用于焊接半导体元件的焊接机的操作方法和焊接机技术

提供了一种用于焊接半导体元件的焊接机的操作方法。该方法包括下面的步骤：(a)在模拟焊接工序中测量焊头组件的基于时间的z轴高度测量特性；(b)基于所测量的基于时间的z轴高度测量特性，确定用于随后的焊接工序的z轴调整曲线；以及(c)利用z轴调整曲线，在随后的焊接工序中用z轴移动系统调整焊头组件的z轴位置。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】用于焊接半导体元件的焊接机的操作方法和焊接机相关申请的相互参考本申请要求2013年12月17日提交的美国临时专利申请第61/916，912号的优先权，其内容在此引用作为参考。
本专利技术涉及半导体封装的形成，尤其涉及用于焊接半导体元件的焊接机的改进的操作方法。
技术介绍
在半导体封装产业的特定情况下，将半导体元件焊接到焊接位置上。例如，在常规的管芯附连(也称为管芯焊接)应用中，将半导体管芯焊接到衬底(例如引线框、堆叠的管芯应用中的另一个管芯、间隔件等)的焊接位置上。在先进的封装应用中，将半导体元件(例如裸半导体管芯、封装的半导体管芯等)焊接到衬底(例如引线框、PCB、载体、半导体晶片、BGA衬底等)的焊接位置上，导电结构(例如导电凸块、接触片、焊料凸块、导电柱、铜柱等)提供半导体元件与焊接位置之间的电互连。在很多应用(例如半导体元件的热压焊接)中，在导电结构中包括焊料。在很多这样的工序中，给正在被焊接的半导体元件加热(例如通过承载焊接工具的焊头组件中的加热器)。也可以通过支撑结构将热施加给衬底(配置为接收半导体元件)。通过循环施加热(例如通过焊头组件中的加热器)并且通过基于时间的系统变化，焊头组件的元件的膨胀和收缩会导致不令人满意的结果。从而，希望提供用于焊接半导体元件的焊接机的改进的操作方法。
技术实现思路
根据本专利技术的示例性实施方式，提供一种用于焊接半导体元件的焊接机的操作方法。该方法包括下面的步骤:(a)在模拟焊接工序中测量焊头组件的基于时间的z轴高度测量特性；(b)基于测量的基于时间的z轴高度测量特性确定用于随后的焊接工序的z轴调整曲线；以及(C)利用z轴调整曲线，在随后的焊接工序中用z轴移动系统调整焊头组件的Z轴位置。根据本专利技术另一个示例性实施方式，提供一种用于焊接半导体元件的焊接机的操作方法。该方法包括下面的步骤:(a)测量焊头组件的多个位置处的温度值；(b)用步骤(a)中测量的温度值确定z轴调整量；以及(C)基于步骤(b)中确定的z轴调整量，用z轴移动系统在焊接工序中调整焊头组件的z轴位置。根据本专利技术另一个示例性实施方式，提供一种用于焊接半导体元件的焊接机。该焊接机包括:焊头组件，包括用于将半导体元件焊接到衬底上的焊接工具；用于支撑衬底的支撑结构；校准站，其与焊头组件焊接使用，用来测量模拟焊接工序中焊头组件的基于时间的z轴高度测量特性；和计算机，其基于测量的基于时间的z轴高度测量特性，确定用于随后的焊接工序中的Z轴调整曲线。例如，这种焊接机可以是热压焊接机(例如倒装芯片热压焊接机)等。在这种机器中，焊接工具例如通过熔化和再固化正被放置的半导体元件上的焊料凸块以形成焊料接头来将半导体元件(例如半导体管芯、内插件等)放置并焊接到衬底上。【附图说明】通过与附图一起阅读下面的详细说明可以最好地理解本专利技术。应该强调的是，根据常规的实践，附图的各种特征不是按比例的。相反，为清楚起见各种特征的尺寸进行了任意放大或缩小。附图中包括下面的图:图1A-1B是图示用于解释本专利技术各个示例性实施方式的焊接机的元件的侧视框图；图2A是图示根据本专利技术示例性实施方式的随着焊接操作下降的焊接工具的侧视框图；图2B-2D是图示用于解释和图示本专利技术各个示例性实施方式的焊接到衬底上的各种半导体元件的侧视框图；图3是根据本专利技术示例性实施方式的焊接机的俯视框图；图4是图示根据本专利技术示例性实施方式的焊接工序中焊头组件一部分的z轴位置变化与焊接工序中z轴调整量之间的相互关系的图形表示；图5是图示根据本专利技术示例性实施方式的用于焊接半导体元件的焊接机的操作方法的流程图；图6A-6B是图示用于解释本专利技术各个示例性实施方式的焊接机元件的侧视框图；图7是图示根据本专利技术示例性实施方式的用于焊接半导体元件的焊接机的另一个操作方法的流程图。【具体实施方式】如这里所使用的，术语“半导体元件”意指包括(或配置为在后面的步骤中包括)半导体芯片或管芯的任何结构。示例性的半导体元件包括裸半导体管芯、衬底(例如引线框、PCB、载体、半导体芯片、半导体晶片、BGA衬底、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、嵌入在衬底中的管芯、半导体管芯的堆叠体等。而且，半导体元件可以包括配置为要焊接或以其他方式包含在半导体封装体中的元件(例如要焊接到堆叠的管芯结构中的间隔件、衬底等)。如这里所使用的，术语“衬底”意指半导体元件可以焊接(例如热压焊接、超声焊接、热超声波焊接、管芯焊接等)至其的任何结构。示例性的衬底例如包括引线框、PCB、载体、半导体芯片、半导体晶片、BGA衬底、半导体元件等。本领域技术人员将理解的是，焊接机具有不同的移动系统结构。在本申请中描述了特定的焊接机移动系统结构，其某些元件具有一定的移动轴线；然而，应该理解的是本专利技术不限于这样的结构。更具体地，示例性的移动系统结构(诸如图3中)包括:(1)支撑结构，其可沿X轴方向移动；和(2)焊头组件(承载焊头)，其可沿y轴方向、z轴方向和绕Θ轴移动。再一次强调，应该清楚的是这种结构本质上是示例性的，本专利技术可以应用到不同的结构中。根据本专利技术的某些示例性实施方式，提供局部回流焊半导体元件附接工序。在这个工序中，焊接工具通过将在正被放置的半导体元件上的焊料凸块熔化和再固化而将半导体元件(例如管芯、内插件等)放置并焊接到衬底(例如半导体芯片、半导体晶片、另一个衬底等)上。在一个典型的工序中，焊接工具在焊接工序的整个加热和冷却循环中与半导体元件接触，最后的接头高度可以由焊料焊接过程中和在焊料固化的时间点上的焊头组件的最低位置确定。控制完成了的焊料接头的高度是主要的工艺控制目的。因为焊料凸块中包括的焊料材料在焊接工序中软化/熔化，所以期望该工艺不由接合力控制。认为合适的是焊头的位置控制，典型地通过使用位置反馈的伺服位置控制沿z轴(例如在由z轴编码器提供Z轴位置的情况下)进行。焊头组件的迅速加热和冷却引起焊头组件、Z轴元件和焊接台的热膨胀(和收缩)的事实使这种位置控制工艺更加困难。结果是，显著影响位置精度的焊接工具Z轴位置的实际变化在常规的系统中很常见。根据本专利技术，提供补偿热膨胀(和收缩)的各种示例性方法，目的是在伺服位置控制下，甚至当焊头组件结构由于加热和冷却而膨胀和收缩时，也将焊接工具基本上保持在精确的高度上。示例性的方法包括:(a)校准的开环工序，通过该工序获知焊头组件热循环过程中产生的膨胀，将这个获知的热膨胀(和收缩)作为补偿，在焊接循环的位置模式中施加给预定的z轴位置；(b)闭环温度补偿工序，通过该工序，连同存储的数据(例如使温度测量值与焊头组件的z轴热膨胀(和收缩)和/或z轴位置调整量相关的数据)提供和使用多个离散的温度传感器，以实时补偿焊头组件结构的热膨胀(和收缩)；以及(C)焊接(a)和(b)的要素的混合方法。可以与本专利技术的某些示例性实施方式一起进行模拟焊接工序，以开发要在实际/后续的焊接工序中确定恰当的z轴位置调整量时使用的数据。在一个这样的模拟焊接工序中，可通过定位焊头组件的下表面(例如，焊接工具的下表面)靠着一个表面(例如，焊接位置区的“虚设”器件、校准站的表面等)并施加恒定的力来测量焊头组件沿z轴的膨胀(和收缩)。然后施加当前焊接工序程序的实际温度循环。用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于焊接半导体元件的焊接机的操作方法，该方法包括下面的步骤：(a)在模拟焊接工序中测量焊头组件的基于时间的z轴高度测量特性；(b)基于所测量的基于时间的z轴高度测量特性，确定用于随后的焊接工序的z轴调整曲线；以及(c)利用所述z轴调整曲线，在随后的焊接工序中用z轴移动系统调整焊头组件的z轴位置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：M·B·瓦塞尔曼，M·P·施密特兰，T·J·科洛西莫，
申请(专利权)人：库利克和索夫工业公司，
类型：发明
国别省市：美国;US