TW201523755A - 確定和調整半導體元件接合相關平行度級別的系統和方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於接合半導體元件的接合機，所述接合機包括：支撐結構，其被配置成支撐基板；接合頭組件，其包括接合工具，該接合工具被配置成將多個半導體元件接合到該基板；及校準工具，其包括配置成被定位在該接合工具和該支撐結構之間的接觸部，該接觸部被配置成在校準操作期間同時被該接合工具和該支撐結構中的每一個接觸。

Description

確定和調整半導體元件接合相關平行度級別的系統和方法 【相關申請的交叉引用】
本申請要求2013年12月3日提交的美國臨時專利申請No.61/911,011和2013年12月17日提交的美國臨時專利申請No.61/916,930的權益，二者的全部內容透過引用結合於此。
本發明涉及半導體封裝的形成，更具體而言，是涉及用於將半導體元件接合在一起的改良系統和方法。
在半導體封裝工業的某些方面中，半導體元件被接合到接合處。例如，在傳統晶粒附接應用(也已知為晶粒接合)中，半導體晶粒被接合到接合處(例如，導線架、堆疊晶粒應用中的另一晶粒、墊片，等等)。在先進的封裝應用中，半導體元件(例如，裸露半導體晶粒、封裝半導體晶粒，等等)被接合到基板(例如，導線架、印刷電路板(PCB)、載架、半導體晶圓、球柵陣列封裝(Ball grid array,BGA)基板等等)的接合處，導電結構(例如，導電凸塊、接觸墊、焊料凸塊、導電柱、銅柱等等)提供半導體元件和接合處之間的電性互連。
在許多應用中(例如，包括焊料凸塊的半導體元件的熱壓接合應用等等)，特別希望在接合工具和接合機的支撐結構的相應部分之間具有足夠的平行度級別。例如，在(1)由接合工具接合的半導體元件與(2)由支撐結構支撐的基板之間有許多互連。這些互連可包括焊料或類似物，因而特別希望接合工具的接觸部和支撐結構的相應部分之間基本上平行。
因此，希望提供一種用於確定和調整接合機元件之間平行度的改良系統和方法。
根據本發明的示例性實施方式，提供了一種用於接合半導體元件的接合機。接合機包括：支撐結構，其被配置成支撐基板；接合頭組件，其包括接合工具，該接合工具被配置成將多個半導體元件接合到基板；和校準工具，其包括接觸部，該接觸部被配置成定位在接合工具和支撐結構之間，其中，該接觸部被配置成在校準操作中同時被該接合工具和該支撐結構中的每一個接觸。
較佳地，該接合機更包括獨立於該接合頭組件的運動系統，該運動系統承載該校準工具。
較佳地，該運動系統被配置成將該校準工具沿著該接合機的x軸和y軸中的每個軸線移動。
較佳地，該接合機包括光學元件，該運動系統被配置成承載該光學元件。
較佳地，該校準工具的該接觸部包括兩個彼此相對的接觸部，每個接觸部分別定義出相應的球面。
較佳地，該校準工具包括梁部，該梁部沿z軸方向具有順應性，並且配置成支撐該校準工具的該接觸部。
較佳地，該接合頭組件被配置成沿該接合機的y軸、z軸和繞θ軸運動。
較佳地，該支撐結構沿該接合機的x軸移動。
較佳地，該校準工具的該接觸部被配置成接觸該支撐結構的多個接合處，以便為該多個接合處中的每一個確定z軸位置資料。
較佳地，該多個接合處中的每一個的z軸位置資料包括該多個接合處中的各接合處中的多個位置的z軸高度值。
較佳地，該接合機還包括電腦系統，其被配置成接收該z軸位置資料，並且確定該多個接合處中的每一個的z軸位置資料是否滿足預定標準。
較佳地，該電腦系統透過確定該多個接合處中的每一個的z軸高度值是否位於彼此的預定公差內來判斷該多個接合處中的每一個的z軸位置資料是否滿足預定標準。
較佳地，該電腦系統利用軟體來使用該多個接合處中的每一個的相應z軸高度值為該多個接合處中的每一個產生最佳擬合平面。
較佳地，該電腦系統透過確定該每一個最佳擬合平面是否落入容許標準範圍內而判斷該多個接合處中的每一個z軸位置資料是否滿足預定標準。
較佳地，該容許標準範圍透過一或多個斜度值確定。
較佳地，如果該電腦系統判斷出該多個接合處中的至少一個 的z軸位置資料不滿足預定標準，則對接合工具和支撐結構中的至少一個執行調整。
較佳地，該調整包括改變該接合工具的該接觸部的定向。
較佳地，該接合工具的該接觸部的定向透過下述方式被調整：釋放該接合工具的調整機構，改變該接合工具該接觸部的定向，然後重新鎖定該調整機構。
較佳地，該接合機為熱壓接合機。
較佳地，該接合機還包括助焊劑站，其被配置成在該多個半導體元件中的每一個被接合到該基板之前向該多個半導體元件中的每一個的焊料觸點提供助焊材料。
較佳地，該接合工具的該接觸部被配置成接觸該助焊劑站的接觸區域的多個x軸和y軸向位置，以便確定關於該接觸區域的z軸位置資料。
較佳地，關於該接觸區域的z軸位置資料包括該接觸區域的多個x軸和y軸向位置處的z軸高度值。
較佳地，該接合機還包括該電腦系統，其被配置成接收關於該接觸區域的z軸位置資料，並且確定關於該接觸區域的z軸位置資料是否滿足預定標準。
較佳地，該校準工具的該接觸部被該接合工具移動，並透過該接合工具的移動被帶到與該支撐結構接觸。
根據本發明的另一示例性實施方式，提供了一種用於確定接合工具與接合機的支撐結構之間平行度級別的方法。所述方法包括下述步 驟：(a)將校準工具的接觸部定位在接合工具和支撐結構之間；(b)降低接合工具以帶動校準工具的接觸部到達支撐結構的接合處中的接觸位置，在此校準工具的接觸部同時與接合工具和接觸位置接觸；和(c)在接合工具和支撐結構中的每一個與校準工具的接觸部接觸的狀態下，確定接觸位置的z軸高度值。
較佳地，該步驟(a)包括利用獨立於接合頭組件的運動系統將該校準工具的該接觸部定位在該接合工具和該支撐結構之間，該運動系統承載著該校準工具。
較佳地，該運動系統被配置成將該校準工具沿著該接合機的x軸和y軸中的每個移動。
較佳地，該校準工具的該接觸部包括兩個彼此相對的分別定義出相應球面的接觸部，在該校準操作中該兩個彼此相對的接觸部中的每一個被該接合工具和該支撐結構中的一個接觸。
較佳地，該校準工具包括梁部，該梁部沿著z軸具有順應性，承載著該校準工具的該接觸部。
較佳地，對於該接合處中的多個接觸位置中的每一個，重復執行每個步驟(b)和(c)，藉此為該多個接觸位置中的每一個確定z軸高度值。
較佳地，該多個接觸位置中的每個的z軸高度值集中包含在接合處的z軸位置資料中，該方法還包括以下步驟：利用電腦系統確定該接合處的z軸位置資料是否滿足預定標準。
較佳地，該電腦系統透過確定每個z軸高度值是否位於彼此 的預定公差內來判斷該接合處的z軸位置資料是否滿足預定標準。
較佳地，該電腦系統利用軟體來使該接合處的z軸位置資料產生用於該接合處的最佳擬合平面。
較佳地，該電腦系統透過確定該最佳擬合平面是否落入容許標準範圍內而判斷該接合處的z軸位置資料是否滿足預定標準。
較佳地，該容許標準範圍透過一或多個斜度值定義。
較佳地，確定接合工具與接合機的支撐結構之間平行度級別的方法還包括以下步驟：如果該電腦系統判斷出該z軸位置資料不滿足預定標準，則調整該接合工具和該支撐結構中的至少一個。
較佳地，該調整步驟包括改變該接合工具的該接觸部的定向。
較佳地，該接合工具的該接觸部的定向透過以下方式改變：釋放該接合工具的調整機構，改變該接合工具接觸部定向，然後重新鎖定該調整機構。
較佳地，對於該支撐結構的該多個接合處中的每一個中的該多個接觸位置中的每一個，重復執行每個步驟(b)和(c)，藉此確定該多個接合處中的每一個中的該多個接觸位置中的每一個的z軸高度值。
較佳地，該多個接觸位置中的每一個的z軸高度值被集中包含於該多個接合處中的各接合處的z軸位置資料中，該方法還包括以下步驟：利用該電腦系統確定每個接合處的z軸位置資料是否滿足預定標準。
較佳地，確定接合工具與接合機的支撐結構之間平行度級別的方法還包括以下步驟：如果該電腦系統判斷出該接合處中的至少一個的z 軸位置資料不滿足預定標準，則調整該接合工具和該支撐結構中的至少一個。
較佳地，該調整步驟包括改變該接合工具的該接觸部的定向。
根據本發明的另一示例性實施方式，提供了一種確定接合工具的接觸部與接合機的助焊劑站的接觸區域之間平行度級別的方法。所述方法包括下述步驟：(a)將校準工具的接觸部定位在接合工具和助焊劑站的接觸區域之間；(b)降低接合工具以帶動校準工具的接觸部到達助焊劑站的接觸區域中的接觸位置，在此校準工具的接觸部同時與接合工具的接觸部和助焊劑站的接觸區域中的接觸位置接觸；和(c)在接合工具的接觸部和助焊劑站的接觸區域中的每一個與校準工具的接觸部接觸的狀態下，確定助焊劑站的接觸區域中的接觸位置的z軸高度值。
較佳地，對於該助焊劑站的該接觸區域中的該多個接觸位置中的每一個，重複執行步驟(b)和(c)，藉此確定該助焊劑站的該接觸區域中的該多個接觸位置中的每一個的z軸高度值。
較佳地，該助焊劑站的該接觸區域中的該多個接觸位置中的每一個的z軸高度值被集中包含於該助焊劑站的該接觸區域的z軸位置資料中，該方法還包括以下步驟：利用電腦系統確定該助焊劑站的該接觸區域的z軸位置資料是否滿足預定標準。
100、200、300、300a‧‧‧接合機
104、204、304‧‧‧接合台
106、206、306‧‧‧接合處
108、208、308‧‧‧支撐結構
110、210、310‧‧‧接合工具
130‧‧‧基板
132‧‧‧半導體元件
136‧‧‧焊料觸點部分、焊料凸塊
138‧‧‧焊料介面
138a、138b‧‧‧上部導電結構
144a、144b‧‧‧下部導電結構
202、302‧‧‧接合頭組件
212、312‧‧‧運動系統
214、314‧‧‧向下攝影機
216、316‧‧‧向上攝影機
306a-306f‧‧‧位置
318‧‧‧校準工具
320‧‧‧工具連接托架
322‧‧‧接觸部
324‧‧‧上部接觸部
326‧‧‧下部接觸部
328‧‧‧臂部
500-512、700-710‧‧‧步驟
640‧‧‧助焊劑站
642‧‧‧助焊劑腔
當併同各隨附圖式而閱覽時，即可更佳瞭解本發明較佳範例之前揭摘要以及上文詳細說明。為達本發明之說明目的，各圖式中繪有現 屬較佳之各範例。然應瞭解本發明並不限於所繪之精確排置方式及設備裝置。
第1A圖是說明由接合工具承載的半導體元件在接合到基板之前的示意性側視圖；第1B圖是說明接合到基板之後的第1A圖中的半導體元件；第2圖是本發明示例性實施方式的接合機中的各個元件的示意性透視圖；第3圖是根據本發明另一示例性實施方式的另一種接合機中的各個元件的示意性透視圖；第4A圖是第3圖中根據本發明示例性實施方式的基板接合處的示意性放大透視圖；第4B圖-第4D圖是說明根據本發明各種示例性實施方式的接合工具和校準工具針對校準過程的運動的示意性側視圖；第5圖是說明本發明示例性實施方式的確定接合機中的接合工具和支撐結構之間平行度級別的方法流程圖；第6圖是根據本發明又一示例性實施方式的又一種接合機中的各個元件的示意性透視圖；以及第7圖是說明本發明示例性實施方式的確定接合機中的接合工具的接觸部和助焊劑站的接觸區域之間平行度級別的方法流程圖。
現將詳細參照本發明附圖所示之範例。所有圖式盡可能以相 同元件符號來代表相同或類似的部份。請注意該等圖式係以簡化形式繪成，並未依精確比例繪製。
這裡使用的術語「半導體元件」意在指包括(或在後面的步驟配置成包括)半導體晶片或晶粒的任何結構。示例性半導體元件包括裸露半導體晶片、在基板(例如，導線架、PCB、載體、半導體晶圓、BGA基板等等)上的半導體晶片、封裝半導體裝置、倒晶型半導體裝置、嵌入基板中的晶粒、堆疊半導體晶粒等等。再者，半導體元件可以包括配置成待接合或包括到半導體封裝(例如，在堆疊晶粒組態、基板中等等待接合的墊片)中的元件。
這裡使用的術語「基板」意在指可在其上接合(例如，熱壓接合，超音接合，熱超音接合，裸晶接合，等等)半導體元件的任何結構。在示例性實施方式中，基板包括，例如，導線架、PCB、載架、半導體晶圓、BGA基板、半導體元件等等。
根據本發明的一些示例性實施方式，熱壓倒晶型接合機包括接合頭組件，其承載著接合工具。接合工具將半導體元件(例如，半導體晶粒，仲介層等等)安置並接合到基板，其中焊料凸塊在被安置的半導體元件上熔化和重新固化以產生焊料接合部。控制最終焊料接合部的高度是預期的控制對象。在此實施方式中，由於半導體元件上的全部焊料凸塊在同一時間被接合，因此導致整個半導體元件上的焊料接合部高度差異直接取決於被接合的半導體元件和目標基板的平行度。關於接合機，控制接合工具(例如，接合工具的接觸部/接觸面)和接合機的支撐結構(也可稱作接合台)之間的平行度是可以被預期的。整個基板上的平行度(或共面度) 的預期視窗可以非常窄(例如，在整個基板上有2-3微米的變化)。因此，希望接合工具和支撐結構之間有非常精確的對正。
根據一些示例性實施方式，本發明涉及確定(例如，測量)接合工具和支撐結構之間平行度級別的方法，例如，用以驗證成功校準，以使得能夠在確保實現期望的接合高度控制的狀態下進行接合。此外，確定平行度級別可被用於產生用於接合工具及/或支撐結構的期望的修正運動/調整(例如，接合工具中使用主動/被動俯仰控制機構)。
本領域技術人員可以理解，接合機具有不同的運動系統構造。在本發明中，很多描述涉及專門的構造(其中一些元件具有一些運動軸線)；然而，可以理解，本發明不限於如此的構造。如後面參照附圖所作更詳細描述，示例性構造包括：(1)支撐結構，其沿著x軸方向可移動；(2)接合頭組件(承載接合工具)，其沿著y軸方向、z軸方向以及繞θ軸可移動；和輔助運動系統(例如，光學元件運動系統)，其沿著x軸方向、y軸方向和z軸方向可移動。輔助運動系統被配置成承載校準工具(例如，包括沿z軸方向具有順應性的梁部，和具有2個球形接觸面/部分的接觸部)，並且可將校準工具的接觸部安置在接合工具和支撐結構之間。接合工具沿著z軸下降直到與校準工具相接觸，並且繼續下降直至校準工具接觸支撐結構。在校準工具和支撐結構之間發生接觸後，z軸位置編碼器(例如，位於接合頭組件或接合機的其它部分上)的位置被記錄。這種位置測量可在支撐結構的接合處中的多個x、y位置處重複進行(例如，透過輔助運動系統的運動)。利用一組測量值可產生接合處中的多個x、y座標位置處的z軸資料的資料組，這可提供接合工具和支撐結構的接合處之間的平行度/平面度誤差的指示。 對於支撐結構上的每一個接合處，可透過分別沿著x、y軸將支撐結構及/或接合頭組件移動到各種接合處而重複進行位置測量。此外，這種方法還可用於測量接合工具和自選的助焊劑站之間的平行度。再者，這種方法還可用於測量支撐結構的平坦度。
上面描述的技術還可以結合調整/校準過程使用。例如，為支撐結構的多個接合處提供的z軸位置資料(其中對於每一個接合處的z軸位置資料可包括對於每一個接合處中的多個位置的z軸高度值)可被用於調整接合工具和支撐結構中的至少一個以改進它們之間的相對平行度。類似地，為助焊劑站的接觸區域中的多個x軸和y軸向位置提供的z軸位置資料可被用於調整助焊劑站，以改進助焊劑站和接合工具之間的平行度。
本領域技術人員可以理解，為了清楚表示，接合機(例如本發明展示和描述的接合機100、200、300和300a)可包括圖中未示出的許多元件。示例性元件包括，例如：輸入元件，用於提供將與半導體元件接合的基板/工件的輸入；輸出元件，用於接收處理過的基板/工件，其現在包括附加的半導體元件；運輸系統，用於移動基板；半導體元件供應結構(例如，半導體晶圓)，其包括將被接合到一或多個基板的多個半導體元件；電腦系統，其包括用於操作機器的軟體；以及其它種種元件。
現在請參照附圖，第1A圖示出了接合機100(例如，熱壓倒晶型接合機)的一部分，接合機包括接合台104(例如，滑梭台(shuttle)、加熱的滑梭台、熱塊、砧座等等)，和支撐結構108，其由接合台104支撐(其中支撐結構108和接合台104可集成為單一元件)。本領域技術人員可以理解，支撐結構108(例如，專門針對應用的部件，有時在行業中稱作“p-part”) 包括多個接合處106。基板130由支撐結構108支撐，並且包括多個接合區(對應於支撐結構108的接合處106)。下部導電結構144a、144b(例如，導電跡線、導電墊等等)設置在基板130上。接合機100還包括接合工具110(例如，由接合頭組件承載，未示出)承載半導體元件132。上部導電結構138a、138b(例如，導電柱，諸如銅柱等，被顯示為包括焊料觸點部分136或焊料凸塊136)，設置在半導體元件132上。接合工具110下降以使得上部導電結構138a、138b接觸下部導電結構144a、144b(例如，參照第1B圖)。如第1B圖所顯示，透過接合過程(例如，熱壓接合過程)，焊料觸點部分136被熔化，然後重新固化為焊料介面138，提供上部導電結構138a、138b和下部導電結構144a、144b之間相應的永久性導電連接。儘管第1A圖-第1B圖只示出了兩對導電結構(分別為導電結構對138a、144a和導電結構對138b、144b)，這當然僅僅是為瞭解釋給出的簡化例子。實際中，任何數量的成對導電結構皆可以提供(例如，數十個導電結構對、數百個導電結構對、等等)。
第2圖示出了接合機200中的元件，包括接合台204，其承載著支撐結構208(其中支撐結構208包括多個接合處206)，所述接合台204(與支撐結構208一起)被配置成沿著x軸運動範圍運行。接合機200還包括接合頭組件202，其承載著接合工具210。接合頭組件202(與接合工具210一起)被配置成沿著y軸運動範圍、沿著z軸運動範圍以及繞θ軸運行。運動系統212也被提供，並且被配置成沿著x軸運動範圍和y軸運動範圍(獨立於接合台204的x軸運動範圍，且獨立於接合頭組件202的y軸運動範圍)運行。在第2圖中，運動系統212是接合機200的光學元件的運動系統，其承載著向上攝影機216和向下攝影機214。在示例性接合操作中，拾取工具(未示出)從 晶片(或其它半導體元件源)移出半導體元件(例如，裸晶)。拾取工具，帶著半導體元件，移動(例如，沿著x軸運動範圍)到傳輸位置(未示出)。接合頭組件202也轉到傳輸位置，在此半導體元件從拾取工具被傳輸到接合工具210。支撐結構208沿著其x軸運動範圍被定位於給定位置。接合頭組件202沿著其y軸運動範圍移動到由支撐結構208支撐的基板的接合處(未示出)上方的位置。接合頭組件202沿著其z軸運動範圍下降，以使得接合工具210能夠將半導體元件接合到基板的接合處。這一過程可被重複以使得來自半導體元件源(未示出)的一定數量的半導體元件可被接合到基板上的相應接合處。在這一接合過程中，成像系統(例如，包括攝影機214和216)被配置成用於確定半導體元件在基板上的相應接合處上的正確安置位置和對正。例如，向上攝影機216可被用於對由接合工具210承載的半導體元件成像，向下攝影機214可被用於對基板的接合處成像。
除非另加說明，否則對於在第2圖以外的圖中顯示的元件來說，如果具有與第2圖中顯示且前面參照第2圖描述過的元件相似的附圖標記(例如除了第一位數字以外都相同，例如接合工具210和接合工具310)，是基本上相同的元件。類似地，前面參照第2圖描述的示例性接合操作同樣適用於後面附圖和本發明實施方式。
第3圖示出了接合機300中的元件，接合機包括接合台304，其承載著支撐結構308(包括接合處306)，其中接合台304(與支撐結構308一起)被配置成沿著x軸運動範圍運行。接合機300還包括接合頭組件302，其承載著接合工具310。接合頭組件302(與接合工具310一起)被配置成沿著y軸運動範圍運動、沿著z軸運動範圍運動、以及繞θ軸運行。運動系統312 也被提供，並且被配置成沿著x軸運動範圍和y軸運動範圍運行。運動系統312是接合機300的光學元件的運動系統，其承載著向上攝影機316和向下攝影機314。接合機300還包括校準工具318，其由承載運動系統312(並且透過工具連接托架320耦合到運動系統312)。校準工具318包括臂部328，其支撐著接觸部322。臂部328可以是，例如，順應性梁部，配置成沿z軸方向具有順應性，且被配置成支撐校準工具318的接觸部322。接觸部322包括上部接觸部324和下部接觸部326。上部接觸部324和下部接觸部326是彼此相對的接觸部，分別定義出相應的球面，其中所述接觸部可由硬質材料(例如，硬質金屬材料)製成。也就是說，每個接觸部324、326具有球形接觸面-其中球形接觸面可以是球形接觸部的一部分(如示於第3圖)，或者可以是構成整個球體的球形接觸部。如後面更詳細解釋，當校準工具318位於接合工具310和支撐結構308之間期望的位置時，接合工具310沿著z軸下降，直到接觸上部接觸部324，然後繼續下降，帶動下部接觸部326接觸到支撐結構308的一個接合處306的接觸區域。在向下帶動下部接觸部326時，臂部328撓曲，因而希望臂部328沿z軸方向具有順應性。在下部接觸部326和接合處元306的接觸區域之間建立了接觸後，z軸高度測量被執行，例如，使用z軸編碼器。如此一來，z軸高度值被建立。
可對支撐結構308的多個接合處306執行z軸高度值測量。此外，可對接合處306中的多個位置進行z軸高度值測量。第3圖中的一部分的細節在第4A圖中顯示。具體而言，第4A圖示出了一個具有多個接合處306中的多個位置(即，位置306a、306b、306c、306d、306e和306f，其中每個位置以十字標記代表)。因此，第4A圖示出了用於對接合處306中的多個位 置確定Z軸高度值的示例性過程。換言之，使用校準工具318的接觸部322，在位置306a，z軸高度值被獲取。然後，校準工具318被移動，並且使用接觸部322，另一z軸高度值在位置306b被獲取。這個過程被重複進行以在位置306c、306d、306e和306f獲得z軸高度值。雖然第4A圖中示出了接合處306中的6個位置，可以理解的是，用於在接合處306獲得z軸高度值的任何數量的位置(例如，10個位置，50個位置，等等)可被採用。
第4B圖-第4D圖示出了使用接合工具310將接觸部322(校準工具318的)帶到與支撐結構308的接合處306接觸的示例性過程。更具體地講，第4B圖示出了校準工具318的接觸部322，且接觸部322已被定位在接合工具310和支撐結構308之間(例如，借助運動系統312，沿著其x和/或y運動軸線移動)。第4C圖示出了接合工具310已被降低到其與接觸部322的上部接觸部324接觸的位置。接合工具310繼續下降，直到如第4D圖所示，接合工具310帶動接觸部322的下部接觸部326接觸到支撐結構308的接合處306(即，在接觸位置，其中接觸部322保持與接合工具310接觸。在這個位置，為接觸位置確定z軸高度值(例如，使用z軸編碼器)。
第5圖和第7圖是根據本發明示例性實施方式的流程圖。如本領域技術人員所理解，流程圖中包含的一些步驟可被省略；一些附加步驟可被添加；並且各步驟的次序可以改變成與圖示的不同。
第5圖示出了確定接合工具(例如，接合工具的接觸部配置成在元件被接合到基板期間接觸半導體元件)和接合機的支撐結構(支撐所述基板)之間平行度級別的方法。在步驟500，將校準工具的接觸部定位在接合工具和支撐結構的接合處之間。例如，在第3圖中，接觸部322已被 定位(使用運動系統312，其沿著x和y軸運行，獨立於接合頭組件)在接合工具310和支撐結構308的一個接合處306(例如，也示於第4B圖)之間。在步驟502，降低接合工具以帶動校準工具的接觸部到達接合處元中的接觸位置。例如，參照第4C圖至第4D圖，其中接合工具310已帶動接觸部322接觸到接合處306。在步驟504，在接合工具和支撐結構中的每一個與接觸校準工具的接觸部接觸的狀態下，確定接觸位置的z軸高度值。在步驟506，對於接合處中的多個接觸位置中的每一個，每個步驟500、502和504被重複，藉此為多個接觸位置中的每一個確定z軸位置資料，包括z軸高度值。例如，參照第4A圖，對於接合處306中的每個位置306a、306b、306c、306d、306e和306f，每個步驟500、502和504可被重複。針對每個位置確定了z軸高度值後(在步驟506中確定為“是”)，流程轉到步驟508，如果不是(在步驟506中確定為“否”)，流程則被重複進行(步驟500、502和504)。
在步驟508，對於多個接合處中的每一個，每個步驟500、502、504和506被重複，藉此為多個接合處中的每一個確定z軸位置資料。例如，參照第3圖，對於多個接合處306中的每一個，每個步驟500、502、504和506可被重複實施。在為每個接合處確定了z軸位置資料後(在步驟508中確定為“是”)，流程轉到步驟51，如果不是(在步驟508中確定為“否”)，流程則被重複進行(步驟500、502、504和506)。
對於每一個接合處的z軸位置資料可接著被分析。換言之，z軸位置資料可被處理以便為每一個接合處確定平行度級別，並且透過分析z軸位置資料確定是否該平行度級別滿足預定標準。在步驟510，執行判斷以確定是否對於每一個接合處的z軸位置資料滿足預定標準(例如，使用接合 機的電腦系統)。如果預定標準被滿足，流程可考慮結束。
當然，這種判斷(步驟510中的)可借助各種不同的技術實現。在一個示例性實施方式中，電腦系統可如此完成步驟510，即確定是否每一個z軸高度值(包含在對於給定接合處的z軸位置資料中)位於彼此的預定公差內。在一示例性實施方式中，可接受的公差範圍為2微米。在第二個實施方式中，電腦系統可如此完成步驟510，即使用軟體利用對於接合處的z軸位置資料產生對於接合處的最佳擬合平面。之後，執行判斷以確定是否對於每個接合處的最佳擬合平面落入容許標準範圍內。在一示例性實施方式中，可接受的標準範圍可由一或多個斜度值(例如，沿著最佳擬合部位的每單位長度的斜度，等等)定義。當然，其它作出步驟510中的判斷的技術也可構想出來。
根據本發明的一些示例性實施方式，在z軸位置資料不滿足預定標準(例如，如前面接合步驟510所描述)的情況下，閉環流程可被用於實現系統調整。如此的調整可以人工進行(即，需要操作人員介入)或自動進行(即，自動進行調整，不需要操作人員介入)。如果對於至少一個接合處的z軸位置資料不滿足預定標準，在步驟512，接合工具和支撐結構中的至少一個被調整。步驟512中的示例性調整可以改變接合工具的接觸部的定向。例如，接合工具的接觸部的定向可透過下述方式被改變，釋放接合工具的調整機構(例如，主動或被動俯仰調整機構，例如空氣軸承系統)，改變接合工具接觸部的定向(例如，透過改變接合工具接觸部的角部處的高度或角度，基於由接合機的電腦系統確定的誤差)，然後重新鎖定調整機構。步驟512中的另一示例性調整可改變支撐結構的安裝(例如，改變支撐 結構的一個角度)。當然，其它調整也可構想出來。在步驟512之後，流程可選擇性地被重複實施(返回步驟500)以便確定是否對於每個接合處的z軸位置資料滿足預定標準，換言之，用以確定是否調整達到了預期結果。流程可以重複實施(透過多次調整)直至預定標準被滿足。
第6圖示出了接合機300a(基本上類似於第3圖中的接合機300，除了下面描述的)中的元件。接合機300a包括助焊劑站(flux station)640，其被配置成將半導體元件接合到基板之前將助焊材料(從助焊劑腔(fluxing cavity)642的接觸區域)提供到半導體元件的焊料觸點。例如，參照第1A圖，位於半導體元件132上的焊料觸點部分136(上部導電結構138a、138b的)透過被帶到與助焊劑腔642中的助焊材料接觸而可被熔融。在如此熔融後，上部導電結構138a、138b被帶到接觸並且熱壓接合到下部導電結構144a、144b(例如，參照第1B圖)。關於如此的熔融操作(和後續的接合操作)，可以期望以確定(或調整)助焊劑腔642和接合工具310之間平行度級別。這可以借助校準工具318以基本上類似於第4B圖-第4D圖中所示技術的方式實現。更具體而言，接合工具的接觸部310下降到接觸接觸部322，並將接觸部322帶到與助焊劑腔642中的部位接觸。在此位置，z軸高度值被獲取(例如，使用z軸編碼器)。對於助焊劑腔642中的多個x和y軸向位置，這一過程可被重複。本領域技術人員可以理解，取決於被接合的半導體元件的尺寸，在熔融操作中可能只使用助焊劑腔642的一部分。助焊劑腔642的這一部分可稱作「接觸區域」。
第7圖示出了確定接合工具的接觸部和接合機助焊劑站的接觸區域之間平行度級別的方法。在步驟700，校準工具的接觸部被定位在接 合工具和助焊劑站的接觸區域(例如，其中示例性接觸區域示於第6圖的助焊劑腔642內)之間。例如，在第6圖中，接觸部322(在第6圖中未示出)已被定位(使用運動系統312，其沿著x軸和y軸運行，獨立於接合頭組件)在接合工具310和助焊劑腔642的接觸區域之間。在步驟702，接合工具下降(以類似於第4B圖至第4D圖中所示的方式，但針對的是助焊劑站)以帶動校準工具的接觸部到達助焊劑站的接觸區域中的接觸位置。在這個接觸位置，校準工具的上部接觸部324接觸接合工具的接觸部，同時下部接觸部326接觸助焊劑腔642的接觸區域中的接觸位置。在步驟704，助焊劑站的助焊劑腔的接觸區域中的接觸位置確定z軸高度值。
在步驟706，對於助焊劑站的接觸區域中的多個接觸位置中的每一個，每個步驟700、702和704被重複實施，藉此為助焊劑站的接觸區域確定z軸位置資料(包括z軸高度值)。在z軸位置資料已被確定後(在步驟706中確定為“是”)，流程轉到步驟708；如果不是(在步驟706中確定為“否”)，流程則被重複實施(步驟700、702和704)。之後對於接觸區域的z軸位置資料可被分析。也就是說，z軸位置資料可被處理以便確定接觸區域的平行度級別，並且透過分析z軸位置資料確定平行度級別是否滿足預定標準。在步驟708，執行判斷以確定助焊劑站的接觸區域的z軸位置資料是否滿足預定標準(例如，使用接合機的電腦系統)。如果預定標準被滿足，流程可考慮結束。
這種判斷方式(步驟708中的)可利用各種不同的技術實現。在一示例性實施方式中，電腦系統可依上述方法完成步驟708，即確定是否每個z軸高度值(包含於接觸區域的z軸位置資料中)位於彼此的預定公差 內。在一示例性實施方式中，可接受的公差範圍為2微米。在第二個示例性實施方式中，電腦系統可如此完成步驟708，即使用軟體來產生用於助焊劑站的接觸區域的最佳擬合平面。之後，執行判斷以確定對於助焊劑站的最佳擬合平面是否落入可接受的標準範圍內。在示例性實施方式中，可接受的標準範圍可由一或多個斜度值(例如，沿著最佳擬合部位的每單位長度的斜度，等等)定義。當然，其它可作出步驟708中的判斷技術也可構想出來。
根據本發明的一些示例性實施方式，在z軸位置資料不滿足預定標準(例如，如前面接合步驟708所描述)的情況下，閉環流程可被用於實現助焊劑站調整。如此的調整可以人工進行(即，需要操作人員介入)或自動進行(即，自動進行調整，不需要操作人員介入)。如果z軸位置資料(對於至少一個位置)不滿足預定標準，在步驟710，助焊劑站的接觸區域被調整。示例性調整在步驟710可改變接觸區域的安裝(例如，改變第6圖所示助焊劑腔642的一個角度)。當然，其它調整也可構想出來。在步驟710之後，流程可選擇性地被重複實施(返回步驟700)以便確定對於每個接合處的z軸位置資料是否滿足預定標準；換言之，以便確定調整是否達到了期望的結果。流程可以重複進行(透過多次調整)，直至預定標準被滿足。
這裡描述的各種流程(例如，接合第5圖和第7圖描述的流程)可以以期望的間隔執行。例如，如此的流程可在機器設置時執行，每當針對應用的專門支撐結構(例如，p-part)被安裝到機器上時被執行，以預定間隔(例如，以預定時間段，針對預定數量的接合/操作)執行，等等。
這裡描述的示例性機器和流程(例如，結合第5圖和第7圖描 述的流程)可被用於測量並且存儲平行度數據(例如，z軸高度值，z軸位置資料，等等)。例如，如此的平行度數據可被存儲於接合機的記憶體中，並且可在之後被用作可調系統元件(例如，可調接合工具，例如可重新定位的俯仰調整接合工具接觸面)的輸入，即可自動進行也可手動進行。執行如此的調整時可進行、也可不進行重新檢測平行度數據以確定調整是否達到了期望的結果。
這裡描述的示例性機器和流程還可應用於確定及/或調整接合台平面度(平坦度)。換言之，專門針對接合台應用檢測支撐結構上的平面度(平坦度)級別(獨立於接合處)是可以被預期的。例如，使用這裡描述的校準工具，可在接合台的不同位置進行多次z軸高度測量，以便確定其整體平面度(平坦度)。
本領域技術人員可以理解，本發明描述的各種方法中的z軸高度值可以針對任何數量的位置進行測量。換言之，從位置到位置以及從接合處到接合處的測量，絕對z-高度不如相對z-高度來的重要。本領域技術人員可以理解，在半導體封裝設備(例如焊線機)中，可以使用z軸編碼器來獲得如此的z軸高度值。
本領域技術人員可以理解，關於本發明的一些示例性實施方式，精確且重複地檢測一些元件之間的接觸是可被預期的。例如，當接合工具和支撐結構中的每一個處於接觸校準工具的接觸部(例如，參照第4D圖)時，可以預期獲得z軸位置資料。檢測這種接觸可以借助本領域技術人員能夠理解的任何數量的技術實現。任何數量的示例性技術包括監測至少一個接合頭組件特性，例如接合頭組件速度，接合頭組件的組裝力量，和 接合頭組件z軸位置，等等。這些特性可以暫態監測，或者可以在一個時段內檢測，以便識別精確斷定發生接觸的標記。更具體而言，在監測接合頭組件z軸位置以便斷定接觸的例子中，在接合頭組件到達z軸位置(並且保留在該位置，儘管試圖沿著z軸進一步移動的力被施加)後，可斷定發生接觸。在本發明的例子中，在斷定接觸後，接合機可以以恆力模式操作以獲取z軸位置資料。恆力模式中的恆定力可以利用接合頭組件的z軸馬達提供，該馬達可選擇性地利用一力感測器來調整，該力感測器提供實際檢測到的力值的回饋。
在說明本發明之代表性範例時，本說明書已經提出操作本發明之該方法及/或程式做為一特定順序的步驟。但是，某種程度上該方法或程式並不會依賴此處所提出的特定順序的步驟，該方法或程式不應限於所述之該等特定的步驟順序。如本技藝專業人士將可瞭解，其它的步驟順序亦為可行。因此，在本說明書中所提出之特定順序的步驟不應被視為對於申請專利範圍之限制。此外，關於本發明之方法及/或程式之申請專利範圍不應限於在所提出順序中之步驟的效能，本技藝專業人士可立即瞭解該等順序可以改變，且仍維持在本發明之精神及範圍內。
熟習此項技藝者應即瞭解可對上述各項範例進行變化，而不致悖離其廣義之發明性概念。因此，應瞭解本發明並不限於本揭之特定範例，而係為涵蓋歸屬如後載各請求項所定義之本發明精神及範圍內的修飾。
300‧‧‧接合機
302‧‧‧接合頭組件
304‧‧‧接合台
306‧‧‧接合處
308‧‧‧支撐結構
310‧‧‧接合工具
312‧‧‧運動系統
314‧‧‧向下攝影機
316‧‧‧向上攝影機
318‧‧‧校準工具
320‧‧‧工具連接托架
322‧‧‧接觸部
324‧‧‧上部接觸部
326‧‧‧下部接觸部
328‧‧‧臂部

Claims (45)

  1. 一種接合機，用於接合半導體元件，該接合機包括：支撐結構，其被配置成支撐基板；接合頭組件，其包括接合工具，該接合工具被配置成將多個半導體元件接合到該基板；以及校準工具，其包括接觸部，該接觸部被配置成定位在該接合工具和該支撐結構之間，其中該接觸部被配置成在校準操作中同時被該接合工具和該支撐結構中的每一個接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之接合機，其中該接合機更包括獨立於該接合頭組件的運動系統，該運動系統承載該校準工具。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之接合機，其中該運動系統被配置成將該校準工具沿著該接合機的x軸和y軸中的每個軸線移動。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之接合機，其中該接合機包括光學元件，該運動系統被配置成承載該光學元件。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之接合機，其中該校準工具的該接觸部包括兩個彼此相對的接觸部，每一個接觸部分別定義出相應的球面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之接合機，其中該校準工具包括梁部，該梁部沿z軸方向具有順應性，並且配置成支撐該校準工具的該接觸部。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之接合機，其中該接合頭組件被配置成沿該接合機的y軸、z軸和繞θ軸運動。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之接合機，其中該支撐結構沿該接合機的x軸移動。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之接合機，其中該校準工具的該接觸部被配置成接觸該支撐結構的多個接合處，以便為該多個接合處中的每一個確定z軸位置資料。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之接合機，其中該多個接合處中的每一個的z軸位置資料包括該多個接合處中的各接合處中的多個位置的 z軸高度值。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之接合機，還包括電腦系統，其被配置成接收該z軸位置資料，並且確定該多個接合處中的每一個的z軸位置資料是否滿足預定標準。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之接合機，其中該電腦系統透過確定該多個接合處中的每一個的z軸高度值是否位於彼此的預定公差內來判斷該多個接合處中的每一個的z軸位置資料是否滿足預定標準。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之接合機，其中該電腦系統利用軟體來使用該多個接合處中的每一個的相應z軸高度值為該多個接合處中的每一個產生最佳擬合平面。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之接合機，其中該電腦系統透過確定該每一個最佳擬合平面是否落入容許標準範圍內而判斷該多個接合處中的每一個z軸位置資料是否滿足預定標準。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之接合機，其中該容許標準範圍透過一或多個斜度值確定。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之接合機，其中如果該電腦系統判斷出該多個接合處中的至少一個的z軸位置資料不滿足預定標準，則對接合工具和支撐結構中的至少一個執行調整。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之接合機，其中該調整包括改變該接合工具的該接觸部的定向。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之接合機，其中該接合工具的該接觸部的定向透過下述方式被調整：釋放該接合工具的調整機構，改變該接合工具該接觸部的定向，然後重新鎖定該調整機構。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之接合機，其中該接合機為熱壓接合機。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之接合機，還包括助焊劑站，其被配置成在該多個半導體元件中的每一個被接合到該基板之前向該多個半導體元件中的每一個的焊料觸點提供助焊材料。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之接合機，其中該接合工具的該接觸部被配置成接觸該助焊劑站的接觸區域的多個x軸和y軸向位置， 以便確定關於該接觸區域的z軸位置資料。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之接合機，其中關於該接觸區域的z軸位置資料包括該接觸區域的多個x軸和y軸向位置處的z軸高度值。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之接合機，還包括該電腦系統，其被配置成接收關於該接觸區域的z軸位置資料，並且確定關於該接觸區域的z軸位置資料是否滿足預定標準。
  24. 如申請專利範圍第1項所述之接合機，其中該校準工具的該接觸部被該接合工具移動，並透過該接合工具的移動被帶到與該支撐結構接觸。
  25. 一種用於確定接合工具與接合機的支撐結構之間平行度級別的方法，包括以下步驟：(a)將校準工具的接觸部定位在接合工具和支撐結構之間；(b)降低該接合工具以帶動該校準工具的該接觸部到達該支撐結構的接合處中的接觸位置，在此該校準工具的該接觸部同時與該接合工具和該接觸位置接觸；以及(c)在該接合工具和該支撐結構中的每一個與該校準工具的該接觸部接觸的狀態下，確定該接觸位置的z軸高度值。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中，步驟(a)包括利用獨立於接合頭組件的運動系統將該校準工具的該接觸部定位在該接合工具和該支撐結構之間，該運動系統承載著該校準工具。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該運動系統被配置成將該校準工具沿著該接合機的x軸和y軸中的每個移動。
  28. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中，該校準工具的該接觸部包括兩個彼此相對的分別定義出相應球面的接觸部，在該校準操作中該兩個彼此相對的接觸部中的每一個被該接合工具和該支撐結構中的一個接觸。
  29. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中，該校準工具包括梁部，該梁部沿著z軸具有順應性，承載著該校準工具的該接觸部。
  30. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中對於該接合處中的多個 接觸位置中的每一個，重復執行每個步驟(b)和(c)，藉此為該多個接觸位置中的每一個確定z軸高度值。
  31. 如申請專利範圍第30項所述之方法，其中該多個接觸位置中的每個的z軸高度值集中包含在接合處的z軸位置資料中，該方法還包括以下步驟：利用電腦系統確定該接合處的z軸位置資料是否滿足預定標準。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之方法，其中該電腦系統透過確定每個z軸高度值是否位於彼此的預定公差內來判斷該接合處的z軸位置資料是否滿足預定標準。
  33. 如申請專利範圍第31項所述之方法，其中該電腦系統利用軟體來使該接合處的z軸位置資料產生用於該接合處的最佳擬合平面。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之方法，其中該電腦系統透過確定該最佳擬合平面是否落入容許標準範圍內而判斷該接合處的z軸位置資料是否滿足預定標準。
  35. 如申請專利範圍第34項所述之方法，其中該容許標準範圍透過一或多個斜度值定義。
  36. 如申請專利範圍第31項所述之方法，還包括以下步驟：如果該電腦系統判斷出該z軸位置資料不滿足預定標準，則調整該接合工具和該支撐結構中的至少一個。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之方法，其中該調整步驟包括改變該接合工具的該接觸部的定向。
  38. 如申請專利範圍第37項所述之方法，其中該接合工具的該接觸部的定向透過以下方式改變：釋放該接合工具的調整機構，改變該接合工具接觸部定向，然後重新鎖定該調整機構。
  39. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中對於該支撐結構的該多個接合處中的每一個中的該多個接觸位置中的每一個，重復執行每個步驟(b)和(c)，藉此確定該多個接合處中的每一個中的該多個接觸位置中的每一個的z軸高度值。
  40. 如申請專利範圍第39項所述之方法，其中該多個接觸位置中的每一個的z軸高度值被集中包含於該多個接合處中的各接合處的z軸 位置資料中，該方法還包括以下步驟：利用該電腦系統確定每個接合處的z軸位置資料是否滿足預定標準。
  41. 如申請專利範圍第40項所述之方法，還包括以下步驟：如果該電腦系統判斷出該接合處中的至少一個的z軸位置資料不滿足預定標準，則調整該接合工具和該支撐結構中的至少一個。
  42. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中該調整步驟包括改變該接合工具的該接觸部的定向。
  43. 一種確定接合工具的接觸部與接合機的助焊劑站的接觸區域之間平行度級別的方法，包括以下步驟：(a)將校準工具的接觸部定位在接合工具和助焊劑站的接觸區域之間；(b)降低該接合工具以帶動該校準工具的該接觸部到達該助焊劑站的該接觸區域中的接觸位置，在此該校準工具的該接觸部同時與該接合工具的該接觸部和該助焊劑站的該接觸區域中的接觸位置接觸；以及(c)在該接合工具的該接觸部和該助焊劑站的該接觸區域中的每一個與該校準工具的該接觸部接觸的狀態下，確定該助焊劑站的該接觸區域中的該接觸位置的z軸高度值。
  44. 如申請專利範圍第43項所述之方法，其中對於該助焊劑站的該接觸區域中的該多個接觸位置中的每一個，重複執行步驟(b)和(c)，藉此確定該助焊劑站的該接觸區域中的該多個接觸位置中的每一個的z軸高度值。
  45. 如申請專利範圍第44項所述之方法，其中該助焊劑站的該接觸區域中的該多個接觸位置中的每一個的z軸高度值被集中包含於該助焊劑站的該接觸區域的z軸位置資料中，該方法還包括以下步驟：利用電腦系統確定該助焊劑站的該接觸區域的z軸位置資料是否滿足預定標準。
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