热压键合过程中固定多个半导体器件的设备和键合方法
【专利摘要】本发明公开用于在热压键合过程中固定多个半导体器件的设备，包含有：主体；多个支撑表面，位于主体的第一侧面上，被配置来在热压键合过程中固定至少一个半导体器件；多个内部管道，位于主体内，每个内部管道从位于主体的第一侧面的各自一个支撑表面的开口延伸至主体第二侧面的开口；主体的第二侧面的开口被配置来连接至各自的气动通路上，以进行流体互通，每个气动通路具有单独可控的气动吸附力，以致于主体的第一侧面的支撑表面的开口被操作来抵靠于主体的第一侧面的支撑表面有选择地固定一个或多个半导体器件，或者从那里将其释放。本发明还公开用于在热压键合过程中固定半导体器件的装置和通过热压键合将多个半导体器件键合至衬底上的方法。
【专利说明】热压键合过程中固定多个半导体器件的设备和键合方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于固定多个半导体器件的设备，具体但非排他地涉及将半导体器件从半导体器件供应源传送至衬底，并通过热压键合(thermocompress1n bonding)将半导体器件键合至衬底。
【背景技术】
[0002]在典型的倒装芯片热压键合工序中，倒装芯片通过真空吸附力被固定在倒装芯片键合机的键合头的键合夹体上。所以，倒装芯片能够从倒装芯片供应源处单个地被传送至衬底以进行热压键合。在倒装芯片被固定在键合夹体上之后，成像系统被使用来确定倒装芯片相对于键合在那里的期望衬底位置的位置。具体地，成像系统包含有上视图案识别系统以确定倒装芯片的位置。上视图案识别系统可以是固定的或者活动的查看摄像机。成像系统还包含有下视图案识别系统以识别该倒装芯片将被键合至此的期望衬底位置。下视图案识别系统通常是移动的下视摄像机以定位衬底的期望键合盘位置。根据成像系统所捕获的数据，倒装芯片键合机的键合头将会沿着X轴和/或Y轴相应地水平地移动，和/或围绕垂直的Z轴旋转一个Θ角度，以便如此重新定位键合夹体以致于倒装芯片将会准确地放置在衬底上。其后，键合夹体将会沿着垂直的Z轴以一个Z轴速度朝向衬底的期望键合盘位置向下垂直地移动，直到倒装芯片和期望键合盘位置接触，然后热压键合被开始执行。对于被键合夹体所拾取的下一个倒装芯片，重复该处理周期，每个处理周期通常需要大约3.5秒。所以，传统的倒装芯片键合机的产能容量以UPH (units-per-hour)表示大约为500。倒装芯片热压键合工序也包括遵守各种曲线，如倒装芯片和衬底之间的键合力曲线、键合夹体的温度曲线和键合夹体的位置曲线。
[0003]由于倒装芯片单个地被传送给衬底，所以用于执行热压键合的倒装芯片键合机的产能容量被限制。由于各种操作考虑，这得到更加恶化，如:需要在倒装芯片和倒装芯片被键合在此的衬底的相应键合盘位置之间进行精确的对齐定位；缓慢的Z轴速度需要避免衬底键合盘一旦与倒装芯片接触滴注在衬底键合盘上的粘合剂中形成气洞(air voids)；很低的温度需要用于粘合剂和倒装芯片之间的接触，其提高了固化时间；漫长的加热时间以加热倒装芯片，其提高了每个热压键合处理周期的持续时间；以及漫长的冷却时间以在下一个倒装芯片被拾取以前冷却键合夹体。
[0004]所以，本发明的目的是寻求消除用于热压键合的传统倒装芯片键合机的限制，并向普通公众提供一个或多个有用的选择。
【发明内容】
[0005]因此，本发明第一方面提供一种用于在热压键合过程中固定多个半导体器件的设备，该设备包含有:主体；多个支撑表面，其位于主体的第一侧面上，每个支撑表面被配置来在热压键合过程中固定至少一个单独的半导体器件；多个内部管道，其位于主体内，每个内部管道从位于主体的第一侧面的各自一个支撑表面的开口延伸至位于主体的第二侧面的开口 ；其中，位于主体的第二侧面的开口被配置来连接至各自的气动通路(pneumaticpaths)上，以与之进行流体互通，每个气动通路具有单独可控的气动吸附力(pneumaticsuct1n force),以致于位于主体的第一侧面的支撑表面的开口被操作来抵靠于位于主体的第一侧面的支撑表面有选择地固定半导体器件，或者从那里将半导体器件释放。
[0006]本发明第二方面提供一种用于热压键合半导体器件的装置，该装置包含有:加热器；以及如上所述的设备，其和加热器相耦接；其中，该加热器被操作来加热该设备，以藉此加热正被固定的半导体器件。
[0007]本发明第三方面提供一种通过热压键合将多个半导体器件键合至衬底上的方法，该方法包含有以下步骤:使用上述的设备将多个半导体器件从半导体器件供应源处传送至衬底；通过热压键合将半导体器件键合至衬底上。
[0008]本发明的一些较佳但是可选的技术特征/步骤已经描述在从属权利要求中。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]现在结合附图来描述本发明的较佳实施例，其中。
[0010]图1所示为根据本发明第一较佳实施例所述的、包含有加热器和夹体的倒装芯片键合机的键合头。
[0011]图2a所示为图1的键合头的加热器和夹体特别当它们被分开时的示意图，而图2b所示为当沿着图2a所示方向中的剖面线A-A’所视时夹体的剖面示意图。
[0012]图3所示为根据本发明第二较佳实施例所述的另一个夹体。
[0013]图4表明了传统衬底的典型布置。
[0014]图5表明了通过热压键合的第一较佳方法将倒装芯片同时键合至图4的衬底的步骤。
[0015]图6表明了通过热压键合的第二较佳方法将倒装芯片单个地放置于图4的衬底的步骤。
[0016]图7表明了通过热压键合的第三较佳方法将倒装芯片单个地放置于图4的衬底的步骤。
【具体实施方式】
[0017]图1所示为用于在半导体器件(具体为倒装芯片)和衬底(如引线框或双马树脂(BT:Bismaleimide Triazine)衬底)之间进行热压键合的半导体器件键合机(具体为倒装芯片键合机)的键合头100。键合头100包含有加热器102和通过气动真空吸附力耦接至该加热器102上的设备(根据本发明第一实施例具体为夹体104)。该夹体104被配置来在热压键合过程中固定多个半导体器件，其包含有:i)主体106 ;ii)位于主体106的第一侧面106a的多个支撑表面108，每个支撑表面108被配置来在热压键合过程中固定至少一个单独的半导体器件；以及iii)位于主体106内的多个内部管道110 (参见图2b)，每个内部管道110从位于主体106的第一侧面106a的各自一个支撑表面108的开口 IlOa处延伸至位于主体106的第二侧面106b的开口 IlOb处。具体而言，位于主体106的第二侧面106b的开口 IlOb被操作来和单独的气动真空通路(pneumatic vacuum paths) 112进行流体互通，其中每个真空通路112具有单独可控的气动真空吸附力。从而，位于主体106的第一侧面106a的支撑表面108的开口 I 1a被操作来有选择性地抵靠于位于主体106的第一侧面106a的支撑表面108固定一个或多个半导体器件，或者将它们从那里释放。
[0018]图2a所示为特别当它们被分开时的键合头100的加热器102和夹体104，并表明了加热器102和夹体104的各自俯视示意图。夹体104的俯视示意图展示了包含有多个气动真空通道200 (pneumatic vacuum passages)的主体106的第二侧面106b,气动真空通道200包括多个半导体器件通道200a和一个夹体通道200b。半导体器件通道200a被操作来和以上提及的单独真空通路112进行流体互通，而夹体通道200b被操作来和再一个具有也独立可控的气动真空吸附力的气动真空通路113进行流体互通。
[0019]就如图2a所示的加热器102的俯视示意图而言，可以看出，加热器102包含有多个通孔202，其包括第一通孔202a和第二通孔202b。第一通孔202a被操作来和单独的真空通路112进行流体互通，而第二通孔202b被操作来和再一个真空通路113进行流体互通。具体地，真空通路112被连接至单独的气动真空源V1、V2上，而真空通路113被连接至另一个气动真空源V3上。这样通过各自的真空吸附力，使得半导体器件实现了被夹体104有选择性地固定，以及夹体104抵靠于加热器102被固定。
[0020]由于加热器102和夹体104 二者均包含有扁平结构，当夹体104抵靠于加热器102被固定时，加热器102的基座表面和夹体104的顶面(即第二侧面106b)相接触，以在加热器102和夹体104之间形成各自封闭的真空通路。所以，沿着加热器102的第一通孔202a、半导体器件通道200a和夹体104的内部管道110所产生的真空吸附力能够抵靠于夹体104的各自支撑表面108固定半导体器件，而沿着加热器102的第二通孔202b、夹体通道200b所产生的真空吸附力能够抵靠于加热器102固定夹体104。
[0021]当沿着真空通路112、113分布的真空吸附力被单独地控制时，夹体104能够或者同时固定两个半导体器件，在支撑表面108中的任何一个处固定一个单独的半导体器件，或者根本什么都没有。而且，夹体104能够被制成当沿着真空通路113分布的真空吸附力被切换打开时和加热器102相耦接，当所述的真空吸附力被切换关闭时和加热器102相分尚和隔开。
[0022]更为具体地，位于夹体104的主体106的第二侧面106b的开口 IlOb中的每一个被设置在各自半导体器件通道200a之一的端部。另外，半导体器件通道200a中的每一个包括带有90度角的曲弯(kink)204。另一方面，夹体通道200b被设置环绕于主体106的第二侧面106b的边缘，以便于真空吸附力能够相应地被分配环绕于所述的边缘而将夹体104抵靠于加热器102固定。
[0023]图2b所示为当沿着图2a所示方向中的剖面线A-A’所视时夹体104的剖面示意图。可以看出，内部管道110从位于主体106的第一侧面106a的支撑表面108中的各自开口 IlOa处延伸至位于主体106的第二侧面106b的各自开口 IlOb处。同样也可以看出，夹体104的支撑表面108对应于设置在夹体的主体106的第一侧面106a的各个接触盘206的表面。
[0024]图3所示为根据本发明第二实施例所述的另一个夹体300。本发明第二实施例的夹体300类似于第一实施例的夹体104，除了有关接触盘的特征之外。具体地，第二实施例的夹体300包含有不同尺寸的接触盘302，以便于接触盘302的支撑表面302a被设置在不同高度处(或水平面处)，以容纳和固定不同尺寸和厚度的不同半导体器件(所示为倒装芯片304、306)。值得注意的是，接触盘302的支撑表面302a也可以包含有不同的表面区域以固定不同的半导体器件。
[0025]现在将会描述通过热压键合将半导体器件(如倒装芯片)键合至衬底(如引线框)的各种方法。具体地，这些方法中的每一个包含有根据本发明第一实施例所述的、使用夹体104将半导体器件传送至衬底的步骤。但是，值得注意的是，如果环境允许，本发明第二实施例的夹体300也可以被使用。
[0026]图4表明了传统衬底400的典型布置，其包含有四块键合盘，每块键合盘设置有四行乘四列的键合盘。所以，衬底400包含有总共64块键合盘，它们以四行乘16列设置。如图4所示，衬底400包含有两个坏的键合盘(以阴影块表示)，它们不适合于键合有半导体器件。所以，半导体器件键合机(如倒装芯片键合机)应较合适地在其处理器中记录这些坏键合盘的各自位置，以避免将半导体器件键合至这些坏键合盘中的任何一个上，藉此避免浪费。对于良好的键合盘而言，在键合以前，诸如非导电性黏着剂(NCP =Non-ConductivePaste)或焊剂之类的粘着剂被施加在衬底400上的良好键合盘中每一个上。
[0027]图5表明了根据热压键合处理的第一方法所述、通过倒装芯片键合机的热压键合使用夹体104将两个倒装芯片502同时键合至衬底400上的步骤。具体而言，这个方法还包含有以下步骤:将这两个倒装芯片502从倒装芯片供应源500同时传送至衬底400。这通过激活沿着真空通路112的真空源V1、V2以抵靠于夹体104固定倒装芯片502而得以完成。值得注意的是，倒装芯片502被夹体104固定时的相对位置应该匹配于衬底400上的相应键合盘位置的相对位置。较佳地，倒装芯片502的相对位置和相应键合盘位置的相对位置之间的精确度应该在2微米的精确度阈值以内。通过将倒装芯片502从倒装芯片供应源500处同时传送至衬底400，并通过热压键合将所传送的倒装芯片同时键合至衬底400上，倒装芯片键合机的UPH估计大约为1000。换句话说，和传统的热压键合方法相比，通过使用夹体104，倒装芯片键合机的产能容量能够提高大约100%。
[0028]图6表明了根据热压键合处理的第二方法，在两个倒装芯片602a、602b被单独地放置于衬底400以前，使用成像设备(图中未示)逐个地对齐定位该由夹体104固定的两个倒装芯片602a、602b的步骤。具体地，这种方法包含有以下步骤:通过倒装芯片键合机使用夹体104，将这两个倒装芯片602a、602b从倒装芯片供应源500同时传送至衬底400 ；使用成像设备相对于衬底400上相应的键合盘位置对齐定位第一倒装芯片602a和第二倒装芯片602b ;以及其后，在没有完成热压键合的情形下，将第一倒装芯片602a放置于衬底400上；缩回第二倒装芯片602b，且使用由成像设备以前所获得的相关位置信息相对于衬底400上相应的键合盘位置对齐定位第二倒装芯片602b，再然后，将第二倒装芯片602b放置于衬底400上；最后，关于这两个倒装芯片602a、602b，同时在衬底400上完成热压键合。尤其是，相对于相应的键合盘位置对齐定位各个倒装芯片602a、602b的步骤包含有:相对于成像设备重新定位夹体104。
[0029]由于粘合剂被预先施加于衬底400的键合盘上，所以即使热压键合没有开始，放置于衬底400上的第一倒装芯片602a的位置也能够得以维持。值得注意的是，一旦将第一倒装芯片602a放置于衬底400上，那么真空源VSl较佳地被控制来解除以前抵靠于夹体104固定第一倒装芯片602a的真空吸附力。可是，真空源VS2保持激活，以便于抵靠于夹体104固定的剩余的第二倒装芯片602b继续被相应的真空吸附力固定定位。
[0030]较佳地，在第一倒装芯片602a放置于衬底400之后，倒装芯片键合机的键合头100向上移动以在夹体104和第一倒装芯片602a之间产生出足够的空间，而便于避免当相对于衬底400的第二键合盘位置对齐定位第二倒装芯片602b时干扰第一倒装芯片602a (其已放置于衬底400上)的位置。在键合头100向上移动过程中，以前固定第一倒装芯片602a(其现在已放置于衬底400上)的来自支撑表面108的相应开口 IlOa的正气压可能得以产生，以致于将第一倒装芯片602a在衬底400上的位置更好地保持。这通过控制气动真空源VSl以通过夹体104的相应的内部管道110产生正气压而得以完成。
[0031]在这种情形下，由于在所传送的倒装芯片602a、602b被单个地放置于衬底400的相应的键合盘位置以前，倒装芯片602a、602b被单个地相对于衬底400的相应的键合盘位置对齐定位，所以倒装芯片602a、602b被夹体104固定时的相对位置和相应键合盘位置的相对位置之间的精确度阈值能够减轻至超过2微米。这种方法可以提供大约830的估算UPH0换而言之，和传统的热压键合方法相比，通过使用夹体104，倒装芯片键合机的产能容量能够提高大约66%。
[0032]热压键合处理的第三方法也包含有夹体104的使用。具体地，这个方法包含有下述初始步骤:通过倒装芯片键合机使用传送设备，将倒装芯片从倒装芯片供应源500单个地传送至衬底400 ;使用成像设备相对于衬底400上相应的键合盘位置单个地对齐定位每个所传送的倒装芯片；以及其后，在没有完成热压键合的情形下，将倒装芯片放置于衬底上。该传送设备可以是被配置来固定单个半导体器件的传统夹体。
[0033]尤其是，倒装芯片被单个地放置于衬底400的交替行的键合盘上，如第I行、第3行、第5行、第7行等。可是，不应理解为:倒装芯片应被单个地放置于衬底400的奇数行的键合盘上。相反，应理解为:倒装芯片应被设置于成行的键合盘上，该键合盘的行数对应于夹体104被配置来固定的倒装芯片的数目的倍数加一。这意味着:如果另一种配置的夹体104被配置来固定三个倒装芯片，那么该倒装芯片应被单个地放置于成行的键合盘上，该键合盘的行数对应于3的倍数再加一，如第I行、第4行、第7行、第10行等。
[0034]在该倒装芯片已被单个地放置于衬底400之后，那么倒装芯片键合机的键合头100将会重新定位它自己，以用本发明第一实施例的夹体104取代该传送设备。接着然后，使用取代后的夹体104，来自倒装芯片供应源500的倒装芯片被传送至衬底400。具体地，倒装芯片被单个地放置于交替行的键合盘上，该交替行对应于第2行、第4行、第6行等。
[0035]类似地，抵靠于衬底400对齐定位由夹体104所固定的倒装芯片的步骤得以被执行，以确保放置的精确度。参考图7所示，当倒装芯片702a沿着第2行被放置于衬底400的相应键合盘位置处时，夹体104的主体106的、没有固定任何相应的倒装芯片的支撑表面108之一和沿着第I行分布的相应键合盘位置处的已有的倒装芯片702b接触。因此，这实现了所传送的倒装芯片702a和已有的倒装芯片702b 二者通过热压键合同时被键合至衬底400上。这种方法可以提供大约630的估算UPH。换而言之，和传统的热压键合方法相比，通过使用夹体104，倒装芯片键合机的产能容量能够提高大约26%。
[0036]在这种情形下，虽然倒装芯片被夹体104单个地传送至衬底400上，但值得注意的是，两个或者更多的倒装芯片可以被另一种配置的、能够固定相同数目的倒装芯片的夹体104所传送。
[0037]实际上，衬底将会通常包含有如图4所示的坏的键合盘。通过将倒装芯片单个地放置于衬底400上，倒装芯片键合机能够有益地保证:没有半导体器件被键合至任何一个坏的键合盘上，以藉此避免浪费。
[0038]在本发明所要求的保护范围之内的其它各种实施例也可以被设想出。例如，虽然夹体104的较佳实施例已经被描述为包含有两个支撑表面108，以在热压键合过程中同时固定两个半导体器件，但值得注意的是，夹体104的其它实施例可包含有三个或更多这样的、用于固定相同数量的半导体器件的支撑表面108。另外值得注意的是，衬底400可以是位于加固器(stiffener)上的重构后的衬底。
【权利要求】
1.一种用于在热压键合过程中固定多个半导体器件的设备，该设备包含有: 主体； 多个支撑表面，其位于主体的第一侧面上，每个支撑表面被配置来在热压键合过程中固定至少一个半导体器件； 多个内部管道，其位于主体内，每个内部管道从位于主体的第一侧面的各自一个支撑表面的开口延伸至主体的第二侧面的开口； 其中，主体的第二侧面的开口被配置来连接至各自的气动通路上，以与之进行流体互通，每个气动通路具有单独可控的气动吸附力，以致于位于主体的第一侧面的支撑表面的开口被操作来抵靠于位于主体的第一侧面的支撑表面有选择地固定一个或多个半导体器件，或者从那里将一个或多个半导体器件释放。
2.如权利要求1所述的设备，其中，该主体的第二侧面包含有多个第一气动通道，该第一气动通道被操作来和各自部分的气动通路进行流体互通。
3.如权利要求2所述的设备，其中，主体的第二侧面的开口中的每一个设置在各自部分的第一气动通道的端部。
4.如权利要求2所述的设备，其中，每个第一气动通道包含有曲弯。
5.如权利要求1所述的设备，其中，该主体的第二侧面还包含有第二气动通道，其被操作来和具有独立可控的气动吸附力的又一个气动通路进行流体互通。
6.如权利要求5所述的设备，其中，该第二气动通道沿着主体的第二侧面的边缘设置。
7.如权利要求1所述的设备，其中，位于主体的第一侧面的支撑表面设置在用于固定不同半导体器件的不同高度处。
8.如权利要求1所述的设备，其中，位于主体的第一侧面的支撑表面包含有用于固定不同半导体器件的不同表面区域。
9.一种用于在热压键合过程中固定半导体器件的装置，该装置包含有: 加热器；以及 如权利要求1所述的设备，其和加热器相耦接； 其中，该加热器被操作来加热如权利要求1所述的设备，以藉此加热正被固定的半导体器件。
10.如权利要求9所述的装置，其中，该加热器包含有多个通孔，该通孔被操作来和位于如权利要求1所述的设备的主体内的各自部分的内部管道进行流体互通。
11.如权利要求10所述的装置，其中，如权利要求1所述的主体的第二侧面还包含有多个第一气动通道，该第一气动通道被操作来和各自部分的气动通路进行流体互通，该加热器的每个通孔和位于如权利要求1所述设备的主体的第二侧面的相应开口均设置在位于如权利要求1所述的主体的第二侧面的各自第一气动通道之一的相对端部。
12.如权利要求11所述的装置，其中，该加热器还包含有另一个通孔，该通孔被操作来和具有独立可控的气动吸附力的又一个气动通路进行流体互通，以固定如权利要求1所述的设备的主体，而便于如权利要求1所述设备被操作来以可分离的方式耦接于该加热器上。
13.—种通过热压键合将多个半导体器件键合至衬底上的方法，该方法包含有以下步骤: 使用如权利要求1所述的设备将多个半导体器件从半导体器件供应源处传送至衬底； 通过热压键合将半导体器件键合至衬底上。
14.如权利要求13所述的方法，其中，该将半导体器件传送的步骤包含有:将半导体器件同时从晶圆处传送至衬底。
15.如权利要求14所述的方法，其中，该将半导体器件键合至衬底上的步骤包含有以下步骤: 使用成像设备抵靠于衬底单个地对齐定位由如权利要求1所述的设备所固定的半导体器件； 通过热压键合将半导体器件键合至衬底上。
16.如权利要求15所述的方法，其中，对齐定位由如权利要求1所述的设备所固定的第一部分半导体器件的步骤之后，该方法还包含有以下步骤:在没有完成热压键合的情形下，将第一部分半导体器件放置于衬底上。
17.如权利要求16所述的方法，在将第一部分半导体器件放置于衬底上的步骤之后，该方法还包含有以下步骤:相对于成像设备重新定位如权利要求1所述的设备。
18.如权利要求17所述的方法，该方法还包含有以下步骤: 从以前固定有第一部分半导体器件的如权利要求1所述的设备的支撑表面的开口处产生正气压，以便于保持该第一部分半导体器件在衬底上的位置。
19.如权利要求14所述的方法，该方法还包含有以下步骤:通过热压键合同时将半导体器件键合至衬底上。
20.如权利要求13所述的方法，该方法还包含有以下步骤: 使用传送设备将多个半导体器件单个地从半导体器件供应源处传送至衬底；以及 使用如权利要求1所述的设备取代该传送设备，并使用如权利要求1所述的设备将半导体器件传送至衬底， 其中，使用如权利要求1所述的设备将半导体器件传送至衬底的步骤包含有:将所选定的半导体器件从半导体器件供应源处传送至衬底，以便于一旦所选定的半导体器件被放置于衬底上，没有固定任何半导体器件的如权利要求1所述的设备的主体的至少部分支撑表面和衬底上已经存在的半导体器件相接触；以及 通过热压键合，将所选定的半导体器件连同已经存在的半导体器件一起同时键合至衬底上。
【文档编号】H01L21/603GK104347469SQ201410362920
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2013年7月29日
【发明者】陈文忠, 樊俊豪 申请人:先进科技新加坡有限公司