CN1210113C - 清除半导体封装设备中模具表面污物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用激光清除半导体封装设备中模具表面的污物，例如油脂、蜡和残留的树脂。利用激光的污物清除工艺包括将激光束照射到带有污物的模具表面。激光作为脉冲发射，只持续很短的时间。需要多次脉冲以彻底清除污物。由于每束脉冲的覆盖面积通常远远小于模具表面的总面积，因此需要不断到处移动激光束直至整个模具都被激光照射。由于在激光分解污物时产生烟气，因此需要某种真空用以清除残留的烟气和其它碎屑。

Description

清除半导体封装设备中模具表面污物的方法

发明领域

本发明一般涉及半导体封装领域，具体涉及清除半导体封装设备中的模具表面污物的激光清洁方法和系统。

发明背景

封装半导体器件的工艺为本领域的技术人员所熟知。概括地说，该工艺通常包括在两个(对开的)半模之间设置芯片承载衬底，合上两个半模，并在高温和高压下注入一种树脂材料，使树脂材料熔化和凝固。这是一种大批量生产工艺，可以在相对较短的时间内对大量的器件进行处理。

这种封装工艺通常会在模具的表面上留下表面污物，在封装设备连续工作几小时后，这些污物会变得很厚。污物可能是油脂、蜡和残留的树脂。由于封装工艺在高温和高压下进行，所以污物牢牢地粘在表面上，因此清除这些污物成为了极为困难的工作。

因此，清除这些表面污物是一件棘手的工艺。目前，对模具的清洁是通过在空模具中注入一种称作malamine的物质来实现的，将该物质暴露在高温高压下以使其熔化，然后再使其固化。在这种工艺中，污物与malamine化合物反应，并粘在固化的malamine化合物表面上。一旦固化，malamine化合物便被扔掉。

尽管这是工业中广泛使用的既定的模具清洁方法，但其仍然存在一些缺点。其一，耗时长；整个过程可能超过两小时。在大批量生产极为重要的工业中，耗时将大大提高成本。而且，即使在进行该工艺后，清洁工作并不彻底，一些残留污物依然存在。这些残留物对封装工艺不利，因为它们可能会导致有缺陷的封装。另外，清洁材料malamine释放出对人体有害的有毒气体。因此需要小心处理malamine材料以减小危险。

由于这些原因，工业中非常需要一种有效的清洁工艺。理想的，这种工艺应当快速、彻底和相对安全。然而迄今为止，开发这种半导体封装工业清洁系统的努力还没有取得成功。

发明目的

因此，本发明的目的是提供一种用于清除半导体封装设备中模具表面污物的方法和系统，该清洁工艺快速、彻底和相对安全。

发明概述

本发明利用激光清除半导体封装设备中模具表面的污物，例如油脂、蜡和残留的树脂。通常，利用激光的清除污物工艺包括将激光束照射到模具有污物的表面。激光作为脉冲发射，只持续很短的时间，例如23纳秒(ns)。需要多次脉冲照射以彻底清除污物。由于每束脉冲的覆盖面积通常远远小于模具表面的总面积，因此需要不断到处移动激光束直至整个模具表面都被激光照射。由于在激光分解污物时产生烟气，因此需要某种真空以清除残留的烟气和其它碎屑。

为了成功应用激光工艺，在产生最佳效果过程中应当考虑多种因素。其一，该工艺应该相对快速，即，在用激光清除表面污物的过程中，不能无节制地耗用时间。清除过程还应当是彻底的，即激光应当清除全部的或大致全部的表面污物。另外，清除过程应当是无侵蚀的，即，不应当以任何方式损坏模具表面。

为了产生最佳效果，必须对激光的某些参数加以控制。这些参数是，例如激光的类型，输出功率，激光波长，激光的传播方式(脉冲或连续波)等等。对于本系统，当存在多种类型的激光时，应优选采用能产生非相干且具有均匀能量分布曲线的脉冲激光束的激光。这些特性为更高的峰值功率，对激光束更好的控制和更好的污物清除工艺创造了条件。已经证明KrF准分子激光具有这些特性，因此是优选的激光类型，然而其它的激光类型也可能具有这些特性。另外，激光脉冲优选具有23ns(纳秒)的脉冲宽度。

为了成功地清除污物，激光束必须在特定波长下具有足够的功率。对于激光应用，根据通量来定义功率，通量被定义为能量除以面积，单位是mJ/cm²。波长通常以纳米，或缩写为“nm”来测量。尽管一定范围内的波长都是可行的，但优选波长为248nm。类似的，尽管一定范围的输出功率是可行的，但优选的输出功率为300mJ/cm²。

重要的是不能使用可能对污物下面的模具表面造成损坏的输出功率。造成损坏所需的功率数值，部分由激光的波长以及受激光照射的材料的种类和特性所决定。

在优选设置下，即，波长为248nm，脉冲宽度为23ns，脉冲覆盖面积为1cm²，通量能级为300mJ/cm²的KrF准分子激光，在相同的位置至少需要两次脉冲才能彻底清除覆盖面积内的污物层。污物层的厚度通常约为1到2μm。这1到2μm的污物厚度是在封装设备连续工作约24小时的过程中形成的。如果该设备工作更长的时间，污物层的厚度当然也会增加。根据污物层的不同厚度，需要修改脉冲宽度或单位面积的脉冲次数或二者的结合，其它参数也可能要改变。

以1到2μm的厚度作为例子，通过采用上述的工艺参数，整个模具表面(表面积大约为468cm²)可以在大约2到3分钟之内被清洁。然而，为了减少清洁的所用的总时间，可以增大脉冲的覆盖面积。脉冲的覆盖面积通常由激光束的尺寸决定；尺寸越大，每束脉冲覆盖的面积也就越大。

由于模具表面具有不同的用于容纳半导体器件和输送树脂的空腔，因此模具表面不是完全平整的。有时，特别是当激光束的尺寸非常大时，激光脉冲可以同时照射两个或多个不同深度的表面。尽管激光的能量在一定距离处是大致均匀的，但焦距长度容易使不同深度处的激光能量不同。当焦距长度很小时，这种差异非常明显。为了避免这个问题，最好具有很长的焦距长度并使用准直光束。

模具上的空腔还为激光清洁工艺带来了另一个问题。通常空腔都带有侧壁，侧壁与模具的主表面垂直。如果激光垂直照射在模具的主表面上，则由于光束与侧壁平行，侧壁将无法从激光束中吸收足够的能量。为了避免出现这个问题，最好使激光束以一定的角度照射在模具表面上。这样，所有的表面都能从激光中接受足够的能量。

在本发明的优选实施例中，激光清洁过程可以由独立的清洁系统来完成，该系统与使用模具的半导体封装设备相邻。在该系统中，激光束通过若干面反射镜到达预定目标。在该系统中，在封装设备两个半模之间设有反射镜。反射镜装在机器人臂(机械手)上，后者能精确地将反射镜旋转到任何角度，并能够使反射镜在与模具平面平行的平面内的任何位置精确换位。机器人臂被装在X-Y工作台上以便于机器人臂的定位。反射镜接收从一系列其它反射镜中射出的激光束。

为了运转清洁系统，在靠近成型机的地方操作所述独立装置。机器人臂在两个半模之间伸展，并使反射镜与模具表面的参考点对齐。一旦对齐，激光发生器发射两次激光束脉冲，该脉冲经过一系列反射镜照射到模具表面的区域。当污物层被分解时，抽吸系统将烟气和其它碎屑吸出。一旦该区域的污物被清除，X-Y工作台移动到下一个位置，然后重新开始清除操作。该操作不断重复，直至遍及整个模具表面。

附图简要说明

图1为本系统优选实施例的原理图，本系统靠近半导体封装设备中常用的模具组件。

图2为本系统优选实施例的光束传送组件的原理图。

图3为本系统优选实施例的X-Y工作台的原理图。

图4为俄歇电子谱仪(AES)的能谱图，展示了在进行本发明的激光清洁过程之前，在半导体封装机中所用的模具上所见到的污物层的深度剖面。

图5为俄歇电子谱仪(AES)的能谱图，展示了在进行本发明的激光清洁过程之后，在半导体封装机中所用的模具上所见到的污物层的深度剖面。

图6为俄歇电子谱仪(AES)的能谱图，展示了在连续进行本发明的激光清洁过程一个小时后，在半导体封装机中所用的模具上所见到的污物层的深度剖面。

发明详述

本发明利用激光清除半导体封装设备中所用的模具表面的污物，例如油脂、蜡和残留的树脂。通常，利用激光的污物清除工艺包括将激光束照射到带有污物的模具表面。激光作为脉冲发射，只持续很短的时间，例如23纳秒(ns)。需要多次脉冲以彻底清除污物。由于每束脉冲的覆盖面积通常远远小于模具表面的总面积，因此需要不断到处移动激光束直至整个模具都被激光照射。由于在激光分解污物时产生烟气，因此需使用某种真空设备以清除残留的烟气和其它碎屑。

为了成功应用激光工艺，在产生最佳效果过程中应当考虑多种因素。其一，该工艺应该相对快速，即，在用激光清除表面污物的过程中，不能无节制地耗用时间。尽管清除速度可以根据为激光选择的参数而改变，然而优选的，选择参数时应当使清除单个半模(下半模或上半模)上所有污物所需的时间不超过5分钟。

清除过程还应当是彻底的，即激光应当清除全部的或大致全部的表面污物。当然，所需的彻底程度由工艺规范来决定。另外，清除过程应当是无侵蚀的，即，不应当以任何方式损坏模具表面。例如，模具表面通常在钢衬底上覆有铬涂层，重要的是激光束不能使该涂层剥落或损坏下面的衬底。最后，该工艺对操作该激光清洁系统的人员来说应当是相对安全的。

为了产生最佳效果，必须对激光的某些参数加以控制。这些参数是，例如激光的类型，输出功率，激光波长，激光的传播方式(脉冲或连续波)等等。对于本系统，当存在多种类型的激光时，应优选采用能产生非相干且具有均匀能量分布曲线的脉冲激光束的激光。这些特性为更高的峰值功率，对激光束更好的控制和更好的污物清除工艺创造了条件。已经证明KrF准分子激光具有这些特性，因此是优选的激光类型，然而其它的激光类型也可能具有这些特性。另外，激光脉冲优选具有23ns(纳秒)的脉冲宽度。

实验显示至少有一种类型的激光不能成为清除模具表面污物的优选。例如，在采用YAG激光的实验中，一种波长为532nm的光束和另一种波长为1064nm的光束，二者都具有7纳秒的脉冲宽度。由于激光束的原因，该实验不能产生最佳效果，在清除表面污物时，容易损伤模具表面，导致非常不理想的结果。

为了成功地清除污物，激光束必须在特定波长下具有足够的功率。对于激光应用，根据通量来定义功率，通量被定义为能量除以面积，单位是mJ/cm²。波长通常以纳米，或缩写为“nm”来测量。尽管一定范围内的波长都是可行的，但优选波长为248nm。类似的，尽管一定范围的输出功率是可行的，但优选的输出功率为300mJ/cm²。

选择适当的波长和输出功率是很重要的，必须考虑多方面因素。对于波长来说，应当足够短以便污物材料能够吸收足够的能量。对于本应用来说，发现248nm的波长就足够了。对于输出功率来说，功率值应当超过清除污物所需的最小阈值。该阈值主要由污物的化学成分决定。对于在半导体封装设备的模具表面经常发现的污物，如油脂，蜡，残留树脂来说，它们通常为碳基化合物，发现在波长为248nm时，阈值通常为150mJ/cm²左右。

然而，最小输出功率(足以清除污物)并非最理想，这是由于清除速度太慢或清除过程不够彻底，即，留下一些残留物，为了彻底清除需要很多次脉冲。因此，希望激光的输出功率大于最小阈值以加快该过程。另外，通过使用更短的激光波长可以提高清除能力，从而提高对激光的吸收量。

尽管更高的功率可以提高清除速度并因此较为理想，但同样重要的是所使用的输出功率不能损坏污物下面的模具表面。此外，造成损坏所需的功率数值，部分由激光的波长以及受激光照射的材料的种类和特性所决定。在模具用于半导体封装工业的情况下，模具的钢衬底上通常涂有2到3μm的铬涂层。衬底的一种常用材料为AST粉末高速钢。在这种情况下，至关重要的是激光不能引起铬涂层或钢衬底本身的任何损伤。极为重要的是清洁过程不能导致铬涂层的剥落。

在分析输出功率对下层材料损坏的可能性时引入两个重要的概念：热扩散长度μ和模具表面的温度增量ΔT，二者都是本领域技术人员所熟知的概念。由经验决定本例中的μ为1.42μm，小于铬涂层的厚度。总之，希望μ值较小，特别是在本例中，μ值最好不要超过铬涂层的厚度。

当平均温度增量超过400摄氏度后，铬涂层与下层钢衬底之间的热膨胀的差值变得非常明显。因此，希望激光的输出功率不要使温度增量超过该值。脉冲宽度为23ns的200mJ/cm²的激光通量，会导致175摄氏度的平均温度增量，而相同脉冲宽度的300mJ/cm²的激光通量，会导致227摄氏度的平均温度增量，二者都小于不合乎要求的400度的增量值。尽管不能确定引起400摄氏度温度增量的精确输出功率，但可以确信的是当通量值为1500mJ/cm²左右时将损坏模具表面。

在优选设置下，即，波长为248nm，脉冲宽度为23ns，脉冲覆盖面积为1cm²，通量能级为300mJ/cm²的KrF准分子激光，在相同的位置至少需要两次脉冲才能彻底清除覆盖面积内的污物层。污物层的厚度通常约为1到2μm。这1到2μm的污物厚度是在封装设备连续工作约24小时的过程中形成的。如果该设备工作更长的时间，污物层的厚度当然也会增加。根据污物层的不同厚度，需要修改脉冲宽度或单位面积的脉冲次数或二者的结合，其它参数也可能要改变。例如，如果污物层为双倍厚度，即4μm，则脉冲宽度需要加倍，或可能需要四次，而不是两次脉冲。然而，由于该过程不是完全线性的，因此污物层的厚度加倍不一定要求工艺参数也加倍。因而，需要通过实验来发现在给定覆盖区域内有效清除污物层所需的最佳脉冲宽度和/或脉冲次数。

以1到2μm的厚度作为例子，通过采用上述的工艺参数，整个模具表面(表面积大约为468cm²)可以在大约2到3分钟之内被清洁。然而，为了减少清洁的所用的总时间，可以增大脉冲的覆盖面积。脉冲的覆盖面积通常由激光束的尺寸决定；尺寸越大，每束脉冲覆盖的面积也就越大。然而，由于通量被定义为用激光能量除以表面积，所以如果要保持相同的通量，则增加每束脉冲的覆盖面积就要求增加每束脉冲的激光能量。根据覆盖面积有多大，就需要多大功率的激光发生器。当然，另一个缩短清洁时间的途径就是用多道激光束照射不同的区域，这种方法需要多激光发生器和/或可以被分割为多光束的一束大功率激光。

由于模具表面具有不同的用于容纳半导体器件和输送树脂的空腔，因此模具表面不是完全平整的。有时，特别是当激光束的尺寸非常大时，激光脉冲可以同时照射两个或多个不同深度的表面。尽管激光的能量在一定距离处是大致均匀的，但焦距长度容易使不同深度处的激光能量不同。当焦距长度很小时，这种差异非常明显。为了避免这个问题，最好具有很长的焦距长度并使用准直光束。例如，一种典型的模具其空腔有约5mm深。如果选用150mm的焦距长度，则到达不同深度处的能量差仅为6.8％左右，这是可以接受的。当然，可以通过选用更大的焦距长度来进一步降低这种能量差。

模具上的空腔还为激光清洁工艺带来了另一个问题。通常空腔都带有侧壁，侧壁与模具的主表面垂直。如果激光垂直照射在模具的主要面上，则由于光束与侧壁平行，侧壁将无法从激光束中吸收足够的能量。为了避免出现这个问题，最好使激光束以一定的角度照射在模具表面上。这样，所有的表面都能从激光中接受足够的能量。尽管转动激光的角度将会轻微地增加每条激光脉冲的覆盖面积，然而这是不明显的，或可以通过提高脉冲的能级来矫正。

图4至图6证明了上述清洁工艺的有效性。图4至图6图解了可用于分析不同深度材料成分的俄歇电子能谱(AES)图。AES技术为所属领域的技术人员所熟知。

图4展示了在对模具进行激光清洁工艺之前，在带有铬涂层的模具表面发现的实际污物层的成分。每条曲线代表位于顶层表面下方的一个特定深度。因而，本例中的深度0代表污物层的最顶部。不同的峰值指出一种特定材料的含量；通常，峰值越高，含量也就越高。标志为“C”的峰值代表碳的含量；标志为“Cr”的峰值代表铬的含量；标志为“O”的峰值代表以氧化物形式存在的氧含量。半导体封装设备中发现的许多污物都含碳，因此，高含碳量意味着严重污染。由于激光可导致铬涂层表面被氧化，因此氧含量通常表示该表面已出现损坏。一些氧化物也可能出自于污物本身。另一方面，因为铬是模具表面的涂层金属，所以铬含量是符合需要的。由图4的图表中可以看出，含碳的深度几乎高达104nm。

将图4中的图表与图5中的图表比较。图5展示了进行激光清洁操作后的污物层成分。注意到只能在污物层的最顶部发现少量的碳，并且在甚至只有几个纳米的深度处含量急剧下降。另一方面，整层的铬含量很高。只在靠近顶层处发现一定量的氧，若非氧化物在模具由清洁阶段到测量阶段的运送过程中已经被吸收，否则表明没有对铬表面造成损坏。

如图1所示，在本发明的优选实施例中，激光清洁过程可以由独立的清洁系统1来完成，该系统与使用模具的半导体封装设备60相邻。尽管本领域的普通技术人员能够理解该过程可由多种方式实现，但图1，图2和图3展示了一种优选的实施方式。

如图2所示，激光束2通过若干面反射镜到达预定目标。激光发生器20产生脉冲激光束2，激光束2射向分束器，分束器将一部分光束分离后射向反射镜m1，反射镜m1引导光束2射向反射镜m2。另一部分光束被用作监视激光的功率值。反射镜m2引导光束2射向反射镜m3，反射镜m3引导光束2射向第一透镜30和第二透镜35。第一透镜30和第二透镜35使光束2准直，光束2然后射向反射镜m4。反射镜m4引导光束2射向模具表面。当然，所需的反射镜数是由系统的结构以及引导光束的特定路线所决定的，并不是完成激光清洁过程所必须的。

下面参见图1和图3，反射镜m4位于模具的半等份5和10之间。反射镜m4装在机器人臂上(图3中可见，但图1中未示出)，后者能精确地将反射镜m4旋转到任何角度，并能够使反射镜在与模具5和10的表面5a和10a平行的平面内的任意位置精确换位。机器人臂装在X-Y工作台50上以便于机器人臂的定位。

图3展示了图1中X-Y工作台50的原理图。可以看到，反射镜m4被装在机器人臂52上，而后者被装在X-Y工作台50上。如图2所示，反射镜m4接收到经过反射镜m3，m2和m1射来的激光束2。

下面参见图1，图2和图3，为了运转清洁系统，独立装置1靠近成型机60。机器人臂52在二个半模5和10之间伸展，并使反射镜m4对准模具10表面的参考点。一旦对准，激光发生器20发射两次激光束脉冲2，该脉冲经过一系列的反射镜m1，m2，m3和m4照射到模具10表面的区域。如上所述，激光照射到模具表面的角度以及激光的能级或多或少依赖于所用的模具类型。当污物层被分解时，抽吸系统(未示出)将烟气和其它碎屑吸出。一旦将该区域的污物清除，X-Y工作台会移动到下一个位置，然后重新开始清除操作。该操作不断重复，直至遍及整个模具10的表面。然后，转动反射镜m4，以便激光照射到上半模5，按照清洁下半模10的相同工艺重复清洁过程。

尽管上述的激光清洁系统的优选实施例为独立系统，但应当理解可以容易地将之集成到封装设备内部。尽管此处只展示了一个激光系统，但在同一时间用多个装置清洁几个模具是完全可能的。而且，可以将一道激光束分割为多道光束，以便同时清洁上和下半模。

因此，在不脱离本发明的精神或本质特征的前提下，本发明可以按其它特定形式实施。因此，本发明公开的实施例无论从哪一点来说都应当被认为是说明性的，而不是限制性的。因此，由所附权利要求所限定的发明内容以及在权利要求的等同物的含义和范围内的所有变型，都应当被包含在其中。

Claims (23)

1.一种用于从半导体封装设备中的模具清除与半导体封装工艺有关的表面污物的方法，包括：

产生激光束，所述激光束具有一组特性，以清除与半导体封装工艺有关的大部分表面污物，而不会损伤所述模具下方的表面；和

利用至少一个位于所述模具的两个半模之间的反射镜直接引导所述光束照射到模具表面被激光脉冲覆盖的区域内的表面污物上，其中所述至少一个反射镜安装在机器人臂上，所述机器人臂能够将至少一个反射镜旋转到半模内的任意角度，

由此，所述激光束直接清除所述被激光脉冲覆盖的区域内的大部分污物。

2.权利要求1所述的方法，进一步包括：

向带有污物的模具表面的被激光脉冲覆盖的新区域发射激光束，直至将所述被激光脉冲覆盖的新区域内的大部分污物清除；和

重复上述向被激光脉冲覆盖的新区域发射激光束的步骤，直至将模具表面的大部分污物清除。

3.权利要求2所述的方法，进一步包括：

清除所述模具附近的烟气和碎屑。

4.权利要求1所述的方法，其中所述激光束为KrF准分子脉冲激光。

5.权利要求4所述的方法，其中所述激光束的激光能量密度在149到301mJ/cm²之间。

6.权利要求5所述的方法，其中所述激光束的发射波长为248纳米。

7.权利要求6所述的方法，其中所述激光束的脉冲宽度为23纳秒。

8.权利要求7所述的方法，其中所述激光束以一定角度照射到模具表面上。

9.权利要求8所述的方法，其中所述激光束为准直光束。

10.权利要求9所述的方法，其中所述被激光脉冲覆盖的面积近似为1cm²。

11.权利要求10所述的方法，其中清除模具表面大部分污物的整个过程少于5分钟。

12.权利要求2所述的方法，其中所述激光束为KrF准分子脉冲激光。

13.权利要求12所述的方法，其中所述激光束的激光能量密度在149到301mJ/cm²之间。

14.权利要求13所述的方法，其中所述激光束的发射波长为248纳米。

15.权利要求14所述的方法，其中所述激光束的脉冲宽度为23纳秒。

16.权利要求15所述的方法，其中所述激光束以一定角度照射到模具表面上。

17.权利要求16所述的方法，其中所述激光束为准直光束。

18.权利要求17所述的方法，其中所述被激光脉冲覆盖的面积近似为1cm²。

19.权利要求18所述的方法，其中清除模具表面大部分污物的整个过程少于5分钟。

20.权利要求1所述的方法，其中表面污物包括油脂、蜡和树脂。

21.权利要求1所述的方法，其中机器人臂通过定位装置定位，所述定位装置为X-Y台，机器人臂安装到所述X-Y台上。

22.权利要求1所述的方法，其中所述模具的表面具有2至3微米的在不锈钢基板上的铬涂层，从而使得在所述模具的表面上升高的温度小于400摄式度。

23.权利要求1所述的方法，其中，当空腔在所述模具表面时，所述激光束以一个能够清除空腔中的表面污物的角度发射到所述模具的表面。

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