CN116532743A - 一种基片热处理装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基片热处理装置，应用于对所述基片进行热处理，其特征在于，所述装置包括工艺腔、支架、支架底托和装料腔；所述支架用于批量装载所述基片；所述工艺腔用于对基片进行至少一种温度环境的热处理；所述装料腔位于所述工艺腔的一端；当所述装置工作时，所述支架位于所述工艺腔或所述装料腔；当所述支架运动到所述工艺腔时，所述支架底托与所述工艺腔贴合并密封。该装置用于在密封环境下对基片的批量热处理，减少了保护气的消耗量，有利于降低工艺成本。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆级封装领域，尤其涉及一种基片热处理装置和方法。
背景技术
随着先进封装技术的发展，越来越多的封装工艺发生在晶圆上，晶圆凸块(waferbumping)，晶圆级芯片封装(Wafer Level Chip Scale Packaging，WLCSP)，扇出(Fan-out)等工艺技术被广泛应用。在上述应用中，都会在晶圆上进行制作凸点的工艺，凸点形成后再进行回流，为后面的焊接做准备。或者在芯片到晶圆(chip to wafer)的工艺中，直接将芯片安装在晶圆上，然后进行高温回流，从而实现芯片与晶圆的电气连接。所以，对于晶圆的高温回流的需求越来越多。
目前的回流炉多采用传统在位隧道回流炉。如图1和图2所示，传统在位隧道回流炉通过传动带带动基片经过隧道炉的不同温区，实现基片凸点的回流和倒装晶片(flipchip)的焊接。基片一直处于运动状态，增大了碎片的几率；而且隧道式回流炉的入口和出口全部是敞开的，需要控制炉内氧气的浓度小于30ppm，为了维持炉内的低氧气浓度，需要大量的氮气去吹扫，在整个工艺中，氮气的消耗很大，增加了工艺成本。因此，亟需一种基片热处理装置和方法以改善上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基片热处理装置和方法，该方法用于在密封环境下对基片的批量热处理，减少了保护气的消耗量，有利于降低工艺成本。
第一方面，本发明提供一种基片热处理装置，应用于对所述基片进行热处理，所述装置包括工艺腔、支架、支架底托和装料腔；所述支架用于批量装载所述基片；所述工艺腔用于对基片进行至少一种温度环境的热处理；所述装料腔位于所述工艺腔的一端；当所述装置工作时，所述支架位于所述工艺腔或所述装料腔；当所述支架运动到所述工艺腔时，所述支架底托与所述工艺腔贴合并密封。
本发明的基片热处理装置的有益效果为：所述工艺腔用于对基片进行至少一种温度环境的热处理；有效减少了热处理装置的占地面积，同时，在热处理时，基片一直处于所述工艺腔中没有发生移动，减少了碎片的几率。当所述支架运动到所述工艺腔时，所述支架底托与所述工艺腔贴合并密封；实现了在密封环境下对基片的批量热处理，减少了保护气的消耗量，有利于降低工艺成本。
可选的，所述工艺腔分别连通有第一进气管和出气管；所述第一进气管用于向所述工艺腔通入保护气；所述出气管用于排出所述工艺腔中的气体。
可选的，所述工艺腔连通有第二进气管；所述第二进气管用于向所述工艺腔通入还原剂。
可选的，所述工艺腔的一侧设有氧气传感器，所述氧气传感器用于检测所述工艺腔的氧气浓度。
可选的，所述第一进气管的一侧设有气阀，所述气阀连接有控制器；所述控制器用于控制所述气阀，所述气阀用于控制通入所述工艺腔的保护气流量。
可选的，所述工艺腔的一侧设有加热器；所述加热器用于控制所述工艺腔的加热温度；所述工艺腔的一侧设有温度传感器；所述温度传感器用于检测所述基片的温度。
可选的，所述装置还包括机械手、料架和上料平台；所述料架用于容纳所述基片；所述上料平台用于支撑所述料架；所述机械手用于从所述料架中取出所述基片，并将所述基片装载到所述支架。
可选的，所述装置还包括真空泵；所述真空泵与所述出气管连接；所述真空泵用于抽取所述工艺腔的气体。
可选的，所述支架位于所述支架底托的一侧。
第二方面，本发明提供一种基片热处理方法，用于控制所述第一方面中任一项所述的装置，所述方法包括：当所述支架位于所述装料腔时，基片被装载到所述支架；当支架底托推动所述支架进入工艺腔时，工艺腔内设置温度为第一温度，所述支架底托密封所述工艺腔的一端；向工艺腔中吹扫保护气，当工艺腔中氧气浓度降到允许值时，加热器继续对工艺腔加热升温。当基片温度达到第二温度时，同时向工艺腔通入还原剂；在第二温度处理一段时间后，加热器继续对工艺腔升温；当基片温度达到第三温度后的时间段t，加热器保持恒温。
本发明的基片热处理方法的有益效果在于：通过向工艺腔通入还原剂和保护气有利于减少工艺腔中的氧气，实现减少基片上的凸点与氧气的接触；通过所述支架底托密封所述工艺腔的一端，形成了密闭腔体，避免大气中的氧气进入工艺腔，有利于提升回流焊工艺的可靠性；同时也减少了保护气的消耗，有助于节约成本。工艺过程中，基片一直处于工艺腔内不发生移动，减少了碎片的几率。
可选的，所述还原剂包括甲酸或者N2/H2混合气体。
可选的，当基片温度达到第三温度后的时间段t，工艺腔保持当前压力或者真空泵开启，将工艺腔抽真空至第一气压。
可选的，所述方法还包括：向工艺腔吹扫保护气，当工艺腔的基片温度降到第一温度时，支架从工艺腔运动到装料腔；待装料腔的基片冷却到第四温度后，基片返回料架；当所述支架返回所述装料腔时，位于所述支架的基片被卸载。
附图说明
图1为现有技术的一种单晶圆腔体回流炉的结构示意图；
图2为现有技术的一种传统在位隧道回流炉的结构示意图；
图3为本发明提供的一种基片热处理装置的结构示意图；
图4中的(a)为本发明实施例提供的支架位于装料腔时的结构示意图；
图4中的(b)为本发明实施例提供的支架位于工艺腔时的结构示意图；
图5为本发明提供的料盒的安装结构示意图；
图6为本发明提供的一种基片热处理方法的流程示意图；
图7中的(a)为本发明提供的工艺腔的第一种温度与时间曲线示意图；
图7中的(b)为本发明提供的工艺腔的第二种温度与时间曲线示意图。
图中标号：
101、进料区；102、第一加热区；103、第二加热区；104、第三加热区；105、冷却区；106、出料区；
301、工艺腔；302、装料腔；303、支架；304、支架底托；305、加热器；306、第一进气管；307、出气管；308、第二进气管；309、料架；310、上料平台；311、氧气传感器；312、壳体；313、机械手；
501、基片；502、料盒。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
图3为本发明提供的一种基片热处理装置的结构示意图；图4中的(a)为本发明实施例提供的支架位于装料腔时的结构示意图；图4中的(b)为本发明实施例提供的支架位于工艺腔时的结构示意图。
针对现有技术存在的问题，如图3和图4中的(a)和(b)所示，本发明提供一种基片热处理装置，应用于对所述基片501进行热处理，所述装置包括工艺腔301、支架303、支架底托304和装料腔302；所述支架303用于批量装载所述基片501；所述工艺腔301用于对基片501进行至少一种温度环境的热处理；所述装料腔302位于所述工艺腔301的一端；当所述装置工作时，所述支架303位于所述工艺腔301或所述装料腔302；当所述支架303运动到所述工艺腔301时，所述支架底托304与所述工艺腔301贴合并密封。
值得说明的是，由于支架底托304与所述工艺腔301贴合并密封，不再需要大量的氮气吹扫基片501来维持低氧环境。有利于节约资源。所述基片501可以是晶圆或做完芯片倒装的基板。所述基片501上具有凸点。所述凸点可以由焊锡、铜或铜合金制成。
在一些具体实施例中，所述工艺腔301位于所述装料腔302顶侧。所述支架303与工艺腔301内侧滑动连接。所述工艺腔301和所述装料腔302构成的空间，减少了占地面积，便于工艺设备布局，也有利于节约成本。
值得说明的是，所述工艺腔301可以是石英管或其他工艺设备容器。所述支架303可以是晶舟或其他用于承载基片501的结构。所述装置工作时，所述支架303承载若干基片501。实现了在炉内存放批量基片501，达到增加产能的目的。
在另一些实施例中，所述工艺腔301可以位于所述装料腔302的任意一侧。所述支架303与工艺腔301内侧可以是可拆卸连接、转动连接、螺旋连接或其他任意方式连接。
在一些实施例中，所述工艺腔301分别连通有第一进气管306和出气管307；所述第一进气管306用于向所述工艺腔301通入保护气；所述出气管307用于排出所述工艺腔301中的气体。
在另一些实施例中，所述第一进气管306的数量为至少一个。所述出气管307的数量为一个。所述出气管307的另一端连接有尾气处理单元。
在一些实施例中，所述工艺腔301连通有第二进气管308；所述第二进气管308用于向所述工艺腔301通入还原剂。
在另一些实施例中，所述还原剂为甲酸或其他还原剂。所述还原剂也可以通过第一进气管306进入所述工艺腔301。
在一些实施例中，所述工艺腔301的一侧设有氧气传感器311，所述氧气传感器311用于检测所述工艺腔301的氧气浓度。通过所述氧气传感器311检测所述工艺腔301的氧气浓度，避免升温过程中氧气浓度过高导致基片501失效。
在一些具体实施例中，所述氧气传感器311可以是电化学氧气传感器、荧光氧传感器或其他类型的氧气传感器。
在一些实施例中，所述第一进气管306的一侧设有气阀，所述气阀连接有控制器；所述控制器用于控制所述气阀，所述气阀用于控制通入所述工艺腔301的保护气流量。
在一些具体实施例中，所述保护气为氮气。
在另一些实施例中，所述保护气为惰性气体或其他非反应性气体。
在一些实施例中，所述工艺腔301的一侧设有加热器305；所述加热器305用于控制所述工艺腔301的加热温度；所述工艺腔301的一侧设有温度传感器；所述温度传感器用于检测所述基片501的温度。
在一些具体实施例中，所述温度传感器的数量为若干，所述温度传感器为热电偶温度传感器。
在另一些实施例中，所述加热器305可以是电阻丝或者红外灯管。所述温度传感器的数量为不少于一个，所述温度传感器还可以是红外线温度传感器或其他温度传感器。
在一些实施例中，所述装置还包括机械手313、料架309和上料平台310；所述料架309用于容纳所述基片501；所述上料平台310用于支撑所述料架309；所述机械手313用于从所述料架309中取出所述基片501，并将所述基片501装载到所述支架303。所述工艺腔301和所述装料腔302的外侧设有壳体312，所述壳体312用于将热处理设备与外界隔离，防止工作人员烫伤。
值得说明的是，也可以直接通过手动的方式从所述料架309中取出所述基片501，并将所述基片501装载到所述支架303。
图5为本发明提供的料盒的安装结构示意图。
如图5所示，在一些具体实施例中，所述机械手313位于所述上料平台310和装料腔302之间。所述料架309位于所述上料平台310上。所述料架309的内侧设有料盒502。所述料盒502用于盛装所述基片501。
在另一些实施例中，所述机械手313可以位于所述上料平台310或装料腔302的任意位置。所述料架309位于所述上料平台310的任意位置。所述料盒502可以是前开式晶圆盒或晶元运输盒。
在一些实施例中，所述装置还包括真空泵；所述真空泵与所述出气管307连接；所述真空泵用于抽取所述工艺腔301的气体。
在一些实施例中，所述支架303位于所述支架底托304的一侧。
在一些具体实施例中，所述支架303与所述支架底托304固定连接。
在另一些实施例中，所述支架303与所述支架底托304可以是可拆卸连接或其他任意方式连接。
图6为本发明提供的一种基片热处理方法的流程示意图；图7中的(a)为本发明提供的工艺腔的第一种温度与时间曲线示意图；图7中的(b)为本发明提供的工艺腔的第二种温度与时间曲线示意图。
如图6所示，本发明提供一种基片热处理方法，用于控制所述第一方面中任一项所述的装置，所述方法包括：
S601.当所述支架303位于所述装料腔302时，基片501被装载到所述支架303；
S602.当支架底托304推动所述支架303进入工艺腔301时，工艺腔301内设置温度为第一温度，所述支架底托304密封所述工艺腔301的一端；
S603.向工艺腔301中吹扫保护气，当工艺腔301中氧气浓度降到允许值时，加热器305对工艺腔301加热升温；
S604.当基片501温度达到第二温度时，同时向工艺腔301通入还原剂；在第二温度处理一段时间后，加热器305继续对工艺腔301升温；
S605.当基片501温度达到第三温度后的时间段t，加热器305保持恒温。
值得说明的是，通过向工艺腔301通入还原剂有利于减少工艺腔301中的氧气，实现减少基片501上的凸点与氧气的接触；通过所述支架底托304密封所述工艺腔301的一端，形成了密闭腔体，避免大气中的氧气进入工艺腔301，有利于提升回流焊工艺的可靠性；同时也减少了保护气的消耗，有助于节约成本。工艺过程中，基片501一直处于工艺腔301内不发生移动，减少了碎片的几率。
在一些实施例中，所述支架303进入工艺腔301前，所述工艺腔301维持第一温度。这种设置有利于减少预热时间，便于提升工艺效率。通过氮气吹扫使将工艺腔301内的氧气浓度降到50ppm以下。
在一些具体实施例中，如图7中的(a)所示，先用氮气吹扫或者抽真空后吹扫氮气循环的方式将工艺腔301内的氧气浓度降到20ppm以下。然后升温到200℃，同时通入甲酸和氮气，对基片501上的金属凸点进行保护。将温度升高到230-250℃间，维持时间t1为120-180s。
在另一些具体实施例中，如图7中的(b)所示，为了达到较好的出泡效果，在工艺腔301内温度升高到230-250℃间时，可以将工艺腔301内的气压抽真空到1Pa，维持时间t2为30-60s，然后工艺腔301内的气压返回大气压。
应理解，所述工艺腔301内的温度设置可以根据凸点材料的性质做出调整。
在一些实施例中，所述还原剂为甲酸或者N2/H2混合气体。用于保护基片501上的凸点，防止其被氧化。
在一些实施例中，当基片501温度达到第三温度后的时间段t，工艺腔保持当前压力。
在另一些实施例中，当基片501温度达到第三温度后的时间段t，真空泵开启，将工艺腔301抽真空至第一气压。这种设置有利于抽出工艺腔301中的氧气，避免氧气氧化基片501导致失效。
在一些实施例中，所述方法还包括：向工艺腔301吹扫保护气，当工艺腔301的基片501温度降到第一温度时，支架303从工艺腔301运动到装料腔302；待装料腔302的基片501冷却到第四温度后，基片501返回料架309；当所述支架303返回所述装料腔302时，位于所述支架303的基片501被卸载。
在一些实施例中，待装料腔302的基片501冷却到第四温度前，通过向所述装料腔302内吹扫保护气。这种设置有利于加速冷却，提升工艺效率。
在一些具体实施例中，所述工艺腔301直接降温到120℃，当基片501温度到120℃后，支架303从工艺腔301下降到装料腔302。待基片501冷却到65℃后，机械手313将基片501从支架303放入料盒502，整个工艺结束。通过基片热处理装置的升降温，完成对基片501预热，低温、高温及降温所有的回流工艺。工艺过程基片501不发生移动，减少了碎片的几率。
在另一些实施例中，可以向所述工艺腔301和所述装料腔302通入不同流量的气体，并设置不同的温度曲线以满足工艺需求。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (13)
1.一种基片热处理装置，应用于对所述基片进行热处理，其特征在于，所述装置包括工艺腔、支架、支架底托和装料腔；
所述支架用于批量装载所述基片；
所述工艺腔用于对基片进行至少一种温度环境的热处理；
所述装料腔位于所述工艺腔的一端；当所述装置工作时，所述支架位于所述工艺腔或所述装料腔；
当所述支架运动到所述工艺腔时，所述支架底托与所述工艺腔贴合并密封。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工艺腔分别连通有第一进气管和出气管；
所述第一进气管用于向所述工艺腔通入保护气；
所述出气管用于排出所述工艺腔中的气体。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述工艺腔连通有第二进气管；
所述第二进气管用于向所述工艺腔通入还原剂。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述工艺腔的一侧设有氧气传感器，所述氧气传感器用于检测所述工艺腔的氧气浓度。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一进气管的一侧设有气阀，所述气阀连接有控制器；所述控制器用于控制所述气阀，所述气阀用于控制通入所述工艺腔的保护气流量。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工艺腔的一侧设有加热器；所述加热器用于控制所述工艺腔的加热温度；所述工艺腔的一侧设有温度传感器；所述温度传感器用于检测所述基片的温度。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括机械手、料架和上料平台；
所述料架用于容纳所述基片；所述上料平台用于支撑所述料架；所述机械手用于从所述料架中取出所述基片，并将所述基片装载到所述支架。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括真空泵；所述真空泵与所述出气管连接；所述真空泵用于抽取所述工艺腔的气体。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支架位于所述支架底托的一侧。
10.一种基片热处理方法，用于控制所述权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述方法包括：
当所述支架位于所述装料腔时，基片被装载到所述支架；
当支架底托推动所述支架进入工艺腔时，工艺腔内设置温度为第一温度，所述支架底托密封所述工艺腔的一端；
向工艺腔中吹扫保护气，当工艺腔中氧气浓度降到允许值时，加热器对工艺腔加热升温；
当基片温度达到第二温度时，同时向工艺腔通入还原剂；在第二温度处理一段时间后，加热器继续对工艺腔升温；
当基片温度达到第三温度后的时间段t，加热器保持恒温。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述还原剂为甲酸或者N2/H2混合气体。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，当基片温度达到第三温度后的时间段t，工艺腔保持当前压力或者真空泵开启，将工艺腔抽真空至第一气压。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
向工艺腔吹扫保护气，当工艺腔的基片温度降到第一温度时，支架从工艺腔运动到装料腔；
待装料腔的基片冷却到第四温度后，基片返回料架；
当所述支架返回所述装料腔时，位于所述支架的基片被卸载。
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|---|---|---|---|
| CN202210086431.9A CN116532743A (zh) | 2022-01-25 | 2022-01-25 | 一种基片热处理装置和方法 |
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2022
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