热压接合系统及其操作方法
【专利说明】热压接合系统及其操作方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2014年2月28日提交的美国临时专利申请N0.61/945，916的优先权，将其内容通过引用并入本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及半导体封装中电气互连的形成，并且更特别地，涉及改进的热压接合系统及其操作方法。
【背景技术】
[0004]在半导体封装工业的某些方面中，半导体元件被接合至接合位置。例如，在传统管芯附接(又称管芯接合)应用中，半导体管芯被接合至基板(例如，引线框、堆叠管芯应用中的另一管芯、垫片等)的接合位置。在先进的封装应用中，半导体元件(例如，裸半导体管芯、封装的半导体管芯等)被接合至基板(例如，引线框、PCB、载体、半导体晶片、BGA基板等)的接合位置。导电结构(例如，导电凸块、接触垫、焊接凸块、导电柱、铜柱等)提供半导体元件与接合位置之间的电气互连。在某些应用中，这些导电结构可以提供与使用线焊机形成的线环类似的电气互连。
[0005]在许多应用(例如，半导体元件的热压接合)中，焊接材料被包括在导电结构中。在许多这样的工艺中，热(例如，通过承载接合工具的接合头组件中的加热器)被施加至要接合的半导体元件。重要的是快速完成对热的施加，使得机器的生产率(例如，UPH或单位每小时)处于可接受的水平。这能够是具有挑战性的，因为期望加热器在不同的时间/位置处于不同的温度下(例如，与在热压接合时的较热温度相反，在从诸如晶片的源移除部件期间处于较冷温度)。
[0006]因此，期望提供用于操作用于接合半导体元件的接合机器的改进的方法。
【发明内容】
[0007]根据本发明的示范性实施例，提供了一种用于接合半导体元件的热压接合系统。所述热压接合系统包括(I)接合头组件，其包括用于加热要接合的半导体元件的加热器的，所述接合头组件包括被配置为接收冷却流体的流体路径；(2)加压冷却流体源；(3)增压泵，其用于接收来自所述加压冷却流体源的加压冷却流体并用于增加所接收的加压冷却流体的压力；(4)加压流体储存器，其用于接收来自所述增压泵的加压冷却流体；以及(5)控制阀，其用于对加压冷却流体从所述加压流体储存器向所述流体路径的供应进行控制。
[0008]根据本发明的另一个示范性实施例，提供了另一种用于接合半导体元件的热压接合系统。所述热压接合系统包括:接合头组件，其包括用于加热要接合的半导体元件的加热器，所述接合头组件包括被配置为接收冷却流体的流体路径；加压冷却流体源；流量控制阀，其用于对将加压冷却流体从所述加压流体源向所述流体路径的供应进行控制；以及计算机，其用于控制所述流量控制阀，所述计算机被配置为将被提供到所述流体路径的加压冷却流体的所述供应控制成在热压接合工艺中的冷却工艺的不同阶段期间是不同的。这样的热压接合系统还可以包括本文中描述的各种其他元件，包括例如增压泵、加压流体储存器、控制阀(例如，数字开/关阀)、温度传感器等。
[0009]根据本发明的又一示范性实施例，提供了一种操作热压接合机器的方法。所述方法包括以下步骤:(a)提供加压冷却流体源；(b)使用增压泵来增加来自所述加压冷却流体源的加压冷却流体的压力；(C)在加压流体储存器处接收来自所述增压泵的加压冷却流体；以及(d)利用控制阀来对所述加压冷却流体从所述加压流体储存器向所述加压接合系统的接合头组件中包括的流体路径的流动进行控制。
[0010]根据本发明的又一示范性实施例，提供了一种操作热压接合系统的方法。所述方法包括以下步骤:(a)提供加压冷却流体源；以及(b)利用流量控制阀来对加压冷却流体从所述加压冷却流体源向所述热压接合系统的接合头组件中包括的流体路径的供应进行控制，通过所述流量控制阀来将被提供到所述流体路径的加压冷却流体的所述供应控制成在热压接合工艺中的冷却工艺的不同阶段期间是不同的。当然，这样的方法可以包括如在本文中描述的其他步骤。
【附图说明】
[0011]在结合附图阅读时，本发明通过以下详细描述得到最佳理解。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征不是按比例绘制的。相反，为了清晰起见，各种特征的尺寸任意地被扩大或被缩小。在附图中包括的是以下附图:
[0012]图1A-1B是图示根据本发明的示范性实施例的将半导体元件接合到基板的结构和方法的热压接合机器的部分的框图视图；
[0013]图2-7是图示根据本发明的各种示范性实施例的热压接合系统的框图视图；
[0014]图8、图9A-9B、图10和图11是根据本发明的各种示范性实施例的热压接合系统的元件的温度曲线的图形图示；以及
[0015]图12-17是图示根据本发明的各种示范性实施例的操作热压接合系统的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0016]如本文所使用的，术语“半导体元件”旨在指代包括(或者在后面的步骤中被配置为包括)半导体芯片或管芯的任何结构。除了其他之外，示范性半导体元件包括裸半导体管芯、基板(例如，引线框、PCB、载体、半导体芯片、半导体晶片、BGA基板、半导体元件等)上的半导体管芯、封装的半导体器件、倒装芯片半导体器件、嵌入在基板中的管芯、一堆叠的半导体管芯。另外，半导体元件可以包括被配置为要接合在半导体封装中或以其他方式要包括在半导体封装中的元件(例如，要接合在堆叠管芯配置中的垫片、基板等)。
[0017]如本文所使用的，术语“基板”和“工件”旨在指代半导体元件可以被接合(例如，热压接合、超声接合、恒温接合、管芯接合等)至的任何结构。示范性的基板包括例如引线框、PCB、载体、半导体芯片、半导体晶片、BGA基板、半导体元件等。
[0018]根据本发明的某些方面，公开了利用接合头组件中的热例如以用于熔化和/或软化作为要接合的半导体元件的互连的一部分而被包括的焊接材料的热压接合系统。由接合头组件承载的接合工具通过熔化并再固化要放置/要接合的半导体元件上的焊接凸块来将半导体元件放置并接合至基板。为了熔化焊接凸块，能够快速加热接合工具是非常重要的。还期望能够快速冷却接合工具，同时保持接合的半导体元件的位置(例如，至单位微米或更小的级)。因此，期望在接合工艺(例如，在加热阶段/工艺、在冷却阶段/工艺等)的全部阶段期间，热压接合系统(以及相关的工艺)能够精确控制接合工具的温度。
[0019]根据本发明的各个方面，在热压接合工艺的冷却阶段/工艺期间，可以控制接合头(例如，诸如加热器/接合工具的接合头的部分)的温度。例如，根据本发明的某些示范性实施例，加压冷却流体的流速可以使用模拟流量控制阀来控制(例如，控制为如由计算机程序例如使用以测得的温度作为反馈信号的命令配置文件控制的可变冷却速率)。这可以是特别有利的，因为在热压接合工艺期间经常存在期望将除了最大系统能力的冷却速率用于控制接合工艺的时刻。例如，在焊接的初始固化(即，在熔化之后的再固化期间，期望高度控制的(并且可重复的)冷却以提供基本一致的质量的接合的互连。
[0020]在冷却工艺的控制的快速冷却阶段(例如，I秒内100_150°C )期间，温度传感器(例如，被放置为感测例如加热器/接合工具的下表面的温度的反馈传感器)可以被提供在热压接合头组件内。这样的反馈控制的冷却可以与如本文所描述的多阶段冷却工艺结合使用(例如，比最大冷却小的第一控制冷却阶段，以及在最大冷却的第二冷却阶段)。
[0021]另外，这样的反馈控制的冷却还可以被用在热压接合工艺期间的各个时刻。例如，特定量的热(热能量)保持在接合头组件未由温度反馈传感器直接测量的部分内。该热能量从较暖的本体逐渐移动至刚刚冷却的本体(例如，加热器/接合工具)。这表现为在温度反馈设备上的温度的漂移。在这样的情况下，不期望在这种情况下使用数字(例如，开/关)冷却系统，因为不容易控制冷却量，从而导致接合头组件的一部分被冷却至不期望的量。
[0022]根据本发明的各个方面，可以提供增压泵(例如，机械增压器)以将进入的加压冷却流体增加