确定和调节半导体元件结合相关平行度级别的系统和方法
【专利说明】确定和调节半导体元件结合相关平行度级别的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年12月3日提交的美国临时专利申请N0.61/911，011和2013年12月17日提交的美国临时专利申请N0.61/916，930的权益，二者的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
[0003]本发明涉及半导体封装件的形成，并且更具体地涉及用于将半导体元件结合到一起的改进系统和方法。
【背景技术】
[0004]在半导体封装工业的某些方面中，半导体元件被结合到结合部位。例如，在传统晶片附接应用(也已知为晶片结合)中，半导体晶片被结合到结合部位(例如，引脚框、堆叠晶片应用中的另一晶片、垫片，等等)。在先进的封装应用中，半导体元件(例如，裸露半导体晶片、封装半导体晶片，等等)被结合到基板(例如，引线框，PCB，载架，半导体晶片，BGA基板，等等)的结合部位，导电结构(例如，导电凸块，接触垫，焊料凸块，导电柱，铜柱，等等)提供半导体元件和结合部位之间的电互连。
[0005]在许多应用中(例如，热压半导体元件结合，包括焊料凸块，等等)，特别希望结合工具和结合机的支撑结构的相应部分之间具有足够的平行度级别。例如，在(I)由结合工具结合的半导体元件与(2)由支撑结构支撑的基板之间有许多互连。这些互连可包括焊料或类似物，并且因而特别希望结合工具的接触部分和支撑结构的相应部分之间基本上平行。
[0006]因此，希望提供用于确定和调节结合机元件之间平行度的改进的系统和方法。
【发明内容】
[0007]根据本发明的示例性实施方式，提供了用于结合半导体元件的结合机。结合机包括:支撑结构，其被构造成支撑基板；结合头组件，其包括结合工具，所述结合工具被构造成将多个半导体元件结合到基板；和校准工具，其包括接触部分，所述接触部分被构造成定位在结合工具和支撑结构之间，其中，所述接触部分被构造成在校准操作中同时被结合工具和支撑结构中的每个接触。
[0008]根据本发明的另一示例性实施方式，提供了一种用于确定结合工具与结合机的支撑结构之间平行度级别的方法。所述方法包括下述步骤:(a)将校准工具的接触部分定位在结合工具和支撑结构之间；(b)降低结合工具以带动校准工具的接触部分到达支撑结构的结合部位中的接触位置，在此校准工具的接触部分同时与结合工具和接触位置接触；和(C)在结合工具和支撑结构中的每个与校准工具的接触部分接触的状态下，确定接触位置的z轴高度值。
[0009]根据本发明的另一示例性实施方式，提供了一种确定结合工具的接触部分与结合机的助焊剂站的接触区域之间平行度级别的方法。所述方法包括下述步骤:(a)将校准工具的接触部分定位在结合工具和助焊剂站的接触区域之间；(b)降低结合工具以带动校准工具的接触部分到达助焊剂站的接触区域中的接触位置，在此校准工具的接触部分同时与结合工具的接触部分和助焊剂站的接触区域中的接触位置接触；和(C)在结合工具的接触部分和助焊剂站的接触区域中的每个与校准工具的接触部分接触的状态下，确定助焊剂站的接触区域中的接触位置的z轴高度值。
【附图说明】
[0010]通过结合附图阅读以下详细说明被最佳地理解本发明。强调的是，根据惯例，视图的各种特征并非成比例。相反地，各种特征的尺寸为了清楚起见被任意地放大或缩小。附图中包括的是以下视图:
[0011]图1A是展示由结合工具携带的半导体元件在结合到基板之前的示意性侧视图；
[0012]图1B示出了结合到基板之后的图1A中的半导体元件；
[0013]图2是本发明示例性实施方式的结合机中的各个元件的示意性透视图；
[0014]图3是根据本发明另一示例性实施方式的另一种结合机中的各个元件的示意性透视图；
[0015]图4A是图3中的根据本发明示例性实施方式的基板结合部位的示意性放大透视图；
[0016]图4B-4D是展示根据本发明各种示例性实施方式的结合工具和校准工具针对校准过程的运动的示意性侧视图；
[0017]图5是展示确定本发明示例性实施方式的结合机中的结合工具和支撑结构之间平行度级别的方法的流程图；
[0018]图6是根据本发明又一示例性实施方式的又一种结合机中的各个元件的示意性透视图；以及
[0019]图7是确定本发明示例性实施方式的结合机中的结合工具的接触部分和助焊剂站的接触区域之间平行度级别的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020]这里使用的术语“半导体元件”旨在指代包括(或在后来步骤配置成包括)半导体芯片或晶片的任何结构。示例性半导体元件包括裸露半导体晶片、在基板(例如，引脚框、PCB、载体、半导体晶圆、BGA基板，等等)上的半导体晶片、封装半导体器件、倒装芯片型半导体器件、嵌入基板中的晶片、半导体晶片堆，等等。而且，半导体元件可以包括配置成将结合或包括到半导体封装件(例如，将结合到堆叠晶片构型中的垫片，基板，等等)中的元件。
[0021]这里使用的术语“基板”旨在指代可在其上结合(例如，热压结合，超声结合，热超声结合，裸晶结合，等等)半导体元件的任何结构。示例性基板包括，例如，引线框，PCB，载架，半导体晶片，BGA基板，半导体元件，等等。
[0022]根据本发明的一些示例性实施方式，热压倒装芯片型结合机包括结合头组件，其携带着结合工具。结合工具将半导体元件(例如，半导体裸晶，中介层，等等)安置并结合到基板，其中焊料凸块在被安置的半导体元件上熔化和重新固化以产生焊料结合部。控制最终焊料结合部的高度是预期的控制对象。在这个实施方式中，由于半导体元件上的全部焊料凸块在一个时间被结合，因此所导致的整个半导体元件上的焊料结合部高度差异直接取决于被结合的半导体元件和目标基板的平行度。关于结合机，希望控制结合工具(例如，结合工具的接触部分/接触面)和结合机的支撑结构(也可称作结合台)之间的平行度。整个基板上的平行度(或共面度)的预期窗口可以非常窄(例如，在整个基板上有2-3微米的变化)。因此，希望结合工具和支撑结构之间有非常精确的对正。
[0023]根据一些示例性实施方式，本发明涉及确定(例如，测量)结合工具和支撑结构之间平行度级别的方法，例如，用以验证成功校准，以使得能够在确保实现期望的结合高度控制的状态下进行结合。此外，确定平行度级别可被用于产生用于结合工具和/或支撑结构的期望的修正运动/调节(例如，结合工具中使用主动/被动俯仰控制机构)。
[0024]本领域技术人员可以理解，结合机具有不同的运动系统构造。在本申请中，很多描述涉及专门的构造(其中一些元件具有一些运动轴线)；然而，可以理解，本发明不限于这样的构造。如后面参照附图所作更详细描述，示例性构造包括:(I)支撑结构，其沿着X轴方向可移动；(2)结合头组件(携带结合工具)，其沿着y轴方向、z轴方向以及绕Θ轴可移动；和辅助运动系统(例如，光学组件运动系统)，其沿着X轴方向、y轴方向和z轴方向可移动。辅助运动系统被构造成携带校准工具(例如，包括沿z轴方向具有顺应性的梁部，和具有2个球形接触面/部分的接触部分)，并且可将校准工具的接触部分安置在结合工具和支撑结构之间。结合工具沿着z轴下降直到与校准工具相接触，并且继续下降直至校准工具接触支撑结构。在校准工具和支撑结构之间发生接触后，z轴位置编码器(例如，位于结合头组件或结合机的其它部分上)的位置被记录。这种位置测量可在支撑结构的结合部位中的多个x、y位置处反复进行(例如，通过辅助运动系统的运动)。利用一组测量值可产生结合部位中的多个X、y坐标位置处的z轴数据的数据组，这可提供结合工具和支撑结构的结合部位之间的平行度/平面度误差的指示。对于支撑结构上的每个结合部位，可通过分别沿着X、y轴将支撑结构和/或结合头组件移动到各种结合部位而反复进行位置测量。此外，这种方法还可用于测量结合工具和可选的助焊剂站之间的平行度。此外，这种方法还可用于测量支撑结构的平坦度。
[0025]上面描述的技术还可以结合调节/校准过程使用。例如，为支撑结构的多个结合部位提供的z轴位置数据(其中对于每个结合部位的z轴位置数据可包括对于每个结合部位中的多个位置的Z轴高度值)可被用于调节结合工具和支撑结构中的至少一个以改进它们之间的相对平行度。类似地，为助焊剂站的接触区域中的多个X轴和I轴向位置提供的Z轴位置数据可被用于调节助焊剂站，以改进助焊剂站和结合工具之间的平行度。
[0026]本领域技术人员可以理解，为了清楚，结合机(例如这里展示和描述的机器100、200、300和300a)可包括图中未示出的许多元件。示例性元件包括，例如:输入元件，用于提供将与半导体元件结合的基板/工件的输入；输出元件，用于接收处理过的基板/工件，其现在包括附加的半导体元件；运输系统，用于移动基板；半导体元件供应结构(例如，半导体晶片)，其包括将被结合到一或多个基板的多个半导体元件；计算机系统，其包括用于操作机器的软件；以及其它种种元件。
[0027]现在参看附图，图1A示出了结合机100(例如，热压倒装芯片型结合机)的一部分，结合机包括结合台104 (例如，滑梭台(shuttle)，加热的滑梭台，热块，砧