专利名称：半导体芯片的固定方法和固定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及固定半导体芯片的方法和适于实施本发明方法的装置。
通常用焊接方法(并非唯一方法)将半导体芯片固定到金属载体，所谓引线框上。首先，通常用软焊料将功率半导体固定到基底(通常是铜)上，从而通过焊料连接确保有效地散发半导体芯片工作中产生的热量损耗。
通过欧洲专利申请EP 752294已公知将液体焊料用到基底上并随后将半导体芯片固定到液体焊料部分上的装置。名称为“Die Bonder2007 SSI”的申请公开了一种这样的装置，由此通过已知的“再调整”过程将半导体芯片放置到基底上的焊料部分上。由于该过程中，接合头降得很低，使得在冲压焊料部分时夹持半导体芯片的夹具偏离接合头。这样，能克服半导体芯片的厚度变化和基底表面的高度变化的问题，所述厚度变化通常最大为40μm。
液体软焊料的粘性非常低，与半导体芯片挤压时，焊料象水一样，即，其易于且几乎立即从半导体芯片的下面流出，并蔓延到半导体芯片的外部。对高速照相机的研究表明在此过程中，半导体芯片和基底之间留有间隙，该间隙实际上用焊料填充而其厚度仅为几微米。当接合头离开时，理想地，大部分焊料流回半导体芯片和基底之间的间隙中，从而又增强了间隙，即使半导体芯片平行于基底表面来回移动，焊层的厚度也会有某些变化。通常，在半导体芯片下焊料不流回而是以珠状停留在半导体芯片旁边。这导致焊层非常薄。在焊料仅部分或在一侧流回的情况下，这导致焊层有很大的倾斜。焊料的流回以及足够厚度和同质焊层的形成是不可控制的。目前增加了对焊料连接的更高需要焊层厚度均匀、芯片整个表面上的焊层均匀分布、完全无气泡、焊料连接的高纯度。
本发明的目的是进一步改善半导体芯片和基底之间焊料连接的质量。
根据本发明将半导体芯片固定到具有焊料部分的基底上的方法的特征在于以下步骤a)在支持件上放置基底；b)通过弹性固定在接合头上的夹具夹持半导体芯片；c)将半导体芯片降低到基底上从而夹持半导体芯片的夹具偏离接合头；d)将半导体芯片升高预定距离；e)释放半导体芯片；f)移开接合头。
步骤c中，首先半导体芯片压在液体焊料上，从而在这种挤压作用下首先将焊料部分压平，接着，大部分焊料被压出半导体芯片和基底之间的间隙。焊料以珠状聚集在半导体芯片的侧边上。用焊料填充的间隙保持在半导体芯片和基底之间，其厚度仅为几微米，通常约为5微米。其目的在于通过步骤c半导体芯片包括角落的整个背部用焊料润湿，焊料尽可能均匀地聚集在半导体芯片的四侧。半导体芯片的整个背部如何以及是否产生上述情况不仅取决于半导体芯片的冲压速度以及其背部与基底表面的平行度，而且取决于其他因素，例如，半导体芯片背部和基底上被湿润的区域的清洁性、焊料的类型和质量等。
步骤d中，不同于现有技术，在夹具的机械控制下将半导体芯片放置到距离基底预定高度，由此焊料流回半导体芯片和基底之间增强的间隙中。在可控状态下产生焊料的流回，具体地，是在通过夹具导向半导体芯片的可控吸力作用下。这样完成了用焊料相当一致的填充间隙以至于填充半导体芯片的角落。同时判断湿润性，即，焊料形成弯月面，从而实现稳定状态。此时，可解除半导体芯片和夹具之间的机械连接，移开接合头而并不改变半导体芯片的位置和/或倾斜度。
在焊料中可能包含气泡，所谓的空隙。通过步骤d后半导体芯片的向上和向下的可控移动，必要时能使得大的气泡破裂成几个小是气泡，以及这些气泡向半导体芯片的边缘移动，从而气泡到达边缘并消失。气泡的减少或甚至完全消除气泡(其本身是质量特性)也有这样的效果，当从夹具释放时，半导体芯片的位置改变不大或根本不改变，即，改善了倾斜度并从而获得焊接层最薄部分的较高值或焊接层更均匀的厚度。只要存在较大的气泡，就有半导体芯片局部下降并最终位于与基底表面成倾斜的位置。
实现理想的焊接层质量的首要条件当然是调节接合头使得半导体芯片的下面与基底表面平行。
下面，根据附图来详细描述本发明的实施例。
图1A-1C表示在各个阶段中适于实施本发明方法的装置的第一实施例；图2表示周围有焊缝的半导体芯片；图3表示半导体芯片和接合头距离支持件的高度与时间之间的函数曲线图；图4表示适于实施本发明方法的装置的第二实施例；图5A和5B表示被固定的半导体芯片；以及图6表示半导体芯片和接合头距离支持件的高度与时间之间的第二函数曲线图。
图1A至1C表示在各阶段中适于实施本发明方法的装置的第一实施例。要固定的半导体芯片用标号1表示，标号2表示焊料，标号3表示基底。该装置设有一个带有用于半导体芯片1的夹具5并可沿垂直方向z运动的接合头4。通过两个预拉伸的牵引杆弹簧6将夹具5弹性地固定到接合头4上，从而夹具5反抗牵引杆弹簧6施加的力能相对于接合头4沿垂直方向z从图1A中所示的静止位置偏移。夹具5有一个钻孔7，从而通过将真空提供到钻孔7中可保持半导体芯片1。通过驱动器可沿水平方向移动的两个钳夹8安置在接合头4上。钳夹8可钳住夹具5，从而夹具5可随接合头4移动。基底3位于装置的支持件9上。
图1A表示处于步骤c前的装置牵引杆弹簧6向接合头4的停止表面拉夹具5，即，夹具5相对于接合头4处于静止位置。钳夹8没有钳住夹具5。
图1B表示处于步骤c后的装置接合头4在支持件9上方的高度H0处，夹具5相对于接合头4偏离距离D。距离D随基底3和半导体芯片1厚度的变化而改变。高度H0被预定为使得距离D的平均量约为0．2mm。相应地，当降低接合头4时，半导体芯片1首先靠在焊料2上，随着接合头被降低到最终高度H0，夹具5偏离接合头4。由于该过程，焊料2的绝大部分流出半导体芯片1和基底3之间的间隙，并以珠状聚集在半导体芯片1的侧边上。由焊料填充的间隙保持在半导体芯片1和基底3之间，其厚度通常仅为约5μm。
接合头到达高度H0以及焊料2聚集在半导体芯片1的侧边后，钳夹8移动到一起从而其可在该偏离情况下钳住固定到接合头4上的夹具5。在步骤d中，接合头上升预定距离H1，使得所钳住的夹具5和半导体芯片1也上升了距离H1。
图1C表示步骤d后的情况。接合头4已经上升到高度H0+H1，至此，半导体芯片1和基底3之间间隙近似与最终所需焊料2的层厚度一样大。该层厚度通常在20至100μm的范围内。由于该过程，焊料2流回到间隙中。由夹具5稳固保持的半导体芯片1位于确定好的位置。一旦焊料2流回或至少几乎流回到间隙中后，在步骤e中，首先切断夹具5保持半导体芯片1所用的真空，当半导体芯片1不再或仅很松散地由夹具保持时，移开接合头4，从而夹具5从半导体芯片1上松开，并开始进行接下来的半导体芯片的固定。
现已证实，当在步骤d后夹具5沿z方向向着或远离基底3再移动一次或几次，即，通过接合头4和夹具5的向上和向下移动以可控的方式变化当半导体芯片1和基底3之间的间隙宽度时，能极大地改善放置的半导体芯片1的倾斜度。由于这种“抽吸”，一方面可实现焊料2沿半导体芯片1的边缘流动，以及整个焊缝2a围绕半导体芯片1形成(见图2)。另一方面，可能存在的任何气泡可被减小并被传送到半导体芯片1的边缘。总之，这使得成为一个整体，即，间隙中无气泡且焊料均匀分布，这表明该间隙自身更少倾斜以及由此获得焊料2最薄部分的较高值。
接合头4的向上和向下移动由沿垂直方向驱动接合头4的驱动器产生。然而，接合头4的向上和向下移动最好通过直接作用在接合头4上的偏心盘产生。为了准确地将偏心盘的运动传送到接合头4上，接合头4和偏心盘必须连续接触。其通过接合头4的如下设计来实现在移到结合位置时其与偏心盘接触，以及最后在结合位置以轻微的初始张力压住偏心盘。这样，同时有效地防止了接合头4沿z方向的振动。
图3表示半导体芯片1(虚线)和接合头4(实线)距离支持件9的高度z是时间t的函数。起初，在时间点t1时接合头4降低到预定高度H0，，从而夹具5偏离接合头4，这就是“越程”。之前，在时间点t0，半导体芯片1已经压在焊料2上。随后，在至时间点t2的预定时间段T12中，接合头4静止。在时间段T02中，位于半导体芯片1和基底3之间的间隙中的焊料2的大部分流出该间隙并聚集到半导体芯片1的侧边。该过程通常迅速发生，即，半导体芯片1首先靠在焊料2上，加热，接着，由于突然几乎所有的焊料2流出了间隙，半导体芯片1迅速下沉。处于可重复位置的半导体芯片1仅在此时与焊料2的初始形式无关，即，距离基底3仅几微米。一旦达到该位置，在时间点t2，夹具5由钳夹8稳固地钳住，接合头4上升距离H1。在接下来的时间段T34中，有选择地上移和下移接合头4，向上和向下移动的幅值A通常大约相应于距离H1。向上和向下移动的频率通常为50Hz至250Hz，也可以达到500或800Hz。根据频率，次数仅为2至5次，或在较高频率下为大约10次。通过增加向上和向下移动的次数也能减小幅值A。在接合头4完成向上和向下移动后，在时间点t4，解除真空，最后，在时间点t5，移开接合头4。
从而对于该实施例，步骤c和d为如下c)将接合头4降到距离支持件9预定高度，该高度预定为使得保持半导体芯片1的夹具5偏离接合头4，以及d)将夹具5固定到接合头4上，并使接合头4上升预定距离H1；一方面安排步骤e和f的时间顺序，使得在时间点t4解除真空后，等待一预定时间段T45，随后仅使接合头移开。必须调节时间段T45，使得接合头4移开时，能使接合头4自身和半导体芯片1脱离。另一方面，可以设置一个传感器来测量真空度，一旦真空下降到预定值，在时间点t5，移开接合头4。
能迅速减少夹具5端部的真空的有利方案包括在夹具5端部的上面设置钻孔10(图1C)，其提供一种受控泄露。该泄露应当足够小，从而提供真空时，夹具5可夹持并传送半导体芯片1，并且该泄露应足够大，从而当断开到真空源的连接时，周围环境中的惰性气体立即，即，在几毫秒内，填充夹具5端部的钻孔7。在半导体芯片即将达到高度H0+H1之前，能立即解除真空，从而约在H0+H1高度终止夹具5对半导体芯片1的机械导向，并无停止地移开接合头4(即，T45=0)。
已经证实有利的是减少焊料2上的半导体芯片1的冲压速度使得移置的焊料2尽可能密地聚集到半导体芯片1上，不是至少一次，更好是向上和向下几次移动半导体芯片1。半导体芯片1的向上和向下移动也就是促使用焊料完全湿润并覆盖半导体芯片1或完全围绕半导体芯片1形成焊缝2a。
为了将夹具5锁定到接合头4上，除了使用钳夹8外，也可以使用其他装置。例如，夹具5通过沿一个轴可转动的控制杆压住接合头4，用电磁铁来驱动夹具5或可通过真空将夹具5固定到接合头4上。
代替将夹具5锁定到接合头4上并使接合头4上升距离H1，也可通过将夹具5相对于接合头4上升距离H1。
图4表示适于实施本方法的装置的第二实施例。该装置中，用传感器11代替钳夹8(图1A)。传感器11包括由两个电触点形成的开关。其中一个电触点位于接合头4中，另一个电触点在夹具5上。在正常情况下，即，当夹具5没有偏离接合头4时，触点接触开关闭合。在步骤c中，降低接合头4时，夹具5一旦偏离接合头4，开关断开。用合适的电子装置，当在步骤d中上升接合头4时，时间点tc被确定为开关再次闭合时的时间点，在该时间点tc确定接合头4的高度H2，从而接合头上升的高度为H3=H2+H1。开关闭合表示夹具5不再偏离接合头4，以及接合头4从高度H2移动到高度H3=H2+H1。距离H1大概相应于焊料2的所需层厚度。因此，夹具5运动距离H1。图4表示处于方法步骤d后的装置。
另外，用传感器11可以检测夹具5是否夹住接合头4。这是在传感器11的两个触点保持常开或常闭时的情况。
如第一实施例的描述，在此，步骤d后以及步骤e中也可出现夹具5随接合头4向上和向下移动，解除真空后，首先等待预定时间段接着移开接合头或者当保持半导体芯片1的真空降到预定值时，仅在步骤f接合头移开。在该过程中，也用传感器11的触点闭合来触发解除真空时的时间点。
图5a表示通过本发明方法高质量固定的半导体芯片1，其中，焊料形成弯月面12，半导体芯片平行于基底表面布置，从而其倾斜度为零。作为比较，图5b表示较差质量固定的半导体芯片1，其中，半导体芯片以一定角度固定焊料2’具有不同的厚度，用角度φ表示的倾斜度不为零。
图6表示半导体芯片1(虚线)和接合头4(实线)距离支持件9的高度z是时间t的函数的另一种可能情况。在此，接合头降低到高度H0，达到高度H0时，即，约在时间点t1时，立即钳住夹具5，一旦夹具5被固定到接合头4上，在焊料2流出半导体芯片1和基底3之间的间隙以及出现半导体芯片1迅速下沉前，使接合头4上升到高度H0+H4。由于该过程，实际使焊料部分2变形，但不出现焊料的不可控流出间隙的情况。相应于夹具5对于接合头4的偏离量确定距离H4，从而实现焊接层的厚度。
对于某种焊料2-基底3的材料组合，可直接移开接合头4，而无向上和向下移动。在达到高度H0+H4之前，已经解除真空是有利的，从而使接合头4移开而并不在高度H0+H4上停留。另外，控制真空度并在夹具5上设有用作受控泄露的钻孔10也是有利的，从而从切断真空到从夹具5释放半导体芯片1的一段时间τ是可重复的。然后，在达到相应于接合头4的轨迹的高度H0+H4之前，在大约时间段τ解除真空。同时由于这种移动，机械地导向半导体芯片1直到达到预定高度H0+H4。
然而，对于其他的焊料2-基底3的材料组合，在达到高度H0+H4后，最好向上和向下移动接合头4。
当在压平的焊料部分上固定半导体芯片(见EP 852983)时，本发明的方法能实现优良的焊料连接，使焊料部分的直线尺寸稍大于半导体芯片的直线尺寸。当在滴形焊料部分上固定半导体芯片时，本发明的方法同样能实现优良的焊料连接。本发明方法的各种参数能使得半导体芯片最好地适应焊料-基底材料组合所要求的条件。为实现稳定形状焊接层的最终位置而进行的半导体芯片的机械可控移动能降低处理温度，即，基底和焊料必须加热到仅高于焊料的熔化温度几度。而用先前已知的方法，需要高于焊料的熔化温度50至80℃以使焊料流回。
权利要求
1．一种将半导体芯片(1)固定到具有焊料部分(2)的基底(3)上的方法，其特征在于包括以下步骤a)在支持件(9)上设置基底(3)；b)通过弹性固定在接合头(4)上的夹具(5)夹持半导体芯片(1)；c)将半导体芯片(1)降到基底(3)上，从而夹持半导体芯片(1)的夹具(5)朝向接合头(4)偏离；d)将半导体芯片(1)上升预定距离；e)释放半导体芯片(1)；以及f)移开接合头(4)
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤c中，接合头(4)降低到支持件(9)上方的预定高度，在步骤c后，夹具(5)固定到接合头(4)上，以及在步骤d中，使接合头(4)上升所述距离。
3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤c中，接合头(4)降低到支持件(9)上方的预定高度，在步骤d中，由传感器(11)确定时间点tc，此时夹具(5)不再朝向接合头(4)偏离，在该时间点tc确定接合头(4)的高度H2，以及使接合头(4)上升到高度H3=H2+H1，H1为所述距离。
4．根据权利要求1至3的其中一个所述的方法，其特征在于步骤d后，半导体芯片(1)沿垂直方向向上和向下移动一次或几次。
5．一种通过带有用于夹持半导体芯片(1)的夹具(5)的接合头(4)将半导体芯片(1)固定到具有焊料(2)的基底(3)上的装置，此夹具(5)可朝向接合头(4)偏离，所述装置的特征在于夹具(5)能被固定到接合头(4)上。
6．一种通过带有用于夹持半导体芯片(1)的夹具(5)的接合头(4)将半导体芯片(1)固定到具有焊料(2)的基底(3)上的装置，此夹具(5)可朝向接合头(4)偏离，所述装置的特征在于设有用于指示夹具(5)是否偏离的传感器(11)。
7．根据权利要求6所述的装置，其特征在于传感器(11)是由两个触点形成的开关。
全文摘要
将半导体芯片(1)固定到具有焊料部分(2)的基底(3)上,由弹性固定到接合头(4)上的夹具(5)夹持的半导体芯片(1)被降低到基底(3)上。在此过程中,夹具(5)偏离接合头(4)。随后,半导体芯片(1)上升预定距离,接着被释放。可选择地,在被释放前使半导体芯片(1)向上和向下移动。用这种方法,半导体芯片(1)处于机械控制状态下直到焊料(2)形成一种稳定的形式并且半导体芯片(1)达到其最终位置。
文档编号H01L21/60GK1288259SQ00126458
公开日2001年3月21日 申请日期2000年9月1日 优先权日1999年9月10日
发明者克里斯托弗·鲁琴格, 马可斯·利玛彻 申请人:Esec贸易公司