CN102184874B

CN102184874B - 芯片接合方法

Info

Publication number: CN102184874B
Application number: CN 201110085035
Authority: CN
Inventors: 何永基; 吕孝文; 林积锁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-02
Filing date: 2011-04-02
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2031-04-02
Also published as: CN102184874A

Abstract

本发明揭露一种芯片接合系统，包括：基板定位模块，该基板定位模块上定位有基板，该基板上设有多个焊垫；加热模块，以相对于该基板定位模块移动而逐个加热各焊垫的方式设在接合系统的机架上；焊料供应模块，其上设有焊料，该焊料供应模块以相对于该基板定位模块移动而提供该焊料至被加热的该焊垫上的方式设在接合系统的机架上；以及芯片携取模块，以相对于该基板定位模块移动而脱离地逐个携取芯片和使芯片与熔融于该焊垫上的该焊料接触的方式设在接合系统的机架上；本发明还揭露一种芯片接合方法。本发明芯片接合系统可将芯片良好地接合于基板上且芯片接合的质量稳定，本发明芯片接合方法可将芯片良好地接合于基板上且芯片接合的质量稳定。

Description

芯片接合方法

技术领域

本发明是关于一种芯片接合系统及一种芯片接合方法，特别是关于一种可提供高芯片接合质量及具有高产能的芯片接合系统及芯片接合方法。

背景技术

将芯片以共晶焊料（eutectic solder）固定于基板上的方式主要可分为两种方式。一种方式如下所述：首先，在芯片背面蒸镀或溅镀上一层共晶焊料，例如金锡合金或银锡合金。接着，在基板上的焊垫上镀上一层黄金；然后，将基板置于加热板上加热至共晶焊料的熔点后，将芯片压合于焊垫上并使焊垫上的黄金与芯片上的共晶焊料结合在一起；之后，将基板的温度下降至共晶焊料的熔点之下以使共晶焊料固化，即完成固晶（die bonding）作业。然而，因共晶焊料镀于芯片背面时易发生合金层成份不均匀的情况，造成合金层各处的熔点不一致，使得前述的芯片压合于焊垫上的时间须加长，进而使芯片的接合质量不易控制。

将芯片以共晶焊料固定于基板上的另一种方式如下所述：首先，在基板上的焊垫镀上一层黄金；然后，将基板置于加热板上加热至共晶焊片（eutectic solder perform）的熔点后，再将共晶焊片逐一地置于基板的各焊垫上，然后，再将分别将芯片与共晶焊片压合；之后，将基板的温度下降至共晶焊片的熔点之下以使共晶焊片再度固化，即完成固晶作业。然而，在上述的芯片接合过程中须长时间同时加热基板，并且需要将共晶焊片及芯片逐一地置于基板的各焊垫上，此步骤耗工耗时，且因长时间加热而可能影响基板及芯片的功能。

同时，公知技术为了避免长时间同时对基板加热，可能的作法是将基板进行裁切，使得一小块基板上仅具有一个焊垫，之后再将裁切开的小块基板分别加热后再与芯片进行共晶结合制程，但此一作法更耗工耗时，增加生产成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种芯片接合系统，其可将芯片良好地接合于基板上且芯片接合的质量稳定。此外，本发明的芯片接合系统具有可大量生产的优点。

本发明还提供一种芯片接合方法，依此方法可将芯片良好地接合于基板上且芯片接合的质量稳定。此外，本发明的芯片接合方法具有制程简单的优点。

一种芯片接合系统，包括：基板定位模块，该基板定位模块上定位有基板，该基板上设有多个焊垫；加热模块，以相对于该基板定位模块移动而逐个加热各焊垫的方式设在接合系统的机架上；焊料供应模块，该焊料供应模块上设有焊料，该焊料供应模块以相对于该基板定位模块移动而提供该焊料至被加热的该焊垫上的方式设在接合系统的机架上；以及芯片携取模块，以相对于该基板定位模块移动而脱离地逐个携取芯片和使芯片与熔融于该焊垫上的该焊料接触的方式设在接合系统的机架上。

所述加热模块包括热气流管，该热气流管具有出气口和连接热气源的进气端，该热气流管以移动而使该出气口对应各焊垫下方的所述基板的方式设在接合系统的机架上。

所述热气流的所述进气端连接有低反应气体。

所述低反应气体包括低氧分压空气、氮气、氮气/氢气混合气体和惰性气体中的一种或多种。

所述焊料供应模块包括用以引导所述焊料的连续式焊料供应嘴，该连续式焊料供应嘴设在接合系统的机架上。

芯片接合系统还包括低氧化环境供应模块，该低氧化环境供应模块的进气端连接有低氧化气体，该低氧化环境供应模块的出气口对应所述基板设置。

所述低氧化环境供应模块为低反应气体供应装置，该低反应气体供应装置的出气口对应所述基板设置。

所述低反应气体供应装置的出气口连接有层流气管，该层流气管具有多个出气口，各出气口分别对应所述基板设置。

所述低反应气体供应装置的所述进气端连接有低反应气体，该低反应气体包括低氧分压空气、氮气、氮气/氢气混合气体和惰性气体中的一种或多种。

一种芯片接合方法，通过以下步骤实现：A、提供基板，多个焊垫设置在该基板上；B、依序以热源逐个加热各焊垫；以及C、将多个芯片以共晶融合方式分别固接在各焊垫上。

所述步骤B通过以下方案实现：依序以所述热源分别对位于各焊垫下方的所述基板进行加热，进而加热各焊垫。

所述步骤C通过以下方案实现：供应焊料在被加热的其中一个所述焊垫上，并使该焊料熔融于该焊垫上；将芯片放置于熔融的该焊料上；将该热源移除，使得熔融的该焊料固化而使该芯片固接于该焊垫上。

所述热源包括热气流。

所述热气流包括由低反应气体所形成的热气流。

芯片接合方法还包括下列步骤：提供低氧化环境；所述B步骤和所述C步骤在该低氧化环境中进行。

所述提供低氧化环境的步骤通过提供低反应气体实现。

所述低反应气体以层流的方式提供给该基板。

基于上述说明，本发明的芯片接合系统可藉由加热模块对基板上的焊垫个别加热并实时将共晶焊料直接熔融于焊垫上，而使得芯片可良好地与基板接合，而避免如公知技术所产生的共晶焊料可能混合不均或基板加热时间过长的问题。此外，由于本发明的芯片接合系统可利用完整的基板进行芯片接合的制程，而不必如公知技术般需进行基板裁切的动作。因此，本发明的芯片接合系统可简化芯片接合的制程，而有利于大量生产。

在本发明的芯片接合方法中，基板上设置多个焊垫，单一焊垫可局部地被加热，并使得共晶焊料可实时地熔融于焊垫上进行芯片接合制程。换言之，此局部加热过程中仅单一焊垫被加热至高于共晶焊料的熔点以上，其它相邻焊垫仅受基板热传导影响而有些许升温，其温度远低于共晶焊料的熔点，因此对已与芯片接合的相邻焊垫及其上的焊料及芯片不致造成影响。因此，使用本发明的芯片接合方法可提供稳定的芯片接合质量。此外，由于本发明的芯片接合方法可对完整的基板进行芯片接合制程，而不需如公知技术般需进行基板裁切的步骤。因此，本发明的芯片接合方法可简化芯片接合的制程。

附图说明

图1为本发明实施例的芯片接合系统示意图；

图2A为本发明实施例的芯片接合方法流程图；

图2B为本发明实施例的芯片接合方法流程图；

图3（a）-（f）为本发明实施例的芯片接合方法示意图。

图中：

具体实施方式

为让本发明的上述特点和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

图1为本发明实施例的芯片接合系统示意图。请参照图1，本实施例的芯片接合系统100适于利用焊料200将多个芯片300分别固接在基板400的多个焊垫410上。本实施例的芯片接合系统100包括基板定位模块110、加热模块120、焊料供应模块130以及芯片携取模块140。基板400可具有多个单元区域400a，各单元区域400a上配置有一个焊垫410。焊料200包括共晶焊料（eutectic solder），共晶焊料的材质包括金锡合金或银锡合金。

基板定位模块110设在接合系统100的机架上，用以定位基板400。加热模块120设在接合系统100的机架上，可相对于基板定位模块110移动而逐个加热各焊垫410。加热模块120用以加热多个焊垫410其中之一。具体而言，本实施例的加热模块120可包括热气流管122，热气流管122具有出气口122a和连接热气源的进气口，热气流管122用以传送热气流W1，热气流W1加热位于多个焊垫410其中之一下方的部份基板400，进而加热焊垫410。在本实施例中，热气流W1可包括低反应气体。低反应气体包括低氧分压空气、氮气、氮气/氢气混合气体、惰性气体或其组合，但不以此为限。本实施例的基板400包括可导热的基板，例如陶瓷基板、金属基板、金属支架等。

值得一提的是，本实施例的热气流管122的出气口122a的大小及形状可依各单元区域400a的大小及形状做调整。在本实施例中，热气流管122的出气口122a的大小可约略对应于焊垫410的大小。如此一来，当利用热气流管122加热其中一个焊垫410时，便不易过度影响相邻的焊垫410’，而使焊垫410’和与其已接合的芯片300间的接合质量不易发生变化。换言之，本实施例的加热模块120可改良公知技术中须先将基板400裁切成多个独立的单元区域400a，再将各独立的单元区域400a置于加热板上加热的缺点。本实施例的芯片接合系统100可在基板400无裁切成多个独立的单元区域400a的状况下，将整片基板400置于芯片接合系统100中进行芯片接合作业，待所有单元区域400a上的焊垫410均与芯片300接合后，再将整片基板400自芯片接合系统100取出。因此，本实施例的芯片接合系统100有利于大量生产且接合质量稳定的优点。本实施例的热气流管122的出气口122a的面积可介于0.01平方公分（cm²）至100平方公分之间。本实施例的热气流管122的出气口122a的形状包括圆形、矩形、多边形或其它适当的形状。

另外，热气流管122的出气口122a至基板400的距离D亦是可调整的。藉由改变热气流管122的出气口122a至基板400的距离D，可调控单元区域400a被热气流管122加热的温度。在本实施例中，热气流管122的出气口122a至基板400的距离D可介于0.1毫米（mm）至100毫米之间。

焊料供应模块130设在接合系统100的机架上，可相对于基板定位模块110移动。焊料供应模块130用以提供部份焊料200至被加热的焊垫410上。具体而言，本实施例的焊料供应模块130可包括连续式焊料供应嘴132，连续式焊料供应嘴132设在接合系统100的机架上。连续式焊料供应嘴132用以引导焊料200至被加热的焊垫410上。连续式焊料供应嘴132中配置有焊料200，连续式焊料供应嘴132（或焊料200）的截面的形状包括圆形、矩形或其它合适的形状。值得一提的是，本实施例的连续式焊料供应嘴132可连续地输出焊料200至焊垫410上，而不必像公知技术中须将焊料片（solder perform）逐一地置于基板400的各单元区域400a上。此外，焊料供应模块130可藉由控制焊料200的输出长度，而控制焊料200施加于焊垫410上的量。

芯片携取模块140设在接合系统100的机架上，可相对于基板定位模块110移动。芯片携取模块140用以可脱离地（detachably）携取芯片300，而使芯片300与熔融于焊垫410上的部份焊料200接触。更进一步地说，本实施例的芯片携取模块140可包括芯片吸嘴142，芯片吸嘴142设在接合系统100的机架上。芯片吸嘴142可吸取芯片300，再将芯片300置于熔融于焊垫410上的部份焊料200上。并且，当芯片吸嘴142将芯片300置于熔融于焊垫410上的部份焊料200上时，芯片吸嘴142可相对于基板400移动而将芯片300与焊料200间的气体及焊料200表面的氧化皮膜排除在外，进而使芯片300紧密地接合于基板400上的焊垫410上。

本实施例的芯片接合系统100可进一步包括低氧化环境供应模块150，低氧化环境供应模块150的进气端连接有低氧化气体，低氧化环境供应模块150的出气口对应基板400设置。低氧化环境供应模块150用以产生低氧化环境，使得基板400处于低氧化环境中。本实施例的芯片接合系统100可藉由低氧化环境供应模块150改善熔融于焊垫410上的部份焊料200氧化的问题，进而使芯片300与焊垫410间的接合质量更佳。举例而言，本实施例的低氧化环境供应模块150可以是低反应气体供应装置，该低反应气体供应装置的进气端连接有低反应气体。然而，本发明不限于此，在其它实施例中，低氧化环境供应模块150亦可是真空装置。更详细地说，本实施例的低反应气体供应装置可包括层流气管152（laminar flow gas tube），层流气管152具有多个出气口，各出气口分别对应基板400设置。层流气管152用以对基板400提供层流的低反应气体W2。低反应气体W2包括低氧分压空气、氮气、氮气/氢气混合气体、惰性气体或其组合，其中惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或其组合。低反应气体W2指不易与其它物质发生化学反应的气体，因此由低反应气体供应装置所提供的低氧化环境可使焊料氧化的问题获得改善。类似地，在其它实施例中，通过真空装置所提供的低氧化环境亦可改善焊料氧化的问题。

图2A及图2B为本发明实施例的芯片接合方法流程图。请同时参照图2A及图2B，本实施的芯片接合方法包括下列步骤。首先，步骤S110，提供其上设有多个焊垫的基板。接着步骤S120，依序以热源分别加热焊垫。详言之，步骤S120依序以热源分别加热焊垫的步骤包括步骤S122，依序以热源分别对位于焊垫下方的部份基板进行加热，进而使得焊垫被加热，绘于图2B。然后步骤S130，将多个芯片以共晶融合方式分别固接在焊垫上。详言之，步骤S130将多个芯片以共晶融合方式分别固接在焊垫上的步骤包括：步骤S132，先供应焊料在被加热的其中一个焊垫上，并使部份的焊料熔融于焊垫上，绘于图2B。接着步骤S134，将其中一个芯片放置于熔融的焊料上，绘于图2B。然后步骤S136，将热源移除，使得熔融的焊料固化而使芯片固接于焊垫上，绘于图2B。

为了更清楚详细地说明上述步骤，以下将搭配图3（a）至（f）进行说明本。图3（a）至（f）中仅示出基板400的两个单元区域400a做为代表来说明，其中左侧的单元区域400a上的焊垫410已藉由焊料200与芯片300接合，右侧的单元区域400a则在进行芯片接合中。

请参照图3（a），首先步骤S100，提供其上设有多个焊垫410的基板400，并利用基板定位模块定位基板400。接着步骤S120，利用加热模块120所提供的热源依序分别加热焊垫410。详言之，在本实施例中，步骤S122，可依序以加热模块120所提供的热源分别对位于焊垫410下方的部份基板400进行加热，进而使得焊垫被410加热。本实施例的热源包括热气流W1，热气流W1可通过加热模块120的热气流管122传至位于焊垫410下方的部份基板400，进而对焊垫410加热。热气流W1包括由低反应气体所形成的热气流。低反应气体包括低氧分压空气、氮气、氮气/氢气混合气体、惰性气体或其组合。低反应气体指不易与其它物质发生化学反应的气体。然而，本发明不限于此，本实施例的加热模块亦可以是点阵式的加热装置或激光加热装置，上述点阵式的加热装置及激光加热装置则可选择性地对基板上特定的焊垫或特定的位置进行加热，同样可以达到如前述热气流对基板及焊垫加热的效果。值得一提的是，本实施例的热源可局部地加热一个单元区域400a，进而加热单元区域400a上的焊垫410。如此一来，当利用热源透过单元区域400a加热焊垫410时，便不易过度影响相邻焊垫410（即左侧的焊垫410），而使焊垫410（即左侧的焊垫410）和与其已接合的芯片300间的相对位置发生改变，进而影响两者间的接合质量。

请参照图3（b）～（f），接着步骤S130，利用加热模块120、焊料供应模块130及芯片携取模块140将多个芯片300以共晶融合方式分别固接在焊垫410上，上述的加热模块120包括热气流管122，上述的焊料供应模块130包括连续式焊料供应嘴132，上述的芯片携取模块140包括芯片吸嘴142。详言之，步骤S132，绘于图3（b），当被加热的焊垫410的温度达到焊料200的熔点以上时，可利用焊料供应模块130的连续式焊料供应嘴132供应焊料200在被加热的焊垫410上，并使部份的焊料200熔融于焊垫410上。在本实施例中，可利用调整输出焊料200的长度控制焊料200施加于焊垫410上的量。此时，部份焊料200熔于焊垫410上。

接着步骤S134，绘于图3（c）～（d），利用芯片携取模块140的芯片吸嘴142，将芯片300放置于熔融的焊料200上。详言之，移开连续式焊料供应嘴132，然后利用芯片吸嘴142将芯片300放置于熔融的焊料200上。更进一步地说，芯片300朝焊垫410下压而与熔融的焊料200接触时，芯片吸嘴142可同时带动芯片300移动，例如左右或前后移动，但不在此限，以将芯片300与焊料200间的气体及焊料200表面的氧化层排除在外，进而使芯片300可紧密地固接于焊垫410上。值得一提的是，在本实施例的芯片接合方法中，将焊料200直接熔于焊垫410，而不是如公知技术般，先将焊料镀于芯片上再将焊料熔于焊垫410上。因此，在本实施例的芯片接合方法中，芯片300不须全程地与焊料200一起被加热。如此一来，芯片受热的时间便可有效缩短，进而改善因芯片受热过久而导致的电性异常的问题。

接着步骤S136，绘于图3（e）～（f），将热源移除，使得熔融的焊料200固化而使芯片300固接于焊垫410上。详言之，在熔融的焊料200固化的过程中，芯片吸嘴142可持续地施压于芯片300上，而使芯片300紧密地接合于焊垫410上，绘于图3（e）。直到焊垫410的温度低于焊料200的熔点时，芯片吸嘴142才移离芯片300，从而完成芯片接合的动作，绘于图3（f）。

接着，可重复上述的加热步骤于另一个焊垫，并接着重复上述的供应焊料、放置芯片及移除热源的步骤，而使多个芯片分别与基板上的所有焊垫固接。

另外，本实施例的芯片接合方法可进一步包括下列步骤：利用低氧化环境供应模块提供低氧化环境，使得基板400位于低氧化环境中，而改善焊垫或焊料发生氧化的问题。具体而言，提供低氧化环境的步骤包括：提供低反应气体，以形成低反应气体环境。低反应气体可包括低氧分压空气、氮气、氮气/氢气混合气体、惰性气体或其组合，其中惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或其组合。低反应气体指不易与其它物质发生化学反应的气体，因此由低反应气体供应装置所提供的低氧化环境可使焊料氧化的问题获得改善。更详细地说，可利用低反应气体供应装置的层流气管提供对基板400提供层流的低反应气体。然而，本发明不限于此，在其它实施例中，提供低氧化环境的步骤包括提供真空环境。类似地，通过真空装置所提供的低氧化环境亦可改善焊料氧化的问题。

值得一提的是，在本实施例的整个芯片接合过程中，先前已与焊垫410接合的芯片300虽仍会受到相邻单元区域400a的热传导的影响。但是，先前已与焊垫410接合的芯片300及其下方的焊料200所感受到温度远低于焊料200的熔点。因此，在相邻单元区域400a的加热过程中，已固接的芯片300与焊垫410间的焊料200不易再度被熔化，而使焊垫410与芯片300间的相对位置改变。从而依本实施例的芯片接合方法可在基板400无裁切成多个独立的单元区域400a的状况下，将整片基板400上的焊垫410与芯片300接合。因此，依本实施例的芯片接合方法可大量地接合芯片与基板上的焊垫，且芯片与焊垫间的接合质量良好且稳定。

综上所述，本发明的芯片接合系统可藉由对基板上的焊垫个别加热并实时将共晶焊料直接熔融于焊垫上，而使得芯片可良好地与基板接合，而避免如公知技术所产生共晶焊料可能混合不均或基板加热时间过长的问题。此外，由于本发明的芯片接合系统可利用完整的基板进行芯片接合的制程，而不必如公知技术般需进行基板裁切的动作。因此，本发明的芯片接合系统可简化芯片接合的制程，而有利于大量生产。

在本发明的芯片接合方法中，单一焊垫可局部地被加热，并使得共晶焊料可实时地熔融于焊垫上进行芯片接合制程。换言之，此局部加热过程中仅单一个焊垫被加热至高于共晶焊料的熔点以上，其它相邻焊垫仅受基板热传导影响而有些许升温，其温度远低于共晶焊料的熔点，因此对已与芯片接合的相邻焊垫及其上的焊料及芯片不致造成影响。因此，使本发明的芯片接合方法可提供稳定的芯片接合质量，而且由于本发明的芯片接合方法可对完整的基板进行芯片接合制程，而不必如公知技术般须进行基板裁切的步骤，故本发明的芯片接合方法可简化芯片接合的制程。

再者，在本发明所揭示的芯片接合系统及芯片接合方法中，可藉由提供低氧化环境，改善焊垫或焊料发生氧化的问题。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种芯片接合方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

A、提供基板，多个焊垫设置在该基板上；

B、依序以热源逐个加热各焊垫；以及

C、将多个芯片以共晶融合方式分别固接在各焊垫上。

2.如权利要求1所述的芯片接合方法，其特征在于，所述步骤B通过以下方案实现：依序以所述热源分别对位于各焊垫下方的所述基板进行加热，进而加热各焊垫。

3.如权利要求1所述的芯片接合方法，其特征在于，所述步骤C通过以下方案实现：供应焊料在被加热的其中一个所述焊垫上，并使该焊料熔融于该焊垫上；将芯片放置于熔融的该焊料上；将该热源移除，使得熔融的该焊料固化而使该芯片固接于该焊垫上。

4.如权利要求2所述的芯片接合方法，其特征在于，所述热源包括热气流。

5.如权利要求4所述的芯片接合方法，其特征在于，所述热气流包括由低反应气体所形成的热气流。

6.如权利要求5所述的芯片接合方法，其特征在于，所述低反应气体包括低氧分压空气、氮气、氮气/氢气混合气体和惰性气体中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的芯片接合方法，其特征在于，芯片接合方法还包括下列步骤：提供低氧化环境；所述B步骤和所述C步骤在该低氧化环境中进行。

8.如权利要求7所述的芯片接合方法，其特征在于，所述提供低氧化环境的步骤通过提供低反应气体实现。

9.如权利要求8所述的芯片接合方法，其特征在于，所述低反应气体包括低氧分压空气、氮气、氮气/氢气混合气体和惰性气体中的一种或多种。

10.如权利要求8所述的芯片接合方法，其特征在于，所述低反应气体以层流的方式提供给该基板。