CN104701198A - 确定和调节半导体元件结合相关平行度级别的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种结合机用于结合半导体元件，所述结合机包括：支撑结构，其被构造成支撑基板；结合头组件，其包括结合工具，所述结合工具被构造成将多个半导体元件结合到基板；和校准工具，其包括构造成被定位在结合工具和支撑结构之间的接触部分，所述接触部分被构造成在校准操作期间同时被结合工具和支撑结构中的每个接触。

Description

确定和调节半导体元件结合相关平行度级别的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年12月3日提交的美国临时专利申请No.61/911,011和2013年12月17日提交的美国临时专利申请No.61/916,930的权益，二者的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及半导体封装件的形成，并且更具体地涉及用于将半导体元件结合到一起的改进系统和方法。
背景技术
在半导体封装工业的某些方面中，半导体元件被结合到结合部位。例如，在传统晶片附接应用(也已知为晶片结合)中，半导体晶片被结合到结合部位(例如，引脚框、堆叠晶片应用中的另一晶片、垫片，等等)。在先进的封装应用中，半导体元件(例如，裸露半导体晶片、封装半导体晶片，等等)被结合到基板(例如，引线框，PCB，载架，半导体晶片，BGA基板，等等)的结合部位，导电结构(例如，导电凸块，接触垫，焊料凸块，导电柱，铜柱，等等)提供半导体元件和结合部位之间的电互连。
在许多应用中(例如，热压半导体元件结合，包括焊料凸块，等等)，特别希望结合工具和结合机的支撑结构的相应部分之间具有足够的平行度级别。例如，在(1)由结合工具结合的半导体元件与(2)由支撑结构支撑的基板之间有许多互连。这些互连可包括焊料或类似物，并且因而特别希望结合工具的接触部分和支撑结构的相应部分之间基本上平行。
因此，希望提供用于确定和调节结合机元件之间平行度的改进的系统和方法。
发明内容
根据本发明的示例性实施方式，提供了用于结合半导体元件的结合机。结合机包括：支撑结构，其被构造成支撑基板；结合头组件，其包括结合工具，所述结合工具被构造成将多个半导体元件结合到基板；和校准工具，其包括接触部分，所述接触部分被构造成定位在结合工具和支撑结构之间，其中，所述接触部分被构造成在校准操作中同时被结合工具和支撑结构中的每个接触。
根据本发明的另一示例性实施方式，提供了一种用于确定结合工具与结合机的支撑结构之间平行度级别的方法。所述方法包括下述步骤：(a)将校准工具的接触部分定位在结合工具和支撑结构之间；(b)降低结合工具以带动校准工具的接触部分到达支撑结构的结合部位中的接触位置，在此校准工具的接触部分同时与结合工具和接触位置接触；和(c)在结合工具和支撑结构中的每个与校准工具的接触部分接触的状态下，确定接触位置的z轴高度值。
根据本发明的另一示例性实施方式，提供了一种确定结合工具的接触部分与结合机的助焊剂站的接触区域之间平行度级别的方法。所述方法包括下述步骤：(a)将校准工具的接触部分定位在结合工具和助焊剂站的接触区域之间；(b)降低结合工具以带动校准工具的接触部分到达助焊剂站的接触区域中的接触位置，在此校准工具的接触部分同时与结合工具的接触部分和助焊剂站的接触区域中的接触位置接触；和(c)在结合工具的接触部分和助焊剂站的接触区域中的每个与校准工具的接触部分接触的状态下，确定助焊剂站的接触区域中的接触位置的z轴高度值。
附图说明
通过结合附图阅读以下详细说明被最佳地理解本发明。强调的是，根据惯例，视图的各种特征并非成比例。相反地，各种特征的尺寸为了清楚起见被任意地放大或缩小。附图中包括的是以下视图：
图1A是展示由结合工具携带的半导体元件在结合到基板之前的示意性侧视图；
图1B示出了结合到基板之后的图1A中的半导体元件；
图2是本发明示例性实施方式的结合机中的各个元件的示意性透视图；
图3是根据本发明另一示例性实施方式的另一种结合机中的各个元件的示意性透视图；
图4A是图3中的根据本发明示例性实施方式的基板结合部位的示意性放大透视图；
图4B-4D是展示根据本发明各种示例性实施方式的结合工具和校准工具针对校准过程的运动的示意性侧视图；
图5是展示确定本发明示例性实施方式的结合机中的结合工具和支撑结构之间平行度级别的方法的流程图；
图6是根据本发明又一示例性实施方式的又一种结合机中的各个元件的示意性透视图；以及
图7是确定本发明示例性实施方式的结合机中的结合工具的接触部分和助焊剂站的接触区域之间平行度级别的方法的流程图。
具体实施方式
这里使用的术语“半导体元件”旨在指代包括(或在后来步骤配置成包括)半导体芯片或晶片的任何结构。示例性半导体元件包括裸露半导体晶片、在基板(例如，引脚框、PCB、载体、半导体晶圆、BGA基板，等等)上的半导体晶片、封装半导体器件、倒装芯片型半导体器件、嵌入基板中的晶片、半导体晶片堆，等等。而且，半导体元件可以包括配置成将结合或包括到半导体封装件(例如，将结合到堆叠晶片构型中的垫片，基板，等等)中的元件。
这里使用的术语“基板”旨在指代可在其上结合(例如，热压结合，超声结合，热超声结合，裸晶结合，等等)半导体元件的任何结构。示例性基板包括，例如，引线框，PCB，载架，半导体晶片，BGA基板，半导体元件，等等。
根据本发明的一些示例性实施方式，热压倒装芯片型结合机包括结合头组件，其携带着结合工具。结合工具将半导体元件(例如，半导体裸晶，中介层，等等)安置并结合到基板，其中焊料凸块在被安置的半导体元件上熔化和重新固化以产生焊料结合部。控制最终焊料结合部的高度是预期的控制对象。在这个实施方式中，由于半导体元件上的全部焊料凸块在一个时间被结合，因此所导致的整个半导体元件上的焊料结合部高度差异直接取决于被结合的半导体元件和目标基板的平行度。关于结合机，希望控制结合工具(例如，结合工具的接触部分/接触面)和结合机的支撑结构(也可称作结合台)之间的平行度。整个基板上的平行度(或共面度)的预期窗口可以非常窄(例如，在整个基板上有2-3微米的变化)。因此，希望结合工具和支撑结构之间有非常精确的对正。
根据一些示例性实施方式，本发明涉及确定(例如，测量)结合工具和支撑结构之间平行度级别的方法，例如，用以验证成功校准，以使得能够在确保实现期望的结合高度控制的状态下进行结合。此外，确定平行度级别可被用于产生用于结合工具和/或支撑结构的期望的修正运动/调节(例如，结合工具中使用主动/被动俯仰控制机构)。
本领域技术人员可以理解，结合机具有不同的运动系统构造。在本申请中，很多描述涉及专门的构造(其中一些元件具有一些运动轴线)；然而，可以理解，本发明不限于这样的构造。如后面参照附图所作更详细描述，示例性构造包括：(1)支撑结构，其沿着x轴方向可移动；(2)结合头组件(携带结合工具)，其沿着y轴方向、z轴方向以及绕θ轴可移动；和辅助运动系统(例如，光学组件运动系统)，其沿着x轴方向、y轴方向和z轴方向可移动。辅助运动系统被构造成携带校准工具(例如，包括沿z轴方向具有顺应性的梁部，和具有2个球形接触面/部分的接触部分)，并且可将校准工具的接触部分安置在结合工具和支撑结构之间。结合工具沿着z轴下降直到与校准工具相接触，并且继续下降直至校准工具接触支撑结构。在校准工具和支撑结构之间发生接触后，z轴位置编码器(例如，位于结合头组件或结合机的其它部分上)的位置被记录。这种位置测量可在支撑结构的结合部位中的多个x、y位置处反复进行(例如，通过辅助运动系统的运动)。利用一组测量值可产生结合部位中的多个x、y坐标位置处的z轴数据的数据组，这可提供结合工具和支撑结构的结合部位之间的平行度/平面度误差的指示。对于支撑结构上的每个结合部位，可通过分别沿着x、y轴将支撑结构和/或结合头组件移动到各种结合部位而反复进行位置测量。此外，这种方法还可用于测量结合工具和可选的助焊剂站之间的平行度。此外，这种方法还可用于测量支撑结构的平坦度。
上面描述的技术还可以结合调节/校准过程使用。例如，为支撑结构的多个结合部位提供的z轴位置数据(其中对于每个结合部位的z轴位置数据可包括对于每个结合部位中的多个位置的z轴高度值)可被用于调节结合工具和支撑结构中的至少一个以改进它们之间的相对平行度。类似地，为助焊剂站的接触区域中的多个x轴和y轴向位置提供的z轴位置数据可被用于调节助焊剂站，以改进助焊剂站和结合工具之间的平行度。
本领域技术人员可以理解，为了清楚，结合机(例如这里展示和描述的机器100、200、300和300a)可包括图中未示出的许多元件。示例性元件包括，例如：输入元件，用于提供将与半导体元件结合的基板/工件的输入；输出元件，用于接收处理过的基板/工件，其现在包括附加的半导体元件；运输系统，用于移动基板；半导体元件供应结构(例如，半导体晶片)，其包括将被结合到一或多个基板的多个半导体元件；计算机系统，其包括用于操作机器的软件；以及其它种种元件。
现在参看附图，图1A示出了结合机100(例如，热压倒装芯片型结合机)的一部分，结合机包括结合台104(例如，滑梭台(shuttle)，加热的滑梭台，热块，砧座，等等)，和支撑结构108，其由结合台104支撑(其中支撑结构108和结合台104可集成为单一元件)。本领域技术人员可以理解，支撑结构108(例如，专门针对应用的部件，有时在行业中称作“p-part”)包括多个结合部位106。基板130由支撑结构108支撑，并且包括多个结合区(对应于支撑结构108的结合部位106)。下部导电结构144a、144b(例如，导电迹线，导电垫，等等)设置在基板130上。结合机100还包括结合工具110(例如，由结合头组件携带，未示出)携带半导体元件132。上部导电结构138a、138b(例如，导电柱，诸如铜柱等，被显示为包括焊料触点部分136或焊料凸块136)，设置在半导体元件132上。结合工具110下降以使得上部导电结构138a、138b接触下部导电结构144a、144b(例如，见图1B)。如显示于图1B，通过结合过程(例如，热压结合过程)，焊料触点部分136被熔化，然后重新固化为焊料界面138，提供上部导电结构138a、138b和下部导电结构144a、144b之间相应的永久性导电连接。尽管图1A-1B只示出了两对导电结构(对138a、144a和对138b、144b)，这当然仅仅是为了解释给出的简化例子。实际中，任何数量的成对导电结构可以提供(例如，数十个导电结构对，数百个导电结构对，等等)。
图2示出了结合机200中的元件，包括结合台204，其携带着支撑结构208(其中支撑结构208包括多个结合部位206)，所述结合台204(与支撑结构208一起)被构造成沿着x轴运动范围运行。结合机200还包括结合头组件202，其携带着结合工具210。结合头组件202(与结合工具210一起)被构造成沿着y轴运动范围、沿着z轴运动范围以及绕θ轴运行。运动系统212也被提供，并且被构造成沿着x轴运动范围和y轴运动范围(独立于结合台204的x轴运动范围，且独立于结合头组件202的y轴运动范围)运行。在图2中，运动系统212是结合机200的光学组件的运动系统，其携带着向上摄像机216和向下摄像机214。在示例性结合操作中，拾取工具(未示出)从晶片(或其它半导体元件源)移出半导体元件(例如，裸晶)。拾取工具，带着半导体元件，移动(例如，沿着x轴运动范围)到传输位置(未示出)。结合头组件202也转到传输位置，在此半导体元件从拾取工具被传输到结合工具210。支撑结构208沿着其x轴运动范围被定位于给定位置。结合头组件202沿着其y轴运动范围移动到由支撑结构208支撑的基板的结合部位(未示出)上方的位置。结合头组件202沿着其z轴运动范围下降，以使得结合工具210能够将半导体元件结合到基板的结合部位。这一过程可被重复以使得来自半导体元件源(未示出)的一定数量的半导体元件可被结合到基板上的相应结合部位。在这一结合过程中，成像系统(例如，包括摄像机214和216)被构造成用于确定半导体元件在基板上的相应结合部位上的正确安置和对正。例如，向上摄像机216可被用于对由结合工具210携带的半导体元件成像，向下摄像机214可被用于对基板的结合部位成像。
除非另加说明，否则对于在图2以外的图中显示的元件来说，如果具有与图2中显示且前面参照图2描述过的元件相似的附图标记(例如除了第一位数字以外都相同，例如结合工具210和结合工具310)，是基本上相同的元件。类似地，前面参照图2描述的示例性结合操作同样适用于后面附图和本发明实施方式。
图3示出了结合机300中的元件，结合机包括结合台304，其携带着支撑结构308(包括结合部位306)，其中结合台304(与支撑结构308一起)被构造成沿着x轴运动范围运行。结合机300还包括结合头组件302，其携带着结合工具310。结合头组件302(与结合工具310一起)被构造成沿着y轴运动范围运动、沿着z轴运动范围运动、以及绕θ轴运行。运动系统312也被提供，并且被构造成沿着x轴运动范围和y轴运动范围运行。运动系统312是结合机300的光学组件的运动系统，其携带着向上摄像机316和向下摄像机314。结合机300还包括校准工具318，其由携带运动系统312(并且耦联到运动系统312，通过工具连接托架320)。校准工具318包括臂部328，其支撑着接触部分322。臂部328可以是，例如，顺应性梁部，构造成沿z轴方向具有顺应性，且被构造成支撑校准工具318的接触部分322。接触部分322包括上部接触部分324和下部接触部分326。上部接触部分324和下部接触部分326是彼此相对的接触部分，分别限定出相应的球面，其中所述接触部分可由硬质材料(例如，硬质金属材料)制成。也就是说，每个接触部分324、326具有球形接触面-其中球形接触面可以是球形接触部分的一部分(如示于图3)，或者可以是构成整个球体的球形接触部分。如后面更详细解释，当校准工具318位于结合工具310和支撑结构308之间期望的位置时，结合工具310沿着z轴下降，直到接触上部接触部分324，然后继续下降，带动下部接触部分326接触到支撑结构308的一个结合部位306的接触区域。在向下带动下部接触部分326时，臂部328挠曲，因而希望臂部328沿z轴方向具有顺应性。在下部接触部分326和结合部位306的接触区域之间建立了接触后，z轴高度测量被执行，例如，使用z轴编码器。这样，z轴高度值被建立。
可对支撑结构308的多个结合部位306执行z轴高度值测量。此外，可对结合部位306中的多个位置进行z轴高度值测量。图3中的一部分的细节在图4A显示。具体而言，图4A示出了一个多个结合部位306中的多个位置(即，位置306a、306b、306c、306d、306e和306f-每个以十字标记代表)。因此，图4A示出了用于对结合部位306中的多个位置确定z轴高度值的示例性进程。也就是说，使用校准工具318的接触部分322，在位置306a，z轴高度值被获取。然后，校准工具318被移动，并且使用接触部分322，另一z轴高度值在位置306b被获取。这个过程被反复进行以在位置306c、306d、306e和306f获得z轴高度值。虽然图4A中示出了结合部位306中的6个位置，可以理解，用于在结合部位306获得z轴高度值的任何数量的位置(例如，10个位置，50个位置，等等)可被采用。
图4B-4D示出了使用结合工具310将接触部分322(校准工具318的)带到与支撑结构308的结合部位306接触的示例性过程。更具体地讲，图4B示出了校准工具318的接触部分322已被定位在结合工具310和支撑结构308之间(例如，借助运动系统312，沿着其x和/或y运动轴线移动)。图4C示出了结合工具310已被降低到其与接触部分322的上部接触部分324接触的位置。结合工具310继续下降，直到如示于图4D结合工具310带动接触部分322的下部接触部分326接触到支撑结构308的结合部位306(即，在接触位置，其中接触部分322保持与结合工具310接触。在这个位置，为接触位置确定z轴高度值(例如，使用z轴编码器)。
图5和7是根据本发明示例性实施方式的流程图。如本领域技术人员所理解，流程图中包含的一些步骤可被省略；一些附加步骤可被添加；并且各步骤的次序可以改变成与图示的不同。
图5示出了确定结合工具(例如，结合工具的接触部分构造成在元件被结合到基板期间接触半导体元件)和结合机的支撑结构(支撑所述基板)之间平行度级别的方法。在步骤500，将校准工具的接触部分定位在结合工具和支撑结构的结合部位之间。例如，在图3中，接触部分322已被定位(使用运动系统312，其沿着x和y轴运行，独立于结合头组件)在结合工具310和支撑结构308的一个结合部位306(例如，也见于图4B)之间。在步骤502，降低结合工具以带动校准工具的接触部分到达结合部位中的接触位置。例如，见图4C-4D，其中结合工具310已带动接触部分322接触到结合部位306。在步骤504，在结合工具和支撑结构中的每个与接触校准工具的接触部分接触的状态下，确定接触位置的z轴高度值。在步骤506，对于结合部位中的多个接触位置中的每个，每个步骤500、502和504被重复，藉此为多个接触位置中的每个确定z轴位置数据，包括z轴高度值。例如，参看图4A，对于结合部位306中的每个位置306a、306b、306c、306d、306e和306f，每个步骤500、502和504可被重复。在针对每个位置确定了z轴高度值后(在步骤506中“是”)，流程转到步骤508-如果不是这样(在步骤506中“否”)，流程被反复进行(步骤500、502和504)。
在步骤508，对于多个结合部位中的每个，每个步骤500、502、504和506被重复，藉此为多个结合部位中的每个确定z轴位置数据。例如，参看图3，对于多个结合部位306中的每个，每个步骤500、502、504和506可被重复。在为每个结合部位确定了z轴位置数据后(在步骤508中“是”)，流程转到步骤510-如果不是这样(在步骤508中“否”)，流程被反复进行(步骤500、502、504和506)。
对于每个结合部位的z轴位置数据然后可被分析。也就是说，z轴位置数据可被处理以便为每个结合部位确定平行度级别，并且通过分析z轴位置数据确定是否该平行度级别满足预定标准。在步骤510，执行判断以确定是否对于每个结合部位的z轴位置数据满足预定标准(例如，使用结合机的计算机系统)。如果预定标准被满足，流程可考虑结束。
当然，这种判断(步骤510中的)可借助各种不同的技术实现。在一个例子中，计算机系统可这样完成步骤510，即确定是否每个z轴高度值(包含在对于给定结合部位的z轴位置数据中)位于针对彼此的预定公差内。示例性许用公差范围为2微米。在第二个例子中，计算机系统可这样完成步骤510，即使用软件利用对于结合部位的z轴位置数据产生对于结合部位的最佳拟合平面。然后，执行判断以确定是否对于每个结合部位的最佳拟合平面落入许用标准范围内。示例性许用标准范围可由一或多个斜度值(例如，沿着最佳拟合部位的每单位长度的斜度，等等)定义。当然，其它作出步骤510中的判断的技术也可构想出来。
根据本发明的一些示例性实施方式，在z轴位置数据不满足预定标准(例如，如前面结合步骤510所描述)的情况下，闭环流程可被用于实现系统调节。这样的调节可以手工进行(即，需要操作人员介入)或自动进行(即，自动进行调节，不需要操作人员介入)。如果对于至少一个结合部位的z轴位置数据不满足预定标准，在步骤512，结合工具和支撑结构中的至少一个被调节。步骤512中的示例性调节可以改变结合工具的接触部分的定向。例如，结合工具的接触部分的定向可通过下述方式被改变，释放结合工具的调节机构(例如，主动或被动俯仰调节机构，例如空气轴承系统)，改变结合工具接触部分的定向(例如，通过改变结合工具接触部分的角部处的高度或角度，基于由结合机的计算机系统确定的误差)，然后重新锁定调节机构。步骤512中的另一示例性调节可改变支撑结构的安装(例如，改变支撑结构的一个角部)。当然，其它调节也可构想出来。在步骤512之后，流程可选地可被重复(返回步骤500)以便确定是否对于每个结合部位的z轴位置数据满足预定标准-换言之，用以确定是否调节达到了预期结果。流程可以重复(通过多次调节)直至预定标准被满足。
图6示出了结合机300a(基本上类似于图3中的结合机300，除了下面描述的)中的元件。结合机300a包括助焊剂站(flux station)640，其被构造成在将半导体元件结合到基板之前将助焊材料(从助焊剂腔(fluxingcavity)642的接触区域)提供到半导体元件的焊料触点。例如，参看图1A，位于半导体元件132上的焊料触点部分136(上部导电结构138a、138b的)通过被带到与助焊剂腔642中的助焊材料接触而可被熔融。在如此熔融后，上部导电结构138a、138b被带到接触并且热压结合到下部导电结构144a、144b(例如，见图1B)。关于这样的熔融操作(和后续的结合操作)，可能希望确定(以及可能调节)助焊剂腔642和结合工具310之间平行度级别。这可以借助校准工具318以基本上类似于图4B-4D中所示技术的方式实现。更具体地讲，结合工具的接触部分310下降到接触接触部分322，并将接触部分322带到与助焊剂腔642中的部位接触。在这个位置，z轴高度值被获取(例如，使用z轴编码器)。对于助焊剂腔642中的多个x和y轴向位置，这一过程可被重复。本领域技术人员可以理解，取决于被结合的半导体元件的尺寸，在熔融操作中可能只使用助焊剂腔642的一部分。助焊剂腔642的这一部分可称作“接触区域”。
图7示出了确定结合工具的接触部分和结合机助焊剂站的接触区域之间平行度级别的方法。在步骤700，校准工具的接触部分被定位在结合工具和助焊剂站的接触区域(例如，其中示例性接触区域位于示于图6的助焊剂腔642内)之间。例如，在图6中，接触部分322(在图6中未示出)已被定位(使用运动系统312，其沿着x轴和y轴运行，独立于结合头组件)在结合工具310和助焊剂腔642的接触区域之间。在步骤702，结合工具下降(以类似于图4B-4D中所示的方式，但针对的是助焊剂站)以带动校准工具的接触部分到达助焊剂站的接触区域中的接触位置。在这个接触位置，校准工具的上部接触部分324接触结合工具的接触部分，同时下部接触部分326接触助焊剂腔642的接触区域中的接触位置。在步骤704，为助焊剂站的助焊剂腔的接触区域中的接触位置确定z轴高度值。
在步骤706，对于助焊剂站的接触区域中的多个接触位置中的每个，每个步骤700、702和704被重复，藉此为助焊剂站的接触区域确定z轴位置数据(包括z轴高度值)。在z轴位置数据已被确定后(在步骤706中“是”)，流程转到步骤708-如果不是这样(在步骤706中“否”)，流程被重复(步骤700、702和704)。对于接触区域的z轴位置数据然后可被分析。也就是说，z轴位置数据可被处理以便确定接触区域的平行度级别，并且通过分析z轴位置数据确定是否平行度级别满足预定标准。在步骤708，执行判断以确定是否对于助焊剂站的接触区域的z轴位置数据满足预定标准(例如，使用结合机的计算机系统)。如果预定标准被满足，流程可考虑结束。
这种判断(步骤708中的)可利用各种不同的技术实现。在一个例子中，计算机系统可这样完成步骤708，即确定是否每个z轴高度值(包含于接触区域的z轴位置数据中)位于针对彼此的预定公差内。示例性许用公差范围为2微米。在第二个例子中，计算机系统可这样完成步骤708，即使用软件来产生用于助焊剂站的接触区域的最佳拟合平面。然后，执行判断以确定是否对于助焊剂站的最佳拟合平面落入许用标准范围内。示例性许用标准范围可由一或多个斜度值(例如，沿着最佳拟合部位的每单位长度的斜度，等等)定义。当然，其它作出步骤708中的判断的技术也可构想出来。
根据本发明的一些示例性实施方式，在z轴位置数据不满足预定标准(例如，如前面结合步骤708所描述)的情况下，闭环流程可被用于实现助焊剂站调节。这样的调节可以手工进行(即，需要操作人员介入)或自动进行(即，自动进行调节，不需要操作人员介入)。如果z轴位置数据(对于至少一个位置)不满足预定标准，在步骤710，助焊剂站的接触区域被调节。示例性调节在步骤710可改变接触区域的安装(例如，改变图6所示助焊剂腔642的一个角部)。当然，其它调节也可构想出来。在步骤710之后，流程可选地可被重复(返回步骤700)以便确定是否对于每个结合部位的z轴位置数据满足预定标准-换言之，以便确定是否调节达到了期望的结果。流程可以重复进行(通过多次调节)，直至预定标准被满足。
这里描述的各种流程(例如，结合图5和7描述的流程)可以以期望的间隔执行。例如，这样的流程可在机器设置时执行，每当针对应用的专门支撑结构(例如，p-part)被安装到机器上时被执行，以预定间隔(例如，以预定时间段，针对预定数量的结合/操作)执行，等等。
这里描述的示例性机器和流程(例如，结合图5和7描述的流程)可被用于测量并且然后存储平行度数据(例如，z轴高度值，z轴位置数据，等等)。例如，这样的平行度数据可被存储于结合机的存储器中，并且可被以后用作可调系统元件(例如，可调结合工具，例如可重新定位的俯仰调节结合工具接触面)的输入，即可自动进行也可手动进行。执行这样的调节时可进行、也可不进行重新检测平行度数据以确定是否调节达到了期望的结果。
这里描述的示例性机器和流程还可应用于结合台平面度(平坦度)确定和/或调节。也就是说，可能希望检测结合台在针对应用的专门支撑结构上的平面度(平坦度)级别(独立于结合部位)。例如，使用这里描述的校准工具，可在结合台的不同位置进行多次z轴高度测量，以便确定其整体平面度(平坦度)。
本领域技术人员可以理解，用手这里描述的各种方法中的z轴高度值可以针对任何数量的位置测量。也就是说，绝对z-高度不如从位置到位置和从结合部位到结合部位测量的相对z-高度重要。本领域技术人员可以理解，在半导体封装设备(例如焊线机)中使z轴编码器可以获得这样的z轴高度值。
本领域技术人员可以理解，关于本发明的一些示例性实施方式，精确且可重复地检测一些元件之间的接触是期望的。例如，当结合工具和支撑结构中的每个处于接触校准工具的接触部分(例如，见图4D)时可能期望获得z轴位置数据。检测这种接触可以借助本领域技术人员能够理解的任何数量的技术实现。这样的示例性技术包括监视至少一个结合头组件特性，例如结合头组件速度，结合头组件力，和结合头组件z轴位置，等等。这些特性可以瞬时监测，或者可以在一个时段内检测，以便识别可精确断定发生接触的标记。更具体地讲，在结合头组件z轴位置被监视以便断定接触的例子中，在结合头组件到达z轴位置(并且保留在该位置，尽管试图沿着z轴进一步移动的力被施加)后，可断定发生接触。在这样的例子中，在断定接触后，结合机可以以恒力模式操作以获取z轴位置数据。恒力模式中的恒定力可以利用结合头组件的z轴电机提供，该电机可选地可利用力传感器来调整，该力传感器提供实际检测到的力值的反馈。
虽然参考特定实施方式在此示出且描述了本发明，但是本发明并非受限于示出的细节。实际上，在权利要求的等同方案的方案和范围内且在不偏离本发明的情况下，可以详细地做出各种修改方案。

Claims (45)

1.一种结合机，用于结合半导体元件，所述结合机包括：
支撑结构，其被构造成支撑基板；
结合头组件，其包括结合工具，所述结合工具被构造成将多个半导体元件结合到基板；和
校准工具，其包括接触部分，所述接触部分被构造成定位在结合工具和支撑结构之间，其中，所述接触部分被构造成在校准操作中同时被结合工具和支撑结构中的每个接触。
2.如权利要求1所述的结合机，还包括独立于结合头组件的运动系统，运动系统携带校准工具。
3.如权利要求2所述的结合机，其中，运动系统被构造成将校准工具沿着结合机的x轴和y轴中的每个轴线移动。
4.如权利要求2所述的结合机，其中，运动系统被构造成携带结合机的光学组件。
5.如权利要求1所述的结合机，其中，校准工具的接触部分包括两个彼此相对的接触部分，每个接触部分限定相应球面。
6.如权利要求1所述的结合机，其中，校准工具包括梁部，所述梁部沿z轴方向具有顺应性，并且构造成支撑校准工具的接触部分。
7.如权利要求1所述的结合机，其中，结合头组件被构造成沿结合机的y轴、z轴和绕θ轴运动。
8.如权利要求1所述的结合机，其中，支撑结构沿结合机的x轴移动。
9.如权利要求1所述的结合机，其中，校准工具的接触部分被构造成接触支撑结构的多个结合部位，以便为所述多个结合部位中的每个确定z轴位置数据。
10.如权利要求9所述的结合机，其中，所述多个结合部位中的每个的z轴位置数据包括所述多个结合部位中的各结合部位中的多个位置的z轴高度值。
11.如权利要求10所述的结合机，还包括计算机系统，其被构造成接收z轴位置数据，并且确定所述多个结合部位中的每个的z轴位置数据是否满足预定标准。
12.如权利要求11所述的结合机，其中，计算机系统通过确定对于所述多个结合部位中的每个而言是否每个z轴高度值位于针对彼此的预定公差内来判断所述多个结合部位中的每个的z轴位置数据是否满足预定标准。
13.如权利要求11所述的结合机，其中，计算机系统利用软件使用所述多个结合部位中的每个的相应z轴高度值为所述多个结合部位中的每个产生最佳拟合平面。
14.如权利要求13所述的结合机，其中，计算机系统通过确定是否每个最佳拟合平面落入许用标准范围内而判断所述多个结合部位中的每个z轴位置数据是否满足预定标准。
15.如权利要求14所述的结合机，其中，所述许用标准范围通过一或多个斜度值确定。
16.如权利要求11所述的结合机，其中，如果计算机系统判断出所述多个结合部位中的至少一个的z轴位置数据不满足预定标准，则对结合工具和支撑结构中的至少一个执行调节。
17.如权利要求16所述的结合机，其中，所述调节包括改变结合工具的接触部分的定向。
18.如权利要求17所述的结合机，其中，结合工具的接触部分的定向通过下述方式被调节：释放结合工具的调节机构，改变结合工具接触部分的定向，然后重新锁定调节机构。
19.如权利要求1所述的结合机，其中，结合机为热压结合机。
20.如权利要求1所述的结合机，还包括助焊剂站，其被构造成在多个半导体元件中的每个被结合到基板之前向多个半导体元件中的每个的焊料触点提供助焊材料。
21.如权利要求20所述的结合机，其中，结合工具的接触部分被构造成接触助焊剂站的接触区域的多个x轴和y轴向位置，以便确定关于接触区域的z轴位置数据。
22.如权利要求21所述的结合机，其中，关于接触区域的z轴位置数据包括接触区域的多个x轴和y轴向位置处的z轴高度值。
23.如权利要求22所述的结合机，还包括计算机系统，其被构造成接收关于接触区域的z轴位置数据，并且确定关于接触区域的z轴位置数据是否满足预定标准。
24.如权利要求1所述的结合机，其中，校准工具的接触部分被结合工具移动，并通过结合工具的移动被带到与支撑结构接触。
25.一种用于确定结合工具与结合机的支撑结构之间平行度级别的方法，所述方法包括下述步骤：
(a)将校准工具的接触部分定位在结合工具和支撑结构之间；
(b)降低结合工具以带动校准工具的接触部分到达支撑结构的结合部位中的接触位置，在此校准工具的接触部分同时与结合工具和接触位置接触；和
(c)在结合工具和支撑结构中的每个与校准工具的接触部分接触的状态下，确定接触位置的z轴高度值。
26.如权利要求25所述的方法，其中，步骤(a)包括利用独立于结合头组件的运动系统将校准工具的接触部分定位在结合工具和支撑结构之间，运动系统携带着校准工具。
27.如权利要求26所述的方法，其中，运动系统被构造成将校准工具沿着结合机的x轴和y轴中的每个移动。
28.如权利要求25所述的方法，其中，校准工具的接触部分包括两个彼此相对的分别限定出相应球面的接触部分，在校准操作中这两个彼此相对的接触部分中的每个被结合工具和支撑结构中的一个接触。
29.如权利要求25所述的方法，其中，校准工具包括梁部，所述梁部沿着z轴具有顺应性，携带着校准工具的接触部分。
30.如权利要求25所述的方法，其中，对于结合部位中的多个接触位置中的每个，反复执行每个步骤(b)和(c)，藉此为多个接触位置中的每个确定z轴高度值。
31.如权利要求30所述的方法，其中，多个接触位置中的每个的z轴高度值集中包含在结合部位的z轴位置数据中，所述方法还包括下述步骤：利用计算机系统确定结合部位的z轴位置数据是否满足预定标准。
32.如权利要求31所述的方法，其中，计算机系统通过确定每个z轴高度值是否位于针对彼此的预定公差内来判断结合部位的z轴位置数据是否满足预定标准。
33.如权利要求31所述的方法，其中，计算机系统使用软件利用结合部位的z轴位置数据产生用于结合部位的最佳拟合平面。
34.如权利要求33所述的方法，其中，计算机系统通过确定最佳拟合平面是否落入许用标准范围内而判断结合部位的z轴位置数据是否满足预定标准。
35.如权利要求34所述的方法，其中，许用标准范围通过一或多个斜度值定义。
36.如权利要求31所述的方法，还包括下述步骤：如果计算机系统判断出z轴位置数据不满足预定标准，则调节结合工具和支撑结构中的至少一个。
37.如权利要求36所述的方法，其中，调节步骤包括改变结合工具的接触部分的定向。
38.如权利要求37所述的方法，其中，结合工具的接触部分的定向通过下述方式改变：释放结合工具的调节机构，改变结合工具接触部分定向，然后重新锁定调节机构。
39.如权利要求25所述的方法，其中，对于支撑结构的多个结合部位中的每个中的多个接触位置中的每个，反复执行每个步骤(b)和(c)，藉此确定多个结合部位中的每个中的多个接触位置中的每个的z轴高度值。
40.如权利要求39所述的方法，其中，多个接触位置中的每个的z轴高度值被集中包含于所述多个结合部位中的各结合部位的z轴位置数据中，所述方法还包括下述步骤：利用计算机系统确定每个结合部位的z轴位置数据是否满足预定标准。
41.如权利要求40所述的方法，还包括下述步骤：如果计算机系统判断出结合部位中的至少一个的z轴位置数据不满足预定标准，则调节结合工具和支撑结构中的至少一个。
42.如权利要求41所述的方法，其中，调节步骤包括改变结合工具的接触部分的定向。
43.一种确定结合工具的接触部分与结合机的助焊剂站的接触区域之间平行度级别的方法，所述方法包括下述步骤：
(a)将校准工具的接触部分定位在结合工具和助焊剂站的接触区域之间；
(b)降低结合工具以带动校准工具的接触部分到达助焊剂站的接触区域中的接触位置，在此校准工具的接触部分同时与结合工具的接触部分和助焊剂站的接触区域中的接触位置接触；和
(c)在结合工具的接触部分和助焊剂站的接触区域中的每个与校准工具的接触部分接触的状态下，确定助焊剂站的接触区域中的接触位置的z轴高度值。
44.如权利要求43所述的方法，其中，对于助焊剂站的接触区域中的多个接触位置中的每个，重复执行步骤(b)和(c)，藉此确定助焊剂站的接触区域中的多个接触位置中的每个的z轴高度值。
45.如权利要求44所述的方法，其中，助焊剂站的接触区域中的多个接触位置中的每个的z轴高度值被集中包含于助焊剂站的接触区域的z轴位置数据中，所述方法还包括下述步骤：利用计算机系统确定助焊剂站的接触区域的z轴位置数据是否满足预定标准。
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