TW201247070A - Semiconductor-chip bonding apparatus - Google Patents

Description

201247070 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種半導體晶片接合設備，並且尤其係關 於一種半導體晶片接合設備，其中半導體晶片可被更精確地 對準並且安裝於印刷電路板上。 【先前技術】 為了實際使用在晶圓上製造的半導體裝置，半導體裝置 必須被從晶圓上切割下來成為晶片單元並且製造成為封 裝。半導體封裝不僅機械地支撐和固定半導體晶片並且保護 半導體晶片不受外界影響，還向半導體晶片提供電連接路徑 和熱量排放路徑。 早期’半導體封裝普遍將引線框用作封裝基材以用於機 械地且電性地連接半導體晶片和外部系統。然而，隨著輸入 /輸出接腳的數目的增加和操作速度的加快，使用引線框的半 導體封裝達到了極限。因此，已開發球柵陣列封裝作為使用 引線框的半導體封裝的替代品。 球栅陣列封裝利用印刷電路板而非引線框作為封裝基 材’以及利用微凸塊而非引線框的外部引線作為連接端子。 由於與一維地佈置的外部引線不同，微凸塊二維地佈置在印 刷電路板的表面上，所以有可能跟隨輸入/輸出接腳的數目和 201247070 操作速度的與日俱增的趨勢。 從此，已開發各種類型的半導體封裝以滿足對輕量、薄 型、簡易且小巧半導體封裝的需求的增長，並且考慮至半導 體晶片的大小和厚度以及半導體晶片和印刷電路板的連接 密度等，亦已經使用諸如柱凸塊以及微凸塊的各種類型的連 接端子。 圖1圖示半導體晶片和印刷電路板。 右將半導體晶片10的凸塊i丨和印刷電路板2〇的印刷端子 21對準，並且接著在保持此對準狀態的同時將凸和端子 21彼此接合’則完成將半導體晶片1〇安裝至印刷電路板2〇上 的階段而無須任何中間階段（諸如慣用的連線接合）。 然而’隨著半導體封裝的整合度增加，半導體晶片11中 的凸塊11之間的微細間距和凸塊11的高密度在半導體晶片 安裝至印刷電路板時需要高位置精度。雖然一般半導體封裝 需要約10 μιη的位置精度，但是具有增大的整合度的半導體 封裝需要約5 μιη的更高的位置精度。 此慣用的半導體晶片接合設備有以下問題：在將半導體 晶片安裝至印刷電路板時並未有效地控制用於轉移或旋轉 印刷電路板的基材驅動單元，並且因此半導體晶片與印刷電 路板之間的裝配誤差超過具有高集成度的半導體封裝的允 許誤差。 201247070 【發明内容】 因此’構想了本發明爽經沐 赏力术解决刖述問題，並且本發明的一 態樣在於提供一種丰if s g 粳牛導體曰曰片接合設備，其中將用於在將半 導體晶片安裝至印刷雷软_ α > ρ刷電路板時轉移或旋轉印刷電路板的基 材驅動單元分成分別適用於半導體晶片和印刷電路板的裝 配階段的兩個驅動器，從而降低基材驅動單元的預計成本並 且最小化半導體晶片與印刷電路板之間的裝配誤差。 根據本發明的示範性實施例’提供了一種用於接合半導 體晶片的設備，為了將半導體晶片接合至印刷電路板，該設 備包括：晶片吸附單元，該晶片吸附單元在初始位置處吸附 半導體晶片並且在半導體晶片被安裝至印刷電路板的安裝 位置處释放半導體晶片的吸附；基材支撐板，該基材支撐板 與晶片吸附單元的初始位置間隔開並且支撐印刷電路板；晶 片轉移單7C，該晶片轉移單元轉移晶片吸附單元；和基材驅 動單元，該基材驅動單元轉移或旋轉基材支標板，其中基材 驅動單元包含：第一驅動器，該第一驅動器在水平方向上轉 移基材支撐板以便將印刷電路板轉移至安裝位置；和第二驅 動器，該第二驅動器搞合至第一驅動器並在水平方向上轉移 基材支撐板或關於與水平方向相交的方向旋轉基材支樓 板，以便透過關於印刷電路板的對準標記的資訊而調節印刷 電路板，從而對準於安裝位置處，設備進一步包含傾角調節 201247070 器’該傾角調節器調節基材切板的傾角以使得半導體 可在半導體晶片和印刷電路板的接觸表面彼此平行的 下安裝至印刷電路板。

QB 狀 片 態 晶片吸附單元可包括吸附半導體晶片的吸附器、上下移 。吸附器的向上/向下移動驅動器和旋轉吸附器的旋轉驅動 器’並且向上/向下移動驅動器可包括：軸直線電動機，該轴 直線電動機包括定子和轉子，該轉子相對定子移動並且吸 附器固定地錢_子；和彈性構件，料性構料性地促 使定子和轉子在彼此接近的方向上移動。 吸附器可包括.第一構件，該第一構件接觸半導體晶片； 第二構件’該第二構件與第一構件間隔開並且耦合至第一構 件’和間隔調節H ’該間隔調節器在第—構件與第二構件之 間的局部位置中調節卜構件與第二構件之間的間隔。 如上文所描述，根據上述半導體晶片接合設備，降低基 材驅動早70的預計成本和最小化半導體晶片與印刷電路板 之間的裝配誤差是可能的。 而且，根據上述半導體晶片接合設備，增加向上/向下移 動驅動1§的回應速度和促進位置控制、轉矩控制或類似模式 切換是可能的》 、 另外，根據上述半導體晶片接合設備，有可能消除在半 導體晶片和印刷電路板的兩個接觸表面相對於彼此傾斜時 201247070 發生的安裝誤差。 【實施方式】 在下文，將參考附圖來描述根據本發明的半導體晶片接 合設備的示範性實施例。 圖2為示意性地圖示根據本發明的示範性實施例的半導 體晶片接合設備的視圖；圖3為圖2的半導體晶片接合設備中 的晶片吸附單元的棱截面圖；圖4和圖5為圖示圖2的半導體 曰曰片接合設備如何操作的視圖；圖6為解釋圖2的半導體晶片 接合設備中的第一驅動器和第二驅動器的用途的視圖；以及 圖7為圖示圖2的半導體晶片接合設備中的傾角調節器如何 操作的視圖。 參考圖2至圖7，根據此示範性實施例的半導體晶片接合 没備是用以在將晶片級封裝的半導體晶片j 〇安裝至印刷電 路板20時最小化半導體晶片1 〇與印刷電路板2〇之間的安裝 誤差。半導體晶片接合設備包括晶片吸附單元1〇〇、基材支 撐板200、傾角調節器21〇、晶片轉移單元3〇〇、基材驅動單 元40〇、第一光學單元510和第二光學單元520。 晶片吸附單元100在初始位置處吸附半導體晶片，並且在 半導體晶片10被安裝至印刷電路板2〇的安裝位置處釋放半 導體晶片10的吸附。晶片吸附單元100包括吸附器110、向上 201247070 /向下移動驅動器l20、軸140和旋轉驅動器15〇。 參考圖3，吸附器no吸附半導體晶片1〇,其中利用真空 吸附來保持半導體晶片10。吸附器11〇利用真空吸附在裝載 並移動半導體晶片10時吸附並保持半導體晶片1〇，並且吸附 器110在將半導體晶片1〇取下至印刷電路板2〇上時釋放真空 吸附以分離半導體晶片10和吸附器11〇。 吸附器110包括：第-構件lu，第—構件lu與半導體晶 片接觸；第二構件112，第二構件112與第一構件U1間隔開 並且耦合至第一構件111;和間隔調節器113，間隔調節器"3 在第-構件⑴與第二構件112之間的局部位置中調節第一 構件111與第二構件112之間的間隔。 與固定至軸140的第二構件對照，藉由間隔調節器⑴在 第-構件111的垂直位置中局部地調節第―構件⑴，以便可 調節距第二構件112的間隔。此舉是為了在第—構件⑴的接 觸表面和半導體晶片10的接觸表面彼此平行的狀態下吸附 +導體晶片10。若將第一構件lu的傾角調節成與半導體晶 片10的傾斜表面相應，則可將壓縮力均句地賦予半導體曰片 10與印刷電路板2G之間的接合表面。亦即，壓縮力不^中 在某一部分而是均勻地分佈，以佶溫 使仔可壓縮半導體晶片10和 印刷電路板20而不必擔心損壞。 在此示範性實施例 201247070 螺拴（未圖示），該螺栓搞合第一構件與第二構件112;和 刮削板螺栓（未圖示），該刮削板螺栓調節第—構件^與 第二構件112之間的間隔。 ^ 第一構件111關於球形構件114向前、向後、向左或向右 傾斜並且部分地調節距第二構件112的間隔。在向前、向後、 向左和向右方向上提供刮削板螺栓以便可在與到削板螺栓 接觸的位置處細微地調節第一構件丨丨i與第二構件i 12之間 的間隔，從而大體地調節第一構件i丨丨的傾角。 向上/向下移動驅動器120耦合至吸附器u〇並且驅動吸 附器110上下移動。在此示範性實施例中，向上/向下移動驅 動器120包括軸直線電動機和彈性構件124。在此示範性實施 例中，音圈電動機121用作軸直線電動機，並且音圈電動機 121包括定子122和轉子123，轉子123相對定子122移動，並 且吸附器110固定地安裝至轉子123。彈性構件124使定子122 和轉子12 3在彼此接近的方向上彈性地返回。 若施加電力至音圈電動機121，則轉子123在遠離定子122 的方向上移動，並且因此吸附器11〇向下移動。若切斷供應 至音圈電動機121的電力，則在轉子123與定子122之間不再 出現電磁力，並且因此彈性構件124彈性地促使轉子123在接 近定子122的方向上移動，從而使吸附器110向上移動。 軸140包括耦合至吸附器11〇的頂部的一個末端和耦合至 旋轉驅動器150 (稍後描述）的另一末端。轴140在穿透定子 201247070 122的同時可滑動，並且同時在穿透轉子ι23的同時固定至轉 子123。轴140内設有通孔，透過該通孔，藉由吸附器u〇吸 入的空氣向外轉移以便吸附半導體晶片1 〇。 旋轉驅動器150编合至轴140的另一端並且使吸附器11〇 旋轉。旋轉驅動器150與向上/向下移動驅動器12〇對準，並且 旋轉驅動器150在使用半導體晶片10的對準標記對準半導體 晶片10時旋轉半導體晶片i 〇。 在此示範性實施例中，旋轉驅動器15〇包括步進電動機和 諧波驅動器。若將普通直流（DC)電動機用於旋轉驅動器 150，則可能出現以下問題：由於〇(：電動機的靜轉矩不大， 吸附器11〇在半導體晶片10和印刷電路板2〇按模式開關13〇 的轉矩控制模式壓縮時旋轉。因此，在此示範性實施例中， 使用靜轉矩相對較大的步進電動機來解決以上問題，並且諧 波驅動器亦有助於改進位置精度和靜轉矩。 基材支撐板200被佈置成與晶片吸附單元100的初始位置 間隔開，並且基材支撐板200支撐印刷電路板20。基材支撐 板200進步包括真空吸附單元（未圖示），該真空吸附單 兀用於吸附和保持安放在基材支撐板2〇〇的頂部上的印刷電 路板20。真空吸附單元在為安放在基材支撐板2〇〇上的印刷 電路板20的對準標記拍照時或在將半導體晶片1〇接合至印 刷電路板20時吸附並保持印刷電路板2〇 ,使印刷電路板不 與基材支樓板200分離或不改變位置。 201247070 傾角調節器210調節基材支標板200 (印刷電路板2〇安放 在基材支撐板200上）的傾角，以使得半導體晶片1〇可在半 導體晶片1 0和印刷電路板20的兩個接觸表面彼此平行的狀 態下安裝至印刷電路板20。若在半導體晶片10和印刷電路板 20的兩個接觸表面相對於彼此傾斜的狀態下安裝半導體晶 片’則大於幾十μιη的誤差將出現並超過接合設備的允許誤 差°因此’為了最小化半導體晶片1 〇與印刷電路板2〇之間的 女裝誤差’半導體晶片1 〇和印刷電路板2〇的兩個接觸表面必 須保持彼此平行。 如圖7中所圖示，傾角調節器21〇設在基材支撐板2〇〇的下 側的二個或四個拐角中的每一個拐角中，傾角調節器21〇包 括第一傾角構件211、第二傾角構件212、驅動器213和導向 構件214。第一傾角構件211具有一個傾斜表面，並且第二傾 角構件212具有傾斜並接觸第一傾角構件211的一個表面（此 表面面向第一傾角構件211的該一個表面）和耦合至基材支 撐板200的另一表面。而且，驅動器213將第一傾角構件211 推向第二傾角構件212’並且垂直地提供導向構件214來引導 被第一傾角構件211向上推動的第二傾角構件2 12在向上和 向下的方向上移動。 如圖7的（b)中所圖示，有可能藉由重複向上或向下推 動第二傾角構件212的操作來調節基材支撐板2〇〇在第二傾 角構件的安裝位置處的高度。在基材支撐板2〇0的下側上的 複數個位置處執行此類操作，以使得半導體晶片〖〇可在半導 12 201247070 體晶片i 〇和印刷電路板2 〇的兩個接觸纟面在整個表面上彼 此平行的狀態下安裝至印刷電路板2〇。 曰曰片轉移單兀300在水平方向上轉移晶片吸附單元， 亦即曰曰片轉移單兀* 300在半導體晶片1〇由吸附器11〇吸附時 在平面上在彼此相交的兩個方向上轉移半導體晶片1〇。晶片 轉移單70 300包括作為驅動源的直線電動機耦合至直線電 動機的基底、引導基底直線性地移動的直線導執、給予關於 基底的停止位置的回饋以便提高位置精度的編瑪器等等。關 於直線轉移單元的此類配置已為所屬領域的技術人員熟 知，並且因此將省略此類配置的詳細描述。 基材驅動單元400轉移或旋轉基材支禮板2〇〇,並且基材 驅動單元彻包括第一驅動器41〇和第二驅動器42〇。若吸附 半導體晶片10的晶片吸附單元！⑽到達基材支標板2〇〇的上 側’則在晶片吸附單元⑽保持靜止的同時藉由移動基材支 樓板200來調節半導體晶片1〇與印刷電路板別之間的安裝位 置。將基材支撑板200的此㈣於調節安裝位置的移動粗略 地劃分為兩部分。 如圖6的U)巾所㈣’若存在用於將半導體晶片呢 裝至印刷電路板2〇的複數個安裝位置並且複數個半導體晶 片分別被安裝至複數個安裝位置，則一部分移動是移動基 材支擇板200,以使得晶片吸附單元⑽可從安裝位置！（參 考圖Ο的上側移動至安裝位置2 (參考圖6)的上側。對於 13 201247070 此移動，而要具有相對長的行程的驅動器，但由於基材支撐 板200在不同安裝位置之間移動，所以不需要高位置精度。 第一驅動器410用以執行以上移動，第一驅動器41〇水平 地移動基材支撐板200以使得晶片吸附單元1〇〇可定位於印 刷電路板20上的安裝位置中的每一安裝位置處。 如圖6的（b)中所圖示，若晶片吸附單元1〇〇定位於印刷 電路板2G上的所需安裝位置上方，並且半導體晶片刚皮向下 移動以壓縮半導體晶片10和印刷電路板2〇，則另一部分移動 是精密地轉移或旋轉基材支撑板綱以便在半導體晶片⑺向 下移動時對準半導體晶片1G與印刷電路板2()。可透過關於印 刷電路板20的對準標記的影像資訊來控制此移.對於此移 動’需要不僅具有相對短的行程亦具有高位置精度的驅動 器。 第二驅動器420用以執行以上移動，第二驅動器42〇躺合 至第-驅動器410的上部。第二驅動器42〇在水平方向（亦 即，方向，參考圖6)上轉移基材支撐板2〇〇或使基材支 撐板2_㈣水平方向相交的方向（亦即，—向，參考圖 6)旋轉，從而調節印刷電路板2〇的位置以在安裝位置中與 半導體晶片10對準。 因此，在此示範性實施例中，基材驅動單元400包括具有 不同位置精度的兩個驅動器’因為在將半導體晶片安裝至 印刷電路板20時需要不同位置精度。具有長行程和高位置精 201247070 度的單一驅動器必定是昂貴的。铁 中，分別提供具有相對長的行程和:而，在此示範性實施例 ^ 程和相對低的位置精度的第一 驅勁器410和具有相對短的行避心心 相對高的位置精度的第二 驅動器420來組成基材驅動單元 勒早兀400，從而降低成本。 在此示範性實施例中的第— 驅動15 410和第二驅動器420 中的母一個可配置成包括作 忭马驅動源的直線電動機、叙a至 直線電動機的基底、引導基&I# 口 签低直線性移動的直線導軌、給予 關於基底的停止位置的回饋以僮裎古 1 更徒回位置精度的編碼器等 等。 第-光學單元510用以對設在半導體晶片1〇上並且彼此 間隔預线離的-對對準標記拍照。第_光學單元5ι〇關於 水平方向佈置在初始位置處的晶片吸附單元1〇〇與基材支撐 板200之間，並且關於垂直方向佈置在晶片吸附單元ι〇〇的下 方。第一光學單元5 10包括一對照相機。 第二光學單元520用以對設在印刷電路板2〇上並且彼此 間隔預定距離的一對對準標記拍照。第二光學單元520佈置 在基材支撐板200上方。同樣’第二光學單元52〇包括一對照 相機。 參考圖4和圖5，吸附器110吸附半導體晶片1〇，並且晶片 轉移單元300不停地將吸附半導體晶片10的吸附器110向基 材支撐板200移動。 15 201247070 接著，在半導體晶片10穿過第一光學單元510上方時，第 一光學單元510為半導體晶片10的對準標記拍照。由於半導 體晶片10不停地朝基材支撐板2〇〇移動，所以即使當第一光 予單元510為半導體晶片1〇的對準標記拍照時，半導體晶片 10亦在前往基材支撐板200的途中。 同時，第二光學單元520為安放在基材支撐板2〇〇上的印 刷電路板20的對準標記拍照。可在起始於初始位置的晶片吸 附單元100到達基材支撐板200之前執行為印刷電路板2〇的 對準標記拍照的操作。 接著’在晶片轉移單元300從第一光學單元51〇移動至基 材支撐板200的同時，對準半導體晶片1〇的對準標記和印刷 電路板20的對準標記，以便可對準半導體晶片1〇和印刷電路 板20。此時，使用第一光學單元51〇拍攝的半導體晶片1〇的 對準標記的影像和第二光學單元520拍攝的印刷電路板2〇的 對準標記的影像，補償對準標記之間的Θ軸向的偏差和x以及 y轴向（axial direction)上的分隔距離，並且基於補償資訊 移動或旋轉半導體晶片10和印刷電路板2〇。 如上文所描述，根據半導體晶片接合設備，將用於在將 半導體晶片安裝至印刷電路板時轉移或旋轉印刷電路板的 基材驅動單元分成分別適用於半導體晶片和印刷電路板的 裝配階段的兩個驅動器，從而降低基材驅動單元的預計成本 並且最小化半導體晶片與印刷電路板之間的裝配誤差。 16 201247070 而且，根據半導體晶片接合設備，將軸直線電動機用作 用於上下移動半導體晶片的向上/向下移動驅動器從而增加 向上/向下移動驅動器的回應速度，並且促進位置控制、轉矩 控制或類似模式切換。 另外’根據半導體晶片接合設備’提供用於調節基材支 樓板（印刷電路板安放在此基材支撑板上）的㈣的傾角調 節器’以使得半導體晶片可在半導體晶片和印刷電路板的兩 個接觸表面彼此平行的狀態下安裝至印刷電路板，從而消除 在半導體晶片和印刷電路板的兩個接觸表面相對於彼此傾 斜時發生的安裝誤差。 雖然已圖示並描述了本發明的少數示範性實施例，但所 屬領域的技術人員應該轉，可以在不脫離本發明的原理和 精神的情況下對該等實施例作出改變，在所附專利中請範圍 和專利申請範圍等效物中定義本發明的範圍。 【圖式簡單說明】 根據示範性實施例的以下描述，結合附圖’本發明的以 上和/或其他態樣將變得顯而易見且更易理解，其中： 圖1為圖不半導體晶片和印刷電路板的視圖； 圖2為示意性地圖示根據本發明的示範性實施例的半導 體晶片接合設備的視圖； 17 201247070 圖3為圖2的半導體晶片接合設備中的晶片吸附單元的橫 截面視圖； 圖4和圖5為圖示圓2的半導體晶片接合設備如何操作的 中的第一驅動器和 圖6為解釋圖2的半導體晶片接合設備 第二驅動器的用途的視圖；以及 調節器 圖7為圖示圖2的半導體晶片接合設備中的傾角 如何操作的視圖。 【主要元件符號說明】 10半導體晶片 11 凸塊 20 印刷電路板 21印刷端子 100晶片吸附單元 110吸附器 111第一構件 112第二構件 113間隔調節器 114球形構件 120向上/向下移動驅動器 121音圈電動機 18 201247070 122定子 123轉子 124彈性構件 140軸 150旋轉驅動器 200基材支撐板 2 1 0傾角調節器 2 11第一傾角構件 212第二傾角構件 213驅動器 214導向構件 300晶片轉移單元 400基材驅動單元 410第一驅動器 420第二驅動器 510第一光學單元 520第二光學單元

Claims (1)

1. 201247070 七、申請專利範圍： 1. 一種用於接合一半導體晶片的設備’為了將該半導體晶 片接合至印刷電路板，該設備包含：一晶片吸附單元，該晶 片吸附單元在一初始位置處吸附一半導體晶片並且在該半 導體晶片被安裝至一印刷電路板的一安裝位置處釋放該半 導體晶片的該吸附；一基材支撐板，該基材支撐板與該晶片 吸附單元的該初始位置間隔開並且支撐該印刷電路板；一晶 片轉移單元，該晶片轉移單元轉移該晶片吸附單元；和一基 材驅動單元，該基材驅動單元轉移或旋轉該基材支撐板， 其中該基材驅動單元包含：一第一驅動器，該第一驅動 器在一水平方向上轉移該基材支撐板以便將該印刷電路板 轉移至該安裝位置；和一第二驅動器，該第二驅動器耦合至 該第一驅動器並在一水平方向上轉移該基材支撐板或關於 和該水平方向相交的一方 於該印刷電路板的一對準 而對準於該安裝位置處， 一方向旋轉該基材支撐板，以便透過關 對準標記的資訊調節該印刷電路板，從 該設備進一步包含— 傾角調節器’該傾角調節器調節該

   刷電路板。 如請求項1所述之設備 20 201247070 該晶片吸附單元包含吸附該半導體晶片的一吸附器、上 下移動該吸附器的一向上/向下移動驅動器和旋轉該吸附器 的一旋轉驅動器，以及 該向上/向下移動驅動器包含：一軸直線電動機，該軸直 線電動機包含一定子和一轉子，該轉子相對該定子移動並 且該吸附器固定地安裝至該轉子；和一彈 件彈性地促使該定子和該料在彼此接近的方向上//。構 明，項2所述之設備，其中該吸附器包含：一第一 構件，該第—構件接觸該半導體晶U二構件，該第二 =2該第—構件間隔開並絲合至該第—構件；和一間隔 部二中3隔調節器在該第-構件與該第二構件之間的局 中調卽該第-構件與該第二構件之間的—間隔。 21