用于將多個半導體芯片結合到基板上的裝置和方法
【技術領域】
[0001]各個實施例涉及用于將半導體芯片結合至基板的裝置和用于在基板上結合多個半導體芯片的方法。
[0002]背景
[0003 ]許多電子裝置包括以電子裝置工作的方式來控制的電子電路。電子電路可包括一個或多個半導體芯片結合在其上面的基板。
[0004]結合半導體芯片的過程可以包括使用中間材料，諸如例如附著至基板上的焊料。另外，中間材料可以是導電的，以便電信號可以從基板行進至芯片。基板可以包括用于在基板的不同部件之間以及結合至基板的不同半導體芯片之間傳送電信號的一個或多個導電軌。
[0005]將半導體芯片結合至基板的過程可包括使半導體芯片接觸基板并施加壓力和/或熱。
[0006]在過去的幾十年中，一直存在著持續小型化電子裝置的驅動。這繼而產生將更小半導體芯片結合至基板上的需求。隨著半導體芯片的尺寸變得更小，其與基板的連接也變得更小。因此，結合過程應將半導體芯片精確地定位在基板上。如果基板和半導體芯片未對準，則半導體芯片可能失效或不完全起作用。因此，必須開發用于將半導體芯片精確對準基板并結合至基板來結合半導體芯片的裝置。
[0007]還存在減少花在將半導體芯片結合至基板的時間的驅動。通過減少這個時間，減少制造電子裝置所花的總時間是可能的。繼而在相同的時間段內可以制造更多的電子裝置，這對于大規模生產應用是明顯有利的。因此，必須開發用于將半導體芯片有效結合至基板來結合半導體芯片的裝置。
[0008]概述
[0009]根據本發明的方面，提供用于將半導體芯片結合至基板的裝置，所述裝置包括:
[0010]框架；
[0011 ]耦接至所述框架的多個結合頭，每個結合頭可操作來獲得和釋放芯片；以及
[0012]耦接至所述框架和可操作來接收基板的結合臺；
[0013]所述多個結合頭中的每個結合頭可相對于所述結合臺相對運動并可操作來使由結合頭獲得的芯片與在所述結合臺上接收的基板接觸并釋放所述芯片以將所述芯片結合至所述基板。
[0014]所述多個結合頭中的至少兩個結合頭可操作來使由至少兩個結合頭獲得的芯片作為一體相對于所述結合臺運動。
[0015]所述至少兩個結合頭可操作來使由至少兩個結合頭獲得的芯片作為一體在平行于所述結合臺的平面的平面中運動。
[0016]所述至少兩個結合頭可操作來使由至少兩個結合頭獲得的芯片作為一體朝所述結合臺或遠離所述結合臺運動。
[0017]所述多個結合頭中的一個結合頭可操作來使由所述一個結合頭獲得的芯片相對于由所述多個結合頭中的另一結合頭獲得的芯片相對運動。
[0018]所述一個結合頭可操作來使由所述一個結合頭獲得的芯片獨立于由另一結合頭獲得的芯片在平行于所述結合臺的平面的平面中運動。
[0019]所述一個結合頭可操作來使由所述一個結合頭獲得的芯片獨立于由另一結合頭獲得的芯片朝所述結合臺或遠離所述結合臺運動。
[0020]所述多個結合頭可以可移動地耦接至所述框架，以及所述結合頭可線性布置，并且毗鄰對的結合頭之間的間距可以是可調節的。
[0021]所述多個結合頭可經由導軌耦接至所述框架，以及每個結合頭可以可操作來在所述導軌上滑動以調節毗鄰對的結合頭之間的間距。
[0022]所述導軌的長度可以被設定尺寸，使得當所述至少一個結合頭滑向所述導軌的端部時，所述至少一個結合頭和所述結合臺之間的相對運動受限制，使得所述至少一個結合頭不能使由所述至少一個結合頭獲得的芯片接觸基板。
[0023]所述導軌可以可移動地耦接至所述框架以及所述導軌可包括可操作來使所述導軌向所述結合臺運動或遠離所述結合臺運動以使多個結合頭向所述結合臺運動或遠離所述結合臺運動的驅動機構。
[0024]所述框架可包括第一平臺和相對的第二平臺，所述第一平臺通過至少一個支柱與所述第二平臺隔開并且保持平行于所述第二平臺，所述多個結合頭耦接至第一平臺以及所述結合臺親接至第二平臺。
[0025]所述結合臺可以可移動地耦接至第二平臺，以及所述結合臺可包括驅動機構，所述驅動機構可操作來將結合臺在平行于第二平臺的平面中移動。
[0026]所述裝置還可包括可移動地耦接至所述框架的饋送器，所述饋送器包括可操作來使所述饋送器在加載位置和饋送位置之間運動的驅動機構，其中，在所述加載位置，所述饋送器被配置為接收芯片，在所述饋送位置，所述饋送器被配置為向多個結合頭中的一個呈現芯片，以便所述一個結合頭可以從所述饋送器獲得芯片。
[0027]所述饋送器可以可操作來接收至少兩個芯片并向多個結合頭中的不同結合頭呈現每個芯片。
[0028]所述裝置還可包括加載機構，當所述饋送器處于加載位置時，加載機構可操作來將芯片從晶圓加載到所述饋送器上。
[0029]所述裝置還可包括可移動地耦接至所述框架的攝像頭，所述攝像頭包括驅動機構，其可操作來使攝像頭相對于多個結合頭和結合臺運動，所述攝像頭被配置為用于測量至少一個結合頭相對于所述結合臺的位置，其中，所述至少一個結合頭和結合臺可操作來根據攝像頭所測的位置運動以彼此對準。
[0030]所述攝像頭可被配置為用于在所述至少一個結合頭和所述結合臺之間運動，所述攝像頭具有用于測量所述至少一個結合頭相對于基準的位置的第一透鏡，以及用于測量所述結合臺相對于基準的位置的第二透鏡，其中，所述至少一個結合頭和所述結合臺被配置為根據由第一和第二透鏡測量的位置運動以彼此對準。
[0031]所述多個結合頭中的至少一個結合頭可操作來加熱由至少一個結合頭獲得的芯片。
[0032]當所述芯片與基板接觸時，所述多個結合頭中的至少一個結合頭可操作來向所述芯片施加預定的壓力。
[0033]所述多個結合頭中的至少一個結合頭可包括抽吸設備，其中，當芯片呈現給所述至少一個結合頭時，所述抽吸設備被配置為將所述芯片吸到所述至少一個結合頭上并保持抽吸以使所述芯片保持在所述至少一個結合頭上，并且其中，所述抽吸設備被配置為解除抽吸以將所述芯片從所述至少一個結合頭釋放。
[0034]所述裝置還可包括與所述結合臺和所述多個結合頭中的每個結合頭通信的控制器，所述控制器可操作來控制每個結合頭以相對于所述結合臺相對運動，以獲得芯片和釋放所獲得的芯片。
[0035]所述裝置還可包括另外的框架、耦接至所述另外的框架的另外多個結合頭、耦接至所述另外的框架的另外的結合臺和可移動地耦接至所述另外的框架的另外的饋送器，
[0036]其中，所述另外多個結合頭中的每個結合頭相對于所述另外的結合臺可相對運動并可操作來使由所述結合頭獲得的芯片與在所述另外的結合臺上接收的另外的基板接觸并釋放所述芯片以將所述芯片結合至所述另外的基板，
[0037]其中，所述另外的饋送器包括可操作來使所述另外的饋送器在加載位置和饋送位置之間運動的驅動機構，其中，在所述加載位置，所述另外的饋送器被配置為接收芯片，在所述饋送位置，所述另外的饋送器被配置為向所述另外多個結合頭中的一個呈現芯片，以便所述一個結合頭可以從所述另外的饋送器獲得芯片，以及
[0038]其中，當所述饋送器處于加載位置時，所述加載機構可操作來將芯片加載到所述饋送器上以呈現給所述多個結合頭的結合頭，以及當所述另外的饋送器處于加載位置時，所述加載機構可操作來將芯片加載到所述另外的饋送器上以用于呈現給所述另外多個結合頭的結合頭。
[0039]根據本發明的第二方面，提供用于將多個半導體芯片結合至基板上的方法，所述方法包括:
[0040]a.將基板接收至結合臺上；
[0041 ] b.由第一結合頭獲得第一芯片；
[0042]c.使第一結合頭和所述結合臺彼此相對運動，以將在所述第一結合頭上的第一芯片與在所述結合臺上的基板對準；
[0043]d.通過第二結合頭獲得第二芯片；
[0044]e.使第一結合頭朝所述結合臺運動，以使第一芯片接觸所述基板并釋放第一芯片以使第一芯片結合至所述基板，并使第一結合頭從所述結合臺回縮；
[0045]f.使第二結合頭和所述結合臺彼此相對運動，以將在所述第二結合頭上的第二芯片與在所述結合臺上的基板對準;并且
[0046]g.使第二結合頭朝所述結合臺運動，以使第二芯片接觸所述基板并釋放第二芯片以使第二芯片結合至所述基板，并使第二結合頭從所述結合臺回縮。
[0047]所述方法還可包括:
[0048]在第一結合頭從所述結合臺回縮后，由第一結合頭獲得第三芯片，以及
[0049]在第二結合頭從所述結合臺回縮后，由第二結合頭獲得第四芯片。
[0050]所述方法還可包括:
[0051 ]在將第一芯片釋放在所述基板上之前，加熱第一結合頭上的第一芯片;并且
[0052]在將第二芯片釋放在所述基板上之前，加熱第二結合頭上的第二芯片。
[0053]所述方法還可包括:
[0054]在將第一芯片釋放在所述基板上之后，延緩第一結合頭獲得第三芯片以允許第一結合頭冷卻;并且
[0055]在將第二芯片釋放在所述基板上之后，延緩第二結合頭獲得第四芯片以允許第二結合頭冷卻。
【附圖說明】
[0056]通過下面僅作為示例的書面描述，并結合附圖，本發明的實施例對于本領域的普通技術人員而言將更好理解并且是明顯的，其中，相同的參考標號指的是相同的部件，其中:
[0057]圖1是根據實施例用于結合的裝置的透視圖；
[0058]圖2是根據實施例的結合頭的前視圖；
[0059]圖3是用于圖1的結合的裝置的部件的前視圖；
[0060]圖4是用于圖1的結合的裝置的進一步透視圖；
[0061]圖5a和5b是根據兩個不同實施例的用于結合的裝置的前視圖；
[0062]圖6是根據實施例用于結合的裝置的透視圖；
[0063]圖7是根據實施例用于結合的裝置的透視圖；
[0064]圖8是根據實施例用于結合的裝置的透視圖；
[0065]圖9a是根據實施例用于結合的裝置的一部分的前視圖，圖9b是圖9a的裝置的結合組的前視圖，以及圖9c是所述結合組的底視圖；
[0066]圖1Oa是用于圖9a的結合的裝置的結合頭的前視圖，圖1Ob是結合頭的側視圖，以及圖9c是所述結合頭的底視圖；
[0067]圖1la是在第一構造中用于圖9a的結合的裝置的結合組的前視圖，以及圖9b是第二構造中的結合組的前視圖；
[0068]圖12是根據實施例用于結合的裝置的平面圖；
[0069]圖13是根據實施例用于結合的方法的流程圖；
[0070]圖14a_g是當運行以執行圖13的結合的方法時，根據實施例用于結合的裝置的部件的平面圖；
[0071]圖15a_d是根據實施例用于結合的裝置的部件的平面圖；
[0072]圖16是根據實施例用于結合的方法的流程圖。
[0073]圖17a_c是當運行以執行圖16的結合的方法時，根據實施例用于結合的裝置的部件的平面圖；
[0074]圖18是根據實施例的視覺系統的運行的平面圖；以及
[0075]圖19是根據實施例用于結合的方法的流程圖。
[0076]詳細描述
[0077]各個實施例涉及用于將半導體芯片結合至基板的裝置和用于在基板上結合多個半導體芯片的方法。在一個實施例中，半導體芯片可稱為芯片或管芯。
[0078]圖1示出根據實施例用于將半導體芯片結合至基板的裝置2。裝置2包括兩個結合頭4、6，結合臺8和框架10。結合頭4、6耦接至框架10。結合臺8耦接至框架10。應當理解，兩個結合頭4、6表示多個結合頭。在使用中，每個結合頭4、6可操作來獲得和釋放半導體芯片，而結合臺8可操作來接收基板。另外，每個結合頭4、6可相對于結合臺8相對運動并可操作來使由結合頭4、6獲得的芯片與在結合臺8上接收的基板接觸并釋放所述芯片以將所述芯片結合至所述基板。在一個實施例中，所述多個結合頭可相對于結合臺8運動和/或結合臺8可相對于多個結合頭運動。
[0079]下面參考圖1的具體實施例進一步描述裝置2的細節及其工作。應當理解，這些進一步細節的至少一些可能在一些其它實施例中是不存在的。
[0080]如在圖1中可更具體看出，框架10支持裝置2的包括結合頭4、6和結合臺8的各種零件。框架10包括較低的平臺10b、較高的平臺1a和兩個支柱1c和10d。支柱1c和1d將上平臺1a保持在下平臺1b上面并與下平臺1b隔開。所述上平臺和下平臺之間的精確間距可在不同實施例之間改變。上平臺1a保持實質上平行于下平臺10b。為確保裝置2的不同零件在運行中是穩定的，框架10可由剛性材料諸如例如金屬制成。
[0081]在一個實施例中，結合臺8通過X-Y定位系統(8卩，驅動機構)親接至下平臺10b。具體地，結合臺8被配置為借助X-Y定位系統在下平臺1b上面并與其平行的平面中運動。X-Y定位系統包括導條12，該導條12具有定位在其上的兩個導軌14a和14b。結合臺8的下面構造有導軌14a和14b在其中滑動的協同凹槽(未示出)。因此，結合臺8可被配置為沿導條12來回滑動。裝置2還可包括使結合臺8在導條12上運動的驅動機構，諸如馬達。應當理解，結合臺8的下面與被配置為接收所述基板的結合臺8的面相反。
[0082]另外，下平臺1b包括兩個導軌16a和16b。導條12的下面構造有導軌16a和16b在其中滑動的協同凹槽(未示出)。因此，導條12被配置為在下平臺1b上來回滑動。裝置2還可包括使導條12上在下平臺1b上運動的驅動機構，諸如馬達。應當理解，導條12的下面與被配置為接收結合臺8的導條12的面相反。還應當理解，結合臺8的來回滑動運動基本上垂直于導條12的來回滑動運動，使得結合臺8可以相對于下平臺1b在X和/或Y方向運動。所述X和Y方向在圖1中通過相應的箭頭表示。
[0083]裝置2可包括與X-Y定位系統通信的控制器(未示出)。在使用中，控制器可與X-Y定位系統交換電信號，以便與X-Y定位系統通信并對其控制。例如，控制器可控制結合臺8的X和Y運動。在一個實施例中，控制器可向X-Y定位系統發送指令，所述指令命令X-Y定位系統如何運行。X-Y定位系統可向控制器發送反饋數據，以幫助控制器控制X-Y定位系統的運行。
[0084]結合頭4和6親接至上平臺10a。結合頭4和6可以是相冋的。
[0085]下面根據圖2的實施例描述結合頭201的結構。應當理解，在一個實施例中，結合頭4和6與圖2的結合頭201相同。
[0086]在一個實施例中，結合頭201可操作來獲得和釋放芯片(未示出)。例如，所述芯片可與在結合臺8上接收的基板接觸并被釋放至所述基板上。結合頭201包括結合致動器204，其耦接至上平臺1a的頂面。驅動軸208耦接在結合頭201的結合致動器204和結合板210之間。驅動軸208通過上平臺1a中的鏜孔(未示出)定位并可在所述鏜孔中滑動。結合板210也可通過結合裝置201的至少兩個結合滑動導向件206a和206b運動耦接至上平臺10a。每個結合滑動導向件206a、206b在通過上平臺1a的相應鏜孔(未示出)內滑動。結合致動器204和結合滑動導向件206a和206b形成用于控制結合頭201相對于結合臺8和上平臺1a垂直運動的系統。具體地，結合致動器204可垂直延伸或回縮驅動軸208，以使結合板210向上平臺1a運動或遠離上平臺1a運動。結合滑動導向件206a和206b確保結合頭201在垂直運動時的穩定性和對準。
[0087]在一個實施例中，水平運動板212可耦接至結合板210的下面。在一個實施例中，水平運動板212被配置為在跨結合板210的X方向水平滑動。這個運動方向在圖2中通過X標記的箭頭表示。另外，水平運動板212被配置為在跨結合板210的Y方