专利名称：使用多根焊线安装半导体芯片的软焊料滴涂系统的制作方法
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)通常通过使用软焊料(soft solder)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导电体黏合剂(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(stipulated thickness)的焊接节点。焊料层会均勻地熔湿(wet)半导体芯片的整个区域。而且，其应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，规定数量的焊料应被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，以致于焊线一旦接触引线框会熔化。被规定长度的一段焊线被进给至引线框，它在引线框上会连续地或间歇地被熔化。没有熔化的焊线然后被拉回，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均勻的焊料层。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均勻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拍打器spanker。携带有焊料滴的衬底被传送到设置有以方形塑模(rectangular mold)形式存在的拍打器spanker的拍打区 (spanking zone)。该方形塑模向下移动以接触焊料滴并在拍打器塑模孔洞内将其展开，以形成矩形覆盖区(rectangular footprint)0通常，拍打器spanker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影响焊料的厚度和侧向分布。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，通过使用拍打式(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。使用拍打(spanking)方法来获得薄而均勻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满模塑孔洞以形成均勻分布的覆盖区。这样影响了芯片和衬底之间的键合强度。另一方面，当应用了太多的焊料的时候，其将会导致焊料渣(solder splash)。存在额外的需要来控制所构造的拍打器spanker塑模的质量，以便于使得液态焊料熔湿最小化，其在拍打器spanker的塑模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。可能来源于制造缺陷的倾斜的拍打器spanker塑模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，通过使用拍打器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，发明获得均勻分布的熔融焊料层的优选方法以避免由于使用拍打器spankers存在的不足是令人期望的。当待键合的半导体芯片很大时，能够更加高效地滴涂充足数量的熔融焊料同样也是令人期望的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于形成均勻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，以及提供一种放置熔融焊料的高效方法，以提高键合工艺的生产率，尤其是针对大的半导体芯片。因此，一方面，本发明提供一种用于在衬底上滴涂焊料以将半导体芯片安装于衬底上的装置，该装置包含有滴涂主体；第一滴涂通道和第二滴涂通道，其延伸穿越该滴涂主体，第一滴涂通道和第二滴涂通道中的每一个被操作来接收单独的焊线，以将焊线进给至滴涂主体朝向衬底的端部；其中，该滴涂通道被操作来同时从滴涂主体的端部引入固态的焊线，该焊线一旦和被加热的衬底接触将会被熔融。另一方面，本发明提供一种用于在衬底上滴涂焊料以将半导体芯片安装于衬底上的方法，该方法包含有以下步骤提供滴涂主体；将多根焊线通过多个延伸穿越该滴涂主体的滴涂通道；将焊线进给至滴涂主体朝向衬底的端部；以及从滴涂主体的端部同时引入处于固态的多根焊线，该焊线一旦和被加热的衬底接触将会被熔融。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1为根据本发明较佳实施例所述的用于滴涂软焊料的焊料滴涂器的侧视示意图。图2为图1中的焊料滴涂器的管型主体(tubular body)的纵向剖面示意图。图3为图1中包含有接触传感器的焊料滴涂器的滴涂器端部的立体示意图。
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滴涂软焊料的焊料滴涂器10的侧视示意图。焊料滴涂器10设置在如引线框或其他器件之类的衬底12的上方，一段焊线M穿越通过焊料滴涂器10以进给该焊线M到衬底12上。在焊料滴涂器10的本实施例中，两段或更多的单独的焊线M被同时地被进给至焊料滴涂器10和从焊料滴涂器10处被滴涂。焊料滴涂器10包含有导线进给器和滴涂主体18。本实施例的导线进给器可包括一对相互协作藕接的压轮(press rollers) 14，以便于焊线M能通过设置在压轮14上的进给通道被引导，以用于控制焊线M进给至焊料滴涂器10中和在进给方向上朝向衬底12。 进给通道具有V形的孔洞，使得进给通道能够引导和定位焊线M穿越通过压轮14。该进给方向是在垂直或者Z方向上。焊线M通过线筒(wire spools) 13引导穿越压轮14。由于多根焊线M被馈送进入焊料滴涂器10，所以存在相应数量的线筒13以引导焊线M穿过压轮14上的各自的进给通道进入焊料滴涂器10。通过压轮14在焊线M上施加有固紧力，以通过调节连接弹簧或螺丝(图中未示)改变一对压轮14之间的间距的方式，固紧力得以控制。通过控制每个压轮14的大小比值，不同的驱动力能够得到管理而将焊线M馈送进入焊料滴涂器10。这个比值可能被控制来确定焊线M的滴涂速度。因此被滴涂的焊线M的体积可以被计算出。在滴涂主体18朝向衬底12的一端从焊料滴涂器10滴涂的焊线M接触衬底12上被加热了的目标键合盘。焊线M的端部在键合盘的表面上熔融。根据预定的体积、位置和形状，焊线对形成了一个或多个熔融的焊点或描画液态焊料图样(written liquid solder pattern)。最终的焊接覆盖区(solder footprint)的体积和形状通过进给通道和滴涂通道的设计而得以确定。描画液态焊料图样可以从焊料滴涂器10在X-Y水平方向上的可控移动中获得。焊线引导螺母16引导焊线M穿过焊料滴涂器10中居中设置的孔洞。定位装置， 如X-Y平台17，和焊料滴涂器10相耦接，并被配置来沿着至少两个正交轴线之一相对于衬底12移动焊料滴涂器10，该正交轴线大体垂直于焊线进给方向。在所描述的本实施例中， 两个正交轴线为X轴和Y轴。焊料滴涂器10被X-Y平台17沿着X和Y方向被驱动，并当焊料滴涂器10移动时，能在任意X-Y方向上，如在衬底12上连接对角地滴注焊料。所以， 随着压轮14在Z轴上将焊线M馈送至衬底12，X-Y平台17可以同时沿着至少X轴和/或 Y轴之一相对于衬底12移动焊料滴涂器10，藉此将熔融的焊料滴涂在衬底12上。另外，焊料滴涂器10具有焊线冷却管，其将沿着滴涂主体18的长度方向设置的冷却室封闭。该冷却室通过冷却气体入口 20连接于冷却气体供应源上。冷却气体在随之带走从其上放置有衬底12的热量通道处所接收的热量的同时，通过冷却气体出口 22离开冷却室。图2为图1中的焊料滴涂器10的管型滴涂主体18的纵向剖面示意图。为了将焊线M平滑地进给进入焊料滴涂器10，导引漏斗沈设置在焊料滴涂器10朝向进给通道的顶部和滴涂主体18朝向衬底12相反的端部。每个导引漏斗沈引导来自进给通道和进入进给通道中馈送的焊线24。导引漏斗沈连接于延伸通过滴涂主体18并设置于带有金属盖的陶瓷管中的第一和第二滴涂通道19。多个滴涂通道19可以同时接收和滴涂多根焊线 24。滴涂通道19和导引漏斗沈是绝缘的以便于使得焊料滴涂器10中的焊线M电气绝缘。连同同样也是绝缘的进给通道一起，滴涂通道19和导引漏斗沈允许每根焊线M完成衬底12上的键合盘表面的接触搜索，以便于滴涂充足数量的焊线M而在键合盘上形成焊点或者描画焊料式样。另外，焊料滴涂器10具有焊线冷却管，其将沿着滴涂主体18的长度方向设置的冷却室观封闭，以散发从其中放置有衬底12的热量通道处所接收的热量。该冷却室观通过冷却气体入口 20连接于冷却气体供应源上。冷却气体，如压缩气体通过冷却气体入口 20被注入到冷却室28中，并通过冷却气体出口 22离开，藉此带走从热量通道处所接收的热量。 这样通过滴涂主体18在内部形成了气流。冷却气体在气体出口 22处离开冷却室28以前，冷却气体将滴涂通道19冷却。在滴涂主体18的相对端部附近，使用冷却气体密封剂30将冷却室28密封。这种冷却方法对于将焊料滴涂器10保持在一个较低的温度以确保在焊料滴涂器10内部焊线M依然为固态而言是重要的。通过控制压缩气体的流动速率，焊线M在焊料滴涂器10中被保持为固态形式一直到焊线接触加热的衬底。在滴涂焊线M以前的配置过程中，关于衬底12表面的接触搜索可有效地被执行以感测滴涂器端部32和衬底12之间的接触。这种配置允许接触水平面得以被测量和进给距离得以被建立，这将会有助于控制被滴涂的焊线M的体积。接触传感器和/或附加的接触传感器同样也可以电性连接至焊线24，并在焊料滴涂操作开始处用于感测焊线M和衬底12之间的接触。通过在滴涂开始处感测焊线M和衬底12之间的接触的方式，在操作过程中滴涂的焊线长度能够更为准确地被确定。图3为图1中包含有接触传感器的焊料滴涂器10的滴涂器端部32的立体示意图。滴涂器端部32包含有从滴涂通道19处凸伸的金属端。在配置过程中，滴涂器端部32 的接触传感器在电气上监测金属的滴涂器端部32和金属的衬底12之间的接触，和以便于准确地建立滴涂水平面或者滴涂器端部32和键合盘表面之间的间隙。在滴涂主体渐次降低的接触搜索过程中，在滴涂主体18向上移动至预定的滴涂水平面以前，接触传感器被激活以定位键合盘水平面上的接触位置，该预定的滴涂水平面在键合盘或衬底12的上方和接触位置相隔开一段预定的距离。然后，焊线M从调节后的滴涂水平面被馈送到键合盘的表面。通过保持在滴涂水平面上，该接触传感器控制了被滴注在键合盘上的焊线M的体积。因此，本发明较佳实施例提供了一种滴涂焊线M的方法，以在具有高生产率的同时于键合盘上形成网状阵列焊点或薄的图样。而且，滴涂器端部32的接触传感器或其他接触传感器可以电气连接在焊线M上，以便于得以确定在滴涂开始处焊线M和键合盘或衬底12 接触的准确瞬间。其后，滴涂焊料的体积等同于焊线M从滴涂开始处进给至键合盘或衬底 12的长度。以下描述了使用根据本发明较佳实施例所述的焊料滴涂器10的典型的焊线滴涂方法。首先通过X-Y平台17将焊料滴涂器10定位在衬底12的目标键合盘上方。滴涂器端部32被配置来通过滴涂器端部32内部的接触传感器驻留在距离键合盘表面一段预定的高度处。同时，衬底12在一个封闭的位于形成的气体环境中的热量通道内被加热至一预定的温度，其通常大约为在焊料的熔点上方30至80摄氏度。使用压轮14将多根焊线M驱动通过各自的进给通道。焊线M被引导进入滴涂器主体18中的滴涂通道19中。由于压缩气体或其他气体，滴涂通道19的温度被保持很低， 以便于焊线M保持为固态一直到焊线M与衬底12的加热表面接触。焊线M熔融的速率取决于焊线M离加热衬底12的滴涂距离。焊线M的端部被熔融和根据处置的方式形成有一个或多个液态圆点、焊点或者描画焊料图样。没有熔融和保持为固态的焊线M从衬底表面处退回，这样结束了衬底上的滴涂和/或图样描画的处理。值得欣赏的是，如上所述，本实施例所述的包含有多个滴涂通道19同时滴涂多根焊线M成焊点或多个描画图样的焊料滴涂器10，和通过单独的滴涂通道进行焊料滴涂相比，是有益的。单独的滴涂通道19通常滴注单个的以圆点形式存在的、相当厚和不均勻的焊点，其不可能让晶粒得到合适的装配。由于较薄圆焊点被形成以允许更加精确的晶粒装配，所以以网格阵列形式存在的多个细小的焊点是更加有效的。通过多个通道同时滴涂焊料形成更薄和更平的焊料图样，即，更加均勻地分散开来的薄的焊料圆点。和使用单一的焊线进行滴涂相比，这是合适的，因为无空隙的和更为平坦的焊料层得以实现，这有助于避免芯片倾斜。另外，使用单一的焊线进行滴涂处理是缓慢的，因此焊接生产率很低。当半导体芯片很大时，这种缓慢的滴涂方法加重了焊料氧化的难题。根据本发明较佳实施例所述的多根焊线滴涂加快了滴涂处理，以提高焊接的生产率和降低焊料氧化的程度。另外，在单一焊线滴涂器中频繁发生的焊线堵塞和不完整图样出现的发生率在使用如上所述的焊料图样滴涂方法中得以避免。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滴涂焊料以将半导体芯片安装于衬底上的装置，该装置包含有 滴涂主体；以及第一滴涂通道和第二滴涂通道，其延伸穿越该滴涂主体，第一滴涂通道和第二滴涂通道中的每一个被操作来接收单独的焊线，以将焊线进给至滴涂主体朝向衬底的端部；其中，该滴涂通道被操作来同时从滴涂主体的端部引入固态的焊线，该焊线一旦和被加热的衬底接触将会被熔融。
2.如权利要求1所述的装置，该装置还包含有焊线进给器，其包括具有多个进给通道的压轮，焊线在被馈送进入滴涂通道以前被插置入该进给通道中并被固紧。
3.如权利要求2所述的装置，其中，每个进给通道具有V形孔洞，以用于引导和定位焊线。
4.如权利要求2所述的装置，该装置还包含有间隙，该间隙位于一对压轮之间，其中一对压轮之间的间隙是可调节的以控制焊线上的固紧力。
5.如权利要求1所述的装置，该装置还包含有多个线筒，每个线筒被配置来将焊线进给至滴涂主体。
6.如权利要求1所述的装置，该装置还包含有定位装置，其安装于滴涂主体上，该定位装置被用于在垂直于焊线的进给方向的方向上相对于衬底移动滴涂主体至衬底，以在衬底上描画焊料图样。
7.如权利要求1所述的装置，该装置还包含有冷却室，其沿着滴涂主体的长度方向布置，该冷却室被用于冷却设置于滴涂主体内部的焊线。
8.如权利要求7所述的装置，该装置还包含有冷却气体入口和冷却气体出口，该冷却气体入口和滴涂主体相连以将冷却气体引入至冷却室中，该冷却气体出口和滴涂主体相连以将冷却气体排除，该冷却气体从滴涂主体处带走热量。
9.如权利要求7所述的装置，该装置还包含有冷却气体密封剂，其位于滴涂主体的相对端部附近，该冷却气体密封剂被用于将沿着滴涂主体的长度方向布置的冷却室密封。
10.如权利要求1所述的装置，该装置还包含有导引漏斗，其在和滴涂主体朝向衬底的端部相反的另一端部和滴涂通道相连，以引导每根焊线进入每个滴涂通道中。
11.如权利要求10所述的装置，其中，该导引漏斗设置在陶瓷管中。
12.如权利要求1所述的装置，该装置还包含有滴涂器端部，其位于滴涂主体朝向衬底的一端，该滴涂器端部包含有用于在接触位置感测滴涂器端部和衬底之间的接触的接触传感器，以便于为滴涂主体建立滴涂水平面，该滴涂水平面和接触位置在空间上相分离。
13.如权利要求12所述的装置，其中，接触传感器的一个或多个被电气连接至焊线上， 用于在焊料滴涂开始时感测焊线和衬底之间的接触，以便于计算焊料滴涂期间被滴涂的焊线长度。
14.如权利要求12所述的装置，其中，滴涂通道是用绝缘材料制成。
15.一种用于在衬底上滴涂焊料以将半导体芯片安装于衬底上的方法，该方法包含有以下步骤提供滴涂主体；将多根焊线通过多个延伸穿越该滴涂主体的滴涂通道；将焊线进给至滴涂主体朝向衬底的端部；以及从滴涂主体的端部同时引入处于固态的多根焊线，该焊线一旦和被加热的衬底接触将会被熔融。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该焊线一旦和衬底接触将会被熔融以同时形成多个焊点。
17.如权利要求15所述的方法，其中，将焊线进给至衬底在进给方向上得以完成，同时在垂直于该进给方向上移动滴涂主体以便于在衬底上描画一个或多个焊料图样。
18.如权利要求15所述的方法，该方法还进一步包含有以下步骤在接触位置感测滴涂器端部和衬底之间的接触，该滴涂器端部包含有接触传感器，其后在引入焊线至衬底以前，移动滴涂主体至位于衬底上方的预定水平面上，该预定水平面和接触位置在空间上相分离。
19.如权利要求18所述的方法，该方法还进一步包含有以下步骤将一个或多个接触传感器电气连接至焊线，以在焊料滴涂开始处感测焊线和衬底之间的接触，然后计算从焊料滴涂开始以来被滴涂的焊线长度。
20.如权利要求15所述的方法，该方法还进一步包含有以下步骤在焊线正被进给至滴涂主体的端部的同时，冷却滴涂通道，以便于在焊线引入至被加热的衬底期间将焊线维持在固态。
全文摘要
本发明提供一种用于在衬底上滴涂焊料以将半导体芯片安装于衬底上的装置，该装置包含有滴涂主体；第一滴涂通道和第二滴涂通道，其延伸穿越该滴涂主体，第一滴涂通道和第二滴涂通道中的每一个被操作来接收单独的焊线，以将焊线进给至滴涂主体朝向衬底的端部；其中，该滴涂通道被操作来同时从滴涂主体的端部引入固态的焊线，一旦和被加热的衬底接触其将会被熔融。
文档编号H01L21/60GK102233465SQ20111011196
公开日2011年11月9日 申请日期2011年5月3日 优先权日2010年5月4日
发明者叶镇鸿, 屠平亮, 林钜淦 申请人:先进自动器材有限公司