TWI648799B - 用於接合半導體元件的接合機的操作方法及接合機 - Google Patents

用於接合半導體元件的接合機的操作方法及接合機 Download PDF

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馬修Ｂ 沃瑟曼
蘭格 麥克Ｐ 史密特
湯瑪士Ｊ 克羅西摩
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Abstract

本發明提供了一種用於接合半導體元件的接合機的操作方法。該方法包括下面的步驟：(a)在模擬接合過程中測量接合頭組件的時基z軸高度測量特性；(b)根據所量測的時基z軸高度測量特性，確定在後續的接合過程中使用的z軸調整曲線；以及(c)利用z軸調整曲線，在後續的接合過程中透過z軸移動系統調整接合頭組件的z軸位置。

Description

用於接合半導體元件的接合機的操作方法及接合機
本發明涉及半導體封裝的形成，尤其涉及用於接合半導體元件的接合機的改良操作方法。
在半導體封裝產業的特定情況下，半導體元件係被接合到接合位置上。例如，在常規的黏晶(也稱為晶粒黏著接合)應用中，將半導體晶粒接合到基板(例如引線框、堆疊的晶粒應用中的另一個晶粒、間隔件等)的接合位置上。在先進的封裝應用中，將半導體元件(例如裸半導體晶粒、封裝的半導體晶粒等)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、接觸片、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互聯。
在很多應用(例如半導體元件的熱壓接合)中，在導電結構中包括接合材料。在很多這樣的過程中，會將正在被接合的半導體元件加熱(例如通過承載接合工具的接合組件中的加熱器)。也會通過支撐結構將熱施加給基板(配置為接收半導體元件)。通過反覆施加熱(例如通過接合 頭組件中的加熱器)並且通過時基的系統變化，接合頭組件的組件的膨脹和收縮會導致不令人滿意的結果。
從而，希望提供用於接合半導體元件的接合機的改進的操作方法。
為達成前述目的，本發明提供一種用於接合半導體元件的接合機的操作方法及接合機，該操作方法係包括下面的步驟：(a)在模擬接合過程中測量接合頭組件的時基z軸高度測量特性；(b)根據所量測的時基z軸高度測量特性，確定在後續的接合過程中使用的z軸調整曲線；以及(c)利用z軸調整曲線，在後續的接合過程中透過z軸移動系統調整接合頭組件的z軸位置。
根據本發明的一實施例，提供一種用於接合半導體元件的接合機的操作方法。該方法包括下面的步驟：(a)在接合頭組件的複數個位置處測量溫度值；(b)用步驟(a)中測量的溫度值確定z軸調整量；以及(c)基於步驟(b)中所確定的z軸調整量，透過z軸移動系統在接合過程中調整接合頭組件的z軸位置。
根據本發明另一個實施例，提供一種用於接合半導體元件的接合機。該接合機包括：接合頭組件，包括用於將半導體元件接合到基板上的接合工具；用於支撐基板的支撐結構；校準站，其與接合頭組件接合使用，用來測量模擬接合過程中接合頭組件的時基z軸高度測量特性；和電腦，基於測量的時基z軸高度測量特性，確定用於後續的接合過程中的z軸調整曲線。例如，這種接合機可以是熱壓接合機(例如倒裝晶片熱壓接 合機)等。在這種機器中，接合工具通過熔化及再固化半導體元件上的接合料凸塊，以形成接合料接頭來將半導體元件(例如半導體晶粒、內外掛程式等)放置並接合到基板上。
100a、100b‧‧‧接合頭組件
102‧‧‧馬達
104‧‧‧上接合頭
106‧‧‧下接合頭
106a‧‧‧下接合頭“1”
106b‧‧‧下接合頭“2”
108‧‧‧加熱器
110‧‧‧接合工具
112‧‧‧負載單元
250‧‧‧接合機
252‧‧‧接合台
254‧‧‧支撐結構
256‧‧‧基板
256a‧‧‧接合位置
258a、258b‧‧‧下導電結構
260‧‧‧半導體元件
262a、262b‧‧‧上導電結構
264a、264b‧‧‧柱部
266a、266b‧‧‧接合料接觸部
266a1、266b1‧‧‧接合料介面
266a2、266b2‧‧‧接合料介面
266a3、266b3‧‧‧接合料介面
268‧‧‧校準站
270‧‧‧電腦系統
272a、272b‧‧‧溫度感測器引線
274‧‧‧位移感測器
400a、400b‧‧‧曲線
500-510、700-712‧‧‧步驟
ZREF‧‧‧接合頭組件的參考點
GDESIRED、GSOLDER1、GSOLDER2、GSOLDER3、GSMALL‧‧‧間隙
ZDESIGN‧‧‧z軸位置
第1A、1B圖分別為顯示根據本發明各個實施方式的接合機的元件的側視圖；第2A圖為顯示根據本發明實施方式的隨著接合操作下降的接合工具的側視圖；第2B、2C、2D圖為顯示根據本發明各個實施方式的接合到基板上的各種半導體元件的側視圖；第3圖為顯示根據本發明實施方式的接合機的俯視圖；第4圖為顯示根據本發明實施方式的接合過程中接合頭組件一部分的z軸位置變化與接合過程中z軸調整量之間的相互關係的圖形表示；第5圖為顯示根據本發明實施方式的用於接合半導體元件的接合機的操作方法的流程圖；第6A、6B圖為顯示根據本發明各個實施方式的接合機組件的側視圖；第7圖為顯示根據本發明實施方式的用於接合半導體元件的接合機的另一個操作方法的流程圖。
以下配合圖式及元件符號對本創作的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
在本創作所提供的用於接合半導體元件的接合機的操作方法及接合機中，這裡所使用的術語“半導體元件”意指包括(或配置為在後面的步驟中包括)半導體晶片或晶粒等的任何結構。示例性的半導體元件包括裸半導體晶粒、基板(例如引線框、PCB、載體、半導體晶片、半導體晶圓、BGA基板、半導體元件等)上的半導體晶粒、封裝的半導體器件、倒裝晶片半導體器件、嵌入在基板中的晶粒、半導體晶粒的堆疊體等。而半導體元件還可以包括配置為接合或以其他方式包含在半導體封裝體中的元件(例如要接合到堆疊的晶粒結構中的間隔件、基板等)。
如這裡所使用的，術語“基板”意指半導體元件可以接合(例如熱壓接合、超聲接合、熱超聲波接合、晶粒接合等)至其的任何結構。示例性的基板包括引線框、PCB、載體、半導體晶片、半導體晶圓、BGA基板、半導體元件等。
本領域技術人員將理解的是，接合機具有不同的移動系統結構。在本案中描述了特定的接合機移動系統結構，其某些元件具有一定的移動軸線；然而，本發明不限於這樣的結構。更具體地，示例性的移動系統結構(諸如第3圖中)包括：(1)支撐結構，其可沿x軸方向移動；和(2)接合頭組件(承載接合頭)，其可沿y軸方向、z軸方向和繞θ軸移動。再一次強調，此結構為示例性之結構，本發明可以應用到不同的結構中。
根據本發明的某些示例性實施方式，提供局部回流接合半導體元件附接過程。在這個過程中，接合工具通過將正在放置中的半導體元 件上的接合料凸塊熔化和再固化，而使半導體元件(例如晶粒、內外掛程式等)放置並接合到基板(例如半導體晶片、半導體晶片、另一個基板等)上。在一個典型的製程中，接合工具在加熱和冷卻的循環接合過程中與半導體元件接觸，以及最後的接頭高度可以由接合料在接合過程中以及在接合料固化的時間點上的接合頭組件之最低位置確定。控制完成了的接合料接頭高度為主要的控制目的。因為接合料凸塊中包括的接合材料會在接合過程中軟化/熔化，所期望之該過程係不由接合力控制。被認為是理想的是接合頭的位置控制，通常通過使用位置回饋給伺服來控制移動沿z軸(例如在由z軸編碼器提供z軸位置的情況下)進行。接合頭組件迅速加熱和冷卻，使接合頭組件、z軸組件和接合台的熱膨脹(和收縮)使這種位置控制更加困難。結果是，明顯影響到接合工具z軸位置的位置精度的實際變化在常規的系統中很常見。
根據本發明，提供補償熱膨脹(和收縮)的各種示例性方法，目的是在伺服位置控制下，甚至當接合頭組件結構由於加熱和冷卻而膨脹和收縮時，也能將接合工具保持在精確的高度上。示例性的方法包括：(a)校準的開環過程，通過該過程獲知接合頭組件在熱循環過程中產生的膨脹，將這個獲知的熱膨脹(和收縮)作為補償，在接合循環的位置模式中施加給預定的z軸位置；(b)閉環溫度補償過程，通過該過程，連同存儲的資料(例如使溫度測量值與接合頭組件的z軸熱膨脹(和收縮)和/或z軸位置調整量相關的資料)提供和使用複數個離散的溫度感測器，以即時補償接合頭組件結構的熱膨脹(和收縮)；以及(c)接合(a)和(b)的要素的混合方法。
可以與本發明的某些示例性實施方式一起進行模擬接合過程，以開發要在實際/後續的接合過程中確定恰當的z軸位置調整量時使用的資料。在一個這樣的模擬接合過程中，可通過定位接合頭組件的下表面(例如，接合工具的下表面)靠著一個表面(例如，接合位置區的“虛設”器件、校準站的表面等)並施加力恒定來測量接合頭組件沿z軸的膨脹(和收縮)。接著，施加當前接合過程程式的實際溫度迴圈。用z軸編碼器測量接合頭組件的淨膨脹(例如，使用在本文中稱為ZREF的接合頭組件的參考點)。此測量的膨脹(和收縮)將接近將發生在具有相同過程參數(例如，相同的溫度循環)的實際/後續接合過程中的膨脹(和收縮)。
根據另一個示例性的模擬接合過程，接合頭組件沿z軸的膨脹(和收縮)可以通過保持接合頭組件參考點(例如z軸編碼器參考點)的z軸位置為大致恒定值“在空中”(例如，不是抵靠一個表面，諸如上面提及的虛設器件)測量。因為接合頭組件的下表面(例如接合工具的下表面)並不是靠著一個表面(例如，接合位置區的“虛設”器件、校準站的表面等)，而是在空中，所以接合頭組件的下表面為自由膨脹(和收縮)。當接合頭組件的下表面在空中的狀態下，施加當前接合過程程式的實際溫度循環(或另一個期望的溫度循環)。然後可以利用位移感測器(例如電容位移感測器、干涉位移感測器，基於三角測量的位移感測器、共焦位移感測器、光學位移感測器等)來檢測/測量所述下表面的z軸膨脹(或收縮)。在第3圖中示出了這樣的示例性位移感測器274。該測量的膨脹(和收縮)將接近將發生在具有相同的過程參數(例如，相同的溫度循環)的實際/後續接合過程中的膨脹(和收縮)。
當然，也考慮附加的模擬接合過程(除了本文所述的那些)以開發根據本發明的用來判定合適的z軸位置調整量所使用的資料。
第1A圖、第1B圖分別為顯示根據本發明各個實施方式的接合機的元件的側視圖。第1A圖示出接合頭組件100a和用於移動接合頭組件100a的馬達102。接合頭組件100a包括上接合頭104、下接合頭106、加熱器108和接合工具110。本領域技術人員將理解的是，加熱器108和接合工具110可以作為單個的元件(即被加熱的接合工具)。z軸位置ZREF位於上接合頭104上，並反映由接合頭z軸位置檢測器(例如z軸編碼器，未示出)所監視的z軸位置。當然，第1A圖僅示出一個示例性的接合頭配置，未來可考慮許多可替代的配置。第1B圖示出一個替代性配置。第1B圖所示出的接合頭組件100b和用於移動接合頭組件100b的馬達102。接合頭組件100b包括上接合頭104(標有位置ZREF)、下接合頭“1”-106a、負載單元112、下接合頭“2”-106b、加熱器108和接合工具110。負載單元112可以是力感測器，用於測量由接合頭組件100b施加的向下的力或向上的力(例如壓縮或拉伸)(例如由馬達102施加的向下的力)。
第2A圖為顯示根據本發明實施方式的隨著接合操作下降的接合工具的側視圖。如第2A圖所示，包括接合台252(例如傳送裝置、加熱的傳送裝置、加熱塊、砧座等)和由接合台252所支撐的支撐結構254(此處支撐結構254和接合台252可以集成為單個的元件)的接合機250(例如熱壓倒裝晶片接合機)的一部分。基板256由支撐結構254支撐，並包括複數個接合位置256a。在基板256上設置下導電結構258a、258b(例如導電跡線、導電墊等)。接合機250進一步包括承載半導體元件 260的接合工具110(例如由接合頭組件100a、100b承載，參見第1A-1B圖)。在半導體元件260上設置上導電結構262a、262b(例如導電柱，諸如銅柱，示出為包括柱部264a、264b和接合料接觸部266a、266b)。接合工具110下降成使得上導電結構262a、262b接觸下導電結構258a、258b(例如參見第2B圖)。如第2B圖所示，通過接合過程(例如熱壓接合過程)熔化接合料接觸部266a、266b，然後再固化為接合料介面266a1、266b1-提供上導電結構262a、262b與下導電結構258a、258b之間永久的導電接合。雖然第2A-2B圖僅示出兩對導電結構(對264a、258a和對264b、258b)，但這是為了便於說明的簡化例子。在實踐中可以提供任何數量的成對的導電結構(例如，數幾十個導電結構對、數百個導電結構對等)。
第2B、2D圖為顯示根據本發明各個實施方式的接合到基板上的各種半導體元件的側視圖。第2B圖中，顯示半導體元件260的下表面與基板256的上表面之間的間隙GDESIRED。將要理解的是，間隙GDESIRED在可接受的公差範圍內是很重要的；也就是，如果間隙太小或太大，接合料接觸部266a、266b中的接合材料將不會提供希望的導電性互聯的作用。如第2B圖所示，GDESIRED在可接受的公差範圍內(因此其是“期望的”)，從而產生接合料介面266a1、266b1中固化的接合材料的令人滿意的間隙。固化的接合材料的間隙示為GSOLDER1。
可能發生的一個問題是，在接合過程開始(當接合頭組件沿Z軸位於期望的接合位置時)之後，如果接合頭組件100a、100b膨脹，則接合工具110可能會下降，使得半導體元件260的下表面與基板256的上表面之間的間隙不在可接受的公差內的程度上。這種情況如第2C圖中所 示，其中由於接合頭組件100a、100b的元件的膨脹(在第2C圖中，因為間隙GSOLDER2太小，所以示出每一個接合料介面266a2、266b2處於不期望的變形狀態)，間隙標記為GSMALL。根據本發明，在接合過程中可以根據需要移動接合頭組件100a、100b以補償接合頭組件100a、100b的元件的膨脹/收縮。
如第2D圖中所示，接合頭組件100a、100b被升高，以在接合循環中接合頭組件100a、100b的膨脹和收縮之後，將間隙(即GDESIRED)保持在期望的公差內。在這個實施例中，示出了按照時間的快照，其中接合頭組件100a、100b正被升高(例如見箭頭)等於GSOLDER1減去GSOLDER2的量，因為這個差值應該大致等於接合頭組件100a、100b沿z軸向下膨脹的量。形成的接合料介面266a3、266b3限定了基本上等於第2B圖中示出的GSOLDER1的間隙GSOLDER3。雖然第2D圖示出了接合頭組件100a、100b在某個時刻被升高，但是應該理解的是，調整接合頭組件100a、100b位置的過程可以涉及接合過程整個過程中的很多個移動。
第3圖為顯示接合機250的俯視圖。如第2A-2D圖中所示，第3圖示出接合頭組件100a、100b和由支撐結構254所支撐的基板256。如第3圖所示，示例性接合頭組件100a、100b沿y軸移動路徑、z軸移動路徑(第2A-2D圖中示出的路徑)和繞著θ軸移動。示例性的支撐結構254示出為可沿z軸移動路徑移動(例如通過接合台252的移動，第3圖中未示出)。第3圖進一步示出位於支撐結構254左側和右側的另外的基板256，其代表輸入和輸出導引系統(未示出)。這些系統被配置為：從基板提供設備(例如輸入盒)獲取基板；將基板從基板提供設備移動到支撐結構；然 後在完成了半導體元件向基板上的接合之後，將剛接合完的基板移動到輸出提供設備(例如輸出盒)。第3圖進一步示出電腦系統270和校準站268。進一步示出了位移感測器274。如上所提供的，在本發明的某些示例性實施方式中，用位移感測器來測量接合頭的z軸膨脹，例如在空中運作時的狀況。本領域技術人員將理解的是，校準站268可以包括接合頭組件100a、100b的下表面(例如接合工具的下表面)靠著其的表面。然而，在本發明的實施方式中，z軸高度測量特性的接合頭組件是在“空中”測量的，校準站268(或另一個校準站)可以包括位移感測器(例如位移感測器274)。當然並且如本文所述，任何這種校準站可以位於或遠離支撐結構(例如接合頭組件可以到達的機器上的任何位置)。
根據本發明，為了補償接合過程中接合頭組件的加熱和冷卻所引起的膨脹/收縮，在接合過程中調整(例如用z軸馬達，諸如上述馬達102)接合頭組件的z軸位置。根據本發明的某些實施方式，為了確定在實際的接合過程(例如參見第5圖)中如何調整接合頭的z軸位置，要進行模擬接合過程。可以在實際的接合位置(例如，諸如接合工具110的接合頭組件100a、100b的元件接觸基板256、支撐結構254、接合台252、或位於接合位置的某些其他元件的位置處)上進行模擬接合過程。或者，理想的提供一個單獨的校準站(例如校準站268)。在第3圖中，校準站268在鄰近(以及實際上直接或間接耦合至)支撐結構254和/或接合台252的位置上(不可見，但是如第2A-2D圖所示位於支撐結構254下面)，使得當支撐結構254移動時校準站268也移動。當然，校準站268不需要位於這個位置上(並且不需要隨著支撐結構254移動)，並且可以根據需要位於接 合機250的任何位置上。
第4圖為顯示根據本發明實施方式的接合過程中接合頭組件一部分的z軸位置變化與接合過程中z軸調整量之間的相互關係的圖形表示。如第4圖所示，第4圖示出了2張圖。上面的圖(曲線400a)示出接合過程中距離設計的z軸位置(ZDESIGN)的z軸位置偏差。也就是，與接合過程相關聯地將接合頭組件100a、100b降低到將要進行接合的z軸位置(ZDESIGN)上。在第4圖的每張圖(即曲線400a、400b)中，將接合頭組件100a、100b下降到ZDESIGN示為虛線(在時間0的左側)，在此處接合工具110的下表面與基板256之間的接觸在標記會在“接觸(CONTACT)”的時間“0”時發生。然後，在接合過程中(在這個實施例中持續約2秒)，加熱引起接合頭組件100a、100b的元件的膨脹，使得ZREF(接合頭組件100a、100b被監測的部分)變化為如上面的圖(曲線400a)所示。不進行補償時，則從ZDESIGN的位置變化(由接合頭組件100a、100b的元件的膨脹引起)會使接合材料的變形(例如參見第2B圖中的接合料介面266a1、266b1)達到不可接受的程度(例如參見第2C圖中的接合料介面266a2、266b2)。如第4圖的下面的圖(曲線400b)所示提供補償。也就是如下面的圖所示，在接合過程中移動(例如使用馬達102)接合頭組件100a、100b。在下面的圖中，將接合頭組件100a、100b移動(升高)到適於補償上面的圖中示出的ZREF的變化的位置的程度。這種動態補償可以通過任何數量的位置調整(例如，每秒100次調整、每秒1000次調整等)來發生。曲線400b中示出的位置調整量可以被認為是本發明的各種方法中，使用的z軸調整量(或z軸調整曲線)(例如第5圖中的步驟502的z軸調整曲線、第7圖 中的步驟704的z軸調整量)。
第5圖和第7圖是根據本發明示例性實施方式的流程圖。如本領域技術人員可以理解的，流程圖中包括的某些步驟可以省略；可以添加某些附加步驟；步驟的順序可以從所描述的順序改變。
第5圖示出用於接合半導體元件的接合機的操作方法。在步驟500，在模擬接合過程中測量接合頭組件的時基z軸高度測量特性。例如，可以在接合位置區進行模擬接合過程(例如，接合工具110的下表面接觸基板(諸如基板256、或不同的“虛設”基板等)或直接接觸支撐結構254、或直接接觸接合台252等)。或者，可以使用單獨的校準站(諸如第3圖中示出的校準站268)，此處接合工具110會接觸校準站的接觸區域。在任何事件時，在模擬接合過程中，接合工具的下表面(例如正面)與固定表面(例如基板等)接觸，且模仿接合過程(例如包括用接合頭組件加熱器施加預定的溫度曲線等)。優選在這個模擬接合過程中以力恒定保持接合頭組件100a、100b。在模擬接合過程中的複數個時間點上獲取接合頭組件100a、100b的z軸高度值(例如用如第1A-1B圖中示出的ZREF)。例如，參照第4圖上面的圖並且在時間0時開始，隨著曲線400a獲取z軸高度值。這些z軸高度值是後續的接合過程中，接合頭組件100a、100b的膨脹和收縮的估計值。在步驟502，根據步驟500來調整用於後續的接合過程中的z軸曲線。參照第4圖中示出的實施例，下面的圖顯示出了可以被認為是基於從模擬接合過程(即第4圖的曲線400a)中獲取的z軸高度值確定的z軸調整曲線的曲線400b。在步驟504，根據預定的標準開始接合過程(即與步驟500的模擬接合過程相對的實際的或後續的接合過程)。例如，這個預定的標準 可以是用來確定在接合工具110的下表面與基板256之間已經建立了接觸的標準，這種接觸可以通過監測接合頭組件的速度特性、接合頭組件力特性、和接合頭組件位置中的至少一個來預測。在步驟506，在接合過程中，利用時基調整z軸的曲線，用z軸移動系統來調整接合頭組件的z軸位置。例如，再一次參照第4圖的下面的圖，如曲線400b中所示，接合循環大約是2秒。在這個2秒的接合循環中，將多次(例如幾百次)移動接合頭組件100a、100b以大致跟隨曲線400b。通過接合頭組件100a、100b跟隨曲線400b的這個移動，間隙GDESIRED(例如參見第2D圖)基本保持在相同的水準(或至少在可接受的公差程度內)上。在可選的步驟508，在接合過程中，判定施加的結合力是否超過了預定的結合力曲線。也就是，作為對接合工具110下表面的附加保護程度而不期望地使接合材料(例如第2A圖中示出的接合材料266a、266b)變形，例如用負載單元112(例如第1B圖和第6B圖中示出)(例如，在接合過程中連續地)檢查接合頭組件施加的結合力。將該測量的結合力與預定的結合力曲線(可以是單個的力的大小，或者可以是時基的力曲線)比較。如果測量的結合力不超過預定的結合力曲線，則該過程繼續進行直到在步驟510中完成接合。如果測量的結合力超過預定的結合力曲線，則進一步調整(例如升高)接合頭組件100a、100b的z軸位置。通過測量出的實際力與記憶體中的資料相關聯，由電腦系統270(例如參見第3圖)來進一步調整量的大小(或幅度)。
根據本發明某些示例性實施方式，可以用溫度感測器從接合頭組件的不同位置獲取實際溫度值。可以用這種獲取的溫度值來調整接合頭組件的z軸位置，以補償接合過程中它的膨脹/收縮。更具體地，接合機 可讀取資料(例如存儲在接合機的記憶體中或以其他方式由接合機讀取)。這種資料包括溫度值與z軸調整量之間的關係。也就是，在給定的時間，用溫度感測器獲取溫度值，電腦系統(例如第3圖中示出的電腦系統270)可以通過讀取存儲的資料，用這些溫度值確定恰當的z軸調整量。第6A-6B圖示出如前面結合第1A-1B圖示出和描述的接合頭組件100a、100b。溫度感測器(例如熱電偶或其它感測器)與每一個接合頭組件100a、100b的不同位置耦合(直接或間接)。溫度感測器引線272a從接合頭組件100a不同位置的溫度感測器取得溫度資料，溫度感測器引線272b從接合頭組件100b不同位置的溫度感測器取得溫度資料。當然，在各個接合頭組件100a、100b的不同或附加的位置上可以使用不同的或附加的溫度感測器(例如，諸如非接觸溫度感測器，諸如紅外感測器等)。
第7圖示出了用於接合半導體元件的接合機的操作方法。在步驟700，根據預定的標準開始接合過程。例如，這個預定的標準可以是用來確定在接合工具110的下表面與基板256之間已經建立了接觸的標準，這種接觸可以通過監測接合頭組件速度特性、接合頭組件力特性、和接合頭組件位置中的至少一個來預測。在步驟702，在接合頭組件的複數個位置處測量溫度值。例如，第6A-6B圖示出了用來從接合頭組件100a、100b的複數個位置獲取溫度值的溫度感測器引線272a、272b。在步驟704中，用步驟702中測量的溫度值確定z軸調整量。參照第4圖中所示出的實施例，下面的圖示出了曲線400b，其可被認為是基於溫度測量值連同電腦270可獲取的資料(例如使接合頭組件100a、100b各個位置處的不同溫度測量值與z軸位置調整量相關的資料，這種資料可以用如上所述的模擬接合過 程產生)確定z軸調整曲線的曲線。在步驟706，在接合過程中，基於步驟704中確定的z軸調整量，用z軸移動系統來調整接合頭組件的z軸位置。在步驟708中，在接合過程中按照複數個時間間隔重複步驟702-706，從而用z軸移動系統，如在重複的步驟704中所確定的那樣，重複地調整接合頭組件的z軸位置。例如，再一次參照第4圖的下面的圖，如曲線400b中所示，接合循環大約是2秒。在這個2秒的接合循環中，將多次(例如幾百次)移動接合頭組件100a、100b以大致跟隨曲線400b。這個運動可以被認為是重複步驟706(在步驟708中重複)的調整。通過接合頭組件100a、100b跟隨曲線400b的這個移動，間隙GDESIRED(例如參見第2D圖)基本保持在相同的程度(或至少在可接受的公差程度)上。
步驟710，在接合過程中(例如按照給定的時間間隔，根據需要，在與步驟700-708一致的接合過程中的任何時間)，判定施加的結合力是否超過了預定的結合力曲線。也就是，作為一個對接合工具110下表面附加的保護，使其不會因為接合材料產生(例如第2A圖中示出的接合材料266a、266b)變形，例如用負載單元112(例如在第1B圖和第6B圖中示出)(在接合過程中連續地)檢查接合頭組件施加的結合力。將該測量的結合力與預定的結合力曲線(可以是單個的力的水準，或者可以是時基的力曲線)比較。如果測量的結合力不超過預定的結合力曲線，則該過程繼續進行直到在步驟712完成接合。如果測量的結合力超過預定的結合力曲線，則進一步調整(例如升高)接合頭組件100a、100b的z軸位置。通過將測量的實際的力與記憶體中包括的資料相聯，以由電腦系統270(例如參見第3圖)進一步調整量的大小(或幅度)。
本領域技術人員將理解的是，第7圖可以代表混合方法(例如利用第5圖和第7圖的教導)。也就是，在步驟700中，開始接合過程後，可以通過進行如本文中描述的模擬接合過程(例如結合第5圖如上所述的)利用最初的z軸調整曲線。在步驟702中測量溫度值之後，在步驟704中確定進一步的調整z軸量(即，與用來開始接合過程的預期的最初z軸調整曲線相比較的進一步的調整量)。然後，隨著重複步驟702-706(即在步驟708)，可以從最初的z軸調整曲線進行進一步的調整和/或偏離。
本文中描述的各種過程(例如結合第5圖和第7圖描述的過程)可以按照任何需要的間隔進行。當然，本文中列舉的方法中，所有的接合方式是在循環中進行(例如，諸如第5圖的步驟506和第7圖的步驟706中陳述的z軸位置調整)。然而，本發明的某些方法可以依照理想地方式再次進行(例如為了確保精確度等)。例如，上面參照第5圖描述的模擬接合過程以及相應的z軸調整曲線的形成(即第5圖的步驟500和502)可以按照任何需要的間隔重複。
根據本發明的某些示例性實施方式，z軸調整曲線的再校準可以是期望的。也就是，某些被檢測的過程特性會導致(例如自動地，如同構造在機器軟體和結構中)z軸調整曲線的再校準。例如，如果施加的結合力超過了預定力臨界值，或偏離預定的曲線超過預定的公差(例如，如第5圖的步驟508中確定的，如第7圖的步驟710中確定的，或通過任何結合力測量值確定的，等)，就會導致z軸調整曲線的再校準。另一個會導致z軸調整曲線的再校準的示例性過程特性是溫度測量值(例如給定的接合頭位置處測量的溫度超過預定的臨界值，一個或更多個接合頭位置的溫 度曲線偏離預定的溫度曲線超過預定的公差等)。當然，其他過程特性也會導致再校準。當確定了需要進行再校準時(例如用任何期望的過程特性)，則可進行再校準，例如用與本發明相關的本文中公開的任何技術(例如，如第5圖中所闡述的、如第7圖中所闡述的等)或用另一種期望的技術。
雖然參照特定實施方式圖示和描述了本發明，但本發明不只限於示出的細節。相反，在申請專利範圍等效物的範圍內並且不偏離本發明，在細節上可以進行各種修改。
由以上實施例可知，本創作所提供之用於接合半導體元件的接合機的操作方法及接合機確具產業上之利用價值，惟以上之敘述僅為本創作之較佳實施例說明，凡精於此項技藝者可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變仍屬於本創作之精神及以下所界定之專利範圍中。

Claims (25)

  1. 一種用於接合半導體元件的接合機的操作方法，該方法包括下面的步驟：(a)在一模擬接合過程中測量一接合頭組件的一時基z軸高度測量特性；(b)根據所測量的該時基z軸高度測量特性，確定在一後續的接合過程中使用的一z軸調整曲線；以及(c)利用該z軸調整曲線，在該後續的接合過程中透過一z軸移動系統調整該接合頭組件的一z軸位置。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機的操作方法，其中，在步驟(a)的該模擬接合過程中，該接合頭組件係以一力恒定模式運作。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機的操作方法，其中，步驟(a)中測量的該時基z軸高度測量特性包括複數個z軸高度值。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的接合機的操作方法，其中，步驟(a)中對於該等z軸高度值的測量，係藉由用一z軸編碼器測量該接合頭組件的該z軸位置來完成。
  5. 根據申請專利範圍第3項所述的接合機的操作方法，其中，步驟(a)中對於該等z軸高度值的測量，係藉由用一位移感測器測量該接合頭組件的z軸位置來完成。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機的操作方法，其中，進一步包括透過檢測一預定標準來開始該後續的接合過程的步驟。
  7. 根據申請專利範圍第5項所述的接合機的操作方法，其中，該預定標準包括一接合頭組件速度特性、一接合頭組件力特性、和一接合頭組件位置中的至少一者。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機的操作方法，其中，進一步包括檢測在該後續的接合過程中由該接合頭組件所施加的結合力來確定是否已經達到一預定力臨界值的步驟。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述的接合機的操作方法，其中，用該z軸移動系統進一步調整該接合頭組件的該z軸位置，以補償所需滿足的該預定力臨界值。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機的操作方法，其中，該z軸調整曲線包括用該z軸移動系統進行的該接合頭組件的複數個z軸調整量，每一個該z軸調整量與該後續的接合過程中相應的一時間值相關聯。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機的操作方法，其中，在該後續的接合過程中將半導體元件接合到一基板上，並且將半導體元件與該基板電性互聯，該電性互聯係包括接合材料。
  12. 一種用於接合接合半導體元件的接合機的操作方法，該方法包括下面的步驟：(a)在一接合頭組件的複數位置處測量溫度值；(b)用步驟(a)中所測量的該等溫度值確定一z軸調整量；以及(c)基於步驟(b)中所確定的該z軸調整量，透過一z軸移動系統在一接合過程中調整該接合頭組件的一z軸位置。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述的接合機的操作方法，其中，在一接合循環中將步驟(a)-(c)重複執行複數次，藉此在該接合循環中基於測量的該等溫度值重複調整該z軸位置。
  14. 根據申請專利範圍第12項所述的接合機的操作方法，其中，步驟(b)包括將步驟(a)中測量的該等溫度值與該接合機可存取的資料相關聯，以確定該z軸調整量。
  15. 根據申請專利範圍第12項所述的接合機的操作方法，其中，進一步包括透過檢測一預定標準開始接合過程的步驟。
  16. 根據申請專利範圍第15項所述的接合機的操作方法，其中，該預定標準包括一接合頭組件速度特性、一接合頭組件力特性、和一接合頭組件位置中的至少一者。
  17. 根據申請專利範圍第12項所述的接合機的操作方法，進一步包括檢測在該接合過程中該接合頭組件所施加的結合力來確定是否已經達到一預定力臨界值的步驟。
  18. 根據申請專利範圍第17項所述的接合機的操作方法，其中，用該z軸移動系統進一步調整該接合頭組件的z軸位置以補償所需滿足該預定力臨界值。
  19. 根據申請專利範圍第12項所述的接合機的操作方法，其中，在該接合過程中將半導體元件接合到一基板上，並且將半導體元件與該基板之間電性互聯，該電性互聯包括接合材料。
  20. 一種用於接合半導體元件的接合機，該接合機包括：一接合頭組件，其包括用來將半導體元件接合到一基板上的一接合工具；一支撐結構，用來支撐該基板； 一校準站，與該接合頭組件結合使用，用來測量一模擬接合過程中該接合頭組件的一時基z軸高度測量特性；以及一電腦，基於測量的該時基z軸高度測量特性，確定用於一後續的接合過程中的一z軸調整曲線。
  21. 根據申請專利範圍第20項所述的接合機，其中，該校準站與該支撐結構耦接，且該校準站係沿著至少一個移動軸線與該支撐結構一起移動。
  22. 根據申請專利範圍第20項所述的接合機，其中，該校準站包括一接觸表面，該接觸表面在該模擬接合過程中係與該接合工具接觸。
  23. 根據申請專利範圍第20項所述的接合機，其中，進一步包括附接到該接合頭組件的複數個位置上的複數個溫度感測器。
  24. 根據申請專利範圍第20項所述的接合機，其中，該接合頭組件包括一力感測器，其係用來測量該接合頭組件向下施加的的力。
  25. 根據申請專利範圍第20項所述的接合機，進一步包括一位移感測器，其係用於與該校準站相接合來測量該時基z軸高度測量特性。
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