CN103367181A - 用于接合基板的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于接合基板的方法和设备。提供了一种方法，用于将半导体芯片接合到封装基板，同时最小化焊料球高度的变化并控制焊料球中的应力和封装基板中的应力。在焊料球回流期间，通过向封装基板提供夹钳约束，将包括绝对弯曲、热弯曲以及基板间弯曲变化的封装基板的弯曲限制在最小水平。在焊料球的冷却期间，通过移除夹钳约束，焊料球的应力和应变被维持在不会引起焊料接点破裂或封装基板破碎的程度。因此，接合处理提供了在最小化的焊料非湿情况下的均匀焊料高度以及焊料球和封装基板的应力最小化。

Description

用于接合基板的方法和设备

技术领域

本公开涉及用于接合基板的方法，特别地，涉及接合基板而最小化在冷却步骤期间由基板间的热膨胀系数（CTE）不匹配引起的应力的方法，以及实现该方法的设备。

背景技术

基板弯曲给使用倒装芯片技术的半导体芯片到封装基板的附着带来挑战。回流时大幅度的弯曲是不可靠C4接合的原因，导致潜在非润湿（non-wet）或不均衡的C4焊接高度。此外，在接合和组装中，较大弯曲的样本之间的变化（西格玛）是一个问题，甚至对于具有名义平均弯曲的基板。热弯曲，即弯曲随温度的变化，对于接合和组装而言是另一个不希望的问题。大的热弯曲指封装基板在焊料球回流后在临界冷却期间改变形状。基板形状的这种变化可导致焊料球接头的缺陷，诸如热撕裂。

弯曲问题的一种解决方案是在接合处理中包括在冷却周期的整个持续时间使用临时玻璃载体（TGC）的形式的机械约束。在该例子中，利用粘合剂在压力下使封装基板附着到厚平面玻璃板，以便基板的固有绝对弯曲被拉平。由于玻璃载体的机械约束，绝对和热弯曲以及该弯曲的样本和样本之间的变化（西格玛）被降低到接近零。但是，建模研究表明，通过在冷却处理期间约束封装基板在Z方向中的自由移动，C4球以及后端制程（BEOL）冶金中的应力和剪应变被增加。封装基板和半导体芯片之间的热膨胀系数的差异导致冷却时两者之间的差异收缩。这导致了C4球和半导体芯片的剪应力的建立。

如果接合的组件自由弯曲，通过包含半导体芯片和封装基板的接合组件的弯曲，C4球中的剪应力可被自然地最小化。如果使用TGC来限制包含半导体芯片和封装基板的接合组件的自由弯曲，不能实现应力和应变的降低。限制接合的组件的自由弯曲由此将导致C4球和BEOL冶金中故障的显著增加。

在使用TGC时，能够缓解应力和应变增加的一个因素是约束基板的X-Y扩展并由此降低管芯和基板之间的有效CTE差异的潜力。建模研究表明，要将应力降低到封装基板自由弯曲的应力，受约束的封装基板的CTE必须被降低接近40%。对实际的安装TGC的基板的测量表明，这么大的CTE降低很难实现，并且高度依赖于使用的粘合剂。软粘合剂允许在基板和玻璃之间滑动，并且不能实现足够的CTE降低。较硬的粘合剂可以降低CTE更多，但会导致基板永久变形或破坏玻璃。

TGC还具有需要粘合剂将封装基板附着到玻璃的不足。粘合剂导致基板的球栅阵列（GBA）或焊盘栅阵列（LGA）一侧的污染。由于该现象，TGC技术不能用于无法忍受污染的LGA基板。从TGC移除封装基板也是问题。从TGC剥离接合的封装的技术对于封装基板来说是应力性的。在该过程中，封装基板中经过基板的过孔特别容易被损坏。

发明内容

提供了一种方法，用于将半导体芯片接合到封装基板，同时最小化焊料球高度的变化并控制焊料球中的应力和封装基板中的应力。在焊料球回流期间，通过向封装基板提供夹钳约束，将包括绝对弯曲、热弯曲以及基板间弯曲变化的封装基板的弯曲限制在最小水平。在焊料球的冷却期间，通过移除夹钳约束，焊料球的应力和应变被维持在不会引起焊料接点破裂或封装基板破碎的程度。因此，接合处理提供了在最小化的焊料非润湿（non-wet）情况下的均匀的焊料高度以及焊料球和封装基板的应力最小化。

根据本发明的方面，提供了一种接合基板的方法，该方法包括：将第一基板的背侧表面夹钳到平面表面，其中当第一基板被夹钳时该背侧表面保持与所述平面表面共平面；通过在回流温度下回流所接触的焊料球阵列而经由所述焊料球阵列将所述第一基板接合到第二基板，其中所述第一基板、所述第二基板和所述焊料球阵列形成接合组件；在回流温度以下将接合组件冷却到高于室温的释放温度，同时第一基板的背侧表面保持被夹钳；以及在释放温度下释放第一基板的背侧表面的所述夹钳。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于接合基板的设备。该设备包括：加热装置，用于加热第一基板、焊料球阵列和第二基板的组件；支撑装置，用于支撑第一基板，该支撑装置包括平面表面；夹钳装置，用于将第一基板的背侧表面夹钳到所述平面表面，且被配置为在夹钳第一基板时保持所述背侧表面与所述平面表面共平面；以及控制装置，用于在高于室温的释放温度下释放所述第一基板的背侧的所述夹钳。

根据本公开的又一个方面，提供了一种用于接合基板的设备。该设备包括：加热装置，用于加热第一基板、焊料球阵列和第二基板的组件；支撑装置，用于支撑第一基板，该支撑装置包括平面表面；释放装置，用于将第一基板的背侧表面自所述平面表面从夹钳状态释放，在所述夹钳状态下，当第一基板被夹钳时，背侧面被保持为与所述平面表面重合；以及控制装置，用于在高于室温的释放温度下激活所述释放装置。

根据本公开的再一个方面，提供了一种基板载体。所述基板载体被配置为通过在几何上与至少一个基板组合而形成包封真空外壳，其中，该至少一个基板的背侧或前侧表面与所述基板载体中的空腔的表面组合，以形成并密封所述包封真空外壳。该基板载体还可以包括真空释放装置，被配置为打破密封的包封真空外壳。

附图说明

图1是根据本公开的第一实施例的第一示例性设备的示意性垂直截面图，该设备可被用于将第一基板接合到第二基板。

图2是根据本公开的第二实施例的第二示例性设备的示意性垂直截面图，该设备可被用于将第一基板接合到第二基板。

图3是示出各种接合方法下的封装基板的平均弯曲的图。

图4是示出各种接合方法下的焊料球上的应力的图。

图5是根据本公开的实施例的示例性基板载体的鸟瞰图，该基板载体被配置为支持用于接合的基板。

图6A是根据本公开的实施例的被安装到基板载体的接合基板的第一示例性组件的垂直截面图。

图6B是根据本公开的实施例的被安装到基板载体的接合基板的第二示例性组件的垂直截面图。

图6C是根据本公开的实施例的被安装到基板载体的接合基板的第三示例性组件的垂直截面图。

图7A是根据本公开的实施例的在封装基板被夹钳时的接合基板的组件、真空卡盘和一对机械夹钳的垂直截面图。

图7B是根据本公开的实施例的在封装基板被松开夹钳时的接合基板的组件、真空卡盘和一对机械夹钳的垂直截面图。

图8是根据本公开的实施例的接合基板的组件、粘合层、透明卡盘和辐射装置的垂直截面图，该辐射装置被配置为移除或去活化粘合层。

具体实施方式

如上所述，本公开涉及一种方法，用于接合基板而同时最小化在冷却步骤中由于基板之间的热扩张系数（CTE）的不匹配引起的应力，以及实现相同目的的设备，现在将使用附图来详细描述。注意到类似和相应的元素被称为类似的参考标号。图不是按比例绘制的。

在本公开的实施例中，封装基板的弯曲在焊料球的回流期间受到控制，但在后面的冷却处理阶段不受限制。两种弯曲控制方法的组合允许接合时焊料球的平面对准，以最小化焊料球的非接合，并允许在后面的冷却处理阶段中通过基板封装的自由弯曲来部分释放包括封装基板、焊料球阵列和半导体基板的接合组件的各部分中的应力。

参考图1，示出了根据本公开的第一实施例的第一示例性设备，其可被用于将第一基板100接合到第二基板200。

第一基板100可以包括第一基板层110、第一表面介电层120以及嵌入到第一表面介电层120的第一接合衬垫阵列130。第一基板100可以是封装基板或半导体芯片或插入物。如果第一基板100是封装基板，第一基板100可以包括布线层结构（金属互连结构）的层，并且可以是陶瓷基板、有机叠层基板、硅基板、金属基板、或挠性膜基板。如果第一基板100是半导体芯片，第一基板100在其中包括半导体器件。

第二基板200包括第二基板层210、第二表面介电层220、以及嵌入到第二表面介电层220的第二接合衬垫阵列230。第二接合衬垫阵列230中的每个接合衬垫可以被电连接到第二基板200中的布线层。第二基板200可以是半导体芯片、插入物或封装基板中任一个。第二接合衬垫阵列230中的每个接合衬垫可以通过在第二基板层210中嵌入的金属互连结构（未示出）电连接到第二基板层210中的至少一个半导体器件。第二基板层210包括半导体器件，其可以是例如场效应晶体管、双极晶体管、二极管和/或光半导体器件。

焊料球阵列300被接合到第一基板100和第二基板200中的一个。特别地，焊料球阵列300被接合到第一接合衬垫阵列130或第二接合衬垫阵列230。第一基板100和第二基板200中的另一个与焊料球阵列300对准。特别地，如果焊料球阵列300被接合到第一接合衬垫阵列130，则第二基板200与焊料球阵列300对准，以便第二接合衬垫阵列230与焊料球阵列300对准。如果焊料球阵列300被接合到第二接合衬垫230，则第一基板100与焊料球阵列300对准，以便第一接合衬垫阵列130和焊料球阵列300对准。第一基板100、焊料球阵列300以及第二基板200形成对准的预接合组件，其包括两个可物理分离的结构，其中一个包含焊料球阵列300和第一和第二基板（100,200）中的一个的结构。焊料球阵列300可以是C4球阵列。

对准的预接合组件被置于外壳500中，该外壳可以是包含加热装置（未明确示出）的炉。外壳500包括外壳壁510和门520，其可以被配置为在门520关闭时形成密封的体积。或者，外壳500可以是开口系统（open-endedsystem），其被配置为通过回流处理和后续的冷却处理来持续地处理多个对准的预接合组件。

加热装置可以是现有技术中已知的任意类型的加热器元件。加热装置可以被嵌入到外壳壁510和/或门520中，位于外壳500的空腔中，或位于外壳壁510和门520的外部。加热装置被配置为加热载入到外壳500中的结构。于是，加热装置被配置为加热第一基板100、焊料球阵列300和第二基板200的组件。外壳500被配置为至少在回流处理期间限制热。

真空卡盘530可以在加热周期中、在焊接回流处理期间、以及在冷却周期的初始阶段将第一基板100紧密地保持在合适位置。真空卡盘530嵌入了真空歧管620的一部分，并具有支持第一基板100的顶部平面表面。于是，真空卡盘530用作支撑装置，用平面表面来支撑第一基板100。可选地，可以提供基座540来机械地支撑真空卡盘530，这取决于真空卡盘530的配置。真空泵610被连接到真空歧管620，该歧管从真空泵610延伸到真空卡盘530的顶表面。

真空泵610、真空歧管620和真空卡盘530的组合共同用作夹钳装置，用于将第一基板100的背侧面夹钳到真空卡盘530的平面顶表面。真空泵610和真空歧管620被配置为在第一基板100被夹钳时保持与真空卡盘530的顶表面共面的第一基板100的背侧表面。

对准的预接合组件被加热到焊料球阵列300的材料的熔化温度以上，而第一基板100的背侧表面相对于真空卡盘530的平面顶表面保持平坦。夹钳是由提供给第一基板100的背侧表面的真空抽吸来提供的。真空抽吸由从真空泵610延伸到第一基板100的背侧表面面的真空歧管620提供。于是，第一基板100的背侧表面被夹钳到平面表面，即真空卡盘的平面顶表面。在第一基板100被夹钳时，第一基板100的背侧表面保持与真空卡盘530的平面顶表面共平面。

焊料球阵列300在焊料球阵列300的材料的熔化温度以上回流，由此变为润湿并接合到第一和第二基板（100,200）。通过在回流温度下回流焊料球阵列300，第一基板100通过焊料球阵列300接合到第二基板200。焊料球阵列300接触第一基板100的前（顶）表面。在冷却到焊料球阵列300的材料的熔化温度以下时，接合组件形成，其包括第一基板100、第二基板200以及接合到第一基板和第二基板（100,200）的焊料球阵列300。

接合组件（100,200,300）在回流温度以下被冷却到释放温度，而第一基板100的背侧表面保持夹钳。该释放温度高于室温。如这里所使用，室温是指10摄氏度到35摄氏度的温度范围。基板100的背侧面的夹钳在释放温度下被释放。支撑装置和夹钳装置被配置为在释放夹钳时允许组件的自由弯曲。

真空卡盘530被配置为在冷却期间的合适时间释放第一基板100。例如，通过在释放温度下对真空外壳通气（venting），第一基板100的背侧面的夹钳被释放。在释放夹钳时，接合组件（100,200,300）在之后被允许自由弯曲。

夹钳释放的时序可以被控制装置80控制，其可以是例如微处理器、微控制器、或计算机。控制装置80被配置为在高于室温的释放温度下释放第一基板100的背侧的夹钳。控制装置80可以被预编程为在回流处理之后的预定时间段之后释放夹钳。预定时间段可以基于外壳500的测量的冷却特性来确定。或者，控制装置80可以被配置通过传感器（未示出）来监视外壳500的温度，并控制真空泵610的操作，从而在释放温度下真空泵610被关闭或真空歧管620被通气。

释放温度被选择为焊料球阵列300的熔化温度和室温上限即35摄氏度之间的温度。在一个实施例中，释放温度和25摄氏度之间的差值与焊料球阵列的熔化温度和25摄氏度的差值之间的比率为0.50到0.90。在另一实施例中，该比率可以从0.60到0.80。例如，如果焊料球阵列300的熔化温度为225摄氏度，则释放温度可以在125摄氏度到205摄氏度的范围内，且可选地可以在145摄氏度到185摄氏度的范围内。

由于第一基板100被真空保持而没有使用任何粘合剂，避免了接合组件（100,200,300）被粘合剂材料污染。于是，球栅阵列（BGA）基板和焊盘栅阵列（LGA）基板两者都可以被用于第一基板100。此外，由于接合组件（100,200,300）仅通过第一基板100的底表面和真空卡盘530之间的重力和摩擦来保持合适位置，接合组件（100,200,300）可以在冷却后被获得。于是，与在接合处理期间使用粘合剂将第一基板100固定在合适位置的其他方法相比，不需要外力来释放接合组件（100,200,300）。

参考图2，根据本公开的第二实施例的第二示例性设备包括芯片接合器，其被配置为保持并接合第一基板100和第二基板200。第二示例性结构包括接合器头部60、第一基板100、焊料材料部分的阵列300、第二基板200、以及作为平台来支撑第一基板的底板460。第二基板200的背侧可以通过真空抽吸来附着到接合器头部60的底侧。接合器头部移动致动器10可以位于接合器头部60上方，该致动器被配置为提供接合器头部60相对于底板460的垂直移动。第一基板100可以是半导体芯片、插入物或封装基板中的任一个。第二基板200可以是半导体芯片、插入物或封装基板中的任一个。

接合器头部移动致动器10可以操作为使接合器头部60和第二基板200能相对于底板460和第一基板100来垂直移动。焊料材料部分的阵列300在接合步骤之前被接合到第一基板100或第二基板200中的一个。可选地，接合器头部移动致动器10可以被配置为使接合器头部60和第二基板200能侧向运行。接合器头部移动致动器10可以被配置为提供接合器头部60相对于底板460的向上和向下移动。

接合器头部60可以包括接合器头部导热板40、包含至少一个接合器头部加热线圈33的接合器头部加热器组件30以及芯片支撑机构20。接合器头部加热器组件30可以被配置为产生热并通过传导和/或辐射和/或对流来向接合器头部导热板40传输热。

芯片支撑机构20保持颠倒的第二基板200。芯片支撑机构20可以包括真空歧管22，其延伸通过接合器头部导热板40并延伸到位于接合器头部导热板40的底表面上的至少一个孔。真空歧管22的相对端包括至少一个真空连接端口，其被配置为连接到真空泵（未示出）。提供给第二基板200的背侧的真空抽吸可以机械支撑第二基板200。可选地，能够机械支撑第二基板200的其他芯片支撑机构20可被使用来代替使用真空泵抽的基板支撑装机构。

接合器板460被配置为在第二基板200的最底部表面的水平面以下使第一基板100保持垂直。第一基板100被保持垂直，以便第一表面介电层120的暴露表面位于第一基板100的最顶部部分并且面向第二基板200的最底部表面。

底板460包括底部导热板440、包含至少一个底板加热线圈433的底板加热器组件430、以及基板支撑装置420。第一基板100可以被底板460保持在固定的位置。底板移动致动器410可以位于底板460之下，且可以被配置为侧向和/或垂直地移动底板460。

底板加热器组件430被配置为产生热并通过传导和/或辐射和/或对流来向底部导热板440传输热。典型地，底板加热器组件430被配置为通过传导来向底部导热板440传输热。至少一个底板加热线圈433电连接到电源（未示出），该电源以直流电（DC）或交流电（AC）的形式来供电。

基板支撑装置420将第一基板100保持在垂直的位置。基板支撑机构420可以包括真空歧管620，其延伸通过底部导热板440并延伸到位于底部导热板440的底表面上的至少一个孔。真空歧管620的相对端包括至少一个真空连接端口，其被配置为连接到真空泵610。提供给第一基板100的背侧的真空抽吸可以机械地支撑第一基板100。可选地，可以使用能够机械支撑第一基板100的任意其他的基板支撑机构420来代替使用真空泵抽的基板支撑装置。

至少一个接合器头部加热线圈33和至少一个底板加热线圈433共同构成加热装置来加热第一基板100、焊料球阵列300和第二基板200的组件。底部导热板440构成用于支撑第一基板100的支撑装置。底部导热板440包括平面顶表面，和真空歧管620中提供的真空抽吸组合，该平面顶表面使第一基板100的背侧表面保持平坦。真空泵610、真空歧管620和底部导热板440的组合构成了夹钳装置，用于将第一基板100的背侧表面夹钳到底部导热板440的平面顶表面。夹钳装置被配置为在第一基板被夹钳时使第一基板100的背侧表面保持与底部导热板440的平面顶表面共平面。

在加热步骤、回流步骤以及冷却步骤的初始阶段，第一基板100的背侧表面被夹钳到平面表面，其是底部导热板440的顶部平面表面。在第一基板100被夹钳时，第一基板100的背侧表面保持与底部导热板440的顶部平面表面共平面。真空抽吸由真空歧管620提供，该真空歧管从真空泵610延伸到第一基板100的背侧表面。

随后，通过在回流温度下回流焊料球阵列300，通过焊料球阵列300将第一基板100接合到第二基板200，该回流温度是高于焊料球阵列300的熔化温度的温度。第一基板100、第二基板200和焊料球阵列300在接合后形成接合组件（100,200,300）。

接合组件（100,200,300）在回流温度以下被冷却到高于室温的释放温度，同时第一基板100的背侧表面保持被夹钳。第一基板100的背侧面的夹钳在释放温度下被释放。支撑装置和夹钳装置被配置为允许组件在释放夹钳时自由弯曲。在回流步骤之后接合组件（100,200,300）从接合器头部60释放。可以在从基板460释放第一基板100上的夹钳之前或者在从基板460释放第一基板上的夹钳的同时从接合器头部60释放接合组件（100,200,300）。

夹钳释放的时序可以由控制装置80来控制，该装置可以是例如微处理器、微控制器或计算机。控制装置80被配置为在高于室温的释放温度下释放第一基板100的背侧的夹钳。控制装置80可以被预编程为在回流处理之后的预定时间段之后释放夹钳。预定时间段可以基于芯片接合器的测量的冷却特性来确定。可选地，控制装置80可以被配置为通过传感器（未示出）来监视第一基板或底部导热板440的温度，并控制真空泵610的操作，以便在释放温度下真空泵610被关闭或真空歧管620被通气。

参考图3，示意性地示出了在各种接合方法下的封装基板的平均弯曲。针对使用不同类型的封装基板约束的各种接合方法，在接合处理的回流步骤之后的冷却步骤期间关于温度绘制封装基板平均弯曲。对于图中的底部水平线中的线性温度刻度所表示的每个温度，通过图中的顶部水平线中的非线性时间刻度来表示相应的时间。

第一曲线710表示在如上所述的第一和第二实施例中当封装基板被用作第一基板100且半导体芯片被用作第二基板200时封装基板的平均弯曲。第二曲线720表示受约束的封装基板的弯曲，该受约束的封装基板在整个冷却温度期间，即，直到接合组件被冷却到室温，保持平坦。受约束的封装基板被允许横面滑动以避免封装基板的破坏。第三曲线730表示自由封装基板的弯曲，该自由封装基板被接合而没有使封装基板的背侧表面变平。换句话说，自由封装基板在接合时不以任何方式来约束或变平。自由封装基板经受由于第一基板和第二基板之间的焊料球阵列的高度不均匀性所引起的成品率损失。

第三曲线730表明自由封装基板在大约255摄氏度的回流温度下具有大约12微米的平均凹形弯曲，且在25摄氏度下大约50微米的平均凹形弯曲。在225摄氏度和25摄氏度的温度范围内的热弯曲即弯曲变化大约是38微米。绝对弯曲的改变可以被统计地标准，且1西格玛的绝对弯曲可以是大约25微米的量级。第三曲线730示出了弯曲在冷却步骤期间在独立不受约束的封装基板中是如何表现的。

第二曲线720示出了在被夹钳装置压制直到受约束的封装基板冷却到室温时受约束的封装基板的弯曲特性。在直到冷却步骤在室温下结束为止受约束时，封装基板的弯曲在整个加热步骤、回流步骤和冷却步骤中几乎完全为零。

第一弯曲710示出了经受本公开的第一或第二实施例的处理方法的封装基板的弯曲特性。封装基板的弯曲在整个加热步骤、回流步骤以及冷却步骤的初始阶段直到封装基板的温度达到释放温度（在该例子中是165摄氏度）几乎完全是零。夹钳在释放温度下被释放，且封装基板被允许在冷却步骤的后面阶段即当封装基板的温度低于释放温度时弯曲。一旦封装基板被松开夹钳即从夹钳释放时，封装基板的弯曲朝着自由状态下的封装基板的弯曲即第三曲线730所表示的弯曲来改变。但是，未被夹钳的封装基板的弯曲要小于独立封装基板的弯曲，因为某些弯曲在冷却步骤的初始阶段已经被焊料球阵列和第二基板吸收。于是，在25摄氏度下第三曲线730的弯曲和第一曲线710的弯曲之间的差异是由于封装基板在回流温度下被强制变平而发生的强制弯曲释放的结果。

根据本公开的实施例的回流温度下的零绝对弯曲意味着回流温度下弯曲的西格玛必然为零。因此，根据本公开的实施例的夹钳的使用提供了回流时的零绝对弯曲、零热弯曲和零西格玛弯曲。回流时的零弯曲通过去除C4非润湿的一个主要影响因素而为管芯附着提供了显著益处。于是，接合和组装（B&A）过程的成品率可以接近100%。这样的益处意味着可以放松对其他处理参数的容差，例如C4高度共平面性、倒装芯片附着（FCA）共平面性、焊料体积均匀性等。此外，使用本公开的实施例的方法而不管弯曲，所有EG（电性良好的）叠层可以被使用。于是基板提供商可以提高封装基板所使用的叠层的产量并降低成本。

参考图4，示意性地示出了在各种接合方法下的焊料球上的应力。第一曲线810表示在如上所述的第一和第二实施例中在封装基板被用作第一基板100且半导体芯片被用作第二基板200时焊料球上的应力。第二曲线820表示当封装基板在冷却温度的整个阶段（即直到接合组件被冷却到室温为止）保持平坦且同时允许封装基板的横向滑动以避免封装基板的破坏时焊料球上的应力。第三曲线830表示在使用自由封装基板时即当封装基板被接合而没有使封装基板的背侧面变平时焊料球上的应力。自由基板经受由于第一基板和第二基板之间的焊料球阵列的高度不均匀性引起的成品率损失。第四曲线840表示当封装基板在冷却温度的整个阶段保持平坦同时避免封装基板的横向滑动时焊料球上的应力。通过限制封装基板的滑动，封装基板的横向尺寸上的热收缩被抑制，由此封装基板的顶表面的热收缩被最小化。因此，第四曲线840中焊料球上的应力可以比第三曲线830中焊料球上的应力更小，这表示允许封装基板在冷却阶段中收缩。但是，在第四曲线的情形下抑制热收缩导致被横向约束为不移动的基板中应力的显著增加。于是，当封装基板在接合组件冷却到室温之前在巨大应力下破裂时，第四曲线840结束。第四曲线840的方法典型地导致对作为例如玻璃压板（glass platen）或玻璃片的封装基板或约束机构的结构破坏。

第一曲线810表示本公开的实施例。封装基板被夹钳，即被约束，从而在加热阶段、回流阶段和冷却的初始阶段直到达到释放温度，封装基板的背侧表面相对于平面表面被保持平坦同时被允许横向滑动。于是，第一曲线810与第二曲线820重合直到达到释放温度。一旦释放夹钳，封装基板变得不受约束。于是，表明了第一基板（封装基板）和第二基板之间的热扩展系数的不匹配的完全效果。在释放温度下释放夹钳时，接合基板变得自由弯曲，该释放温度是在焊料球已充分固化从而能够基本保持相同形状之后达到的。于是，在释放夹钳之后，根据第一曲线810的焊料球上的应力变得基本上和根据第三曲线830的焊料球上的应力一样，由此相对于第二曲线820降低焊料球上的应力，并避免焊料球或附着到焊料球的金属互连结构的破裂。

参考图5，示意性地示出了根据本公开的实施例的示例性基板载体。示例性基板载体被配置为支持基板即如图1和2所示的对准预接合组件的叠层来进行接合。

示例性基板载体可以在回流炉中使用。回流炉可以作为高产量流水线装置来运行，从而基板载体从一端进入回流炉并从另一端出去。在该配置中，通过夹具例如图1和2中示出的真空歧管622来为基板载体提供真空的能力可以被限制。

在该实施例中，可以通过基板载体来提供对一个或多个第一基板100（见图1和图2）的真空抽吸。特别地，基板载体被设计为包含真空外壳即真空腔体。真空外壳被配置为使用一个或多个第一基板的背侧和前侧表面作为密封表面。例如，如图1和2所示的第一基板100的背侧表面可以被用作密封表面。

当基板载体经过回流炉时，真空外壳提供了真空储藏室。该腔体的尺寸可以被选择，从而在基板载体位于炉中的时段期间，真空不会（由于泄漏）耗尽。尽管图5中示出了示例性基板载体用于安装六个封装基板，基板载体可以具有多种设计变化来适应可变数量的封装基板和/或封装基板形状的设计变化。真空储藏室与基板载体是一体的。

在图5所述的示例性基板载体中，六个封装基板（未示出）被设置在载体框架中的真空通道保持。框架被示为成肋状，以向加热介质提供封装基板底部的必要暴露。可选地，框架可以用固体材料来制造。真空腔体与基板夹钳区域成一体并与之相邻。真空端口被提供，以能够提供真空外壳中的真空，该真空外壳是通过安装六个封装基板来密封的。尽管真空被提供，（与图1和2中的第一基板100相对应的）封装基板位于夹钳区域之上，且半导体芯片被放置在封装基板的倒装芯片区域（FCA）上。在该时刻真空外壳被密封，且提供真空的机构被移除，然后是基板载体通过回流炉，该基板载体包含对准的预接合组件的六个叠层。

通常，基板载体可以被配置为通过与至少一个基板（例如封装基板）组合而在其中形成包封真空外壳。可在几何上进行基板载体和至少一个基板的组合，其中，至少一个基板的每个背侧或前侧表面与基板载体中的空腔的表面组合，以形成并密封该包封真空外壳。

还可以提供真空释放机构，该机构被配置为打破密封的包封真空外壳。例如，真空释放装置可以是被针阀阻隔的腔体中的孔口。针阀被附着到真空释放机构。例如，位于回流炉中的固定条可以在基板载体从它下面经过时将该机构敲打回去，由此释放真空抽吸。

基板载体可以是便携式基板载体，其可以用真空抽吸来保持封装基板，直到封装基板冷却到释放温度或直到基板载体经过预定的位置，在该位置处封装基板的温度是低于回流温度的预定温度。于是，在冷却步骤期间即在释放温度处或附近，接合组件上的真空抽吸可以被及时释放。基板载体包括真空储藏室，并且与传统的高产量流水线回流炉相容。

参考图6A-6C，示意性地示出了各种装置，用于提供基板载体660和接合基板的第一基板100之间的真空密封。图6A示出了在第一基板100的背侧面和基板载体660的平面表面之间提供真空密封的实施例。真空密封可以位于FCA（倒装芯片区域）和第一基板100的周边之间的区域中的任意地方。真空密封可以使用真空密封元件680来实现，该元件可以是例如与真空应用相容的O形环。第一基板100的FCA被夹钳与基板载体660的平面表面共平面。真空歧管620与真空泵610连接的末端可以被提供自密封塞，其可以是例如和车辆轮胎上或商用足球或篮球上的自密封塞相同的类型。

图6B示出了另一实施例，其中在第一基板100的周边处提供了真空密封，从而真空密封出现在第一基板100的垂直边缘上。这里真空密封在第一基板100上施加的力沿着第一基板100的水平面取向。

图6C示出了又一实施例，其中，在第一基板100之上以及在基板载体660的平面顶表面上提供真空密封。密封在两个位置进行—在真空密封元件680和第一基板的前侧之间，以及在真空密封元件680和基板载体的平面表面的顶部之间。真空密封施加向下的力，由此将第一基板100推向基板载体660的平面顶表面。

在本公开的第一实施例中，机械夹钳装置可以代替真空抽吸被用于使基板相对于平面表面保持平坦。可以以和真空夹钳类似的方式将一个或多个机械夹钳装置例如一个或多个夹钳用于控制绝对、热和西格玛弯曲。

参考图7，示出了接合结构（100,200,300）的组件、压板（或卡盘）770以及至少一个机械夹钳装置780。在一个实施例中，至少一个机械夹钳装置780可以被配置为在一个状态下朝着压板770的平面表面来按压第一基板100的背侧表面，且在另一状态下不会朝着压板770的平面表面来按压第一基板100的背侧表面。

在一个实施例中，压板770和至少一个机械夹钳装置780的组合可以替换第一实施例的真空卡盘530或者第二实施例的底部导热板440。至少一个机械夹钳装置780在图7A中被显示在夹钳位置，且在图7B中被显示在未夹钳（释放）位置。

控制装置被提供，以使至少一个机械夹钳装置780能在释放温度下从封装基板释放。封装基板的释放时序被选择为避免封装基板或焊料球阵列上的应力和/或应变的过度积累。在一个实施例中，至少一个机械夹钳装置780可以限制第一基板100相对于压板770的横向扩张或收缩。

与第一和第二实施例相同的方法可被用于通过使用机械夹钳代替真空夹钳来形成第一基板100、第二基板200和焊料球阵列300的接合组件。特别地，相同的加热装置可以与第一和第二实施例一样来加热第一基板100、焊料球阵列300和第二基板的组件。压板770可被用作支撑第一基板100的支撑装置。至少一个机械夹钳装置780可被用作夹钳装置来将第一基板的背侧表面夹钳到压板770的顶部平面表面，并在第一基板100被夹钳时使第一基板100的背侧表面保持与压板770的平面顶表面共平面。此外，与第一和第二实施例中相同的控制装置80可被用于在高于室温的释放温度下释放第一基板100的背侧的夹钳。支撑装置和夹钳装置被配置为在夹钳释放时允许组件的自由弯曲。

参考图8，示出了根据本公开的实施例的在回流步骤之后的冷却步骤期间的接合基板的组件（100,200,300）、粘合层880、透明卡盘870和辐射装置850，该辐射装置被配置为移除或去活化粘合层880。接合基板的组件（100,200,300）、粘合层880、透明卡盘870的组合可以和第一实施例中的炉组合或者和第二实施例中的芯片接合器组合来使用。在加热步骤、回流步骤和冷却步骤的初始阶段直到达到释放温度期间，第一和第二实施例的真空夹钳或图7的实施例的机械夹钳被替换为用粘合层880来夹钳第一基板100。

由此，粘合层880提供了夹钳，该粘合层与第一基板100的背侧表面以及透明卡盘870的平面顶表面接触。在释放温度下，粘合层880的粘合强度在释放温度下被电磁辐射860的辐射例如辐射束源所发射的激光束降低。电磁辐射860可以烧蚀基本上全部或大部分粘合层880，以便第一基板100从粘合层880机械地解除约束，即松开夹钳。

在一个实施例中，接合基板（100,200,300）的组件、粘合层880、透明卡盘870可以被配置为相对于辐射束源850在一方向上移动。组件的移动和/或电磁辐射源850发射电磁辐射860的时序可以被控制装置80控制，该控制装置可以是计算机或微处理器，其被配置为监视炉或芯片接合器的温度。辐射束源850可以被配置为通过透明卡盘870朝着第一基板100的背侧表面辐射电磁辐射860。

在高于释放温度的加热步骤、回流步骤和冷却步骤的初始阶段期间，第一基板100的背侧表面被夹钳到平面表面，该平面表面是透明卡盘870的顶表面，其中，在第一基板100被夹钳时，背侧表面保持与透明卡盘870的平面表面共平面。在回流步骤期间，第一基板100通过焊料球阵列300接合到第二基板200，且第一基板100、第二基板200和焊料球阵列300形成接合组件（100,200,300）。接合组件（100,200,300）在回流温度以下被冷却到高于室温的释放温度，同时第一基板100的背侧表面保持被粘合层880夹钳到透明基板870。在粘合层880的辐射期间经过透明基板870的电磁辐射860在释放温度下释放第一基板100的背侧的夹钳。

在所有实施例中释放温度可以相同。相应地，在所有实施例中，释放温度和25摄氏度之间的差值与焊料球阵列的熔化温度与25摄氏度之间的差值的比率可以相同即从0.50到0.90。

粘合层880和透明卡盘870可被用作用于接合基板的设备的一部分。该设备可以包括加热装置，用于加热本公开的各个实施例中的第一基板100、焊料球阵列300和第二基板的组件。透明卡盘870用作支撑装置来支撑第一基板100，以便在通过粘合层880附着到透明卡盘870时，该第一基板100的背侧保持平坦。电磁辐射源850用作释放装置，用于将第一基板100的背侧表面自透明卡盘870的平面顶表面从夹钳状态释放，在该夹钳状态下，当第一基板被夹钳时，背侧表面被保持与平面顶表面共平面。此外，该设备可以包括控制装置80，用于在高于室温的释放温度下激活释放工具。

尽管根据特定的实施例描述了本公开，考虑到上述描述很明显，各种替代、修改和变化对于本领域技术人员将是明显的。本公开的各个实施例中的每个可以被单独实现，或者与本公开的任意其他实施例组合，除非另外显式地公开，或者对于本领域普通技术人员来说已知是不可能的。因此，本公开旨在包含落在本公开和所附权利要求书的范围和精神内的所有这样的替代、修改和变化。

Claims (25)

1.一种接合基板的方法，所述方法包括：

将第一基板的背侧表面夹钳到平面表面，其中当所述第一基板被夹钳时所述背侧表面保持与所述平面表面共平面；

通过在回流温度下回流所接触的焊料球阵列而经由所述焊料球阵列将所述第一基板接合到第二基板，其中所述第一基板、所述第二基板和所述焊料球阵列形成接合组件；

在所述回流温度以下将所述接合组件冷却到高于室温的释放温度，同时所述第一基板的所述背侧表面保持被夹钳；以及

在所述释放温度下释放所述第一基板的所述背侧表面的所述夹钳。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述接合组件在所述夹钳的所述释放时自由弯曲。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述夹钳由提供给所述第一基板的所述背侧表面的真空抽吸提供。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述真空抽吸由从真空泵延伸到所述第一基板的所述背侧表面的真空歧管提供。

5.如权利要求3所述的方法，所述真空抽吸由基板载体提供，所述基板载体包括被配置为将所述第一基板的表面用作密封表面的真空外壳。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一基板的所述背侧的所述夹钳通过在所述释放温度下对所述真空外壳通气来释放。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述夹钳由至少一个机械夹钳装置提供。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述至少一个机械夹钳装置被配置为在一种状态下朝着所述平面表面来按压所述第一基板的所述背侧表面，且在另一状态下不会朝着所述平面表面来按压所述第一基板的所述背侧表面。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述夹钳由接触所述第一基板的所述背侧表面和所述平面表面的粘合层提供。

10.如权利要求9所述的方法，其中，通过电磁辐射的辐射，降低在所述释放温度下的所述粘合层的粘合强度。

11.如权利要求10所述的方法，其中在所述释放温度下通过激光束烧蚀所述粘合层。

12.如权利要求9所述的方法，其中所述平面表面是透明基板的顶表面，且所述电磁辐射在辐射所述粘合层期间穿过所述透明基板。

13.如权利要求1所述的方法，其中，通过使用被配置为保持所述第一基板和所述第二基板的芯片接合器，将所述第一基板接合到所述第二基板。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述第一基板到所述第二基板的接合在被配置为限制热的外壳中执行。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述释放温度和25摄氏度之间的差值与所述焊料球阵列的熔化温度和25摄氏度之间的差值的比率是从0.50到0.90。

16.一种用于接合基板的设备，所述设备包括：

加热装置，用于加热第一基板、焊料球阵列和第二基板的组件；

支撑装置，用于支撑所述第一基板，所述支撑装置包括平面表面；

夹钳装置，用于将所述第一基板的背侧面夹钳到所述平面表面，且被配置为在夹钳所述第一基板时保持所述背侧表面与所述平面表面重合；以及

控制装置，用于在高于室温的释放温度下释放所述第一基板的背侧的所述夹钳。

17.如权利要求16所述的设备，其中所述支撑装置和所述夹钳装置被配置为允许所述组件在释放所述夹钳时自由弯曲。

18.如权利要求16所述的设备，其中所述夹钳装置被配置为向所述第一基板的所述背侧表面提供真空抽吸。

19.如权利要求18所述的设备，其中所述夹钳装置包括真空泵、真空歧管和嵌入所述真空歧管的一部分并具有所述平面表面的真空卡盘。

20.如权利要求18所述的设备，其中所述夹钳装置包括基板载体，所述基板载体包括被配置为采用所述第一基板的表面作为密封表面的真空外壳。

21.如权利要求16所述的设备，其中所述夹钳装置包括至少一个机械夹钳装置，其被配置为朝所述平面表面来按压所述第一基板。

22.一种用于接合基板的设备，所述设备包括：

加热装置，用于加热第一基板、焊料球阵列和第二基板的组件；

支撑装置，用于支撑所述第一基板，所述支撑装置包括平面表面；

释放装置，用于将所述第一基板的背侧表面自所述平面表面从夹钳状态释放，在所述夹钳状态下，当所述第一基板被夹钳时，所述背侧表面被保持为与所述平面表面共平面；以及

控制装置，用于在高于室温的释放温度下激活所述释放装置。

23.如权利要求22所述的设备，其中所述释放装置被配置为朝着所述第一基板的所述背侧表面辐射电磁辐射。

24.一种基板载体，被配置为通过在几何上与至少一个基板组合而形成包封真空外壳，其中所述至少一个基板的表面与所述基板载体内的空腔的表面组合以形成并密封所述包封真空外壳。

25.如权利要求24所述的基板载体，还包括真空释放装置，被配置为打破密封的所述包封真空外壳。

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