專利名稱：用于安裝或者接線半導體芯片的設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種用于將半導體芯片安裝到基底上的設備、用于將半導體芯片接線到基底上的設備以及用于上述安裝和接線處理過程的方法。在本技術領域內，將這種設備稱為芯片焊接機(Die Bonder)和引線接合器(Wire Bonder)。
背景技術：
為了安裝半導體芯片，重要的是，對于許多處理過程，要使半導體芯片與基底之間形成的粘合劑層的厚度在緊密度容限范圍內。此外，重要的是，安裝在基底上的半導體芯片要不偏斜(技術術語稱為“傾斜”)。為了檢驗粘合劑層的厚度和半導體芯片的偏斜度是否未超過預定極限值，必須在處理過程中卸下已裝備好的基底作為隨機樣品并利用測量顯微鏡確定所述厚度以及偏斜度。這種檢驗昂貴，而且該結果只有在延遲一定時間后才能得到。
本發明的目的是開發一種用于安裝半導體芯片的設備以及一種利用其可以以簡單方式確定半導體芯片與基底之間的粘合劑層的厚度以及半導體芯片的任何偏斜度的方法。
發明內容
本發明在于在最少3個位置處無接觸地測量所安裝的半導體芯片背對襯底的表面的高度，，并據此至少計算一個能表征形成在半導體芯片與基底之間的粘合劑層的參數。該至少一個參數例如為粘合劑層的厚度。然而，該至少一個參數還可以是粘合劑層的平均厚度和兩個用于表征半導體芯片的偏斜度的夾角。利用這3個參數，就可以完全確定半導體芯片相對于基底的位置。利用與半導體芯片的大小和厚度有關的信息，可以計算位于半導體芯片下方的任何位置的粘合劑層的局部厚度。特別是，可以計算最小和最大厚度以及粘合劑層的平均厚度的值。
利用測量站，可以確定該至少一個參數，該測量站包括光源，優選是具有激光器的光源，用于產生至少包括兩條線且優選是二維網絡線的光柵，并將它投影到由兩個測量軸形成的、其上放置具有半導體芯片的基底的測量面上；以及攝像機，在攝像機發送的圖像中，半導體芯片以及圍繞半導體芯片的基底的各部分可視。光柵的光斜向照射測量面，以便光柵的各條線在半導體芯片的四個邊緣上展示出偏移。該偏移取決于半導體芯片表面與基底之間的局部高度差以及光照射測量面的投射角。半導體芯片的厚度為已知，如果在3個位置測量局部高度差，則半導體芯片的偏斜度以及考慮了半導體芯片厚度的粘合劑層的平均厚度可以根據半導體芯片邊緣上光柵的各條線的相應偏移來計算。粘合劑層的平均厚度對應于半導體芯片的幾何中心下方的厚度。光柵被優選定向為使其光線平行于半導體芯片的邊緣。攝像機發送的圖像確定兩個正交測量軸，相關于該測量軸，確定半導體芯片的偏斜度。可以使半導體芯片相關于兩個測量軸傾斜。因此，利用兩個夾角α和β來表征其偏斜度。
如果光柵由二維網絡構成，則可以根據不同線的偏移確定夾角α和β，并通過計算平均值，提高其精度。然而，還可以僅根據兩條互相平行或者正交或者任何取向的線，確定夾角α和β。
用于推算粘合劑層的平均厚度的值優選地與設置值進行比較，然后，利用可能的偏差來校正接合過程。在此，在兩個不同接合過程中，會形成本質差別。對主要用于非常小的半導體芯片的第一接合過程，自動組裝機器的接合頭(bondhead)使半導體芯片降低到基底之上的預定高度H，因此該高度H與基底的表面高度HS有關。在這樣做時，粘合劑受壓。利用粘合劑層的平均厚度與設置值的偏差，計算校正值ΔH，一旦要安裝后續半導體芯片，便將接合頭降低到高度H+ΔH。對于第二接合過程，接合頭將半導體芯片放置在基底上，并利用預定力F，使半導體芯片壓緊基底預定時間τ。利用粘合劑層的厚度與設置值的偏差，計算校正值Δτ和/或校正值ΔF，一旦要安裝后續半導體芯片時，接合頭以修改的力F+ΔF和/或修改的時間τ+Δτ使半導體芯片壓緊基底。
當兩個夾角α和β之一或者二者都超過預定值時，建議重新調整接合頭的取向。這可以手動或者自動完成。
本發明還可應用于用于接線半導體芯片的設備，即所謂引線接合器。在接線半導體芯片時，引導引線的毛細管在半導體芯片上的連接點與基底上分配的連接點之間形成引線回路。形成了引線回路后，在半導體芯片上的連接點上方，毛細管首先以高速降低，在碰撞之前突然短暫制動，然后，根據所謂尋優高度(search height)，進一步以較低速度降低，直到毛細管接觸半導體芯片。因為半導體芯片上的連接點的高度因基底不同而不同，所以利用安全容限選擇尋優高度，以便不發生毛細管以非常高的速度碰撞半導體芯片的情況。利用上述測量站，可以確定半導體芯片表面與基底表面之間的局部高度差。當知道3個位置處的基底表面的絕對高度和半導體芯片表面相對于基底的局部高度差時，可據此計算半導體芯片上的每個連接點的絕對高度。然后，可以分別對每個連接點計算尋優高度，而且不再需要附加安全容限。
附圖引入本說明書，作為本說明書的一部分，它示出本發明的一個或者多個實施例，而且它與詳細說明一起用于解釋本發明原理和實現過程。附圖未按比例示出。
附圖包括
圖1示出用于確定接合到基底上的半導體芯片的偏斜度的測量站；圖2示出半導體芯片和基底的平面圖；圖3示出沿圖2所示I-I線剖開的半導體芯片和基底的剖視圖；圖4示出半導體芯片和基底的透視圖；圖5示出在將半導體芯片設置到基底上之前，自動組裝機器的接合頭；以及圖6示出在接線半導體芯片之前引線接合器的各個部件。
具體實施例方式
圖1示出用于確定接合在基底1上的半導體芯片2的偏斜度的測量站的透視圖。利用粘合劑3將半導體芯片2固定到基底1上。測量站包括激光器4或其它適當光源；光學系統5，用于使激光器4(或光源)發出的激光束形成光柵；攝像機6；以及用于評估攝像機6發送的圖像并確定半導體芯片2的傾斜度和/或粘合劑層的平均厚度的裝置15。在攝像機發送的圖像中，投影到半導體芯片2上的光柵可視為各條線7的二維網絡。設置激光器4，以使它發出的光傾斜照射測量面8，在該測量面8上設置了具有半導體芯片2的基底1。因此，在半導體芯片2的邊緣上，光柵的每條單線7發生偏移，偏移程度取決于投影角度和半導體芯片2的表面與基底1的表面之間的高度差。利用攝像機6確定該偏移，而且根據該偏移，計算局部高度差。為了相互之間正確分配各條線7的各部分，相鄰線7之間的距離被選擇為大于期望的最大偏移。
為了表征半導體芯片2的傾斜度，優選使用笛卡兒坐標系，利用攝像機6發送的圖像的圖像軸來定義指定的x和y軸，而且要利于坐標軸大致平行于半導體芯片2的邊緣9.1至9.4。x軸和y軸表示測量面8的兩個測量軸。只要半導體芯片2不出現傾斜，光柵的線就要對準以使得它們大致平行于半導體芯片2的邊緣9.1和9.3或9.2和9.4并因此也平行于兩個測量軸。半導體芯片2的傾斜度由兩個夾角α和β來表征，其中，第一夾角α描述相對于x軸的傾斜度，而第二夾角β表示相對于y軸的傾斜度。夾角α因此表示半導體芯片2的表面相對于x軸的傾角或在y軸上的轉動角度。同樣，夾角β表示半導體芯片2的表面相對于y軸的傾角或在x軸上的轉動角度。利用該實施例，為了根據激光器4發出的光確定兩個夾角α和β，光線必須相對于x軸和y軸斜向照射測量面。這種情況可以在激光器不直接設置在半導體芯片2之上而是在垂直方向橫向偏離半導體芯片2時實現。現在根據圖2和3說明確定夾角α的過程。
圖2示出半導體芯片2和基底1以及在攝像機6(見圖1)發送的圖像中可以看到的光柵的第一線7.1和第二線7.2的平面圖。(為了簡潔起見，省略了光柵的其它線)。因為光柵的光斜向照射半導體芯片2和基底1，所以在半導體芯片2的邊緣9.1和9.3上，線7.1在位置P1＝(x1，y1)具有第一偏移dy(x1，y1)，而在位置P2＝(x2，y1)具有第二偏移dy(x2，y1)。因此，光柵的線7.1包括三部分10、11和12。這兩個偏移dy(x1，y1)和dy(x2，y1)是在y方向沿半導體芯片2的邊緣9.1和9.3測量的兩個部分10與11以及11與12之間的距離。(當在該例中，半導體芯片2相對于兩個測量軸(x軸和y軸)傾斜時，則部分11不平行于半導體芯片2的邊緣9.2和9.4。)坐標(x1，y1)和(x2，y1)表示部分11與邊緣9.1或者部分11與邊緣9.3交叉的位置P1和P2。根據兩個部分10與11之間的偏移dy(x1，y1)，可以計算點P1的局部高度差dz(x1，y1)。根據兩個部分11與12之間的偏移dy(x2，y1)，可以計算點P2的局部高度差dz(x2，y1)。
圖3示出沿圖2中的半導體芯片2的線I-I的剖視圖。粘合劑層的厚度不均勻，即，半導體芯片2傾斜。線13示出產生線7.1的激光束(圖2)。激光束與測量面8一起形成相對于y軸因此也就是相對于基底1的表面的投影角。在該圖中，將部分10和1 1表示為點10’和11’。根據第一偏移dy(x1，y1)，如下計算位置P1的高度差dz(x1，y1)
dz(x1，y1)＝dy(x1，y1)×tan (1)同樣，根據兩個部分11與12之間的第二偏移dy(x2，y1)，如下計算高度差dz(x2，y1)dz(x2，y1)＝dy(x2，y1)×tan (2)如下獲得夾角αα=arctan(dz(x2,y1)-dz(x1,y1)x2-x1)--(3)]]>根據攝像機6發送的圖像，確定偏移dy(x1，y1)和dy(x2，y1)以及兩個點P1與P2之間的距離(x2-x1)。如果攝像機6的光軸垂直于測量面8的表面，而且光柵的線7平行于攝像機6的測量軸即此處它們平行于x軸和y軸，則等式(1)至(3)有效。否則，而且特別是當攝像機6的光軸與測量面形成的夾角不等于90°時，必須調整等式(1)至(3)。
同樣的情況對線7.2有效。即，還可以根據線7.2的偏移確定夾角α。這樣，可以利用光柵的n條不同線，以較高精度獲得作為由n條不同線確定的夾角α1至αn的平均值的夾角α。
同樣，可以根據平行于y軸并因此而平行于半導體芯片2的邊緣9.2和9.4的光柵的各條線的偏移確定夾角β。等式是dz(x3，y3)＝dx(x3，y3)×tanθ(4)dz(x3，y4)＝dx(x3，y4)× tanθ (5)β=arctan(dz(x3,y4)-dz(x3,y3)y4-y3)---(6)]]>
其中，dz(x3，y3)和dz(x3，y4)表示邊緣9.2和9.4與光柵的相應線相交的點P3＝(x3，y3)和P4＝(x3，y4)處的局部高度差，dx(x3，y3)和dx(x3，y4)表示在x方向測量的相應偏移，y4-y3表示兩個邊緣9.2與9.4之間的距離，夾角θ表示光柵相對于x軸的投影角。
此外，當根據多條線確定夾角β，然后計算平均值時，可以提高測量精度。
除了利用夾角α和β表征半導體芯片2的偏斜度之外，只要知道半導體芯片2的厚度，還可以確定粘合劑層的厚度。當根據點P1的高度差、半導體芯片2的厚度、半導體芯片2的四個角離開點P1的距離以及確定的夾角α和β計算出半導體芯片2的四個角下面的粘合劑層的厚度時，可以據此計算出粘合劑層的最小厚度、最大厚度以及粘合劑層的平均厚度。
圖4示出安裝在基底1上的半導體芯片2的透視圖。半導體芯片2具有利用兩個夾角α和β來表征的偏斜度。在圖4中，示出3個高度差dz(x5，y5)、dz(x6，y6)和dz(x7，y7)。這些高度差可以通過例如根據圖2和3所述的半導體芯片2的邊緣9.1和9.3上的線7.1和7.2上的偏移的方法來確定。正如專家所知，利用傳統的幾何學，根據高度差dz(x5，y5)、dz(x6，y6)和dz(x7，y7)，可以計算出夾角α和β。當y7＝y6時，下面的等式有效α=arctan(dz(x6,y6)-dz(x7,y7)x6-x7)--(7)]]>β=arctan(dz(x6,y6)-dz(x5,y5)y6-y5)---(8)]]>正如該實施例所示，最少僅需光柵的兩條線就能確定夾角α和β，其中這兩條線可以互相具有任意取向。這意味著，這兩條線可以互相平行，或者它們可以互相正交，或者它們可以互相傾斜成任意角度。優選地，各條線平行于半導體芯片的邊緣，因為在這種情況下必要的計算最簡單。當這兩條線互相平行時，僅需光相對于x軸或y軸傾斜照射基底1就足夠了。這意味著，光源要設置在半導體芯片2的上方且僅相對于x軸或y軸有橫向偏移。
可以根據3個高程差dz(x5，y5)、dz(x6，y6)和dz(x7，y7)中之任一個以及夾角α和β來計算半導體芯片2的四個角的高度差，當已知半導體芯片的厚度時，可以計算出表征粘合劑層的厚度的參數，例如，粘合劑層的最小、最大和/或平均厚度。
為了確定粘合劑層的平均厚度并檢測接合的半導體芯片相對于兩個測量軸的任何偏斜度，測量站尤其適用于將半導體芯片安裝到基底上的自動組裝機器，即所謂的芯片焊接機。可以利用粘合劑層的平均厚度的測量值方便地自動修改接合過程的參數。如果偏斜程度超過預定值，則起動警報和/或停止芯片焊接機，以便操作員重新調整接合頭的偏斜度。在本技術領域內，芯片焊接機是眾所周知的自動機器。例如從第ZL 98123078.4號中國專利可了解本申請人的一種芯片焊接機。
正如在引言中已經說明的那樣，在第一種接合處理過程中，自動組裝機器的接合頭16將半導體芯片2降低到基底1上方的預定高度H，其中該高度H與基底1的表面有關。圖5示出這種情況。基底1表面的高度Hs由未在此描述的裝置測量。例如，在第04103089.1號歐洲專利申請中，描述了這種適當的裝置。基底1的表面形成由兩個測量軸構成的測量面。光源21輻照的光柵的各條線以預定投影角斜向照射基底1，以便照射半導體芯片2的光柵的每條線在半導體芯片2的至少兩個邊緣上產生偏移。對攝像機6發送的圖像的評估以及對偏斜度的計算在圖像處理單元17中進行，其中圖像處理單元17是分立模塊或者是自動組裝機器的計算機的一部分。
接合頭降低到下式給出的高度HcHC＝HS+H+ΔH其中ΔH是校正值，在開始工作時，設置該校正值等于0。
在完成接合處理并將接合頭16移開之后，就可以按如圖1至4所解釋的那樣來確定粘合劑層的平均厚度D。根據平均厚度D與平均厚度的設置值之間的差值D-DS，利用ΔH1＝-(D-DS)計算校正值ΔH1。利用已知的統計方法，根據順序接合半導體芯片過程中連續確定的值ΔH1來計算用于接合過程的有效校正值ΔH。因此，值ΔH是平均值，以使一次測量僅具有有限影響。
對于第二種接合處理過程，以預定接合力F將半導體芯片壓在基底上預定接合時間τ來安裝半導體芯片。在這樣做時，半導體芯片與基底之間的粘合劑受壓并變形，從而形成沒有氣泡的均勻粘合劑層。在完成接合處理并將接合頭移開之后就可以確定粘合劑層的平均厚度D。根據平均厚度D與平均厚度的設置值DS之間的差值D-DS計算校正值Δτ1和/或校正值ΔF1。根據對幾個順序安裝的半導體芯片確定的各值Δτ1和ΔF1，與先前的例子相同，利用統計方法，確定平均校正值Δτ和ΔF。利用平均校正值Δτ和ΔF調整接合力F或接合時間τ，或者調整接合力F和接合時間τ。然而，該測量站還適合用在接線半導體芯片的自動組裝機器即所謂的引線接合器上，以檢測所接合的半導體芯片相對于兩個正交測量軸的任何偏斜度，并根據該測量值計算引線接合在其上的每個連接點(焊點)在基底上的高度，該高度被表示為z高度。準確知道各連接點的z高度可以使毛細管以盡可能快的速度向每個連接點降低，從而縮短接合周期。在本技術領域內，引線接合器是眾所周知的自動機器。本申請人的一種引線接合器可以從例如第CN1302713號中國專利申請中得知。圖6示出了理解本發明所必需的一種引線接合器的各部件的示意性剖視圖。為了簡潔起見，與基底1和半導體芯片2相比，接合頭16畫得非常小。為了說明問題，安裝在基底1上的半導體芯片2被畫的存在遠大于容許極限值的偏斜度。引線接合器包括基底1的可加熱支架18；壓緊器19，用于使指狀基底1壓緊支架18；接合頭16，用于移動將引線引導到位的毛細管20；以及攝像機6，用于測量基底1和半導體芯片2上的連接點的位置。通常，攝像機6固定在接合頭16上。此外，光源21固定在接合頭16上，它產生進行測量所需的光柵。對于該例子，僅在半導體芯片2上顯示兩個連接點22.1、22.2，并且僅在基底1上顯示兩個連接點23.1、23.2。利用z高度表示連接點的高度。根據下列步驟，將半導體芯片2接線到基底1上-壓緊基底1；-打開光源21，以將至少包括兩條線的光柵投影到基底1上，基底1的表面形成由兩個測量軸構成的測量面，光源21發出的光柵的各條線以預定投影角斜向照射基底1，以便照射半導體芯片2的光柵的每條線在半導體芯片2的至少兩個邊緣上發生偏移；-記錄半導體芯片2以及圍繞半導體芯片2的基底1的各部分的圖像；-根據光柵的各條線在半導體芯片2的至少兩個邊緣上的至少3個偏移計算半導體芯片2上的連接點22.1、22.2相對于基底1的表面的z高度HT，1和HT，2；-優選地并且只要尚為未知就確定基底1的z高度HS；以及-對半導體芯片2上的每個連接點22.1、22.2計算尋優(search)高度HR，1和HR，2以及-在考慮半導體芯片2上的每個連接點22.1、22.2的尋優高度HR，1和HR，2的情況下，將半導體芯片2上的第一連接點22.1、22.2連接到基底1上的第二連接點23.1、23.2上。
各尋優高度通過將z高度與預定常數h相加而獲得，即HR，1＝HT，1+h和HR，2＝HT，2+h。
本發明使毛細管20以最高速度降低到半導體芯片2上的各連接點22.1和22.2的各尋優高度HT。因此，從各尋優高度HR到連接點的距離始終是同樣的且獨立于半導體芯片2的偏斜度的尺寸。預定常數h要選擇的在適應引線接合器的動態特性的情況下盡可能的小。獲得的優點是周期時間更短，因此引線接合器的生產量更大。
盡管對本發明的實施例和應用進行了說明和描述，但是從該公開受益的本技術領域內的普通技術人員應當明白，只要不脫離此處描述的本發明的原理范圍，還可能有比上面描述的更多的修改。因此，除了所附權利要求及其等效物的精神實質范圍之外，本發明并不受到限制。
權利要求
1.一種用于將半導體芯片(2)安裝到基底(1)上的設備，其中在基底(1)與半導體芯片(2)之間形成粘合劑層，所述設備包括攝像機(6)，用于產生其中半導體芯片(2)和圍繞半導體芯片(2)的基底(1)的各部分可視的圖像；光源，用于產生并將由至少兩條線(7)構成的光柵投影到基底(1)上，其中光柵的線(7)以預定投影角()斜向照射基底(1)，以便照射半導體芯片(2)的光柵的每條線(7)在半導體芯片(2)的至少兩個邊緣(9.1-9.4)上發生偏移；以及圖像處理單元(17)，用于利用攝像機(6)發送的圖像，根據至少3個偏移，，計算至少一個用于表征粘合劑層的參數。
2.根據權利要求1所述的設備，其中用于表征粘合劑層的至少一個參數是粘合劑層的平均厚度。
3.一種用于接線安裝在基底(1)上的半導體芯片(2)的設備，該設備包括攝像機(6)，用于產生其中半導體芯片(2)和圍繞半導體芯片(2)的基底(1)的各部分可視的圖像；光源，用于產生并將由至少兩條線(7)構成的光柵投影到基底(1)上，其中光柵的線(7)以預定投影角()斜向照射基底(1)，以便照射半導體芯片(2)的光柵的每條線(7)在半導體芯片(2)的至少兩個邊緣(9.1-9.4)上發生偏移；以及圖像處理單元(17)，用于利用攝像機(6)發送的圖像，根據至少3個偏移，計算半導體芯片(2)上的每個連接點(22.1，22.2)各自的高度。
4.一種用于將半導體芯片(2)安裝到基底(1)上的方法，其中根據下列步驟，至少確定一個用于表征在基底(1)與安裝在基底(1)上的半導體芯片(2)之間形成的粘合劑層的參數將由至少兩條線(7)構成的光柵投影到具有半導體芯片(2)的基底(1)上，其中光柵的線(7)斜向照射基底(1)，以便照射半導體芯片(2)的光柵的每條線(7)在半導體芯片(2)的至少兩個邊緣(9.1-9.4)上發生偏移；記錄半導體芯片(2)和圍繞半導體芯片(2)的基底(1)的各部分的圖像；以及根據光柵的各條線(7)在半導體芯片(2)的至少兩個邊緣(9.1-9.4)上的至少3個偏移，計算所述的至少一個參數。
5.根據權利要求4所述的方法，利用該方法，接合頭(16)將半導體芯片(2)降低到基底(1)上的預定高度H，其中預定高度H取決于所述的至少一個參數的設置值，其中利用所述的至少一個參數與設置值的可能偏差，計算校正值ΔH，其中使接合頭(16)降低到高度H+ΔH，以安裝后續的半導體芯片。
6.根據權利要求4所述的方法，利用該方法，接合頭(16)將半導體芯片(2)設置在基底(1)上，并利用預定力F使它壓緊基底(1)預定時間τ，其中利用所述的至少一個參數與設置值的可能偏差，計算校正值Δτ和/或校正值ΔF，而且其中如果安裝后續半導體芯片，接合頭(16)利用調整的時間τ+Δτ和/或調整的力F+ΔF使半導體芯片(2)壓緊基底(1)。
7.一種用于接線安裝在基底(1)上的半導體芯片(2)的方法，其中利用引線將半導體芯片(2)上的第一連接點(22.1，22.2)連接在基底(1)上的第二連接點(23.1，23.2)上，該方法包括下列步驟將由至少兩條線(7)構成的光柵投影到具有半導體芯片(2)的基底(1)上，其中光柵的線(7)斜向照射基底(1)，以便照射半導體芯片(2)的光柵的每條線(7)在半導體芯片(2)的至少兩個邊緣(9.1-9.4)上發生偏移；記錄半導體芯片(2)和圍繞半導體芯片(2)的基底(1)的各部分的圖像；根據光柵的各條線(7)在半導體芯片(2)的至少兩個邊緣(9.1-9.4)上的至少3個偏移，計算半導體芯片(2)上的每個連接點(22.1，22.2)各自的高度；以及在考慮半導體芯片(2)上的各連接點(22.1，22.2)各自高度的情況下，將半導體芯片(2)上的第一連接點(22.1，22.2)連接到基底(1)上的第二連接點(23.1，23.2)。
全文摘要
用于將半導體芯片(2)安裝到基底(1)上的設備包括測量站，用于在最少3個位置，無接觸測量所安裝的半導體芯片(2)的背對基底(1)的表面的高度。據此計算至少一個用于表征在半導體芯片(2)與基底(1)之間形成的粘合劑層(3)的參數。測量值與設置值的差值用于調整安裝過程。為了確定半導體芯片(2)上的每個連接點的高度，用于接線半導體芯片(2)的設備也包括這種測量站。所獲得的信息用于在盡可能短的時間內，使毛細管降低到半導體芯片(2)上的各個連接點處。
文檔編號H01L23/12GK1595629SQ200410075228
公開日2005年3月16日 申請日期2004年9月13日 優先權日2003年9月12日
發明者帕特里克·布萊辛 申請人:優利訊國際貿易有限責任公司