TW201312681A - 用於半導體晶片取放及鍵合之方法及系統 - Google Patents

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Abstract

各個實施例提供一種用於取放半導體晶片之系統。該系統包含：旋轉手臂；兩個選取頭，係黏著於旋轉手臂之相對末端部分；以及照相機系統，係用於檢測在視覺配置之垂直線上之晶片選取位置。同時，旋轉手臂的旋轉軸線係自視覺線而偏置。各個實施例亦提供相對應之方法。

Description

用於半導體晶片取放及鍵合之方法及系統
本發明係大致上關於一種用於半導體晶片取放及鍵合之方法及系統。
用於半導體晶片取放(pick & transfer)及鍵合(bonding)之方法及系統係廣泛地用於半導體產業中，尤其是半導體廠房或晶圓代工廠。目前致力於改善此方法及系統之各種態樣，包括著眼於改良與此方法及系統相關之生產量、準確性、可靠性及/或成本。
再者，亦致力於著眼於所產生之裝置的改良，尤其是晶片/基板工件(chip/substrate entity)，包含鍵合於晶片與基板之間之焊料接點的可靠性、耐久性、尺寸、及/或電子特性。
實施例係尋求提供試圖解決一或多個上述改良作業之用於半導體晶片取放及鍵合之方法及系統。
各個實施例提供一種用於取放半導體晶片之系統，其包含：旋轉手臂；兩個選取頭，係黏著於旋轉手臂之相對的末端部分；以及照相機系統，用於檢測在視覺配置之垂直線上之晶片選取位置；其中，旋轉手臂的旋轉軸線係自視覺線而偏置。
在實施例中，選取頭係相對於旋轉手臂之縱向軸線而傾斜。
在實施例中，選取頭係可移動地黏著於旋轉手臂。
在實施例中，該系統更包含在選取頭旋轉遠離晶片選取位置期間用於縮回選取頭之裝置。
在實施例中，用於縮回之裝置包含用於在旋轉旋轉手臂期間引導選取頭之凸輪。
在實施例中，照相機系統包含實質上水平的照相機、以及用於達到視覺配置之垂直線的反射元件。
各個實施例提供用於取放半導體晶片之方法，該方法包含下列步驟：提供旋轉手臂；提供兩選取頭，係黏著於旋轉手臂之相對末端部分上；提供照相機系統，用於檢測視覺配置之垂直線上之晶片選取位置；以及旋轉用於取放半導體晶片之旋轉手臂，其中旋轉手臂之旋轉軸線係自視覺線而偏置。
各個實施例提供一種用於將半導體晶片鍵合至基板上之裝置，其包含：用於半導體晶片之選取吸嘴；用於在鍵合前加熱選取吸嘴以加熱晶片之加熱器；以及用於引導冷卻氣流朝向選取吸嘴之裝置。
在實施例中，選取頭係黏著安裝組件上，且加熱器係設置於安裝組件。
在實施例中，用於引導冷卻氣流之裝置包含安裝於安裝組件之導管元件。
在實施例中，導管元件係透過熱絕緣元件而安裝於安裝組件上。
在實施例中，導管元件係配置以從安裝組件之三側引導冷卻氣流。
在實施例中，該導管元件係配置以沿著安裝組件之一側的向下方向而接收冷卻氣流，且其包含分流部分用以將冷卻氣流實質上水平地分流朝向安裝於安裝組件之底部之選取吸嘴。
在實施例中，分流部分包含朝向選取吸嘴向內延伸之突部(ledge)。
各個實施例提供一種在半導體晶片與基板之間形成焊料接點之方法，該方法包含下列步驟：熔化設置於晶片與基板之間之焊料，晶片與基板係藉由第一距離而分隔；當焊料為熔化狀態時從基板縮回晶片，因而使晶片與基板藉由第二距離而分隔；以及當晶片與基板藉由第二距離而分隔時固化焊料。
在實施例中，焊料係設置於晶片上，且在接觸基板之前熔化。
在實施例中，半導體晶片係預熱至第一溫度，其係低於設置在晶片上之焊料的熔化溫度。
在實施例中，固化焊料包含引導冷卻氣流朝向焊料。
在實施例中，冷卻氣流係於晶片及/或基板加熱器持續提供熱能至晶片及/或基板時被引導朝向焊料。
在實施例中，第二距離係被選擇因而使所形成之焊料接點具有預期高度及/或預期形狀。
在實施例中，焊料接點之預期形狀包含沙漏形狀。
各個實施例提供一種在半導體晶片與基板之間形成焊料接點之方法，該方法包含下列步驟：熔化設置於晶片與基板之間之焊料；以及藉由引導冷卻氣流朝向焊料以固化焊料。
在實施例中，冷卻氣流係於晶片加熱器及/或基板加熱器持續提供熱能至晶片及/或基板時被引導朝向焊料。
各個實施例提供一種用於放置半導體晶片至基板上之系統，其包含：基底；基板固持件，係以平行於基底之x-y平面上相對於基底而能移動；以及鍵合頭，係實質上僅沿著相對於基底之固定的垂直軸而能移動，使得相對於基底之鍵合頭的x與y位置實質上係固定。
在實施例中，鍵合頭係安裝於頂板，頂板係實質上僅沿著相對於基底之固定的垂直軸而能移動。
在實施例中，頂板係耦接至兩個或兩個以上安裝於基底之垂直軸。
在實施例中，鍵合頭包含於平行基底之平面中能旋轉之選取吸嘴。
在實施例中，該系統更包含用以提供半導體晶片至用於選取之鍵合頭之裝置，其中用於提供半導體晶片之裝置配置用以移入及移出鍵合頭之固定的x與y位置。
在實施例中，用以提供半導體晶片至用於選取之鍵合頭之裝置係配置以用於在提供半導體晶片至用於選取之鍵合頭前加熱半導體晶片。
在實施例中，該系統更包含用以檢測鍵合頭上之半導體晶片與基板固持件上之基板的對準之裝置，其中用以檢測對準之裝置係配置用以移入及移出鍵合頭之固定的x與y位置。
在實施例中，該系統更包含用以冷卻鍵合頭上之半導體晶片之裝置。
在實施例中，用以冷卻之裝置包含用以引入噴流至鍵合頭之一部分上之裝置。
各個實施例提供一種將半導體晶片放置於基板上之方法，其包含下列步驟：加熱半導體晶片，此半導體晶片具有焊料於其上且被加熱到高於該焊料之熔點的溫度以形成熔化的焊料；加熱基板至低於焊料之熔點的溫度；以及將半導體晶片放置於基板上，因而使熔化的焊料形成焊料接點於其間以連接半導體晶片與基板，且導致半導體晶片與基板達到高於焊料之熔點之平衡溫度。
在實施例中，該方法更包含在將半導體晶片加熱至高於該焊料之熔點之溫度之前，預熱半導體晶片至低於焊料之熔點之溫度。
在實施例中，該方法更包含將焊料接點冷卻至低於焊料之熔點以固化焊料。
在實施例中，該方法更包含在放置步驟與冷卻步驟之間等待一預定期間。
在實施例中，該方法更包含在放置步驟前使用真空以將基板固持於一位置。
在實施例中，該方法更包含在放置步驟後將半導體晶片與基板拉開，以將焊料接點形成為一預定形狀。
在實施例中，該預定形狀為沙漏形狀。
各個實施例提供一種用於鍵合之助熔半導體晶片之系統，其包含：具有袋部之回轉式助熔板；用於分配助熔劑材料於袋部中之裝置；用以整平袋部中之助熔劑材料之裝置；其中該系統係配置以從用於分配之裝置至用於整平助熔劑材料之裝置的方向上分度袋部。
在實施例中，用於分配助熔劑材料之裝置包含安裝在用於回轉式助熔板之軸向支台之分配導管，其中分配導管之出口的徑向位置係對準於袋部之徑向位置。
在實施例中，用於整平助熔劑材料之裝置包含安裝在用於回轉式助熔板之軸向支台上之接帚元件，其中接帚元件之接帚邊緣的徑向位置對準於袋部之徑向位置。
在實施例中，以接帚邊緣將回轉式助熔板之表面整平。
在實施例中，接帚元件係透過分配導管安裝於軸向支台上。
各個實施例提供一種選擇性助熔基板之系統，其包含：助熔板，係具有圖樣化的凹部；用於分配助熔劑材料於凹部中之裝置；用於整平凹部中之助熔劑材料之裝置；以及印台，係用於傳送凹部中之助熔劑材料至基板上，以施加助熔劑材料至基板之表面上之選擇位置。
在實施例中，印台係配置以用於沿著其縱向軸線對準凹部，以從助熔板選取助熔劑材料。
在實施例中，用於分配助熔劑材料至凹部之裝置包含助熔劑材料貯槽，且其中助熔板係配置以用於在助熔劑材料貯槽下移動，以將助熔劑材料接收進入凹部。
在實施例中，用於整平凹部中之助熔劑材料之裝置包含設置於助熔劑材料貯槽上之接帚元件，且其中助熔板係配置以用於從助熔劑材料貯槽下移動，以使接帚元件整平凹部中之助熔劑材料。
在實施例中，該系統更包含照相機，其係配置以用於能夠檢測傳送至印台之助熔劑材料的圖樣。
各種實施例提供一種選擇性助熔基板之方法，該方法包含下列步驟：提供助熔板，係具有提供於其上之助熔劑材料的圖樣；使用印台元件以選取助熔劑材料，以使助熔劑材料的圖樣傳送至印台元件；以及從印台元件傳送圖樣化的助熔劑材料至基板。
在實施例中，助熔板包含用於固持助熔劑材料之圖樣的凹部。
在實施例中，凹部係於選取助熔劑材料期間與印台之縱向軸線對準。
在實施例中，該方法更包含於助熔劑材料貯槽下定位助熔板，且提供助熔劑材料至凹部中。
在實施例中，該方法更包含從助熔劑材料貯槽下移除助熔板且整平凹部中之助熔劑材料。
在實施例中，設置於助熔劑材料貯槽上之接帚元件係用於在從助熔劑材料貯槽下移除助熔板期間整平凹部中之助熔劑材料。
在實施例中，該方法更包含使用照相機檢測傳送至印台元件之助熔劑材料圖樣。
本發明可藉由參閱下列本發明之部份實施例的詳細描述而更易於瞭解。雖然下列半導體封裝組件系統之說明將使用用以闡述本發明原理之特定圖式，顯而易見的是本發明之原則係不限於此些細節。
本發明提供一種能夠以具高生產率之精確的方式處理半導體晶片之裝置，其中處理過程包含半導體晶片之翻轉(flipping)、選取(picking)、及放置(placing)至基板上之機械動作。在一實施例中，半導體晶片係為覆晶晶片(flip chip)。第1圖至第3圖顯示根據範例實施例之用於半導體封裝之高速精密組件的裝置100之不同的透視圖。該裝置之多種功能係藉由多種模組而執行，其包含偏置翻轉模組(offset flipper module)202、精確鍵合模組(precision bond module)206、以及選擇性助熔模組(selective fluxing module)302。依據所應用的配置，於精確鍵合模組206中預熱的晶片係用以與選擇性助熔模組302結合，其將於下文中詳細描述。
第4圖a)、第4圖b)、及第4圖c)顯示該裝置之例示性實施例，偏置翻轉模組400自切割的晶圓(diced wafer)選取半導體晶片以傳送至傳送頭(transfer head)402，以用於量測半導體晶片之尺寸並傳送至預熱器403，以在後續製程中置於基板上。偏置翻轉模組400亦包含用以量測半導體晶片之垂直位置(即高度)之晶片高度探針405。如第4圖a)所示可看出，從黏片於膠帶(tape)(圖未示)上之切割的晶圓404，將個別的半導體晶片以晶粒分離器(die ejector)(圖未示)由下往上分離，以出自膠帶(圖未示)剝開/分離出晶片，而同時膠帶(圖未示)係藉由真空或機械方式而壓住。選取頭406接著藉由選取頭406A與晶粒分離器(圖未示)之間之同步動作而自切割的晶圓中選取晶片。選取頭406A、406B可為各種所屬技術領域習知之裝置，例如以空氣壓力選取晶片並隨後藉由釋出壓力而傳送晶片之真空吸嘴。為了有效率地分離及選取晶片，晶片必須排列於晶粒分離器(圖未示)中心之預定位置上。此晶片之定位係以視覺定位系統(vision alignment system) (圖未示)追蹤晶片而達成。
選取頭406A、406B係安裝於選取及翻轉手臂408上。選取及翻轉手臂408係以於定軸點412由箭頭410所示執行旋轉而旋轉之方式而配置，因此以180度翻轉與選取晶片。選取及翻轉手臂408具有兩相對選取頭406A與406B，其使從切割的晶圓所分離之兩半導體晶片係同時選取與沉積。第一選取頭406A選取晶片，而第二選取頭406B將先前選取且現已翻轉之晶片放置於傳送頭402上。在此位置中，選取及翻轉手臂408係以垂直軸線而傾斜，而選取頭406A及406B並不會位於相同的垂直軸線上。
如第4圖b)所示，當選取及翻轉手臂408從選取與沉積位置(相較於第4圖a))擺動至垂直位置時，偏置翻轉模組400能夠在選取前執行晶片的視覺檢查以清晰化影像系統(圖未示)中之照相機414的視野。影像系統定位/檢測正確的晶粒位置以提供資訊至晶片對準系統(圖未示)，以於選取頭406選取之前執行晶粒分離器(圖未示)之晶片對準。除了以定軸點412旋轉之選取及翻轉手臂408，選取頭406A亦移動於藉由凸輪(cam)416所致使之圖式的軸面。此致使控制了選取及翻轉手臂408以及選取頭406A與406B於偏置翻轉模組400底部之Z軸運動，以防止於旋轉期間與切割的晶圓404之接觸。
第4圖c)顯示偏置翻轉模組400之進一步運作，其中選取及翻轉手臂408必須旋轉至其在第4圖a)之相對位置。換句話說，在第4圖c)中，選取及翻轉手臂408必須自第4圖a)所顯示之位置擺動180度。
如第4圖a)所示，晶片將藉選取及翻轉手臂408的定位自選取頭406A與406B傳送至傳送頭402，傳送頭402將接著傳送晶片以使其於精確鍵合模組206(第1圖至第3圖)中處理之。
上述範例實施例有利地提供一種用於在偏置翻轉模組400的形式中用於選取與傳送半導體晶片之系統，其包含旋轉的選取及翻轉手臂408、黏著於選取及翻轉手臂408之個別的末端部分之兩個選取頭406A與406B、以及具有用於在視覺配置(sight configuration)之垂直線中檢測晶片選取位置之照相機414的照相機系統，其中選取及翻轉手臂408之旋轉軸係自視覺線而偏置(offset)。選取頭406A與406B係相對於選取及翻轉手臂408之縱軸而傾斜，且係黏著於其上而可移動的。
在本範例實施例中，偏置翻轉模組400更包含用於在選取頭406A與406B旋轉而遠離晶粒選取位置期間，以在選取及翻轉手臂408旋轉期間用於引導選取頭406A與406B之凸輪416的形式而收回選取頭之裝置(mean)。照相機系統包含實質上水平之照相機414、以及為反射鏡418形式之反射元件用以達到視覺配置之垂直線。
範例實施例可提供用於選取及傳送半導體晶片之方法。在一實施例中，半導體晶片係為覆晶晶片。在一實施例中，該方法包含步驟為提供旋轉手臂；提供黏著於旋轉手臂之個別的末端部分之兩個選取頭；提供用在視覺配置之垂直線中檢測晶粒選取位置之照相機系統；以及旋轉用於選取與傳送半導體晶片之旋轉手臂，其中旋轉手臂之旋轉軸係自視覺線而偏置。
第5圖繪示在例示性應用配置中用於將包含例如銅柱凸塊(copper pillar bump)的接點之半導體晶片鍵合至基板上之精確鍵合模組206。如第5圖所示之精確鍵合模組206係由具有噴氣冷卻通道(在本圖式中並不可見)之鍵合頭504、基板XY平台506、對準照相機508、模組結構(Die-set Structure) 1100、基板高度探針1200、以及回轉式助熔板1502所構成。
第6圖顯示回轉式預熱器502。回轉式預熱器502接收來自傳送頭402之晶片且執行預熱製程，其中晶片經歷由室溫逐步加熱至較佳為低於焊料熔點之第一溫度，因而較佳地助於防止晶片上之熱衝擊。回轉式預熱器502包含分度裝置(indexing mechanism) (圖未示)以驅動搬運晶片之轉塔(turret) 705、加熱器組件(heater block) 704、以及維持加熱器組件704及轉塔705間之間隙的裝置。晶片係放置於轉塔705上且分度地圍繞轉塔705，並藉由加熱器組件704之放射與對流作用(convection)而加熱，加熱器組件704係與設置於轉塔705上之晶片的分度位置(indexing location)上方之加熱元件707結合。使用於範例實施例中之回轉式預熱器502的細節已描述於公開的PCT申請案，申請案號為PCT/SG2007/000441，其內容係併於此處作為交互參照。該預熱的晶片接著將藉由鍵合頭504而選取。
第7圖顯示基板XY平台506。此基板XY平台506包含內建有加熱構件之真空夾頭/夾具(圖未示)、以及機動的XY平台902。在一實施例中之操作步驟可如下：於整個鍵合製程中藉由真空夾頭/夾具(圖未示)之裝置牢牢地壓制基板904；將基板904加熱至第二溫度；使XY平台902上之基板904能夠移動至各個鍵合位置並於對準期間產生用於偏移校正之精密移動。
第8圖顯示基板高度探針1200。在基板已由基板XY平台506(第5圖)牢牢地壓制後，基板高度探針1200使基板的高度被量測。基板高度探針1200包含探針元件1202、用於探針元件1202的垂直位移之導引系統1204、以及與導引系統1204耦接之精確衡量尺度與編碼器1206。
第9圖顯示對準照相機508。對準照相機508使用共線視野(collinear vision)對準照相機1002、1004以同時擷取與處理晶片與基板上之框標點(fiducial point)的影像、以及透過電纜1005、1007供應資料至控制器(圖未示)以計算在XY座標中之相對偏移與θ偏移(theta offset)。對準照相機508包含各自用於晶片與基板之一對照相機1002與1004、具有例如凸塊之突出特徵而有效率地用於晶片/基板之影像之頂部與底部環燈1006、以及具有例如晶圓表面之平板反射表面而將有效率地用於晶片/基板之影像之同軸燈1008、1009。光學元件(圖未示)係設置於機殼1010中以建立自照相機1002與1004至如個別的同軸鏡片(co-axial lenses)1012之光學路徑。對準照相機508可藉由馬達(圖未示)而沿XYZ軸驅動。
鍵合頭504係顯示於第10圖，且使晶片加熱至較佳為高於凸塊上之焊料的熔點之第三溫度，因而有足夠的熱能以用於焊料接合。鍵合頭504可安裝於模組510 (第5圖)上且與馬達耦接，以在鍵合前於對準製程中用於旋轉晶粒。在預熱的晶粒與預熱的基板之間的接觸中，晶片與基板之連接點的溫度係接近平衡的第四溫度，其係較佳地高於焊料之熔點。在接下來的鍵合期間，鍵合頭504能夠藉由以濃縮且引導的壓縮空氣流至鍵合工具803之吸嘴802而將鍵合工具803之相對部分瞬間冷卻以使熔化的焊料凝固。將理解的是其可有利地促成加速冷卻接點的溫度以低於焊料熔點。同時，其可較佳地使鍵合加熱器805維持加熱，因而使鍵合頭504在選取與鍵合晶片之間維持實質上恆定的溫度，而可導致較快的製造時間及/或穩定的操作條件。鍵合工具803係較佳地由具有高導熱性與低特定熱容性質之材料所製成。裝載與集中空氣流至鍵合工具803之吸嘴802的冷卻通道806係藉由絕緣板808而與鍵合頭504之主體分隔。
上述例示性實施例有利地提供以鍵合頭504之形式以用於將半導體晶片鍵合於基板上之裝置，鍵合頭504包含用於晶片之選取吸嘴802、用於加熱選取吸嘴802以在鍵合前加熱晶片之加熱器805、以及用於引導冷卻氣體流朝向選取吸嘴802之裝置，在此係以安裝於鍵合頭504之主要安裝組件810之噴氣冷卻通道806之形式。選取吸嘴802係黏著於安裝組件810上，且加熱器805係設置於安裝組件810中。冷卻通道806係透過熱絕緣板808而安裝於安裝組件810。在此實施例中，冷卻通道806係配置將冷卻氣流自安裝組件810的三側面引導朝向選取吸嘴802。冷卻通道806係配置以接收沿著安裝組件810之一側的向下方向之冷卻空氣流，且具有分流部分，於此為朝向選取吸嘴802向內延伸之突部(ledge)812形式，以用於分離冷卻氣流而實質上水平地朝向安裝於安裝組件810底部之選取吸嘴802。
第11a)圖與第11b)圖顯示根據範例實施例之模組結構1100。模組結構1100提供使鍵合頭504(第5圖)與XY平台506(第5圖)之間抵達高度且持久並行(long lasting parallelism)之結構。模組結構1100由模組頂板1102所組成，其於球軸組件(ball-shaft assembly)中具有干涉配合(interference fit) (例如1104、1106至模組底板1108)。此組件較佳地於垂直運動期間將剛性最大化與徑向位移最小化。電動制動器(motorized actuator) (圖未示)能使模組板1102、1108之間相對移動。量測系統(圖未示)的存在使模組結構1100之兩模組板1102、1108之間的位移係精確的量測。在此實施例中，模組板1102、1108係透過四個軸1100至1113而耦接以於垂直運動期間使剛性最大化與徑向位移最小化。
第12圖a)至第12圖e)繪示在一應用配置中，發生於精確鍵合模組206之活動順序。第13圖顯示於該活動順序期間相關的溫度曲線。當晶片首先自偏置翻轉模組400(第4圖)抵達精確鍵合模組206時，晶片之高度係使用晶片高度探針511(量測位置512)而量測(第12圖a))，且晶片係分配至回轉式預熱器502(第12圖b))上。回轉式預熱器502加熱晶片至溫度1且預熱的晶片係接著移交至鍵合頭504(第12圖c))，於其上晶片係進一步加熱至高於焊料熔點之溫度(溫度2)。同樣地在顯示於第12圖a)之步驟中，基板係分配至基板XY平台506上且藉由強真空而壓制。基板將於基板XY平台506上加熱至溫度3。基板之高度於加熱後藉由基板高度探針(圖未示)而量測。基板XY平台506接著移動至鍵合位置。
如第12圖d)所示，對準照相機508移動於基板XY平台506與鍵合頭504之間，且使用共線視野而處理晶片與基板上之框標(fiducial mark)，以測定在鍵合頭504上之晶粒與基板XY平台506上相應的鍵合位置之間之XY方向以及θ方向(theta direction)的相對偏移。對準照相機508接著縮回(第12圖e))。安裝於模組510上之鍵合頭504進行θ校正，且基板XY平台506進行X及Y軸之校正。模組510基於藉由控制器(圖未示)所計算之高度而使已計算的垂直鍵合向下觸發(stroke downward)。經由接觸，晶片與基板之接點到達平衡之溫度4，其係高於焊料之熔點。參閱第13圖，其顯示在所述操作期間晶片與基板之溫度曲線，晶片與基板係維持於溫度4一定時間以足夠使焊料的鍵合發生。鍵合頭504之噴氣冷卻通道接著引入空氣至鍵合工具之吸嘴，以將晶片與基板之接點溫度(溫度5)降至低於焊料之熔點。鍵合頭504接著釋出晶片且模組510縮回鍵合頭504。
上述例示性實施例有利的提供以模組510之形式用於放置半導體晶片至基板上之系統，模組510包含底板514之形式的基底、在平行於底板514之x-y平面上相對於底板514能夠移動之基板XY平台506形式之基板固持件、以及實質上僅能沿著相對於底板514之固定的垂直軸移動之鍵合頭504，使得鍵合頭504相對於底板514之x與y位置係實質上固定。鍵合頭504係安裝於頂板516，其實質上僅能沿著相對於底板514之固定的垂直軸移動。頂板516係耦接至兩個或兩個以上安裝於底板514之垂直軸518、520上。鍵合頭包含可於平行於底板514之平面中旋轉的選取吸嘴。模組510更包含用於提供半導體晶片至鍵合頭以選取之裝置，於此係以預熱器502之形式，其係配置以移入及移出鍵合頭504之固定的x及y位置。模組510更包含用於檢測在鍵合頭上之半導體晶片與位於基板固持件上之基板的對準，於此係以對準照相機508之形式，對準照相機508係配置以移入及移出鍵合頭504之固定的x及y位置。在實施例中，半導體晶片為覆晶晶片。
在一範例實施例中，鍵合觸發的計算係基於晶片與基板由機器所量測之參考高度、以及用以克服來自晶片及基板之任何共平面差異(co-planarity variances)且同時獲得晶片與基板之間預期的間隙之數值之壓縮指數(compression)。在一實施例中，晶片高度係使用晶片高度探針509而量測。在一實施例中，基板高度係使用基板高度探針1200而量測。參考高度係為基板XY平台506之表面與鍵合工具吸嘴802 (第10圖)之表面之間的垂直距離。鍵合垂直觸發係藉由計算參考高度與基板及晶片之高度之間之差異而獲得，且接著加入壓縮指數。在達到其中為液體狀態之焊料為了鍵合與其接觸之鍵合觸發後，小的阻礙觸發能引入以從基板上移出晶片，以獲得預期的焊料形狀與預期的高度，例如沙漏(hourglass)形狀。鍵合頭之噴流冷卻通道接著引入空氣至鍵合工具的吸嘴而將晶片與基板的溫度降低至低於焊料的熔點以固化焊料而保持高度/形狀的構形。鍵合頭接著釋出晶片且自基板完全地縮回。
在一實施例中，鍵合頭504可於鍵合過程期間維持一恆定的溫度，且此溫度可高於焊料的熔點。在一實施例中，鍵合頭504可能不加熱或冷卻。相反地，溫度的瞬間下降以固化焊料接點可藉由針對於鍵合頭504與晶片之間介面的鍵合工具之吸嘴802之空氣噴射氣流而提供。因此，此系統的基體不需經歷溫度的改變。
在一實施例中，預熱器502提供晶片溫度的逐步升高以降低晶片與鍵合頭504之間的溫度差異。結果，此可防止當鍵合頭504選取晶片時的熱衝擊。
將理解的是，在不同的實施例中焊料可藉由各種不同方法而熔解，包含“熔解接觸(melt and touch)”，亦即晶粒上的焊料在接觸基板前先熔解，經由接觸基板，熔解的焊料回流至基板上對應的墊/突塊；“接觸熔解(touch and melt)”，亦即晶粒達到高於焊料熔點的溫度，經由接觸基板，晶粒的熱能熔解位於基板上對應的墊/突塊上之焊料，或晶粒係處於低於焊料熔點的溫度，經由接觸基板，熱能係施加至晶粒而熔解焊料。
參閱第14圖a)至第14圖c)，上述範例實施例有利地提供一種用於形成焊料接點於晶粒1700與基板1702之間的方法，該方法包含步驟為熔解設置於晶粒1700與基板1702之間之焊料1704，晶粒1700與基板1702係以距離d1而分隔；當焊料1704為熔解狀態時自基板1702收回晶粒1700以使晶粒1700與基板1702係以距離d2而分隔；以及當晶粒1700與基板1702係以距離d2而分隔時固化焊料1704。焊料1704的固化包含引導冷卻氣流朝向焊料1704。在本實施例中，冷卻氣流係在晶粒及/或基板加熱器(圖未示)持續地提供熱能至晶粒1700及/或與基板1702時被引導朝向焊料1704。距離d2係選擇因而使形成的焊料接點1706具有預期的高度及/或形狀。預期的形狀可包含沙漏形狀。
同樣地參閱第14圖a)至第14圖c)，上述範例實施例有利地提供一種形成晶粒1700與基板1704之間的焊料接點之方法，該方法包含步驟為熔解設置於晶粒1700與基板1702之間之焊料1704、以及藉由引導冷卻氣流朝向焊料1704而固化焊料1704。在此實施例中，冷卻氣流係於晶粒及/或基板加熱器(圖未示)持續地提供熱能至晶粒1700及/或基板1702時被引導朝向焊料1704。
將被所屬技術領域之通常知識者所理解的是，各種焊料配置及技術可應用於不同的實施例。舉例而言，焊料凸塊可提供於晶粒及/或基板上，且該鍵合可涵蓋於精確鍵合模組206或於分隔的回流烤爐(re-flow oven)中加熱晶粒及/或基板。
第15圖顯示選擇性助熔模組302。選擇性助熔模組302包含助熔傳送手臂1302、助熔照相機1304、基板固持件1306、助熔板1308、助熔板上之圖樣(artwork) 1310、印台1312、以及助熔劑貯槽(reservoir)1314。選擇性助熔模組302以繪示於第12圖a)中之步驟而運作以施加助熔劑至基板1309之表面上所選擇的位置。圖樣1310定義基板1309上將被助熔之相對應的選擇位置。
第16圖a)至第16圖d)繪示在範例實施例中於選擇性助熔操作期間之步驟順序。步驟1(第16圖a))顯示位於圖樣1310上之印台1312係以助熔劑所填充。在步驟2(第16圖b))中，印台1312自助熔板1308選取助熔劑，且接著在步驟3(第16圖c))中基於來自俯視的基板照相機1300(第15圖)之資訊而對準基板1309。在步驟4(第16圖d))中，印台1312接著傳送助熔劑至基板1309上，例如於焊料凸塊1402上。
上述範例實施例有利地提供一種選擇性助熔基板的方法，該方法包含步驟為提供具有助熔劑材料之圖樣的助熔板1308，於此為提供於其上之圖樣1310之形式；使用印台1312選取助熔劑材料因而使助熔劑材料的圖樣傳送至印台1312；以及將圖樣化之助熔劑材料自印台1312傳送至基板1309。圖樣1310包含用以固持助熔劑材料的圖樣之凹部，例如1316。凹部1316於助熔劑材料的選取期間係與印台1312之縱向軸線對準。該方法更包含在助熔劑材料貯槽1314下定位助熔板1308，且提供助熔劑材料於凹部如1316。該方法更包含自助熔劑材料貯槽1314下移除助熔板1308，且整平在凹部如1316中之助熔劑材料。在此以設置於助熔劑材料貯槽1314上之徑向接帚1318之形式的接帚元件(wiper element)係於自助熔劑材料貯槽1314下移除助熔板1308期間用以整平在凹部如1316中之助熔劑材料。該方法更包含使用照相機1300檢測傳送至印台1312之助熔劑材料之圖樣。
第17圖顯示在替代的配置中可取代回轉式預熱器之回轉式助熔板1502，提供以自選取及翻轉手臂408 (第4圖)選取晶粒之晶片選取與放置手臂402(第4圖)將晶粒分配至以固定的間距分度的回轉式助熔板1502上。晶片如1600可依照回轉式助熔板1502之各個分度而分配。回轉式助熔板1502提供具有預定深度及面積以用於使用分配通道1506 (第5圖)以助熔劑填充之多個袋部如1504。接帚1508整平袋部如1602中的助熔劑。分配至助熔劑之袋部如1504之晶片如1600將因此在凸塊(圖未示)上具有預定的助熔劑高度。鍵合頭504選取已助熔的晶片如1606以用於鍵合至基板(圖未示)。需注意的是，基板與晶片之間的鍵合可在此替代配置中於精確鍵合模組內且不需預熱晶片下進行。
上述範例實施例有利地提供一種用於鍵合之助熔半導體晶片之系統，其包含具有袋部如1504之回轉式助熔板1502、於此係以分配通道1506之形式之用於分配助熔劑材料至袋部如1504的裝置、以及於此係為接帚1508之形式之用於整平袋部如1504中之助熔劑材料的裝置。回轉式助熔板1502係配置用於從分配通道1506至接帚1508之方向分度袋部如1504。分配通道1506係安裝在用於回轉式助熔板1502之軸向支台1510，其中分配通道之出口1512的徑向位置(radial position)係對準於袋部如1504之徑向位置。接帚1508係安裝在用於回轉式助熔板1502之軸向支台1510，其中接帚1508之接帚邊緣1514之徑向位置係對準於袋部1504之徑向位置。在本實施例中接帚邊緣1514與回轉式助熔板1502之表面整平，且係透過分配通道1506而安裝於軸向支台1510。在本實施例中，半導體晶片為覆晶晶片。
部分上述實施例揭露晶粒的用途。將理解的是在實施例中，晶粒包含將成為半導體晶片之一或多種積體電路。因此，在實施例中，名詞“晶粒(die)”及“半導體晶片(semiconductor chip)”係可替換的。
將為所屬領域具有通常知識者所理解的是，如特定實施例中所顯示之本發明的各種變化及/或修改可在不脫離廣泛地描述之本發明的精神與範疇下進行。因此，本實施例在所有方面係視為說明性而非限制性。
100．．．裝置
202、400．．．偏置翻轉模組
206．．．精確鍵合模組
302．．．選擇性助熔模組
402．．．傳送頭
403．．．預熱器
404．．．晶圓
405、511．．．晶片高度探針
406A、406B．．．選取頭
408．．．選取及翻轉手臂
410．．．箭頭
412．．．定軸點
414．．．照相機
416．．．凸輪
418．．．反射鏡
502．．．回轉式預熱器
504．．．鍵合頭
506．．．基板XY平台
508．．．對準照相機
510．．．模組
512．．．量測位置
514．．．底板
516．．．頂板
518、520．．．垂直軸
704．．．加熱器組件
705．．．轉塔
707．．．加熱元件
902．．．XY平台
904、1702、1309．．．基板
802．．．吸嘴
803．．．鍵合工具
805．．．鍵合加熱器
806．．．冷卻通道
808．．．絕緣板
810．．．主要安裝組件
1200．．．基板高度探針
1202．．．探針元件
1204．．．導引系統
1206．．．編碼器
1002、1004．．．照相機
1006．．．環燈
1005、1007．．．電纜
1008、1009．．．同軸燈
1010．．．機殼
1100．．．模組結構
1102．．．模組頂板
1104、1106．．．球軸組件
1108．．．模組底板
1110、1111、1112、1113．．．軸
1302．．．助熔傳送手臂
1304．．．助熔照相機
1306．．．基板固持件
1308．．．助熔板
1310．．．圖樣
1312．．．印台
1314．．．助熔劑貯槽
1316．．．凹部
1318．．．徑向接帚
1502．．．回轉式助熔板
1504、1602．．．袋部
1506．．．分配通道
1508．．．接帚
1510．．．軸向支台
1512．．．出口
1514．．．接帚邊緣
1600、1606．．．晶片
1700．．．晶粒
1704．．．焊料
1706．．．焊料接點
發明之實施例將藉由上述僅為舉例之方式的書面說明並結合附圖而使所屬領域具有通常知識者易於瞭解且顯而易見，其中：
第1圖顯示根據例示性實施例之用於半導體封裝之高速精密組件的系統之整體透視示意圖。
第2圖顯示第1圖之系統的系統配置之不同透視示意圖。
第3圖顯示第1圖之系統的系統配置之不同透視示意圖。
第4圖顯示根據範例實施例之偏置翻轉之示意圖。
第5圖顯示根據範例實施例之精確鍵合模組之示意圖。
第6圖顯示根據範例實施例之預熱器之示意圖。
第7圖顯示根據範例實施例之基板XY平台之示意圖。
第8圖顯示根據範例實施例之基板高度探針之示意圖。
第9圖顯示根據範例實施例之對準照相機之示意圖。
第10圖顯示根據範例實施例之鍵合頭之示意圖。
第11圖顯示根據範例實施例之模組結構之示意圖。
第12圖顯示根據實施例之精確鍵合模組之操作。
第13圖顯示於第12圖之精確鍵合模組操作期間之半導體晶片與基板的溫度曲線之示意圖。
第14圖a)至第14圖c)顯示於根據範例實施例之半導體晶片與基板之間形成焊料接點的方法之示意圖。
第15圖顯示根據範例實施例之選擇性助熔單元之示意圖。
第16圖顯示範例實施例中於選擇性助熔操作期間的步驟之流程。
第17圖顯示根據範例實施例之回轉式助熔板之示意圖。
100．．．裝置
202．．．偏置翻轉模組
302．．．選擇性助熔模組

Claims (56)

  1. 一種用於取放半導體晶片之系統，其包含：
    一旋轉手臂；
    兩選取頭，係黏著於該旋轉手臂之相對末端部分上；以及
    一照相機系統，係用於檢測一視覺配置之一垂直線上之一晶片選取位置；
    其中該旋轉手臂之一旋轉軸係自該視覺線而偏置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該選取頭係相對於該旋轉手臂之一縱向軸線而傾斜。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之系統，該選取頭係能移動地黏著於該旋轉手臂上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之系統，更包含在將該選取頭旋轉遠離該晶片選取位置期間用於縮回該選取頭之一裝置。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之系統，其中用於縮回之該裝置包含用於在旋轉該旋轉手臂期間引導該選取頭之一凸輪。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該照相機系統包含實質上水平的一照相機、以及用於達到該視覺配置之該垂直線的一反射元件。
  7. 一種用於取放半導體晶片之方法，該方法包含下列步驟：
    提供一旋轉手臂；
    提供兩選取頭，其係黏著於該旋轉手臂之相對末端部分上；
    提供一照相機系統，係用於檢測一視覺配置之一垂直線上之一晶片選取位置；以及
    旋轉用於取放該半導體晶片之該旋轉手臂，其中該旋轉手臂之一旋轉軸線係自該視覺線而偏置。
  8. 一種用於鍵合半導體晶片於基板上之裝置，其包含：
    一選取吸嘴，係用於該半導體晶片；
    一加熱器，係用於在鍵合前加熱該選取吸嘴以加熱該半導體晶片；以及
    一裝置，係用於引導一冷卻氣流朝向該選取吸嘴。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該選取吸嘴係黏著一安裝組件上，且該加熱器係設置於該安裝組件。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之裝置，其中用於引導該冷卻氣流之該裝置包含安裝於該安裝組件之一導管元件。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之裝置，其中該導管元件係透過一熱絕緣元件而安裝於該安裝組件。
  12. 如申請專利範圍第10項或第11項所述之裝置，其中該導管元件係配置以從該安裝組件之三側引導該冷卻氣流。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中該導管元件係配置以沿著該安裝組件之一側的一向下方向而接收該冷卻氣流，且其包含一分流部分，其係用以將該冷卻氣流實質上水平地分流朝向安裝於該安裝組件之一底部之該選取吸嘴。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中該分流部分包含朝向該選取吸嘴向內延伸之一突部。
  15. 一種在半導體晶片與基板之間形成焊料接點之方法，該方法包含下列步驟：
    熔化設置於該半導體晶片與該基板之間之一焊料，該晶片與該基板係藉由一第一距離而分隔；
    當該焊料為熔化狀態時從該基板縮回該半導體晶片，因而使該半導體晶片與該基板藉由一第二距離而分隔；以及
    當該半導體晶片與該基板藉由該第二距離而分隔時固化該焊料。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該焊料係設置於該半導體晶片上，且在接觸該基板前熔化。
  17. 如申請專利範圍第15項或第16項所述之方法，其中該半導體晶片係預熱至一第一溫度，其係低於設置在該半導體晶片上之該焊料的一熔化溫度。
  18. 如申請專利範圍第15項至第17項其中之任一項所述之方法，其中固化該焊料包含引導一冷卻氣流朝向該焊料。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該冷卻氣流係於一晶片加熱器及/或一基板加熱器持續提供熱能至該半導體晶片及/或該基板時被引導朝向該焊料。
  20. 如申請專利範圍第15項至第19項其中之任一項所述之方法，其中該第二距離係選擇因而使所形成之該焊料接點具有一預期高度及/或一預期形狀。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該焊料接點之該預期形狀包含一沙漏形狀。
  22. 一種在半導體晶片與基板之間形成焊料接點之方法，該方法包含下列步驟：
    熔化設置於該半導體晶片與該基板之間之一焊料；以及
    藉由引導一冷卻氣流朝向該焊料以固化該焊料。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該冷卻氣流係於一晶片加熱器及/或一基板加熱器持續提供熱能至該半導體晶片及/或該基板時被引導朝向該焊料。
  24. 一種用於放置半導體晶片至基板上之系統，其包含：
    一基底；
    一基板固持件，係以平行於該基底之一x-y平面相對於該基底而能移動；以及
    一鍵合頭，係實質上僅沿著相對於該基底之固定的一垂直軸而能移動，因而使相對於該基底之該鍵合頭的x與y位置係實質上固定。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之系統，其中該鍵合頭係安裝於一頂板，該頂板係實質上僅沿著相對於該基底之固定的一垂直軸而能移動。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之系統，其中該頂板係耦接至兩個或兩個以上安裝於該基底之垂直軸。
  27. 如申請專利範圍第24項至第26項其中之任一項所述之系統，其中該鍵合頭包含一選取吸嘴，其係能夠旋轉於平行該基底之一平面。
  28. 如申請專利範圍第24項至第27項其中之任一項所述之系統，其中更包含用以提供該半導體晶片至用於選取之該鍵合頭之一裝置，其中用於提供該半導體晶片之該裝置係配置用以移入及移出該鍵合頭之固定的該x與y位置。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之系統，其中用以提供該半導體晶片至用於選取之該鍵合頭之該裝置係配置以用於在提供該半導體晶片至用於選取之該鍵合頭前加熱該半導體晶片。
  30. 如申請專利範圍第28項至第29項其中之任一項所述之系統，更包含用以檢測該鍵合頭上之該半導體晶片與該基板固持件上之一基板的對準之一裝置，其中用以檢測對準之該裝置係配置以用於移入及移出該鍵合頭之固定的該x與y位置。
  31. 如申請專利範圍第28項至第30項其中之任一項所述之系統，更包含用以冷卻該鍵合頭上之該半導體晶片之一裝置。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之系統，其中用以冷卻之該裝置包含用以引入一空氣噴流至該鍵合頭之一部分上之一裝置。
  33. 一種將半導體晶片放置於基板上之方法，其包含下列步驟：
    加熱該半導體晶片，該半導體晶片具有一焊料於其上且被加熱到高於該焊料之熔點的溫度以形成熔化的焊料；
    加熱該基板至低於該焊料之熔點的溫度；以及
    將該半導體晶片放置於該基板上，因而使該熔化的焊料形成一焊料接點於其間，以連接該半導體晶片與該基板，且導致該半導體晶片與該基板達到高於該焊料之熔點之一平衡溫度。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之方法，更包含在將該半導體晶片加熱至高於該焊料之熔點之該溫度之前，預熱該半導體晶片至低於該焊料之熔點之該溫度。
  35. 如申請專利範圍第34項所述之方法，更包含將該焊料接點冷卻至低於該焊料之熔點以固化該焊料。
  36. 如申請專利範圍第35項所述之方法，更包含在該放置步驟與該冷卻步驟之間等待一預定期間。
  37. 如申請專利範圍第33項至第36項其中之任一項所述之方法，更包含在該放置步驟前使用一真空以將該基板固持於一位置。
  38. 如申請專利範圍第33項至第37項其中之任一項所述之方法，更包含在該放置步驟後將該半導體晶片與該基板拉開，以形成該焊料接點為一預定形狀。
  39. 如申請專利範圍第38項所述之方法，其中該預定形狀係為一沙漏形狀。
  40. 一種用於鍵合之助熔半導體晶片之系統，其包含：
    一回轉式助熔板，係具有袋部；
    一裝置，係用於分配一助熔劑材料於該袋部中；
    一裝置，係用以整平該袋部中之該助熔劑材料；
    其中該系統係配置以從用於分配之該裝置至用於整平該助熔劑材料之該裝置的一方向上分度該袋部。
  41. 如申請專利範圍第40項所述之系統，其中用於分配該助熔劑材料之該裝置包含安裝在用於該回轉式助熔板之一軸向支台上之一分配導管，其中該分配導管之一出口的一徑向位置係對準於該袋部之一徑向位置。
  42. 如申請專利範圍第41項所述之系統，其中用於整平該助熔劑材料之該裝置包含安裝在用於該回轉式助熔板之該軸向支台上之一接帚元件，其中該接帚元件之一接帚邊緣的一徑向位置係對準於該袋部之該徑向位置。
  43. 如申請專利範圍第42項所述之系統，其中以該接帚邊緣將該回轉式助熔板之一表面整平。
  44. 如申請專利範圍第41項或第43項所述之系統，其中該接帚元件係透過該分配導管安裝於該軸向支台。
  45. 一種選擇性助熔基板之系統，其包含：
    一助熔板，係具有圖樣化的凹部；
    一裝置，係用於分配一助熔劑材料於該凹部中；
    一裝置，係用於整平該凹部中之該助熔劑材料；以及
    一印台，係用於傳送該凹部中之該助熔劑材料至該基板上，以施加該助熔劑材料至該基板之表面上之選擇位置。
  46. 如申請專利範圍第45項所述之系統，其中該印台係配置以用於沿著其縱向軸線對準該凹部以從該助熔板選取該助熔劑材料。
  47. 如申請專利範圍第45項或第46項所述之系統，其中用於分配該助熔劑材料至該凹部之該裝置包含一助熔劑材料貯槽，且其中該助熔板係配置以用於在該助熔劑材料貯槽下移動以將該助熔劑材料接收進入該凹部。
  48. 如申請專利範圍第47項所述之系統，其中用於整平該凹部中之該助熔劑材料之該裝置包含設置於該助熔劑材料貯槽上之一接帚元件，且其中該助熔板係配置以用於從該助熔劑材料貯槽下移動，以使該接帚元件整平該凹部中之該助熔劑材料。
  49. 如申請專利範圍第45項至第48項其中之任一項所述之系統，更包含一照相機，其係配置以用於能夠檢測傳送至該印台之該助熔劑材料的圖樣。
  50. 一種選擇性助熔基板之方法，該方法包含下列步驟：
    提供一助熔板，係具有提供於其上之一助熔劑材料之圖樣；
    使用一印台元件以選取該助熔劑材料，以使該助熔劑材料之該圖樣傳送至該印台元件；以及
    從該印台傳送圖樣化的該助熔劑材料至該基板。
  51. 如申請專利範圍第50項所述之方法，其中該助熔板包含用於固持該助熔劑材料之該圖樣之凹部。
  52. 如申請專利範圍第51項所述之方法，其中該凹部係於選取該助熔劑材料期間與該印台之一縱向軸線對準。
  53. 如申請專利範圍第51項或第52項所述之方法，更包含於一助熔劑材料貯槽下定位該助熔板，且提供該助熔劑材料至該凹部中。
  54. 如申請專利範圍第53項所述之方法，更包含從該助熔劑材料貯槽下移除該助熔板且整平該凹部中之該助熔劑材料。
  55. 如申請專利範圍第54項所述之方法，其中設置於該助熔劑材料貯槽上之一接帚元件係用於在從該助熔劑材料貯槽下移除該助熔板期間，整平該凹部中之該助熔劑材料。
  56. 如申請專利範圍第50項至第55項其中之任一項所述之方法，更包含使用一照相機檢測傳送至該印台元件之該助熔劑材料之該圖樣。
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