TWI243398B - Method for aligning the bondhead of a die bonder - Google Patents

Description

1243398 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種用於對準晶片接合機的接合頭的方法 〇 【先前技術】 晶片接合機是一種用於將半導體晶片接合到載體材料 上，特別是接合到引線框上的機器。例如，美國專利 No.5212880就描述了這樣一種機器。爲了容易地進行後續 引線的接合，必須以在幾微米的規定容差範圍內以平行平 面形式將半導體晶片接合到承載材料上的方式設置晶片接 合機的接合頭的空間位置。在技術術語中，將半導體晶片 的偏斜（inclination)稱爲傾斜（tilt)。爲了消除偏斜，在接合 頭上設置了兩個調整螺絲，這兩個調整螺絲使該接合頭在 兩個正交軸上轉動。接合頭含有用於容納半導體晶片並使 半導體晶片關於接合頭升高和降低的夾具。該夾具具有不 同的設計樣式，其中具有被稱爲"橡膠工具（rubber tool)" 橡膠噴嘴的夾具最爲通用。在每次更換橡膠噴嘴後，必須 重新調整接合頭，因爲橡膠噴嘴不可能以所需精度製造。 當今，用於測量半導體晶片的偏斜的方法已知有下面3種 a)在接合頭上安裝標尺。使接合頭在操作支座上方下 降，直到在標尺與操作支座之間僅存在最小間隙。操作員 觀察該間隙，並操縱接合頭的調整螺絲，直到該間隙的高 度…致。利用這種方式，測量的不是半導體晶片的偏斜， 1243398 ^是附接到接合頭而非到橡膠噴嘴上的調整標尺的偏斜。 Jtt外’可實現的精度取決於操作員。 b) 在接合了半導體晶片後，利用顯微鏡決定偏斜。該 方法耗時。 c) 利用第NI 1 3 8 45 3號台灣專利描述的方法和感測器 調整接合頭。該方法很難適合小尺寸的半導體晶片。 本發明的目的是開發一種接合晶片接合機的接合頭可 以簡單方式被調整的方法。 【發明內容】 爲了完成上述任務，本發明建議了一種關於基準面決 定半導體晶片下面的至少3個點的高度並利用該高度計算 偏斜的方法。在半導體晶片下降直至接觸探針時決定該高 度°利用該方法，較佳的決定半導體晶片的4個角的高度 〇 【實施方式】 第1圖示出用於將半導體晶片1放置到基板2上的晶 片接合機的示意性平面圖。直角座標系的3個座標軸分別 被表示爲X、y和Z，其中Z軸對應於垂直方向。晶片接合 機包括用於在X方向，可選地也可以在y方向，輸送基板 的輸送系統3。例如，歐洲專利申請EP 3 3 0 8 3 1描述了 — 種適當的輸送系統3。較佳地將半導體晶片1放置在晶片 台4上。具有接合頭的取放系統5順序從晶片台4取出半 導體晶片1，將該半導體晶片1輸送到基板2,並將它放置 到基板2上。 1243398 爲了以平行平面方式將半導體晶片]接合到基板2上 ’在開始組裝之前，要調整晶片接合機的接合頭。利用該 曰周整過’關於兩個平行移動軸，設置接合頭，以在平行 於水平面的平面上輸送取出的半導體晶片。 根據第2圖說明本發明原理。第2圖示出晶片接合機 的接合頭6的示意性側視圖。接合頭6包括夾具7，可以 將該夾具7沿預定軸線8關於接合頭6偏轉，即，向接合 頭6移動，而且它可以繞預定軸線8轉動。在該例中，爲 夾具7配備橡膠噴嘴9。爲了取出並吸持半導體晶片1，爲 夾具7設置真空裝置。取放系統5(參照第1圖）使接合頭6 在晶片台4(參照第1圖）與基板2(參照第1圖）上的接合位 置之間沿X和y方向前後移動。在從晶片台取出半導體晶 片1和將該半導體晶片1放置到基板2上時，夾具7沿預 定軸線8關於接合頭6被偏轉，其中夾具7的偏轉或者克 服彈性力或者克服壓縮空氣產生的力。接合頭6含有用於 測量夾具7的偏轉的感測器1 〇。感測器1 0較佳爲感應感 測器，該感應感測器包括安裝在夾具7上的金屬板1 1和安 裝在接合頭6上的線圈1 2。接合頭6可以繞互相正交的軸 線1 3和1 4轉動，以消除取出的半導體晶片1的任何偏斜 。利用最好具有分度尺的調整螺絲1 5和1 6，使接合頭6 繞軸線]3和1 4轉動，其中轉動一個分刻度對應於例如轉 動0 . 1 °的角度。 利用該實施例，爲了測量接合頭6關於工作台】7的z 高度，還設置了測量系統。 1243398 在生產過程中，基板2放置在工作台]7上的接合位置 。爲了調整接合頭6，具有凸出探針1 8的平台1 9被放置 或臨時固定到工作台1 7上。根據下面說明的處理步驟調整 接合頭6。 a)接合頭取出半導體晶片1。 b )取放系統5將接合頭移動到座標（X !，y 〇表示的探針 1 8之上半導體晶片1所處的第一位置。較佳地以勻速降低 接合頭6，其中感測器1 〇的輸出信號受到監測。因爲開始 並沒有力作用到半導體晶片1上進而沒有力作用到夾具7 上，所以夾具7處於靜止位置，即，關於接合頭6位於底 限位置。在第2圖所示的例子中，金屬板1丨靜止在接合頭 6的阻止面上的底限位置，夾具7隨著接合頭6向下運動 。因此，感測器1 〇的輸出信號是不變的。半導體晶片1的 下面一接觸探針1 8，夾具7的z高度不再變化，而接合頭 6的z高度繼續降低。因此，夾具7關於接合頭6發生偏 轉。這樣，半導體晶片1的下面一接觸探針1 8，感測器1 0 的輸出信號就發生改變。感測器1 0的輸出信號的變化一超 過預定閾値，就使接合頭6停止降低，然後，再使接合頭 6升高。現在，根據感測器1 0的輸出信號的過程，決定在 半導體晶片1接觸探針1 8時接合頭6的高度z i (X l5 y 〇。 c)至少在具有座標（x2，y2)和（x3, y3)的另外兩個位置 ，執行步驟b，然後，決定相應値z2(x2，y2)和Z3(x3，y3) 。値z2(x2, y2)和y3)也與降低接合頭6後，半導體晶 1243398 片1接觸探針1 8時接合頭6的高度對應。 d)根據 Zl(Xl5 y】）、Z2(X2, ^。和 Z3(X3，y3)，決定夾角 α 和β ’夾角α表示接合頭6關於其理想位置繞軸線1 3轉動 的夾角’而夾角Θ則表示接合頭6關於其理想位置繞軸線 1 4轉動的夾角。較佳以調整螺絲的分刻度爲單位表示夾角 α 和 /3 。 Ο操作員使兩個調整螺絲1 5和1 6轉動在步驟d決定 的夾角α和冷。 它有可能接合頭6到工作台1 7的距離係取決於座標X 和y °這種依賴性被設定於晶片接合機的刻度檢定。如果 接合頭6到工作台1 7的距離在局部發生變化，則必須在步 驟d計算夾角α和点之前，相應校正測量高度ζ ι (χ】，yi)、 Z2(X2， y2)和 z3(x3， y3)。 理想的是’現在以平行平面方式，使半導體晶片1對 準工作台1 7，因此可以選擇性地重複步驟b到e直到測量 結果顯示已經確實消除了半導體晶片1的偏斜。 有利的是，可以根據半導體晶片1的尺寸選擇座標（χ ,， yi)、（X2, y〇和Us，ys)，以便探針18始終接觸半導體晶片 1下面角上的區域。 第3圖示出位於偏斜位置的半導體晶片1和3個決定 的咼度z 1 ( X 1，y丨）、Z 2 ( X 2，y 2 )和z 3 ( x 3，y 3 )以及要決定的夾 角α和/3。如果y2 = yi，而Xs = X2，則由下面的等式獲得^ 1243398 g = arctani^il^^llZl)) ⑴

V h -1】 J β = arctan ^^ΙιΣίΙ_Ζ(Ά) (2 )

v y3-y2 J 爲了決定夾角α和θ ，兩個測量高度之間的差値點是 決定性的。爲此原因，所以即使決定的高度zi、Ζ2和Ζ3顯 示系統誤差，仍無關緊要。根據等式（1)和（2)中的減法，可 以以不同的等效方式決定接合頭6降低後，在半導體晶片 1接觸探針18時，接合頭6的高度z(x，y)。從第4圖可以 獲得下面描述的用於決定高度Z(x5 y)的3種方法。第4圖 示出了感測器1 0相關於接合頭6的高度a的輸出信號U(z) 〇 a) 決定高度zA(x，y)，該高度爲接合頭6降低過程中感 測器1 0的輸出信號U達到預定絕對値uA時，接合頭6獲 取的高度。 b) 決定高度zB(x，y)，該高度爲接合頭6降低過程中感 測器1 0的輸出信號U關於開始降低時的値，即，對應於夾 具7的靜止位置的値增加預定値UD時，接合頭6獲取的高 度。 c) 夾具7從靜止位置開始的偏轉要克服夾具7與接合 頭6之間的摩擦力。這意味著，在靜止位置區域內，輸出 信號U (z)是非線性的。利用校準測量過程，可以決定輸出 信號U(z)的形式，以便根據與接合頭6下降過程中半導體 晶片1接觸探針1 8時接合頭6的有效高度對應的輸出信號 1243398 的測量過程，決定高度zc(x，y)。 在這種情況下，指令π根據感測器1 0的輸出信號，決 定在半導體晶片1接觸探針1 8時，接合頭6獲得的高度 z Km，y!)”意味著根據上述方法之一或其它等效方法，決定 高度z〗（x】，y!)，即，它可以是zjx】，“或者z】（Xl，yi) = ZE 或者 z^x!，yj^zc。 根據此處引用其全部內容作爲參考的台灣專利申請號 NI 193019，得知一種具有夾具的接合頭，其中，接合頭並 不能在z方向升高和降低，只有夾具可以在z方向上運動 。利用壓縮空氣使夾具運動。本發明也可應用於這種不是 使接合頭降低而是使夾具降低的情況。在開始降低時，感 應感測器的輸出信號就會發生變化，因爲夾具關於接合頭 的偏轉發生了變化。現在，以探針接觸半導體晶片而使夾 具的降運動被停止的位置來決定高度z(x，y)。在理想情況 下，該高度當感測器的輸出爲常量値時達到。 儘管較佳利用要安裝的半導體晶片之一來調整接合頭 ，但是可以取出例如由塑料或金屬製成的板而不是半導體 晶片來進行調整。 爲了決定半導體晶片的偏斜，決定3個高度就足夠了 。如果決定4個高度，例如，半導體晶片4個角的高度， 則可以將測量誤差限制到最小。 到目前爲止，本發明已經以晶片接合機爲例進行了描 述，在該晶片接合機中’接合頭6 (第2圖）在X方向和y方 向運動以將半導體晶片]的每個角定位在探針1 8上。如果 -11- 1243398 在技術方面接合頭6的可能行進不足以進行這些運動，當 然也可以移動探針1 8而不移動接合頭6，因爲可以手動移 動具有凸出探針1 8的台1 9，或者將台1 9安裝到X y工作 台上，以便在X和y方向，以高精度使台1 9在工作台1 7 上移動。 此外，需要知道半導體晶片1關於探針1 8的尖端的位 置。通常’晶片接合機具有兩個攝像機，第一台攝像機用 於決定放置在晶片台4上的半導體晶片1關於軸線8的位 置，而第二台攝像機設置在接合位置的上方，用於決定基 板2關於軸線8的位置。因此，利用第二台攝像機決定探 針1 8尖端的位置。因此，根據所有的必要信息，一方面能 夠以高精度選擇並接近最佳座標（X】，y!)、（x2, y2)和（x3, y3) ，另一方面能夠確保在降低接合頭時，半導體晶片1碰撞 探針1 8，而且知道半導體晶片1的邊緣關於3個座標（X l5 y !) 、（χ 2，y 2)和（χ 3，y 3)的位置，因此可以正確計算兩個夾角α 和/3 。 當本發明的實施例和應用已被說明和描述，許多較以 上所提及之修改不用偏離此處之發明槪念之本揭示優點對 熟知技藝人士將是顯而易見的，因此，本發明不限於除所 附申請專利範圍與它們的等效物之精神外。 【圖式簡單說明】 附圖引入本說明書且作爲本說明書的一部分，說明本 發明的一·個或多個實施例，而且與詳細說明一起用於解釋 本發明的原理和實施過程。圖形未按比例示出。 1243398 附圖包括： 第1圖顯示晶片接合機的圖示平面圖； $ 2圖顯示晶片接合機的接合頭和用於調整接合頭的 輔助裝置的圖示側視圖； 第3圖顯示用於說明根據測量値決定偏斜度的示意圖 :以及 第4圖顯示用於說明評估感測器的輸出信號的不同可 能性的示意圖。 【主要元件符號說明】 1 半導體晶片 2 基板 3 輸送系統 4 晶片台 5 取放系統 6 接合頭 7 夾具 8 軸線 9 橡膠噴嘴 10 感測器 11 金屬板 12 線圈 13 軸線 1 4 軸線 15 調整螺絲 1243398 16 調整螺絲 1 7 工作台 18 探針 19 平台 -14

Claims (1)

1243398 十、申請專利範圍： 1 . 一種用於調整晶片接合機之接合頭的方法，其中晶片接 合機包括一具有關於接合頭（6)可在一預定方向偏轉的 夾具（7)之接合頭（6)，該方法包括下面的步驟： a) 使用接合頭（6)的夾具（7)取出半導體晶片（丨）或一 板； b) 移動接合頭（6)到使半導體晶片（1)位於探針（18) 的上方並由座標（XI，y!)表示的位置； C )降低接合頭（6 )，其中夾具（7 )關於接合頭（6 )位於一 底限位置，並監測感測器（10)的輸出信號’該輸出信號 係取決於夾具（7)關於接合頭（6 )的偏轉程度； d) 根據感測器（1〇)的輸出信號’在半導體晶片（1)接 觸探針（18)時，藉接合頭（6)決定所處的高度Zl(xl5 yi); e) 對由座標（X2，y2)和（X3，y3)表示的至少兩個其它 位置，重複步驟b至d，且決定與位置（X2, y2)和（x3, y3) 之高度相對應的値Z2(x2, y2)和Z3(x3, y3)，該位置（X2, y2) 和（x3，y3)爲降低接合頭（6)的過程中半導體晶片（1)接觸 探針（1 8 )時接合頭（6 )所處的位置； f) 自値 zKXi，y 〇、Z2(X2，y2)和 Z3(X3，，決定兩個 夾角α和々，其中夾角α表示半導體晶片（l)關於其理想 位置繞第一軸轉動的角度，而夾角万表示半導體晶片（]) 關於其理想位置繞第二軸轉動的角度； g) 根據在步驟f決定的夾角α和$ ,調整接合頭（6) 1243398 2 . —種用於調整晶片接合機之接合頭的方法，其中晶片接 合機包括一具有關於接合頭（6)可在一預定方向偏轉的 夾具（7 )之接合頭（6 )，該方法包括下面的步驟： a) 使用接合頭（6)的夾具（7)取出半導體晶片（1)或一 板； b) 移動接合頭（6)到使半導體晶片（1)位於探針（18) 的上方且由座標（XI，yi)表示的位置； C)降低夾具（7)，並監測感測器（10)的輸出信號，該 輸出信號取決於夾具（7 )關於接合頭（6 )的偏轉程度； d) 根據感測器（1〇)的輸出信號，在半導體晶片（1)接 觸探針（18)時，藉夾具（7)決定所處的高度Zl(Xl，y〇 ; e) 對由座標（X2，yO和（x3，y3)表示的至少兩個其它 ill置，重複步驟b至d，且決定與位置（X2，y2)和（X3，y3) 之高度對應的値Z2(X2，y2)和Z3(x3，y3)，該位置（X2，y2) 和（x3，y3)爲降低夾具（7)的過程中半導體晶片（i)接觸探 針（1 8)時夾具（7)所處的位置； f) 自値 yi)、Z2(X2, 丫幻和 Z3(X3, y3)，決定兩個 夾角α和/3 ’其中夾角α表示半導體晶片（丨）關於其理想 位置繞第一軸轉動的角度，而夾角万表示半導體晶片（i) 關於其理想位置繞第二軸轉動的角度； g) 根據在步驟f決定的夾角α和々，調整接合頭（6)