熱壓接合系統及其操作方法
【專利說明】熱壓接合系統及其操作方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2014年2月28日提交的美國臨時專利申請N0.61/945，916的優先權，將其內容通過引用并入本文中。
技術領域
[0003]本發明涉及半導體封裝中電氣互連的形成，并且更特別地，涉及改進的熱壓接合系統及其操作方法。
【背景技術】
[0004]在半導體封裝工業的某些方面中，半導體元件被接合至接合位置。例如，在傳統管芯附接(又稱管芯接合)應用中，半導體管芯被接合至基板(例如，引線框、堆疊管芯應用中的另一管芯、墊片等)的接合位置。在先進的封裝應用中，半導體元件(例如，裸半導體管芯、封裝的半導體管芯等)被接合至基板(例如，引線框、PCB、載體、半導體晶片、BGA基板等)的接合位置。導電結構(例如，導電凸塊、接觸墊、焊接凸塊、導電柱、銅柱等)提供半導體元件與接合位置之間的電氣互連。在某些應用中，這些導電結構可以提供與使用線焊機形成的線環類似的電氣互連。
[0005]在許多應用(例如，半導體元件的熱壓接合)中，焊接材料被包括在導電結構中。在許多這樣的工藝中，熱(例如，通過承載接合工具的接合頭組件中的加熱器)被施加至要接合的半導體元件。重要的是快速完成對熱的施加，使得機器的生產率(例如，UPH或單位每小時)處于可接受的水平。這能夠是具有挑戰性的，因為期望加熱器在不同的時間/位置處于不同的溫度下(例如，與在熱壓接合時的較熱溫度相反，在從諸如晶片的源移除部件期間處于較冷溫度)。
[0006]因此，期望提供用于操作用于接合半導體元件的接合機器的改進的方法。
【發明內容】
[0007]根據本發明的示范性實施例，提供了一種用于接合半導體元件的熱壓接合系統。所述熱壓接合系統包括(I)接合頭組件，其包括用于加熱要接合的半導體元件的加熱器的，所述接合頭組件包括被配置為接收冷卻流體的流體路徑；(2)加壓冷卻流體源；(3)增壓泵，其用于接收來自所述加壓冷卻流體源的加壓冷卻流體并用于增加所接收的加壓冷卻流體的壓力；(4)加壓流體儲存器，其用于接收來自所述增壓泵的加壓冷卻流體；以及(5)控制閥，其用于對加壓冷卻流體從所述加壓流體儲存器向所述流體路徑的供應進行控制。
[0008]根據本發明的另一個示范性實施例，提供了另一種用于接合半導體元件的熱壓接合系統。所述熱壓接合系統包括:接合頭組件，其包括用于加熱要接合的半導體元件的加熱器，所述接合頭組件包括被配置為接收冷卻流體的流體路徑；加壓冷卻流體源；流量控制閥，其用于對將加壓冷卻流體從所述加壓流體源向所述流體路徑的供應進行控制；以及計算機，其用于控制所述流量控制閥，所述計算機被配置為將被提供到所述流體路徑的加壓冷卻流體的所述供應控制成在熱壓接合工藝中的冷卻工藝的不同階段期間是不同的。這樣的熱壓接合系統還可以包括本文中描述的各種其他元件，包括例如增壓泵、加壓流體儲存器、控制閥(例如，數字開/關閥)、溫度傳感器等。
[0009]根據本發明的又一示范性實施例，提供了一種操作熱壓接合機器的方法。所述方法包括以下步驟:(a)提供加壓冷卻流體源；(b)使用增壓泵來增加來自所述加壓冷卻流體源的加壓冷卻流體的壓力；(C)在加壓流體儲存器處接收來自所述增壓泵的加壓冷卻流體；以及(d)利用控制閥來對所述加壓冷卻流體從所述加壓流體儲存器向所述加壓接合系統的接合頭組件中包括的流體路徑的流動進行控制。
[0010]根據本發明的又一示范性實施例，提供了一種操作熱壓接合系統的方法。所述方法包括以下步驟:(a)提供加壓冷卻流體源；以及(b)利用流量控制閥來對加壓冷卻流體從所述加壓冷卻流體源向所述熱壓接合系統的接合頭組件中包括的流體路徑的供應進行控制，通過所述流量控制閥來將被提供到所述流體路徑的加壓冷卻流體的所述供應控制成在熱壓接合工藝中的冷卻工藝的不同階段期間是不同的。當然，這樣的方法可以包括如在本文中描述的其他步驟。
【附圖說明】
[0011]在結合附圖閱讀時，本發明通過以下詳細描述得到最佳理解。要強調的是，根據慣例，附圖的各種特征不是按比例繪制的。相反，為了清晰起見，各種特征的尺寸任意地被擴大或被縮小。在附圖中包括的是以下附圖:
[0012]圖1A-1B是圖示根據本發明的示范性實施例的將半導體元件接合到基板的結構和方法的熱壓接合機器的部分的框圖視圖；
[0013]圖2-7是圖示根據本發明的各種示范性實施例的熱壓接合系統的框圖視圖；
[0014]圖8、圖9A-9B、圖10和圖11是根據本發明的各種示范性實施例的熱壓接合系統的元件的溫度曲線的圖形圖示；以及
[0015]圖12-17是圖示根據本發明的各種示范性實施例的操作熱壓接合系統的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0016]如本文所使用的，術語“半導體元件”旨在指代包括(或者在后面的步驟中被配置為包括)半導體芯片或管芯的任何結構。除了其他之外，示范性半導體元件包括裸半導體管芯、基板(例如，引線框、PCB、載體、半導體芯片、半導體晶片、BGA基板、半導體元件等)上的半導體管芯、封裝的半導體器件、倒裝芯片半導體器件、嵌入在基板中的管芯、一堆疊的半導體管芯。另外，半導體元件可以包括被配置為要接合在半導體封裝中或以其他方式要包括在半導體封裝中的元件(例如，要接合在堆疊管芯配置中的墊片、基板等)。
[0017]如本文所使用的，術語“基板”和“工件”旨在指代半導體元件可以被接合(例如，熱壓接合、超聲接合、恒溫接合、管芯接合等)至的任何結構。示范性的基板包括例如引線框、PCB、載體、半導體芯片、半導體晶片、BGA基板、半導體元件等。
[0018]根據本發明的某些方面，公開了利用接合頭組件中的熱例如以用于熔化和/或軟化作為要接合的半導體元件的互連的一部分而被包括的焊接材料的熱壓接合系統。由接合頭組件承載的接合工具通過熔化并再固化要放置/要接合的半導體元件上的焊接凸塊來將半導體元件放置并接合至基板。為了熔化焊接凸塊，能夠快速加熱接合工具是非常重要的。還期望能夠快速冷卻接合工具，同時保持接合的半導體元件的位置(例如，至單位微米或更小的級)。因此，期望在接合工藝(例如，在加熱階段/工藝、在冷卻階段/工藝等)的全部階段期間，熱壓接合系統(以及相關的工藝)能夠精確控制接合工具的溫度。
[0019]根據本發明的各個方面，在熱壓接合工藝的冷卻階段/工藝期間，可以控制接合頭(例如，諸如加熱器/接合工具的接合頭的部分)的溫度。例如，根據本發明的某些示范性實施例，加壓冷卻流體的流速可以使用模擬流量控制閥來控制(例如，控制為如由計算機程序例如使用以測得的溫度作為反饋信號的命令配置文件控制的可變冷卻速率)。這可以是特別有利的，因為在熱壓接合工藝期間經常存在期望將除了最大系統能力的冷卻速率用于控制接合工藝的時刻。例如，在焊接的初始固化(即，在熔化之后的再固化期間，期望高度控制的(并且可重復的)冷卻以提供基本一致的質量的接合的互連。
[0020]在冷卻工藝的控制的快速冷卻階段(例如，I秒內100_150°C )期間，溫度傳感器(例如，被放置為感測例如加熱器/接合工具的下表面的溫度的反饋傳感器)可以被提供在熱壓接合頭組件內。這樣的反饋控制的冷卻可以與如本文所描述的多階段冷卻工藝結合使用(例如，比最大冷卻小的第一控制冷卻階段，以及在最大冷卻的第二冷卻階段)。
[0021]另外，這樣的反饋控制的冷卻還可以被用在熱壓接合工藝期間的各個時刻。例如，特定量的熱(熱能量)保持在接合頭組件未由溫度反饋傳感器直接測量的部分內。該熱能量從較暖的本體逐漸移動至剛剛冷卻的本體(例如，加熱器/接合工具)。這表現為在溫度反饋設備上的溫度的漂移。在這樣的情況下，不期望在這種情況下使用數字(例如，開/關)冷卻系統，因為不容易控制冷卻量，從而導致接合頭組件的一部分被冷卻至不期望的量。
[0022]根據本發明的各個方面，可以提供增壓泵(例如，機械增壓器)以將進入的加壓冷卻流體增加