KR102377003B1 - 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법 - Google Patents

선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법 Download PDF

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Abstract

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 장방형의 기판을 일측에서 타측으로 선형 이송하는 동안 상기 본딩대상물의 상방에서 레이저 빔을 조사함으로써 전자부품을 기판에 본딩하되, 상기 레이저 빔의 형상, 밀도, 및 변위는 [수식 1] P=kLl(Ls+Ld)Ef {상기 수식 1에서, P는 레이저 빔의 출력 파워(w), k는 기판의 두께(t)에 따른 열전달 계수, Ll는 레이저 빔의 장축 길이(cm), Ls는 레이저 빔의 단축 길이(cm), Ld는 단위 시간(초) 당 이동 거리(cm), Ef는 레이저 빔의 에너지 밀도(w/cm2)}에 기초하여 제어된다.

Description

선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법 {Flow transfer type laser reflow method}
본 발명은 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 기판이 일측에서 타측으로 연속적으로 흘러 선형 이송(flow transfer)되는 동안 상기 기판에 배치된 전자부품에 레이저 빔을 조사함으로써 본딩대상물의 선형 이송 간 상기 전자부품을 기판에 연속적으로 본딩하는 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법에 관한 것이다.
산업용 레이저 가공에서 마이크론(㎛)급의 정밀도를 가지는 응용분야가 마이크로 레이저프로세싱인데, 반도체 산업, 디스플레이 산업, 인쇄회로기판(PCB) 산업, 스마트폰 산업 등에서 널리 사용되고 있다. 모든 전자기기에 사용되는 메모리칩은 집적도와 성능 및 초고속 통신속도를 구현하기 위해 회로간격을 최소한으로 축소시키는 기술이 발전하다가 현재는 회로선폭과 선폭간격을 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.
또한, 메모리칩, 마이크로프로세서칩, 그래픽프로세서칩, 무선프로세서칩, 센서프로세서칩 등을 1개의 패키지에 실장하려는 기술개발들이 치열하게 연구개발되고 있으며 상당한 수준의 기술들이 이미 실전적용되고 있다.
그러나 앞에서 언급한 기술의 개발과정에서, 초고속/초고용량 반도체칩 내부에서 더욱 더 많은 전자들이 신호처리프로세스에 참여해야 하므로 전력소비량이 커져서 발열에 대한 냉각처리 이슈가 제기되었다. 또한, 더욱 많은 신호들에 대한 초고속 신호처리 및 초고주파 신호처리라는 요구사항을 달성하기 위하여 대량의 전기신호들을 초고속으로 전달해야 한다는 기술이슈가 제기되었다. 또한, 신호선들이 많아져야 해서 반도체칩 외부로의 신호 인터페이스 선들을 더 이상 1차원적인 리드선방식으로는 처리하지 못하고 반도체칩 하부에서 2차원적으로 처리하는 볼그리드어레이(BGA) 방식(Fan-In BGA 또는 Fan-in Wafer-Level-Package(FIWLP)라고 함)과, 칩 하부의 초미세 BGA층 아래에 신호 배선 재배열층(Signal Layout Redistribution Layer)을 두고 그 하부에 2차 미세 BGA층을 설치하는 방식(Fan-Out BGA 또는 Fan-Out Wafer-Level-Package(FOWLP) 또는 Fan-Out Panel-Level-Package라고 함) 방식이 실적 적용되고 있다.
최근에는 반도체칩의 경우, EMC(Epoxy-Mold Compound)층을 포함하여 두께가 200㎛ 이하 제품이 등장하고 있다. 이와 같이 두께가 수백 마이크론에 불과한 마이크론급의 초경박형 반도체칩을 초경박형 PCB에 부착하기 위하여 기존의 표면실장기술(SMT) 표준공정인 써멀리플로우오븐(Thermal Reflow Oven) 기술과 같은 매스리플로우(MR) 공정을 적용하면 수백 초의 시간 동안 100～300도(℃)의 공기온도환경 속에 반도체칩이 노출되므로 열팽창계수(CTE; Coefficient of ThermalExpansion) 차이 때문에 칩-테두리 휨(Chip-Boundary Warpage), PCB-테두리 휨(PCB-Boundary Warpage), 열충격형 랜덤본딩불량(Random-Bonding Failure by Thermal Shock) 등 다양한 형태의 솔더링 본딩 접착불량이 발생할 수 있다.
이에 따라 최근들어 각광받고 있는 레이저 리플로우 장치의 구성을 살펴보면, 레이저 헤드 모듈이 본딩대상물(반도체 칩 또는 집적회로 IC)을 수 초 동안 눌러주면서 레이저를 조사하여 본딩하는 방식으로, 반도체 칩 또는 집적회로(IC) 사이즈에 대응하는 면 광원 형태의 레이저를 조사하여 본딩을 수행한다.
종래 이러한 레이저 리플로우 장치의 한 예가 한국등록특허 제0662820호(이하, '선행문헌1'이라 함)에 개시되어 있다. 상기 선행문헌1을 참조하면, 플립칩의 후면에 레이저를 조사하여 상기 플립칩을 가열하는 한편, 상기 플립칩을 상기 캐리어 기판에 압착하기 위한 플립칩 가열압착모듈의 구성이 개시되어 있다.
그러나, 상기 선행문헌1에 개시된 종래 가압방식의 레이저 리플로우 장치는 칩을 흡착하여 본딩 포지션으로 이동시키기 위한 수단과, 상기 칩의 이면을 레이저를 통해 가열함과 동시에 상기 칩을 캐리어 기판에 압착시키기 위한 수단으로 분리되기 때문에 반도체 스트립과 같이 복수의 반도체 칩을 본딩하는 경우 하나의 반도체 칩을 가압하면서 레이저를 조사하는 동작을 반도체 칩 개수만큼 반복적으로 수행해야하기 때문에 작업시간이 증대될 수밖에 없었다.
한편, 한국공개특허 2017-0077721(이하, '선행문헌2'이라 함)을 참조하면, 동 선행문헌2에 언급된 레이저 리플로우 장치는 가압 헤드가 여러 개의 플립칩을 동시에 가압한 상태에서 레이저 헤드가 수평 방향으로 이송하며 각 플립칩을 순차적으로 하나씩 레이저를 조사하거나 또는 단일의 레이저 헤드가 여러 개의 플립칩에 레이저를 동시에 조사하는 방식으로 본딩 처리가 가능함에 대해 개괄적으로 언급하고 있다.
그러나, 상술한 선행문헌2의 종래 레이저 리플로우 방법 역시 단일의 레이저 소스를 이용한 가압 방식으로 본딩을 진행하기 때문에 기판 상에 배치된 복수의 플립칩에 레이저 빔이 여러 각도에서 입사함에 따라 균질화된 레이저 빔을 조사 및 불량없이 복수의 플립칩을 한번에 리플로우하기는 기술적으로 많은 어려움이 예상된다.
이에 따라 상기 선행문헌2에서 개시된 종래 레이저 리플로우 방법은 단일의 플립칩을 하나씩 순차적으로 가압 및 리플로우 처리함에 따라 전체 작업시간이 증가될 수밖에 없었고, 또는 복수의 처리를 위해 다양한 본딩대상물의 사이즈에 수평적으로 배치된 복수의 플립칩에 단일의 레이저 빔을 동시에 조사하더라도 각각의 플립칩에 충분한 열에너지가 골고루 전달되기는 사실상 어려우므로 여전히 작업시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 본딩 불량률이 개선되기 어려운 문제점이 남아 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 발명된 것으로, 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 기판이 일측에서 타측으로 연속적으로 흘러 선형 이송(flow transfer)되는 동안 상기 기판에 배치된 전자부품에 적어도 하나 이상의 레이저 빔을 조사함으로써 종래처럼 본딩대상물의 저면을 별도의 히터로 미리 예열하지 않고도 본 공정인 레이저 리플로우 처리 시 레이저 빔의 열에너지만으로 본딩대상물을 상온에서부터 예열 온도를 거쳐 솔더의 용융 온도까지 급속히 가열하며, 상기 급속한 가열 과정에서도 솔더에 오버플로우와 같은 본딩불량이 발생됨없이 본딩대상물의 선형 이송 간 상기 전자부품을 기판에 연속적이고 안정적으로 본딩하는 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 실시예에 따라, 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 장방형의 기판을 일측에서 타측으로 선형 이송하는 동안 상기 본딩대상물의 상방에서 레이저 빔을 조사함으로써 전자부품을 기판에 본딩하되, 상기 레이저 빔의 형상, 밀도, 및 변위는 [수식 1] P=kLl(Ls+Ld)Ef {상기 수식 1에서, P는 레이저 빔의 출력 파워(w), k는 기판의 두께(t)에 따른 열전달 계수, Ll는 레이저 빔의 장축 길이(cm), Ls는 레이저 빔의 단축 길이(cm), Ld는 단위 시간(초) 당 이동 거리(cm), Ef는 레이저 빔의 에너지 밀도(w/cm2)}에 기초하여 제어된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 레이저 빔은 본딩 대상물의 이송 방향에 수직한 장축(Ll)과, 본딩 대상물의 이송 방향에 평행한 단축(Ls)을 갖는 직사각형 형상의 레이저 빔이다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 레이저 빔은 구비된 적어도 하나 이상의 레이저 헤드 모듈로부터 조사되되, 둘 이상의 레이저 헤드 모듈이 구비된 경우 상기 레이저 헤드 모듈들로부터 레이저 빔이 동시 또는 순차적으로 조사된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 둘 이상의 레이저 헤드 모듈이 구비된 경우 상기 레이저 헤드 모듈들로부터 조사된 레이저 빔은 상시 중첩 또는 간헐적으로 특정 부분에 중첩 조사된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 기판은 수지 계열의 절연층을 중심으로 상기 절연층의 적어도 일측면에 전기 배선을 위한 얇은 구리층이 형성된 인쇄회로기판(PCB)이다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 기판의 두께(t)는 0.1mm 내지 1mm의 범위 내에서 형성되되, 상기 기판의 두께(t)에 따른 열전달 계수(k)는 0.9 내지 2.7의 범위 내에서 기판의 두께에 비례하여 증가된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 레이저 빔의 장축 길이(Ll)는 기판의 이송방향에 수직한 본딩대상물의 폭방향 길이와 일치하거나 더 크게 형성된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld)는 최소 0.2츠의 값을 갖는다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 레이저 빔의 출력 파워(P)는 최소 400w의 값을 갖는다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 레이저 빔의 에너지 밀도(Ef)는 40w/cm2 내지 60w/cm2의 범위 이내에서 제어된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 레이저 빔의 단축 길이(Ls)는 수식 1에 기초하여 레이저 빔의 출력 파워(P) 외 다른 모든 변수들(k, Ll, Ld, Ef)이 변화되지 않도록 고정된 경우 레이저 빔의 출력 파워(P)를 증가시킴에 따라 비례하여 증가된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 레이저 빔의 단축 길이(Ls)는 수식 1에 기초하여 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld) 외 다른 모든 변수들(P, k, Ll, Ef)이 변화되지 않도록 고정된 경우 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld)의 증가에 따라 반비례하여 감소된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 장방형의 기판은 캐리어의 상면에 안착된 상태로 상기 캐리어의 이동에 따라 함께 선형 이송되거나 캐리어가 정지된 상태로 레이저 헤드 모듈이 상대적으로 이동된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 캐리어는 컨베이어 유닛 상에 장착된 상태로 컨베이어 유닛의 구동을 제어함에 따라 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld)가 제어된다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 기판이 일측에서 타측으로 연속적으로 흘러 선형 이송(flow transfer)되는 동안, 상기 기판에 배치된 전자부품에 적어도 하나 이상의 레이저 빔을 조사하여 선형 이송 간 상기 전자부품을 기판에 연속적으로 본딩함으로써 대량 리플로우 처리에 의해 공정시간의 단축 및 생산성이 대폭 개선되는 효과가 있다.
또한 상기 레이저 헤드 모듈에 의한 레이저 빔의 조사를 각각 설정된 조건 및 기준값에 따라 정밀하게 제어함으로써 기판 상에 배치된 복수의 전자부품의 대량 리플로우 처리 시 발생될 수 있는 일부 솔더의 접촉불량이나 오버플로우 등의 본딩불량 및 황변 현상과 같이 기판에 과도한 레이저 빔이 가해져 기판이 손상되는 각종 공정불량이 대폭 개선되는 효과가 있다.
또한 본 발명은 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 기판이 일측에서 타측으로 연속적으로 흘러 선형 이송(flow transfer)되는 동안 상기 기판에 배치된 전자부품에 적어도 하나 이상의 레이저 빔을 조사함으로써 종래처럼 본딩대상물의 저면을 별도의 히터로 미리 예열하지 않고도 본 공정인 레이저 리플로우 처리 시 레이저 빔의 열에너지만으로 본딩대상물을 상온에서부터 예열 온도를 거쳐 솔더의 용융 온도까지 급속히 가열하며, 상기 상온에서 예열 온도를 거쳐 솔더의 용융 온도까지 단계적으로 온도를 신속히 증가시키는 급속한 가열 과정에서도 솔더에 오버플로우와 같은 본딩불량이 발생됨없이 솔더가 안정적으로 용융되어 본딩되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 리플로우 장치를 전체적으로 보인 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 헤드 모듈 구성을 개략적으로 보인 블록 구성도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 헤드 모듈의 개념도
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 헤드 모듈에 적용가능한 레이저 광학계의 구성도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 싱글 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 조사되는 상태도
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 멀티 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 일부 중첩되어 조사되는 상태도
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 멀티 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 일부 중첩 및 간헐적으로 조사되는 상태도
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.
이하, 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 리플로우 장치를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플로우 레이저 리플로우 장치를 전체적으로 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 헤드 모듈 구성을 개략적으로 보인 블록 구성도이다.
먼저, 본딩대상물(11)인 복수의 전자부품 및 솔더가 배치된 기판이 안착되는 캐리어(100)가 구비된다. 일 실시예에 따라, 상기 캐리어(100)는 본딩대상물(11)이 단순히 올려져 재치된 상태로 선형 이송하는 장방형의 금속 판재로 구현될 수 있으며, 또한 필요에 따라서는 다른 실시예로 상면에 다수의 진공 석션 홀 및 유로(도면 미도시)가 더 형성되어 있음에 따라 상면에 안착된 본딩대상물(11)을 진공 흡착시켜 선형 이송 간 고정될 수 있게도 구성이 가능하다.
또한, 일 실시예에 따라, 상기 캐리어(100)의 하부에는 본딩대상물(11)을 일정 온도로 예열하기 위한 히터(110)가 더 구비될 수 있다. 상기 히터(110)는 본딩대상물(11)이 캐리어(100)에 안착된 상태에서 리플로우 공정을 위해 선형 이송되는 동안 캐리어(100)의 표면 온도를 200℃ 미만으로 예열 및 유지한다.
이 때, 상술한 바와 같이 상기 캐리어(100) 내부에는 히터(110)가 더 구비될 수 있음에 따라 상기 본딩대상물(11)인 기판, 전자부품 및 솔더를 소정 온도로 계속해서 예열한다. 예컨대, 상기 예열 온도는 솔더의 용융온도 미만으로 설정됨이 바람직하며, 기판 및 전자부품이 일정 시간 이상 노출되어도 열적 데미지가 가해지지 않는 온도범위인 200℃ 미만으로 유지됨이 바람직하다.
만약 상기와 같이 본딩대상물(11)을 예열하지 않는 경우에는 본 공정인 레이저 리플로우 처리 시 레이저 빔의 열에너지만으로 본딩대상물(11)을 상온에서부터 솔더의 용융 온도까지 급속히 가열해야만 하며, 이 경우 급속한 가열로 인해 솔더에 오버플로우와 같은 본딩불량이 야기될 수 있다. 그러므로, 예열 온도에서 솔더의 용융 온도까지 단계적으로 온도를 증가시킴에 따라 솔더가 안정적으로 용융되어 본딩불량이 최소화될 수 있다. 예컨대, 여기서 상기 솔더의 용융 온도는 솔더의 재료에 따라 차이가 있을 수 있으나, 일반적인 솔더 페이스트의 용융 온도인 200℃이상 일 수 있다.
또한, 상기 캐리어(100)는 컨베이어 유닛(200) 상에 일측에서 타측으로 선형이송 가능하게 장착되어 있음에 따라 상기 컨베이어 유닛(200)의 구동을 제어함으로써 캐리어(100)의 이송 속도가 제어된다.
한편, 상기 컨베이어 유닛(200)의 상방에는 선형 이송되는 기판, 전자부품 및 솔더의 본딩대상물(11)에 적어도 하나 이상의 레이저 빔을 조사함으로써 솔더를 리플로우시켜 전자부품을 기판에 본딩하는 단일의 레이저 헤드 모듈(300)이 구비된다.
첨부된 도면의 일 실시예를 참조하면 본 발명에 따른 단일의 레이저 헤드 모듈(300)은, 본딩대상물(11)이 캐리어(100) 상에 안착된 상태로 선형 이송되는 동안 레이저 빔의 형상, 면적, 밀도 및 변위 등을 제어함으로써 솔더를 리플로우시켜 전자 부품을 기판에 본딩시킨다.
상기 레이저 헤드 모듈(300)의 자세한 구성에 대해서는 후술하는 도 3 내지 도 7에서 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
또한, 일 실시예에 따라 도 1을 참조하면, 상기 레이저 헤드 모듈(300)의 일측에는 본딩대상물(11) 상에 조사된 레이저 빔의 온도를 비접촉 방식으로 측정하는 적외선(IR) 카메라(500)와, 본딩대상물(11)의 위치를 측정하기 위한 위치 측정 카메라(600)가 구비될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따라, 레이저 헤드 모듈(300)은 적외선(IR) 카메라(500)에서 측정된 각각의 온도 데이터와 연동하여 레이저 빔의 형상, 밀도 및 세기를 제어할 수 있게 된다.
또한, 일 실시예에 따라, 상기 위치 측정 카메라(600)가 레이저 헤드 모듈(300)의 하방에 위치된 본딩대상물(11)을 감지하면 컨베이어 유닛(200)은 리플로우 공정에 알맞게 캐리어(100)의 이동 속도를 변화시킬 수 있다.
예를 들어, 캐리어(100)가 초기 예열 구간에 있을 때, 즉, 본딩대상물(11)이 캐리어(100) 상에 로딩 및 안착된 후 레이저 빔이 조사되는 리플로우 구간에 진입하기 전까지는 캐리어(100)의 이송 속도를 빠르게 제어함에 의해 전체 레이저 리플로우의 공정시간을 단축할 수 있다.
이 후, 본딩대상물(11)이 예열 구간에서 레이저 빔이 조사되는 리플로우 구간에 진입하면 본딩대상물(11)의 용융점 등을 고려하여 레이저 빔의 밀도 및 세기에 맞추어 캐리어(100)의 이송 속도를 일시 정지하거나 보다 느리게 이송되도록 감속될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레이저 헤드 모듈의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본딩대상물(11)에 면 광원 형태의 레이저를 조사하는 레이저 헤드 모듈(300)이, 제1, 제2 및 제3 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)의 멀티 레이저 헤드 모듈로 구성될 수 있다.
상기 각 레이저 헤드 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.
상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)은 레이저 발진기(311, 321, 331)에서 발생되어 광섬유를 통해 전달되는 레이저를 면 광원으로 변환시켜서 본딩대상물(11)에 조사한다.
상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)은 스폿(spot) 형태의 레이저를 면 광원 형태로 변환하는 빔 쉐이퍼(312, 322, 332)와, 상기 빔 쉐이퍼의 하부에 배치되며 빔 쉐이퍼(312, 322, 332)에서 출사되는 면 광원이 본딩대상물(11)의 조사영역에 조사되도록 복수의 광학렌즈모듈(313, 323, 333)이 경통 내부에 서로 적당한 간격을 두고 이격되어 장착되는 광학부(도 4 내지 도 7 참조)를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)은 본딩대상물(11)과의 정렬을 위해 z 축을 따라 상승 또는 하강하거나 x 축을 따라 좌, 우 이동하거나 y 축을 따라 이동될 수 있다.
따라서, 본 발명 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법은 본딩대상물(11)을 캐리어(100) 상에 안착된 상태로 선형 이송하고, 상기 본딩 대상물(11)의 선형 이송되는 동안 본딩대상물(11)의 상방에서 레이저 빔을 조사하여 솔더의 리플로우를 진행함으로써 레이저 리플로우 공정의 연속적인 처리에 의해 본딩대상물(11)의 리플로우 공정 택트 타임(tact time)을 단축하여 본딩 작업의 고속화를 실현할 수 있다. 뿐만 아니라 본딩대상물(11)의 선형 이송 간 레이저 빔을 조사함에 따라 종래 선형 이송되지 않고 고정된 상태로 본딩대상물(11)에 레이저 빔이 지속적인 조사되는 경우 본딩대상물(11)에 가해질 수 있는 열적 데미지(예, 기판 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등)를 최소화할 수 있게 된다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)은 상하, 좌우 방향으로 이송 또는 회전될 수 있는데, 이를 위해 x 축, y 축, 또는 z 축으로 이동가능하고, 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)을 회전시킬 수 있도록 지지하는 구성을 포함하는 것으로 해석되어져야 한다.
또한, 상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)에는 높이 센서로서 리니어 엔코더(도면 미도시) 등을 포함할 수 있으며, 이를 통해 본딩대상물(11)까지 레이저 빔의 조사거리를 계산하기 위해 높이 위치값을 확인하거나 더 정확한 레이저 빔의 밀도와 세기에 대한 수치를 찾을 수 있는 기술적 데이타를 제공할 수 있다.
이하 상기 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)의 세부 구성에 대해 자세히 살펴보기로 한다.
필요한 경우를 제외하고는, 중복 설명을 피하기 위해 동일 구성을 갖는 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330) 중 제1 레이저 헤드 모듈(310)을 위주로 설명한다.
레이저 발진기(311)는 소정 범위의 파장과 출력 파워를 갖는 레이저 빔을 생성한다. 레이저 발진기는 일례로 '750nm 내지 1200nm' 또는 '1400nm 내지 1600nm' 또는 '1800nm 내지 2200nm' 또는 '2500nm 내지 3200nm'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 발진기(311)에서 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 쉐이퍼(312)에서 면 광원 형태로 변환된 레이저 빔의 형태와 크기를 조정하여 PCB 기판에 장착된 전자부품 내지 조사 구역으로 조사하도록 한다. 광학렌즈모듈(313)은 복수의 렌즈의 결합을 통해 광학계를 구성하는데, 이러한 광학계의 구체적 구성에 대해서는 도 4 내지 도 7에서 후술하기로 한다.
구동장치(314)는 조사면에 대해 레이저 헤드 모듈(310)의 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 헤드 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 헤드 모듈(310, 320, 330)에 대응하는 전원 공급부(317, 327, 337)에서 각 레이저 헤드 모듈로 공급되는 전력량을 제어한다. 레이저출력조정부(370)는 하나 이상의 카메라 모듈(350)로부터 조사면 상에서의 부품별, 구역별 또는 전체 리플로우 상태 정보를 수신하여 이를 토대로 각 전원 공급부(317, 327, 337)를 제어한다. 이와 달리, 레이저출력조정부(370)로부터의 제어정보가 각 레이저 헤드 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 3과 달리, 하나의 전원 공급부를 통해 각 레이저 헤드 모듈로 전력을 분배하는 것도 가능한데, 이 경우에는 레이저출력조정부(370)에서 전원공급부를 제어해야 한다.
레이저 중첩 모드를 구현하는 경우, 레이저출력조정부(370)는 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)로부터의 레이저 빔이 필요한 빔 형상, 빔 면적 크기, 빔 선명도 및 빔 조사 각도를 갖도록 각 레이저 헤드 모듈 및 전원공급부(317, 327, 337)를 제어한다. 레이저 중첩 모드는 제1 레이저 헤드 모듈(310)을 이용하여 본딩 대상 위치 주변 영역까지를 예열하고 제2 레이저 헤드 모듈(320)을 이용하여 보다 좁은 리플로우 대상 영역을 추가 가열하는 경우 외에도, 예열 기능 내지 추가 가열 기능을 제1, 2, 3 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330) 간에 적절하게 분배하여 필요한 온도 프로파일을 갖도록 각 레이저 헤드 모듈을 제어하는 경우에도 적용된다.
한편, 하나의 레이저 광원을 분배하여 각 레이저 헤드 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 헤드 모듈(310, 320, 330)로부터의 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 헤드 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 헤드 모듈 별로 서로 다른 파장을 가진 레이저 빔을 방출하도록 하는 경우에는, 레이저 헤드 모듈은 전자부품에 포함된 복수의 재료층(예: EMC층, 실리콘층, 솔더층)이 각기 잘 흡수하는 파장을 갖는 개별 레이저 헤드 모듈로 구성될 수 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 레이저 리플로우 장치는 전자부품의 온도와 인쇄회로기판이나 전자부품 전극 간의 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, 이상의 기능을 활용하여 적어도 하나의 레이저 빔에 의해 리플로우 대상 전자부품 영역과 그 주변을 포함하는 본딩대상물의 일정 구역이 소정의 예열 온도까지 예열된 후, 적어도 다른 하나의 레이저 빔에 의해 리플로우 대상 전자부품 영역의 온도가 솔더의 용융이 일어나는 리플로우 온도까지 선택적으로 가열되어진다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 헤드 모듈에 적용가능한 레이저 광학계의 구성도이다.
도 4는 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 5는 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 6은 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 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 광학계의 구성도이다.
도 7의 광학계는 도 6의 광학계에 마스크를 적용하여 레이저 빔의 에지를 트리밍하는 구성이 추가된 것으로서, 도 6의 경우에 비해 보다 선명한 에지를 가진 최종 면광원(D5)을 얻을 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이하, 도 8 내지 도 10을 참조하여 본 발명 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법에 대해 자세히 살펴보기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 싱글 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 조사되는 상태도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본딩대상물(11)인 복수의 전자부품이 배치된 장방형의 기판이 캐리어(100) 상에 안착된 상태로 일측에서 타측으로 선형 이송되는 동안 상기 본딩대상물(11)의 상방에서 단일의 레이저 빔을 조사하여 솔더를 리플로우시켜 전자부품을 기판에 본딩한다.
이 때, 상기 본딩대상물(11)이 선형 이송되는 동안 레이저 리플로우를 위해 레이저 헤드 모듈(300)로부터 본딩대상물(11)에 조사되는 레이저 빔의 형상, 밀도, 및 변위는 아래 수식 1에 기초하여 제어될 수 있다.
[수식 1]
P=kLl(Ls+Ld)Ef
상기 수식 1에서, P는 레이저 빔의 출력 파워(w), k는 기판의 두께(t)에 따른 열전달 계수, Ll는 레이저 빔의 장축 길이(cm), Ls는 레이저 빔의 단축 길이(cm), Ld는 단위 시간(초) 당 이동 거리(cm), Ef는 레이저 빔의 에너지 밀도(w/cm2)로 정의된다.
상기 수식 1에 대한 하기 실시예에서, 상기 레이저 헤드 모듈(300)로부터 조사되는 레이저 빔은 본딩 대상물의 이송 방향에 수직한 장축(Ll)과, 본딩 대상물의 이송 방향에 평행한 단축(Ls)을 갖는 직사각형 형상의 레이저 빔이 이용되었다.
한편, 동 실시예에 사용된 인쇄회로기판(PCB)은, 수지 계열의 절연층을 중심으로 상기 절연층의 적어도 일측면에 전기 배선을 위한 얇은 구리층이 형성된 인쇄회로기판(PCB)으로서, 폴리이미드(PI) 절연층의 양면에 구리층(copper layer)이 1/3 OZ(12μm) 두께로 ED(Electro Deposit) 방식의 전기도금 처리된 I사의 연성 인쇄회로기판(Flexible PCB) 제품이 이용되었다. 또한, 추가적으로 상기 인쇄회로기판의 겉면에는 PSR(White) 잉크가 코팅되었다.
또한, 상기 인쇄회로기판은 0.1mm 내지 1mm의 범위 내에서 다양한 두께(t)를 갖는 제품이 이용되었으며, 상기 기판의 두께(t)에 따른 열전달 계수(k)는 기판의 두께에 비례하여 증가되며, 기판 두께(t) 0.1mm 내지 1mm에 대한 열전달 계수(k)는 0.9 내지 2.7의 범위 내에서 아래 표 1과 같이 도출되었다.
PCB 기판의 두께(t)에 따른 열전달 계수(k)
k t k t
0.9 0.1mm 1.9 0.6mm
1 0.15mm 2 0.65mm
1.1 0.2mm 2.1 0.7mm
1.2 0.25mm 2.2 0.75mm
1.3 0.3mm 2.3 0.8mm
1.4 0.35mm 2.4 0.85mm
1.5 0.4mm 2.5 0.9mm
1.6 0.45mm 2.6 0.95mm
1.7 0.5mm 2.7 1mm
1.8 0.55mm 　 　
또한, 바람직하게, 상기 레이저 빔의 장축 길이(Ll)는 기판의 이송방향에 수직한 본딩대상물의 폭방향 길이를 모두 커버하도록 상기 폭방향 길이와 일치하거나 더 크게 형성하였다.
또한, 상기 레이저 빔의 에너지 밀도(Ef)는 40w/cm2 내지 60w/cm2의 범위 이내에서 다양하게 제어될 수 있다. 여기서, 상기 최소값 40w/cm2는 불충분한 레이저 빔의 에너지 조사에 따라 솔더가 정상적으로 리플로우되어 전자부품이 솔더에 전기적으로 잘 본딩되지 아니한 상태, 즉 냉땜 현상(cold soldering joint) 등의 솔더링 불량이 발생될 수 있는 에너지 밀도의 하한값이다. 또한, 최대값 60w/cm2는 과도한 레이저 빔이 조사됨에 따라 인쇄회로기판의 변색 또는 열적 데미지에 의한 변형이 발생되는 현상, 즉 황변(黃變) 현상 등의 공정 불량이 발생될 수 있는 에너지 밀도의 상한값이다. 즉, 본 발명 선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법은 솔더링 불량을 피하기 위해 하한값인 상기 최소 에너지 밀도값과 공정 불량을 피하기 위해 상한값인 최대 에너지 밀도값 사이에서 적정 에너지 밀도값을 갖는 레이저 빔이 조사되도록 제어될 필요가 있다.
상기 에너지 밀도값의 제어 범위에 따라, 레이저 빔의 출력 파워(P)는 400w 내지 2000w의 범위 이내에서 다양하게 제어하며, 또한 상기 인쇄회로기판(PCB)의 선형 이송을 위한 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld)는 0.2cm 내지 1.6cm의 범위 이내에서 다양하게 제어하며 변화를 관찰하였다.
하기 표 2는 수식 1에 기초하여, 두께가 얇은 두께(t) 0.15mm의 인쇄회로기판의 단위 시간(초) 당 이동거리에 따른 에너지 밀도를 산출한 결과이다.
단위 시간(초) 당 이동거리에 따른 에너지 밀도 산출 결과 (t=0.15mm)
순번 장축
(Ll,cm)		 단축
(Ls,cm)		 면적
(A1=Ll×Ls)		 출력 파워(W) 단위 시간(초) 당 이동거리(Ld,cm)
1 20 0.2 4 420 0.2
2 20 0.2 4 610 0.4
3 20 0.2 4 770 0.6
4 20 0.2 4 970 0.8
5 20 0.2 4 1190 1
6 20 0.2 4 1410 1.2
7 20 0.2 4 1630 1.4
8 20 0.2 4 1850 1.6
순번 이동거리+단축길이(L2) 면적
(A2=Ll×L2)		 에너지 밀도 산출값
(kEf,w/cm2)		 참고치: 최소 에너지 밀도
(k×40w/cm2)		 참고치: 최대 에너지 밀도
(k×60w/cm2)
1 0.4 8 52.5 40 60
2 0.6 12 50.833 40 60
3 0.8 16 48.125 40 60
4 1 20 48.5 40 60
5 1.2 24 49.583 40 60
6 1.4 28 50.357 40 60
7 1.6 32 50.938 40 60
8 1.8 36 51.389 40 60
또한, 하기 표 3은 수식 1에 기초하여, 보다 두꺼운 두께(t) 0.35mm의 인쇄회로기판의 단위 시간(초) 당 이동거리에 따른 에너지 밀도를 산출한 결과이다.
단위 시간(초) 당 이동거리에 따른 에너지 밀도 산출 결과 (t=0.35mm)
순번 장축
(Ll,cm)		 단축
(Ls,cm)		 면적
(A1=Ll×Ls)		 출력 파워(W) 단위 시간(초) 당 이동거리(Ld,cm)
1 20 0.2 4 550 0.2
2 20 0.2 4 820 0.4
3 20 0.2 4 1080 0.6
4 20 0.2 4 1400 0.8
5 20 0.2 4 1710 1
순번 이동거리+단축길이(L2) 면적(A2=Ll×L2) 에너지 밀도 산출값
(kEf,w/cm2)		 참고치: 최소 에너지 밀도
(k×40w/cm2)		 참고치: 최대 에너지 밀도
(k×60w/cm2)
1 0.4 8 68.75 56 84
2 0.6 12 68.333 56 84
3 0.8 16 67.5 56 84
4 1 20 70 56 84
5 1.2 24 71.25 56 84
상기 표 2 및 표 3의 에너지 밀도 산출 결과를 통해, 실제 현장에서 적용가능한 개별 변수들의 입력조건, 즉 레이저 빔의 장축 길이(Ll)=20cm, 단축 길이(Ls)=0.2cm, 레이저 빔의 출력 파워(P)=550 내지 1850w, 단위 시간(초) 당 이동거리(Ld)=0.2 내지 1.6cm로 입력조건들을 감안할 때, 모든 에너지 밀도의 산출값들이 최소 에너지 밀도값과 최대 에너지 밀도값 사이에서 적정 에너지 밀도값이 도출되어짐을 확인할 수 있었다.
따라서, 상기 적정 에너지 밀도값을 나타낸 모든 개별 변수들의 입력조건 범위 내에서 레이저 리플로우 공정 조건을 다양하게 설정 및 제어가 가능하다. 보다 바람직하게는, 레이저 리플로우 공정의 택 타임(tact time) 감소를 위해 단위 시간(초) 당 이동거리(Ld)를 최대값인 1.6cm로 설정하여 공정 조건을 설정 및 제어하는 것이 택 타임이 가장 짧고, 공정 효율 및 생산성 증대 측면에서 가장 유리할 것으로 판단되었다.
한편, 상기 레이저 빔의 단축 길이(Ls)는 상술한 수식 1에 기초하여 레이저 빔의 출력 파워(P) 외 다른 모든 변수들(k, Ll, Ld, Ef)이 변화되지 않도록 고정하는 경우 레이저 빔의 출력 파워(P)를 증가시킴에 따라 레이저 빔의 단축 길이(Ls)도 비례하여 증가됨을 역산할 수 있다.
마찬가지로, 상기 레이저 빔의 단축 길이(Ls)는 수식 1에 기초하여 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld) 외 다른 모든 변수들(P, k, Ll, Ef)이 변화되지 않도록 고정하는 경우 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld)의 증가에 따라 반비례하여 감소됨을 역산할 수 있다.
이에 따라 상기 레이저 빔의 출력 파워(P)와 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld)를 적절하게 설정함에 의해 레이저 빔의 형상을 단축 길이(Ls)가 최소화된 라인(line) 타입의 레이저 빔이 조사되도록 공정 설계가 가능하다.
이 때, 앞서 살펴본 바와 같이 상기 본딩대상물(11)인 복수의 전자부품이 배치된 장방형의 기판은 캐리어(100)의 상면에 안착된 상태로 상기 캐리어(100)의 이동에 따라 함께 선형 이송되며, 상기 캐리어(100)는 컨베이어 유닛(200) 상에 장착된 상태로 상기 컨베이어 유닛(200)의 구동을 제어함에 따라 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld)가 제어될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 멀티 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 일부 중첩되어 조사되는 상태도이다.
다른 실시예에 의하면, 상기 레이저 빔은 둘 이상의 레이저 헤드 모듈이 구비된 상태에서 상기 둘 이상의 멀티 레이저 헤드 모듈들(310, 320)로부터 레이저 빔이 동시 또는 순차적으로 조사될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1 레이저 헤드 모듈(310)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)로부터 조사된 레이저 빔(LB1, LB2)이 본딩대상물의 폭방향을 따라 완전 중첩되어 조사되고 있는 상태를 예시한다.
이 때, 제1 레이저 헤드 모듈(310)로부터 조사된 제1 레이저 빔(LB1)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)로부터 조사된 제2 레이저 빔(LB2)이 본딩대상물(11) 상에서 동시에 조사될 때 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 완전 중첩될 수 있다. 여기서, 완전 중첩이란 어느 하나의 레이저 빔이 다른 하나의 레이저 빔에 완전히 속하는 상태를 의미한다.
이에 따라 상기 중첩된 영역(OA)에서는 레이저 빔의 밀도, 세기 및 온도가 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2) 각각 보다 높게 형성됨이 예측 가능하다. 즉, 제1 레이저 헤드 모듈(310)이 본딩대상물(11)을 미리 가열하기 위한 레이저 빔(LB1)을 조사하고, 제2 레이저 헤드 모듈(320)은 본딩을 위한 레이저 빔(LB2)을 조사할 수 있으며, 상기 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2)의 밀도, 세기 및 온도 조건은 리플로우 공정 시 본딩대상물(11)의 물성이나 본딩 면적, 단위 시간(초) 당 이동거리(Ld) 등을 감안하여 각각 상호 보완적으로 제어될 수 있다.
이렇게 중첩을 통한 레이저 빔 조사는 실제 본딩을 위해 한번에 강한 레이저 빔을 조사하는 경우와 대비하여 미리 가열된 본딩대상물과의 온도 편차를 줄일 수 있고, 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등의 열적 데미지를 최소화할 수 있게 된다.
이렇게 복수의 레이저 빔을 동시 또는 순차적으로 중첩 조사하는 경우, 실제 본딩을 위해 한번에 강한 단일의 레이저 빔을 연속적으로 조사하는 경우와 대비하여 미리 가열된 본딩대상물과의 온도 편차를 줄일 수 있고, 기판의 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등의 열적 데미지를 최소화할 수 있게 된다.
한편, 상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320)로부터 조사된 레이저 빔(LB1, LB2)의 형상은 일 실시예에 따라 모두 직사각형 형태로 도시되어 있으나, 이에 한정된 것은 아니며 정사각형, 원형, 점 또는 선 형태 등 본딩대상물 및 리플로우 처리의 공정 조건에 따라서 두 레이저 빔이 같거나 다른 형태로 다양하게 가변될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 멀티 레이저 빔이 본딩대상물의 폭방향을 따라 상시 중첩 또는 간헐적으로 중첩되는 상태도이다.
또 다른 실시예에 의하면, 상기 레이저 빔은 둘 이상의 레이저 헤드 모듈이 구비된 상태에서 상기 둘 이상의 멀티 레이저 헤드 모듈들(310, 320, 330)로부터 조사된 레이저 빔이 상시 중첩 또는 간헐적으로 중첩될 수 있다.
도 10을 참조하면, 제1 레이저 헤드 모듈(310)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)로부터 조사된 레이저 빔(LB1, LB2)이 본딩대상물의 폭방향을 따라 상시 중첩되어 조사되고, 한편 제3 레이저 헤드 모듈로부터 조사된 레이저 빔(LB3)이 상시 중첩영역(OA)에 다시 간헐적으로 더 조사되는 상태를 예시한다.
이 때, 제1 레이저 헤드 모듈(310)로부터 조사된 제1 레이저 빔(LB1)과 제2 레이저 헤드 모듈(320)로부터 조사된 제2 레이저 빔(LB2)이 본딩대상물(11) 상에서 동시에 조사될 때 두 레이저 빔(LB1, LB2)이 완전 중첩 또는 일부 중첩될 수 있으며, 제3 레이저 빔(LB2)은 추가 가열이 필요한 부분에 간헐적으로 더 보충하여 조사될 수 있다. 여기서, 상시 중첩이란 둘 이상의 레이저 빔이 항상 중첩된 상태로 조사됨을 의미하며, 한편 간헐적인 중첩은 둘 이상의 레이저 빔이 항상 중첩되지 아니하고 일부 특정 시간이나 주기에 따라 레이저 빔이 임시적으로 중첩되어 조사됨을 의미한다.
이에 따라 상시 중첩된 영역(OA)에서는 레이저 빔의 밀도, 세기 및 온도가 제1, 제2 레이저 빔(LB1, LB2) 각각 보다 높게 형성됨이 예측 가능하며, 제3 레이저 빔(LB3)이 간헐적으로 중첩 조사된 영역은 특정 시간이나 주기에 따라 부분적으로 레이저 빔의 밀도, 세기 및 온도가 더 높게 형성될 수 있다. 즉, 제1 레이저 헤드 모듈(310)이 본딩대상물(11)을 미리 가열하기 위한 레이저 빔(LB1)을 조사하는 한편, 제2 및 제3 레이저 헤드 모듈(320, 330)은 본딩을 위한 레이저 빔(LB2, LB3)을 상시 또는 간헐적으로 중첩 조사함으로써, 상기 제1, 제2, 제3 레이저 빔(LB1, LB2, LB3)의 밀도, 세기, 온도 조건 및 조사 시간 등은 리플로우 공정 시 본딩대상물(11)의 물성이나 본딩 면적, 단위 시간(초) 당 이동거리(Ld) 등을 감안하여 각각 상호 보완적으로 제어될 수 있다.
이렇게 복수의 레이저 빔을 상시 중첩 또는 간헐적으로 중첩 조사하는 경우, 실제 본딩을 위해 한번에 강한 단일의 레이저 빔을 연속적으로 조사하는 경우와 대비하여 미리 가열된 본딩대상물과의 온도 편차를 줄일 수 있고, 기판의 뒤틀림 또는 휘어짐, 황변 현상 등의 열적 데미지를 최소화할 수 있게 된다.
한편, 상기 각 레이저 헤드 모듈(310, 320, 330)로부터 조사된 레이저 빔(LB1, LB2, LB3)의 형상은 일 실시예에 따라 모두 직사각형 형태로 도시되어 있으나, 이에 한정된 것은 아니며 정사각형, 원형, 점 또는 선 형태 등 본딩대상물 및 리플로우 처리의 공정 조건에 따라서 여러 레이저 빔이 같거나 다른 형태로 다양하게 가변될 수 있다.
아울러 본 발명은 단지 앞서 기술된 일 실시예에 의해서만 한정된 것은 아니며, 장치의 세부 구성이나 개수 및 배치 구조를 변경할 때에도 동일한 효과를 창출할 수 있는 것이므로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 구성의 부가 및 삭제, 변형이 가능한 것임을 명시하는 바이다.
11 : 본딩대상물 100 : 캐리어
110 : 히터 200 : 컨베이어 유닛
300 : 레이저 헤드 모듈 310 : 제 1 레이저 헤드 모듈
320 : 제 2 레이저 헤드 모듈 410 : 빔 전송 광섬유
420 : 볼록렌즈 430 : 빔 쉐이퍼
500 : 적외선 카메라 600 : 위치 측정 카메라
Ll : 레이저 빔의 장축 길이 Ls : 레이저 빔의 단축 길이
P : 레이저 빔의 출력 파워
Ld : 본딩대상물의 단위 시간(초) 당 이동거리
Ef : 레이저 빔의 에너지 밀도

Claims (15)

  1. 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 장방형의 기판을 일측에서 타측으로 선형 이송하는 동안 상기 본딩대상물의 상방에서 레이저 빔을 조사함으로써 솔더를 용융하여 전자부품을 기판에 본딩하되,
    상기 레이저 빔의 형상, 밀도, 및 변위는 하기 수식 1에 기초하여 제어되고,
    [수식 1]
    P=kLl(Ls+Ld)Ef
    {P는 레이저 빔의 출력 파워(w), k는 기판의 두께(t)에 따른 열전달 계수, Ll는 레이저 빔의 장축 길이(cm), Ls는 레이저 빔의 단축 길이(cm), Ld는 기판의 단위 시간(초) 당 이동 거리(cm), Ef는 레이저 빔의 에너지 밀도(w/cm2)}
    상기 레이저 빔은 적어도 하나 이상의 레이저 헤드 모듈로부터 조사되되, 상기 레이저 헤드 모듈로부터 조사된 레이저 빔에 의해 기판이 상온에서 예열 온도를 거쳐 솔더의 용융 온도까지 급속히 가열되고,
    상기 기판은 수지 계열의 절연층을 중심으로 상기 절연층의 적어도 일측면에 전기 배선을 위한 얇은 구리층이 형성된 인쇄회로기판(PCB)이고,
    상기 기판의 두께(t)는 0.1mm 내지 1mm의 범위 내에서 형성되고,
    상기 기판의 두께(t)에 따른 열전달 계수(k)는 0.9 내지 2.7의 범위 내에서 상기 기판의 두께에 비례하여 증가하고,
    상기 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld)는 최소 0.2cm의 값을 갖고,
    상기 레이저 빔의 출력 파워(P)는 최소 400w의 값을 갖고,
    상기 레이저 빔의 에너지 밀도(Ef)는 40w/cm2 내지 60w/cm2의 범위 이내에서 제어되는 것을 특징으로 하는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 본딩 대상물의 이송 방향에 수직한 장축(Ll)과, 본딩 대상물의 이송 방향에 평행한 단축(Ls)을 갖는 직사각형 형상의 레이저 빔인,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 둘 이상의 레이저 헤드 모듈로부터 동시 또는 순차적으로 조사되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 둘 이상의 레이저 헤드 모듈로부터 조사된 레이저 빔은 상시 중첩 또는 간헐적으로 특정 부분에 중첩 조사되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 장축 길이(Ll)는 기판의 이송방향에 수직한 본딩대상물의 폭방향 길이와 일치하거나 더 큰,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 단축 길이(Ls)는 수식 1에 기초하여 레이저 빔의 출력 파워(P) 외 다른 모든 변수들(k, Ll, Ld, Ef)이 변화되지 않도록 고정된 경우 레이저 빔의 출력 파워(P)를 증가시킴에 따라 비례하여 증가되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 단축 길이(Ls)는 수식 1에 기초하여 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld) 외 다른 모든 변수들(P, k, Ll, Ef)이 변화되지 않도록 고정된 경우 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld)의 증가에 따라 반비례하여 감소되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 본딩대상물인 복수의 전자부품이 배치된 장방형의 기판은 캐리어의 상면에 안착된 상태로 상기 캐리어의 이동에 따라 함께 선형 이송되거나 캐리어가 정지된 상태로 레이저 헤드 모듈이 상대적으로 이동되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐리어는 컨베이어 유닛 상에 장착된 상태로 컨베이어 유닛의 구동을 제어함에 따라 단위 시간(초) 당 이동 거리(Ld)가 제어되는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 예열 온도는, 기판 및 전자부품이 일정 시간 이상 노출되어도 열적 데미지가 가해지지 않는 온도범위인 200℃ 미만인 것을 특징으로 하는,
    선형 이송 방식의 레이저 리플로우 방법.
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