TWI467671B - 使用導電膠黏合電氣裝置的方法與系統 - Google Patents

使用導電膠黏合電氣裝置的方法與系統 Download PDF

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Yiu Ming Cheung
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Description

使用導電膠黏合電氣裝置的方法與系統
本發明係關於一種使用導電膠黏合電氣裝置的方法與系統。
傳統上在黏合晶粒時是採用一濕的導電黏膏(wet conductive adhesive paste)將半導體晶粒或晶片黏附至一基板。然後用一外部加熱和加壓裝置，一般稱為熱壓裝置(thermocompression means)，硬化並擠壓位於晶粒下對著基板的黏膏，以便將晶粒與基板黏合在一起。近年來，由於晶粒厚度從500μm持續降低至25μm，對於半導體晶粒封裝以及所製造出來的產品造成重大的影響，因為這些薄的晶粒不僅可以用於超薄型應用(例如智慧卡、生物護照等)，也可以用於超高密度的應用(例如記憶體、CPU等)。以傳統的黏膏來黏合此等候度的晶粒時，會發生黏膠過量和溢出的情形，造成不可避免的短路故障。
乾式導電膠膜或膠帶像是黏晶膜(die Attach Film,DAF)或熱塑型膠帶(Thermoplastic Adhesive Tape,TAT)是用來取代傳統的濕的導電黏膏，由其是用來黏合厚度低於75μm的薄晶粒。DAF通常是貼在晶圓的後側，然後晶圓會被切割為個別的晶粒，TAT通常是在晶粒切割程序之後附接至個別的晶粒的後側。貼覆了DAF或TAT的晶粒可直接地經由熱和壓力黏合至基板，一般稱為熱壓黏合(thermocompression bonding)，通常被認為是最先進的方法。這種方法的缺點是黏合溫度高，在100至180℃之間，黏合時間至少3秒鐘，每一黏合週期只有黏合單一晶粒，還有剛完成的與黏合後晶粒、黏膠，以及基板在黏合程序中必須持續加熱。然而，經常還會發生晶粒-黏膠-基板介面間的無效結合、有限制的黏合程序 期間、低產出率，無法使用較便宜的基板像是具有較DAF或TAT低的操作溫度的合成樹脂紙(synthetic resin bonded paper,SRBP)、FR-1與FR-2。高溫與長時間暴露在高熱中可能會影響晶粒封裝和黏合設備的可靠度。
WO 2007/061216一案揭示了使用覆晶超音波震動(flip chip ultrasonic vibration)的電氣裝置黏合方法。在WO 2007/061216一案的圖中，晶粒的作動表面(電路)翻轉或背對超音波轉換器(ultrasonic transducer)，並透過黏膠連接至基板，而晶粒的非作動表面(接地)接觸轉換器，以確定作動表面不會因為與轉換器的表面摩擦而受損。為了進一步降低損壞晶粒的風險，轉換器的操作端可以相當硬、低阻尼、低摩擦力與滑的鐵氟龍蓋子(Teflon cap)蓋住。黏膠在超音波震動的同時會產生熱，換句話說，超音波震動會施加在晶粒的非作動表面，其會相對於晶粒的作動表面、黏膠，以及基板震動，而此震動會產生熱。WO 2007/061216同時也揭示使用外部的熱源，對上下黏合區域的全部或一部分供應額外的熱。WO 2007/061216更揭示了使用晶粒座(die collet)固定晶粒的非作動表面。晶粒座也作為尺寸的轉接器，銜接轉換器的操作端和晶粒大小的尺寸差異。舉例來說，晶粒座係以超硬碳化鎢製成，具有低內部阻尼。
WO 2007/061216的主要目的是確保超音波震動可透過晶粒傳達到黏膠。所以，晶粒必須傳導超音波震動至黏膠。當超音波震動傳達到黏膠，會因為麼摩擦力而產生熱。然而晶粒，尤其是薄晶粒，可能會因為穿過晶粒的超音波震動而破裂或變成粉末。
因此，有必要提供一種黏合方法與系統，以解決至少上述的一些問題。
在一較佳型態中，本發明提供一種使用一導電膠以黏合電氣裝置而讓電氣裝置黏附在一起的方法，該方法包括藉由一超音波轉換器產生超音波震動；抑制該超音波震動以將傳送至一第一電氣裝置的超音波震動降低至最小並使得該超音波震動轉換為一加熱脈衝，經由該第一電氣裝置傳導至該導電膠；以及使用該加熱脈衝軟化該導電膠以將該些電氣裝置黏合在一起。
該方法更可包含集中該加熱脈衝於一大於或等於該第一電氣裝置的一作動表面區域之表面區域。
該方法更可包含施加一靜壓與一電能至該超音波轉換器。
該導電膠為一乾導電膠膜或膠帶，像是黏晶膜(die Attach Film,DAF)或熱塑型膠帶(Thermoplastic Adhesive Tape,TAT)。
該第一電氣裝置可為一晶粒，而該第二電氣裝置可為一基板。
該第一電氣裝置的該作動表面區域面對該超音波轉換器。
在方法中可提供複數個第一電氣裝置係具有介於每一第一電氣裝置的一導電膠，而該超音波震動轉換為一加熱脈衝後係由該第一第一電氣裝置傳導至每一導電膠，使得導電膠軟化並將該些電氣裝置黏合在一起，以形成一堆疊晶粒封裝。
在一第二型態中，係揭示一種用以將超音波轉換為熱能的設備，該設備包含：一覆蓋一超音波轉換器的操作端並接觸一第一電氣裝置的一作動表面之底表面；以及一從該底表面延伸之升高周圍邊緣，用以彈性地將該設備附接至該超音波轉換器的該操作端；其中該設備係以一具有黏彈性與可變形的材料製成，並抑制由該超音波轉換器所產生的該超音波震動，以及使得該超音波震動轉換為一加熱脈衝。
該設備更可包含一從該設備的該底表面向外突出的突起，以集中該加熱脈衝。
該突起的該主表面區域係大於或等於該第一電氣裝置的該作動表面。
該突起的該主表面區域係大於或等於該設備的該底表面的60%。
該突起從該底表面起的高度為1mm。
該設備更可包含複數個突起，用以讓複數個晶粒在同一時間可被黏合至至少一片基板。
該突起具有一凹形，用以在該轉換器進行一水平或橫向操作時托住一晶粒。
該材料為一矽氧橡膠化合物(silicone rubber compound)。
在一第三型態中，係揭示一種使用一導電膠以黏合電氣裝置而讓電氣裝置黏附在一起的系統，該系統包括一用以產生一超音波震動的超音波轉換器；以及一操作地附接至該超音波轉換器並覆蓋該超音波轉換器的一操作端的超音波轉熱能設備，該超音波轉熱能設備抑制該超音波震動以將傳送至一第一電氣裝置的超音波震動降低至最小並使得該超音波震動轉換為一加熱脈衝，經由該第一電氣裝置傳導至該導電膠；其中該導電膠因為該加熱脈衝而軟化以將該些電氣裝置黏合在一起。
該系統更可包含一附接至該超音波轉換器並被設置於該設備與該超音波轉換器之間的晶粒轉接器，該晶粒轉接器提供用於該超音波轉換器的一形狀與尺寸調整，以容納一具有任何形狀和尺寸的第一電氣裝置。
該系統更可包含由一中央控制單元所控制之機電整合設備， 該機電整合設備包括：一三軸線性動作系統，用以提供在該機電整合設備中的該工作台在x與y方向以及該超音波轉換器與該超音波轉熱能設備在z方向的精準運動；一控制該工作台的溫度之熱管理系統；一壓力控制系統，用以將一靜壓施加於該超音波轉換器與該超音波轉熱能設備上，以便對著一第二電氣裝置擠壓在該第一電氣裝置之下的該導電膠；一視覺系統，用以根據擷取到的該第一電氣裝置與該工作台的一影像指示該三軸線性動作系統將該第一電氣裝置移至何處，以及執行該些剛完成的與黏合後的電氣裝置的品質之前製與後製檢視；一裝置架設系統，用以將該超音波轉換器與該超音波轉熱能設備架設於該機電整合設備之上，以及操縱該超音波轉換器與該超音波轉熱能設備以便黏合；以及一超音波訊號產生系統，其以一預先決定的超音波頻率供應電能與用於該超音波轉換器的電力。
有利地，本發明提供一種新穎的超音波引發的脈衝加熱方法與系統。由超音波轉換器所產生的超音波震動會被快速地降低，並由一操作地附接至並包覆超音波轉換器的操作端之超音波轉熱能設備轉換為高度集中、局部化與可控制的熱能或加熱脈衝。加熱脈衝軟化或塑化黏膠以將晶粒和基板黏合在一起，而不會對晶粒造成實體損壞。
本發明讓晶粒的作動表面(電路系統)與操作地附接至並包覆超音波轉換器的操作端之超音波轉熱能設備接觸，而晶粒的非 作動表面(接地)遠離設備，並透過黏膠連接至基板。
由超音波引發的自發性、高度集中、局部化與可控制的加熱脈衝效應會直接施加在晶粒底下的黏膠。超音波轉換器會產生超音波震動。超音波轉熱能設備會轉換與抑制超音波震動，而將其轉換成自發性、高度集中、局部化與可控制的加熱脈衝。轉換的加熱脈衝會經由個別晶粒的作動表面傳送到晶粒底下的黏膠，用於每個單一黏合週期中。此一黏合方法可降低與移除從外部加熱裝置或熱源持續施加於複數個不論是已經黏合、或尚未黏合的晶粒上的高溫。
本發明可提升產出量並採用具有較便宜與低操作溫度的基板，像是合成樹脂紙(synthetic resin bonded paper,SRBP)、FR-1與FR-2等，因為基板不會連續暴露在過長時間的高溫下。
參考第一圖，其中係提供一用以黏合電氣裝置13、15的系統10。舉例來說，電氣裝置為一晶粒(die)13或晶片13，以及一基板15。導電膠(electrically conductive adhesive)14係用以將電氣裝置13、15黏附在一起。系統10一般包括一超音波轉換器(ultrasonic transducer)11與一超音波轉熱能設備(ultrasonic to thermal energy apparatus)20。轉換器11產生超音波震動。設備20係操作地附接至並覆蓋轉換器11的操作端12。設備20抑制超音波震動，以將傳送至晶粒13的作動表面(電路系統)13A的超音波震動降至最小，並使得該超音波震動轉換為一加熱脈衝，經由晶粒13傳導至晶粒13底下的導電膠14。導電膠14被加熱脈衝軟化或塑化，以將晶粒13和基板15黏合在一起。
設備20係附接至轉換器11的操作端12以形成黏合裝置38。 從轉換器11的產生的超音波震動會被設備20快速地抑制並轉換為一自發性、高度集中、局部化與可控制的加熱脈衝。黏合程序涉及轉換器11的電氣激發、來自轉換器11的超音波震動、設備20的超音波震動抑制、設備20的超音波轉熱能、導電膠14的熱能軟化或塑化、施加於黏合裝置38的靜壓，以及轉換器11(或黏合裝置38)與晶粒13之間的平面化(planarity)等複雜的互動。轉換器11為一電轉換超音波能量轉換器。設備20的作用是超音波至熱能轉換、震動抑制器與機械式保護器。設備20避免脆弱的晶粒13在黏合中受損，同時提供足夠的熱能讓導電膠14黏附晶粒13至基板15。
導電膠14可為乾式導電膠膜或膠帶像是黏晶膜(die Attach Film,DAF)或熱塑型膠帶(Thermoplastic Adhesive Tape,TAT)。舉例來說，一具有約10μm厚度的DAF或TAT 14係於黏合程序前，層壓於晶粒13的非作動表面或背側上。黏合程序包含各種製程參數的複雜互動，像是超音波功率、黏合壓力、黏合時間，以及工作台溫度(選擇性)等。
參考第十四圖，在黏合操作中，基板15首先係由真空操作的工作台16托住(140)。在另一實施例中，真空操作的工作台16可為真空操作的溫控工作台16，用以提供黏合程序所需的額外熱源。導電膠14與晶粒13會被檢起並放置於基板15上的黏合位置(141)。整個晶粒封裝13、14、15會被黏合裝置38壓下以與晶粒封裝13、14、15內的所有組件實體接觸(142)。轉換器11被啟動以產生超音波震動(143)，超音波震動會被設備20抑制與轉換為加熱脈衝(144)。晶粒13下的導電膠14會被加熱脈衝軟化或塑化(145)，並黏合晶粒13至基板15(146)。來自設備20(或黏合裝置 38)的加熱脈衝與任何來自工作台16的額外的熱會在黏合程序中被傳送至導電膠14。此一程序會重複進行，以將接下來的晶粒13黏合至相同或不同的基板15上。
轉換器11使用壓電驅動器以產生超音波震動，較佳為40kHz或以上。對於黏合操作來說，超音波頻率越高，波長越短，黏合度越高，不過超音波的功率會較低。壓電驅動器通常是朗之萬類型(Langevin-type)的預力轉換器，將超音波訊號產生系統所提供的電能，根據反向壓電效應轉換為縱向震動形式的超音波震動。轉換器11一般包含背金屬板(back metallic slab)、複數個壓電陶瓷或複合物環，以及一前金屬板，由一中央預力螺絲夾住與機械式加壓。轉換器11的基本設計要求是將轉換器11的總長度降至最低，以避免不必要的傾斜效應(tilting effect)，一架設凸緣係固定至轉換器11的震動節點，用以架設和載入晶粒，而轉換器11的操作端12的直徑符合要被黏合至基板15的晶粒13之橫向尺寸，並使得縱向震動獲得足夠的放大效果。半波長的轉換器11足夠短，在操縱轉換器的過程中可將不需要的傾斜效應降至最低，以便與晶粒13的作動表面13A接觸。多個半波長轉換器11有助於深入晶粒封裝13、14、15，尤其是不同尺寸(或高度)的晶粒封裝13、14、15係接近彼此時更為有用。
轉換器11可縱向或水平架設。如果水平架設，橫向震動會施加在晶粒封裝13、14、15上。然而，較佳為縱向架設，以避免轉換器11過度磨損和損壞晶粒13的作動表面13A。如此可達到轉換器11(或黏合裝置38)與晶粒13的高度共平面化。震動能量會沿著轉換器11的縱軸傳導，如此可消除橫向震動的平面性問題還有摩擦效應。
設備20的材料為黏彈性(viscoelastic)，具有彈性材料與黏性材料的結合性質。當黏彈性材料受到週期性震動，像是超音波震動時，部分的輸入能量會因為類似彈簧的性質而恢復，而有些輸入能量會因為類似緩衝筒的性質而消失，因為黏彈性而消失的超音波震動會在設備20的黏彈性材料內部產生加熱效應。
當轉換器11被啟動時，施加於受壓的設備20的超音波震動會在指定的操作頻率，像是40kHz，產生一正弦駐波。在週期性的正弦波應力下產生的超音波震動會因為黏彈性材料的內分子摩擦而消失，快速產生熱。如此會造成超音波引發的脈衝加熱效應，如此可取代傳統的熱壓黏合程序中對晶粒封裝13、14、15的持續加熱。由於超音波引發的脈衝加熱效應係自發性、高度集中、局部化與可控制，因此只有預先決定量的高溫加熱脈衝會直接施加在目標黏合位置，舉例來說，像是個別晶粒封裝13、14、15，如第十二圖所示。設備20產生的自發性、高度集中、局部化與可控制的加熱脈衝可確保最少的熱應力會施加在黏合位置以外的地方。這樣可降低低操作溫度的基板15的翹曲變形並避免剛完成的與黏合後的晶粒13、導電膠14以及基板15被持續加熱。對晶粒13與基板15的熱應力會減少，因為只有在相當短的加熱脈衝時間內會有精確量的熱能會施加於其上。
設備20在轉換器11與晶粒13之間彈性連結，因此可降低從轉換器11傳送至晶粒13的超音波震動，提供震動抑制功能。設備20的材料有效地降低震動幅度。在此，損失因數(loss factor)是指每一次震盪時從震動系統消失的能量和儲存在系統中的能量之比例。較高的損失因數代表較高的阻尼(damping)。損失因數0.1通常被視為是具有顯著阻尼的最小值。所以，設備20適合使用彈 性元件以於黏合程序中提供適當量的阻尼。設備20的抑制功能可避免震動透過結構性耦合而傳送到自動化黏合設備的其他部分。如此可確保設備不會因重複使用而快速劣化。
晶粒13在黏合時會受到黏合裝置38所施加的一靜壓。在黏合程序中需要快速載入以提升生產良率。然而，如此突然與快速的載入會造成撞擊效應(hammering effect)，可能會損壞脆弱的晶粒13。而機台與組裝變數所帶來的瑕疵，可能會使得黏合裝置38(或轉換器11)與工作台16之間存在一小角度。黏合裝置38(或轉換器11)與晶粒13之間的非平面性可能會使得壓力集中在晶粒13的一個邊緣。此種集中的壓力會在黏合程序中損壞晶粒13或甚至基板15。所以，設備20適用可變形的材料，以避免堅硬的接觸，並提升黏合裝置38與晶粒封裝13、14、15之間的相容性。在黏合操作中，設備20的超音波震動的分布也可利用可變形材料改善耦合介面而加以改進。
所以，設備20的材料必須是黏彈性的，以便將超音波震動轉換為加熱脈衝，也就是一種彈性體材料，可有效地抑制傳送至晶粒13的超音波震動，還要是一可變形材料，可避免硬接觸並改善黏合裝置38與晶粒13之間的接觸方式。
較佳地，設備20係以矽氧橡膠化合物(silicone rubber compound)製成，舉例來說，GE的Silicones MasterMolder RTV600系列。RTV600系列的矽氧橡膠化合物具有高工作溫度(-75至400℃)、高硬度(62至68 Shore A)、易撕裂性(100至140ppi)、相當高的抗張強度(900至1100psi)、低收縮率(直線收縮率小於0.2%)(室溫下硬化)以及高溫度傳導性(大約0.23W/m)。矽氧橡膠化合物是聚合材料，具有高度的黏彈性，其具有大損失因數， 以提供改良的阻尼效率。當設備20附接至轉換器11的操作端12，其可避免晶粒13在黏合程序破裂或甚至粉末化。矽氧橡膠化合物具有類似橡膠的彈性，其具有高度變形的能力，並可彈回其原有形狀。如此可避免硬接觸並達蹈黏合裝置38與晶粒13之間的相容性。所以，可同時提升黏合品質與生產良率。
設備20的矽氧橡膠化合物可承受設備20內部的加熱脈衝所產生最高至400℃的溫度。在黏合程序中，設備20內部所引發的加熱脈衝會因為熱傳導的關係而被傳送至晶粒13。如果設備20的材料具有較高的熱傳導性，就可以達到較佳的熱傳導和提升黏合效能。矽氧橡膠化合物的熱傳導性約0.23W/mΩ．K，其提供較佳的熱傳導以將熱傳送給晶粒13。
設備20在黏合程序中是於靜壓下操作。所以，設備20的材料從壓縮變形狀態下恢復的能力就很重要。壓縮永久變形(Compression set)是材料在經過延長的壓縮應力後，回到原始厚度的能力。設備20的矽氧橡膠化合物的壓縮永久變形具有在廣泛溫度範圍下一致的數值，因此設備20係由具有彈性與耐久的材料製成，可用於反覆載入的黏合程序中。
化學物質、液體和油是半導體產業所常遇到的污染品。設備20的矽氧橡膠化合物可避免晶粒13的作動表面13A和基板15在黏合程序中受到污染。設備20的材料因為是碳對碳的骨架，因此可以抗臭氧、紫外線、熱，以及其他劣化因數。其同時具有防水的性質，因此不會受到潮濕操作環境的影響。它同樣也是高度惰性物質，不僅非常穩定，同時也不包含硫磺、或其他酸產生化學物質，也不會造成其他與其接觸的材料的汙染、腐蝕，或劣化。設備20可利用射出成型方式大量生產。GE Silicones MasterMolder RTV600系列在室溫下於24小時內硬化。
設備20的矽氧橡膠化合物的特有性質是由所使用的添加物、以及橡膠的混合與硫化情形而定。設備20的最大操作溫度應保持在400℃以下，這可藉由控制輸入轉換器11的超音波功率，從而控制設備20所引發的熱量。
設備20可能在多次黏合週期後會磨損，意味著需定期更換設備20。設備20必須輕易地與牢固地附接至轉換器11並可與其分離，以便在大量生產的環境下維持高效率。根據轉換器11的操作端12的尺寸，在第二圖中提供具有圓形蓋子的設備20。在一個實施例中，圓形蓋子的內徑為18.5mm，比轉換器11的操作端12的直徑要小一點。依此形式，周圍邊緣23會升高。設備20的圓形蓋子的內徑較小，意味著當其覆蓋轉換器11的操作端12時，會有輕微的彈力變形。如此可確保設備20會穩固地附接至轉換器11的操作端12，而不會在黏合電氣裝置13、15之快速載入和卸載程序中滑落。
為了提供高效率與快速的超音波引發加熱脈衝，所以必須在黏合位置(也就是晶粒13)使用熱能導引器(thermal energy director)21或集中器21，以便集中加熱脈衝。否則，散失至基板15的熱會很明顯，因為設備20的底表面22會遠大於晶粒13的作動表面13A。在一實施例中，能量導引器為一方形突起21，從設備20的底表面22突出。突起21將引發的加熱脈衝集中至晶粒13和導電膠14，同時減少散失至基板15的熱。突起21所形成的熱集中效應在突起21的主表面縮小時會增加。然而，突起21的主表面不可小於晶粒13的作動表面13A，以便維持傳導至導電膠14的熱均勻性。所以，突起21的主表面應具有與晶粒13類似而略 大的形狀。同樣地，設備20和晶粒13之間的突起21的主表面略大，在對準晶粒13至黏合位置的定位作業時，可提供容忍度。
一般來說，突起21的主表面不應小於設備20的底表面22的60%。當突起21的主表面小於設備20的底表面22的60%，突起21會開始傾斜或彎曲。當突起21的主表面小於設備20的底表面22的50%，會發生明顯的傾斜或彎曲。從底表面22量起的突起21的高度較佳為1mm，以於設備20的底表面22、晶粒13，以及基板15之間提供足夠大的空間，並避免傾斜/彎曲效應。
晶粒13的形狀和尺寸會依類型不同而變化。為了確保加熱脈衝能夠集中，針對特定晶粒13會使用具有適當設定的突起21的設備20。當設備20為可卸除的，就可以針對晶粒13的形狀和尺寸選擇適當的突起21。選擇適當的突起21可提供較佳的熱傳送效應，提升在大量生產環境中晶粒封裝13、14、15的黏合品質。突起21的主表面較大會造成加熱脈衝的振幅較低，這是因為所產生的熱會擴散至增加的表面區域。在此，最佳化的突起21應根據晶粒13的形狀和尺寸設計，因此，集中的加熱脈衝在黏合位置應為最大。
第三圖至第九圖敘述可用於設備20與突起21的各種形狀和尺寸。設備20的形狀和尺寸主要是根據其所附接的轉換器11的操作端12而定。突起21的的形狀和尺寸主要是根據晶粒13的形狀和尺寸而定，同時要預防突起21的傾斜/彎曲。第六圖所示為設備20的底表面22上的多個突起21。多個突起21可以做到在同一時間黏合多個晶粒。第七圖至第九圖所示為在各種形狀的設備20上之凹形突起21。凹形突起21在轉換器11進行水平或橫向操作時，可以托住晶粒13。
第十一圖比較當設備20使用突起21時的導電膠14的溫度數據，舉例來說，圖中所示為具有方型或矩形突起21的設備20與沒有突起21的設備20之比較。在施加超音波震動時，沒有突起21的設備20的溫度較慢升高，最高溫度也比有突起21的設備20要低。
設備20可藉由其能量轉換能力，提供軟化導電膠14所需的有效加熱脈衝。它同時具有震動抑制和機械保護功能，可預防晶粒13受到損壞。當轉換器11附接設備20時被放動，溫度會急速升高。溫度會從室溫的23.5℃升高至大約150℃，並且在六秒鐘內達到飽和。參考第十圖，在沒有設備20附接至轉換器11的情況下，溫度只會從室溫升高至大約30℃。在沒有設備20時，是由導電膠14本身的黏彈性將震動能量吸收並引發熱能，讓溫度升高約6.5℃，是導電膠14的副作用。
設備20保護晶粒13免於超音波震動以及與轉換器11的操作端12的硬接觸。如果沒有設備20，晶粒13會被轉換器11的超音波震動完全損壞。然而，在使用設備20時，晶粒13係於良好狀況下，用顯微檢視也不會找出任何缺陷。所以，設備20在黏合程序中扮演了保護晶粒13不受損壞的重要角色。當轉換器11被啟動一段短的預先決定時間，設備20會產生加熱脈衝。加熱脈衝在設備20的突起21的主表面與晶粒13相對時係於其最高的能量。使用設備20可達到高速引發的加熱脈衝(舉例來說，在第十圖與第十一圖中最高達到150℃)，以便用於黏合。在導電膠14部分，如果不用設備20引發超音波震動，而直接使用超音波震動，會造成晶粒13破裂或粉末化。
在第十三圖中係使用以下的製程參數對堆疊晶粒封裝131 進行有限元素分析(Finite Element Analysis,FEA)：在室溫下50W的超音波功率、60N的黏合力以及三秒鐘的黏合時間。FEA的結果提供堆疊晶粒封裝131的黏合程序的成功的初步預測。可用於堆疊晶粒封裝131的晶粒-導電膠對13、14是以會到達導電膠-基板表面130的熱量來決定。
導電膠-基板表面130的溫度在堆疊的晶粒-導電膠對13、14的數目增加時會減少。而在導電膠-基板表面130的外緣的溫度會對應在導電膠-基板表面130上的最低溫度之位置。在堆疊晶粒封裝131中的最高溫度會從二個晶粒-導電膠對13、14的118℃下降至六個晶粒-導電膠對13、14的102℃。根據FEA預測，在導電膠-基板表面130的溫度在堆疊晶粒封裝131上的晶粒-導電膠對13、14超過六對時，會降低至100℃以下。所以，在黏合狀況下可堆疊的晶粒-導電膠對13、14的數目小於六。
堆疊晶粒封裝131在近年來因為所需的實體空間有限，還有小型電子產品的多功能需求而快速的成長。一般來說，在堆疊晶粒組態中是採用低於75μm厚度的晶粒13。在傳統的熱壓堆疊晶粒黏合程序中，晶粒-導電膠對13、14是一個接一個黏合在底下的晶粒-導電膠對13上。黏合後晶粒-導電膠對13、14會持續受到高溫加熱，直到在堆疊中的所有晶粒-導電膠對13、14都已黏合完畢為止。因此，晶粒13的導電膠14可能會液化並因樹脂流出而污染基板。相形之下，使用設備20所提供的超音波引發加熱脈衝可減少持續的高溫加熱。在基板15上的堆疊晶粒黏合是在單一處理週期內對所有的晶粒-導電膠對13、14執行。當加熱脈衝產生並被施加於晶粒13朝向基板15的方向時，在堆疊晶粒封裝131中會存在一溫度坡度。加熱脈衝會從高溫區域(晶粒13 的作動表面13A)藉由分子運動而傳送至低溫區域(基板15的底側)。
回到第一圖，黏合裝置38係與設備30整合。設備30為熱管理系統32、三軸線性動作系統33、裝置架設系統34、視覺系統35、壓力控制系統36，以及超音波訊號產生系統37所組成的自動化機電整合單元。這些系統32、33、34、35、36，及37係由一中央控制單元控制，以便於系統32、33、34、35、36，及37之間進行通訊。
在黏合程序中的相對位置與方向會被精確地控制，使得晶粒封裝13、14、15和黏合裝置38會準確地移動至用以黏合的預先決定位置。三軸線性動作系統33讓設備30於x、y以及z方向進行精確的動作。在設備30中，有二個馬達用於工作台16的x-y方向。一個馬達會旋轉以便讓工作台16於x方向移動，而另一個馬達會讓工作台16在y方向移動。這二個馬達可以將工作台16上的晶粒封裝13、14、15移動至發生黏合的位置。晶粒封裝13、14、15可由工作台16的真空狀態托住，以預防高速運動所帶來的影響。同樣地，在z軸有一個第三馬達用來提供黏合裝置38的上下運動，此一馬達可在黏合裝置38被壓力控制系統下壓前，將黏合裝置38移動至晶粒13的表面。在黏合操作中，中央控制單元31傳送控制訊號給馬達驅動器，由其控制馬達，用程式化的速度和加速度驅動工作台16與黏合裝置38。編碼器提供封閉迴路的系統，並作為回授裝置，以維持黏合程序的準確性、精確度，以及可重複性。使用系統33的優點是可快速回應速度與機速度的改變，以使得黏合程序達到高產出量。
熱管理系統32控制工作台16的溫度。系統32提供封閉迴路的 溫度控制，所以可維持在穩定的溫度等級。數位溫度控制器係被安裝用來控制由加熱器與溫度感測器所組成的加熱器區塊。在黏合程序中，數位溫度控制器傳送訊號以控制供應給加熱器的電力。加熱器區塊的溫度係由溫度感測器量測，而回授訊號會傳回給溫度控制器。供應給加熱器的電力大小會根據回授訊號而調整，使得工作台16會維持在用於黏合程序的預定溫度。為了避免熱能藉由傳導而跑到設備30的所有部份，所以在工作台16與三軸線性動作系統33的馬達耦合器之間會安裝一個熱隔離裝置。
壓力控制系統36在黏合中對晶粒封裝13、14、15施以靜壓。系統36包括一氣動調節器(pneumatic regulator)、一電磁閥(solenoid valve)、一汽缸(air cylinder)、一壓力感測器(pressure sensor)，以及一控制器。氣動調節器控制汽缸內的壓力，而電磁閥控制汽缸內的活塞的上下運動。精確的壓力測量很重要。壓力感測器會量測所施加的黏合壓力。壓力感測器提供的回授訊號會透過系統36的控制器傳送至中央控制單元31，用以調整施加於晶粒封裝13、14、15的壓力量。在施加壓力的過程中，沿著z-軸的運動會被鎖住，以避免黏合裝置38因為載入動作而滑動。
視覺系統35協助三軸線性動作系統33自動地將晶粒封裝13、14、15定位至黏合位置。系統35包括一視覺控制器與一攝影機。在黏合程序中，攝影機會擷取工作台16的影像。晶粒封裝13、14、15經攝影機識別後，會被視覺控制器校準至一感測區域。三軸線性動作系統33會將晶粒封裝13、14、15精確地移動至黏合位置，以進行後續的黏合程序。視覺系統35也提供一前製檢視功能，以避免用到有缺陷的晶粒13。此一現場前製檢視功能相當有用，特別是在堆疊多個晶粒導電膠對13、14以形成堆疊晶粒封裝131的時 候相當有用。系統35也提供後製檢視功能，以檢視已經黏合的晶粒封裝13、14、15。
裝置架設系統34係用來將一凸緣架設於轉換器11的震動節點位置，以將超音波震動能量的損失降至最小。轉換器11(或黏合裝置38)與工作台16之間的共平面性很重要，因為它可確保靜壓平均分布在晶粒封裝13、14、15上。均勻的壓力可避免層壓作用分解，並提升晶粒封裝13、14、15與基板15之間的可黏合性。所以，裝置架設系統34的偏離角(yaw)、傾斜度(pitch)以及滾動方向會經過調整，在調整過方向後，可以達到可接受的共平面性。
超音波訊號產生系統係以一預先決定的超音波頻率供應電能與用於該超音波轉換器11的電力。高頻率的電能會被傳送到轉換器11以產生用於黏合程序的超音波震動。系統37較佳地採用定電壓與數位鎖相迴路(digital phase-locked-loop,PLL)，以確定轉換器11係以其共振頻率操作。在此應提供一選擇器開關，以調整供應給轉換器11的電力大小。系統37也包含過載保護電路系統，以避免過量的電力損壞轉換器11。
熟悉此技藝者應可了解，在不悖離本發明的精神與範疇下，可對本發明的特定實施例進行各種修改以及/變化。本發明應以其最寬廣的解釋方式來界定。
10‧‧‧系統
11‧‧‧超音波轉換器
12‧‧‧操作端
13‧‧‧電氣裝置
13A‧‧‧作動表面
14‧‧‧導電膠
15‧‧‧電氣裝置
16‧‧‧工作台
20‧‧‧超音波轉熱能設備
21‧‧‧突起
22‧‧‧底表面
23‧‧‧周圍邊緣
30‧‧‧機電整合設備
31‧‧‧中央控制單元
32‧‧‧熱管理系統
33‧‧‧三軸線性動作系統
34‧‧‧裝置架設系統
35‧‧‧視覺系統
36‧‧‧壓力控制系統
37‧‧‧超音波訊號產生系統
38‧‧‧黏合裝置
130‧‧‧導電膠一基板表面
131‧‧‧堆疊晶粒封裝
以下將透過附屬的圖表說明本發明的範例，其中：第一圖所示為根據本發明的一較佳實施例之黏合系統的方塊圖；第二圖所示為根據本發明的一較佳實施例的超音波轉熱能設備的側面、頂部與底部視圖； 第三圖所示為圓形超音波轉熱能設備的一系列透視圖與剖面透視圖；第四圖所示為方形超音波轉熱能設備的一系列透視圖與剖面透視圖；第五圖所示為矩形超音波轉熱能設備的一系列透視圖與剖面透視圖；第六圖所示為於其底表面具有多個突起的超音波轉熱能設備的一系列透視圖與剖面透視圖；第七圖所示為具有第一類型的凹形突起的超音波轉熱能設備的一系列透視圖與剖面透視圖；第八圖所示為具有第二類型的凹形突起的超音波轉熱能設備的一系列透視圖與剖面透視圖；第九圖所示為具有第三類型的凹形突起的超音波轉熱能設備的一系列透視圖與剖面透視圖；第十圖的圖表所述為採用超音波轉熱能設備的黏膠之溫度數據與不採用超音波轉熱能設備的黏膠之溫度數據的比較；第十一圖的圖表所述為採用方形突起的超音波轉熱能設備與採用矩形突起的超音波轉熱能設備，以及沒有突起的超音波轉熱能設備之溫度數據的比較；第十二圖所示為晶粒封裝的黏合操作之側視圖，顯示加熱脈衝係局部化於一單一晶粒封裝；第十三圖所示為堆疊晶粒封裝的黏合操作之側視圖，顯示加熱脈衝係局部化於一堆疊晶粒封裝；以及第十四圖所示為根據本發明的一較佳實施例之黏合方法的流程圖。
10‧‧‧系統
11‧‧‧超音波轉換器
12‧‧‧操作端
13‧‧‧電氣裝置
13A‧‧‧作動表面
14‧‧‧導電膠
15‧‧‧電氣裝置
16‧‧‧工作台
30‧‧‧機電整合設備
31‧‧‧中央控制單元
32‧‧‧熱管理系統
33‧‧‧三軸線性動作系統
34‧‧‧裝置架設系統
35‧‧‧視覺系統
36‧‧‧壓力控制系統
37‧‧‧超音波訊號產生系統
38‧‧‧黏合裝置

Claims (18)

  1. 一種使用一導電膠以黏合電氣裝置而讓電氣裝置黏附在一起的方法，該方法包含：藉由一超音波轉換器產生超音波震動；利用一由黏彈性與可變形的材料製成並具有一覆蓋該超音波轉換器的底表面及一從該底表面延伸用以彈性地附接至該超音波轉換器的升高周圍邊緣的超音波轉熱能設備抑制該超音波震動以將傳送至一第一電氣裝置的超音波震動降低至最小並使得該超音波震動轉換為一加熱脈衝，經由該第一電氣裝置傳導至該導電膠；以及使用該加熱脈衝軟化該導電膠以將該些電氣裝置黏合在一起。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含集中該加熱脈衝於一大於或等於該第一電氣裝置的一作動表面區域之表面區域。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含施加一靜壓與一電能至該超音波轉換器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該導電膠為一乾導電膠膜或膠帶，像是黏晶膜(DAF)或熱塑型膠帶(TAT)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一電氣裝置為一晶粒，而第二電氣裝置為一基板。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該第一電氣裝置的該作動表面區域面對該超音波轉換器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中複數個第一電氣裝置係具有介於每一第一電氣裝置的一導電膠，而該超音波震動轉換為一加熱脈衝後係由該第一電氣裝置傳導至每一導電膠，使得導電膠軟化並將該些電氣裝置黏合在一起，以形成一堆疊晶 粒封裝。
  8. 一種用以將超音波轉換為熱能的設備，該設備包含：一覆蓋一超音波轉換器的操作端並接觸一第一電氣裝置的一作動表面之底表面；以及一從該底表面延伸之升高周圍邊緣，用以彈性地將該設備附接至該超音波轉換器的該操作端；其中該設備係以一具有黏彈性與可變形的材料製成，並抑制由該超音波轉換器所產生的該超音波震動，以及使得該超音波震動轉換為一加熱脈衝。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之設備，更包含一從該設備的該底表面向外突出的突起，以集中該加熱脈衝。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該突起的主表面區域係大於或等於該第一電氣裝置的該作動表面。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該突起的主表面區域係大於或等於該設備的該底表面的60%。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該突起從該底表面起的高度為1mm。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之設備，更包含複數個突起，用以讓複數個晶粒在同一時間可被黏合至至少一片基板。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該突起具有一凹形，用以在該轉換器進行一水平或橫向操作時托住一晶粒。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該材料為一矽氧橡膠化合物。
  16. 一種使用一導電膠以黏合電氣裝置而讓電氣裝置黏附在一起的系統，該系統包含： 一用以產生一超音波震動的超音波轉換器；以及一操作地附接至該超音波轉換器並覆蓋該超音波轉換器的一操作端的超音波轉熱能設備，該超音波轉熱能設備包含一覆蓋一超音波轉換器的操作端並接觸一第一電氣裝置的一作動表面之底表面及一從該底表面延伸之升高周圍邊緣，用以彈性地將該設備附接至該超音波轉換器的該操作端，該超音波轉熱能設備係以一具有黏彈性與可變形的材料製成，該超音波轉熱能設備抑制該超音波震動以將傳送至一第一電氣裝置的超音波震動降低至最小並使得該超音波震動轉換為一加熱脈衝，經由該第一電氣裝置傳導至該導電膠；其中該導電膠因為該加熱脈衝而軟化以將該些電氣裝置黏合在一起。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之系統，更包含一附接至該超音波轉換器並被設置於該設備與該超音波轉換器之間的晶粒轉接器，該晶粒轉接器提供用於該超音波轉換器的一形狀與尺寸調整，以容納一具有任何形狀和尺寸的第一電氣裝置。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之系統，更包含由一中央控制單元所控制之機電整合設備，該機電整合設備包括：一三軸線性動作系統，用以提供在該機電整合設備中的該工作台在x與y方向以及該超音波轉換器與該超音波轉熱能設備在z方向的精準運動；一控制該工作台的溫度之熱管理系統；一壓力控制系統，用以將一靜壓施加於該超音波轉換器與該超音波轉熱能設備上，以便對著一第二電氣裝置擠壓在該第一電氣裝置之下的該導電膠； 一視覺系統，用以根據擷取到的該第一電氣裝置與該工作台的一影像指示該三軸線性動作系統將該第一電氣裝置移至何處，以及執行該些剛完成的與黏合後的電氣裝置的品質之前製與後製檢視；一裝置架設系統，用以將該超音波轉換器與該超音波轉熱能設備架設於該機電整合設備之上，以及操縱該超音波轉換器與該超音波轉熱能設備以便黏合；以及一超音波訊號產生系統，其以一預先決定的超音波頻率供應電能與用於該超音波轉換器的電力。
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