CN1988121B - 用于在基板上安装倒装芯片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将在一个表面上具有凸点(1)的半导体芯片(2)安装到基板(4)的基板位置(3)上的方法，其中使凸点(1)与基板位置(3)上的对应焊盘(10)接触。参考标记(12、13)附于接合头(6)，其实现了相对于参考标记(12、13)定义的坐标系统的半导体芯片(2)的实际位置的测量以及基板位置(3)的实际位置的测量。可以补偿由热影响引起的装配机的单独部件的位置移位，而无需不断执行校准程序。

Description

用于在基板上安装倒装芯片的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在基板上安装倒装芯片的方法。倒装芯片是一种半导体芯片，其具有带有所谓的凸点的表面，在该凸点上实现与基板的电气连接。
背景技术
通常，在基板上安装半导体芯片时，基板位于水平取向的支撑表面上，并且半导体芯片位于晶片工作台上，由此半导体芯片的电气接触区域指向上。通过装配机的接合头，即所谓的管芯接合机(DieBonder)，从晶片工作台上移除半导体芯片，并且将其安置到基板上。该装配方法在业界中被称为环氧树脂管芯接合或者软焊料管芯接合，其依赖于半导体芯片是通过环氧树脂粘合到基板还是通过焊料焊接到基板。倒装芯片方法不同于该装配方法，其不同之处在于，半导体芯片同基板之间的电气连接和机械连接是在凸点上进行的。为了能够安装具有凸点的半导体芯片，在从晶片工作台移除之后须使其翻转180°(倒装)，因此被称为倒装芯片。
对于倒装芯片方法，须使半导体芯片上的凸点与基板的电气连接区域(所谓的焊盘)接触。因此，对于倒装芯片方法，对安置准确性的要求稍大于关于环氧树脂管芯接合的要求。目前，为了能够构建该精确的装配机，针对运动的机械轴的准确性进行了大量的努力。该装配机包括例如，倒装设备，其从晶片工作台上移除半导体芯片并且使其翻转；具有接合头的拾取&安置系统，其从倒装设备移除倒装半导体芯片，并且将其安置在基板上；和三个相机，由此第一相机获取位于晶片工作台上的半导体芯片的图像，第二相机获取已由接合头翻转和拾取的半导体芯片(因此是倒装芯片)的图像，即具有凸点的半导体芯片的表面的图像，并且第三相机获取具有焊盘的基板的图像。对第二相机和第三相机获取的图像进行处理，以便于确定相对于接合头的运动轴的倒装芯片的位置和基板的位置，由此接合头可以将倒装芯片位置准确地安置到基板上。温度波动引起了线性膨胀，并且具有这样的影响，即相机之间的相对位置变化，并且相机相对于接合头的运动轴的位置变化。为了使温度波动对安置准确性的影响最小，第二和第三相机和机械输送系统之间的距离保持尽可能地短。因此，例如，已知装配机使具有倒装芯片的接合头来到基板上方的位置，然后使第二和第三相机在倒装芯片和基板之间回转，基于由第二和第三相机递送的图像重新定位接合头，第二和第三相机再次回转离开，并且接合头降下。然而，对于该装配方法，维持安置准确性是以生产量为代价实现的。
发明内容
本发明的目的在于发展一种安装倒装芯片的方法，其实现高安置准确性和高生产量。
因此本发明涉及一种用于将在一个表面上具有凸点的半导体芯片安装到基板的基板位置上的方法，由此使凸点与基板位置上的对应焊盘接触。借助于对应于两个平移自由度和一个旋转自由度的三个运动轴，实现了半导体芯片在基板位置上的定位。自晶片工作台移除半导体芯片，并且使其绕平行于具有凸点的表面的轴翻转180°，并且将其传递到接合头。该接合头包含芯片夹，其可绕轴旋转。下一基板位置与其平行。本发明的特征在于下列步骤：
A)利用第一相机(在技术专业用语中被称为倒装景像)，获取半导体芯片的图像，由此该图像包含半导体芯片上的凸点以及安置在接合头上的参考标记，并且由此三个运动轴位于第一位置。确定半导体芯片相对于由参考标记定义的坐标系统的实际位置的位置和取向，并且计算第一修正向量v1，其描述半导体芯片的实际位置相对于其设定位置的偏差，
B)利用第二相机(在技术专业用语中被称为接合景像)，获取第一图像，由此基板位置在该图像中是可见的，确定基板位置相对于由参考标记定义的坐标系统的位置和取向，由此对于参考标记的位置，使用当三个运动轴从第一位置向第二位置移动向量v时其将占据的假想位置，并且计算第二修正向量v2，其描述基板位置的实际位置相对于其设定位置的偏差，
C)考虑向量v和两个修正向量v1和v2，由三个运动轴计算所将接近的位置，
D)将三个运动轴移动到这些计算位置，
E)利用第二相机获取第二图像，由此附于接合头的参考标记在该图像中是可见的，并且确定参考标记的实际位置，
F)计算第三修正向量v3，其描述参考标记的实际位置相对于所使用的步骤B中基于对通过第二相机获取的第一图像的估计而假设的参考标记的假想位置的偏差，
G)将向量v调整为v＝v+v3，
H)如果第三修正向量v3的至少一个分量大于预定的极限值，则至少将对应于该分量的运动轴移动至新的修正的位置，
I)将半导体芯片放置到基板位置上。
参考标记被安置在接合头上。应以这样的方式理解，参考标记位于(不旋转的)接合头壳体上，或者位于可绕轴旋转的芯片夹上。
步骤A、B、C、D和I总是被执行。步骤E、F、G和H被执行用于安装第一半导体芯片，该第一半导体芯片是在开始生产时或者中断生产之后安装的，以便于确保该半导体芯片被安置在正确的位置。向量v描述了两个相机的光轴和两个相机的旋转位置相互之间的距离。向量v每次由步骤E、F、G和H更新。作为热影响的结果，向量v变化相对缓慢。步骤E、F、G和H可以在安装每个半导体芯片时执行，由此实现了非常高的安置准确性。然而，步骤E、F、G和H还可以仅偶发执行，例如每隔n个半导体芯片或者以预定的时间间隔执行。如果必要，步骤E、F、G和H可以连续地执行数次，直至第三修正向量v3的所有分量小于所指明的极限值。
附图说明
并入到本说明并且构成本说明的一部分的附图，说明了本发明的一个或多个实施例，并且连同详细描述一起，用于解释本发明的原理和实现方案。附图未依比例绘制。在附图中：
图1示出了用于理解本发明的用于将作为倒装芯片的具有凸点的半导体芯片安装到基板的装配机的部件，
图2、3示出了数学关系的几何表述，并且
图4、5示出了参考标记的示例。
具体实施方式
图1基于理解本发明所需的用于将具有凸点1的半导体芯片2，即所谓的倒装芯片，安装到基板4的基板位置3的装配机的部件的示意性表述，示出了本发明的基本思想。笛卡尔(Cartesian)坐标系统的坐标被指定为x、y和z，其中x坐标垂直于附图平面延伸。装配机包括具有接合头6的所谓的拾取及安置系统以及两个相机7和8，该接合头可沿在y方向中延伸的轴5向后和向前移动。接合头6在轴5上的位置由通常已知的位置测量和控制电路控制，这里未对其进行更详细的解释。基板4由输送系统在x方向中输送到接合台9，在那里接合头6将半导体芯片2安置到基板位置3上，该基板位置具有凸点1所属的电气接触表面，即所谓的焊盘10。接合头6包含芯片夹11，其可以在z方向中向上和向下移动，并且可以绕其纵向轴旋转，这里纵向轴是z轴。此外，接合头6具有三个参考标记12、13和14，其以相互之间的一定间隔配置(在图1中仅有参考标记12和13是可见的)，下面将详细解释其功能。对于图1所示的实施例，参考标记12、13和14配置在芯片夹11上，其形成了接合头6的一部分。可替换地，参考标记12、13和14可以配置在接合头6的壳体上。半导体芯片2位于晶片工作台15上。该装配机进一步包括倒装设备16以及控制装配机的控制和处理单元17。对于图1所示的截面视图，五个成一行彼此相邻的凸点1是可见的，其对应于位于基板位置3上的五个成一行彼此相邻的焊盘10。
为了位置准确地将半导体芯片2上的凸点1安置到基板位置3上的焊盘10，由此凸点1和焊盘10以必要的准确性相互重叠，须使三个自由度达成一致，即半导体芯片2相对于基板位置3的位置和取向(旋转位置)的平移位置(其特征由两个坐标描述)和取向(旋转位置)(其特征由旋转角度描述)。每个自由度被指派给至少一个运动轴。每个运动轴被指派给驱动器，由此可以执行对应的移动。因此三个自由度可以借助于用于基板4的输送系统的x轴、接合头6的y轴和芯片夹11的旋转角度θ实现。然而，有利的是，使装配机配备有另一运动轴18，其使得接合头6能够在x方向中移动，由此该运动轴18可以仅执行亚毫米范围中的移动，但是其显著地快于用于基板4的输送系统。
在理想情况中，即，当接合头6拾取的半导体芯片2位于其设定位置时，并且当基板位置3也位于其设定位置时，为了将半导体芯片2放置到基板位置3上，仅须使接合头6在y方向中从借助于第一相机7确定的半导体芯片2的位置开始移动预定的距离ΔY0。
根据下列步骤实现基板4上的半导体芯片2的安装，由此对于该示例，假设使用了运动轴18(并非用于在x方向中输送基板4的输送系统)，以便于正确地在x方向中在基板位置3上方定位半导体芯片2。
因此，对于该示例，运动轴18、接合头6的y轴和芯片夹11的旋转角度θ呈现了指派给三个自由度的三个运动轴。在下文中，它们的位置被指定为X、Y和θ。
在第一阶段中，自晶片工作台15移除半导体芯片2，通过倒装设备16使其翻转，并且将其传递到接合头6。为了执行这些步骤，装配机的构造是特别适用的，利用该装配机可以通过倒装设备16自晶片工作台15移除半导体芯片2，使其翻转，并且随后在预定的位置将其传递到接合头6。然后，例如，第一阶段如下发生：
-移动晶片工作台15，由此下一半导体芯片2准备好由倒装设备16拾取。
-获取出现的半导体芯片2的图像，以便于检查半导体芯片2是否位于正确的位置，并且如果标出了坏的半导体芯片，则检查半导体芯片2是好的还是坏的半导体芯片。
-如果半导体芯片2是好的半导体芯片，则使半导体芯片2同晶片工作台15分离，并且通过倒装设备16拾取半导体芯片2。
-利用倒装设备16，使半导体芯片2倒装，即，使半导体芯片绕平行于具有凸点的表面的轴旋转180°，
-将芯片夹11翻转到在下文中被指定为旋转角度θ1的预定旋转位置。
-使运动轴18移动到在下文中被指定为X1的预定位置。
-将半导体芯片2从倒装设备16传递到接合头6。
-呈现半导体芯片2所将安装到的基板位置3。
-使用焊剂润湿半导体芯片2的凸点1。当基板4的焊盘10可替换地具有焊剂或者使用了所谓的焊带时，可以省略该步骤。
-将接合头6定位在预定的y位置，由此两个参考标记12、13和14以及半导体芯片2位于第一相机7的视野中。该y位置被指定为Y1。
因此三个运动轴具有位置X1、Y1和θ1。
现在，在第二阶段中，执行用于区分根据本发明的方法的步骤。
A)利用第一相机7，获取半导体芯片2的图像，其中该图像包含半导体芯片2的凸点1以及附于接合头6的参考标记12、13和14，确定半导体芯片2相对于由三个参考标记12、13和14定义的坐标系统的实际位置，并且计算第一修正向量v1，其描述半导体芯片2的实际位置相对于其设定位置的偏差。借助于对凸点1的位置的估计，或者借助于附于半导体芯片2的参考标记的位置，即所谓的基准，实现对半导体芯片2的实际位置的确定。
半导体芯片2的实际位置相对于其设定位置的偏差的特征由三个量Δx1、Δy1和Δθ1描述，由此Δx1和Δy1指定半导体芯片2的参考点P在x方向或y方向中的偏移，而Δθ1指定半导体芯片2绕参考点P的旋转。因此修正向量v1由v1＝(Δx1，Δy1，Δθ1)给出。在该示例中，参考点P是半导体芯片2的设定位置的中心点。
图2说明了该情况。参考标记12、13和14定义了具有两个笛卡尔坐标轴，即相互垂直的坐标轴x和y的局部坐标系统。图2示出了通过虚线矩形19呈现的设定位置和通过连续线的矩形20呈现的半导体芯片2的实际位置，以及三个参考标记12、13和14。修正向量v1指出了运动轴须移动的值，由此半导体芯片2的实际位置与其设定位置一致。矩形19的轴优选地平行于坐标轴x和y延伸，并且其中心位于例如，由三个参考标记12、13和14形成的矩形的中心。
B)利用第二相机8，获取基板4的图像，确定基板位置相对于由三个参考标记12、13和14定义的坐标系统的实际位置，由此对于三个参考标记12、13和14的位置，使用当运动轴位于位置(X1+Δx，Y1+ΔY0+Δy，θ1+Δθ)时它们占据的位置R0，并且计算第二修正向量v2，其描述基板位置的实际位置相对于其设定位置的偏差。(出于该原因，在图1中实际未出现的参考标记呈现为灰色的参考标记12’、13’)。下文将进一步解释值Δx、Δy和Δθ的意义。通过估计焊盘10的位置，或者通过估计配置在基板4上的参考标记的位置，实现基板位置3的实际位置，即平移位置和取向的确定。
基板位置3的实际位置相对于其设定位置的偏差的特征由三个量Δx2、Δy2和Δθ2描述，其中Δx2和Δy2指定基板位置3的参考点S在x方向或y方向中的偏移，而Δθ2指定基板位置3绕参考点S的旋转。因此第二修正向量v2由v2＝(Δx2，Δy2，Δθ2)给出。在该示例中，参考点S是基板位置3的设定位置的中心点。
图3说明了该情况。图3将基板位置3的设定位置示出为虚线的矩形21，并且将实际位置示出为连续线的矩形22，以及基于运动轴位于位置(X1+Δx，Y1+ΔY0+Δy，θ1+Δθ)(相机8获取的图像未包含参考标记12、13和14)的假设计算的三个参考标记12、13和14的位置。对应于半导体芯片2的设定位置，基板位置3的设定位置的特征在于，基板位置3的中心点M位于由三个参考标记12、13和14定义的矩形的中心，并且基板位置3的焊盘10被配置为与x或y轴平行。修正向量v2指出了运动轴须移动的值，由此基板位置3的实际位置与其设定位置一致。
值Δx、Δy和Δθ表示向量v。基于假设Δx＝0、Δy＝0和Δθ＝0，可以安装生产批次的第一半导体芯片2，这是因为在该方法的过程中消除了由此引发的任何误差。
C)考虑两个修正向量v1和v2以及向量v，由三个运动轴计算所将接近的位置，其为
(X1+Δx1+Δx2+Δx，Y1+ΔY0+Δy1+Δy2+Δy，θ1+Δθ1+Δθ2+Δθ)，即
在关于运动轴18的示例中，X1+Δx1+Δx2+Δx是关于接合头6沿x轴的位置，
Y1+ΔY0+Δy1+Δy2+Δy是关于接合头6沿y轴的位置，并且
θ1+Δθ1+Δθ2+Δθ是关于芯片夹11的旋转角度。
D)将三个运动轴移动到这些计算位置，
E)利用第二相机8获取图像，其中该图像现在包含附于接合头6的参考标记12、13和14，并且确定三个参考标记12、13和14的实际位置R1，
F)计算第三修正向量v3＝(Δx3，Δy3，Δθ3)，其描述参考标记12、13和14的实际位置R1相对于所使用的用于确定第二修正向量v2的其位置R0的偏差。
G)如果第三修正向量v3的至少一个分量大于所指明的极限值，则将对应的运动轴移动到由修正向量v3的对应的分量修正的新的位置，或者将三个运动轴移动到由第三修正向量v3修正的新的位置。因此，在后一种情况中，移动到位置(X1+Δx1+Δx2+Δx3+Δx，Y1+ΔY0+Δy1+Δy2+Δy3+Δy，θ1+Δθ1+Δθ2+Δθ3+Δθ)。
H)将向量v调整为v＝v+v3。
I)将半导体芯片2放置到基板位置上。
修正向量v1和v2描述半导体芯片2或者基板位置3的可能的定位误差的特征。向量v描述作为热影响的结果的装配机的单独部件的总的累积的位置移位的特征。第三修正向量v3描述作为热影响的结果而出现的变化的特征。在一个方面，因此所描述的该方法确保了生产批次的第一半导体芯片已正确安装，并且另一方面，在不需要永久重新校准运动轴的情况下，连续地补偿热位置移位。
在特定的环境下，方法步骤的描述顺序可以不同于给出的顺序，这是因为特定的步骤可以并行执行，或者可以以倒转的顺序执行。
步骤A、B、C、D和I总是被执行。当已知向量v不具有所需的准确性时，或者当预见到向量v可能变化时，执行步骤E、F、G和H。如果必要，步骤E、F、G和H可以连续地执行数次，直至第三修正向量v3的所有分量小于所指明的极限值。
参考标记12、13和14优选地以铬的结构标志的形式安置在由玻璃制成的板上。玻璃是透明的，由此参考标记12、13和14可由相机7和8看到。优选地，玻璃被选择为，其热膨胀系数尽可能地低。板的尺寸被选择为大于待安装的最大的半导体芯片的尺寸，并且参考标记12、13和14被安置为接近边缘，由此参考标记12、13和14对于相机7和8是可见的，而与半导体芯片的尺寸无关。
参考标记12、13和14的功能在于定义局部坐标系统，相对于该局部坐标系统定义了半导体芯片的设定位置以及基板位置的设定位置。对于参考标记，在本发明的范畴内，其他的满足该功能的解决方案也是有效的。于是，代替三个参考标记12、13和14，例如可以提供两个参考标记12和13，其由相互正交对准的两条线形成，如图4中所示。参考标记12定义了x轴的位置，参考标记13定义了局部笛卡尔坐标系统的y轴的位置。图5中示出了进一步的解决方案。这里，两个参考标记12和13定义了局部笛卡尔坐标系统的x轴的位置。局部笛卡尔坐标系统的y轴被定义为，其垂直于x轴延伸，并且垂直通过参考标记12。
尽管已示出和描述了本发明的实施例和应用，但是对于可受益于本公开内容的本领域的技术人员显而易见的是，在不偏离此处的发明概念的前提下，针对上文提及的内容的许多修改方案也是可行的。因此，除了附属权利要求及其等效物的精神之外，本发明不受限制。

Claims (2)

1.用于将表面带有凸点(1)的半导体芯片(2)安装到基板(4)的基板位置上的方法，其中使凸点(1)与基板位置上的对应焊盘(10)接触，并且其中借助于三个运动轴实现半导体芯片(2)在基板位置上的定位，所述方法包括
-a)自晶片工作台(15)拾取半导体芯片(2)，
-b)使半导体芯片(2)绕平行于具有凸点(1)的表面的轴翻转180°，
-c)将半导体芯片(2)传递到接合头(6)，
-d)提供基板位置(3)，
e1)在所述三个运动轴处于第一位置时，利用具有第一光轴的第一相机(7)获取半导体芯片(2)的第一图像，其中所述第一图像显示出半导体芯片(2)的凸点(1)以及附于接合头(6)的参考标记，
e2)从所述第一图像中确定半导体芯片(2)相对于由附接于所述接合头的所述参考标记定义的坐标系统的实际位置的位置和取向，并且基于所述位置和取向，
e3)计算第一修正向量v1，其描述半导体芯片(2)的实际位置相对于其设定位置的偏差，
f1)利用具有第二光轴的第二相机(8)获取第二图像，第二光轴与第一光轴不对准，其中处于实际位置的基板位置(3)在所述第二图像中是可见的，并且其中附接于所述接合头的所述参考标记是不可见的，
f2)确定基板位置(3)相对于由附接于所述接合头的所述参考标记定义的坐标系统的位置和取向，其中对于参考标记的位置使用假设所述三个运动轴从所述第一位置到第二位置移动向量v时其将占据的假想位置，并且基于所述位置和取向，
f3)计算第二修正向量v2，其描述基板位置(3)的实际位置相对于其设定位置的偏差，
g)基于向量v和两个修正向量v1和v2，计算所述三个运动轴所将接近的最终位置，
h)将所述三个运动轴移动到计算出的所述最终位置，和
i)将半导体芯片(2)放置到基板位置(3)上。
2.权利要求1的方法，其中在步骤h之后，执行下列步骤：
-h1)利用所述第二相机(8)获取第三图像，其中所述参考标记在第三图像中是可见的，并且确定所述参考标记的实际位置，
-h2)计算第三修正向量v3，其描述参考标记的实际位置相对于所使用的步骤f1、f2和f3中基于对通过第二相机(8)获取的第二图像的估计而假设的参考标记的假想位置的偏差，
-h3)将向量v更新为v＝v+v3，
-h4)如果第三修正向量v3的至少一个分量大于所指明的极限值，则至少将对应于此分量的运动轴移动至新的修正的位置。
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