TW202030041A - 半導體元件雷射焊接裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種半導體元件雷射焊接裝置及方法，可快速將複數半導體元件貼合於一基板之複數導電線路，並將該等半導體元件與該等導電線路進行雷射焊接，因此可提高半導體產業之製程速度及降低成本。

Description

半導體元件雷射焊接裝置及方法
本發明係有關於一種半導體元件雷射焊接裝置及方法。
按，一般半導體產業製程中，晶粒廠透過晶粒分選機，將晶粒排列於膠膜（Tape）上，出貨給下游固晶廠，固晶廠使用貼件機方式（Pick and Place），將晶片逐個擺放固定於線路基板上，過程中還需要點上錫膏等可固晶且又可導電之膏狀有黏性介質，而後才將整片固晶後的導電板經過回流焊接（Reflow）製程進行加熱固化。
然而，在此類習知製造過程具有下述缺點，1. Reflow製程溫度上升曲線慢，一顆晶片上至少有2個回焊點的固化反應時間不一，容易使得晶粒翹起形成不良，2. Reflow製程無法針對單一不良晶粒進行修補或重工，重工整片會進而影響其他回焊正常的晶片，3. 小於3密耳（mil）之晶粒，點膠技術良率難以突破，4. 經過分選機、固晶機２次的Pick and Place製程作業時間慢、設備投資成本相當龐大，存在亟待改善之缺弊。
因此，有必要提供一種新穎且具有進步性之半導體元件雷射焊接裝置及方法，以解決上述之問題。
本發明之主要目的在於提供一種半導體元件雷射焊接裝置及方法，將半導體元件依照線路基板接合點間距排列於Tape上，可直接進行Tape與導電基板的貼合，並以雷射光加熱方式進行穿透式掃描焊接，其優點為：1. 可減少LED等半導體元件回焊難以克服的異常問題，取代現有固晶機、Reflow設備，2. 無須再次依電路板位置，由固晶設備對晶粒做Pick and Place作業，可直接由晶粒分選段之Tape膜進行真空貼合巨量轉移，以顯示屏動輒數千萬顆的晶粒，速度遠高於Pick and Place數萬倍，可節省許多製程時間，3. 雷射穿透式掃描焊接技術，因晶粒夾在Tape與線路基板之間，且真空貼合對晶粒與線路間具有壓合的效果，雷射加熱溫度上升曲線快速，製程上不會有晶粒翹起等不良問題產生。
為達成上述目的，本發明提供一種半導體元件雷射焊接裝置，供焊接一貼合成品，該貼合成品由一框架及一基板相貼合而成，該框架設有一貼膜及排列設於該貼膜之複數半導體元件，該半導體元件雷射焊接裝置包括一焊接設備。該焊接設備包括一座體，該座體設有一焊接載台及一焊接模組，該焊接載台供承載該貼合成品，該焊接模組設有一掃描模組及一雷射焊頭，該掃描模組供掃描該貼合成品，該雷測焊頭發出雷射光束穿透該貼膜與該基板至少其中一者。
為達成上述目的，本發明另提供一種半導體元件雷射焊接方法，其提供一如上所述的半導體元件雷射焊接裝置，另包括以下步驟。貼合：該第一對位平台供將該基板轉動並對位至一第一預定角度，該第二對位平台供將該框架轉動並對位至一第二預定角度，該第一拿取裝置供將對位至該第一預定角度之基板及對位至該第二預定角度之框架其中一者拿取，並貼合至另一者以形成該貼合成品；焊接：將該貼合成品置放於該焊接載台，該掃描模組掃描定位該貼合成品，並相對移動該雷射焊頭與該焊接載台之相對位置，以使該雷測焊頭定位及對應該等半導體元件並發出雷射光束穿透該貼膜與該基板至少其中一者，以加熱該等焊料進行焊接。
以下僅以實施例說明本發明可能之實施態樣，然並非用以限制本發明所欲保護之範疇，合先敘明。
請參考圖1至11，其顯示本發明之一較佳實施例，本發明之半導體元件雷射焊接裝置供焊接一貼合成品94，該貼合成品94由一框架92及一基板91相貼合而成，該框架92設有一貼膜921及排列設於該貼膜921之複數半導體元件922，該半導體元件雷射焊接裝置包括一焊接設備5。
該焊接設備5包括一座體6，該座體6設有一焊接載台7及一焊接模組8，該焊接載台7供承載該貼合成品94，該焊接模組8設有一掃描模組81及一雷射焊頭82，該掃描模組81供掃描該貼合成品94，該雷測焊頭82發出雷射光束穿透該貼膜921與該基板91至少其中一者。
本發明另包括一貼合設備1，該貼合設備1包括一基座2、一基板檢測機構3、一框架檢測機構4及一第一拿取裝置11，該基座2定義相互垂直之一X軸L1、一Y軸L2及一Z軸L3，該基板檢測機構3設於該基座2並包括一第一對位平台31及一第一檢測模組32，該第一對位平台31可沿該Z軸L3轉動並供置放該基板91，該基板91設有複數導電線路911，該第一檢測模組32供檢測掃描該基板91，該框架檢測機構4設於該基座2並包括一第二對位平台41及一第二檢測模組42，該第二對位平台41可沿該Z軸L3轉動並供置放框架92，於本實施例中該半導體元件922為LED晶粒，該第二檢測模組42供檢測掃描該框架92，該第二對位平台41供將該框架92轉動並對位至一第二預定角度，該導電線路911或該等半導體元件922預先設有複數焊料93，於本實施例中該等焊料93設於該等半導體元件922，該第一拿取裝置11供將該第一預定角度之基板91及該框架92其中一者拿取，並貼合至另一者以形成該貼合成品94（於本實施例中該第一拿取裝置11係拿取該框架92並貼合於該基板91），要說明的是，於本實施例中該第一拿取裝置11可選擇性地沿X軸L1及Z軸L3移動，該第一拿取裝置11為吸盤，該第一拿取裝置11將該基板91與該框架92沿該Z軸L3之方向相貼合，以使該框架92之各該半導體元件922精準貼合於該基板91之該等導電線路911，各該焊料93分別與該半導體元件922及該導電線路911相接觸。
本發明另提供一種半導體元件雷射焊接方法，其提供一如上所述的半導體元件雷射焊接裝置，另包括以下步驟。貼合：該第一對位平台31供將該基板91轉動並對位至一第一預定角度，該第二對位平台41供將該框架92轉動並對位至一第二預定角度，該第一拿取裝置11供將對位至該第一預定角度之基板91及對位至該第二預定角度之框架4其中一者拿取，並貼合至另一者以形成該貼合成品94（於本實施例中該第一拿取裝置11係拿取該框架92並貼合於該基板91），值得一提的是，於本實施例中該貼合設備1另設有一貼合監控模組16（如圖11所示），以在貼合後之該基板91與該框架4進行監控，以確認該等半導體元件922順利地貼合於該等導電線路911。焊接：將該貼合成品94置放於該焊接載台7，該掃描模組81掃描定位該貼合成品94，並相對移動該雷射焊頭82與該焊接載台7之相對位置，以使該雷測焊頭82定位及對應該等半導體元件922並發出雷射光束穿透該貼膜921與該基板91至少其中一者，以加熱該等焊料93進行焊接。如圖9所示，當該基板91為可透光材質(如可透光之陶瓷板、玻璃板、PCB板或藍寶石板)，該貼合成品94可以該基板91朝向該雷射焊頭82進行作業，雷射光束即可穿透該基板91進行焊接作業；當該基板91為不可透光材質(如不可透光之陶瓷板、矽晶板或PCB板)，如圖10所示，該貼合成品94僅可以該貼膜921朝向該雷射焊頭82進行作業，雷射光束即穿透該貼膜921進行焊接作業，可依照該基板91之實際材質進行作業，該貼模921材質可為PE藍膜、UV膜或其它可透光且可撓曲之貼膜，該等半導體元件922無需上膠及可黏貼於該貼膜911，因此具有較簡單之製程，該等焊料93可以印刷、點膠、電鍍或蝕刻之方式設於該等半導體元件上，以提升效率，較佳地該雷射光束之波長介於0.2um至11um，可具有最佳穿透貼膜921與該基板91之效果，以確實地加熱該等焊料93，其功率密度範圍介於1KW/cm2 至10MW/cm2 ，加熱時間介於0.01至2000毫秒，於本實施例中最佳化的功率密度為100KW/cm2 ，加熱時間為0.05毫秒，雷射加熱過程可以調變雷射為脈衝式，其頻率範圍為1至100KHz，最佳化的條件為4 KHz，佔空比為15%，於本實施例中該焊接模組8使用雷射控制卡送出電子訊號給雷射源，進行雷射頻率、佔空比、能量範圍調變。
具體而言，該座體6另設有一沿該X軸L1延伸之第一軌道61及一沿該Y軸L2延伸之第二軌道62，該第二軌道62滑設於該第一軌道61，該焊接載台7滑設於該第二軌道62，以使該焊接載台7可相對該焊接模組8沿該X軸L1及Y軸L2移動，以使該焊接模組8之掃描模組81可掃描對位該貼合成品94。
進一步的說，該雷射焊頭8可根據該掃描模組81所掃瞄出之該等半導體元件922及該等導電線路911之分佈位置及資訊而將設定雷射光束所照射之位置、分佈，或者可根據半導體業者所預先設定要焊接之位置資訊而進行焊接，可依照實際使用需求而進行焊接作業，不以此為限。且該雷射焊頭92具有聚焦準直功能，可使雷射光束聚焦在焊料93上，該半導體元件922受到熱傳導之升溫效率較慢，以防止半導體元件922過熱受損，詳細的說，其中雷射掃描座標取得方式，依該等導電線路911之線路特徵點進行轉正對位、取得基準起始座標，有以下３種方座標取得方式進行加工：1. 可依該第一檢測模組32及該第二檢測模組42對該基板91及該框架92做全域的影像掃描定位取得該等焊料93之座標，供該掃描模組81依此座標進行移動加工，2. 可匯入線路圖檔座標，供掃該掃描模組81依此座標進行移動加工，3. 可輸入陣列數量、間隔距離，供該掃描模組81依此座標進行移動加工。
另外，該焊接模組另設有一聚焦單元83，該聚焦單元83可以焊接載台7之平面為雷射最小聚焦基礎原點，輸入考慮該基板91之厚度、該等焊料93之直徑，依光學聚焦設計為計算基礎，自動調整雷射聚焦位置，原理為雷射聚光截面，涵蓋該等導電線路911之接點全域為概念，進行調整離焦。
於本實施例中該座體6另設有一可相對該焊接載台7沿該Z軸L3移動之升降裝置63，該焊接模組8設於該升降裝置63以進行升降。
於本實施例中該基座另設有一基板拿取手臂12及一第一粗對位平台14，該基板拿取手臂12先將該基板91置放於該第一粗對位平台14進行粗對位後，再將該基板91置放於該第一對位平台31，可節省該第一對位平台31之作業時間。
該基座2另設有一框架拿取手臂13及一中繼平台15，該中繼平台15及該框架拿取手臂13可沿該Y軸L2方向移動，該框架拿取手臂13供自一框架盒座96拿取一該框架92並置放於該中繼平台15，該第一拿取裝置11再將該框架92自該中繼平台15拿取並置放於該第二對位平台41，該第一拿取裝置11另供將該貼合成品94自該第二對位平台41拿取，並置放回該中繼平台15，該框架拿取手臂13即可將該貼合成品94自該中繼平台15拿取並放置於該框架盒座96，以供雷射焊接製程使用。於本實施例中該框架拿取手臂13為一夾具131，該框架拿取手臂13可選擇性地沿該Y軸L2移動。
另外一提的是，於本實施例中該第一檢測模組32與該第二檢測模組42為感光耦合元件（CCD）感應器，該第一檢測模組32供掃描對位該基板91之導電線路911，該第二檢測模組42供掃描對位該等半導體元件922之排列，以達到準確對位之效果。
綜上，本發明之半導體元件雷射焊接裝置及方法可快速將排列於該框件上之該等半導體元件貼合於該基板之該等導電線路，以進行雷射焊接將該等半導體元件與該等導電線路進行焊接，利用貼膜可一次貼合巨量（數千至數千萬顆）之1至80密耳等小尺寸之半導體元件之貼合，並藉由雷射焊接焊接巨量半導體元件，因此可提高半導體產業之製程速度及降低成本。
1:貼合設備 2:基座 3:基板檢測機構 4:框架檢測機構 5:焊接設備 6:座體 7:焊接載台 8:焊接模組 11:第一拿取裝置 12:基板拿取手臂 13:框架拿取手臂 14:第一粗對位平台 15:中繼平台 16:貼合監控模組 131:夾具 31:第一對位平台 32:第一檢測模組 41:第二對位平台 42:第二檢測模組 61:第一軌道 62:第二軌道 63:升降裝置 81:掃描模組 82:雷射焊頭 83:聚焦單元 91:基板 92:框架 93:焊料 94:貼合成品 95:晶座盒 96:框架盒座 911:導電線路 921:貼膜 922:半導體元件 L1:X軸 L2:Y軸 L3:Z軸
圖1為本發明一較佳實施例之貼合設備立體圖。 圖2為本發明一較佳實施例之貼合設備俯視圖。 圖3及4為本發明一較佳實施例之貼合成品立體示意圖。 圖5及6為本發明一較佳實施例之貼合成品側視示意圖。 圖7為本發明一較佳實施例之焊接設備立體圖。 圖8為本發明一較佳實施例之焊接設備側視圖。 圖9為本發明一較佳實施例之焊接過程示意圖。 圖10為本發明一較佳實施例之另一焊接過程示意圖。 圖11為本發明一較佳實施例之貼合設備另一立體圖。
82:雷射焊頭
83:聚焦單元
91:基板
93:焊料
911:導電線路
921:貼膜
922:半導體元件

Claims (10)

  1. 一種半導體元件雷射焊接裝置，供焊接一貼合成品，該貼合成品由一框架及一基板相貼合而成，該框架設有一貼膜及排列設於該貼膜之複數半導體元件，包括： 一焊接設備，包括一座體，該座體設有一焊接載台及一焊接模組，該焊接載台供承載該貼合成品，該焊接模組設有一掃描模組及一雷射焊頭，該掃描模組供掃描該貼合成品，該雷測焊頭發出雷射光束穿透該貼膜與該基板至少其中一者。
  2. 如請求項1所述的半導體元件雷射焊接裝置，另包括一貼合設備，該貼合設備包括一基座、一基板檢測機構、一框架檢測機構及一第一拿取裝置，該基座定義相互垂直之一X軸、一Y軸及一Z軸，該基板檢測機構設於該基座並包括一第一對位平台及一第一檢測模組，該第一對位平台可沿該Z軸轉動並供置放該基板，該基板設有複數導電線路，該第一檢測模組供檢測掃描該基板，該框架檢測機構設於該基座並包括一第二對位平台及一第二檢測模組，該第二對位平台可沿該Z軸轉動並供置放該框架，該第二檢測模組供檢測掃描該框架，該導電線路或該等半導體元件預先設有複數焊料，該第一拿取裝置供將該基板及該框架其中一者拿取並貼合至另一者，以使該框架之各該半導體元件貼合於該基板之該等導電線路以形成一貼合成品，各該焊料分別與該半導體元件及該導電線路相接觸。
  3. 如請求項1或2所述的半導體元件雷射焊接裝置，其中該座體另設有一沿該X軸延伸之第一軌道及一沿該Y軸延伸之第二軌道，該第二軌道滑設於該第一軌道，該焊接載台滑設於該第二軌道，以使該焊接載台可相對該焊接模組沿該X軸及Y軸移動，該座體另設有一可相對該焊接載台沿該Z軸移動之升降裝置，該焊接模組設於該升降裝置。
  4. 如請求項2所述的半導體元件雷射焊接裝置，其中該雷射焊頭根據該掃描模組所掃瞄出之該等半導體元件及該等導電線路之分佈位置及資訊而將設定雷射光束所照射之位置、分佈。
  5. 如請求項2所述的半導體元件雷射焊接裝置，其中該基座另設有一框架拿取手臂及一中繼平台，該中繼平台及該框架拿取手臂可沿該Y軸方向移動，該框架拿取手臂供自一框架盒座拿取一該框架並置放於該中繼平台，該第一拿取裝置再將該框架自該中繼平台拿取並置放於該第二對位平台，該第一拿取裝置另供將該貼合成品自該第二對位平台拿取，並置放回該中繼平台，該框架拿取手臂即可將該貼合成品自該中繼平台拿取並放置於該框架盒座。
  6. 如請求項5所述的半導體元件雷射焊接裝置，其中該框架拿取手臂為一夾具，該框架拿取手臂可選擇性地沿該Y軸移動。
  7. 如請求項2所述的半導體元件雷射焊接裝置，其中該第一拿取裝置可選擇性地沿X軸及Z軸移動，該第一拿取裝置為吸盤，該第一拿取裝置將該基板與該框架沿該Z軸之方向相貼合。
  8. 如請求項2所述的半導體元件雷射焊接裝置，其中該第一檢測模組為感光耦合元件（CCD）感應器，該第一檢測模組供掃描對位該基板之導電線路，該第二檢測模組為感光耦合元件（CCD）感應器，該第二檢測模組供掃描對位該等半導體元件之排列。
  9. 一種半導體元件雷射焊接方法，其提供一如請求項2、4至9其中任一項所述的半導體元件雷射焊接裝置，另包括以下步驟： 貼合：該第一對位平台供將該基板轉動並對位至一第一預定角度，該第二對位平台供將該框架轉動並對位至一第二預定角度，該第一拿取裝置供將對位至該第一預定角度之基板及對位至該第二預定角度之框架其中一者拿取，並貼合至另一者以形成該貼合成品； 焊接：將該貼合成品置放於該焊接載台，該掃描模組掃描定位該貼合成品，並相對移動該雷射焊頭與該焊接載台之相對位置，以使該雷測焊頭定位及對應該等半導體元件並發出雷射光束穿透該貼膜與該基板至少其中一者，以加熱該等焊料進行焊接。
  10. 如請求項9所述的半導體元件雷射焊接方法，其中該焊接模組另設有一聚焦單元，該聚焦單元可以焊接載台之平面為雷射最小聚焦基礎原點，輸入考慮該基板之厚度、該等焊料之直徑，依光學聚焦設計為計算基礎，自動調整雷射聚焦位置，原理為雷射聚光截面，涵蓋該等導電線路之接點全域為概念，進行調整離焦。
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