確定和調節半導體元件結合相關平行度級別的系統和方法
【專利說明】確定和調節半導體元件結合相關平行度級別的系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年12月3日提交的美國臨時專利申請N0.61/911，011和2013年12月17日提交的美國臨時專利申請N0.61/916，930的權益，二者的全部內容通過引用結合于此。
技術領域
[0003]本發明涉及半導體封裝件的形成，并且更具體地涉及用于將半導體元件結合到一起的改進系統和方法。
【背景技術】
[0004]在半導體封裝工業的某些方面中，半導體元件被結合到結合部位。例如，在傳統晶片附接應用(也已知為晶片結合)中，半導體晶片被結合到結合部位(例如，引腳框、堆疊晶片應用中的另一晶片、墊片，等等)。在先進的封裝應用中，半導體元件(例如，裸露半導體晶片、封裝半導體晶片，等等)被結合到基板(例如，引線框，PCB，載架，半導體晶片，BGA基板，等等)的結合部位，導電結構(例如，導電凸塊，接觸墊，焊料凸塊，導電柱，銅柱，等等)提供半導體元件和結合部位之間的電互連。
[0005]在許多應用中(例如，熱壓半導體元件結合，包括焊料凸塊，等等)，特別希望結合工具和結合機的支撐結構的相應部分之間具有足夠的平行度級別。例如，在(I)由結合工具結合的半導體元件與(2)由支撐結構支撐的基板之間有許多互連。這些互連可包括焊料或類似物，并且因而特別希望結合工具的接觸部分和支撐結構的相應部分之間基本上平行。
[0006]因此，希望提供用于確定和調節結合機元件之間平行度的改進的系統和方法。
【發明內容】
[0007]根據本發明的示例性實施方式，提供了用于結合半導體元件的結合機。結合機包括:支撐結構，其被構造成支撐基板；結合頭組件，其包括結合工具，所述結合工具被構造成將多個半導體元件結合到基板；和校準工具，其包括接觸部分，所述接觸部分被構造成定位在結合工具和支撐結構之間，其中，所述接觸部分被構造成在校準操作中同時被結合工具和支撐結構中的每個接觸。
[0008]根據本發明的另一示例性實施方式，提供了一種用于確定結合工具與結合機的支撐結構之間平行度級別的方法。所述方法包括下述步驟:(a)將校準工具的接觸部分定位在結合工具和支撐結構之間；(b)降低結合工具以帶動校準工具的接觸部分到達支撐結構的結合部位中的接觸位置，在此校準工具的接觸部分同時與結合工具和接觸位置接觸；和(C)在結合工具和支撐結構中的每個與校準工具的接觸部分接觸的狀態下，確定接觸位置的z軸高度值。
[0009]根據本發明的另一示例性實施方式，提供了一種確定結合工具的接觸部分與結合機的助焊劑站的接觸區域之間平行度級別的方法。所述方法包括下述步驟:(a)將校準工具的接觸部分定位在結合工具和助焊劑站的接觸區域之間；(b)降低結合工具以帶動校準工具的接觸部分到達助焊劑站的接觸區域中的接觸位置，在此校準工具的接觸部分同時與結合工具的接觸部分和助焊劑站的接觸區域中的接觸位置接觸；和(C)在結合工具的接觸部分和助焊劑站的接觸區域中的每個與校準工具的接觸部分接觸的狀態下，確定助焊劑站的接觸區域中的接觸位置的z軸高度值。
【附圖說明】
[0010]通過結合附圖閱讀以下詳細說明被最佳地理解本發明。強調的是，根據慣例，視圖的各種特征并非成比例。相反地，各種特征的尺寸為了清楚起見被任意地放大或縮小。附圖中包括的是以下視圖:
[0011]圖1A是展示由結合工具攜帶的半導體元件在結合到基板之前的示意性側視圖；
[0012]圖1B示出了結合到基板之后的圖1A中的半導體元件；
[0013]圖2是本發明示例性實施方式的結合機中的各個元件的示意性透視圖；
[0014]圖3是根據本發明另一示例性實施方式的另一種結合機中的各個元件的示意性透視圖；
[0015]圖4A是圖3中的根據本發明示例性實施方式的基板結合部位的示意性放大透視圖；
[0016]圖4B-4D是展示根據本發明各種示例性實施方式的結合工具和校準工具針對校準過程的運動的示意性側視圖；
[0017]圖5是展示確定本發明示例性實施方式的結合機中的結合工具和支撐結構之間平行度級別的方法的流程圖；
[0018]圖6是根據本發明又一示例性實施方式的又一種結合機中的各個元件的示意性透視圖；以及
[0019]圖7是確定本發明示例性實施方式的結合機中的結合工具的接觸部分和助焊劑站的接觸區域之間平行度級別的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]這里使用的術語“半導體元件”旨在指代包括(或在后來步驟配置成包括)半導體芯片或晶片的任何結構。示例性半導體元件包括裸露半導體晶片、在基板(例如，引腳框、PCB、載體、半導體晶圓、BGA基板，等等)上的半導體晶片、封裝半導體器件、倒裝芯片型半導體器件、嵌入基板中的晶片、半導體晶片堆，等等。而且，半導體元件可以包括配置成將結合或包括到半導體封裝件(例如，將結合到堆疊晶片構型中的墊片，基板，等等)中的元件。
[0021]這里使用的術語“基板”旨在指代可在其上結合(例如，熱壓結合，超聲結合，熱超聲結合，裸晶結合，等等)半導體元件的任何結構。示例性基板包括，例如，引線框，PCB，載架，半導體晶片，BGA基板，半導體元件，等等。
[0022]根據本發明的一些示例性實施方式，熱壓倒裝芯片型結合機包括結合頭組件，其攜帶著結合工具。結合工具將半導體元件(例如，半導體裸晶，中介層，等等)安置并結合到基板，其中焊料凸塊在被安置的半導體元件上熔化和重新固化以產生焊料結合部。控制最終焊料結合部的高度是預期的控制對象。在這個實施方式中，由于半導體元件上的全部焊料凸塊在一個時間被結合，因此所導致的整個半導體元件上的焊料結合部高度差異直接取決于被結合的半導體元件和目標基板的平行度。關于結合機，希望控制結合工具(例如，結合工具的接觸部分/接觸面)和結合機的支撐結構(也可稱作結合臺)之間的平行度。整個基板上的平行度(或共面度)的預期窗口可以非常窄(例如，在整個基板上有2-3微米的變化)。因此，希望結合工具和支撐結構之間有非常精確的對正。
[0023]根據一些示例性實施方式，本發明涉及確定(例如，測量)結合工具和支撐結構之間平行度級別的方法，例如，用以驗證成功校準，以使得能夠在確保實現期望的結合高度控制的狀態下進行結合。此外，確定平行度級別可被用于產生用于結合工具和/或支撐結構的期望的修正運動/調節(例如，結合工具中使用主動/被動俯仰控制機構)。
[0024]本領域技術人員可以理解，結合機具有不同的運動系統構造。在本申請中，很多描述涉及專門的構造(其中一些元件具有一些運動軸線)；然而，可以理解，本發明不限于這樣的構造。如后面參照附圖所作更詳細描述，示例性構造包括:(I)支撐結構，其沿著X軸方向可移動；(2)結合頭組件(攜帶結合工具)，其沿著y軸方向、z軸方向以及繞Θ軸可移動；和輔助運動系統(例如，光學組件運動系統)，其沿著X軸方向、y軸方向和z軸方向可移動。輔助運動系統被構造成攜帶校準工具(例如，包括沿z軸方向具有順應性的梁部，和具有2個球形接觸面/部分的接觸部分)，并且可將校準工具的接觸部分安置在結合工具和支撐結構之間。結合工具沿著z軸下降直到與校準工具相接觸，并且繼續下降直至校準工具接觸支撐結構。在校準工具和支撐結構之間發生接觸后，z軸位置編碼器(例如，位于結合頭組件或結合機的其它部分上)的位置被記錄。這種位置測量可在支撐結構的結合部位中的多個x、y位置處反復進行(例如，通過輔助運動系統的運動)。利用一組測量值可產生結合部位中的多個X、y坐標位置處的z軸數據的數據組，這可提供結合工具和支撐結構的結合部位之間的平行度/平面度誤差的指示。對于支撐結構上的每個結合部位，可通過分別沿著X、y軸將支撐結構和/或結合頭組件移動到各種結合部位而反復進行位置測量。此外，這種方法還可用于測量結合工具和可選的助焊劑站之間的平行度。此外，這種方法還可用于測量支撐結構的平坦度。
[0025]上面描述的技術還可以結合調節/校準過程使用。例如，為支撐結構的多個結合部位提供的z軸位置數據(其中對于每個結合部位的z軸位置數據可包括對于每個結合部位中的多個位置的Z軸高度值)可被用于調節結合工具和支撐結構中的至少一個以改進它們之間的相對平行度。類似地，為助焊劑站的接觸區域中的多個X軸和I軸向位置提供的Z軸位置數據可被用于調節助焊劑站，以改進助焊劑站和結合工具之間的平行度。
[0026]本領域技術人員可以理解，為了清楚，結合機(例如這里展示和描述的機器100、200、300和300a)可包括圖中未示出的許多元件。示例性元件包括，例如:輸入元件，用于提供將與半導體元件結合的基板/工件的輸入；輸出元件，用于接收處理過的基板/工件，其現在包括附加的半導體元件；運輸系統，用于移動基板；半導體元件供應結構(例如，半導體晶片)，其包括將被結合到一或多個基板的多個半導體元件；計算機系統，其包括用于操作機器的軟件；以及其它種種元件。
[0027]現在參看附圖，圖1A示出了結合機100(例如，熱壓倒裝芯片型結合機)的一部分，結合機包括結合臺104 (例如，滑梭臺(shuttle)，加熱的滑梭臺，熱塊，砧