TW201816927A - 包括反射光學元件的接合頭組件、相關接合機和相關方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於接合機的接合頭組件，所述接合頭組件包括：一主體部分；以及一接合工具，用於將一半導體元件接合到一基板。所述接合工具被固定到所述主體部分。所述接合頭組件還包括至少一個反射光學元件，由所述接合頭組件來承載。所述至少一個反射光學元件被配置以沿著所述接合機的一光學路徑來設置，以使所述接合機的一視覺系統被配置以：在將所述半導體元件接合到所述基板之前，當所述半導體元件由所述接合工具來承載時，觀察所述半導體元件的一部分。

Description

包括反射光學元件的接合頭組件、相關接合機和相關方法
本發明涉及用於半導體元件接合機的接合頭組件，更具體地，涉及包括諸如稜鏡元件的反射光學元件的這種接合頭組件。
在半導體封裝工業中，接合機（例如，晶粒附接機、熱壓接合機、覆晶接合機等）用於將半導體元件（例如，半導體晶粒）接合到基板上。
在半導體元件與基板的接合方面，視覺系統典型地用於將要接合的半導體元件與基板對準。換句話說，可以使用視覺系統來對在半導體元件和/或基板上的基準標記（或其它標記）進行成像，以在接合之前，確保適當的對準。
在某些應用中，視覺系統可以包括仰視/俯視攝影機，其中，該攝影機能夠觀察半導體元件（位於視覺系統上方）和基板（位於視覺系統下方）中的每一者。圖1是這種習知接合機的示例。
圖1是說明接合機100（例如，熱壓接合機）的方塊圖。接合機100包括用於支撐基板104的支撐結構102。如圖1所示，基板104包括基準標記104a。接合機100還包括接合頭組件108。接合工具110被包括在接合頭組件108中，並且被固定到接合頭組件108的主體部分108a。接合工具110承載被配置為使用接合工具110來接合到基板104的半導體元件112（例如，半導體晶粒）。如圖1所示，半導體元件112包括基準標記112a。
接合機100還包括視覺系統106。視覺系統106包括：例如，用於對基板104和半導體元件112的部分進行成像的攝影機和其它成像元件。特別是，視覺系統106是一種仰視/俯視視覺系統，被配置以：（i）使用視覺路徑106a來對半導體元件112的部分進行成像；以及（ii）使用視覺路徑106b來對基板104的部分進行成像。本領域技術人員將會理解，視覺系統106適當地對基準標記104a、112a進行成像，以將半導體元件112準確地放置到基板104上。
遺憾的是，在某些應用中（例如如圖1所示），由接合工具承載的半導體元件上的基準標記無法使用仰視/俯視攝影機來觀看。再次參考圖1，因為基準標記112a位於與接合工具110相鄰的半導體元件112的表面上，且並未面向視覺系統106，所以基準標記112a可能無法使用視覺系統106來成像。
因此，需要提供一種用於對半導體元件進行成像的改良式接合機，所述半導體元件由諸如圖1所示之配置的接合工具來承載。
根據本發明的示例性實施例，提供一種用於接合機的接合頭組件，所述接合頭組件包括：一主體部分；以及一接合工具，用於將一半導體元件接合到一基板。所述接合工具被固定到所述主體部分。所述接合頭組件還包括至少一個反射光學元件，由所述接合頭組件來承載。所述至少一個反射光學元件被配置以沿著所述接合機的一光學路徑來設置，以使所述接合機的一視覺系統被配置以：在將所述半導體元件接合到所述基板之前，當所述半導體元件由所述接合工具來承載時，觀察所述半導體元件的一部分。
根據本發明的另一個示例性實施例，提供一種用於將一半導體元件接合到一基板的接合機。所述接合機包括：一支撐結構，用於所述支撐基板；一視覺系統，用於對所述半導體元件進行成像；以及如上所述的接合頭組件。
根據本發明的又一個示例性實施例，提供一種接合半導體元件的方法，所述方法包括以下步驟：（i）用一接合工具來承載一半導體元件；（ii）提供一接合頭組件，其包括所述接合工具，所述接合頭組件承載至少一個反射光學元件；（iii）使用所述接合機的一視覺系統，藉由將光從所述視覺系統反射到所述反射光學元件、從所述反射光學元件反射到一標記、以及從所述標記反射回到所述視覺系統，來對所述半導體元件的所述標記進行成像；（iv）處理來自所述視覺系統的至少一個影像；（v）在步驟（iv）之後，使用與在步驟（iv）期間所處理的所述至少一個影像相關的資訊，來調整所述半導體元件與所述基板之間的相對對準；以及（vi）使用所述接合工具在所述接合機上將所述半導體元件接合到所述基板。
本文中所使用的術語「半導體元件」是指包括（或被配置以在後面步驟中包括）半導體晶片或晶粒的任何結構。示例性半導體元件包括：半導體裸晶粒、基板上半導體晶粒（例如，導線框架、PCB、載體、半導體晶片、半導體晶圓、BGA基板、半導體元件等）、封裝的半導體裝置、覆晶半導體裝置、嵌入在基板中的晶粒、半導體晶粒的堆疊體及其它。另外，半導體元件可以包括被配置以接合或以其它方式包括在半導體封裝中的元件（例如，要接合在堆疊的晶粒構造中的間隔體、基板等）。
本文中所使用的術語「基板」和「工件」是指半導體元件可以接合（例如，熱壓接合、超音波接合、熱音波接合、晶粒接合等）的任何結構。示例性的基板包括：例如，導線框架、PCB、載體、半導體晶片、半導體晶圓、BGA基板、半導體元件等。
本發明的一些示例性實施例係關於一種接合機（例如，晶粒附接機、熱壓接合機、覆晶接合機等）的接合頭組件。
根據本發明的一些示例性實施例，提供一種用於執行面朝上扇出型晶圓級封裝（FOWLP）的接合頭組件（包括接合工具）。在這種製程中，接合工具將半導體元件（例如，晶粒）設置和附接到基板或晶圓。例如如圖2A~2B所示，利用一個或複數個光學基準在上表面上標記被設置的晶粒。該製程包含基於這些光學基準的位置來定位晶粒。
當進行面朝上應用時（例如如圖2A~2B所示），接合機可能遇到可能出現的任何差錯，例如，當半導體元件（例如，半導體晶粒）從傳送工具（例如，用於將半導體元件從諸如晶圓的晶源取出的選取工具）轉移到設置工具時。下文中所描述的本發明態樣會改進最終接合放置準確度，因此改進了接合機的產率。本發明的態樣涉及由設置工具支撐的同時，提供從視覺系統（例如，分場視覺系統）到晶粒的頂側的光學路徑。
根據本發明，反射光學元件（例如，諸如杜夫稜鏡元件(dove prism element)、多稜鏡元件等稜鏡元件）被包括在接合機的接合頭組件中，以使視覺路徑設置在視覺系統（例如，仰視攝影機）和位於面向接合工具的半導體元件的表面上的基準（或其它標記）之間。圖2A~2B是這種構造的示例。
在圖2A~2B中的每一個圖中，相似元件顯示具有類似於上文中關於圖1所示和描述的元件編號。例如，在圖1中，基板的元件編號為104，在圖2A~2B中，基板的元件編號為204。要理解的是，在各圖中的這些元件是相同、或實質相同。
在圖2A中，提供作為接合機200的接合頭組件208的一部分的兩個反射光學元件214。在圖2A中，這些元件被固定到接合工具210；然而，反射光學元件可以由接合頭組件208的另一部分來承載。例如，在圖2B中，反射光學元件214’由接合頭組件208的主體部分208a來承載。
在圖2A~2B中的每一個圖中，視覺路徑206a、206a’被設置在視覺系統206、206’與基準標記212a、212a’之間。更具體而言，參考圖2A，為了確定半導體元件212的位置資訊，來自視覺系統206的光被反射光學元件214的表面反射，直到這種光對基準標記212a進行成像為止，並且隨後反射回到視覺系統206。
本領域技術人員可意識到，各種類型的反射光學元件（可以是至少部分透射的）可使用在本發明中。一種這種類型的反射光學元件是稜鏡元件。稜鏡元件的示例包括杜夫稜鏡元件和複合稜鏡元件(例如，包括組合在一起的複數個稜鏡元件的稜鏡元件)。
圖3A是說明兩個杜夫稜鏡元件214的示例，其提供視覺系統（為了簡化，圖中未示）與相關的基準標記212a之間所需的光學路徑206a。圖3B~3C是說明提供所需要的光學路徑的複合稜鏡元件的示例。具體參考圖3B，反射光學元件314是包括一第一部分314a和一第二部分314b的複合稜鏡元件。例如，第一部分314a可以是五稜鏡，且第二部分314b可以是直角稜鏡。類似地，圖3C是說明為複合稜鏡的反射光學元件414，其包括一第一部分414a和一第二部分414b，其中，第一部分414a可以是五稜鏡，且第二部分414b可以是直角稜鏡。在這種複合稜鏡元件中，各個部分可以彼此固定、或者在相關結構(例如，接合工具的某個部分或接合頭組件的某個其它支撐結構)上彼此相鄰設置。
藉由圖式中所示及上文描述的本發明實施例，反射光學元件從放置器視覺系統來反射光，以看到在面朝上半導體元件上的基準標記或其它標記。當由接合工具(或接合頭組件的其它部分)來承載時，反射光學元件可以位於彼此相對的角落，以使兩個角落基準標記的影像可以看到。一玻璃接合晶粒可以用於得知由稜鏡造成的偏移。
本文所描述的「稜鏡」工具概念，當半導體元件在放置工具(例如，接合工具)上時，讓接合機看到在面朝上半導體元件上的特徵。可以使用局部對準或使用與面朝下全域對準晶粒相同的方法來放置面朝上晶粒。
本發明還可以體現為接合半導體元件的方法，包括：諸如以下步驟：（i）以放置器/接合工具承載半導體元件，該半導體元件在「面朝上」方向上承載有面對(和相鄰)該放置器/該接合工具的接觸表面的該半導體元件的側面上的基準標記(或感興趣的其它標記)；（ii）提供一接合頭組件，其(藉由該接合工具、或該接合頭組件的另一部分)承載如本文所示和所述的至少一個反射光學元件；（iii）使用接合機的視覺系統，藉由將光從該視覺系統反射到該反射光學元件、反射到相關的基準標記或其它標記、以及反射回到視覺系統，來對該半導體元件的標記進行成像；（iv）使用例如該接合機（或由該接合機可接入）的電腦和影像處理軟體，來處理來自該視覺系統的影像；（v）在步驟（iv）之後，使用與該至少一個影像相關的資訊，來調整該半導體元件與一基板之間的相對對準；以及（vi）使用該接合工具在該接合機上將該半導體元件接合到該基板。當然，如由本領域技術人員所理解，可以省略上述某些步驟、可以增加某些額外步驟、以及可以改變步驟的順序。另外，該方法可以包括一封閉迴路製程，從而在步驟（v）之後，重複步驟（iii）和步驟（iv），直到實現相對對準的預定準確度為止。
根據本發明的示例性實施例，在成像期間，包括在該接合頭組件中（例如在該接合工具上）的一個或複數個反射光學元件（例如，諸如本文所述的稜鏡）實際上可以與要接合的該半導體元件（例如，晶粒）接觸。在特定的示例中，該反射光學元件（例如，稜鏡）可以界定一個或複數個孔，藉由所述孔可以抽成真空。在該半導體元件上的標記進行成像之前，該半導體元件可以與該反射光學元件（使用真空的）進行接觸，並且進行成像製程。這種技術（和結構）可以具有用於小型半導體元件（例如，非常小的晶粒）的特定實用性。
儘管本發明使用「反射」光學元件進行描述，但是要理解的是，整個元件可以不是反射性的，而是該元件包括至少一個反射表面。從附圖中(例如，圖2A~2B和圖3A~3C)清楚可見，各種光學元件可以具有「透射」性質，其中，光傳輸穿過該元件的部分，且隨後被該元件的其它表面反射。
儘管本發明主要是針對面朝上FOWLP應用進行描述，但並不限於此。本發明的教示可適用於各種類型的應用，其中，需要對面對承載該半導體元件（例如，面朝上方向）的該接合工具的該半導體元件的一部分進行成像。
儘管本發明參照特定實施例來說明和描述，但本發明並不意圖受限於該描述細節。相反地，在申請專利範圍的範疇和均等範圍內且在不脫離本發明的情況下，可以對本發明細節進行各種修改。
本申請主張2016年10月25日提交的美國臨時專利申請第62/412,344號的權益，該申請的內容藉由引用併入本文。
100‧‧‧接合機
102‧‧‧支撐結構
104‧‧‧基板/支撐基板
104a‧‧‧基準標記
106‧‧‧視覺系統
106a‧‧‧視覺路徑
106b‧‧‧視覺路徑
108‧‧‧接合頭組件
108a‧‧‧主體部分
110‧‧‧接合工具
112‧‧‧半導體元件
112a‧‧‧基準標記
200‧‧‧接合機
202‧‧‧支撐結構
204‧‧‧基板/支撐基板
204a‧‧‧基準標記
206‧‧‧視覺系統
206’‧‧‧視覺系統
206a‧‧‧視覺路徑
206a’‧‧‧視覺路徑
206b‧‧‧視覺路徑
208‧‧‧接合頭組件
208a‧‧‧主體部分
210‧‧‧接合工具
212‧‧‧半導體元件
212a‧‧‧基準標記
212a’‧‧‧基準標記
214‧‧‧反射光學元件
214’‧‧‧反射光學元件
314‧‧‧反射光學元件
314a‧‧‧第一部分
314b‧‧‧第二部分
414‧‧‧反射光學元件
414a‧‧‧第一部分
414b‧‧‧第二部分
從以下具體實施方式並結合圖式來閱讀可對本發明作最佳理解。要強調的是，根據慣例，圖式中的各種特徵並未按比例繪製。相反地，為了清楚起見，各種特徵的尺寸任意地擴大或減小。以下各圖包括在圖式中： 圖1是一種習知接合機的方塊圖； 圖2A~2B是根據本發明示例性實施例的接合機的方塊圖；以及 圖3A~3C是根據本發明示例性實施例的接合機的接合頭組件的方塊圖。

Claims (20)

  1. 一種用於一接合機的接合頭組件，所述接合頭組件包括： 一主體部分； 一接合工具，用於將一半導體元件接合到一基板，所述接合工具被固定到所述主體部分；以及 至少一個反射光學元件，其由所述接合頭組件來承載，所述至少一個反射光學元件被配置以沿著所述接合機的一光學路徑來設置，以使所述接合機的一視覺系統被配置以：在將所述半導體元件接合到所述基板之前，當所述半導體元件由所述接合工具來承載時，觀察所述半導體元件的一部分。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的接合頭組件，其中，所述至少一個反射光學元件由所述接合工具來承載。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的接合頭組件，其中，所述至少一個反射光學元件由所述接合頭組件的另一部分來承載。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的接合頭組件，其中，所述至少一個反射光學元件包括一稜鏡元件。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的接合頭組件，其中，所述至少一個反射光學元件包括被佈置為一複合稜鏡元件的複數個稜鏡元件。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的接合頭組件，其中，所述至少一個反射光學元件包括一杜夫稜鏡、一五稜鏡、和一直角稜鏡中的至少一種。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的接合頭組件，其中，被配置以由所述視覺系統來觀察的所述半導體元件的所述部分包括面對所述接合工具的一接觸表面的所述半導體元件的一部分。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的接合頭組件，其中，被配置以由所述視覺系統來觀察的所述半導體元件的所述部分包括所述半導體元件的一面朝上部分。
  9. 一種用於將一半導體元件接合到一基板的接合機，所述接合機包括： （a）一支撐結構，用於支撐所述基板； （b）一視覺系統，用於對所述半導體元件進行成像；以及 （c）一接合頭組件，所述接合頭組件包括：（i）一主體部分；（ii）一接合工具，用於將所述半導體元件接合到所述基板，其中，所述接合工具被固定到所述主體部分；以及（iii）至少一個反射光學元件，由所述接合頭組件來承載，所述至少一個反射光學元件被配置以沿著所述接合機的一光學路徑來設置，以使所述視覺系統被配置以：在將所述半導體元件接合到所述基板之前，當所述半導體元件由所述接合工具來承載時，觀察所述半導體元件的一部分。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的接合機，其中，所述至少一個反射光學元件由所述接合工具來承載。
  11. 根據申請專利範圍第9項所述的接合機，其中，所述至少一個反射光學元件由所述接合頭組件的另一部分來承載。
  12. 根據申請專利範圍第9項所述的接合機，其中，所述至少一個反射光學元件包括一稜鏡元件。
  13. 根據申請專利範圍第9項所述的接合機，其中，所述至少一個反射光學元件包括被佈置為一複合稜鏡元件的複數個稜鏡元件。
  14. 根據申請專利範圍第9項所述的接合機，其中，所述至少一個反射光學元件包括一杜夫稜鏡、一五稜鏡和一直角稜鏡中的至少一種。
  15. 根據申請專利範圍第9項所述的接合機，其中，被配置以由所述視覺系統來觀察的所述半導體元件的所述部分包括面對所述接合工具的一接觸表面的所述半導體元件的一部分。
  16. 根據申請專利範圍第9項所述的接合機，其中，被配置以由所述視覺系統來觀察的所述半導體元件的所述部分包括所述半導體元件的一面朝上部分。
  17. 一種接合半導體元件的方法，所述方法包括以下步驟： （i）用一接合工具來承載一半導體元件； （ii）提供一接合頭組件，其包括所述接合工具，所述接合頭組件承載至少一個反射光學元件； （iii）使用所述接合機的一視覺系統，藉由將光從所述視覺系統反射到所述反射光學元件、從所述反射光學元件反射到一標記、以及從所述標記反射回到所述視覺系統，來對所述半導體元件的所述標記進行成像； （iv）處理來自所述視覺系統的至少一個影像； （v）在步驟（iv）之後，使用與在步驟（iv）期間所處理的所述至少一個影像相關的資訊，來調整所述半導體元件與所述基板之間的相對對準；以及 （vi）使用所述接合工具在所述接合機上將所述半導體元件接合到所述基板。
  18. 根據申請專利範圍第17項所述的方法，其中，在步驟（v）之後，重複步驟（iii）和步驟（iv），直到實現所述相對對準的預定準確度為止。
  19. 根據申請專利範圍第17項所述的方法，其中，步驟（ii）包括在所述接合工具上承載所述至少一個反射光學元件。
  20. 根據申請專利範圍第17項所述的方法，其中，步驟（ii）包括在不同於所述接合工具的所述接合頭組件的一部分上承載所述至少一個反射光學元件。
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