TWM554224U - 雷射輔助接合裝置 - Google Patents

Description

雷射輔助接合裝置

本創作涉及一種雷射輔助接合裝置，特別是涉及一種利用雷射光使半導體晶片與線路板建立電性連接的雷射輔助接合裝置。

一般而言，在覆晶封裝製程中，是將具有多個凸塊的半導體晶粒放置在具有多個接點的電路板上，其中，半導體晶粒的多個凸塊會分別對應於多個接點。隨後，對半導體晶粒以及電路板執行一迴焊製程，以使多個凸塊連接於多個接點，從而建立半導體晶粒與電路板之間的電性連接。

在迴焊製程中，半導體晶粒以及電路板會共同被傳送至回焊爐內加熱至回焊溫度，通常是240℃至約260℃，持溫約1小時，以使每一個凸塊可接合於對應的接點。之後，半導體晶粒以及電路板會被移出回焊爐冷卻。然而，請參照圖1，由於電路板P與半導體晶片S1的熱膨脹係數不同，以及在冷卻過程中，半導體晶粒S的周圍區域與中央區域的冷卻速度差異，導致半導體晶片S1與電路板P在冷卻過程中變形而翹曲，從而造成位於半導體晶片S1周圍區域(或中間區域)且原先已經接合的凸塊S11和對應的接點P11斷開。

因此，目前開發出另一種雷射輔助接合製程，其主要是利用穿透半導體晶粒的雷射光直接對凸塊以及接點局部加熱，而免於將電路板以及半導體晶粒送入迴焊爐內加熱，以最小化電路板的 熱膨脹及熱收縮。然而，隨著電路板以及半導體晶粒的厚度越來越趨向輕薄化，當半導體晶粒越來越薄時，即便採用雷射輔助接合的技術手段，仍無法完全改善半導體晶粒翹曲的問題。

本創作所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種雷射輔助接合裝置，其通過吸附一壓合件於半導體晶片上，可在雷射光對半導體晶片的多個焊料凸塊與線路板的接墊加熱時，避免半導體晶片因受熱而翹曲。

為了解決上述的技術問題，本創作所採用的其中一技術方案是，提供一種雷射輔助接合裝置，用以使一半導體晶片和一線路板電性連接，半導體晶片具有多個焊料凸塊，線路板具有多個接墊以及多個貫穿線路板的通孔，雷射輔助接合裝置包括吸附承載組件、光能加熱單元以及壓合件。吸附承載組件包括一用以承載所述線路板的承載板以及一抽氣單元。承載板具有分別對應於多個通孔的多個吸孔，且抽氣單元流體連通多個吸孔。光能加熱單元設置於承載板的上方，壓合件設置於承載板以及與光能加熱單元之間。半導體晶片與線路板被夾設在壓合件與承載板之間，且抽氣單元通過多個吸孔與多個通孔的相互配合，以進行抽氣並吸附壓合件。光能加熱單元所提供的一雷射光穿透壓合件以及半導體晶片，以對多個焊料凸塊加熱。

本創作的有益效果在於，本創作所提供的雷射輔助接合裝置，其能通過“吸附一壓合件於半導體晶片上”的技術方案，使得雷射光對半導體晶片的多個焊料凸塊與線路板的接墊加熱時，能避免半導體晶片因受熱而翹曲。

為使能更進一步瞭解本創作的特徵及技術內容，請參閱以下有關本創作的詳細說明與附圖，然而所提供的附圖僅用於提供參考與說明，並非用來對本創作加以限制。

S‧‧‧半導體晶粒

S10‧‧‧凸塊

P‧‧‧電路板

P10‧‧‧接點

1‧‧‧雷射輔助接合裝置

10‧‧‧吸附承載組件

100‧‧‧承載板

100h‧‧‧吸孔

101‧‧‧抽氣單元

11‧‧‧光能加熱單元

12‧‧‧壓合件

12a、12b‧‧‧板狀結構

102‧‧‧定位機構

14‧‧‧預熱單元

140‧‧‧載台

141‧‧‧加熱器

15‧‧‧對位設置單元

151‧‧‧機械臂

150‧‧‧控制單元

16‧‧‧自動化搬運單元

160‧‧‧驅動元件

161‧‧‧抓取臂

S1‧‧‧半導體晶片

S11、S11’‧‧‧焊料凸塊

P1‧‧‧線路板

P11、P11’‧‧‧接墊

h1‧‧‧通孔

E11‧‧‧電氣接點

L1‧‧‧雷射光

A1‧‧‧照射範圍

S100~S400‧‧‧步驟

R1‧‧‧封裝生產線

圖1為習知的電路板以及半導體晶粒回焊後的側視示意圖。

圖2為本創作其中一實施例的雷射輔助接合裝置的側視示意圖。

圖3為未焊接前的半導體晶片設置在線路板上的局部剖面示意圖。

圖4為半導體晶片及線路板設置在本創作實施例的吸附承載組件上的俯視示意圖。

圖5為半導體晶片及線路板設置在本創作另一實施例的吸附承載組件上的俯視示意圖。

圖6為本創作其中一實施例的半導體元件的製造方法的流程圖。

圖7為本創作其中一實施例的半導體元件在步驟S300中的局部側面示意圖。

圖8為本創作其中一實施例的半導體元件在步驟S400中的局部側面示意圖。

圖9為圖8中的區域IX的局部放大示意圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本創作所公開有關“雷射輔助接合裝置”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本創作的優點與效果。本創作可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本創作的精神下進行各種修飾與變更。另外，本創作的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本創作的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本創作的保護範圍。

請參照圖2以及圖3。圖2為本創作其中一雷射輔助接合裝置的側視示意圖，圖3為未焊接前的半導體晶片設置在線路板上的局部剖面示意圖。

詳細而言，雷射輔助接合裝置1包括吸附承載組件10、光能加熱單元11以及壓合件12。

先說明的是，雷射輔助接合裝置1用以將至少一半導體晶片 S1焊接在一線路板P1上，以使半導體晶片S1電性連接於線路板P1。在本實施例中，一個線路板P1上可設有多個半導體晶片S1。另外，如圖3所示，每一個半導體晶片S1具有多個焊料凸塊S11。線路板P1具有已經佈設好的線路(未圖示)、多個分別對應於焊料凸塊S11的接墊P11，以及多個貫穿線路板P1的通孔h1。

當半導體晶片S1焊接於線路板P1時，通過將兩相對應的焊料凸塊S11與接墊P11熔融接合，可使半導體晶片S1與線路板P1電性連接。通孔h1的位置實際上是配合本創作實施例的雷射輔助接合裝置1中的元件而設置，在後文中會進一步說明。

先說明的是，多個通孔h1會分布在不會設置半導體晶片S1以及沒有線路分佈的區域。也就是說，當多個半導體晶片S1設置在線路板P1上時，多個通孔h1並不會被半導體晶片S1所遮蓋。在通過本創作實施例的雷射輔助接合裝置1使半導體晶片S1焊接到線路板P1上時，可對半導體晶片S1施加作用力，以避免半導體晶片S1在焊接製程中翹曲。

如圖2所示，吸附承載組件10包括一用以承載線路板P1的承載板100以及一抽氣單元101。承載板100具有分別對應於多個通孔h1的多個吸孔100h，多個吸孔100h裸露於承載板100的表面。另外，抽氣單元101流體連通多個吸孔100h。在本實施例中，抽氣單元101是通過多個設置在承載板100內的管路而流體連通於這些吸孔100h。在本創作實施例中，當線路板P1設置在承載板100上時，多個通孔h1會分別連通多個吸孔100h。

請參照圖4，圖4為半導體晶片及線路板設置在本創作實施例的吸附承載組件上的俯視示意圖。具體而言，吸附承載組件10可進一步包括一定位機構102。定位機構102可設置於承載板100上，以使線路板P1的多個通孔h1分別對應於多個吸孔100h。定位機構102例如是夾具、螺絲或者是卡合件，只要能夠固定並限制線路板P1設置於承載板100上的位置，本創作並不限制。

另外，如圖4所示，在本實施例中，吸孔100h分布的範圍會大於線路板P1的面積。也就是說，當線路板P1以及半導體晶片S1設置在承載板100上時，多個吸孔100h的一部分並未被線路板P1遮蓋，而是裸露於承載板100的表面，且未被線路板P1遮蓋的這部分吸孔100h會圍繞線路板P1。

須說明的是，吸孔100h的數量以及孔徑會與壓合件12的不同位置所受到的吸力大小相關。在本實施例中，每一個半導體晶片S1的四邊或四角可分別設有至少一對應的吸孔100h(或通孔h1)，以使壓合件12較能對每一個半導體晶片S1平均加壓。在另一實施例中，分別位於不同位置的吸孔100h的孔徑大小不一定需要完全相同。據此，吸孔100h的數量以及孔徑大小可以根據實際需求進行調整，本創作並不限制。

請再參照圖2。光能加熱單元11設置於承載板100上方。光能加熱單元11用以產生一雷射光L1，以對多個焊料凸塊S11以及接墊P11加熱。具體而言，光能加熱單元11可以產生脈衝雷射光L1或是連續的雷射光L1。另外，光能加熱單元11可以包括一個雷射產生元件或者是多個排列成二維陣列的雷射產生元件，從而使雷射光L1的照射範圍A1可包含一個或者多個半導體晶片S1。

具體而言，在一實施例中，光能加熱單元11包括多個排列成二維陣列的雷射產生元件以及電性連接於這些雷射產生元件的控制器，其中，控制器可以個別控制每一個雷射產生元件發光的時間點，從而控制雷射光L1的照射範圍A1。據此，本創作實施例的雷射輔助接合裝置1可以一次對單個或者多個半導體晶片S1的多個焊料凸塊S11加熱。也就是說，通過改變雷射光L1的照射範圍A1，可以選擇每次欲加熱的半導體晶片S1的數量。

雷射光L1的波長可以是介於大約600nm到大約1100nm之間，或者是介於約760nm到約1500nm之間。因此，雷射光L1的波長可以落在紅外光的波長範圍內。須說明的是，如果雷射光L1 的波長小於600nm，則雷射光的能量相對較大，而有可能損壞半導體晶片S1中的電路。但若雷射光的能量大於1500nm，有可能會導致需要對半導體晶片S1加熱較長的時間，否則可能會影響半導體晶片S1與線路板P1之間的接合品質。

由於雷射光L1可以局部照射到對應於半導體晶片S1的特定區域，而不是被全部施加到線路板P1，因此，可減少在進行焊接製程時，線路板P1因熱變形的程度。然而，在利用雷射光L1照射半導體晶片S1時，半導體晶片S1仍會被加熱，從而升高溫度。當半導體晶片S1的厚度偏薄時，例如：小於70μm，在利用雷射光L1來輔助半導體晶片S1以及線路板P1的接合之後，半導體晶片S1仍有翹曲的現象，而可能使原先已經接合焊料凸塊S11與接墊P11斷開。

據此，本創作實施例中，雷射輔助接合裝置1還包括一壓合件12。壓合件12設置於承載板100以及光能加熱單元11之間。在雷射光L1照射半導體晶片S1之前，半導體晶片S1與線路板P1會被夾設在壓合件12與承載板100之間。

進一步而言，如圖1所示，在本實施例中，壓合件12會被吸附而對半導體晶片S1施加壓力。具體而言，前述吸附承載組件10的抽氣單元101通過多個吸孔100h及多個通孔h1的相互配合，以進行抽氣。據此，抽氣單元101在抽氣過程中，會對壓合件12提供朝向承載板100的吸力，從而使壓合件12對半導體晶片S1加壓。

在一實施例中，壓合件12的厚度是介於100mm至300mm之間，且壓合件12的材料對雷射光L1的透光率至少大於80%。也就是說，在進行焊接製程時，雷射光L1仍可穿透壓合件12，以對半導體晶片S1的多個焊料凸塊S11加熱。舉例而言，若雷射光L1的波長是介於600nm至1100nm之間時，壓合件12的材料可以是玻璃或石英。

據此，在雷射光L1對半導體晶片S1加熱時，壓合件12本身的重量以及吸附壓合件12所產生的吸力，可進一步抑制半導體晶片S1變形。請參照圖4，在本實施例中，壓合件12為一連續的板體，且壓合件的面積會大於線路板P1的面積，以覆蓋多個通孔h1以及裸露於承載板100表面的多個吸孔100h。因此，本實施例的壓合件12可以配合吸附承載組件10，在焊接製程中對所有的半導體晶片S1施加壓力。

在其他實施例中，請參照圖5，壓合件12也可以包括多個彼此分離的板狀結構12a、12b，每一個板狀結構12a、12b覆蓋至少一個半導體晶片S1並對應多個通孔h1的其中一部分。抽氣單元101可以分別通過位於不同區域的多個吸孔100h以及多個通孔h1進行抽氣，以吸附位於不同位置的板狀結構12a、12b。

須說明的是，如圖3所示，在照射雷射光L1以將多個半導體晶片S1焊固在線路板P1上之前，半導體晶片S1的焊料凸塊S11已經先和線路板P1上相對應的接墊P11彼此對位，但尚未固接。因此，若是在放置壓合件12時，壓合件12對半導體晶片S1施加側向力，很有可能會導致焊料凸塊S11的位置偏離原本已經對準的接墊P11。由於半導體晶片S1的焊料凸塊S11的數量以及分布的密度很大，若是焊料凸塊S11與對應的接墊P11之間相互偏移，在經過焊接製程後，極有可能導致信號接錯或者短路。

因此，請再參照圖2。本創作實施例的雷射輔助接合裝置1還進一步包括一預熱單元14。預熱單元14與光能加熱單元11設置在同一封裝生產線R1上。在本實施例中，半導體晶片S1的焊料凸塊S11以及線路板P1的接墊P11會先通過預熱單元14被加熱預熔之後，再通過光能加熱單元11進行焊接。

詳細而言，請參照圖2，預熱單元14還進一步包括一載台140以及一設置於載台140上方的加熱器141，載台140承載線路板P1及半導體晶片S1。在一實施例中，雷射輔助接合裝置1還進一 步包括一對位設置單元15。對位設置單元15和也和預熱單元14設置在同一封裝生產線R1上。在線路板P1設置在載台140上之後，對位設置單元再將一個(或多個)半導體晶片S1設置在線路板P1上，並使半導體晶片S1的多個焊料凸塊S11分別對應線路板的多個接墊P11。對位設置單元可以包括一機械臂151以及一電性連接機械臂151的控制單元150。通過控制單元150的控制，機械臂151可依序將每一個半導體晶片S1放置到線路板P1的預設位置上，並使半導體晶片S1的多個焊料凸塊S11以及線路板P1的多個接墊P11彼此對位。

在半導體晶片S1的多個焊料凸塊S11以及線路板P1的多個接墊P11彼此對位之後，加熱器141可預先對線路板P1及半導體晶片S1加熱，從而使對應的焊料凸塊S11以及接墊P11局部熔融而彼此連接。

在本實施例中，加熱器141是設置在半導體晶片S1的上方，並未直接接觸半導體晶片S1。加熱器141可以通過熱輻射或是熱傳導的至少其中一種方式來提供熱能。在另一實施例中，加熱器141也可以設置於載台140下方或者是載台140內部，以對線路板P1以及半導體晶片S1加熱。

須說明的是，加熱器141所產生的加熱溫度只用於使對應的焊料凸塊S11以及接墊P11局部接合，因此加熱溫度會低於焊料凸塊S11與接墊P11的焊接溫度。另外，加熱溫度也不能太高，以免使半導體晶片S1以及線路板P1在加熱及冷卻過程中產生變形。據此，在一實施例中，加熱溫度大約是介於100℃至150℃之間。

通過使用加熱器141使對應的焊料凸塊S11以及接墊P11局部熔融而彼此連接，可以降低在放置壓合件12過程中，半導體晶片S1相對於線路板P1偏移的機率，從而避免焊料凸塊S11的位置偏離原本已經對準的接墊P11。

另外，請再參照圖2，在本創作實施例中，雷射輔助接合裝置1還包括一自動化搬運單元16。自動化搬運單元16設置於吸附承載組件10上方，用以將壓合件12放置於預設的位置。在一實施例中，自動化搬運單元16可以包括一用以抓取壓合件12的抓取臂161以及一連接抓取臂161的驅動元件160。驅動元件160可以驅動抓取臂161上下或左右移動，以調整壓合件12的位置。通過驅動元件160的驅動，抓取臂161可將壓合件12放置到半導體晶片S1上。

本創作實施例的雷射輔助接合裝置1可應用於半導體元件的製造方法。請參照圖6，進一步說明本創作實施例的雷射輔助接合裝置1應用於半導體元件的製造方法的詳細步驟。

在步驟S100中，提供一線路板，線路板具有多個接墊以及多個通孔。線路板例如是圖3所示的線路板P1，其具有多個通孔h1以及多個接墊P11。

接著，在步驟S200中，設置一半導體晶片於線路板上，其中，半導體晶片具有多個焊料凸塊，當半導體晶片設置於線路板上時，多個焊料凸塊分別對應多個接墊，且多個通孔未被半導體晶片遮蓋。

如圖2所示，可以通過對位設置單元15將多個半導體晶片S1放置在線路板P1上，並且使每一個半導體晶片S1的多個焊料凸塊S11分別對準線路板P1的多個接墊P11。

接者，在步驟S300中，通過多個通孔吸附一壓合件於半導體晶片上，以對半導體晶片施壓。

如圖2所示，在執行步驟S300時，可以先通過自動化搬運單元16，將壓合件12設置在半導體晶片S1上。之後，再開啟吸附承載組件10的抽氣單元101。抽氣單元101可通過通孔h1以及吸孔100h抽氣，以提供壓合件12一朝向半導體晶片S1的吸力。在壓合件12被吸附的過程中，也會對半導體晶片S1施加壓力。

在本實施例中，為了避免在放置壓合件12時，使已經對位的焊料凸塊S11以及接墊P11相互偏移，在執行步驟S300之前，還可以通過圖2所示的預熱單元14，執行一預熱處理，以局部連接相互對應的焊料凸塊S11與接墊P11。在執行預熱處理時，預熱處理的加熱溫度低於焊料凸塊S11與接墊P11的一焊接溫度。在一實施例中，加熱溫度大約是介於100℃至150℃之間。

在一實施例中，相互對應的焊料凸塊S11與接墊P11是通過熱輻射或熱傳導而被加熱，以執行預熱處理。具體而言，可以通過圖2所示的加熱器141來進行加熱。

請參照圖7，圖7為本創作其中一實施例的半導體元件在步驟S300中的局部側面示意圖。如圖7所示，經過加熱器141加熱之後，相互對應的焊料凸塊S11’與接墊P11’被局部熔融而彼此連接。

請再參照圖6，在步驟S400中，利用穿過壓合件的一雷射光對相互對應的焊料凸塊與接墊加熱而使之相互焊接，以使半導體晶片與線路板相互電性連結而形成一半導體元件。

具體而言，可以通過如圖2所示的光能加熱單元11，來產生雷射光L1。雷射光L1通過壓合件12以及半導體晶片S1對焊料凸塊S11以及接墊P11加熱，從而使半導體晶片S1電性連接於線路板P1。另外，在利用雷射光L1加熱時，可以一次對單個或者多個半導體晶片S1加熱。進一步而言，雷射光L1每次可以只照射單個半導體晶片S1、一部分的半導體晶片S1或者是所有半導體晶片S1。

請參照圖8以及圖9。圖8為本創作實施例的雷射輔助接合裝置應用於執行步驟S400中的局部側面示意圖。圖9為圖8中的區域IX的局部放大圖。

如圖8所示，在以雷射光L1照射半導體晶片S1時，吸附承載組件10會進行抽氣，從而使壓合件12貼附在半導體晶片S1上，以對半導體晶片S1施加壓力。如此，可避免半導體晶片S1在受 到雷射光L1照射及加熱後翹曲。

另外，請參照圖9，在經過雷射光L1照射之後，相對應的焊料凸塊S11’和接墊P11’會完全熔融混合而形成電氣接點E11。在電氣接點E11固化之後，半導體晶片S1即固設於線路板P1上，並且半導體晶片S1電性連接於線路板P1，而形成半導體元件。

[實施例的有益效果]

本創作技術方案所提供的雷射輔助接合裝置，其能通過”壓合件12以及吸附承載組件10的配合”的技術方案，從而使壓合件12對半導體晶片S1施壓。據此，在雷射光L1對半導體晶片S1的多個焊料凸塊S11與線路板P1的接墊P11加熱時，可以盡量避免半導體晶片S1因受熱而翹曲。

另外，在將壓合件12放置到半導體晶片S1上之前，還可通過一加熱器141使相對應的焊料凸塊S11以及接墊P11預熔，可以降低在放置壓合件12過程中，半導體晶片S1相對於線路板P1偏移的機率，從而避免焊料凸塊S11的位置偏離原本已經對準的接墊P11。

以上所公開的內容僅為本創作的優選可行實施例，並非因此侷限本創作的申請專利範圍，所以凡是運用本創作說明書及附圖內容所做的等效技術變化，均包含於本創作的申請專利範圍內。

1‧‧‧雷射輔助接合裝置

10‧‧‧吸附承載組件

100‧‧‧承載板

100h‧‧‧吸孔

101‧‧‧抽氣單元

11‧‧‧光能加熱單元

12‧‧‧壓合件

14‧‧‧預熱單元

140‧‧‧載台

141‧‧‧加熱器

15‧‧‧對位設置單元

151‧‧‧機械臂

150‧‧‧控制單元

16‧‧‧自動化搬運單元

160‧‧‧驅動元件

161‧‧‧抓取臂

片S1‧‧‧半導體晶

P1‧‧‧線路板

h1‧‧‧通孔

L1‧‧‧雷射光

A1‧‧‧照射範圍

R1‧‧‧封裝生產線

Claims (9)

1. 一種雷射輔助接合裝置，用以使至少一半導體晶片和一電路板電性連接，所述半導體晶片具有多個焊料凸塊，所述電路板具有多個接墊以及多個貫穿所述電路板的通孔，所述雷射輔助接合裝置包括：一吸附承載組件，其包括一用以承載所述電路板的承載板以及一抽氣單元，所述承載板具有分別對應於多個所述通孔的多個吸孔，且所述抽氣單元流體連通多個所述吸孔；一光能加熱單元，其設置於所述承載板的上方；以及一壓合件，其設置於所述承載板與所述光能加熱單元之間；其中，所述半導體晶片與所述電路板被夾設在所述壓合件與所述承載板之間，且所述抽氣單元通過多個所述吸孔與多個所述通孔的相互配合，以進行抽進並吸附所述壓合件；其中，所述光能加熱單元所提供的一雷射光能穿透所述半導體晶片，以對多個所述焊料凸塊加熱。
2. 如請求項1所述的雷射輔助接合裝置，其中，所述吸附承載組件還進一步包括一定位機構，所述定位機構設置於所述承載板上，以使所述電路板的多個所述通孔分別對應於多個所述吸孔。
3. 如請求項1所述的雷射輔助接合裝置，還進一步包括：一預熱單元，所述預熱單元與所述光能加熱單元設置在同一封裝生產線上。
4. 如請求項3所述的雷射輔助接合裝置，其中，所述預熱單元還進一步包括一載台以及一設置於所述載台上方的加熱器，所述載台承載所述電路板與所述半導體晶片，且所述電路板與所述 半導體晶片預先通過所述加熱器而加熱。
5. 如請求項4所述的雷射輔助接合裝置，還進一步包括：一對位設置單元，所述對位設置單元和所述預熱單元設置在同一所述封裝生產線上，用以使所述半導體晶片的多個所述焊料凸塊分別對應所述電路板的多個所述接墊設置。
6. 如請求項1所述的雷射輔助接合裝置，其中，所述壓合件的厚度是介於100mm至300mm之間，且所述壓合件的材料對所述雷射光的透光率至少大於80%。
7. 如請求項1所述的雷射輔助接合裝置，其中，所述壓合件為一連續的板體，且所述壓合件的面積大於所述線路板的面積，以覆蓋多個所述通孔。
8. 如請求項1所述的雷射輔助接合裝置，其中，多個所述半導體晶片設置於同一所述線路板上，所述壓合件包括多個彼此分離的板狀結構，每一個板狀結構覆蓋至少一所述半導體晶片並對應多個所述通孔的其中一部分。
9. 如請求項1所述的雷射輔助接合裝置，還進一步包括：一自動化搬運單元，所述自動化搬運單元設置於所述吸附承載組件上方，用以將所述壓合件放置於一預設位置。