CN100423294C - 照射时表现出增强的图案识别能力的半导体器件及半导体封装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在机器视觉系统中进行照射时表现出增强的图案识别能力的突起型半导体器件(10)。这种半导体器件具有基本上共面的焊料突起(16)阵列和在一面上的底填材料(17)涂层。含有图像增强剂的熔融合成物(18)有选择地沉积在所述阵列中的至少两个焊料突起上，以改善焊料突起的光学特征，从而使所述焊料突起在所述半导体器件用所选择的光波长(19)照射时，于所述底填材料中显现为明亮的。

Description

照射时表现出增强的图案识别能力的半导体器件及半导体封装

技术领域

本发明涉及半导体器件，更具体地说，是涉及改进的、能够增强用于自动装配的机器视觉系统能力的半导体器件。

背景技术

位于集成电路心脏的是半导体电路片。为了容易操纵，电路片有时被紧固在支撑载体上。载体除了提供稳定性之外，还具有能够更加容易地焊接到其它电路元件例如印刷电路板(PCB)上的较大终端。另一种通称为“倒装片”封装的封装方法一般试图在集成电路电路片上直接形成焊料突起(或其它合适的触点)，并将倒装片直接焊接到印刷电路板上。当倒装片或半导体封装固定到基底上时，倒装片与基底之间就存留有空气缝隙。此缝隙通常用树脂与小硅球混合物来填充，并且通常被称作底填料。底填材料有助于将倒装片或封装接合到PCB上。

机器视觉系统在自动装配系统中具有重要的作用。照相机用来获取物品的图像，实施图像处理以便鉴定物品的性质。可进一步实施图像处理以便鉴定物品的位置、测量其尺寸、和/或检查物品的缺陷。然后利用图像处理的结果有助于控制自动系统，例如工厂设备、包括诸如工业控制器、机器人臂或定位台。目前的高速电子装配方法要求在倒装片或半导体封装固定到PCB之前，将底填材料施加到这些器件中。底填材料的涂布厚度是影响装配产率及可靠性的最重要因素之一。底填料涂层厚度可与焊料突起高度相比，以便在回流焊接到PCB之后具有足够的底填料芯片形成。然而，接近焊料突起高度的涂层使视觉系统在定点机器上的极限增大。机器视觉系统的性能严重依赖于焊料突起的暴露面积，更具体地说是依赖于焊料突起与底填材料之间的对比度。涂布底填料的芯片的焊料突起的暴露面积减小，且焊料突起难以在光学上进行测量，这使得涂布部件在放置之前难以进行检查。如果涂层覆盖焊料突起或者如果焊料突起的开放面积在照相机的分辨率之外，则有时视觉系统根本不能识别焊料突起。结果，将会发生电功能部件的拒绝现象。由于引线节距和特征尺寸持续减小，因此这个问题变得更加严重。

发明内容

本发明因而提供一种在机器视觉系统中进行照射时表现出增强的图案识别能力的突起型半导体芯片，包括：倒装片集成电路电路片，所述电路片在其活性面上具有多个焊料突起；所述活性面上的底填材料涂层；含有图像增强剂的熔融合成物，所述熔融合成物有选择地沉积在所述多个焊料突起中的至少两个上，以改善焊料突起的光学特征；以及其中当所述活性面用所选择波长的光照射时，所沉积的图像增强剂使所述焊料突起在所述底填材料中显现为明亮的。

根据本发明的上述突起型半导体芯片，其中所述图像增强剂是着色剂。

根据本发明的上述突起型半导体芯片，其中所述着色剂是染料或颜料。

根据本发明的上述突起型半导体芯片，其中所述着色剂是从以下材料构成的组合中选择的：红色、琥珀色、黄色、绿色、蓝色、紫色、或在紫外光中发荧光的材料。

根据本发明的上述突起型半导体芯片，其中所选择波长的光是对应于所述图像增强剂颜色的电磁光谱部分。

根据本发明的上述突起型半导体芯片，其中所述着色剂是从以下物质构成的组合中选择的一种或多种材料：苯并吡喃、苯胺、苝、若丹明、二唑、品红、番红精O、氯化锌和硝酸锌。

根据本发明的上述突起型半导体芯片，其中所述图像增强剂是发荧光的化合物。

根据本发明的上述突起型半导体芯片，其中所述图像增强剂是发红色荧光的化合物。

根据本发明的上述突起型半导体芯片，其中所选择波长的光在光谱的紫外部分。

根据本发明的上述突起型半导体芯片，其中所述熔融合成物仅沉积在所述焊料突起之上，而不是沉积在所述底填材料的任何其它部分上。

根据本发明的上述突起型半导体芯片，其中每个焊料突起的至少一部分不用底填材料涂布。

本发明还提供一种在机器视觉系统中进行照射时表现出增强的图案识别能力的突起型半导体封装，包括：具有第一侧和第二侧的电路承载基底；电、机械安装在所述电路承载基底的第一侧上的半导体器件；所述电路承载基底的第二侧具有共面的焊料突起阵列；所述电路承载基底第二侧上的底填材料涂层；含有图像增强剂的熔融合成物，所述熔融合成物有选择地沉积在所述阵列中的至少两个焊料突起上，以改善焊料突起的光学特征；以及其中当所述电路承载基底的第二侧用所选择波长的光照射时，所沉积的图像增强剂使所述焊料突起在所述底填材料中显现为明亮的。

附图说明

本发明本身(就工作组织和方法而论)及其目的和优点通过参照本发明的详细描述可得到最佳的理解，所述的详细描述将结合附图来描述本发明的某些示范性实施例，其中：

图1是本发明第一实施例的截面图。

图2是按照本发明的图1和3底面的平面图。

图3是本发明第二实施例的截面图。

具体实施方式

虽然本发明容许有许多不同形式的实施例，但是本发明在附图中示出并且在本文中以详细的具体实施例的形式得以描述，而且应该理解，本发明的公开内容被认为是本发明原理的实例，而并无意将本发明限定于所示出和所描述的具体实施例之上。在以下的描述中，相似的参考数字在几个附图中用来表示相同、相似或相应的部件，并且为了有助于读者，附图中某些特征的比例被夸大。本发明公开了一种在机器视觉系统中进行照射时表现出增强的图案识别能力的突起型半导体器件。这种半导体器件具有基本上共面的焊料突起阵列。含有图像增强剂的熔融合成物有选择地沉积在阵列中的至少两个焊料突起上，以改进焊料突起的光学特征，从而使焊料突起在半导体器件用所选择波长的光照射时，于底填材料的背景下显现出是明亮的。然后，填充焊料突起之间的空间的底填材料涂层，以在具有助熔剂的焊料突起之上的膜中产生开口的方式来施加。或者是，底填材料可以在突起之前或之后沉积在半导体器件上，并且熔融合成物随后可施加到这些突起上。

现在参照图1，以截面图形式示出的突起型倒装片半导体器件包含：具有多个接触焊盘或终端14的集成电路电路片12。这些焊盘一般布置成规则的阵列，但是正如半导体领域的普通技术人员所公知的，这些焊盘在电路片的活性表面15上可以是任何布置形式。通常，焊料突起16固定在这些焊盘14的每一个上，尽管在某些情况下，根据集成电路的设计，仅仅某些焊盘突起而其它焊盘可能不含有突起。本发明不要求所有的焊盘都突起，并且含有焊料突起的多个不同焊盘的数目和部位交由设计师设计。底填材料17的涂层沉积在集成电路电路片12的活性表面15上。底填材料在倒装片上的用途在U.S.6,194,788中有所描述，且关于底填料方法和材料的其它细节，读者可参考该文献。底填材料的施加可以用半导体工艺技术领域通用的种种方式来实现。例如，可以将底填材料的液态溶液浸渍、喷射、流涂、旋涂或幕涂到晶片上，或者通过镂花印刷或印刷，可以有选择地施加底填材料。在施加底填材料的液态溶液之后，显然必须以使其至少成半固态的方式进行处理，诸如通过加热以除去残留的溶剂，或者如果是高固态的材料，就通过使其部分固化以将其从液体转变成固态。任选地，底填材料17可作为固态膜层叠在晶片的活性表面上。历史上已经使用过的一些底填材料包括环氧树脂、聚酰亚胺和硅-聚酰亚胺共聚物。通常，施加底填材料17，以使焊料突起16的至少一部分表面没有涂布，从而当倒装片最终装配到印刷电路板上时，其更容易焊接。然而，我们设想本发明可以这样的方式来使用：在这种方式中，突起完全用底填材料来覆盖，并且突起在倒装片装配步骤的过程中“焊接穿过”底填材料。

助熔剂18有选择地施加在焊料突起暴露部分的顶部，以有助于装配到印刷电路板上的过程中的焊接工艺，并有助于机器视觉系统识别焊料突起的部位。在高速布局系统中，机器视觉传统上用来定位元件上的基准特征或其它区别特征，以便在元件放置到印刷电路板上之前对其进行登记。寄存在布局机器中的软件程序利用登记数据补偿各个元件和板的任何偏差，由此以极高的精确度和准确度来放置微型部件。高速布局系统具有能够从倒装片器件上的焊料突起成像、定位和确定元件位置的能力。由CCD(电荷耦合设备)照相机获取的反射光必须提供足够的对比度，以便将感兴趣的主要特征例如焊料突起与背景区分开。通常，由于未填充的底填材料倾向于清晰、无色或稍稍有些琥珀色，并且焊接熔融合成物同样是清晰或琥珀色的，因此非常难以将焊料突起与底填材料背景区分开，并且由现有技术中的底填材料涂布的电路片产生的图像，由于噪声和缺乏对比度而性质较差。图像问题在填充底填材料的情形中甚至更突出，因为这种情形下产生了白色底填材料，从而与沉积到焊料突起上的熔融材料具有很小的对比度。我们已经发现，不用改变照相机或光源，而是通过改进半导体器件的光学特征以增强感兴趣的特征(焊料突起16)而衰减其它特征(背景底填材料17)，可增强图像的对比度。部件的光学性能对机器视觉系统的性能具有主要的作用。当用图像增强剂例如染料或颜料来改进助熔剂以使其在用合适光19照射时显现出红色时，以及当将助熔剂18有选择地仅仅施加到焊料突起16上时，CCD照相机上所获得的图像对比度就大大提高了。现在参照图2，突起在底填材料的黑色背景中呈现为亮点26。这样，利用机器视觉系统可精确确定各个焊料突起的部位。例如，高速布局设备上的大多数机器视觉照相机采用标准的CCD传感器技术，所述技术在400-1000纳米(nm)之间显现出光谱灵敏性，并且在对应于红光的约600nm处出现强烈的响应。例如，通用于布局机器照射源中的红光发射二极管(LED)光源在近似621nm-644nm的峰波长处显现出约1200-1800毫度的亮度。

通过采用CCD照相机的匹配照明，该发现可扩展到其它颜色。例如，蓝着色剂用于蓝光(蓝LED)，绿着色剂用于绿光(绿LED)，黄着色剂用于黄光(黄LED)，还有琥珀色、紫色和紫外颜色等。显然，用来照射所涂布的焊料突起的光波长对应于图像增强剂或着色剂的颜色。我们已经发现可用于改变助熔剂以提供高对比度图像的一些着色剂包括(但不限于)苯并吡喃、苯胺、苝、若丹明、ardrox、二唑、品红、番红精O、氯化锌和硝酸锌。染料和颜料的使用产生了可以接受的结果，但是我们发现，染料作为着色剂比颜料优先。虽然词汇“光”在传统上被保留为能够引起视觉感觉的那部分电磁光谱，但是为了本发明的目的，词汇“光”在此处被定义为，具有范围从红外光通过可见光到紫外光的波长的电磁辐射。现代化学能够提供在传统可见光谱之外反射或发荧光的化学物质，并且现代化的电子检测器例如CCD照相机能够检测人肉眼不可测的红外和紫外区域中的辐射。我们发现有用的助熔剂包括(但不限于)有机酸(抗坏血酸、松香酸、脂肪酸、丙烯酸、柠檬酸、2-糠酸、苹果酸、聚丙烯酸、或这些酸的组合)和环氧化合物。

为了进一步增强图像的对比度，还改进背景底填材料，以便在光学上有所不同。清晰的底填材料使焊料突起周围产生阴影效应。黑色的底填材料产生具有较低背景噪声的图像。

在本发明的另一实施例中，发荧光的染料可以取代助熔剂中的红色染料，然后用紫外光源例如紫外LED进行照射。如果荧光助熔剂的荧光谱峰在机器视觉照相机的相同光谱频率响应峰处，则可以采用红色的荧光染料或者甚至其它的着色剂，以使对比度最大。例如，用发射580-700nm可见光谱的橙色至红色区域荧光的UV-B(例如254nm)或UV-A(例如365nm)紫外光源激发荧光助熔剂，以便使图像传感器(CCD或CMOS)在光谱的红色部分具有更大的灵敏度。

当给器件成像时，CCD照相机和软件程序能够登记阵列中的所有突起，或者恰恰其中一些突起。我们发现，仅仅对两个对置角落上的一个突起成像可显著加速该工艺过程，并产生可以接受的登记结果。然而，根据软件程序和单个机器，可选择给任何数目(从两个到所有的)的突起成像。含有着色剂的助熔剂可仅仅施加到突起的质心部分、施加到整个突起上或者甚至稍稍覆盖突起。导致突起的图像如同2或3个象素那么小的红色熔融沉积物已经表现出能够提供有用的高分辨率图像。

在本发明的又一个实施例中，在图3的截面图中示出的突起型半导体封装30(例如球栅阵列(BGA)或芯片规格的封装(CSP))包含固定到载体基底33上的集成电路电路片32。正如本领域所公知的，在传统上通过线接合(未示出)或通过将电路片直接安装到载体上的倒装片，来实现电路片32与载体基底33之间的电连接。任选地，正如本领域所公知的，突起型半导体封装在电路片32上可具有用于环境保护的盖子(未示出)。载体基底33一般在底侧具有多个接触焊盘或终端34。这些焊盘通常布置成规则的阵列，但是也可以是任何布置形式，例如环形阵列或不规则阵列。通常，焊料突起16固定到这些焊盘14的每一个上，尽管在某些情况下，根据突起式半导体封装的设计，仅仅某些焊盘突起而其它焊盘可能不含有突起。底填材料17的涂层沉积在载体基底33的底侧35。通常，施加底填材料17，以使焊料突起16的至少一部分表面没有涂布，从而当突起型半导体封装最终装配到印刷电路板上时，其更容易焊接。然而，我们还设想本发明可以这样的方式来使用：在这种方式中，突起完全用底填材料来覆盖，并且突起在倒装片装配步骤的过程中“焊接穿过”底填材料。助熔剂18有选择地施加在焊料突起暴露部分的顶部，以有助于装配到印刷电路板上的过程中的焊接工艺，并有助于机器视觉系统识别焊料突起的部位。当助熔剂用图像增强剂例如染料或颜料来改进，以使其在用合适的光照射时就显现出红色时，以及当助熔剂18有选择地仅施加到焊料突起16上时，CCD照相机上所获得的图像对比度就大大提高了。现在参照图2，突起在底填材料的黑色背景27下显现为亮点26。因此，利用机器视觉系统能够精确确定各个焊料突起的部位。

总之，我们探索出一条产生在机器视觉系统中进行照射时表现出增强的图案识别能力的半导体器件(倒装片、BGA或CSP)的路线。在无需改变现存的标准CCD照相机和照射结构的情况下，通过将红色或其它颜色的染料或颜料加入到助熔剂中以改进部件的光学特征，可达到对比度增强的目的。在保持必需的底填料涂层厚度的同时获得大大提高的图像对比度。突起图像的尺寸现在更多地取决于红色的熔融沉积物，而极少取决于实际的突起暴露面积。只要底填材料顶部具有红色助熔剂，机器视觉照相机就能够均匀观察底填材料覆盖的突起。常规的高速布局装配设备能够高产率地反复识别和准确放置所涂布的部件。在以上的说明中，我们已经描述了加入到选择性放置在焊料突起上的助熔剂中的红色染料的用途。然而，这不应该具有限定作用，因为也可以使用其它颜色和材料。根据本文的教导，本领域的技术人员可作出其它变型。这样的替换型器件应该被认为是等同物，本发明不应该限定于此。

虽然已经结合具体实施例描述了本发明，但是显然，根据上述描述，许多替换形式、修改、置换和变型对于本领域的普通技术人员来说都是显而易见的。因此，本发明意在包含落在所附权利要求书保护范围内的所有这些替换形式、修改和变型。

Claims (12)

1. 一种在机器视觉系统中进行照射时表现出增强的图案识别能力的突起型半导体芯片，包括：

倒装片集成电路电路片，所述电路片在其活性面上具有多个焊料突起；

所述活性面上的底填材料涂层；

含有图像增强剂的熔融合成物，所述熔融合成物有选择地沉积在所述多个焊料突起中的至少两个上，以改善焊料突起的光学特征；以及

其中当所述活性面用所选择波长的光照射时，所沉积的图像增强剂使所述焊料突起在所述底填材料中显现为明亮的。

2. 如权利要求1所述的突起型半导体芯片，其中所述图像增强剂是着色剂。

3. 如权利要求2所述的突起型半导体芯片，其中所述着色剂是染料或颜料。

4. 如权利要求2所述的突起型半导体芯片，其中所述着色剂是从以下材料构成的组合中选择的：红色、琥珀色、黄色、绿色、蓝色、紫色、或在紫外光中发荧光的材料。

5. 如权利要求1所述的突起型半导体芯片，其中所选择波长的光是对应于所述图像增强剂颜色的电磁光谱部分。

6. 如权利要求2所述的突起型半导体芯片，其中所述着色剂是从以下物质构成的组合中选择的一种或多种材料：苯并吡喃、苯胺、苝、若丹明、二唑、品红、番红精O、氯化锌和硝酸锌。

7. 如权利要求1所述的突起型半导体芯片，其中所述图像增强剂是发荧光的化合物。

8. 如权利要求7所述的突起型半导体芯片，其中所述图像增强剂是发红色荧光的化合物。

9. 如权利要求7所述的突起型半导体芯片，其中所选择波长的光在光谱的紫外部分。

10. 如权利要求1所述的突起型半导体芯片，其中所述熔融合成物仅沉积在所述焊料突起之上，而不是沉积在所述底填材料的任何其它部分上。

11. 如权利要求10所述的突起型半导体芯片，其中每个焊料突起的至少一部分不用底填材料涂布。

12. 一种在机器视觉系统中进行照射时表现出增强的图案识别能力的突起型半导体封装，包括：

具有第一侧和第二侧的电路承载基底；

电、机械安装在所述电路承载基底的第一侧上的半导体器件；

所述电路承载基底的第二侧具有共面的焊料突起阵列；

所述电路承载基底第二侧上的底填材料涂层；

含有图像增强剂的熔融合成物，所述熔融合成物有选择地沉积在所述阵列中的至少两个焊料突起上，以改善焊料突起的光学特征；以及

其中当所述电路承载基底的第二侧用所选择波长的光照射时，所沉积的图像增强剂使所述焊料突起在所述底填材料中显现为明亮的。