JP7062703B2

JP7062703B2 - 半導体素子のレーザー溶接装置及び方法

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Publication number: JP7062703B2
Application number: JP2020004277A
Authority: JP
Inventors: 徐秋田; 頼允晉; 梁奕智; 邱添煌; 莊承林
Original assignee: 惠特科技股▲分▼有限公司
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2022-05-06
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: CN111508862A; KR102326855B1; JP2020127001A; TWI734956B; KR20200096117A; CN111508862B; TW202030041A

Description

本発明は、半導体素子のレーザー溶接装置及び方法に関する。

一般的に、半導体産業の工程では、チップ工場は、チップ選別機によりチップをテープ（Ｔａｐｅ）に配列し、下流のチップ実装工場に出荷し、チップ実装工場は、ピックアンドプレースの方式（ＰｉｃｋａｎｄＰｌａｃｅ）で、チップを１つずつ回路基板に配置して固定し、その過程において、チップ実装できかつ導電できる半田ペースト等などのペースト状の粘性媒体を塗布し、その後、チップ実装後の導電板全体をリフロー（Ｒｅｆｌｏｗ）工程で加熱して硬化させる。

しかしながら、このような公知の製造過程には、以下の欠点がある。
１．Ｒｅｆｌｏｗ工程の温度上昇曲線が遅く、１つのチップに少なくとも２つのリフローポイントの硬化反応時間が異なり、チップが反り不良が発生しやすい。
２．Ｒｅｆｌｏｗ工程は、単一の不良チップを補修又は再加工することができず、全体を再加工すると、他のリフロー正常なチップに影響を与える。
３．３ミル（ｍｉｌ）未満のチップの場合、ペースト塗布技術の歩留まりが制限される。
４．選別機、チップ実装機による２回のＰｉｃｋａｎｄＰｌａｃｅ工程は、作業時間が遅く、装置への投資コストが非常に大きい。
以上の通り、改善すべき喫緊の欠点が存在する。

上記の問題を解決するために、新規で進歩性のある半導体素子のレーザー溶接装置及び方法を提供する必要がある。

本発明の主な目的は、回路基板の接合点の間隔に応じて、半導体素子をＴａｐｅに配列し、Ｔａｐｅと導電性基板を直接貼り合わせ、且つレーザー光加熱の方式で透過式の走査溶接を行うことができる半導体素子のレーザー溶接装置及び方法を提供することであり、本発明は以下の利点を有する。
１．ＬＥＤ等の半導体素子のリフローにおいて克服しにくい問題を減少し、従来のチップ実装機、Ｒｅｆｌｏｗ装置に取って代わることができる。
２．回路基板の位置に応じて、チップ実装装置でチップに対してＰｉｃｋａｎｄＰｌａｃｅ作業を再び行うことが不要であり、チップ選別段階のＴａｐｅフィルムを真空下で貼り合わせることにより、直接大量で転移することができ、表示画面のような数千万個のチップの場合、速度はＰｉｃｋａｎｄＰｌａｃｅよりも数万倍も高く、多くの工程時間を節約することができる。
３．レーザー透過式の走査溶接技術では、チップがＴａｐｅと回路基板との間に挟まれ、且つ真空接着がチップと回路の間の圧着効果を果たすため、レーザー加熱温度の上昇曲線が速く、工程においてチップの反り等の不良がない。

上記目的を達成するための本発明は、半導体素子のレーザー溶接装置を提供する。本発明は、フレームと基板を貼り合わせることにより形成される製品を溶接するために用いられ、該フレームには、接着フィルム及び該接着フィルムに配列して設けられる複数の半導体素子が設けられ、該半導体素子のレーザー溶接装置は、溶接装置を備える。該溶接装置は、ベース主体を備え、該ベース主体には、該製品を載置する溶接ステージ及び溶接モジュールが設けられ、該溶接モジュールには、走査モジュール及びレーザー溶接ヘッドが設けられ、該走査モジュールは、該製品を走査し、該レーザー溶接ヘッドは、レーザビームを放射して該接着フィルムと該基板との少なくとも一方を透過する。

上記目的を達成するための本発明は、上記の半導体素子のレーザー溶接装置に提供される半導体素子のレーザー溶接方法をさらに提供する。本発明は、該半導体素子のレーザー溶接方法は、該第１位置決めステージが該基板を回転して第１所定の角度に位置合わせし、該第２位置決めステージが該フレームを回転して第２所定の角度に位置合わせし、該第１ピックアップ装置が該製品を形成するように該第１所定の角度に位置合わせした基板と該第２所定の角度に位置合わせしたフレームとの一方をピックアップして他方に貼り合わせる接着ステップと、該製品を該溶接ステージに配置し、該走査モジュールが該製品を走査して位置決めし、該レーザー溶接ヘッドが該複数の半導体素子に位置決めされて対応してレーザビームを放射して該接着フィルムと該基板との少なくとも一方を透過するように、該レーザー溶接ヘッドと該溶接ステージとの相対位置を相対的に移動することにより、該複数の半田を加熱して溶接する溶接ステップと、を含む。

本発明の好適な一実施例の接着装置の斜視図である。本発明の好適な一実施例の接着装置の平面図である。本発明の好適な一実施例の製品の模式斜視図である。本発明の好適な一実施例の製品の模式斜視図である。本発明の好適な一実施例の製品の模式側面図である。本発明の好適な一実施例の製品の模式側面図である。本発明の好適な一実施例の溶接装置の斜視図である。本発明の好適な一実施例の溶接装置の側面図である。本発明の好適な一実施例の溶接過程の模式図である。本発明の好適な一実施例の他の溶接過程の模式図である。本発明の好適な一実施例の接着装置の他の斜視図である。

以下、実施例を用いて本発明の実施態様を説明するが、これは、本発明の保護範囲を限定するものではない。

図１～図１１には、本発明の好適な一実施例が示されている。本発明の半導体素子のレーザー溶接装置は、フレーム９２と基板９１を貼り合わせることにより形成される製品９４を溶接するために用いられ、該フレーム９２には、接着フィルム９２１及び該接着フィルム９２１に配列して設けられる複数の半導体素子９２２が設けられ、該半導体素子のレーザー溶接装置は、溶接装置５を備える。

該溶接装置５は、ベース主体６を備える。該ベース主体６には、該製品９４を載置する溶接ステージ７及び溶接モジュール８が設けられ、該溶接モジュール８には、走査モジュール８１及びレーザー溶接ヘッド８２が設けられる。該走査モジュール８１は、該製品９４を走査し、該レーザー溶接ヘッド８２は、レーザビームを放射して該接着フィルム９２１と該基板９１との少なくとも一方を透過する。

本発明は、接着装置１をさらに備える。該接着装置１は、ベース２、基板検出機構３、フレーム検出機構４、及び第１ピックアップ装置１１を備える。該ベース２は、互いに垂直なＸ軸Ｌ１、Ｙ軸Ｌ２、及びＺ軸Ｌ３を定義する。該基板検出機構３は、該ベース２に設けられ、第１位置決めステージ３１及び第１検出モジュール３２を備える。該第１位置決めステージ３１は、Ｚ軸Ｌ３周りに回転可能であり、該基板９１を載置し、該基板９１には複数の導電回線９１１が設けられ、該第１検出モジュール３２は、該基板９１を走査して検出する。該フレーム検出機構４は、該ベース２に設けられ、第２位置決めステージ４１及び第２検出モジュール４２を備える。該第２位置決めステージ４１は、該Ｚ軸Ｌ３周りに回転可能であり、フレーム９２を載置しており、本実施例では、該半導体素子９２２はＬＥＤチップであり、該第２検出モジュール４２は、該フレーム９２を走査して検出し、該第２位置決めステージ４１は、該フレーム９２を回転させて第２所定の角度に位置合わせする。該導電回線９１１又は該複数の半導体素子９２２には複数の半田９３が予め設けられており、本実施例では、該複数の半田９３は、該複数の半導体素子９２２に設けられる。
該第１ピックアップ装置１１は、該製品９４を形成するように該第１所定の角度の基板９１と該フレーム９２との一方をピックアップして他方に貼り合わせる（本実施例では、該第１ピックアップ装置１１は、該フレーム９２をピックアップして該基板９１に貼り合わせる）。なお、本実施例では、該第１ピックアップ装置１１は、Ｘ軸Ｌ１及びＺ軸Ｌ３に沿って選択的に移動可能であり、該第１ピックアップ装置１１は、吸盤である。該第１ピックアップ装置１１が該基板９１と該フレーム９２を該Ｚ軸Ｌ３の方向に沿って貼り合わせることで、該フレーム９２の各該半導体素子９２２を該基板９１の該複数の導電回線９１１に正確に貼り合わせる。各該半田９３は、該半導体素子９２２及び該導電回線９１１にそれぞれ接触する。

本発明は、上記の半導体素子のレーザー溶接装置に提供される半導体素子のレーザー溶接方法をさらに提供し、以下のステップを含む。
接着：該第１位置決めステージ３１は、該基板９１を回転して第１所定の角度に位置合わせし、該第２位置決めステージ４１は、該フレーム９２を回転して第２所定の角度に位置合わせし、該第１ピックアップ装置１１は、該製品９４を形成するように該第１所定の角度に位置合わせした基板９１と該第２所定の角度に位置合わせしたフレーム４との一方をピックアップして他方に貼り合わせる（本実施例では、該第１ピックアップ装置１１は、該フレーム９２をピックアップして該基板９１に貼り合わせる）。なお、本実施例では、該接着装置１には、接着後に該基板９１と該フレーム４を監視して該複数の半導体素子９２２が該複数の導電回線９１１に順調に貼り合わせられることを確認するための接着監視モジュール１６（図１１に示されるように）がさらに設けられる。
溶接：該製品９４を該溶接ステージ７に配置し、該走査モジュール８１は、該製品９４を走査して位置決めし、且つ、該レーザー溶接ヘッド８２が該複数の半導体素子９２２に位置決めされて対応してレーザビームを放射して該接着フィルム９２１と該基板９１の少なくとも一方を透過するように、該レーザー溶接ヘッド８２と該溶接ステージ７との相対位置を相対的に移動することにより、該複数の半田９３を加熱して溶接する。
図９に示されるように、該基板９１が光透過性材質（たとえば、光透過性のセラミック板、ガラス板、ＰＣＢ板、又はサファイア板）である場合、該製品９４が該基板９１を該レーザー溶接ヘッド８２に向かうように作業してもよく、レーザビームは、該基板９１を透過して溶接作業を行うことができる。該基板９１が光不透過性材質（たとえば、光不透過性のセラミック板、シリコン結晶板、又はＰＣＢ板）である場合、図１０に示されるように、該製品９４が該接着フィルム９２１を該レーザー溶接ヘッド８２に向かうように作業しなければならず、レーザビームは、該接着フィルム９２１を透過して溶接作業を行い、該基板９１の実際の材質に応じて作業することができる。該接着フィルム９２１の材質は、ＰＥブルーフィルム、ＵＶフィルム、又は他の光透過性及び可撓性の接着フィルムであってもよい。該複数の半導体素子９２２は、接着剤を塗布せずに該接着フィルム９１１に接着することができるため、工程が簡素化される。該複数の半田９３は、印刷、接着材塗布、メッキ、又はエッチングの方式で該複数の半導体素子に設けられてもよく、これにより、効率を向上させる。好ましくは、該レーザビームの波長は０．２ｕｍ～１１ｕｍであり、この場合、接着フィルム９２１と該基板９１を透過する最適な効果を有し、これにより、該複数の半田９３が確実に加熱される。その電力密度の範囲は１ＫＷ／ｃｍ^２～１０ＭＷ／ｃｍ^２であり、加熱時間は０．０１～２０００ミリ秒である。本実施例では、最適な電力密度は１００ＫＷ／ｃｍ^２であり、加熱時間は０．０５ミリ秒である。レーザー加熱過程において、レーザーをパルス式に調整することができ、その周波数範囲は１～１００ＫＨｚであり、最適な条件は４ＫＨｚであり、デューティ比は１５％である。本実施例では、該溶接モジュール８は、レーザー制御カードを使用して電子信号をレーザー源に送信し、レーザー周波数、デューティ比、エネルギー範囲を調整する。

具体的には、該ベース主体６には、該Ｘ軸Ｌ１に延びる第１レール６１及び該Ｙ軸Ｌ２に延びる第２レール６２がさらに設けられ、該第２レール６２が該第１レール６１に摺動可能に設けられる。該溶接ステージ７が該第２レール６２に摺動可能に設けられることにより、該溶接ステージ７は、該溶接モジュール８に対して該Ｘ軸Ｌ１及びＹ軸Ｌ２に沿って移動可能である。それにより、該溶接モジュール８の走査モジュール８１は、該製品９４を走査して位置合わせすることができる。

さらに、該レーザー溶接ヘッド８は、該走査モジュール８１により走査された該複数の半導体素子９２２及び該複数の導電回線９１１の分布位置及び情報に応じて、レーザビームの照射位置及び分布を設定してもよく、又は半導体メーカーが予め設定した溶接位置の情報に応じて溶接してもよく、又は実際の使用ニーズに応じて溶接作業を行ってもよいが、これらに限定されない。
また、該レーザー溶接ヘッド９２は、集束及びコリメートの機能を有し、レーザビームを半田９３に集束させることができる。熱伝導による該半導体素子９２２の昇温効率は遅いため、半導体素子９２２が過熱して破損されることを防止し、詳細には、レーザー走査座標を取得する方法において、該複数の導電回線９１１の回路の特徴点に応じて転正位置合わせし、基準開始座標を取得し、加工するために以下の３種の座標取得方法がある。
１．該第１検出モジュール３２及び該第２検出モジュール４２により、該基板９１及び該フレーム９２に対して全領域画像の走査位置決めを行って該複数の半田９３の座標を取得し、該走査モジュール８１は、この座標に応じて移動して加工する。
２．回線図の座標に組み込み、該走査モジュール８１は、この座標に応じて移動して加工する。
３．アレイ数、間隔距離を入力して、該走査モジュール８１は、この座標に応じて移動して加工する。

また、該溶接モジュールには、集束ユニット８３がさらに設けられる。該集束ユニット８３は、溶接ステージ７の平面をレーザー最小集束の基礎原点とすることができ、該基板９１の厚さ、該複数の半田９３の直径を考慮して入力し、光学集束設計を計算基礎としてレーザー集束位置を自動的に調整し、レーザーの断面への集光を原理とし、該複数の導電回線９１１の接合点全領域を含むことを概念として焦点外れを調整する。

本実施例では、該ベース主体６には、該溶接ステージ７に対して該Ｚ軸Ｌ３に沿って移動可能な昇降装置６３がさらに設けられ、該溶接モジュール８は、該昇降装置６３に設けられることによって昇降する。

本実施例では、該ベースには、基板ピックアップビーム１２及び第１粗位置決めステージ１４がさらに設けられる。該基板ピックアップビーム１２は、先ず該基板９１を該第１粗位置決めステージ１４に配置して粗位置合わせし、その後、該基板９１を該第１位置決めステージ３１に配置する。それにより、該第１位置決めステージ３１の作業時間を節約することができる。

該ベース２には、フレームピックアップアーム１３及び中継プラットフォーム１５がさらに設けられる。該中継プラットフォーム１５及び該フレームピックアップアーム１３は、該Ｙ軸Ｌ２方向に沿って移動可能であり、該フレームピックアップアーム１３は、フレームカセット座９６から該フレーム９２をピックアップして該中継プラットフォーム１５に配置する。該第１ピックアップ装置１１は、該フレーム９２を該中継プラットフォーム１５からピックアップして該第２位置決めステージ４１に配置し、該第１ピックアップ装置１１は、さらに該製品９４を該第２位置決めステージ４１からピックアップして該中継プラットフォーム１５に戻す。該フレームピックアップアーム１３は、レーザー溶接工程に使用するように該製品９４を該中継プラットフォーム１５からピックアップして該フレームカセット座９６に配置する。本実施例では、該フレームピックアップアーム１３は、クランプ１３１であり、該フレームピックアップアーム１３は、該Ｙ軸Ｌ２に沿って選択的に移動可能である。

なお、本実施例では、該第１検出モジュール３２及び該第２検出モジュール４２は、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサーである。該第１検出モジュール３２は、正確に位置合わせする効果を達成するために、該基板９１の導電回線９１１を走査して位置合わせし、該第２検出モジュール４２は、該複数の半導体素子９２２の配列を走査して位置合わせする。

上記のとおり、本発明の半導体素子のレーザー溶接装置及び方法は、該フレームに配列される該複数の半導体素子を該基板の該導電回線に高速に貼り合わせ、レーザー溶接を行って該複数の半導体素子と該複数の導電回線を溶接することができ、接着フィルムを利用して、大量（数千～数千万個）の１～８０ミルのようなサイズの小さい半導体素子を一回で貼り合わせ、且つレーザー溶接により大量の半導体素子を溶接することができる。従って、半導体産業の工程の速度を向上させ、コストを低減させることができる。

１接着装置
２ベース
３基板検出機構
４フレーム検出機構
５溶接装置
６ベース主体
７溶接ステージ
８溶接モジュール
１１第１ピックアップ装置
１２基板ピックアップビーム
１３フレームピックアップアーム
１４第１粗位置決めステージ
１５中継プラットフォーム
１６接着監視モジュール
１３１クランプ
３１第１位置決めステージ
３２第１検出モジュール
４１第２位置決めステージ
４２第２検出モジュール
６１第１レール
６２第２レール
６３昇降装置
８１走査モジュール
８２レーザー溶接ヘッド
８３集束ユニット
９１基板
９２フレーム
９３半田
９４製品
９６フレームカセット座
９１１導電回線
９２１接着フィルム
９２２半導体素子
Ｌ１Ｘ軸
Ｌ２Ｙ軸
Ｌ３Ｚ軸

Claims

半導体素子のレーザー溶接装置であって、
フレームと基板を貼り合わせることにより形成される製品を溶接するために用いられ、該フレームには、接着フィルム及び該接着フィルムに配列して設けられる複数の半導体素子が設けられ、
ベース主体を備える溶接装置を備え、該ベース主体には、該製品を載置する溶接ステージ及び溶接モジュールが設けられ、該溶接モジュールには、走査モジュール及びレーザー溶接ヘッドが設けられ、該走査モジュールは、該製品を走査し、該レーザー溶接ヘッドは、レーザビームを放射して該接着フィルムと該基板との少なくとも一方を透過し、
接着装置をさらに備え、
該接着装置は、ベース、基板検出機構、フレーム検出機構、及び第１ピックアップ装置を備え、
該ベースは、互いに垂直なＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を定義し、
該基板検出機構は、該ベースに設けられて、第１位置決めステージ及び第１検出モジュールを備え、該第１位置決めステージは、Ｚ軸周りに回転可能であり、該基板を載置し、該基板には複数の導電回線が設けられ、該第１検出モジュールは、該基板を走査して検出し、
該フレーム検出機構は、該ベースに設けられ、第２位置決めステージ及び第２検出モジュールを備え、該第２位置決めステージは、該Ｚ軸周りに回転可能であり、該フレームを載置し、該第２検出モジュールは、該フレームを走査して検出し、
該導電回線又は該複数の半導体素子には複数の半田が予め設けられ、
該第１ピックアップ装置は、該基板と該フレームとの一方をピックアップして他方に貼り合わることで、製品を形成するように該フレームの各該半導体素子を該基板の該複数の導電回線に貼り合わせ、
各該半田は、該半導体素子及び該導電回線にそれぞれ接触し、
該ベースには、フレームピックアップアーム及び中継プラットフォームがさらに設けられ、
該中継プラットフォーム及び該フレームピックアップアームは、該Ｙ軸方向に沿って移動可能であり、
該フレームピックアップアームは、フレームカセット座から該フレームをピックアップして該中継プラットフォームに配置し、
該第１ピックアップ装置は、該フレームを該中継プラットフォームからピックアップして該第２位置決めステージに配置し、
該第１ピックアップ装置は、さらに該製品を該第２位置決めステージからピックアップして該中継プラットフォームに戻し、
該フレームピックアップアームは、該製品を該中継プラットフォームからピックアップして該フレームカセット座に配置し、
該半導体素子が接着剤を介さずに該接着フィルムに直接貼着し、
レーザビームが該接着フィルム又は該基板を透過して照射し、該半導体素子と該導電回線の間の該半田に焦点を合わせて加熱する、
半導体素子のレーザー溶接装置。
該ベース主体には、該Ｘ軸に延びる第１レール及び該Ｙ軸に延びる第２レールがさらに設けられ、該第２レールが該第１レールに摺動可能に設けられ、該溶接ステージが該第２レールに摺動可能に設けられることにより、該溶接ステージが該溶接モジュールに対して該Ｘ軸及びＹ軸に沿って移動可能であり、該ベース主体には、該溶接ステージに対して該Ｚ軸に沿って移動できる昇降装置がさらに設けられ、該溶接モジュールは、該昇降装置に設けられる、請求項１に記載の半導体素子のレーザー溶接装置。
該レーザー溶接ヘッドは、該走査モジュールにより走査された該複数の半導体素子及び該複数の導電回線の分布位置及び情報に応じて、レーザビームの照射位置、分布を設定する、請求項１に記載の半導体素子のレーザー溶接装置。
該フレームピックアップアームはクランプであり、該フレームピックアップアームは、該Ｙ軸に沿って選択的に移動可能である、請求項１に記載の半導体素子のレーザー溶接装置。
該第１ピックアップ装置は、Ｘ軸及びＺ軸に沿って選択的に移動可能であり、該第１ピックアップ装置は、吸盤であり、該基板と該フレームを該Ｚ軸の方向に沿って貼り合わせる、請求項１に記載の半導体素子のレーザー溶接装置。
該第１検出モジュールは、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサーであり、該基板の導電回線を走査して位置合わせし、該第２検出モジュールは、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサーであり、該複数の半導体素子の配列を走査して位置合わせする、請求項１に記載の半導体素子のレーザー溶接装置。
請求項１、３～６のいずれか１項に記載の半導体素子のレーザー溶接装置に提供される半導体素子のレーザー溶接方法であって、
該第１位置決めステージが該基板を回転して第１所定の角度に位置合わせし、該第２位置決めステージが該フレームを回転して第２所定の角度に位置合わせし、該第１ピックアップ装置が該製品を形成するように該第１所定の角度に位置合わせした基板と該第２所定の角度に位置合わせしたフレームの一方をピックアップして他方に貼り合わせる接着ステップと、
該製品を該溶接ステージに配置し、該走査モジュールが該製品を走査して位置決めし、該レーザー溶接ヘッドが該複数の半導体素子に位置決めされて対応してレーザビームを放射して該接着フィルムと該基板との少なくとも一方を透過するように、該レーザー溶接ヘッドと該溶接ステージとの相対位置を相対的に移動することにより、該複数の半田を加熱して溶接する溶接ステップと、を含む、
半導体素子のレーザー溶接方法。
該溶接モジュールには、集束ユニットがさらに設けられ、該集束ユニットは、溶接ステージの平面をレーザー最小集束の基礎原点とすることができ、該基板の厚さ、該複数の半田の直径を考慮して入力、光学集束設計を計算基礎としてレーザー集束位置を自動的に調整し、レーザーの断面への集光を原理とし、該複数の導電回線の接合点全領域を含むことを概念として焦点外れを調整する、請求項７に記載の半導体素子のレーザー溶接方法。