DE102020130775A1 - Vorrichtung zum laserkompressionsschweissen und verfahren für einen halbleiterchip - Google Patents

Vorrichtung zum laserkompressionsschweissen und verfahren für einen halbleiterchip Download PDF

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Jae Shin Park
Kuang Eng Oh
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Mi Equipment Korea Co Ltd
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Abstract

Vorgeschlagen werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserkompressionsschweißen für einen Halbleiterchip. Die Vorrichtung beinhaltet eine Fördereinheit (100), die einen Halbleiterchip und ein Substrat transportiert, und einen Schweißkopf (200), der ein Schweißwerkzeug (210) zum Ausüben eines Drucks auf den Chip und ein Substrat, einen Laserstrahlgenerator (220) zum Emittieren eines Laserstrahls, eine Wärmebildkamera (230) zum Messen von Temperaturen der Oberflächen eines Halbleiterchips und eine Substrats, und eine Kompressionseinheit (240) zum Steuern eines Drucks, der durch das Schweißwerkzeug (210) ausgeübt wird, und einer Position davon, wobei die Kompressionseinheit (240) eine Befestigung (241), auf der das Schweißwerkzeug (210) abnehmbar befestigt ist, und einen Servomotor (242) und eine Lastzelle (243) beinhaltet, die einen Druck auf die Befestigung (241) ausüben oder eine Position davon steuern. Der Servomotor (242) wird mit zwei Werten für eine Druckausübung und Positionierung gesteuert.

Description

  • VERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2020-0087077 , eingereicht am 14. Juli 2020, deren gesamter Inhalt für jegliche Zwecke durch diesen Verweis aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen und ein Verfahren zum Laserkompressionsschweißen zum Schweißen eines Halbleiterchips von einer Größe von 100 Mikrometern oder weniger auf ein Substrat, und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen und ein Verfahren zum Laserkompressionsschweißen zum Schweißen eines Halbleiterchips auf ein Substrat, während ein Verziehen des Halbleiterchips und des Substrats, das auftritt, wenn ein Laserschweißen durchgeführt wird, effektiv unterdrückt wird durch eine Steuerung eines Drucks, der durch ein Schweißwerkzeug ausgeübt wird, und durch eine Steuerung eine Position davon.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Im Allgemeinen wird ein Schweißprozess vom Flip-Chip Typ durchgeführt, indem verursacht wird, dass eine Hügelstruktur, die als bleifreies Lot oder Cu-Säule bezeichnet wird, einen Konvektionsrückfluss erfährt. Wenn ein Substrat und ein Halbleiterchip zu derselben Zeit aufgrund einer Struktur eines Rückflusstyps erhitzt werden, tritt ein erwartetes Problem auf. Das heißt, dass wenn das Substrat erhitzt wird und sich dadurch aufgrund von einer Differenz in einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat ausdehnt, ein Phänomen erscheint, bei dem ein Hügel oder eine Schicht eines Mikroschaltkreises des Halbleiterchips beschädigt wird und bei dem ein Verschweißen daher unsauber durchgeführt wird.
  • Wenn einer der tausenden Hügel beschädigt wird, kann ein Problem in Bezug auf eine Packungsfunktion auftreten. Daher wurden viele Bestrebungen gemacht, um zu verhindern, dass der Hügel während des Erfahrens des Rückflusses beschädigt wird.
  • Um dieses Problem zu lösen wurden Studien über eine laserunterstützte Schweißtechnologie gemacht. Im Allgemeinen benötigt es näherungsweise 5 bis 7 Minuten, dass der Hügel den Rückfluss erfährt. Im Gegensatz dazu wird während des laserunterstützten Schweißens, das eine Lasertechnologie verwendet, lediglich ein Chip zum Schweißen für eine sehr kurze Zeit von 1 bis 2 Sekunden pro Region erhitzt. Daher halten lediglich der Halbleiterchip und die Umgebung davon eine hohe Temperatur, und Temperaturen von anderen Regionen sind relativ gering. Der Halbleiterchip und der Hügel sind für eine kurze Zeit teilweise einer Hitze ausgesetzt, und daher sind die thermischen Belastungen darauf relativ gering. Zusätzlich erfordert das Laserschweißen einen derart kleinen Raum, dass Installationskosten für das Laserschweißen näherungsweise einem Siebtel von jenen für den existierenden Konvektionsrückfluss entsprechen, was sehr gering ist. Ferner benötigt das Laserschweißen kein N2 Gas. Daher hat das Laserschweißen einen Vorteil hinsichtlich einer Raumausnutzung.
  • Für die neueste Integration von Halbleiter-ICs und eine Diversifikation von Funktionen davon muss eine maximale Anzahl von Hügelpads innerhalb eines Halbleiterchips gebildet werden. Aus diesem Grund wird ein Abstand zwischen Hügelpads verringert. In Übereinstimmung mit dem Trend in Richtung einer Gewichtsreduktion und einer Funktionsdiversifikation wurden das Substrat und der Halbleiterchip ebenfalls Modifikationen und Verbesserungen unterzogen, und derzeit wird ein Substrat vom Filmtyp verwendet. Daher wird ein Schweißgebiet vergrößert während die Dicke eines Chips verkleinert wird, was für eine Befestigung mit hoher Dichte geeignet ist. Ein Verhältnis für eine 2,5D oder 3D Packungsanwendung wird ebenfalls erhöht.
  • In diesem Prozess des Stands der Technik werden ein Substrat und ein Chip unter einer großen thermischen Belastung bestückt. Jedoch ist ein Problem der thermischen Belastung nicht einfach mit einer existierenden Laserschweiß-/Löttechnik zu lösen.
  • Das Vorstehende dient lediglich zur Hilfe des Verständnisses des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung und ist nicht angedacht zu bedeuten, dass die vorliegende Erfindung in den Geltungsbereich des Stands der Technik fällt, der für den Fachmann bereits bekannt ist.
  • Stand der Technik Dokumente
    • (Patentdokument 1) Koreanisches Patent Nr. 10-1785092 (registriert am 28. September 2017)
    • (Patentdokument 2) Koreanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 10-2014-0094086 (veröffentlicht am 30. Juli 2014)
    • (Patentdokument 3) Koreanisches Patent Nr. 10-1416820 (registriert am 2. Juli 2014)
    • (Patentdokument 4) Koreanisches Patent Nr. 10-1143838 (registriert am 24. April 2012)
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die konzipiert wurde, um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, ist es, eine Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen und ein Verfahren zum Laserkompressionsschweißen bereitzustellen, die dazu fähig sind, einen Schweißfehler (ein schmelzabweisendes Phänomen) aufgrund eines Verzugs eines Halbleiterchips und eines Substrats zu verhindern, der durch eine Differenz in einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Materialien und aufgrund einer thermischen Belastung verursacht wird. Dieser Verzug ist ein Nachteil bei einem Laserschweißverfahren.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zwei Lösungen zum Durchführen eines Schweißens unter einer Druckbedingung und einer druckfreien Bedingung in einer Vorrichtung gemäß eine Anforderung während eines Schweißprozesses zu realisieren und daher die Produktivität zu verbessern.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laserkompressionsschweißen bereitzustellen, das dazu fähig ist, zu verhindern, dass sich ein Material verzieht, und somit ein Problem eines Schweißfehlers durch ein Durchführen einer Drucksteuerung und einer Positionssteuerung unter einer Druckbedingung löst.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laserkompressionsschweißen bereitzustellen, das dazu fähig ist, eine Temperatur durch einen Pfad für eine Wärmebildkamera zu überwachen, die in einem existierenden Schweißwerkzeug gebildet ist, das aus einem Quarz besteht, und daher eine Interferenz einer thermischen Wellenlänge in Richtung der Wärmebildkamera vermeidet.
  • Um die vorstehend beschriebenen Aufgaben zu erreichen, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen für einen Halbleiterchip bereitgestellt, wobei die Vorrichtung beinhaltet: eine Fördereinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Halbleiterchip und ein Substrat, die in einer Vorschweißzone aufgenommen sind, und auf denen anschließend ein Schweißen in einer Hauptschweißzone durchgeführt wird, zu einer Entladungszone zu transportieren; und einen Schweißkopf, beinhaltend: ein Schweißwerkzeug, das dazu konfiguriert ist, einen Druck auf den Halbleiterchip und das Substrat auszuüben; einen Laserstrahlgenerator, der über dem Schweißwerkzeug installiert ist und dazu konfiguriert ist, einen Laserstrahl zum Schweißen zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat zu emittieren, wobei der Laserstrahl durch das Schweißwerkzeug läuft; eine Wärmebildkamera, die dazu konfiguriert ist, eine Temperatur von jeder der Oberflächen des Halbleiterchips und des Substrats zu messen; und eine Kompressionseinheit, die dazu konfiguriert ist, einen Druck, der durch das Schweißwerkzeug ausgeübt wird, und eine Position davon zu steuern, wobei die Kompressionseinheit eine Befestigung beinhaltet, auf der das Schweißwerkzeug abnehmbar befestigt ist; und einen Servomotor und eine Lastzelle, die dazu konfiguriert sind, einen Druck auf die Befestigung in der Richtung der Z-Achse auszuüben oder eine Position davon in einer fein abgestuften Weise zu steuern, und wobei der Servomotor mit zwei Zielwerten für eine Druckausübung und ein Positionieren gesteuert wird.
  • In der Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen kann das Schweißwerkzeug, das aus einem Quarz besteht, in einem oberen Bereich davon einen Verteilerblock und in einem unteren Bereich davon eine Anbringung aufweisen, wobei der Verteilerblock und die Anbringung in einem Stück integriert sind, wobei ein Bilderfassungspfad derart gebildet sein kann, dass er durch das Schweißwerkzeug in einer geneigten Richtung in einer solchen Weise läuft, dass es einer thermischen Wellenlänge in Richtung der Wärmebildkamera erlaubt wird, entlang des Bilderfassungspfads zu laufen, wobei der Bilderfassungspfad um denselben Winkel geneigt ist, wie die Wärmebildkamera, und wobei der Laserstrahlgenerator einen Laserstrahl emittieren kann und die Wärmebildkamera dann ein Resultat des Überwachens der Temperatur von jeder der Oberflächen des Halbleiterchips und des Substrats lesen kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Laserkompressionsschweißen des Schweißens eines Halbleiterchips auf ein Substrat unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: ein nach unten Bewegen eines Schweißwerkzeugs bei einer hohen Geschwindigkeit von einer initialen Position zu einer vorbestimmten Höhe für ein Aufstarten bei einer geringen Geschwindigkeit; ein nach unten Bewegen des Schweißwerkzeugs bei einer geringen Geschwindigkeit von der Höhe für ein Aufstarten bei einer geringen Geschwindigkeit zu einer Höhe für ein Aufstarten bei einer geringsten Geschwindigkeit; ein nach unten Bewegen des Schweißwerkzeugs bei einer geringsten Geschwindigkeit von der Höhe für ein Aufstarten bei einer geringsten Geschwindigkeit zu einer Höhe für einen Kontakt mit einem Halbleiterchip D; ein Bestimmen, dass das Schweißwerkzeug mit dem Halbleiterchip D in Kontakt gebracht ist, wenn das Schweißwerkzeug bei der geringsten Geschwindigkeit zu der Höhe für einen Kontakt mit dem Halbleiterchip D nach unten bewegt wird, und eine Lastzelle anschließend detektiert, dass ein Druck gegen den Halbleiterchip D 5 N/cm2 erreicht, und ein Einschalten eines Laserstrahlgenerators, um derart betrieben zu werden, dass er einen Laserstrahl emittiert, wobei ein Schweißen durchgeführt wird, wenn ein Zieleingabewert eingegeben wird, der für ein Schweißen bei einem Druck von 5 N/cm2 notwendig ist; und ein nach oben Bewegen des Schweißwerkzeugs zu einer Höhe zum Fertigstellen einer Schweißoperation, wobei die Schweißoperation fertiggestellt wird, wenn das Schweißen fertiggestellt ist, wobei, wenn das Schweißen durchgeführt wird, in einem Abschnitt, in dem eine thermische Ausdehnung aufgrund einer Differenz in einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Materialien auftritt, wenn ein Schweißprozess des Emittierens des Laserstrahls durchgeführt wird, ein Umschalten von einer Drucksteuerung zu einer unverzüglichen Positionssteuerung stattfindet, wodurch ein schmelzabweisendes Phänomen verhindert wird.
  • Eine Schweißvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Schweißwerkzeug, das einen Halbleiterchip gegen ein Substrat presst. Mit diesem Schweißwerkzeug kann verhindert werden, dass ein Material verzogen wird, und daher kann ein gleichmäßiger Abstand zwischen Hügeln erhalten werden. Das Schweißwerkzeug kann ein ersetzbares sein. Daher kann das Schweißwerkzeug gemäß einer Bedingung für einen Halbleiterchip frei ausgewählt und installiert werden. Dementsprechend kann ein Pressdruck, der für den Halbleiterchip optimiert ist, realisiert werden, wodurch die Schweißqualität verbessert wird. Insbesondere kann eine Drucksteuerung oder eine Positionssteuerung durchgeführt werden, wenn ein Schweißen unter einer Druckbedingung durchgeführt wird. In einem Abschnitt einer thermischen Ausdehnung kann ein Umschalten von der Drucksteuerung zu der Positionssteuerung stattfinden, wodurch die Gleichmäßigkeit beim Schweißen verbessert wird und eine Fehlerrate minimiert wird.
  • Figurenliste
  • Die vorstehenden und anderen Aufgaben, Merkmale, und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit der folgenden detaillierten Beschreibung klarer verstanden werden, wenn sie in Zusammenhang mit den angehängten Zeichnungen gebracht werden, in denen:
    • 1 eine Ansicht ist, die eine Anordnung eines Schweißkopfs und einer Fördereinheit einer Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
    • 2 eine vergrößerte Ansicht ist, die einen unteren Bereich des Schweißkopfs in 1 darstellt;
    • 3 eine vergrößerte Ansicht ist, die einen Boden des unteren Bereichs des Schweißkopfs in 2 darstellt;
    • 4 ein Blockdiagramm zum Steuern eines Drucks, der durch ein Schweißwerkzeug ausgeübt wird, und einer Position davon ist;
    • 5 ein Graph ist, der ein Korrelation zwischen einer Position des Schweißkopfs, dem Druck, der durch das Schweißwerkzeug ausgeübt wird, und einer Emission eines Laserstrahls darstellt;
    • 6 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen dem Druck, der durch das Schweißwerkzeug ausgeübt wird, der Position davon, und der Emission eines Laserstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
    • 7 eine Fotografie ist, die einen Zustand eines Schweißfehlers in dem Stand der Technik zeigt;
    • 8 eine Fotografie ist, die einen Zustand eines normalen Schweißens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 9 eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht eines Bilderfassungspfads ist, der in dem Schweißwerkzeug gebildet ist, das aus einem Quarz besteht, für eine Wärmebildkamera; und
    • 10 eine Ansicht ist, die einen Zustand einer Temperatur einer Oberfläche eines Halbleiterchips darstellt, die durch einen Laserstrahl und die Wärmebildkamera überwacht wird, wenn das Schweißwerkzeug in 9 installiert ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen im Detail beschrieben.
  • 1 stellt eine schematische Konfiguration einer Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung dar. 2 stellt einen unteren Bereich des Schweißkopfs in 1 in einer vergrößerten Weise dar. 3 stellt einen Boden des unteren Bereichs des Schweißkops in 1 in einer vergrößerten Weise dar.
  • Wie dargestellt ist, beinhaltet eine Vorrichtung 1 zum Laserkompressionsschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Fördereinheit 100 und einen Schweißkopf 200. Die Fördereinheit 100 ist dazu konfiguriert, einen Halbleiterchip D (Mikroplättchen) und ein Substrat P von einer Vorschweißzone 110 durch eine Hauptschweißzone 120 zu einer Entladungszone 130 zu transportieren. Der Halbleiterchip D und das Substrat P sind in der Vorschweißzone 110 aufgenommen.
  • Der Schweißkopf 200 beinhaltet ein Schweißwerkzeug 210, einen Laserstrahlgenerator 220, eine Wärmebildkamera 230, und eine Kompressionseinheit 240. Das Schweißwerkzeug 210 ist dazu konfiguriert, einen Druck auf den Halbleiterchip D und das Substrat P auszuüben. Der Laserstrahlgenerator 220, der oberhalb des Schweißwerkzeugs 210 installiert ist, ist dazu konfiguriert, einen Laserstrahl zum Schweißen zwischen dem Halbleiterchip D und dem Substrat P zu emittieren. Der Laserstrahl läuft durch das Schweißwerkzeug 210. Die Wärmebildkamera 230 ist dazu konfiguriert, eine Temperatur von jeder der Oberflächen des Halbleiterchips D und des Substrats P zu messen. Die Kompressionseinheit 240 ist dazu konfiguriert, einen Druck, der durch das Schweißwerkzeug 210 ausgeübt wird, und eine Position des Schweißwerkzeugs 210 zu steuern.
  • Der Buchstabe T in 1 zeigt eine Transportablage an, auf der die Halbleiterchips D und das Substrat P geschachtelt sind. Die Fördereinheit 100 ist dazu konfiguriert, die Transportablage zu transportieren.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn ein Schweißen durchgeführt wird, läuft ein Infrarotlicht, das von dem Halbleiterchip D emittiert wird, durch das Schweißwerkzeug 210 und erreicht die Wärmebildkamera 230. Somit misst die Wärmebildkamera 230 präzise die Temperatur der Oberfläche des Halbleiterchips D in Echtzeit. Ein Gebiet einer Oberfläche, deren Temperatur durch die Wärmebildkamera 230 gemessen wird, ist gleich oder größer als jenes einer Oberfläche, die mit dem Laserstrahl beleuchtet wird, der von dem Laserstrahlgenerator 220 emittiert wird. Dementsprechend werden eine Temperaturverteilung und eine Veränderung in einer Temperatur in einer Region einer Laserbeleuchtung präzise in Echtzeit gemessen bzw. detektiert. Für diese präzise Detektion setzt das Schweißwerkzeug 210 eine Konfiguration ein, die in den 9 und 10 dargestellt ist. Das Schweißwerkzeug 210, das aus einem Quarz besteht, hat einen Verteilerblock 212 in dem oberen Bereich und eine Anbringung 214 in dem unteren Bereich. Der Verteilerblock 212 und die Anbringung 214 sind in einem Stück integriert. Ein Bilderfassungspfad 216 ist derart gebildet, dass er durch den Verteilerblock 212 und die Anbringung 214 in einer geneigten Richtung in einer solchen Weise läuft, dass einer thermischen Wellenlänge für die Wärmebildkamera 230 erlaubt wird, entlang des Bilderfassungspfads 216 zu laufen. Der Bilderfassungspfad 216 ist um denselben Winkel geneigt, wie die Wärmebildkamera 230. Somit emittiert der Laserstrahlgenerator 220 einen Laserstrahl, und anschließend liest die Wärmebildkamera 230 ein Resultat eines Überwachens der Temperatur von jeder der Oberflächen des Halbleiterchips D und des Substrats P. Wenn ein Schweißen durchgeführt wird, wird die Veränderung in der Temperatur von jeder der Oberflächen des Halbleiterchips D und des Substrats P in Echtzeit gelesen, und somit wird eine Intensität des Laserstrahls, der durch den Laserstrahlgenerator 220 emittiert wird, angepasst, wodurch die Temperatur in Echtzeit gesteuert wird.
  • Ein kreisförmiger Querschnitt des Bilderfassungspfads 216 hat einen derartigen Durchmesser von näherungsweise 1,5 mm, dass eine Bedingung zum Messen der Temperatur der Oberfläche des Halbleiterchips D erfüllt ist, ohne dass der Laserstrahl durch eine Brechung und Reflexion beeinträchtig wird, wenn das Schweißwerkzeug 210 den Laserstrahl transmittiert, der durch den Laserstrahlgenerator 220 emittiert wird.
  • Die Fördereinheit 100 transportiert die Halbleiterchips D und das Substrat P von der Vorschweißzone 110 zu der Hauptschweißzone 120. Der Halbleiterchip D und das Substrat P werden auf 150°C erhitzt durch ein unter der Fördereinheit 100 vorgesehenes Vorheizgerät (nicht dargestellt), und anschließend wird ein Schweißprozess darauf hin durchgeführt. Wenn der Schweißprozess fertiggestellt ist, werden die Halbleiterchips D und das Substrat P zu der Entladungszone 130 transportiert.
  • Wie in 3 dargestellt ist, ist eine Sichtausrichtungseinheit 250, die auf dem Schweißkopf 200 bereitgestellt ist, dazu konfiguriert, eine Position des Halbleiterchips D auszurichten. Ein Motor 260 für eine Vertikalbewegung einer Z-Achsenwelle bewegt eine Z-Achsen(Z)-welle nach oben und nach unten, um eine Betriebsposition des Laserstrahlgenerators 220 anzupassen.
  • Der Laserstrahlgenerator 220, die Wärmebildkamera 230, die Sichtausrichtungseinheit 250 und der Motor 260 für eine Vertikalbewegung einer Z-Achsenwelle sind in dem Stand der Technik bekannt, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, und daher wird auf detaillierte Darstellungen und Beschreibungen davon verzichtet.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Kompressionseinheit 240, wie in den 2 bis 4 dargestellt, dazu konfiguriert, eine Befestigung 241, einen Servomotor 242, und eine Lastzelle 243 zu beinhalten. Das Schweißwerkzeug 210 ist abnehmbar auf der Befestigung 241 befestigt. Der Servomotor 242 und die Lastzelle 243 sind dazu konfiguriert, einen Druck auf die Befestigung 241 in der Z-Achsen(Z)-richtung auszuüben, oder eine Position der Befestigung 241 in einer fein abgestuften Weise zu steuern.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Servomotor 242 fundamental mit zwei Zielwerten für eine Druckausübung und eine Positionierung gesteuert. Wenn ein Hauptcomputer ein Zieleingabesignal sendet, empfängt der Servoverstärker 244 ein Signal der Lastzelle 243 von einem Indikator 245 und überträgt das empfangene Signal zu einer Bewegungsplatine 246. Die Bewegungsplatine 246 vergleicht das Zieleingabesignal, das von dem Hauptcomputer empfangen wurde, und einen Ausgabewert des Indikators 245 miteinander. Anschließend gibt der Servoverstärker 244 einen elektrischen Strom für eine Motorsteuerung aus und steuert somit den Servomotor 242 bis ein Systemdruck einen Zieldruck erreicht. Der Systemdruck, der gleich dem Zieldruck ist, wird stabil gehalten. Anschließend wird ein nachfolgender Schweißprozess durchgeführt.
  • Das Bezugszeichen 247 zeigt einen Mikrometer für ein Ausrichten des Schweißwerkzeugs 210 mit seiner korrekten Position innerhalb des Befestigers 241 an.
  • Wann immer notwendig kann die Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung, die wie vorstehend beschrieben konfiguriert ist, ein Laserschweißen in einem Druckzustand durchführen, nachdem die Kompressionseinheit 240 befestigt ist, oder das Laserschweißen unter einer druckfreien Bedingung in einem Zustand durchführen, in dem die Kompressionseinheit 240 abgenommen ist. Diese zwei Lösungen können in einer Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen realisiert werden. Diese Realisierung stellt den Vorteil bereit, dass eine Verbesserung in einer Produktivität möglich ist.
  • Das Laserschweißen unter der druckfreien Bedingung ist in dem Stand der Technik bekannt, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, und daher wird auf eine Beschreibung davon verzichtet. Als erstes wird nachfolgend eine Steuerung des Drucks, der durch das Schweißwerkzeug 210 ausgeübt wird, und eine Steuerung der Position davon beschrieben, die durchgeführt werden müssen, wenn das Laserschweißen in dem Druckzustand durchgeführt wird.
  • Das heißt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung, mit der Steuerung des Drucks, der durch das Schweißwerkzeug 210 ausgeübt wird, und der Steuerung der Position davon unter der Druckbedingung, verhindert werden kann, dass sich der Halbleiterchip D und das Substrat P verziehen, und ein Problem eines Schweißfehlers kann gelöst werden. Die Drucksteuerung und die Positionssteuerung sind wie nachfolgend beschrieben.
  • 5 ist ein Graph für die Positionssteuerung des Schweißwerkzeugs 210 in einer stufenweisen Weise. Zunächst bewegt der Motor 260 für eine Vertikalbewegung einer Z-Achsenwelle das Schweißwerkzeug 210 des Schweißkopfs 200 bei einer hohen Geschwindigkeit von näherungsweise 10 mm/Sekunde von einer initialen Position (einer Warteposition) (nicht dargestellt) zu einer vorbestimmten Höhe H1 nach unten für ein Aufstarten (S10) bei einer geringeren Geschwindigkeit. An diesem Punkt wird die Höhe H1 für ein Aufstarten bei einer geringen Geschwindigkeit durch ein Eingeben eines Werts einer Position in Bezug auf eine Schweißbühne S eingestellt.
  • Danach bewegt der Servomotor 242 der Kompressionseinheit 240 das Schweißwerkzeug 210 bei einer Geschwindigkeit von näherungsweise 0,8 mm/Sekunde von der Höhe H1 für ein Aufstarten bei einer geringen Geschwindigkeit zu einer Höhe H2 für ein Aufstarten (S20) bei einer geringsten Geschwindigkeit nach unten. Dann bewegt der Servomotor 242 das Schweißwerkzeug 210 bei der geringsten Geschwindigkeit von näherungsweise 0,23 mm/Sekunde von der Höhe H2 für ein Aufstarten bei einer geringsten Geschwindigkeit zu einer Höhe H3 für einen Kontakt (S30) mit dem Halbleiterchip D nach unten. Wenn das Schweißwerkzeug 210 nach unten zu der Höhe H3 für einen Kontakt mit dem Halbleiterchip D bewegt wird, und drückt und die Lastzelle 243 detektiert, dass ein Druck gegen den Halbleiterchip D 5 N/cm2 erreicht, wird bestimmt, dass das Schweißwerkzeug 210 in Kontakt mit dem Halbleiterchip D gebracht ist. Anschließend, wenn ein Zieleingabewert (zum Beispiel 30 N/cm2), der für ein Schweißen bei einem Druck von 5 N/cm2 erforderlich ist, eingegeben wird, wird der Laserstrahlgenerator 220 betrieben, um einen Laserstrahl L zu emittieren, wodurch ein Schweißen (S40) durchgeführt wird.
  • Wenn das Schweißen fertiggestellt ist, wird das Schweißwerkzeug 210 zu einer Höhe H4 zum Fertigstellen einer Schweißoperation nach oben bewegt, wodurch die Schweißoperation (S50) fertiggestellt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, werden in dem Schweißschritt S40 der Druck, der durch das Schweißwerkzeug 210 ausgeübt wird oder die Position davon nicht nur gesteuert, sondern sie werden in Zusammenhang miteinander gesteuert. Beim Durchführen eines Schweißprozesses des Emittierens eines Laserstrahls wird ein Abschnitt, in dem eine thermische Ausdehnung auftritt, gemäß eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Materials geschaffen. Daher sind, wenn lediglich die Drucksteuerung kontinuierlich durchgeführt wird, Abstände zwischen Hügeln unterschiedlich voneinander, und Abstände zwischen Hügeln auf dem Zentrum und Hügeln auf der Umgebung sind unterschiedlich voneinander. Wie in 7 dargestellt ist, verursachen diese Differenzen, dass ein sogenanntes schmelzabweisendes Phänomen auftritt. In dem Abschnitt einer thermischen Ausdehnung findet, um das schmelzabweise Phänomen zu verhindern, ein Umschalten von einer Drucksteuerung zu einer unverzüglichen Positionssteuerung statt, und wenn eine vorbestimmte Zeit verstreicht, findet ein Zurückkehren zu einer Zielposition statt. Auf diese Weise wird, wie in 8 dargestellt ist, eine Steuerung in einer solchen Weise durchgeführt, dass ein normales Schweißen durchgeführt wird.
  • Das heißt, wie von 6 verstanden wird, dass in dem Schweißschritt S40, wenn sie mit einem Laserstrahl zum Schweißen beleuchtet werden, der Halbleiterchip D und das Substrat P unverzüglich Energie (50 W/cm2) erhalten. Der Halbleiterchip D besteht aus Silizium, und das Substrat P ist eine gedruckte Leiterplatine (PCB), die aus einem duroplastischen Harz besteht. Deshalb dehnen sich, wenn sie thermische Energie aufnehmen, der Halbleiterchip D und das Substrat P unverzüglich aus, und ebenfalls in der Z-Achsenrichtung. Die Positionssteuerung wird in einer fein abgestuften Weise in einer solchen Weise durchgeführt, dass in dem Moment, in dem ein Druck um 10% von einem Zieleingabewert nach oben steigt, das Schweißwerkzeug 210 nach oben bewegt wird, um einen proportionalen Anstieg in einer Höhe von einer druckgesteuerten Höhe auszugleichen. Wenn das Schweißen fertiggestellt ist, findet ein Zurückkehren zu einem initialen Zieleingabewert statt, und das Schweißwerkzeug 210 kehrt ebenfalls zu der Position zurück, von der es zuvor nach oben gestiegen ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Position des Schweißwerkzeugs 210 in einer fein abgestuften Weise in einer solchen Weise gesteuert, dass verhindert wird, dass sich der Halbleiterchip D aufgrund einer thermischen Energie verzieht, in einem Prozess des Schweißens des Halbleiterchips D von einer Grüße von 100 Mikrometern oder weniger auf das Substrat P, durch ein Durchführen eines Laserschweißens, das heißt, in einer solchen Weise, dass das Schweißwerkzeug 210 nach oben bewegt wird, um einen Anstieg in einer Höhe in der Z-Achsenrichtung aufgrund der thermischen Ausdehnung unter der Druckbedingung auszugleichen, während das Schweißen in einem druckausgeübten Zustand durchgeführt wird. Daher wird das Schweißen in einem Zustand durchgeführt, in dem Höhen zwischen Hügeln gleichmäßig gehalten werden, wodurch ein Phänomen verhindert wird, in dem das Schweißen nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird, und in dem dadurch ein Schweißfehler auftritt. Das Schweißwerkzeug 210 kann an der Befestigung 241 der Kompressionseinheit 240 angebracht oder befestigt sein, wodurch die zwei Prozesse unter der Druckbedingung und unter der druckfreien Bedingung in einer Vorrichtung durchgeführt werden. Ein Bilderfassungspfad ist derart gebildet, dass er durch das Schweißwerkzeug 210 läuft, das aus einem Quarz besteht, und daher transmittiert das Schweißwerkzeug 210 einen Laserstrahl und ein Infrarotlicht entlang des darin angeordneten Bilderfassungspfads, wodurch die Temperatur der Oberfläche des Halbleiterchips D in Echtzeit gemessen wird. Der Vorteil wird bereitgestellt, dass die Intensität des Laserstrahls, der durch den Laserstrahlgenerator 220 emittiert wird, angepasst wird, und dass die Temperatur damit in Echtzeit gesteuert wird.
  • Zusammengefasst wird, gemäß einer Ausführungsform, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserkompressionsschweißen für einen Halbleiterchip vorgeschlagen. Die Vorrichtung beinhaltet eine Fördereinheit 100, die einen Halbleiterchip und ein Substrat transportiert, und einen Schweißkopf 200, der ein Schweißwerkzeug 210 zum Ausüben eines Drucks auf dem Chip und das Substrat beinhaltet, einen Laserstrahlgenerator 220 zum Emittieren eines Laserstrahls, eine Wärmebildkamera 230 zum Messen von Temperaturen der Oberflächen eines Halbleiterchips und eines Substrats, und eine Kompressionseinheit 240 beinhaltet zum Steuern eines Drucks, der durch das Schweißwerkzeug 210 ausgeübt wird, und einer Position davon, wobei die Kompressionseinheit 240 eine Befestigung 241 beinhaltet, auf der das Schweißwerkzeug 210 abnehmbar befestigt ist, und einen Servomotor 242 und eine Lastzelle 243, die einen Druck auf die Befestigung 241 ausüben oder eine Position davon steuern. Der Servomotor 242 wird mit zwei Werten für eine Druckausübung und eine Positionierung gesteuert.
  • Obwohl die spezifische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus darstellerischen Gründen beschrieben wurde, wird der Fachmann anerkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Abzüge möglich sind, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie dieser in den angehängten Ansprüchen offenbart ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • KR 1020200087077 [0001]
    • KR 101785092 [0008]
    • KR 1020140094086 [0008]
    • KR 101416820 [0008]
    • KR 101143838 [0008]

Claims (4)

  1. Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen für einen Halbleiterchip, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Fördereinheit (100), die dazu konfiguriert ist, einen Halbleiterchip (D) und ein Substrat (P), die in einer Vorschweißzone (110) aufgenommen sind, und auf denen anschließend ein Schweißen in einer Hauptschweißzone (120) durchgeführt wird, zu einer Entladungszone (130) zu transportieren; und ein Schweißkopf (200), umfassend: ein Schweißwerkzeug (210), das dazu konfiguriert ist, einen Druck auf den Halbleiterchip (D) und das Substrat (P) auszuüben; einen Laserstrahlgenerator (220), der über dem Schweißwerkzeug (210) installiert ist und dazu konfiguriert ist, einen Laserstrahl (L) zum Schweißen zwischen dem Halbleiterchip (D) und dem Substrat (P) zu emittieren, wobei der Laserstrahl (L) durch das Schweißwerkzeug (210) läuft; eine Wärmebildkamera (230), die dazu konfiguriert ist, eine Temperatur von jeder der Oberflächen des Halbleiterchips (D) und des Substrats (P) zu messen; eine Kompressionseinheit (240), die dazu konfiguriert ist, einen Druck, der von dem Schweißwerkzeug (210) ausgeübt wird und eine Position davon zu steuern; eine Sichtausrichtungseinheit (250), die dazu konfiguriert ist, eine Position des Halbleiterchips (D) auszurichten; und einen Motor (260) für eine vertikale Bewegung einer Z-Achsenwelle, wobei die Kompressionseinheit (240) umfasst: eine Befestigung (241), auf der das Schweißwerkzeug (210) abnehmbar befestigt ist; und einen Servomotor (242) und eine Lastzelle (243), die dazu konfiguriert sind, einen Druck auf die Befestigung (241) in der Richtung der Z-Achse (Z) auszuüben oder eine Position davon in einer fein abgestuften Weise zu steuern, und wobei der Servomotor (242) mit zwei Zielwerten für eine Druckausübung und ein Positionieren gesteuert wird.
  2. Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen nach Anspruch 1, wobei das Schweißwerkzeug (210), das aus einem Quarz besteht, in einem oberen Bereich davon einen Verteilerblock (212) und in einem unteren Bereich davon eine Anbringung (214) aufweist, wobei der Verteilerblock (212) und die Anbringung (214) in einem Stück integriert sind, ein Bilderfassungspfad (216) derart gebildet ist, dass er durch das Schweißwerkzeug (210) in einer geneigten Richtung in einer solchen Weise läuft, dass es einer thermischen Wellenlänge in Richtung der Wärmebildkamera (230) ermöglicht wird, entlang des Bilderfassungspfads (216) zu laufen, wobei der Bilderfassungspfad (216) um den selben Winkel geneigt ist, wie die Wärmebildkamera (230), und der Laserstrahlgenerator (220) den Laserstrahl (L) emittiert und dann die Wärmebildkamera (230) ein Resultat des Überwachens der Temperatur von jeder der Oberflächen des Halbleiterchips (D) und des Substrats (P) liest.
  3. Verfahren zum Laserkompressionsschweißen des Schweißens eines Halbleiterchips auf ein Substrat unter Verwendung der Vorrichtung zum Laserkompressionsschweißen nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt (S10) des Einschaltens eines Motors (260) für eine Vertikalbewegung einer Z-Achse, um ein Schweißwerkzeug (210) bei einer hohen Geschwindigkeit von einer initialen Position zu einer vorbestimmten Höhe (H1) für ein Aufstarten bei einer geringen Geschwindigkeit nach unten zu bewegen; einen Schritt (S20) des Einschaltens eines Servomotors (242) einer Kompressionseinheit (240), um das Schweißwerkzeug (210) bei einer geringen Geschwindigkeit von der Höhe (H1) für ein Aufstarten bei einer geringen Geschwindigkeit zu einer Höhe (H2) für ein Aufstarten bei einer geringsten Geschwindigkeit nach unten zu bewegen; einen Schritt (S30) des Einschaltens des Servomotors (242), um das Schweißwerkzeug (210) bei einer geringsten Geschwindigkeit von der Höhe (H2) für ein Aufstarten bei einer geringsten Geschwindigkeit zu einer Höhe (H3) für einen Kontakt mit einem Halbleiterchip (D) nach unten zu bewegen; einen Schritt (S40) des Bestimmens, dass das Schweißwerkzeug (210) in Kontakt mit dem Halbleiterchip (D) gebracht ist, wenn das Schweißwerkzeug (210) nach unten zu der Höhe (H3) zum Kontakt mit dem Halbleiterchip (D) in dem Schritt (S30) bewegt wird und eine Lastzelle (243) anschließend detektiert, dass ein Druck gegen den Halbleiterchip (D) 5 N/cm2 erreicht, und des Einschaltens eines Laserstrahlgenerators (220), um derart betrieben zu werden, dass er ein Laserstrahl (L) emittiert, wobei ein Schweißen durchgeführt wird, wenn ein Zieleingabewert, der zum Schweißen bei einem Druck von 5 N/cm2 notwendig ist, eingegeben wird; und einen Schritt (S50) des Einschaltens des Servomotors (242), um das Schweißwerkzeug (210) zu einer Höhe (H4) zum Beenden einer Schweißoperation nach oben zu bewegen, wobei die Schweißoperation beendet wird, wenn das Schweißen beendet ist, wobei in dem Schritt (S40), in einem Abschnitt, in dem eine thermische Ausdehnung des Halbleiterchips (D) und des Substrats (P) auftritt, wenn ein Schweißprozess des Emittierens des Laserstrahls (L) durchgeführt wird, die Kompressionseinheit (240) von einer Drucksteuerung zu einer unverzüglichen Positionssteuerung umschaltet, wodurch ein schmelzabweisendes Phänomen verhindert wird.
  4. Verfahren zum Laserkompressionsschweißen nach Anspruch 3, wobei in dem Schritt (S40), wenn ein Anstieg von 10% in einem Druck von dem Zieleingabewert auftritt, der in die Kompressionseinheit (240) eingegeben wird, das Umschalten zu der Positionssteuerung in einer solchen Weise stattfindet, dass das Schweißwerkzeug (210) nach oben bewegt wird, um eine thermische Ausdehnung in der Z-Achsenrichtung auszugleichen, und wenn das Schweißen beendet ist, eine Steuerung in einer solchen Weise durchgeführt wird, dass ein Zurückkehren zu einem initialen Zieleingabewert stattfindet.
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