专利名称：用于安装半导体芯片的焊料滴涂的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及集成电路元件的构造和封装，特别是涉及通过使 用焊料将半导体芯片安装到衬底。
背景技术：
半导体芯片通过焊接可被键合在金属衬底，如引线框上。特别是，
电力半导体(power semiconductors)通过使用软焊料(soft solder) 通常被固定到引线框。由于电力器件的高热和电气性能，它们被广泛 地使用在自动化工业中，而对于这种半导体封装件而言，软焊料通常 被选作芯片贴附层。该焊接的节点不仅提供了芯片的机械安装，而且 它也确保在运行期间半导体芯片中所产生的热量扩散比包含有非电 导体黏合剂(non-conductive adhesive)的节点更有效率。另外，软焊 料为半导体芯片提供了优良的电气通道。
在半导体芯片的功率密度(power density)存在增长的情形下，需 要一种具有规定厚度(stipulatedthickness)的焊接节点。焊料层会均 匀地熔湿(wet)半导体芯片的整个区域。而且，其完全会免受杂质 引起的气洞(air cavities)和污染。该焊料不会从端缘凸起，也不会 扩散超越键合盘的表面区域，其被大家称之为渗出(bleeding)。为了 实现这些，在键合半导体芯片以前，规定数量的焊料会滴涂和精确定 位在衬底上。
通常，在定位芯片以前，半导体芯片和引线框的软焊接需要在引 线框上滴涂大量的焊料。这可能包括在芯片将被定位的引线框的位置 处接触焊接导线的一端。引线框被预热到一温度，该温度在焊料的熔 点温度之上，以致于焊接导线一旦接触引线框会熔化。被规定的一段 焊接导线被进给给引线框，它在引线框上会紧接着或间歇地被熔化。没有熔化的焊接导线然后被拉回，在引线框上留下焊料滴。当引线框 温度被保持在焊料的熔点温度之上时，焊料滴保持熔化。在熔化的焊 料中的表面张力导致在引线框上形成圆顶状的焊料滴，这样当芯片被 键合在焊料上时抑制在整个芯片表面下方形成扁平和平坦的焊料层。 影响平坦延展的焊料层恰当形成的一个另外的原因是当焊料滴正位 于引线框上之时焊料滴可能的侧向偏移。因此，有必要改变焊料滴的 形状以在定位芯片以前获得薄而平坦地延伸开来的焊料层。
改变焊料滴的形状的传统的方法是使用压散器(spanker: —种业 界常用的、使得衬底上的焊料扁平和延展的工具)。携带有焊料滴的 衬底被传送到设置有以方形塑模(rectangularmold)形式存在的压散 器的压散区(spanking zone)。该方形塑模向下移动以接触焊料滴并 在方形塑模的孔洞内将其展开，以形成矩形覆盖区(rectangular footprint)。通常，压散器包括相对于衬底能提升或降低的转轴、与 其相连的压杆(stamp)或冲头(punch),其中该压印或冲出的表面 朝向衬底。衬底的厚度和位置上的偏差以及衬底可能的倾斜可能反过 来焊接的厚度和侧向分布。冲出表面和衬底表面之间角度上的甚至微 小的偏差可能导致焊料滴相当大的侧向位移。另外，通过使用压散式 (spanking)压杆或冲头的装置使得焊料滴扁平化导致焊接点(solder spots)可能或多或少环绕在其端缘以及不和芯片的矩形或方形形状准 确地一致。
专利号为6,056,184、发明名称为"在半导体芯片软悍接中用于 焊料的液态端部成形的装置"的美国专利公开了一种带有距离保持装 置的冲压机(punch),用于在焊料扁平化的应用中将球状圆顶 (spherically domed)的液态焊料成形，以获得均匀分配的和正确定 位的软焊料层。该冲压机相对于一转轴弹性装配，并相对于转轴的运 动轴线在所有方向上可回转(slewable)。移动的冲压机允许相对于衬 底自我调整，以致于即使在衬底倾斜时离衬底的固定距离得以保持。 附加于冲压机的该距离保持装置在冲压机较低的表面之外凸伸，并被 使用来在衬底上向下接触。该距离保持装置具有一肋部，当焊料块在衬底上散开时该肋部灵活地限制和集中焊料块。因此，在所应用的焊 料滴位置上的侧向偏移在冲压的表面下方将不会影响均匀的焊料层 的形成。而且，这个装置表明当降低转轴时査看冲压表面距衬底的预 先确定的精确高度或距离是没有必要的。
不幸的是，在芯片和衬底之间可能会形成不均匀的焊料层，尤其
是，在芯片端缘附近的区域可能不会被熔化的焊料所熔湿(wetted)。 而且，当应用过量的熔化的焊料时，在安装头压在熔融覆盖区上的芯 片之际导致焊料渣(solder splash)。
因此，既精确又准确地滴涂一定数量的焊料是重要的。专利号为 5,878,939、发明名称为"滴涂液态焊料的方法和装置"的美国专利公 开了一种滴涂器，其控制焊接导线的进给速率以精确地控制所滴涂的 焊料数量。该装置包含有引导管，通过它固态的焊料被逐渐地进给。 该引导管的端部被加热以液化焊料。同时，该引导管的附近区域被冷 却以在引导管内保持一个稳定的温度过渡。在熔融焊料的排出口上方 可用的熔融焊料的数量因此能被控制。该专利同样也公开了一种以模 塑晶粒的形式存在的压散器(spanker)，在其下面具有模塑空洞以确定 和限制被熔融焊料所熔湿的表面。
在压散(spanking)之后，承载有熔融焊料的矩形覆盖区的衬底 被传送到芯片安装区。 一芯片通过装配头被键合在矩形焊料覆盖区 上。当装配头从焊料处移离时，芯片上的压力被释放。在芯片下方熔 融焊料的表面张力导致焊料回流。最后，衬底通过一冷却区和焊料固 化层。为了防止焊料氧化，芯片安装在一保护性的还原气体(reducing atmosphere)下进行。
使用压散(spanking)方法来获得薄而均匀的熔融焊料层是具有很 多不足的。如果使用了不充足的焊料，尤其是要求焊点的体积很大的 场合，那么熔融焊料不能填充模塑空洞以形成均匀分配的覆盖区。这 样影响了芯片和衬底之间的键合力。另一方面，当应用了太多的焊料 的时候，其将会导致焊料渣。当这个难题可能被如上所述的专利号为 5， 878， 939的美国专利下的发明所克服时，那么就存在额外的需要来控制所构造的压散器(spanke)r模塑的质量，以便于使得液态焊料熔 湿最小化，其在压散器(spanker)的模塑孔洞中可能形成污染物。污染 物减小了熔融焊料的体积，产生了空洞(voids)以及弱化了芯片粘 着和电气导电性。可能来源于缺陷的制造的倾斜的压散器spanker模 塑同样也将会导致不完整的焊料覆盖区，其将会影响最终的产品质 量。而且，通过使用压散器spanker模塑技术获得复杂的焊料覆盖区 是困难的。
因此，对于将半导体芯片焊接到衬底而言，发明获得均匀分布的 熔融焊料层的优选方法以避免由于使用压散器(spankers)存在的不足 是令人期望的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于形成均匀分布的焊料层的软焊料 滴涂器，以将半导体芯片安装到衬底上，其不会出现前述的当使用现 有的压散器(spankers)时面临的缺点。
因此， 一方面，本发明提供一种用于在衬底上安装半导体芯片的 方法，该方法包含有以下步骤在衬底上方设置焊料滴涂器，并将一 段焊接导线穿越通过该焊料滴涂器到达衬底；在进给方向上使用导线 进给器控制导线到达衬底的进给；使用定位设备沿着基本垂直于导线 进给方向的至少两个正交轴线之一相对于衬底移动焊料滴涂器，同时 迸给焊接导线到达衬底表面，以便于在衬底上滴涂成行的熔融焊料；
其后将半导体芯片安装在己滴涂在衬底上的熔融焊料上。
另一方面，本发明提供一种用于在衬底上滴涂焊料以安装半导体
芯片的装置，该装置包括焊料滴涂器，其设置在衬底上方， 一段焊 接导线通过穿越该焊料滴涂器以进给焊接导线到达衬底；导线进给 器，其用于在进给方向上控制焊接导线到达衬底的进给；定位设备， 其用于沿着基本垂直于进给方向的至少两个正交轴线之一相对于衬 底移动焊料滴涂器；其中，该定位设备被操作来沿着至少两个正交轴 线之一相对于衬底移动焊料滴涂器，同时导线进给器进给焊接导线到
8达衬底，藉此在衬底上滴涂成行的熔融焊料。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是 很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明 的特点限定在权利要求书中。
通过参考根据本发明较佳实施例详细介绍，并参考附图很容易理 解本发明，其中
图l为根据本发明较佳实施例所述的用于在引线框上滴涂软焊料 的焊料滴涂器的立体示意图。
图2为图1中的悍料滴涂器的侧视示意图。
图3A和3B为使用图1中的焊料滴涂器时不同方式的焊料描画 (solder writing )。
图4A-4C为使用所述的焊料滴涂器时从焊料描画中可获得的典 型的焊料覆盖区的示意图。
具体实施例方式
现将本发明的较佳实施例结合附图加以描述。
图1为根据本发明较佳实施例所述的用于在衬底如弓I线框12上滴 涂软焊料以安装半导体芯片的焊料滴涂器10的立体示意图。焊料滴涂 器10设置在引线框12上方，一段焊接导线24通过焊料滴涂器10以进给 焊接导线24到引线框12上。导线进给器可包含有一对相互协作的压轮 (press rollers) 14，以便于焊接导线24能通过用于控制焊接导线24进 入焊料滴涂器10和在进给方向上朝向引线框12进给的压轮而被连接。 图1中进给方向是在Z方向上。焊接导线引导螺母16引导焊接导线24 通过焊料滴涂器10中居中设置的孔洞。
一定位设备，如X-Y平台17，较佳地被藕接到焊料滴涂器10，并 被设置来沿着至少两个基本垂直于导线进给方向的正交轴线之一相 对于引线框12移动焊料滴涂器10。在所描述的实施例中，两个正交轴线是X轴和Y轴。焊料滴涂器10可在X和Y方向上被X-Y平台17所驱 动，并当其移动时能在任一X-Y方向，如引线框12的对角上滴涂焊料。 因此X-Y平台17可能沿着至少X轴和/或Y轴之一相对于引线框12移动 焊料滴涂器IO，同时伴随着在Z轴上压轮14进给导线到引线框12，藉 此在引线框12上滴涂熔融的焊料。
焊料滴涂器10还具有焊接导线冷却管18以将从引线框12驻留的 热通道所接收的热量散除。冷却管18同时通过冷却气体输入通道20 连接到冷却气体供应源，通过冷却气体输入通道20冷却气体被注入到 冷却管18中，并通过冷却气体输出通道22离开，而将从热通道所接收 的热量带离。这种冷却过程对将焊料滴涂器10保持在某个环境温度 下，并确保在焊料滴涂器内部焊接导线24保持在固体状态而言是重要 的。
图2为图1中的焊料滴涂器10的侧视示意图。引线框12正驻留在热 通道中，并被加热到焊接导线24的作业温度。加热通道封盖26被设置 在引线框12的上方，并担当为焊料滴涂器10的热量防护罩和在引线框 上方提供惰性气体环境以减少已经滴涂在引线框12上的所描画的焊 料30的氧化。加热通道封盖26具有开口27，其被设置来在引线框12 上焊料描画期间允许焊料滴涂器10通过该开口延伸和在X、 Y方向上 移动。滑盖28被安装在焊料滴涂器10上，并被操作来或基本上或完全 地封盖开口27。它进一步有助于在加热通道封盖26下方容纳热量，并
同时有助于维护惰性气体环境。 '
在将半导体芯片焊接到引线框12的处理期间，预先确定的一段焊 接导线24通过压轮14朝向引线框12可控地被进给。通过固定焊接导线 24的一端的方式，焊接导线24被进给在引线框12的芯片键合位置上， 同时焊接导线24的另一端在加热的引线框12上被熔融。预先确定好数 量的焊料以一种图样(pattem)被滴涂，该'图样适合于获得薄的、均匀 分布的熔融焊料层，以键合各个芯片。焊料滴涂器10的X和Y轴的移 动不仅允许引线框12上形成任一设计的焊料图样，而且其也允许在引 线框12上安装不同尺寸的芯片。例如，由于巨大的X-Y比值是可能的，所以根据本发明较佳实施例所述的焊料滴涂器10能被应用在具有很 大长宽比，如200x50密耳(mils)的芯片。控制引线框12上熔融焊 料流的参数通常是焊接导线24的熔化速度和焊料滴涂器10的X-Y移 动的速度。在引线框12上，焊接导线24的熔化速度接着是依赖于焊接 导线24的进给速率。熔融焊料的线条能被描画在引线框12上形成不同 类型的焊料图样，酌情用作为安装半导体芯片。
在本发明一个特定的较佳实施例中，引线框12被加热到大约360 °C， X-Y平台17被操作来大体以160ram/秒的速度移动焊料滴涂器10， 焊接导线24的熔化速度或到引线框12的进给速率大约为5mm/秒。熔融 焊料的流动速度决定了用于键合的熔融焊料的厚度。这可以通过控制 如上所述的两个参数得以调整，以当芯片放置在已滴涂于引线框12 的焊料上时防止焊料向外渗出。当芯片被定位和放置在引线框12上 时，所描画的焊料30在芯片的下方流动以在芯片和引线框12之间形成 均匀的和连续的焊料层。引线框12上键合后的芯片然后被冷却，以在 芯片和引线框12之间形成可靠的电气和热力节点。大量的芯片会重复 上述的步骤，这允许相互极其接近的芯片的精确定位。
图3A和3B为使用图1中的焊料滴涂器10时不同方式的焊料描画 (solderwriting),图4A-4C为使用所述的焊料滴涂器10时从焊料描画 中可获得的典型的焊料图样的示意图。在图3A中，和待键合的芯片 表面区域相匹配的引线框12的区域33被分割成第一滴涂区段32和第 二滴涂区段34。第一滴涂区段32和第二滴涂区段34较佳地是如此设置 在引线框12上，以便于大体对角地穿越待安装的正方形或矩形的半导 体芯片的表面区域延伸。
在第一种方式的焊料描画中，焊料滴涂器10首先沿着第一路径36 在第一滴涂区段32和第二滴涂区段34上滴涂焊接导线24。其后，完成 导线接触查找(wire contact search),以在第二滴涂区段34上设置着 手点(commencingpoint),从而开始第二滴涂区段34上的焊料描画。 最终形成的焊料图样是围绕第一滴涂区段32和第二滴涂区段34的中 央汇合点对称的，如图4A所述。当芯片被居中地放置在焊料图样中时，在芯片下方这种焊料图样将会展开。据发现，这种焊料图样得以 避免了焊料渗出。因此，这是被推荐的焊料描画的方式，以获得均匀
的熔融焊料层，从而将芯片安装在引线框12上。
在第二种方式的焊料描画中，作为对比，在移动到第二滴涂区段 34的着手点以前，焊料滴涂器10沿着第一滴涂区段32滴涂导线24。但 是，在第二滴涂区段34上开始焊料描画以前，不进行用于开始点的导 线接触査找。这种焊料描画图样的结果如图4B所述。焊料没有熔湿 到引线框的一个角落38，从而导致焊料层围绕第一滴涂区段32和第二 滴涂区段34的汇合点是不对称的，其不同于图4A的焊料图样。因此， 当芯片被压制于引线框12上时，不均匀的焊接层将趋于形成在芯片的 下方。
在图3B所描述的第三种方式的焊料描画中，沿着焊料滴涂器IO 的滴涂路径37的局部，没有焊料滴涂在引线框12上。如同图4B所述 图样的情形下，图4C中形成了一种不对称的焊料图样。结果在芯片 下面可能形成不均匀的焊料层。通过比较所有三种方式的焊料描画所 产生的图样，可以看到图4A表明了获得均匀分布的焊料层的最期望 的图样，以在引线框12上安装芯片。
值得注意的是，以上描述的焊料滴涂器的较佳实施例提供了一种 获得焊料均匀分布的焊料描画的有效方法，以将芯片牢固地安装在引 线框上，同时减少焊料渗出的问题。实际上，可以载明的是，在使用 压散器(spankers)的传统焊料滴涂方法中一定数量的焊料(如2000u m)引起渗出的时候，而本发明较佳实施例所描述的方式中所描画同 样数量的焊料不会引起焊料渗出。
焊料滴涂器10的X和Y方向上的移动还进一步提供了控制焊料图 样的优点。和传统的压散器(spankers)相比，由于焊料滴涂器移动方 向的自由度，任何所期望的修改后的焊料图样是可能的。作为对比， 当滴涂焊料滴时现有的焊料滴涂器可能的仅有的移动是沿着Z轴上下 调整焊接导线24。
另外，在使用压散器(spankers)的现有滴涂方法的情形中，所形成的焊料图样被可用的压散器(spanker)模塑所限制。当需要不同的焊 料图样时或者当由于不同尺寸的芯片大小导致不同体积的焊料将被 滴涂时，不同的压散器(spanker)模塑必须被制造。因此，使用压散 (spanking)方法成本是昂贵的。事实上，淘汰使用压散器(spankers) 必然大大减少整个系统的成本。包括削减成本在内，压散器(spankers) 的淘汰同样也废除了压散器(spankers)的模塑制造期间质量控制的额 外需要。在缺少压散(spanking)区的情形下，另外一个优点，即更 短的加热通道是可能的。因此更加紧凑的整体系统构造得以实现。
在传统的于焊料滴使用压散器(spankers)的滴涂方法中，调节焊 料层的厚度是不可能的。相反，焊接导线熔融速度和焊料滴涂器在其 X-Y移动期间移动速度的参数控制调节了熔融焊料的体积和流动，以
描画图样。使用本发明较佳实施例所述的焊料滴涂器，这允许了在引 线框上焊料线厚度的更加精确的控制。和使用压散器(spankers)相比，
使用来安装半导体芯片的焊料层的厚度能够得到更良好的控制。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、 修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括 在本发明的上述描述的精神和范围内。
权利要求
1、一种用于在衬底上安装半导体芯片的方法，该方法包含有以下步骤在衬底上方设置焊料滴涂器，并将一段焊接导线穿越通过该焊料滴涂器到达衬底；在进给方向上使用导线进给器控制导线到达衬底的进给；使用定位设备沿着基本垂直于进给方向的至少两个正交轴线之一相对于衬底移动焊料滴涂器，同时进给焊接导线到达衬底表面，以便于在衬底上滴涂成行的熔融焊料；其后将半导体芯片安装在已滴涂在衬底上的熔融焊料上。
2、 如权利要求l所述的方法，其中，定位设备被藕接到焊料滴涂 器上。
3、 如权利要求l所述的方法，该方法还包含有以下步骤 通过焊料滴涂器中的冷却管散除由焊料滴涂器所接收的热量。
4、 如权利要求3所述的方法，该方法还包含有以下步骤 将冷却气体供应引入到冷却管，其后将被焊料滴涂器接收的气体所加热的气体移除远离焊料滴涂器。
5、 如权利要求l所述的方法，该方法还包含有以下步骤使用一具有开口的盖体封盖衬底，焊料滴涂器通过该开口延伸， 并且该开口被如此设置以便于允许焊料滴涂器至少在两个正交轴线 之一上移动。
6、 如权利要求5所述的方法，该方法还包含有以下歩骤 使用滑盖基本上或完全封盖该开口，该滑盖被安装在焊料滴涂器，并随焊料滴涂器移动。
7、 如权利要求l所述的方法，其中，在衬底上滴涂成行的熔融焊 料的步骤还包含有以下步骤-当沿着至少两个正交轴线之一移动焊料滴涂器时，固定焊接导线 的一端以连续地进给焊接导线到衬底上。
8、 如权利要求l所述的方法，其中，该导线以大体5mm/秒的进给速率被进给，而焊料滴涂器沿着至少两个正交轴线之一的移动速度大体为160mm/秒。
9、 如权利要求l所述的方法，其中焊料滴涂器沿着第一滴涂区段 和第二滴涂区段滴涂焊料，该第一滴涂区段和第二滴涂区段围绕第一 滴涂区段和第二滴涂区段的中央汇合点对称。
10、 如权利要求9所述的方法，其中该第一滴涂区段和第二滴涂 区段被如此设置衬底上以便于大体对角地穿越待安装的正方形或矩 形的半导体芯片的表面区域延伸。
11、 一种用于在衬底上滴涂焊料以安装半导体芯片的装置，该装 置包括焊料滴涂器，其设置在衬底上方， 一段焊接导线通过穿越该焊料 滴涂器以进给焊接导线到达衬底；导线进给器，其用于在进给方向上控制焊接导线到达衬底的进金厶定位设备，其用于沿着基本垂直于进给方向的至少两个正交轴线之一相对于衬底移动悍料滴涂器；其中，该定位设备被操作来沿着至少两个正交轴线之一相对于衬 底移动焊料滴涂器，同时导线进给器进给焊接导线到达衬底，藉此在 衬底上滴涂成行的熔融焊料。
12、 如权利要求ll所述的装置，其中，该定位设备被藕接到焊料 滴涂器上。
13、 如权利要求ll所述的装置，其中，该导线进给器包含有一对 压轮，用于连接焊接导线并在进给方向上进给焊接导线到焊料滴涂器 和衬底。
14、 如权利要求ll所述的装置，该装置还包含有-焊接导线冷却管，其内置于焊料滴涂器中，以散除由焊料滴涂器所接收的热量。
15、 如权利要求14所述的装置，该装置还进一步包含有 冷却气体输入通道，用于注入冷却气体供应到该焊接导线冷却管；冷却气体输出通道，用于将冷却气体移离该焊接导线冷却管。
16、 如权利要求ll所述的装置，该装置还进一步包含有 盖体，其设置在衬底上方，该盖体具有开口，焊料滴涂器通过该开口延伸，并且该开口被如此设置以便于当滴涂熔融焊料时允许焊料 滴涂器沿着至少两个正交轴线之一移动。
17、 如权利要求16所述的装置，该装置还进一步包含有 滑盖，该滑盖被安装在焊料滴涂器，并被操作来基本上或完全封盖该开口。
18、 如权利要求ll所述的装置，其中，该导线进给器被操作来以 大体5mm/秒的速度将焊接导线进给至衬底，而定位设备被设置来沿 着至少两个正交轴线之一以大体为160mm/秒的速度移动焊料滴涂器。
全文摘要
本发明提供一种用于在衬底上安装半导体芯片的方法，该方法包含有以下步骤在衬底上方设置焊料滴涂器，并将一段焊接导线穿越通过该焊料滴涂器到达衬底；在进给方向上使用导线进给器控制导线到达衬底的进给；使用定位设备沿着基本垂直于导线进给方向的至少两个正交轴线之一相对于衬底移动焊料滴涂器，同时进给焊接导线到达衬底表面，以便于在衬底上滴涂成行的熔融焊料；其后将半导体芯片安装在已滴涂在衬底上的熔融焊料上。
文档编号H01L21/60GK101452865SQ200810180550
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月1日 优先权日2007年12月7日
发明者叶镇鸿, 林钜淦 申请人:先进自动器材有限公司