確定和調(diào)節(jié)半導(dǎo)體元件結(jié)合相關(guān)平行度級(jí)別的系統(tǒng)和方法
【專利說明】確定和調(diào)節(jié)半導(dǎo)體元件結(jié)合相關(guān)平行度級(jí)別的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年12月3日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/911，011和2013年12月17日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/916，930的權(quán)益，二者的全部?jī)?nèi)容通過引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體封裝件的形成，并且更具體地涉及用于將半導(dǎo)體元件結(jié)合到一起的改進(jìn)系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]在半導(dǎo)體封裝工業(yè)的某些方面中，半導(dǎo)體元件被結(jié)合到結(jié)合部位。例如，在傳統(tǒng)晶片附接應(yīng)用(也已知為晶片結(jié)合)中，半導(dǎo)體晶片被結(jié)合到結(jié)合部位(例如，引腳框、堆疊晶片應(yīng)用中的另一晶片、墊片，等等)。在先進(jìn)的封裝應(yīng)用中，半導(dǎo)體元件(例如，裸露半導(dǎo)體晶片、封裝半導(dǎo)體晶片，等等)被結(jié)合到基板(例如，引線框，PCB，載架，半導(dǎo)體晶片，BGA基板，等等)的結(jié)合部位，導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(例如，導(dǎo)電凸塊，接觸墊，焊料凸塊，導(dǎo)電柱，銅柱，等等)提供半導(dǎo)體元件和結(jié)合部位之間的電互連。
[0005]在許多應(yīng)用中(例如，熱壓半導(dǎo)體元件結(jié)合，包括焊料凸塊，等等)，特別希望結(jié)合工具和結(jié)合機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部分之間具有足夠的平行度級(jí)別。例如，在(I)由結(jié)合工具結(jié)合的半導(dǎo)體元件與(2)由支撐結(jié)構(gòu)支撐的基板之間有許多互連。這些互連可包括焊料或類似物，并且因而特別希望結(jié)合工具的接觸部分和支撐結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部分之間基本上平行。
[0006]因此，希望提供用于確定和調(diào)節(jié)結(jié)合機(jī)元件之間平行度的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，提供了用于結(jié)合半導(dǎo)體元件的結(jié)合機(jī)。結(jié)合機(jī)包括:支撐結(jié)構(gòu)，其被構(gòu)造成支撐基板；結(jié)合頭組件，其包括結(jié)合工具，所述結(jié)合工具被構(gòu)造成將多個(gè)半導(dǎo)體元件結(jié)合到基板；和校準(zhǔn)工具，其包括接觸部分，所述接觸部分被構(gòu)造成定位在結(jié)合工具和支撐結(jié)構(gòu)之間，其中，所述接觸部分被構(gòu)造成在校準(zhǔn)操作中同時(shí)被結(jié)合工具和支撐結(jié)構(gòu)中的每個(gè)接觸。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方式，提供了一種用于確定結(jié)合工具與結(jié)合機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)之間平行度級(jí)別的方法。所述方法包括下述步驟:(a)將校準(zhǔn)工具的接觸部分定位在結(jié)合工具和支撐結(jié)構(gòu)之間；(b)降低結(jié)合工具以帶動(dòng)校準(zhǔn)工具的接觸部分到達(dá)支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位中的接觸位置，在此校準(zhǔn)工具的接觸部分同時(shí)與結(jié)合工具和接觸位置接觸；和(C)在結(jié)合工具和支撐結(jié)構(gòu)中的每個(gè)與校準(zhǔn)工具的接觸部分接觸的狀態(tài)下，確定接觸位置的z軸高度值。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方式，提供了一種確定結(jié)合工具的接觸部分與結(jié)合機(jī)的助焊劑站的接觸區(qū)域之間平行度級(jí)別的方法。所述方法包括下述步驟:(a)將校準(zhǔn)工具的接觸部分定位在結(jié)合工具和助焊劑站的接觸區(qū)域之間；(b)降低結(jié)合工具以帶動(dòng)校準(zhǔn)工具的接觸部分到達(dá)助焊劑站的接觸區(qū)域中的接觸位置，在此校準(zhǔn)工具的接觸部分同時(shí)與結(jié)合工具的接觸部分和助焊劑站的接觸區(qū)域中的接觸位置接觸；和(C)在結(jié)合工具的接觸部分和助焊劑站的接觸區(qū)域中的每個(gè)與校準(zhǔn)工具的接觸部分接觸的狀態(tài)下，確定助焊劑站的接觸區(qū)域中的接觸位置的z軸高度值。
【附圖說明】
[0010]通過結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)說明被最佳地理解本發(fā)明。強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)慣例，視圖的各種特征并非成比例。相反地，各種特征的尺寸為了清楚起見被任意地放大或縮小。附圖中包括的是以下視圖:
[0011]圖1A是展示由結(jié)合工具攜帶的半導(dǎo)體元件在結(jié)合到基板之前的示意性側(cè)視圖；
[0012]圖1B示出了結(jié)合到基板之后的圖1A中的半導(dǎo)體元件；
[0013]圖2是本發(fā)明示例性實(shí)施方式的結(jié)合機(jī)中的各個(gè)元件的示意性透視圖；
[0014]圖3是根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方式的另一種結(jié)合機(jī)中的各個(gè)元件的示意性透視圖；
[0015]圖4A是圖3中的根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式的基板結(jié)合部位的示意性放大透視圖；
[0016]圖4B-4D是展示根據(jù)本發(fā)明各種示例性實(shí)施方式的結(jié)合工具和校準(zhǔn)工具針對(duì)校準(zhǔn)過程的運(yùn)動(dòng)的示意性側(cè)視圖；
[0017]圖5是展示確定本發(fā)明示例性實(shí)施方式的結(jié)合機(jī)中的結(jié)合工具和支撐結(jié)構(gòu)之間平行度級(jí)別的方法的流程圖；
[0018]圖6是根據(jù)本發(fā)明又一示例性實(shí)施方式的又一種結(jié)合機(jī)中的各個(gè)元件的示意性透視圖；以及
[0019]圖7是確定本發(fā)明示例性實(shí)施方式的結(jié)合機(jī)中的結(jié)合工具的接觸部分和助焊劑站的接觸區(qū)域之間平行度級(jí)別的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]這里使用的術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體元件”旨在指代包括(或在后來步驟配置成包括)半導(dǎo)體芯片或晶片的任何結(jié)構(gòu)。示例性半導(dǎo)體元件包括裸露半導(dǎo)體晶片、在基板(例如，引腳框、PCB、載體、半導(dǎo)體晶圓、BGA基板，等等)上的半導(dǎo)體晶片、封裝半導(dǎo)體器件、倒裝芯片型半導(dǎo)體器件、嵌入基板中的晶片、半導(dǎo)體晶片堆，等等。而且，半導(dǎo)體元件可以包括配置成將結(jié)合或包括到半導(dǎo)體封裝件(例如，將結(jié)合到堆疊晶片構(gòu)型中的墊片，基板，等等)中的元件。
[0021]這里使用的術(shù)語(yǔ)“基板”旨在指代可在其上結(jié)合(例如，熱壓結(jié)合，超聲結(jié)合，熱超聲結(jié)合，裸晶結(jié)合，等等)半導(dǎo)體元件的任何結(jié)構(gòu)。示例性基板包括，例如，引線框，PCB，載架，半導(dǎo)體晶片，BGA基板，半導(dǎo)體元件，等等。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一些示例性實(shí)施方式，熱壓倒裝芯片型結(jié)合機(jī)包括結(jié)合頭組件，其攜帶著結(jié)合工具。結(jié)合工具將半導(dǎo)體元件(例如，半導(dǎo)體裸晶，中介層，等等)安置并結(jié)合到基板，其中焊料凸塊在被安置的半導(dǎo)體元件上熔化和重新固化以產(chǎn)生焊料結(jié)合部。控制最終焊料結(jié)合部的高度是預(yù)期的控制對(duì)象。在這個(gè)實(shí)施方式中，由于半導(dǎo)體元件上的全部焊料凸塊在一個(gè)時(shí)間被結(jié)合，因此所導(dǎo)致的整個(gè)半導(dǎo)體元件上的焊料結(jié)合部高度差異直接取決于被結(jié)合的半導(dǎo)體元件和目標(biāo)基板的平行度。關(guān)于結(jié)合機(jī)，希望控制結(jié)合工具(例如，結(jié)合工具的接觸部分/接觸面)和結(jié)合機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)(也可稱作結(jié)合臺(tái))之間的平行度。整個(gè)基板上的平行度(或共面度)的預(yù)期窗口可以非常窄(例如，在整個(gè)基板上有2-3微米的變化)。因此，希望結(jié)合工具和支撐結(jié)構(gòu)之間有非常精確的對(duì)正。
[0023]根據(jù)一些示例性實(shí)施方式，本發(fā)明涉及確定(例如，測(cè)量)結(jié)合工具和支撐結(jié)構(gòu)之間平行度級(jí)別的方法，例如，用以驗(yàn)證成功校準(zhǔn)，以使得能夠在確保實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)合高度控制的狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)合。此外，確定平行度級(jí)別可被用于產(chǎn)生用于結(jié)合工具和/或支撐結(jié)構(gòu)的期望的修正運(yùn)動(dòng)/調(diào)節(jié)(例如，結(jié)合工具中使用主動(dòng)/被動(dòng)俯仰控制機(jī)構(gòu))。
[0024]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，結(jié)合機(jī)具有不同的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造。在本申請(qǐng)中，很多描述涉及專門的構(gòu)造(其中一些元件具有一些運(yùn)動(dòng)軸線)；然而，可以理解，本發(fā)明不限于這樣的構(gòu)造。如后面參照附圖所作更詳細(xì)描述，示例性構(gòu)造包括:(I)支撐結(jié)構(gòu)，其沿著X軸方向可移動(dòng)；(2)結(jié)合頭組件(攜帶結(jié)合工具)，其沿著y軸方向、z軸方向以及繞Θ軸可移動(dòng)；和輔助運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(例如，光學(xué)組件運(yùn)動(dòng)系統(tǒng))，其沿著X軸方向、y軸方向和z軸方向可移動(dòng)。輔助運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)被構(gòu)造成攜帶校準(zhǔn)工具(例如，包括沿z軸方向具有順應(yīng)性的梁部，和具有2個(gè)球形接觸面/部分的接觸部分)，并且可將校準(zhǔn)工具的接觸部分安置在結(jié)合工具和支撐結(jié)構(gòu)之間。結(jié)合工具沿著z軸下降直到與校準(zhǔn)工具相接觸，并且繼續(xù)下降直至校準(zhǔn)工具接觸支撐結(jié)構(gòu)。在校準(zhǔn)工具和支撐結(jié)構(gòu)之間發(fā)生接觸后，z軸位置編碼器(例如，位于結(jié)合頭組件或結(jié)合機(jī)的其它部分上)的位置被記錄。這種位置測(cè)量可在支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位中的多個(gè)x、y位置處反復(fù)進(jìn)行(例如，通過輔助運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng))。利用一組測(cè)量值可產(chǎn)生結(jié)合部位中的多個(gè)X、y坐標(biāo)位置處的z軸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組，這可提供結(jié)合工具和支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位之間的平行度/平面度誤差的指示。對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)上的每個(gè)結(jié)合部位，可通過分別沿著X、y軸將支撐結(jié)構(gòu)和/或結(jié)合頭組件移動(dòng)到各種結(jié)合部位而反復(fù)進(jìn)行位置測(cè)量。此外，這種方法還可用于測(cè)量結(jié)合工具和可選的助焊劑站之間的平行度。此外，這種方法還可用于測(cè)量支撐結(jié)構(gòu)的平坦度。
[0025]上面描述的技術(shù)還可以結(jié)合調(diào)節(jié)/校準(zhǔn)過程使用。例如，為支撐結(jié)構(gòu)的多個(gè)結(jié)合部位提供的z軸位置數(shù)據(jù)(其中對(duì)于每個(gè)結(jié)合部位的z軸位置數(shù)據(jù)可包括對(duì)于每個(gè)結(jié)合部位中的多個(gè)位置的Z軸高度值)可被用于調(diào)節(jié)結(jié)合工具和支撐結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)以改進(jìn)它們之間的相對(duì)平行度。類似地，為助焊劑站的接觸區(qū)域中的多個(gè)X軸和I軸向位置提供的Z軸位置數(shù)據(jù)可被用于調(diào)節(jié)助焊劑站，以改進(jìn)助焊劑站和結(jié)合工具之間的平行度。
[0026]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，為了清楚，結(jié)合機(jī)(例如這里展示和描述的機(jī)器100、200、300和300a)可包括圖中未示出的許多元件。示例性元件包括，例如:輸入元件，用于提供將與半導(dǎo)體元件結(jié)合的基板/工件的輸入；輸出元件，用于接收處理過的基板/工件，其現(xiàn)在包括附加的半導(dǎo)體元件；運(yùn)輸系統(tǒng)，用于移動(dòng)基板；半導(dǎo)體元件供應(yīng)結(jié)構(gòu)(例如，半導(dǎo)體晶片)，其包括將被結(jié)合到一或多個(gè)基板的多個(gè)半導(dǎo)體元件；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其包括用于操作機(jī)器的軟件；以及其它種種元件。
[0027]現(xiàn)在參看附圖，圖1A示出了結(jié)合機(jī)100(例如，熱壓倒裝芯片型結(jié)合機(jī))的一部分，結(jié)合機(jī)包括結(jié)合臺(tái)104 (例如，滑梭臺(tái)(shuttle)，加熱的滑梭臺(tái)，熱塊，砧