TWI644374B - 用於接合半導體元件的熱壓接合系統及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一種用於接合半導體元件的熱壓接合系統及其操作方法。所述熱壓接合系統包括(1)接合頭組件，其包括一個用於加熱要接合的半導體元件的加熱器，且所述接合頭組件包括被設置來接收冷卻流體的流體路徑；(2)加壓冷卻流體源；(3)增壓泵，其用於接收來自加壓冷卻流體源的加壓冷卻流體，並用於增加所接收的加壓冷卻流體的壓力；(4)加壓流體儲存器，其用於接收來自增壓泵的加壓冷卻流體；以及(5)控制閥，其用於對加壓冷卻流體從加壓流體儲存器向流體路徑的供應進行調節。

Description

用於接合半導體元件的熱壓接合系統及其操作方法
本發明涉及半導體封裝中電氣互連的形成，特別係指一種改進的熱壓接合系統及其操作方法。
在半導體封裝產業的特定情況下，半導體元件係被接合至接合位置上。例如，在傳統的黏晶(又稱為晶粒黏著接合)應用中，將半導體晶粒被接合至基板(例如：引線框、堆疊晶粒應用中的另一晶粒、間隔件等)的接合位置上。在先進的封裝應用中，半導體元件(例如，裸半導體晶片、封裝的半導體晶粒等)被接合到基板(例如，引線框、PCB、載體、半導體晶片、BGA基板等)的接合位置上。導電結構(例如，導電凸塊、接觸墊、接合凸塊、導電柱、銅柱等)提供半導體元件與接合位置之間的電性連接。在某些應用中，這些導電結構可以提供與使用接合機形成的線環類似的電性連接。
在許多應用(例如，半導體元件的熱壓接合)中，接合材料被包括在導電結構中。在許多這樣的過程中，熱(例如，通過承載接合工具的接合頭組件中的加熱器)被施加至要接合的半導體元件。重要的是快 速完成對熱的施加，使得機器的生產率(例如，UPH或單位每小時)處於可接受的水準。這是很具有挑戰性的，因為希望加熱器在不同的時間/位置處於不同的溫度下(例如，與在熱壓接合時的熱溫度相反，在從諸如晶片的源移除部件時係處於較冷溫度)。
因此，希望提供用於操作用於接合半導體元件的接合機的改進的方法。
根據本發明的一實施例，提供了一種用於接合半導體元件的熱壓接合系統及其操作方法。所述熱壓接合系統包括(1)接合頭組件，其包括一個用於加熱要接合的半導體元件的加熱器，且所述接合頭組件包括被設置來接收冷卻流體的流體路徑；(2)加壓冷卻流體源；(3)增壓泵，其用於接收來自加壓冷卻流體源的加壓冷卻流體，並用於增加所接收的加壓冷卻流體的壓力；(4)加壓流體儲存器，其用於接收來自增壓泵的加壓冷卻流體；以及(5)控制閥，其用於對加壓冷卻流體從加壓流體儲存器向流體路徑的供應進行調節。
根據本發明的另一個實施例，提供了另一種用於接合半導體元件的熱壓接合系統及其操作方法。所述熱壓接合系統包括：接合頭組件，其包括用於加熱要接合的半導體元件的加熱器，所述接合頭組件包括被配置為接收冷卻流體的流體路徑；加壓冷卻流體源；流量控制閥，其用於對將加壓冷卻流體從所述加壓流體源向所述流體路徑的供應進行調節；以及電腦，其用於控制所述流量控制閥，所述電腦被配置為控制所述流體路徑的加壓冷卻流體的供應，使供應控制成在熱壓接合製程中的冷卻製程的不 同階段期間是不同的。這樣的熱壓接合系統進一步可以包括本文中所描述的各種其他元件，包括例如增壓泵、加壓流體儲存器、控制閥(例如，數位開/關閥)、溫度感測器等。
根據本發明的另一實施例，提供了一種操作熱壓接合機器的方法。所述方法包括以下步驟：(a)提供加壓冷卻流體源；(b)使用增壓泵來增加來自加壓冷卻流體源的加壓冷卻流體的壓力；(c)在加壓流體儲存器處接收來自所述增壓泵的加壓冷卻流體；以及(d)利用控制閥來對所述加壓冷卻流體從所述加壓流體儲存器向所述加壓接合系統的接合頭組件中包括的流體路徑的流動進行調節。
根據本發明的另一實施例，提供了一種操作熱壓接合系統的方法。所述方法包括以下步驟：(a)提供加壓冷卻流體源；以及(b)利用流量控制閥來對加壓冷卻流體從所述加壓冷卻流體源向所述熱壓接合系統的接合頭組件中包括的流體路徑的供應進行調節，通過流量控制閥來將被提供到流體路徑的加壓冷卻流體的所述供應控制成在熱壓接合製程中的冷卻製程的不同階段期間是不同的。當然，這樣的方法可以包括如在本文中描述的其他步驟。
100‧‧‧接合機器
102‧‧‧基板
104‧‧‧支撐結構
110、228、328、428、528、628、728‧‧‧半導體元件
112‧‧‧接合工具
120、232、332、432、532、632、732‧‧‧接合台
122、220、320、420、520、620、720‧‧‧接合頭組件
108a、108b‧‧‧下導電結構
114a、114b‧‧‧上導電結構
116a、116b‧‧‧接合材料
118a、118b‧‧‧接合介面
200、300、400、500、600、700‧‧‧熱壓接合系統
202、302、402、502、602、702‧‧‧加壓冷卻流體源
204、304、404、504、604、704‧‧‧增壓泵
206、306、406、506、606、706‧‧‧加壓流體儲存器
208、308、408、508、608‧‧‧流量控制閥
210、310、410、510、710‧‧‧控制閥
212、215、216、218、312、315、316、318、412、415、416、418、512、515、516、518、612、615、616、618、712、715、716、718‧‧‧流體路徑
214、314、414、514、614、714‧‧‧入口
221、321、421、521、621、721‧‧‧上結構
222、322、422、522、622、722‧‧‧冷卻結構
222a、322a、422a、522a、622a‧‧‧冷卻路徑
224、324、424、524、624、724‧‧‧加熱器
226、326、426、526、626、726‧‧‧溫度感測器
234、334、434、534、634、734‧‧‧溫度信號
236、336、436、536、636、736‧‧‧電腦
238a、338a、438a、538a、638a、738a、238b、338b、438b、538b‧‧‧控制信號
240、340、440、540、640、740‧‧‧熱壓接合機器
260、360、460、560、660、760‧‧‧工件
1200-1208、1300-1310、1400-1404、1500-1508、1600-1610、1700-1708‧‧‧步驟
第1A、1B圖為顯示根據本發明的實施例的將半導體元件接合到基板的結構和方法的熱壓接合機器的部分的側視圖；第2-7圖為顯示根據本發明的各種示實施例的熱壓接合系統的示意圖； 第8、9A、9B、10和11圖為顯示根據本發明的各種實施例的熱壓接合系統的元件的溫度曲線的圖形圖示；第12-17圖為顯示根據本發明的實施例的操作熱壓接合系統的方法的流程圖。
如本文所使用的，術語“半導體元件”係指包括(或者在後面的步驟中被配置為包括)半導體晶片或晶片的任何結構。除了其他之外，示範性半導體元件包括裸半導體晶片、基板(例如，引線框、PCB、載體、半導體晶片、半導體晶片、BGA基板、半導體元件等)上的半導體晶片、封裝的半導體器件、倒裝晶片半導體器件、嵌入在基板中的晶片、一堆疊的半導體晶片。另外，半導體元件可以包括被配置為要接合在半導體封裝中或以其他方式要包括在半導體封裝中的元件(例如，要接合在堆疊晶片配置中的墊片、基板等)。
如本文所使用的，術語“基板”和“工件”係指半導體元件可以被接合(例如，熱壓接合、超音波接合、恒溫接合、晶片接合等)至的任何結構。代表性的基板包括例如引線框、PCB、載體、半導體晶片、半導體晶片、BGA基板、半導體元件等。
根據本發明的某些方面，公開了利用接合頭組件中的熱，例如用於將接合材料熔化和/或軟化，來作為要接合的半導體元件的互連的一部分的熱壓接合系統。由接合頭組件承載的接合工具，通過熔化並再固化要放置/要接合的半導體元件上的接合凸塊，來將半導體元件放置並接合至 基板。為了熔化接合凸塊，因此能夠快速加熱接合工具是非常重要的。進一步希望能夠快速冷卻接合工具，同時保持接合的半導體元件的位置(例如，至單位微米或更小的級)。因此，希望在接合製程(例如，在加熱階段/製程、在冷卻階段/製程等)的全部階段期間，熱壓接合系統(以及相關的製程)能夠精確控制接合工具的溫度。
根據本發明的各個方面，在熱壓接合製程的冷卻階段/製程期間，可以控制接合頭(例如，諸如加熱器/接合工具的接合頭的部分)的溫度。例如，根據本發明的某些實施例，加壓冷卻流體的流速可以使用模擬流量控制閥來控制(例如，控制為如由電腦程式例如使用以測得的溫度作為回饋信號的命令設定檔控制的可變冷卻速率)。這是特別有利的，因為在熱壓接合製程期間，經常存在希望將除了最大系統能力的冷卻速率用於控制接合製程的時刻。例如，在接合的初始固化(即，在熔化之後的再固化)期間，期望高度控制的(並且可重複的)冷卻以提供基本一致的品質的接合互連。
在冷卻製程的控制的快速冷卻階段(例如，1秒內100-150℃)期間，溫度感測器(例如，被設置為感測例如加熱器/接合工具的下表面的溫度的回饋感測器)可以被用在熱壓接合頭組件內。這樣回饋控制的冷卻，可以與如本文所描述的多階段冷卻製程結合使用(例如，比最大冷卻小的第一控制冷卻階段，以及在最大冷卻的第二冷卻階段)。
另外，這樣的回饋控制的冷卻，也可以被用在熱壓接合製程期間的各個時刻。例如，特定量的熱(熱能量)保持在接合頭組件未由溫度回饋感測器直接測量的部分內。該熱能量從較暖的本體逐漸移動至剛剛 冷卻的本體(例如，加熱器/接合工具)。這表現為在溫度回饋設備上的溫度的漂移。此時，不希望在這種情況下使用數位(例如，開/關)冷卻系統，因為不容易控制冷卻量，從而導致接合頭組件的一部分被冷卻至不希望的量。
根據本發明的各個方面，可以提供增壓泵(例如，機械增壓器)，用來使將進入的加壓冷卻流體增加至一般可獲得的加壓冷卻流體(例如，工廠壓縮空氣)之上。這樣增加進入的壓力可以用來克服在加熱器中小通道中的壓力下降。主要係因為由於通道壁的摩擦導致通過通道的壓力下降，進而引起流體速度快速下降，從而導致冷卻效率的損耗。該損耗可以通過使用較高的壓力流體來減緩。通常，在設施(例如，壓縮空氣)中可獲得的壓力係不足夠以提供最大冷卻的。因此，通過提供增壓器來使輸入冷卻流體的壓力可以被升高至希望的水準(例如，至少增加50%的壓力、至少增加100%的壓力等，其中，具體範例為諸如從0.6MPa至1.2Mpa的100%的增加)。
現參考附圖，第1A圖為顯示接合機器100(例如，熱壓倒裝晶片接合機器)的一部分，接合機器100包括接合台120(例如，梭、加熱的梭、加熱塊、鐵砧等)和由接合台120支撐的支撐結構104(其中，支撐結構104和接合台120可以被集成到單個元件中)。如本領域技術人員將認識到的，支撐結構104可以被稱為應用具體部分(有時在工業上被稱為p部分)。基板102由支撐結構104支撐，並且被配置為接收通過熱壓接合製程的至少一個半導體元件。下導電結構108a、108b(例如，導電跡線、導電墊等)被提供在基板102上。機器100進一步包括承載加熱的接合工具 112的接合頭組件122，加熱接合工具112承載半導體元件110。上導電結構114a、114b(例如，諸如銅柱的導電柱，示出為包括接合材料116a、116b)被提供在半導體元件110上。接合工具112被降低，使得上導電結構114a、114b接觸下導電結構108a、108b(例如，參見第1B圖)。如第1B圖所示的，通過熱壓接合製程，接合材料116a、116b被軟化並且被再固化為接合介面118a、118b，從而在上導電結構114a、114b中的一個與各自的下導電結構108a、108b之間提供永久導電耦合。儘管第1A、1B圖僅顯示兩對導電結構(一對114a、108a和另一對114b、108b)，然而，這是為了方便解釋的簡單範例。在實踐中，可以提供任何數量的導電結構對(例如，數十個導電結構對、數百個導電結構對等)。
第2圖為顯示包括熱壓接合機器240的示範性熱壓接合系統200。機器240包括接合頭組件220，接合頭組件220包括上結構221(包括各種部件，未示出)、冷卻結構222以及加熱器224。加熱器224與半導體元件228(例如，要接合的半導體晶片)相接觸。如本領域技術人員將認識到的，加熱器224可以是被配置為將半導體元件228承載並接合至工件260的加熱的接合工具。如本領域技術人員將認識到的，加熱器224可以被認為是加熱的接合工具(類似於第1A、1B圖中顯示的工具112)。即，術語加熱器和接合工具可以互換使用，並且可以被集成到單個部件中(如第1A、1B圖和第2-7圖中所顯示的實施例所示)或可以是多個單獨的部件。機器240進一步包括電腦236和用於支撐工件260的接合台232。溫度感測器226測量加熱器224的溫度，並將與該溫度相關的資訊作為溫度信號234提供回到電腦236。
熱壓接合系統200進一步包括作為熱壓接合製程的一部分的、將加壓冷卻流體(例如，壓縮空氣)提供到接合頭220以冷卻加熱器/接合工具224的元件。更具體地，系統200包括用於將加壓冷卻流體提供到增壓泵204的加壓冷卻流體源202(例如，例如由管道從壓縮空氣罐或壓縮器等輸送的工廠壓縮空氣源)。增壓泵204接收來自源202的加壓冷卻流體，並且增加所接收的加壓冷卻流體的壓力。在本發明的某些實施例中，增壓泵204將來自源202的加壓冷卻流體的壓力增加至少50%，至少100%等。在一個非常具體的範例中，來自源202的加壓冷卻流體被提供為處於大約0.6Mpa的壓力，並且增壓泵204將加壓冷卻流體的壓力增加至大約1.2Mpa(例如，大約100%的壓力增加)。然後，(處於現在增加的壓力的)加壓冷卻流體由加壓流體儲存器206(例如，壓縮空氣罐)接收。來自儲存器206的加壓流體由流量控制閥208(例如，模擬控制閥)接收，其中，流量控制閥208被配置為對被提供到接合頭組件220的加壓冷卻流體的壓力進行調節。流量控制閥208的下游是用於對加壓冷卻流體向接合頭組件220的供應進行調節的控制閥210(例如，開/關數位閥)。流量控制閥208和控制閥210每個都由電腦236控制(如由各自的控制信號238a、238b所示)。在閥210的下游，加壓冷卻流體在流體路徑212內行進直到其到達接合頭組件220的入口214。流體路徑215被包括在接合頭組件220內，並且包括入口流體路徑216(由上結構221限定)、冷卻路徑222a(由冷卻結構222限定)以及出口流體路徑218(由上結構221限定)。
根據結合圖第2-7圖所顯示並描述的本發明的實施例，各個元件被描述為熱壓接合系統(例如，系統200、300、400、500、600和700) 的一部分，但是區別在於對應的熱壓接合機器(例如，機器240、340、440、540、640和740)。第2圖中的此元件的範例是元件204、206、208和210。根據本發明，這樣的元件中的任何或全部可以被包括在對應的熱壓接合機器中。
第3-7圖中每個圖示類似於第2圖中所示系統200的系統，其中，相似的元件被標記為除了不同的初始數位之外包括相同的附圖標記。例如，接合頭組件被標記為元件220(在第2圖中)、元件320(在第3圖中)、元件420(在第4圖中)、元件520(在第5圖中)、元件620(在第6圖中)、元件720(在第7圖中)。下面指出的沒有區別，元件(及其功能)與第2圖中描述的元件基本類似。
具體參考第3圖，與第2圖相比，主要區別在於流量控制閥308被設置在控制閥310的下游(與在第2圖中流量控制閥208被設置在控制閥210上游相反)。第3圖為顯示實施例中的熱壓接合系統300，熱壓接合系統300包括熱壓接合機器340。機器340包括接合頭組件320，接合頭組件320包括上結構321、冷卻結構322和加熱器324。加熱器324與半導體元件328相接觸。如本領域技術人員將認識到的，加熱器324可以是被配置為將半導體元件328承載並接合至工件360的加熱接合工具。機器340進一步包括電腦336和用於支撐工件360的接合台332。溫度感測器326測量加熱器324的溫度，並將與該溫度相關的資訊作為溫度信號334提供回到電腦336。
熱壓接合系統300進一步包括用於將加壓冷卻流體提供到增壓泵304的加壓冷卻流體源302。增壓泵304接收來自源302的加壓冷卻 流體，並使所接收的加壓冷卻流體的壓力增加(例如，至少50%、至少100%等)。然後，(處於現在增加的壓力的)加壓冷卻流體由加壓流體儲存器306接收。來自儲存器306的加壓流體由用於對加壓冷卻流體向接合頭組件320的供應進行調節的控制閥310(例如，開/關數位閥)接收。控制閥310的下游是流量控制閥308(例如，模擬控制閥)，其中，流量控制閥308被配置為對被提供到接合頭組件320的加壓冷卻流體的壓力進行調節。控制閥310和流量控制閥308每個都由電腦336控制(如由各自的控制信號338a、338b所示)。在流量控制閥308的下游，加壓冷卻流體在流體路徑312內行進直到其到達接合頭組件320的入口314。流體路徑315被包括在接合頭組件320內，並且包括入口流體路徑316(由上結構321限定)、冷卻路徑322a(由冷卻結構322限定)和出口流體路徑318(由上結構321限定)。
具體參考第4圖，與第2、3圖相比，主要區別在於流量控制閥408位於與包括控制閥410的流體路徑平行的流體路徑中(與在第2、3圖中流量控制閥208/308分別與控制閥210/310成一直線相反)。第4圖為顯示實施例的熱壓接合系統400，熱壓接合系統400包括熱壓接合機器440。機器440包括接合頭組件420，接合頭組件421包括上結構422、冷卻結構424和加熱器324。加熱器424與半導體元件428相接觸。如本領域技術人員將認識到的，加熱器424可以是被配置為將半導體元件428承載並接合至工件460的加熱接合工具。機器440進一步包括電腦436和用於支撐工件460的接合台432。溫度感測器426測量加熱器424的溫度，並將與該溫度相關的資訊作為溫度信號434提供回至電腦436。
熱壓接合系統400進一步包括用於將加壓冷卻流體提供到 增壓泵404的加壓冷卻流體源402。增壓泵404接收來自源402的加壓冷卻流體，並使所接收的加壓冷卻流體的壓力增加(例如，至少50%、至少100%等)。然後，(處於現在增加的壓力的)加壓冷卻流體由加壓流體儲存器406接收。來自儲存器406的加壓流體可以在兩個方向的任意(或者在希望的情況下可能在兩個方向兩者上)上流動：通過控制閥410(例如，開/關數位閥)到流體路徑412的第一方向；以及通過流量控制閥408(例如，模擬控制閥)到流體路徑412的第二方向。例如，取決於具體應用(和/或取決於接合製程的時機/階段)，可以期望具有加壓冷卻流體的連續最大流量，在這種情況下，控制閥410可以是打開的(並且流量控制閥408是閉合的)。在另一應用中，(和/或取決於接合製程的時機/階段)，可以希望具有處於特定壓力值的加壓冷卻流體的控制的(例如，模擬控制的)流量，在這種情況下，控制閥410可以是閉合的(並且在選定的位置處打開流量控制閥408以提供希望的壓力值)。流量控制閥408和控制閥410每個都由電腦436(如由各自的控制信號438a、438b所示)控制。無論加壓冷卻流體從哪個方向流動(即，通過閥410或通過閥408)，加壓冷卻流體在流體路徑412內行進直到其到達接合頭組件420的入口414。流體路徑415被包括在接合頭組件420內，並且包括入口流體路徑416(由上結構421限定)、冷卻路徑422a(由冷卻結構422限定)和出口流體路徑418(由上結構421限定)。
在第4圖中，值得注意的是，在流體的壓力已經由增壓泵404增加之後，流量控制閥408接收加壓冷卻流體。因此，取決於設計考慮，流量控制閥408能夠提供處於高達增壓泵406的最大輸出壓力(例如，或者與使用模擬控制的希望的給定的設計限制一樣低)的壓力水準的加壓冷 卻流體。具體參考第5圖，與第4圖相比，主要區別在於流量控制閥508在流體的壓力已經由增壓泵504增加之前接收來自源502的其輸入冷卻流體。因此，加壓冷卻流體被提供為處於較低的壓力(與第4圖相反，其中，來自源402的輸入冷卻流體被提供為處於較高水平、在增壓泵404的下游)。
第5圖為顯示實施例中的熱壓接合系統500，熱壓接合系統500包括熱壓接合機器540。機器540包括接合頭組件520，接合頭組件520包括上結構521、冷卻結構522和加熱器524。加熱器524與半導體元件528相接觸。如本領域技術人員將認識到的，加熱器524可以是被配置為將半導體元件528承載並接合至工件560的加熱接合工具。機器540進一步包括電腦536和用於支撐工件560的接合台532。溫度感測器526測量加熱器524的溫度，並將與該溫度相關的資訊作為溫度信號534提供回至電腦536。
熱壓接合系統500進一步包括用於將加壓冷卻流體提供到增壓泵504和/或流量控制閥508的加壓冷卻流體源502。增壓泵504接收來自源502的加壓冷卻流體，並使所接收的加壓冷卻流體的壓力增加(例如，至少50%、至少100%等)。之後，(處於現在增加的壓力的)加壓冷卻流體由加壓流體儲存器506接收。來自儲存器506的加壓流體通過控制閥510(例如，開/關數位閥)流動到流體路徑512。例如，取決於具體應用(和/或取決於接合製程的時機/階段)，可以希望具有加壓冷卻流體的連續最大流量，在這種情況下，控制閥510可以是打開的(並且流量控制閥508是閉合的)。在另一應用中，(和/或根據接合製程的時機/階段)，可以希望具有處於特定壓力值的加壓冷卻流體的控制的(例如，模擬控制的)流量，在這種情況下，控制閥510可以是閉合的(並且在選定的位置處打開流量 控制閥508以提供希望的流量值)。流量控制閥508和控制閥510每個都由電腦536(如由各自的控制信號538a、538b所示)控制。無論哪個閥(即，閥510或閥508)控制加壓冷卻流體的流動，加壓冷卻流體在流體路徑512內行進直到其到達接合頭組件520的入口514。流體路徑515被包括在接合頭組件520內，並且包括入口流體路徑516(由上結構521限定)、冷卻路徑522a(由冷卻結構522限定)和出口流體路徑518(由上結構521限定)。
第2-5圖為顯示實施例配置中的每個圖示包括不同的控制閥(例如，數位“開/關”閥)和流量控制閥(例如，用於根據其他設定檔的電腦程式來控制加壓冷卻流體的供應的模擬控制閥)的熱壓接合系統。如本領域技術人員將認識到的，本發明的某些方面可以僅利用在系統中包括的這兩個閥中的一個來實現。第6、7圖為顯示這樣的配置的兩個範例。
具體參考第6圖，與第4圖相比，主要區別在於對加壓冷卻流體的控制由流量控制閥608而不是對應的數位開/關控制閥控制(與第4圖相反，第4圖包括模擬流量控制閥408以及開/關控制閥410兩者)。例如，可以考慮一種配置，其中，提供足夠強大的流量控制閥以在熱壓接合製程的冷卻階段/製程的所有階段期間控制加壓冷卻流體的流動/供應。第6圖為顯示實施例中的熱壓接合系統600，熱壓接合系統600包括熱壓接合機器640。機器640包括接合頭組件620，接合頭組件621包括上結構622、冷卻結構624和加熱器324。加熱器624與半導體元件628相接觸。如本領域技術人員將認識到的，加熱器624可以是被配置為將半導體元件628承載並接合至工件660的加熱接合工具。機器640進一步包括電腦636和用於支撐工件660的接合台632。溫度感測器626測量加熱器624的溫度，並將 與該溫度相關的資訊作為溫度信號634提供回至電腦636。
熱壓接合系統600進一步包括用於將加壓冷卻流體提供到增壓泵604的加壓冷卻流體源602。增壓泵604接收來自源602的加壓冷卻流體，並使所接收的加壓冷卻流體的壓力增加(例如，至少50%、至少100%等)。將加壓冷卻流體從儲存器606直接引導到流量控制閥608。流量控制閥608(例如，根據其中流動/供應可以取決於接合製程的時機/階段而變化的電腦程式的模擬控制)控制對加壓冷卻流體的供應。穿過流量控制閥608的加壓冷卻流體在流體路徑612內行進直到其到達接合頭組件620的入口614。流體路徑615被包括在接合頭組件620內，並且包括入口流體路徑616(由上結構621限定)、冷卻路徑622a(由冷卻結構622限定)和出口流體路徑618(由上結構621限定)。
具體參考第7圖，與第6圖相比，主要區別在於對加壓冷卻流體的控制由控制閥710控制而不是對應的模擬流量控制閥控制(與第6圖相反，第6圖包括流量控制閥608)。例如，可以考慮一種應用，其中，不需要或不希望對加壓冷卻流體的供應的模擬控制，並且其中，對增加流體壓力的增壓泵的添加經由簡單數位開/關控制閥提供希望的冷卻。第7圖為顯示實施例中的熱壓接合系統700，熱壓接合系統700包括熱壓接合機器740。機器740包括接合頭組件720，接合頭組件720包括上結構721、冷卻結構722和加熱器724。加熱器724與半導體元件728相接觸。如本領域技術人員將認識到的，加熱器724可以是被配置為將半導體元件728承載並接合至工件760的加熱接合工具。機器740進一步包括電腦736和用於支撐工件760的接合台732。溫度感測器726測量加熱器724的溫度，並將 與該溫度相關的資訊作為溫度信號734提供回至電腦736。
熱壓接合系統700進一步包括用於將加壓冷卻流體提供到增壓泵704的加壓冷卻流體源702。增壓泵704接收來自源702的加壓冷卻流體，並使所接收的加壓冷卻流體的壓力增加(例如，至少50%、至少100%等)。然後，(處於現在增加的壓力的)加壓冷卻流體由加壓流體儲存器706接收。將加壓冷卻流體從儲存器706直接引導至控制閥710。控制閥710(例如，根據電腦程式的“開/關”數位控制)控制加壓冷卻流體的流動。流過控制閥710的加壓冷卻流體在流體路徑712內行進直到其到達接合頭組件720的入口714。流體路徑715被包括在接合頭組件720內，並且包括入口流體路徑716(由上結構721限定)、冷卻路徑722a(由冷卻結構722限定)和出口流體路徑718(由上結構721限定)。
如本領域技術人員將認識到的，根據本發明的實施例，第2-7圖的系統可以包括額外的元件或更少的元件。額外的元件的範例可以是阻止加壓冷卻流體的反向流動的止回閥。取決於具體應用可以從系統中的一個移除的(一個或多個)元件的範例可以是增壓泵、加壓流體儲存器等。
第2-7圖中的每個圖示包括在各自的接合頭組件內的示範性流體路徑215、315、415、515、615和715。這些流體路徑每個都以簡單的方式被圖示為包括入口流體路徑、由冷卻結構限定的冷卻路徑和出口流體路徑；然而，如本領域技術人員將認識到的，所述流體路徑可以比圖示的流體路徑複雜的多得多。即，在熱壓接合系統中，接合頭組件的部分的快速加熱和冷卻可以是關鍵的。可以利用包括許多流體通道的複雜的冷卻系統。
本發明的各個示範性實施例的某些益處以圖形方式被示出在第8圖、第9A、9B圖、第10圖和第11圖中。具體參考第8圖，提供了時間對溫度曲線，時間對溫度曲線示出對在針對兩種不同類型的熱壓接合系統的熱壓接合製程中形成的互連中包括的接合材料(例如，類似於在第1A圖中示出的接合材料116a、116b)的加熱和冷卻。在本圖示中，“單元1”系統包括增壓泵(類似於分別在第2-7圖中示出的增壓泵204、304、404、504、604和704)。“單元2”系統不包括這種增壓泵，而是依靠工廠壓縮空氣的壓力。在本實施例中，對於兩種系統，加熱製程是相同的，但是冷卻製程是不同的，因為單元1系統中的加壓冷卻流體被提供為處於較高壓力。如第8圖所示，單元1系統比單元2系統冷卻的更快，並且具體地：更快到達關鍵的熔化溫度/再固化溫度；並且快大約1秒到達製程完成溫度(大約70度)(例如，對於單元1，大約為2.2秒，而對於單元2，為3.2秒)。如本領域技術人員將認識到的，在到達該“製程完成溫度”之後，可以開始進一步的處理(例如，開始拾取下一要接合的半導體元件的製程)。將認識到，進一步處理(例如，拾取下一要接合的半導體元件的製程)實際上可以在到達“製程完成溫度”之前開始，例如，只要已經到達再固化溫度。因此，根據本發明的單元1系統的更快的處理時間導致改進的UPH速率。
在熱壓接合系統中冷卻加熱器/接合工具的另一重要因素涉及製程一致性。例如，在製程期間，非常希望運行相同製程的每個系統在大約相同的時間到達熔化、再固化溫度。然而，即使設計相同，每個熱壓接合系統在實踐中也執行的有點不同。第9A圖為針對相同設計的兩種熱壓 接合系統(即，“單元1”和“單元2”)的時間對溫度曲線。如第9A圖所示，並在第9B圖中詳細說明，在單元1到達再固化溫度所需的時間與單元2到達再固化溫度所需的時間之間存在相當大的時間差(即，TD)。儘管(為了便於說明問題)在第9A、9B圖中示出的範例大於正常變化，但是結果TD是熱壓接合中的現實世界可攜性問題。
第10圖示根據本發明的熱壓接合系統上的2個階段冷卻製程的時間對溫度曲線。如第10圖所示，在大約1.25秒時完成“加熱”製程之後，冷卻製程的“控制的冷卻”階段開始。在冷卻製程的該控制的冷卻階段期間，冷卻速率由電腦程式限定(並且可以被回饋控制，其中，溫度信號為回饋信號)，並且(包括加熱器/接合工具的)接合頭組件根據預定的冷卻曲線被冷卻，直到發生預定事件(例如，直到檢測到預定溫度)。在第10圖中示出的範例中，該預定事件是到達再固化溫度的冷卻製程。在到達再固化溫度之後，冷卻製程的“最大冷卻”階段開始，並且冷卻的最大(或預定最大)量被提供以便儘快到達製程完成溫度(例如，在第10圖中大約為70度)。使用這樣的兩個階段的冷卻製程，可以克服從一個熱壓接合系統到另一熱壓接合系統的某些可攜性問題。例如，第11圖為針對2個不同的熱壓接合系統(即，“單元1”和“單元2”)上的2個階段冷卻製程的時間對溫度曲線。如第11圖所示，使用2個階段的冷卻製程，每個系統都能夠在大約相同的時間到達再固化溫度。
第12-17圖為顯示操作熱壓接合系統示範性的方法。如本領域技術人員將認識到的，在本發明的範圍內，某些步驟可以被添加，某些步驟可以被刪除，和/或某些步驟的順序可以被重新配置。
具體參考第12圖，在步驟1200，在熱壓接合製程的加熱階段/製程期間，利用加熱器來加熱由熱壓接合機器的接合頭組件承載的半導體元件。在步驟1202，提供加壓冷卻流體源(例如，工廠壓縮空氣)。在步驟1204，使用增壓泵來增加來自加壓冷卻流體源的加壓冷卻流體的壓力。在步驟1206，在加壓流體儲存器處接收來自增壓泵的加壓冷卻流體。在步驟1208，在熱壓接合製程的冷卻階段/製程期間，使用控制閥(例如，開/關數位控制閥)來對加壓冷卻流體從加壓流體儲存器向熱壓接合機器的接合頭組件中包括的流體路徑的流動進行控制。例如，第7圖中所顯示的系統700的配置可以被用於執行第12圖的方法。
具體參考第13圖，在步驟1300，在熱壓接合製程的加熱階段/製程期間，利用加熱器來加熱由熱壓接合機器的接合頭組件承載的半導體元件。在步驟1302，提供加壓冷卻流體源(例如，工廠壓縮空氣)。在步驟1304，使用增壓泵來增加來自加壓冷卻流體源的加壓冷卻流體的壓力。在步驟1306，在加壓流體儲存器處接收來自增壓泵的加壓冷卻流體。在步驟1308，在熱壓接合製程的冷卻階段/製程期間，使用控制閥(例如，開/關數位控制閥)來對加壓冷卻流體從加壓流體儲存器向熱壓接合機器的接合頭組件中包括的流體路徑的流動進行控制。在步驟1310，在熱壓接合製程的冷卻階段/製程期間，使用被設置成與控制閥成一直線的流量控制閥來對被提供到流體路徑的加壓冷卻流體的供應進行調節。例如，分別在第2、3圖中所顯示的系統200和300的配置可以被用於執行第13圖的方法。
具體參考第14圖，在步驟1400，在熱壓接合製程的加熱階段/製程期間，利用加熱器來加熱由熱壓接合機器的接合頭組件承載的半導 體元件。在步驟1402，提供加壓冷卻流體源(例如，工廠壓縮空氣)。在步驟1404中，在熱壓接合製程的冷卻階段/製程期間，使用流量控制閥來對加壓冷卻流體從加壓冷卻流體源向熱壓接合機器的接合頭組件中包括的流體路徑的供應進行調節。例如，第6圖中的系統600的配置可以被用於執行第14圖的方法。
具體參考第15圖，在步驟1500，在熱壓接合製程的加熱階段/製程期間，利用加熱器來加熱由熱壓接合機器的接合頭組件承載的半導體元件。在步驟1502，提供加壓冷卻流體源(例如，工廠壓縮空氣)。在步驟1504，使用增壓泵來增加來自加壓冷卻流體源的加壓冷卻流體的壓力。在步驟1506，在加壓流體儲存器處接收來自增壓泵的加壓冷卻流體。在步驟1508，在熱壓接合製程的冷卻階段/製程期間，使用流量控制閥來對加壓冷卻流體從加壓流體儲存器向熱壓接合機器的接合頭組件中包括的流體路徑的供應進行調節。例如，第6圖中的系統600的配置可以被用於執行第15圖的方法。
具體參考第16圖，在步驟1600，在熱壓接合製程的加熱階段/製程期間，利用加熱器來加熱由熱壓接合機器的接合頭組件承載的半導體元件。在步驟1602，提供加壓冷卻流體源(例如，工廠壓縮空氣)。在步驟1604，使用增壓泵來增加來自加壓冷卻流體源的加壓冷卻流體的壓力。在步驟1606，在加壓流體儲存器處接收來自增壓泵的加壓冷卻流體。在步驟1608，在熱壓接合製程的冷卻階段/製程期間，使用流量控制閥來對被提供到流體路徑的加壓冷卻流體的供應進行調節。在步驟1610，在熱壓接合製程的冷卻階段/製程的第二階段期間，使用控制閥來對加壓冷卻流體從加 壓流體儲存器向熱壓接合機器的接合頭組件中包括的流體路徑的流動進行控制。例如，在熱壓接合製程的冷卻階段/製程期間的這種多階段冷卻方法可以得到類似於第10、11圖所示的結果。例如，第4、5圖所顯示的系統400和500的配置可以被用於執行第16圖的方法。
具體參考第17圖，在步驟1700，在熱壓接合製程的加熱階段/製程期間，利用加熱器來加熱由熱壓接合機器的接合頭組件承載的半導體元件。在步驟1702，提供加壓冷卻流體源(例如，工廠壓縮空氣)。在步驟1704，使用增壓泵來增加來自加壓冷卻流體源的加壓冷卻流體的壓力。在步驟1706，在加壓流體儲存器處接收來自增壓泵的加壓冷卻流體。在步驟1708，在熱壓接合製程的冷卻階段/製程期間，(利用控制閥和流量控制閥的其中一個)對加壓冷卻流體向熱壓接合機器的接合頭組件中包括的流體路徑的流動進行控制，其中，冷卻階段/製程包括第一階段和第二階段，並且其中，在第一階段期間對加壓冷卻流體的供應與第二階段不同。例如，第2-6圖中的系統200、300、400、500和600的配置可以被用於執行第17圖的方法。
儘管本文結合具體實施例說明並描述了本發明，但是本發明並不旨在限於所示的細節。相反地，在專利範圍的等同範圍和界限內並且在不脫離本發明的情況下，可以在細節上進行各種修改。

Claims (32)

  1. 一種用於接合半導體元件的熱壓接合系統，所述熱壓接合系統包括：一接合頭組件，該接合頭組件包括一加熱器，該加熱器係用於加熱要接合的一半導體元件，其中，該接合頭組件包括被設置來接收一冷卻流體的一流體路徑；一加壓冷卻流體源；一增壓泵，該增壓泵係用於接收來自該加壓冷卻流體源的一加壓冷卻流體，並且用於增加該加壓冷卻流體的一壓力；一加壓流體儲存器，其係用於接收來自該增壓泵的該加壓冷卻流體；以及一控制閥，其用於對該加壓冷卻流體從該加壓流體儲存器向該流體路徑的一供應進行調節。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統，其中，包括對被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體的一供應進行調節的一流量控制閥。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之熱壓接合系統，其中，該流量控制閥與該控制閥成一直線。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述之熱壓接合系統，其中，該流量控制閥位於該控制閥相對於被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體的流動下游。
  5. 根據申請專利範圍第3項所述之熱壓接合系統，其中，該流量控制閥位於該控制閥相對於被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體的流動上游。
  6. 根據申請專利範圍第2項所述之熱壓接合系統，其中，該流量控制閥位於與該控制閥的該流體路徑的一平行流體路徑中。
  7. 根據申請專利範圍第2項所述之熱壓接合系統，其中，該增壓泵將該加壓冷卻流體提供到該流量控制閥。
  8. 根據申請專利範圍第2項所述之熱壓接合系統，其中，該流量控制閥位於與該增壓泵、該加壓流體儲存器以及該控制閥的該流體路徑的一平行流體路徑中。
  9. 根據申請專利範圍第2項所述之熱壓接合系統，進一步包括用於控制該控制閥和該流量控制閥中的至少一電腦。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述之熱壓接合系統，進一步包括用於感測該加熱器的一溫度的一溫度感測器，該電腦接收由該溫度感測器感測到的該加熱器的該溫度相關的資訊。
  11. 根據申請專利範圍第2項所述之熱壓接合系統，其中，該流量控制閥是一模擬控制閥。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統，其中，該控制閥是一數位開/關控制閥。
  13. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統，其中，該增壓泵係用來將從該加壓冷卻流體源所接收的該加壓冷卻流體至少增加該壓力50%。
  14. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統，其中，該接合頭組件進一步包括用於將該半導體元件接合至一基板的一接合工具，該加熱器透過加熱該接合工具來加熱該半導體元件，且該加熱器係由被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體而被冷卻。
  15. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統，其中，該加熱器係作用於將該半導體元件接合至一基板的一接合工具，其中，該加熱器透過被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體而被冷卻。
  16. 一種操作熱壓接合系統的方法，所述方法包括以下步驟：提供一加壓冷卻流體源；使用一增壓泵來增加來自該加壓冷卻流體源的一加壓冷卻流體的一壓力；在一加壓流體儲存器處接收來自該增壓泵的該加壓冷卻流體；以及利用一控制閥來對該加壓冷卻流體從該加壓流體儲存器向該加壓接合系統的一接合頭組件中包括的一流體路徑的一流動進行控制。
  17. 根據申請專利範圍第16項所述之操作熱壓接合系統的方法，進一步包括使用一流量控制閥來對被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體的一供應進行調節。
  18. 根據申請專利範圍第17項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，該流量控制閥被設置成與該控制閥成一直線。
  19. 根據申請專利範圍第18項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，該流量控制閥被設置在該控制閥相對於被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體的該流動下游。
  20. 根據申請專利範圍第18項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，該流量控制閥被設置在該控制閥相對於被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體的該流動上游。
  21. 根據申請專利範圍第17項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，該流量控制閥被設置成與包括該控制閥的一流體路徑平行。
  22. 根據申請專利範圍第17項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，進一步包括使用該增壓泵來將該加壓冷卻流體提供到該流量控制閥的步驟。
  23. 根據申請專利範圍第17項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，該流量控制閥被設置成與包括該增壓泵、該加壓流體儲存器以及該控制閥的一流體路徑平行。
  24. 根據申請專利範圍第17項所述之操作熱壓接合系統的方法，進一步包括使用一電腦來控制該控制閥和該流量控制閥中的至少一個的步驟。
  25. 根據申請專利範圍第24項所述之操作熱壓接合系統的方法，進一步包括以下步驟：使用一溫度感測器來感測該接合頭組件的一加熱器的一溫度，以及使用該電腦來接收由該溫度感測器感測到的該加熱器的該溫度相關的資訊。
  26. 根據申請專利範圍第17項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，該流量控制閥是一模擬控制閥。
  27. 根據申請專利範圍第16項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，該控制閥是一數位開/關控制閥。
  28. 根據申請專利範圍第16項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，使用該增壓泵來將來自該加壓冷卻流體源的該加壓冷卻流體的一壓力增加至少50%。
  29. 根據申請專利範圍第16項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，該接合頭組件包括用於將一半導體元件接合至一基板的一接合工具，其中，該接合頭組件的一加熱器透過加熱該接合工具來加熱該半導體元件，其中，該加熱器透過被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體而被冷卻。
  30. 根據申請專利範圍第16項所述之操作熱壓接合系統的方法，其中，該接合頭組件包括一加熱器，該加熱器被配置為用於將一半導體元件接合至一基板的一接合工具，該加熱器透過被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體而被冷卻。
  31. 一種用於接合半導體元件的熱壓接合系統，所述熱壓接合系統包括：一接合頭組件，其包括用於加熱要接合的一半導體元件的一加熱器，該接合頭組件包括被配置為接收一冷卻流體的一流體路徑；一加壓冷卻流體源；一流量控制閥，其用於對一加壓冷卻流體從該加壓流體源向該流體路徑的一供應進行調節；以及一電腦，其用於控制該流量控制閥，該電腦被配置為將被提供到該流體路徑的該加壓冷卻流體的該供應控制成在一熱壓接合製程中的一冷卻製程的不同階段期間是不同的。
  32. 一種操作熱壓接合系統的方法，所述方法包括以下步驟：提供一加壓冷卻流體源；以及利用一流量控制閥來對一加壓冷卻流體從該加壓冷卻流體源向該熱壓接合系統的一接合頭組件中包括的一流體路徑的一供應進行調節，透過該流量控制閥來將被提供到該流體路徑的、該供應的該加壓冷卻流體控制成在一熱壓接合製程中的一冷卻製程的不同階段期間具有不同的壓力。
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