TWI743241B - 助焊系統、包括助焊系統的接合機及其操作方法 - Google Patents

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丹尼爾 P. 比爾吉
湯瑪士 J. 克羅西摩二世
愛德華 T. 勞倫特
麥克 P. 史密特-蘭格
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美商庫利克和索夫工業公司
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Abstract

本發明提供一種用於接合機的助焊系統。助焊系統包括限定用於保持助焊材料的凹腔的助焊材料保持器、以及用於提供冷卻流體以冷卻助焊材料保持器的流體源。

Description

助焊系統、包括助焊系統的接合機及其操作方法
本發明涉及用於接合半導體元件的接合機，更具體地說明，係涉及改進用於這種接合機的助焊系統。
助焊經常被利用於與半導體元件有關的接合(例如，熱壓接合、倒裝晶片接合、超音波接合等)，。更具體來說，在一示例應用中，半導體元件被配置成接合至一基板。半導體元件在其下表面上包括導電結構(所述導電結構可以包括焊料)。在將半導體元件接合至基板之前，導電結構可以在接合機的助焊站與助焊材料接觸。
在此類接合機的操作過程中，助焊站附近的溫度將會發生改變。舉例而言，因為機器操作經常涉及到半導體元件的加熱，所以機器操作的延長週期將會導致上述溫度變化。處理溫度的這種變化造成了助焊材料特性中的相應改變。助焊材料的改變經常導致非連續的接合處理。
因此，助焊系統以及相關助焊過程的有待改進。
根據本發明的示例性實施例，提供了用於接合機的助焊系統。助焊系統包括限定用於保持助焊材料的凹腔的助焊材料保持器、以及用於提供冷卻流體以冷卻所述助焊材料保持器的一流體源(例如，氣體源、液體源等)。
根據本發明的另一示例性實施例，提供了接合機。接合機包括：(a)接合頭元件，其包括用於將半導體元件接合至基板的接合工具；以及(b)助焊系統。助焊系統包括:(i)限定用於保持助焊材料的凹腔的助焊材料保持器；以及(ii)用於提供冷卻流體以冷卻助焊材料保持器的一流體源。
根據本發明的再一示例性實施例，提供了用於接合機的助焊系統的操作方法。該方法包括以下步驟：(a)在接合機上提供限定助焊材料凹腔的助焊材料保持器，助焊材料凹腔包含助焊材料；以及(b)將來自一流體源的冷卻流體引至助焊材料保持器，以冷卻助焊材料保持器。
本文中，「半導體元件」一詞意指包括(或被配置成在隨後的步驟中包括)半導體晶片或晶粒的任何結構。示例性半導體元件包括裸半導體晶粒、基板上的半導體晶粒(例如，導線框架、PCB、載體、半導體晶片、半導體晶圓、BGA基板、半導體元件等)、封裝的半導體裝置、倒裝晶片半導體裝置、在基板內嵌裝的晶粒、半導體晶粒的堆疊等等。此外，半導體元件可以包括被配置成接合或者以其它方式被包含在半導體封裝內的元件(例如，在堆疊的晶粒結構內接合的隔塊、基板等)。
本文中，「基板」以及「工件」一詞意指半導體元件可以接合至(例如，熱壓接合的、超音波接合的、熱超音波接合的、晶粒接合的等)的任何結構。例如，示意性基板包括導線框架、PCB、載體、半導體晶片、半導體晶圓、BGA基板、半導體元件等。
本發明的示例性實施例涉及在助焊材料保持器的助焊凹腔內將熱量從助焊材料去除，以及維持助焊材料的穩定溫度和粘度。這種熱量去除可以通過以下方式來實現，流體源(例如，加壓的空氣源、冷的水源等)將冷卻流體(例如，加壓的空氣、冷的水等等)朝向助焊材料保持器的一部分引導或者將冷卻流體引至與助焊材料保持器熱學接觸的另一元件等。
本發明的一些方面涉及接合機(例如，熱壓接合機(Thermocompression bonder ,TCB)、倒裝晶片接合機等)的助焊器系統(也稱為助焊系統)。有關此接合處理程序，接合工具將半導體元件(例如，半導體晶粒、插入器等)放置並接合至基板(例如，另一晶片、晶圓或者其它基板)，這是藉由熔化並重新固化所放置的半導體元件上的焊料凸點來實現的。作為這種熔化/重新硬化過程的一部分，焊料凸點可以被塗覆有一層助焊材料，從而改善半導體元件與基板之間的接合品質。助焊器工具(也稱為助焊工具，例如助焊杯)大體上被用於將助焊材料施加至助焊材料保持器(例如，壓盤(platen)/接合機床面)上的淺的凹腔。助焊材料保持器上的淺的凹腔可以具有任何深度(例如，在5至100 μm的範圍內)。接合機的接合頭接著會將半導體元件(例如，帶有包括焊料凸點的導電結構的晶粒)沉降到助焊材料保持器上的淺的凹腔中，從而在晶粒接合至基板之前將焊料凸點塗覆有助焊材料。
在有關此類過程中所使用的助焊材料可以具有不同的粘度，大體上範圍從與水的稠度類似的低粘度助焊材料直至與糖漿的稠度類似的高粘度助焊材料。在接合頭將半導體元件沉降到助焊材料中之前，用作為助焊材料記憶體的助焊工具(例如，助焊杯)可以被用於越過助焊材料保持器(例如，壓盤)的凹腔，以在凹腔中沉積一均勻層的助焊材料。為了針對接合過程將正確量的助焊材料施加至晶粒，凹腔內該層助焊材料的均勻性是關鍵的。因為多個半導體元件隨著時間被沉降到助焊材料中，所以助焊材料以及助焊材料保持器可以從一加熱的晶粒/接合頭導致溫度增加。隨著助焊材料被加熱，助焊材料的粘度可能發生改變，導致不可重複的助焊過程。
根據本發明特定的示例性實施例，提供了在接合應用的過程中緩和助焊材料(以及助焊材料保持器)溫度變化的系統/設備以及方法。示例性系統包括助焊系統(包括助焊材料保持器/壓盤以及助焊工具/杯)，其具有用於助焊材料保持器的整合後的熱學控制。
該設備的主要示例將是一種助焊系統，所述助焊系統利用氣體(例如，冷卻空氣)流經助焊材料保持器(例如壓盤)的底表面，從而使得助焊材料保持器以及助焊材料保持器的凹腔內的助焊材料的操作溫度穩定。空氣冷卻可以是自由的或者強制的，並且可以被主動地或被動地控制。附加的示例可以使得空氣經過助焊材料保持器上的任何表面，以使得助焊材料保持器的溫度穩定。
為了助焊材料保持器(以及助焊材料保持器的容器內的助焊材料)的空氣冷卻，助焊材料保持器(例如壓盤)的多種示例性構造是可行的。一個示例是助焊材料保持器的底部上的單平坦表面。第二個示例是一種助焊材料保持器，該助焊材料保持器在其底部上造型有散熱鰭片，以提供增加到最大的表面面積。第三示例是具有彎曲輪廓(例如半球形輪廓)的助焊材料保持器，以在助焊材料保持器的特定區域上引導空氣。當然，助焊材料保持器(例如壓盤)的底表面的輪廓並不限於上述示例。
本發明的其它示例性方面涉及助焊材料保持器以及助焊材料的液體冷卻/加熱，以穩定它們的溫度。例如，冷卻液體可以經過助焊材料保持器(例如壓盤)的表面(例如以閉環的形式)，從而向助焊材料保持器以及助焊材料保持器的凹腔內的助焊材料增加熱量/將熱量從助焊材料保持器以及助焊材料保持器的凹腔內的助焊材料去除。冷卻液體接著可以在返回至助焊材料保持器之前進入到記憶體或換熱器內以完成迴圈。冷卻液體還可以經由助焊材料保持器所限定的內部通道而經過助焊材料保持器。
以熱學控制助焊材料保持器(以及助焊材料)的溫度的方法可以包括在此所述的任何系統等，並且可以利用固定的氣流速度，其中所述固定的氣流速度在接合機操作的過程中是恒定的(或大致恒定的)。替代性方法是利用感測器(例如，熱電偶、電阻溫度感測器(Resistance Temperature Detector, RTD)、另一個溫度測量裝置等)來實現封閉的反饋回路，以維持恒定的(或大致恒定的)溫度。因此，助焊材料保持器以及助焊材料的溫度可以被主動地監控並且針對任何接合過程被調整。另一個替代性方法是根據模型控制過程來操作流程控制系統，其中，這種模型控制過程可以利用實驗(測試)資料得到。
圖1示出了接合機100(例如，熱壓接合機、倒裝晶片接合機等)，其包括帶有接合工具104的接合頭102。接合工具104將半導體元件106(例如，半導體晶粒)承載至接合機100的助焊系統110。接合工具104將半導體元件106的導電結構106a(例如包含焊料)沉降到助焊系統110的助焊材料保持器112(例如壓盤112)的凹腔112a中。然後，接合工具104被用於將半導體元件106接合至接合機100的接合站處的基板(未示出)。
助焊系統110還包括流體源118，用於提供冷卻流體118a以冷卻助焊材料保持器112。在如圖1所示的示例中，流體源118是加壓的空氣源(包括管道等)，以將加壓的空氣118a提供至助焊材料保持器112的下表面。這種加壓的空氣(或者其它流體)可以被強制經過助焊材料保持器112的下表面，以便熱量控制助焊材料保持器112和助焊材料114。圖1還示出了保持助焊材料114的助焊工具120(例如，助焊杯或儲液器)，並且所述助焊工具120被配置成越過助焊材料保持器112的與凹腔112a相鄰的上表面。圖1的助焊系統110還包括支撐結構116(例如，助焊站結構)，以便支撐助焊材料保持器112。如圖1所示，空氣間隙108在支撐結構116的上表面與助焊材料保持器112的下表面之間被限定(或者至少部分地被限定)。
正如本領域技術人員所能理解的，圖1的接合機100(包括接合頭102)可以與各種不同構造的各種不同流體源結合使用。圖2A至2D是此類構造的示例。
圖2A示出了與圖1相同的一強制空氣構造(包括與助焊系統110相同的元件)，其中加壓的空氣118a被強制經過助焊材料保持器112(例如壓盤)的下表面，以便熱學控制助焊材料保持器112及/或凹腔112a內的助焊材料114。
圖2B示出了助焊系統110a，除了不同的助焊材料保持器122(其限定保持助焊材料114的凹腔122a)在助焊系統110a內(與圖1和圖2A中的助焊材料保持器122不同地)設置以外，所述助焊系統110a包括與圖1的助焊系統110相同的元件。在圖2B中，一個或多個通道122b由助焊材料保持器122的下表面限定，從而加壓的空氣118a被強制經過助焊材料保持器122的下表面上的通道122b(或鰭片等)，以便以熱學控制助焊材料保持器122和助焊材料114。
圖2C示出了助焊系統110b，除了不同的助焊材料保持器132(其限定保持助焊材料114的凹腔132a)在助焊系統110b內(與圖1和圖2A中的助焊材料保持器122不同地)設置以外，助焊系統110b包括與圖1的助焊系統110相同的元件。在圖2C中，助焊材料保持器132的與凹腔132a相鄰的下表面限定凹部132b，所述凹部132b沿著助焊材料保持器132的下表面的長度的至少一部分遵循著彎曲路徑(例如，具有半球形的輪廓)。加壓的空氣118a(或其它冷卻流體)被引向彎曲的凹部132b，以便熱學控制助焊材料保持器132以及助焊材料114。
圖2D示出了助焊系統110c，除了不同的助焊材料保持器142(其限定保持助焊材料114的凹腔142a)在助焊系統110c中(與圖1和圖2A中的助焊材料保持器112不同地)被提供，並且不同的支撐結構116a被提供(與圖1和2A至2C所示的支撐結構116相對地)以便支撐助焊材料保持器142以外，助焊系統110c包括與圖1的助焊系統110相同的元件。在圖2D中，助焊材料保持器142限定了一個或多個內部通道142b，所述內部通道142b被配置成自冷卻流體源接收冷卻流體124(例如，冷水、冷卻空氣等)。通過將冷卻流體124引導到通道142b中，可以提供助焊材料保持器142和助焊材料114的熱學控制。
根據本發明的示例性方法，助焊系統(以及相關的接合機)被操作。圖3A至3B示出了此類系統的示例。
圖3A示出了接合機100a，所述接合機100a包括參照如圖1及2A中所述的接合機100的多個相同的元件；但是，圖3A中的接合機100a還包括溫度感測器140(例如，熱電偶)、計算機/控制器142、以及流體控制系統144。換言之，為了提供圖3A中的助焊材料保持器112及/或助焊材料114的熱學控制，利用流體控制系統144來控制冷卻流體118a的流。溫度感測器140感測助焊材料保持器112的與溫度相關的特徵，並且將與所感測的關於溫度特徵的相關資料提供給計算機/控制器142(例如，如圖3A至3B所示的接合機的計算機/控制器)。與所感測的關於溫度特徵的相關資料之後與流體控制系統144的操作結合使用。例如，流體控制系統144可以利用所述資料根據閉環過程被控制，以便控制冷卻流體118a自流體源的流(及/或溫度、或其它過程變數)，從而將期望的溫度特徵維持在助焊材料保持器112的測量點(例如，特定的目標溫度、目標溫度範圍、期望的溫度曲線等)。
圖3B示出了接合機100b，其包括參照如圖1及2A中所述的接合機100的多個相同的元件；但是，接合機100b包括助焊材料保持器152(限定保持助焊材料114的凹腔152a)以及支撐結構116a(類似於結合圖2D所示及所述的支撐結構116a)。在圖3B中，助焊材料保持器152限定一個或多個內部通道152b，所述內部通道被配置成自冷卻流體源118’(包括管道等)接收冷卻流體118a’(例如，冷水、冷卻空氣等)。圖3B還包括溫度感測器146(例如，熱電偶)、計算機/控制器148、以及流體控制系統150。為了提供助焊材料保持器152和/或助焊材料114的熱學控制，利用流體控制系統150來控制冷卻流體118a’的流。溫度感測器146感測助焊材料保持器152的關於溫度的特徵，並且將與所感測的關於溫度特徵的有關資料提供給計算機/控制器148(例如圖3A至3B所示的接合機的計算機/控制器)。與所感測的關於溫度特徵的有關資料之後與流體控制系統150的操作結合使用。例如，流體控制系統150根據閉環控制過程利用所述資料被控制，從而控制冷卻流體118a’自流體源118’的流(及/或溫度、或者其它過程變數)，以便將期望的溫度特徵維持在助焊材料保持器152的測量點(例如，特定的目的溫度、目標溫度範圍、期望的溫度曲線等)。
儘管圖3A至3B結合本發明的特定的示例性實施例示出了用於控制冷卻流體的流的元件(例如，溫度感測器、計算機/控制器、流體控制系統等)，但是這些元件可應用于本發明的其它實施例。例如，圖2B至2D的實施例還可以包括用於控制冷卻流體的流的前述元件(例如，溫度感測器、計算機/控制器、流體控制系統等)。
儘管圖3A至3B示出了用於提供與所感測的關於溫度特徵的有關資料的單個溫度感測器(即，元件140、146)，但是應當理解的是，多個溫度感測器可以被設置，以將所述資料提供給計算機/控制器(即，元件142、148)。同樣，儘管溫度感測器(即，元件140、146)被示出相對於圖3A至3B中對應的助焊材料保持器(即，元件112、152)處於特定的位置，但是應當理解的是，在特定的應用中這種定位可以按照需要被改變。
在另一示例中，根據本發明的流體控制系統可以根據利用實驗資料得到的模型控制過程而被操作(與由一個或多個溫度感測器所提供的資料不同)。
根據本發明，可以實現特定的益處，例如：通過在助焊可出現處增加接合頭/半導體晶粒的溫度而增加每小時單位(Units per hour, UPH)性能；減小或潛在地減小過程中的任何「降溫」週期；以及減小或潛在地消除助焊材料隨著時間的推移而改變的粘度所造成的助焊變化性。
儘管本發明結合半導體晶粒的接合被示出並被描述(並且提供了與以熱壓或倒裝晶片接合過程將半導體晶粒接合至基板的接合相關聯的助焊系統)，但是本發明並不限於此。例如，其它類型的半導體元件可以根據本發明被接合，並且助焊系統(以及相關的接合機、和助焊系統的操作方法)具有針對其它應用的適用性。
儘管本發明已經主要針對提供冷卻以使得助焊材料保持器(和助焊材料)的溫度穩定被示出和被描述，但是本發明並不限於此。例如，本發明的方面包括利用加熱(例如，電加熱)來使得助焊材料保持器(和助焊材料)的溫度穩定。
儘管本發明針對特定的實施例被示出和被描述，但是本發明並不限於所示的細節。實際上，在申請專利範圍的同等範疇和範圍中並且在不脫離本發明前提下的細節中，各種不同的修改可以實現。
100、100a、100b‧‧‧接合機 102‧‧‧接合頭 104‧‧‧接合工具 106‧‧‧半導體元件 106a‧‧‧導電結構 108‧‧‧空氣間隙 110、110a、110b、110c‧‧‧助焊系統 112、122、132、152‧‧‧助焊材料保持器/壓盤/元件 112a、122a、132a、142a、152a‧‧‧凹腔 114‧‧‧助焊材料 116、116a‧‧‧支撐結構 118、118’‧‧‧流體源/冷卻流體源 118a、118a’‧‧‧冷卻流體/空氣 120‧‧‧助焊工具 122b‧‧‧通道 124‧‧‧冷卻流體 132b‧‧‧凹部 140、146‧‧‧溫度感測器/元件 142‧‧‧助焊材料保持器/計算機/控制器/元件 148‧‧‧計算機/控制器/元件 144、150‧‧‧流體控制系統 142b、152b‧‧‧內部通道/通道
本發明在結合附圖閱讀時通過以下詳細說明將被更好地理解。所強調的是，根據一般慣例，附圖的多種特徵並未按照比例繪製。反之，為清楚起見，圖中多種特徵的尺寸係經過任意地擴大或縮小。在附圖中包括以下視圖： 圖1是根據本發明的示例性實施例的接合機的各元件的側向剖面示意圖； 圖2A至2D是根據本發明的不同示例性實施例的不同助焊系統的側向剖面示意圖；以及 圖3A至3B是根據本發明的不同示例性實施例的包括流體控制系統的接合機的側向剖面示意圖。
100‧‧‧接合機
102‧‧‧接合頭
104‧‧‧接合工具
106‧‧‧半導體元件
106a‧‧‧導電結構
108‧‧‧空氣間隙
110‧‧‧助焊系統
112‧‧‧助焊材料保持器/壓盤/元件
112a‧‧‧凹腔
114‧‧‧助焊材料
116‧‧‧支撐結構
118‧‧‧流體源/冷卻流體源
118a‧‧‧冷卻流體/空氣
120‧‧‧助焊工具

Claims (19)

  1. 一種接合機，包括：(a)一接合頭元件，該接合頭元件包括一接合工具，該接合工具用於將一半導體元件接合至一基板，該半導體元件包括複數個導電結構；以及(b)一助焊系統，該助焊系統包括(i)一助焊材料保持器，限定用於保持助焊材料的一凹腔、以及(ii)一流體源，用於提供一冷卻流體，以冷卻該助焊材料保持器，該冷卻流體由該流體源提供至位於該凹腔下方的該助焊材料保持器的一下表面，其中，在該半導體元件接合至該基板之前，該接合工具被配置以將該等導電結構至少部分地沉降到該凹腔中，使得該等導電結構接觸該助焊材料，其中，該接合機為熱壓接合機或倒裝晶片接合機的至少其中之一，以及其中，至少一個通道被限定在一支撐結構的一上表面和該助焊材料保持器的該下表面之間。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機，其中，該流體源是一氣體源，該氣體源被配置成使得一冷卻氣體與該助焊材料保持器的一部分接觸。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機，其中，該流體源是一液體源，該液體源被配置成使得一冷卻液體與該助焊材料保持器的一部分接觸。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機，其中，該流體源通過支撐該助焊材料保持器的該支撐結構中的至少一開口將該冷卻流體引至該助焊材料保持器的該下表面。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機，其中，該至少一通道被配置成自該流體源接收該冷卻流體。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機，其中，該助焊材料保持器的該下表面包括一凹部，該凹部沿著該下表面的長度的至少一部分遵循著一彎曲路徑，該冷卻流體配置成被導向該凹部。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機，進一步包括一助焊工具，該助焊工具被配置成越過該助焊材料保持器的與該凹腔相鄰的一上表面。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的接合機，進一步包括一流體控制系統，以控制來自該流體源的該冷卻流體的流動。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述的接合機，進一步包括至少一感測器，以感測與該流體控制系統的操作相關聯的該助焊材料保持器的相關溫度的特徵。
  10. 一種用於接合機的助焊系統的操作方法，該方法包括以下步驟：(a)在該接合機上提供限定一助焊材料凹腔的一助焊材料保持器，該助焊材料凹腔包含助焊材料；(b)將一接合頭元件設置在該接合機上，該接合頭元件包括一接合工具，該接合工具用於將一半導體元件接合至一基板，該半導體元件包括複數個導電結構；(c)在該半導體元件接合至該基板之前，將該等導電結構至少部分地沉降到該凹腔中，使得該等導電結構接觸該助焊材料；以及(d)將來自一流體源的一冷卻流體引至位於該凹腔下方的該助焊材料保持器的一下表面，以冷卻該助焊材料保持器，其中，該接合機為熱壓接合機或倒裝晶片接合機的至少其中之一，以及其中，至少一個通道被限定在一支撐結構的一上表面和該助焊材料保持器的該下表面之間。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述的方法，其中，步驟(d)包括引導來自一氣體源的一冷卻氣體以與該助焊材料保持器的一部分接觸。
  12. 根據申請專利範圍第10項所述的方法，其中，步驟(d)包括引導來自一液體源的一冷卻液體以與該助焊材料保持器的一部分接觸。
  13. 根據申請專利範圍第10項所述的方法，其中，步驟(d)包括通過支撐該助焊材料保持器的該支撐結構中的至少一開口將該冷卻流體引至該助焊材料保持器的該下表面。
  14. 根據申請專利範圍第10項所述的方法，其中，步驟(d)包括將該冷卻流體引至由該助焊材料保持器所限定的該至少一通道。
  15. 根據申請專利範圍第10項所述的方法，其中，步驟(d)包括將該冷卻流體引至該助焊材料保持器的該下表面，該下表面限定一凹部，該凹部沿著該下表面的長度的至少一部分遵循著一彎曲路徑。
  16. 根據申請專利範圍第10項所述的方法，其中，步驟(d)包括操作一流體控制系統，以便控制來自該流體源的該冷卻流體的流動。
  17. 根據申請專利範圍第16項所述的方法，進一步包括以下步驟：從用於感測該助焊材料保持器的相關溫度的特徵的至少一感測器接收資料；以及使用與該流體控制系統的操作相關聯的該資料。
  18. 根據申請專利範圍第16項所述的方法，其中，步驟(d)包括根據閉環過程來操作該流體控制系統，以便控制來自該流體源的該冷卻流體的流動。
  19. 根據申請專利範圍第16項所述的方法，其中，步驟(d)包括根據使用實驗資料獲得的模型控制過程來操作該流體控制系統。
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