热压结合器、及其操作方法、和密脚距倒装芯片组件的互连方法

本申请是2015年6月30日递交的、名称为“热压结合器、及其操作方法、和密脚距倒装芯片组件的互连方法”的中国发明专利申请No.201510385809.5的分案申请。

相关申请

本申请要求2014年6月30日递交的美国临时专利申请No.62/019,053的优选权，该申请的内容结合在此引作参考。

技术领域

本发明涉及半导体封装中的电互连的形成，更具体地讲涉及改进的热压结合系统及其操作方法。

背景技术

在半导体器件的处理和封装过程中，在特定器件的互连中，倒装芯片和热压结合技术被使用。与此技术相关联，第一基片(例如，管芯)被结合至第二基片(例如，晶片/晶圆、另一管芯、诸如引线框架的另一基片等)。大体上，第一基片是半导体元件。在每个第一和第二基片上具有导电结构/触头(例如，立柱、迹线等)。例如，在第一基片(例如，管芯)上，导电迹线可以是导电结构，如铜立柱(在其端部上具有焊锡)。在热压结合的过程中，焊锡熔化，并且然后重新固化，因而将第一基片上的导电结构/触头结合至第二基片上的导电结构/触头。

在传统的热压结合中，半导体元件将被结合至的基片可以涂覆有诸如OSP(即，有机保助焊剂)的材料。该材料在焊锡互连形成之前应当被去除。去除该OSP材料是助焊剂材料的功能之一。典型地，助焊剂材料被施涂至管芯的接触表面，并且在管芯的导电结构与基片的导电结构已经彼此接触之后，完成OSP的去除。

去除这种材料的过程中是费时的，这是因为需要单独的助焊剂处理过程以及将材料去除的时间(例如，溶解、燃尽等)。

因而，期望的是提供在倒装芯片和相关应用中提供器件互连的改进的系统和方法。

发明内容

根据本发明的一个示意性实施例，提供了一种热压结合器/热压结合机。所述热压结合器包括结合头，所述结合头包含加热的结合工具，用于将半导体元件结合至基片；以及助焊剂施涂工具，用于在所述半导体元件结合至所述基片之前将助焊剂材料施涂至所述基片的导电触头。

可选地，所述助焊剂施涂工具包括助焊剂冲压器、助焊剂喷流器、助焊剂打印机以及助焊剂丝网印刷机中的至少一个。

可选地，所述助焊剂施涂工具被包含在所述热压结合器的助焊剂处理工位内。

可选地，所述助焊剂处理工位包括支承结构，用于在由所述助焊剂施涂工具施涂助焊剂材料的过程中支承所述基片。

可选地，所述结合头被包含在所述热压结合器的结合工位中，所述结合工位包含支承结构，用于在所述半导体元件结合至所述基片的过程中支承所述基片。

可选地，在所述助焊剂处理工位内包含的支承结构是不同于在所述结合工位内包含的支承结构。

可选地，在所述半导体元件的对应焊锡接触部分与所述基片的对应导电触头接触之前，所述加热的结合工具将所述半导体元件的焊锡接触部分加热至恰低于焊锡接触部分的熔化温度的温度。

可选地，由所述助焊剂施涂工具所施涂的助焊剂材料同所述半导体元件的导电结构与所述基片的相应导电触头之间的热压结合处理相关联地被使用。

可选地，所述助焊剂施涂工具被构造成选择性将所述助焊剂材料施加到仅仅所述基片的导电触头上。

可选地，还包括材料搬运系统，所述材料搬运系统包含运动系统，所述运动系统用于使得所述基片在所述助焊剂处理工位与所述结合工位之间移动。

可选地，使用在所述热压结合器内包含的计算机以电子的方式控制由所述助焊剂施涂工具施涂助焊剂材料。

可选地，在所述热压结合器的助焊剂处理工位支承基片的支承结构被加热，以激活所施涂的助焊剂材料而不会蒸发所述助焊剂材料。

根据本发明的另一个示意性实施例，提供了一种热压结合机的操作方法。所述方法包括以下步骤：(a)利用热压结合机的助焊剂施涂工具将助焊剂材料施涂至基片上的导电结构；以及(b)在上述步骤(a)之后，将半导体元件的导电结构热压地结合至基片的导电结构。

可选地，步骤(a)包括在热压结合器的助焊剂处理工位将助焊剂材料施涂至基片上的导电结构。

可选地，所述助焊剂处理工位包括用于在步骤(a)的过程中支承基片的支承结构。

可选地，步骤(b)包括在热压结合器的结合工位将所述半导体元件的导电结构结合至所述基片的导电结构，所述结合工位包括用于在步骤(b)的过程中支承基片的支承结构。

可选地，在所述助焊剂处理工位所包含的支承结构不同于所述结合工位的支承结构。

可选地，还包括在所述半导体元件的导电结构的对应焊锡接触部分与所述基片的对应导电触头接触之前将焊锡接触部分加热至恰低于焊锡接触部分的熔化温度的温度的步骤。

可选地，步骤(a)包括施涂助焊剂材料以便在步骤(b)的过程中在半导体元件的导电结构与基片的相应导电结构之间提供助焊效应。

可选地，步骤(a)包括将所述助焊剂材料选择性施涂到仅仅所述基片的导电结构上。

可选地，还包括在步骤(a)与步骤(b)之间将基片从热压结合器的助焊剂处理工位移动至热压结合器的结合工位的步骤。

可选地，步骤(a)包括使用热压结合器内包含的计算机以电子的方式控制由助焊剂施涂工具施涂助焊剂材料。

可选地，还包括使用在步骤(a)的过程中在热压结合器的助焊剂处理工位支承基片的支承结构来加热基片的步骤，从而激活所施涂的助焊剂材料而不会使得助焊剂材料蒸发。

附图说明

本发明从以下的详细说明中在结合附图阅读时得到最佳理解。需要强调的是，根据常规实践，附图的各个特征并不是成比例的。相反，各个特征的尺寸为了清楚被任意地扩大或减小。在附图中包含如下视图：

图1是根据本发明的示意性实施例的热压结合器的框图；

图2A至2C是示出了根据本发明的不同示意性实施例的助焊剂施涂工具的框图；

图3A至3B是示出了根据本发明的示意性实施例的热压结合过程的框图；

图4是示出了根据本发明的示意性实施例的热压结合过程的各方面的时序图；并且

图5是流程图，示出了根据本发明的示意性实施例的热压结合器的操作方法。

具体实施方式

正如在此所用，术语“半导体元件”意指包含(或被构造成在后续步骤中包含)半导体芯片或管芯的任何结构。示意性半导体元件包括裸半导体管芯、基片上的半导体管芯(例如，引线框架、PCB、载体、半导体芯片、半导体晶片、BGA基片、半导体元件等)、封装后的半导体器件、倒装芯片半导体器件、在基片中嵌装的管芯、半导体管芯的堆栈、内插件(例如，具有密脚距电路的玻璃或硅基片)等等。

正如在此所用，术语“基片”和“工件”意指半导体元件能够结合(例如，热压结合等)至的任何结构。示意性基片例如包括引线框架、PCB、载体、半导体芯片、半导体晶片、BGA基片、半导体元件、内插件(例如，具有密脚距电路的玻璃或硅基片)等。

根据本发明的特定示意性实施例，提供了(例如在倒装芯片热压结合应用中)将第一基片结合至第二基片的方法。

根据一个示意性实施例，助焊剂施涂工具被用于将助焊剂材料(可用于去除OSP材料、但也将助焊剂在热压结合操作中用于去除表面氧化物)至半导体元件将被热压结合至的基片的导电触头。例如，助焊剂材料可以在结合工位上游的单独的助焊剂处理工位被施涂(其中，结合工位是由加热的结合工具保持的半导体元件被热压结合至基片的工位)。在助焊剂处理工位，助焊剂材料可以在批量冲压方法中一次性地被施涂至基片的多个导电触头(例如，所有的触头、一部分触头等)。在另一个实例中，助焊剂材料可以采用助焊剂“打印机”被施涂，方法为将助焊剂材料(例如，作为由射流施涂的助焊剂点)施涂至基片的期望的区域。而在另一实例中，助焊剂喷流器/喷嘴可以被使用，以施涂助焊剂材料。基片可以在助焊剂处理工位被加热，以激活所施涂的助焊剂材料，但还不至热到使得助焊剂材料蒸发(例如，基片可以被加热至70摄氏度，当然，应当理解温度取决于诸如助焊剂特性的因素)，从而在结合工位的焊锡回流过程之前清洁导电触头。

在助焊剂材料被施涂之后，承载着待结合的半导体元件的加热的结合工具朝向基片移动。结合工具由结合头组件承载，其中所述结合头组件包括加热器、Z轴运动系统、通常还有测压元件(load cell)等其它元件。加热器被用于加热半导体元件，使得导电结构(例如，导电立柱)上的焊锡被加热，但没有被熔化。例如，如果焊锡在大约210至220摄氏度的温度熔化，则加热器可以用于将半导体元件加热至200摄氏度的温度。特定的示意性范围包括：在半导体元件和基片的导电结构接触之前将焊锡加热至比熔化温度低1至30(或者1至20、或者1至10)摄氏度；在半导体元件和基片的导电结构接触之前将焊锡加热至比熔化温度低不少于30摄氏度的温度(但仍低于熔化温度)；在半导体元件和基片的导电结构接触之前将焊锡加热至比熔化温度低不少于20摄氏度的温度(但仍低于熔化温度)；在半导体元件和基片的导电结构接触之前将焊锡加热至比熔化温度低不少于30摄氏度的温度(但仍低于熔化温度)，等等。

半导体元件的导电结构然后被使得与基片上的导电结构(例如，迹线)接触。此时，涂层好的材料(例如，OSP)已经利用助焊剂材料从基片被去除。然后，加热器使得温度升高，从而将半导体元件的触头上的焊锡熔化。此时，结合头组件可以被操作，例如以定位的模式操作，采用用于驱动结合头的Z轴线电机被控制。

在该位置，例如采用测压元件来检测力的变化，可以检测到焊锡的熔化。也就是说，在焊锡是固态时，在定位的模式中沿着Z轴线由测压元件检测到特定量的力。随着焊锡熔化，由测压元件所检测到的力改变以使得可以确定焊锡已经熔化。

在焊锡已经熔化之后，可以允许预定的时间经过，以便焊锡流动等。例如，该时间可以在特定的应用中基于温度、助焊剂的类型等变化。该时间的示意性范围是100至400毫秒。在该时间经过之后，在结合头中设置的冷却装置被激活，以使得焊锡固化。在结合头已经被足够地冷却从而将焊锡固化之后，真空自结合头组件被释放并且结合头组件(例如，结合头组件上的结合工具)被提起，从而将其与半导体元件分离。

因而，已经开发了结合半导体元件与基片之间的交界面的新颖创新的方法。示意性本发明的方面包括：特定的基片助焊剂处理方法(采用助焊剂工具进行预助焊剂处理，从而节约时间)；使得半导体元件的和基片的触头之间的接触非常靠近、但恰好低于焊锡的熔化点，之后快速加热、之后冷却结合头；采用精确接触检测(以及有可能位置控制结合头)，从而不会使得软化的焊锡凸起过分变形；确定熔化的时序，从而精确地对焊锡熔化计时，因而改进UPH；将结合头保持在定位模式(而非强制模式)，从而不会使得小焊锡接头过分变形；并且采用高温管芯转移器，从而在冷却的过程中不会浪费时间。

图1是热压倒装芯片结合机100(即，热压结合器100)的框图。结合机100包括半导体元件供应装置110(例如，半导体元件的晶片或其它源)。来自供应装置110的半导体元件110a利用结合工具106b(其中，结合工具106b是结合机100的结合头106c的一部分)被热压地结合至基片102a。基片102a自输入基片源102(例如，输入储盒)被提供。运动系统被用于使得基片102a自源102移动至助焊剂处理工位104。运动系统是用于将基片102a移动经过结合机100的热压结合处理的材料搬运系统的一部分。例如，运动系统可以是悬置运动工具112a(其在图1中如虚线所示)，所述悬置运动工具从上方抓持基片102a，并且将基片102a移动至助焊剂处理工位104。在另一实例中，运动系统可以是“抓持器”型运动工具112b(其在图1中如虚线所示)，该工具从侧部(例如，沿着边缘)抓持基片102a，并且将基片102a牵拉至助焊剂处理工位104的支承结构104a。其它类型的运动系统是可以想到的。

助焊剂处理工位104包括支承结构104a(例如，用于激活助焊剂材料的可加热的支承结构)，所述支承结构用于在由助焊剂施涂工具104b施涂助焊剂材料的过程中支承基片102a。助焊剂施涂工具104b将助焊剂材料施涂至基片102a的导电结构/触头。正如本领域技术人员所知，助焊剂材料可以被施涂：不受限制地被施涂在基片102a的包含导电结构/触头的区域上；选择性地被施涂仅在导电结构/触头上，等等。由助焊剂施涂工具104b施涂助焊剂材料可以包括助焊剂材料的电子控制施涂，例如采用热压结合器100的计算机(为了简化未示出)来实现。

在助焊剂材料于助焊剂处理工位104被施涂之后，运动系统被采用，以将基片102a从助焊剂处理工位104移动至结合工位106。运动系统是结合机100的材料搬运系统的一部分。例如，运动系统可以是悬置移动工具114a(其在图1中如虚线所示)，所述悬置移动工具从上方抓持基片102a并将基片102a移动至结合工位106。在另一实例中，运动系统可以是“抓持器”型运动工具114b(其在图1中如虚线所示)，所述工具从侧部抓持基片102a并将基片102a牵拉至结合工位106的支承结构106a。其它类型的运动系统是可以想到的。

结合工位106包括支承结构106a，其用于在热压结合处理的过程中支承基片102a。加热的结合工具106b将半导体元件110a结合至基片102a(例如，通过如下所述结合附图3A至3B那样，将焊锡材料熔化并重新固化)。因为助焊剂材料已经在助焊剂处理工位104被施涂，所以OSP材料(或者其它异物)可以被去除(或者基本上被去除)，而不会使得助焊剂材料蒸发从而助焊剂材料仍在结合工位106的热压结合处理的过程中提供助焊剂处理效应/助焊效应。半导体元件110a由半导体元件供应装置110(例如，晶片110)获得。半导体元件110a可以采用结合工具106b直接从供应装置110被拾取。替代性地，一个或多个转移机构118(在图1中如虚线所示)可以被设置，以将半导体元件110a从供应装置100拾取并将元件110a转移至结合工具106b。

在热压结合处理在结合工位106完成之后，运动系统被使用以将基片102a从结合工位106移动至输出基片源108。运动系统是结合机100的材料搬运系统的一部分。例如，运动系统可以是悬置运动工具106a(其在图1中如虚线所示)，所述工具从上方抓持基片102a并将基片102a移动至源108。在另一实例中，运动系统可以是“抓持器”型运动工具116b(其在图1中如虚线所示)，所述工具从侧部抓持基片102a并将基片102a牵拉至源108。在任何情况下，在热压处理在结合工位106完成(其可包括在每个基片102a上结合多个半导体元件)之后，“结合好的”基片102a被移动至输出基片源108(例如，输出储盒)。

正如本领域技术人员所知，助焊剂施涂工具104b为多种不同的形式，其被构造成将助焊剂材料施涂至基片102a的导电触头。示意性助焊剂施涂工具包括助焊剂冲压器、助焊剂喷流器、助焊剂打印机、助焊剂丝网印刷机等。图2A至2C示出了示意性助焊剂施涂工具104b1(例如，助焊剂冲压器)、104b2(例如，助焊剂打印机、助焊剂丝网印刷机等)、以及104b3(例如，助焊剂喷流器)，它们被构造成在助焊剂处理工位104使用。

具体参看图2A，基片102a(由助焊剂处理工位104的支承结构104a支承)包括结合部位102a1，其是基片102a的多个类似的结合部位之一(其中，结合部位102a1是另一个这样的结合部位)。尽管图2A(和其它附图)示出了与另一结合部位102a2直接相邻的结合部位102a1，但是应当理解在基片102a的不同结合部位之间可以有很大的间距。

结合部位102a1是基片102a的如图2A详细所示的那部分。结合部位102a1包括导电触头102a1a(尽管在图1中仅仅示出了6个触头102a1，但是应当理解更多个触头102a1可以被包含在结合部位102a1上)。助焊剂施涂工具104b1被降低，以将助焊剂材料施涂至触头102a1a。工具104b1包括接触区域104b1a，其保持助焊剂材料104b1b。例如，接触区域104b1a可以是冲压器(例如，橡胶或其它弹性材料区域)，其被用于将助焊剂材料104b1b“冲压”到导电触头102a1上。在另一实例中，接触区域104b1a可以包括保持助焊剂材料的多孔接触区域104b1b，用于冲压到导电触头102a1a上。

具体参看图2B，丝网/遮罩103可以被设置附着在基片102a的一部分上，以使得导电触头102a1a的仅仅上表面被暴露以便施涂助焊剂材料。在如图2B所示的实例中，助焊剂施涂工具104b2被构造成侧向地移动(例如，如图2B中的箭头所示向右)，从而横贯基片102a的上表面扩散/拖拽助焊剂材料104b2b。工具104b2可以被认为是“刮刀”型工具(例如，具有用于扩散助焊剂材料的弹性/橡胶边缘的刮蹭工具)，以便将助焊剂材料104b2b施涂至触头102a1a的上表面。在助焊剂材料104b2b施涂之后，丝网/遮罩103可以被取下。

具体参看图2C，另一示例性助焊剂施涂工具104b3被构造成通过输出喷流部分104b3a将助焊剂材料104b3b喷涂到触头102a1a上。

当然，图2A至2C简化示出了用于将助焊剂材料施涂至基片102的触头102a1a的系统和技术的实例。其它类型的系统和技术在本发明的范围内是可以想到的。

图3A至3B示出了热压结合机100的结合工位106的各部分。结合工位106包括支承结构106a(例如，诸如梭(shuttle)、加热后的梭、加热模块、砧等)。支承结构106a可以包括施涂特定部分(未从支承结构106a的其余部分区别示出)。基片102a由支承结构106a支承，并且包括多个结合部位102a1等，如上所述。基片102的结合部位102a1包括多个下导电结构102a1a(例如，导电迹线、导电垫等)。导电结构102a1被示出包括在助焊剂处理工位104处施涂的一层助焊剂材料104c。

结合工位106还包括承载着半导体元件110a的结合工具106b(例如，其由图3A至3B未示出但图1示出的结合头106c承载)。上导电结构110a1(例如，诸如铜立柱110a1a的导电立柱，所述立柱示出包括焊锡接触部分110a1b或焊锡凸起110a1b)在半导体元件110a上设置。结合工具106b被降低，从而上导电结构110a1接触下导电结构102a1a(例如，见图3B)。如图3B所示，通过热压结合处理，焊锡接触部分110a1b被熔化，并且然后被重新固化，提供了对应的上导电结构110a1与下导电结构102a1a之间的永久导电联接。尽管图3A至3B仅仅示出了六组上/下导电结构，但是这当然是用于容易解释的一种简化实例。实际上，任何数量对的导电结构可以被设置(例如，十个导电结构对、上百个导电结构对等)。

根据本发明的特定示意性实施例，半导体元件110a可以在结合工位106进行结合之前通过加热的结合工具106b被加热至比正常温度更高的温度。也就是说，恰好在结合工位106进行结合之前，加热的结合工具106b可以将半导体元件110a加热至一温度，该温度接近但恰好低于半导体元件110a上的上导电结构的焊锡接触部分(例如，图3A至3B中示出的部分110a1b)的熔化温度。通过该加热处理，热压结合机的UPH(即，每小时单位)被增加，这是因为焊锡接触部分在半导体元件110的对应的上导电结构与基片102a的对应的下导电结构之间的接触之后更快地熔化(并因此重新固化)。此外，结合工具106b从半导体拾取至结合必须被加热并被冷却的温度范围被减小，在温度加热和冷却中节约了宝贵的时间。

图4示出了包含焊锡温度(图的上半部)以及竖直结合工具位置(图的下半部)的示意性时序图。在时间＝0处，半导体元件110a(包含焊锡接触部分)处于转移温度——也就是说，半导体元件110a被转移至结合工具106的温度(通过结合工具106b自供应装置110直接拾取来实现、通过从一个或多个转移工具118转移至结合工具106来实现等等)。在该转移温度，焊锡接触部分仍是固态的，也就是说，焊锡接触部分低于焊锡接触部分的熔化温度。在时间＝0处，结合工具106b处于接触高度(即，半导体元件110a的上导电结构和基片102a的下导电结构彼此接触的高度)上方的稳定位置。在大约时间＝0.5秒处，结合工具106b开始朝向接触高度下降。与此同时，结合工具106b加热半导体元件110a、使得温度接近但低于熔化温度。恰在时间＝1秒之前，达到了接触高度，并且温度缓升(例如，利用加热的结合工具106b)，从而温度超过熔化温度并且焊锡接触部分熔化。恰在时间＝2秒之前，温度被降低(例如，通过结合工具106b中的主动冷却)并且焊锡接触部分重新固化。此时，结合工具106b升高，以从半导体元件110a抬离。永久导电连接在半导体元件110a的对应上导电结构与基片102a的对应下导电结构之间建立。当然，图4是示意性时序图，并且不是限制性的。例如，与结合工具106b的下降同时发生的温度缓升的轮廓/斜率本质上是示意性的并且可以在本发明的范围内宽广地变化。此外，在时间＝0处的转移温度可以是非常接近或甚至等于恰低于熔化温度的接触温度。

图5是流程图，示出了根据本发明的特定示意性实施例的热压结合机的操作方法。如本领域技术人员所理解的，在流程图中所包含的特定的步骤可以被省略；特定的附加步骤可以被增加；并且各步骤的次序可以由所示的次序改变。

在步骤500，基片被移动至热压结合机的助焊剂处理工位(例如，基片102a利用如图1所示的运动工具112a/112b从源102移动至助焊剂处理工位104)。在步骤502，助焊剂材料在助焊剂处理工位被施涂至基片的导电触头(例如，助焊剂材料利用图1的助焊剂施涂工具104b、例如助焊剂施涂工具104b1、104b2或104b3之一被施涂)。在步骤504，基片从助焊剂工位被移动至热压结合机的结合工位(例如，基片102a利用如图1所示的运动工具114a/114b从助焊剂处理工位104移动至结合工位106)。在步骤506，半导体元件的焊锡接触部分可以利用加热的结合工具(例如，结合工具106b)被加热至低于焊锡熔化温度的温度。在步骤508，半导体元件对正于基片的结合部位，从而半导体元件的(包含焊锡接触部分的)导电结构与基片的对应导电结构接触。在步骤510，热压结合处理被完成，包括熔化并重新固化焊锡接触部分(例如，见图3A至3B)。

如本领域技术人员所知，热压结合器100的不同结构(或本发明范围内的其它机器)可以具有期望的运动轴。例如，支承结构104a、支承结构106a、助焊剂施涂工具104b、结合头106c以及结合工具106b中的任何一个可以被构造成沿着机器的X轴线、沿着机器的Y轴线、沿着机器的Z轴线和/或绕着机器的theta轴线像所期望地那样移动。

尽管在此参照特定的实施例示出并说明了本发明，但是本发明并不限于所示的细节。实际上，在权利要求书的等价物的范围和范畴的细节内在不脱离本发明的前提下可以实现各种改型。