조정부(370)에 구비될 수 있다. 이러한 경우에는, 각 레이저 빔 간에 상쇄 간섭을 유도하도록 위상을 제어하여 빔 평탄도를 현저하게 개선할 수 있으며 이에 따라 에너지 효율이 더욱 증가하게 된다.
한편, 복수 위치 동시 가공 모드를 구현하는 경우에는, 레이저출력조정부(370)가 각 레이저 모듈로부터의 레이저 빔의 일부 또는 전부가 상이하도록 각 레이저 빔의 빔 형상, 빔 면적 크기, 빔 선명도, 빔 조사 각도 및 빔 파장 중 하나 이상을 제어한다. 이때에도, 하나의 레이저 광원을 분배하여 각 레이저 모듈에 입력하는 경우에는 분배된 각 레이저 빔의 출력과 위상을 동시에 조절하기 위한 기능이 레이저출력조정부(370)에 구비될 수 있다.
이러한 기능을 통해서, 레이저 빔 크기와 출력을 조정함에 의해 조사면 내의 전자부품들과 기판 간의 접합을 수행하거나 접합을 제거할 수 있다. 특히, 기판 상에서 손상된 전자부품을 제거하는 경우에는 레이저 빔의 면적을 해당 전자부품 영역으로 최소화함에 따라 기판에 존재하는 인접한 다른 전자부품 내지 정상적인 전자부품에 레이저 빔에 의한 열이 인가되는 것을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 제거 대상인 손상된 전자부품만을 제거하는 것이 가능하다.
한편, 복수의 레이저 모듈 별로 서로 다른 파장을 가진 레이저 빔을 방출하도록 하는 경우에는, 레이저 조사부는 전자부품에 포함된 복수의 재료층(예: EMC층, 실리콘층, 솔더층)이 각기 잘 흡수하는 파장을 갖는 개별 레이저 모듈로 구성될 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 레이저 디본딩 장치는 전자부품의 온도와 인쇄회로기판이나 전자부품 전극간의 연결소재인 솔더(Solder)와 같은 중간접합재의 온도를 선택적으로 상이하게 상승시켜 최적화된 접합(Attaching or Bonding) 또는 분리(Detaching or Debonding) 공정을 수행할 수 있다. 구체적으로, 전자부품의 EMC몰드층과 실리콘층을 모두 투과하여 솔더층에 각 레이저 빔의 모든 에너지가 흡수되도록 하거나, 레이저 빔이 EMC몰드층을 투과하지 않고 전자부품의 표면을 가열하여 전자부품 하부의 본딩부로 열이 전도되도록 할 수도 있다.
한편, 이상을 기능을 활용하여 적어도 하나의 제 1 레이저 빔에 의해 디본딩 대상 전자부품 영역과 그 주변을 포함하는 기판의 일정 구역이 소정의 예열 온도까지 예열된 후, 적어도 하나의 제 2 레이저 빔에 의해 디본딩 대상 전자부품 영역의 온도가 솔더의 용융이 일어나는 디본딩 온도까지 선택적으로 가열되어짐으로써 디본딩 대상 전자부품이 선택적으로 제거 가능한 상태가 되고, 이어서 일정 형태의 이젝터 장치(도면 미도시)에 의해 상기 디본딩 대상 전자부품이 기판으로부터 제거될 수 있다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 빔 레이저 디본딩 장치에 적용가능한 레이저 광학계의 구성도이다.
도 9는 본 발명에 적용가능한 가장 간단한 구조의 광학계로서, 빔 전송 광섬유(410)로부터 방출된 레이저 빔이 볼록렌즈(420)를 통해 초점 정렬되어 빔 쉐이퍼(430)로 입사하면, 빔 쉐이퍼(430)에서 스폿 형태의 레이저 빔을 플랫 탑(Flat-Top) 형태의 면광원(A1)으로 변환시키고, 빔 쉐이퍼(430)로부터 출력된 정사각형 레이저 빔(A1)이 오목 렌즈(440)를 통해 원하는 크기로 확대되어 확대된 면광원(A2)으로 결상면(S)에 조사된다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성도이다.
빔 쉐이퍼(430)로부터의 면광원(B1)이 오목 렌즈(440)를 통해 소정의 크기로 확대되어 제1 결상면(S1)에 조사되는 면광원(B2)이 된다. 이 면광원(B2)을 더욱 확대하여 사용하고자 하는 경우에는 추가 확대에 따라 면광원(B2)의 에지(edge) 부분의 경계가 더 불분명해 질 수 있으므로, 최종 조사면이 제2 결상면(S2)에서도 에지가 명확한 조사광을 얻기 위해서, 제1 결상면(S1)에 마스크(450)를 설치하여 에지를 트리밍한다.
마스크(450)를 통과한 면광원은 하나 이상의 볼록렌즈와 오목 렌즈의 조합으로 구성되는 줌 렌즈 모듈(460)을 통과하면서 원하는 크기로 축소(또는 확대) 조정되어 전자부품이 배치된 제2 결상면(S2)에 사각형 조사광(B3)을 형성한다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성도이다.
빔 쉐이퍼(430)로부터의 정사각형 면광원(C1)이 오목 렌즈(440)를 통해 소정의 크기로 확대된 후, 적어도 한쌍의 원통형 렌즈(470)를 지나면서 예컨대 x축 방향으로 확대(또는 축소)(C2)되고 다시 적어도 한쌍의 원통형 렌즈(480)를 지나면서 예컨대 y축 방향으로 축소(또는 확대)되어 직사각형 형상의 면광원(C3)으로 변환된다.
여기서, 원통형 렌즈는 원기둥 형상을 길이방향으로 절단한 형태로서 각 렌즈가 상하 방향으로 배치되는 형태에 따라 레이저 빔을 확장 또는 축소시키는 기능을 하며, 원통형 렌즈가 배치된 표면 상에서의 렌즈가 x, y 축 방향으로 배치되는 형태에 따라 레이저 빔을 x축 또는 y축 방향으로 조절한다.
이어서, 면광원(C3)은 하나 이상의 볼록렌즈와 오목 렌즈의 조합으로 구성되는 줌 렌즈 모듈(460)을 통과하면서 원하는 크기로 확대(또는 축소) 조정되어 전자부품이 배치된 제2 결상면(S2)에 직사각형 조사광(C4)을 형성한다.
도 12은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성도이다.
도 12의 광학계는 도 11의 광학계에 마스크를 적용하여 레이저 빔의 에지를 트리밍하는 구성이 추가된 것으로서, 도 11의 경우에 비해 보다 선명한 에지를 가진 최종 면광원(D5)을 얻을 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
310 : 제 1 레이저 모듈 320 : 제 2 레이저 모듈
316, 326 : 냉각장치 311, 321 : 레이저 발진기
313, 323 : 광학렌즈모듈 314, 324 : 구동장치
315, 325 : 제어장치 317, 327 : 전원공급부

Claims (10)

  1. 기판 상에 조밀하게 배치된 디본딩 대상인 전자부품과 그 주변 전자부품의 부착위치들을 포함하는 소정 범위의 제1 기판 영역에 제1 레이저 빔을 조사하여 상기 전자부품들의 솔더링을 소정의 예열 온도까지 가열하는 적어도 하나 이상의 제1 레이저 모듈;
    상기 제1 기판 영역보다 좁은 영역으로서 상기 디본딩 대상인 전자부품의 부착위치만을 포함하는 제2 기판 영역에 상기 제1 레이저 빔보다 출력이 더 낮은 제2 레이저 빔을 제1 레이저 빔과 서로 상이한 최대 출력과 파장을 갖는 상태에서 동시에 중첩되도록 조사하여 상기 디본딩 대상 전자부품의 솔더링을 용융이 되기 시작하는 디본딩 온도까지 추가로 가열하는 적어도 하나 이상의 제2 레이저 모듈;
    상기 각 레이저 빔에 의한 상기 전자부품의 디본딩 과정을 촬영하기 위해 적어도 하나 이상의 카메라 모듈로 구성되는 카메라부; 및
    상기 카메라부로부터의 출력신호에 근거하여 상기 각 레이저 빔의 형상, 중첩 영역, 조사 각도, 출력, 파장, 및 온도를 독립적으로 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 상기 각 레이저 모듈에 인가하는 레이저 출력 조정부;를 포함하며,
    상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔의 조사면은 상기 각 레이저 모듈에 구비된 빔 쉐이퍼에 의해 각기 사각 형상 또는 원형으로 구성하며,
    제1 레이저 빔 모듈에 의한 제1 레이저 빔의 온도 프로파일은 솔더의 용융점보다 낮은 소정의 예열 온도(tp)까지만 디본딩 대상 전자부품과 그 주변 영역을 포함하는 소정 면적의 제1 기판 영역의 온도를 상승시키고, 한편 제2 레이저 빔의 온도 프로파일은 디본딩 대상 전자부품 부착영역(또는 이를 포함하는 전자부품 최근접 영역)인 제2 기판 영역에 대해서만 디본딩 온도(tm)까지 상승시켜 디본딩 대상 전자부품 부착영역 내의 전자부품들의 솔더만이 용융되도록 유도하며,
    상기 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔이 조사될 때 기판 상의 인접 영역에 성기게 배치된 주변 전자부품이 더 과열되지 않도록 상기 각 레이저 빔의 형상, 중첩 영역, 에지 트리밍, 조사 각도, 출력, 파장, 및 온도를 제어하여 원하는 전자부품만을 선택적으로 디본딩하는,
    멀티 빔 레이저 디본딩 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기판 영역의 상기 예열 온도와 상기 제2 기판 영역의 상기 디본딩 온도의 온도차는 20 내지 40℃인,
    멀티 빔 레이저 디본딩 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 레이저 모듈은 상호 대칭적으로 배치되고 상기 각 레이저 빔은 동일한 빔 조사 각도를 가지며, 서로 상이한 최대 출력과 파장을 갖는,
    멀티 빔 레이저 디본딩 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기판 영역의 상기 예열 온도와 상기 제2 기판 영역의 상기 디본딩 온도의 편차는 최대치의 10 내지 15%인,
    멀티 빔 레이저 디본딩 장치.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔은 순차적으로 조사되는,
    멀티 빔 레이저 디본딩 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔의 중첩에 따른 온도 프로파일은 2단계의 상승기와 2단계의 하강기를 구비하는,
    멀티 빔 레이저 디본딩 장치.
  10. 삭제
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