CN1661789A - 晶片贴装装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于将晶片贴装到包含非金属材料和用于接收带有低熔点镀膜晶片的金属材料的装置。衬底可在其中移动的加热管道被提供以用来将金属材料加热到低熔点焊接温度从而促进晶片贴装位置处晶片和金属材料之间的结合。晶片贴装位置的感应加热器件在晶片贴装到金属材料上之前将衬底上的金属材料加热到低熔点焊接温度。

Description

晶片贴装装置与方法

技术领域

本发明涉及到把半导体晶片焊接(bonding)到承载器或衬底上。晶片通常具有镀有焊料层的背面，以用于接触以及与承载器或衬底之间形成金属结合，在工艺中通常称之为晶片的低熔点焊接(eutecticbonding)。

背景技术

半导体晶片或集成电路等形式的半导体器件一般要被装进封装件中。封装件提供多种重要的功能，例如保护器件免受机械与化学损伤。同时它也是该器件与下一级封装进行互连的桥梁。晶片贴装是封装工艺涉及到的多个步骤中的一个，其中晶片被放置并贴附到承载器或衬底上形成的晶片焊盘上。将器件贴附到晶片焊盘上面有多种方法，例如使用环氧树脂和粘性树脂作为粘结剂将器件粘附到晶片焊盘上，或者将助熔剂冲压(stamping)到晶片焊盘上面，然后在焊料回流工艺(solder reflow process)之前将背面带有焊料的晶片放置到助熔剂上面。

一种越来越流行的做法是直接将背面镀上焊料的晶片固定到加热的衬底上。当焊料接触到加热的衬底的时候就会熔化，并形成与衬底的结合。这种方法通常被称为低熔点晶片焊接，因为晶片上的焊料通常含有低熔点合金成分。相对于采用纯金属来说，低熔点晶片焊接利用了低熔点合金的较低熔点特性。当器件与晶片焊盘时，衬底的温度应该被升到高于晶片背面焊料的熔点以便焊料能够立即熔化。当衬底随后冷却下来之后，在晶片背面和衬底上的晶片焊盘之间就形成了冶金学意义上的结合(metallurgical bond)。相比环氧焊接，低熔点焊接的一些优点包括对晶片具有较高的温度容差，晶片和衬底之间具有较好的热/电导率以及较高的可靠性等。

当封装如发光二极管(LED)等器件时，为了方便某些装配功能，非金属材料(如塑料壳)可能存在于邻近晶片焊盘的地方。塑料壳通常具有低于280℃的玻璃转换温度(glass transition temperature)，其典型推荐的处理温度低于260℃。随着在低熔点焊接中采用无铅焊料(lead-free solders)成为全球趋势，一个将长期困扰设备制造商和封装工艺工程师的两难局面出现了。现在，最常用的无铅焊料包括Sn-Ag或Sn-Ag-Cu混合物，其具有大约220℃的熔点。由于处理温度通常应该比焊料的熔点高30到40℃，因此实际中很难找到一个工艺窗口在确保有效的晶片焊接的同时避免塑料外壳过热。存在这个问题的另一种封装形式的例子是包含聚合物(polymer)和金属的复合衬底(compositesubstrate)。这种衬底的聚合物(polymeric)部分的玻璃转换温度甚至更低，通常在180～230℃的范围内，这对于在进行低熔点晶片焊接时避免聚合物衬底产生过热是一个问题。

在一个用于低熔点晶片焊接的加热系统的现有技术中，其利用了包含多个加热区的热隧道系统(heat tunnel system)。在每个加热区中，加热块(heating block)随同多个用于加热承载器或衬底的加热单元被嵌入进去。随着衬底通过热隧道被运送，衬底被加热，并且其大部分的温度被升到低熔点焊接发生所需要的值，即使最好应该仅仅接收晶片的焊盘被加热到上述的焊接温度。衬底的其他部分最好不要被加热或者应该接收到较少的热量。问题是由于塑料材料具有低得多的热导率，塑料壳或聚合物衬底某些部分的温度可能比晶片焊盘还要高。在这种情况下，塑料材料的温度可能比其玻璃转换温度要高。其结果就是塑料壳或聚合物衬底可能被变形或损坏。

发明内容

本发明的一个目的在于在低熔点晶片焊接中加热承载器或衬底时，通过消除或减少对承载器或衬底上的非金属材料的损伤来克服现有技术的一些缺点。本发明的另一个目的是在晶片贴装工艺中可以调节承载器或衬底的温度从而减少损伤非金属材料的风险。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种用于将晶片贴装到衬底的装置，其中该衬底包含非金属材料以及用于接收具有低熔点镀膜晶片的金属材料，其包含有：衬底可在其中移动的加热管道(heatingconduit)，其用于将金属材料加热到低熔点焊接温度(eutectic bondingtemperature)从而促进晶片和金属材料在晶片贴装位置进行焊接；以及晶片贴装位置的感应加热器件，其用于将金属材料加热到低熔点焊接温度。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种用于将具有低熔点镀膜的晶片贴装到包含非金属材料和用于接收晶片的金属材料的衬底上的方法，其包含有以下步骤：提供加热管道；当衬底通过加热管道移动时，将加热管道中的金属材料加热到低熔点焊接温度以促进晶片和金属材料之间在晶片贴装位置的结合；通过感应加热装置在晶片贴装位置将金属材料加热到低熔点焊接温度；以及在晶片贴装位置将晶片贴装到金属材料上。

参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。

附图说明

根据本发明所述装置和方法的较佳实施例的一个实例将参考附图加以描述，其中：

图1所示为背面具有焊料的晶片被放置和贴附到带有塑料外壳的引线框承载器上的侧视示意图；

图2所示为背面具有焊料的晶片被放置和贴附到聚合物衬底上的侧视示意图；

图3所示为现有技术中用于促进晶片贴装到带有塑料外壳的引线框承载器的热隧道的侧视示意图，以及从沿加热隧道的加热块排列所获得的加热曲线图；

图4所示为现有技术中用于促进晶片贴装到聚合物衬底的热隧道的侧视示意图，以及从沿加热隧道的加热块排列所获得的加热曲线图；

图5所示为根据本发明实施例所述，用于促进晶片贴装到带有塑料外壳的引线框承载器的热隧道的侧视示意图，以及从沿加热隧道的加热块和感应线圈排列所获得的加热曲线图；

图6所示为根据本发明实施例所述，用于促进晶片贴装到聚合物衬底的热隧道的侧视示意图，以及从沿加热隧道的加热块和感应线圈排列所获得的加热曲线图；

具体实施方式

图1所示是背面带有焊料11的晶片10被放置和贴装到带有金属部分13和塑料外壳14的引线框承载器12上的侧视示意图。晶片10在塑料外壳14包围的区域内被放置到引线框承载器12的金属部分13的表面上。这样的带有塑料外壳14的引线框承载器12特别适合于使用在LED制造中，塑料外壳作为与另一个部件连接(engagement)时的支撑是非常有用的。

图2所示是背面带有焊料11的晶片10被放置和贴装到聚合物衬底16上的侧视示意图。聚合物衬底16主要包含其上固定有金属引线框18的塑料条20(plastic strip)，该晶片10被放置在聚合物衬底16的金属引线框18部分。

图3所示为现有技术中用于促进晶片10贴装到带有塑料外壳14的引线框承载器12的金属部分13的热隧道22的侧视示意图。热隧道22被顶盖24覆盖，并且具有用于引线框承载器12的包含上加热台(hotplate)26和下加热台28的传送面(conveying surface)。上下加热台26，28形成了一条阶梯状通道(stepped path)以容纳从引线框承载器12伸出的塑料外壳14。上下加热台26，28被沿热隧道22嵌入放置的加热单元32的加热块30加热。上盖板的晶片贴装位置有一个窗口，背面带有焊料的晶片10即从该处被放置到引线框承载器12上面。

在图3中，带有塑料外壳14的引线框承载器12从左边移动到右边。引线框承载器12的晶片贴附位置需要被加热到一定的温度以使晶片10和引线框承载器12之间发生低熔点结合。每个加热块30形成一个用来加热引线框承载器12到一个预设温度的加热区。随着引线框承载器12沿热隧道22朝着晶片贴装位置移动，当它移动通过每个加热块30时，其根据加热曲线(heating profile)通过渐进的方法被加热。

从沿加热隧道22的加热块30的排列所获得的加热曲线图也在图3中被给出。Tb表示低熔点焊接发生的晶片贴装位置的目标焊接温度。X1和X2分别代表晶片贴装位置处顶盖24的窗口的开始点和结束点。如图3所示，随着引线框承载器12通过热隧道22，其被逐渐加热。在X1和X2之间的晶片贴装位置，引线框承载器12的金属部分13被加热到适于进行低熔点焊接的温度Tb。在X2位置，引线框承载器12可以组件冷却到环境温度。

这个排列的问题是对于一个较长的时间段，在X1和X2点及其以外的区域，加热块30不仅加热引线框12的金属部分13，同时也加热塑料外壳14。由于塑料材料较低的热导率以及从加热块30接受到的热量，塑料外壳14的温度升高到其玻璃温度(glass temperature)以上，并且可能由于热量产生变形或其他的损坏。最终产品的质量可能因此受到影响。

图4所示为现有技术中用于促进晶片10贴装到聚合物衬底16上的热隧道22的侧视示意图，其中聚合物衬底16包含其上装有金属引线框18的塑料条20。从其上传送聚合物衬底16的热隧道22上下分别被顶盖24和加热台27限制。顶盖24在晶片贴装位置有一个窗口，用于将背面带有焊料的晶片10放置到聚合物衬底16的金属引线框18上面。

如同图3中一样，聚合物衬底16从图的左边向右边移动。随着它通过含有内嵌加热单元32的加热块30，其根据加热曲线被加热。从沿热隧道22的加热块30的排列获得的加热曲线被显示在图4中。在由顶盖24的窗口宽度定义的X1和X2位置之间，金属引线框18的温度位于Tb以使得低熔点焊接能够进行。

然而，可以看出金属引线框18的温度在一段较长的时间内被保持在Tb，更确切的说，在X1和X2之间以及之外。因此，聚合物衬底16的具有较低热导率的塑料条20可能由于其吸收的热量发生变形或者其他形式的损坏。

图5所示为根据本发明较佳实施例所述的热隧道22的侧视示意图，其用于促进具有低熔点镀膜的晶片10贴装到诸如具有非金属材料(如根据本发明较佳实施例中所述的塑料外壳14)的引线框承载器12之类的衬底上。衬底包括非金属的塑料外壳14以及用于贴装晶片10的金属部分13。加热管道(如热隧道22)被顶盖22和包含上加热台26和下加热台28的引线框承载器12的传送表面所限制。衬底或引线框承载器12可移动通过热隧道22。

如同现有技术中一样，上下加热台26，28形成阶梯状通道以容纳引线框承载器12伸出的塑料外壳14。上盖板的晶片贴装位置有一个窗口，背面带有焊料的晶片10即从该处被放置到引线框承载器12的金属部分13上面以进行低熔点焊接。因此，引线框12的金属部分13需要被加热到某个低熔点焊接温度以促进晶片贴装位置的晶片和金属材料之间的结合。

在现有技术中，上下加热台26，28首先被沿热隧道22排列的内嵌加热单元32的加热块30加热。但是，在晶片贴装位置，引线框承载器12被感应加热器件如感应线圈34(induction coil)代替加热块30进行加热。感应线圈34由单绕组或多绕组金属线圈制成。其被连接到用于对线圈通入交流电流的可变功率输出和频率的交流电源上。感应线圈34的功率输出最好是最大10千瓦可调，频率最大10兆赫兹可调。感应线圈34可能是螺线管式或平面式(pancake type)的，或者是任何其他形式的。而且，为了避免电磁通量阻挡，晶片贴装区域的金属加热台26，28被可能由陶瓷材料制成的非金属台表面(如陶瓷板36)取代以增强感应线圈34和引线框承载器12的金属部分13之间的电磁感应从而进行感应加热。

使用感应加热代替传统的带有加热单元32的加热块30的优势是热量能够被集中在引线框承载器12的金属部分13。塑料外壳14不受感应线圈34的影响，因此不被直接加热。取而代之的是，它间接的从金属部分13接收热量，而其低热导率变得无关紧要。由于没有对其进行直接加热，因此损坏非金属外壳的风险能够被消除或降低。

根据本发明的较佳实施例，从加热块30和感应线圈34的排列中获得的加热曲线也在图5中给出。通过沿着热隧道22的加热块30和感应线圈34的排列，引线框承载器12在到达晶片贴装位置之前被加热块30根据加热曲线逐渐进行加热。引线框承载器12上某个晶片焊接位置的温度最好处在Ta，即低于塑料外壳14材料的公知的玻璃转换温度或玻璃临界点(glass point)。引线框承载器12上晶片焊接位置的温度在晶片贴装位置的感应加热之前最好应该被保持在低于玻璃临界点的水平。

在顶盖24的窗口所定义的X1和X2点之间的晶片贴装位置，引线框承载器12上的晶片焊接位置温度从Tb到Ta的加热速率相对于现有技术以及从环境温度到刚刚低于玻璃临界点温度的加热速率均被显著地增大了。相对于现有技术以及从低于玻璃临界点以下到环境温度，从Tb到Ta的冷却速率也被显著增大，从而可以减少塑料外壳14在高温下的暴露。这里的目的是使得衬底或引线框承载器12上的金属部分13在低熔点焊接温度下保持足够长的时间以将晶片焊接到该金属部分，但是要保证在非金属材料被加热到高于其玻璃临界点之前。

这样做的结果是引线框承载器12上的金属部分13被保持在低熔点焊接温度Tb一段较短的时间。通过减少金属部分13处于温度Tb的时间，从引线框承载器12上的金属部分传递到塑料外壳14上的热量损坏塑料外壳14的风险被进一步降低了。

图6所示为根据本发明较佳实施例，用于促进贴装晶片10到包括非金属材料的聚合物衬底16上的热隧道22的侧视示意图。其与图5中的热隧道的主要区别在于用单层加热板27代替了上下加热板26，28，主要是考虑了聚合物衬底16的结构。热隧道22的其他部分与图5中的相同，在此就不再进一步描述了。

聚合物衬底16通过热隧道22从左边移动到右边，并被沿着热隧道22设置的加热块30所加热。在晶片贴装位置，加热块30被感应线圈34代替，同时聚合物衬底16被陶瓷板36支撑着。所以，贴装晶片10的金属引线框18的金属材料在晶片贴装位置被感应线圈34通过感应加热方式进行加热。

根据本发明的较佳实施例，从加热块30和感应线圈34的排列获得的加热曲线也在图6中给出了。加热块30将金属引线框18上的晶片焊接位置加热到温度Ta，其低于聚合物衬底16上的非金属塑料条20的玻璃临界点。然后，在将金属引线框18的温度保持在Tb一段较短的时间之前，感应线圈34以比现有技术快得多的速率将金属引线框18上的晶片焊接位置加热到低熔点焊接温度Tb。在晶片贴装完成以后，金属引线框18同样以比现有技术快得多的速率被冷却到温度Ta。从此以后，金属引线框18可能利用现有技术的工艺以逐渐降低的速率被冷却。

应该指出的是，虽然上述描述是关于晶片贴装位置之外的以传统加热块形式出现的非感应加热方法的使用，感应加热器件同样也能在晶片贴装位置之外被使用，从而可以合理的调节衬底在加热管道中移动时的温度曲线。晶片贴装位置感应加热的使用避免了热量直接传递到承载器或衬底上的非金属材料，以便降低非金属材料到达其玻璃化或熔化温度的速率。取而代之的是，热量被间接的从金属引线框18传递到塑料条20。并且，低熔点焊接温度Tb被保持了一段较短的时间，其刚刚足以放置晶片和进行晶片和待焊接金属表面之间低熔点焊接的发生。由于以上这些因素，非金属材料损伤的风险被降低或消除了，并且最终产品的质量可能因此而被提高。

此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (17)

1、一种用于将晶片贴装到衬底的装置，其中该衬底包含非金属材料以及用于接收具有低熔点镀膜晶片的金属材料，其包含有：

衬底可在其中移动的加热管道，其用于将金属材料加热到低熔点焊接温度从而促进晶片和金属材料在晶片贴装位置进行焊接；以及

晶片贴装位置的感应加热器件，其用于将金属材料加热到低熔点焊接温度。

2、如权利要求1所述的装置，其在晶片贴装位置包含有衬底的非金属支持面。

3、如权利要求2所述的装置，其中该非金属支持面由陶瓷材料制成。

4、如权利要求1所述的装置，其中该感应加热器件包含有由单个或多个绕组的金属线圈组成的感应线圈。

5、如权利要求1所述的装置，其中该感应加热器件的功率输出小于或等于10千瓦。

6、如权利要求1所述的装置，其中该反应加热器件以小于或等于10兆赫兹的频率运行。

7、如权利要求1所述的装置，其在感应加热发生的晶片贴装位置之外包含一个或多个感应加热器件。

8、一种用于将具有低熔点镀膜的晶片贴装到包含非金属材料和用于接收晶片的金属材料的衬底上的方法，其包含有以下步骤：

提供加热管道；

当衬底通过加热管道移动时，将加热管道中的金属材料加热到低熔点焊接温度以促进晶片和金属材料之间在晶片贴装位置的结合；

通过感应加热装置在晶片贴装位置将金属材料加热到低熔点焊接温度；以及

在晶片贴装位置将晶片贴装到金属材料上。

9、如权利要求8所述的方法，其包含有如下的步骤，即在晶片贴装位置的感应加热以前，保持金属材料的温度低于非金属材料的无定性转化温度。

10、如权利要求9所述的方法，其包含有如下的步骤，即保持金属材料处于低熔点焊接温度足够长的时间以将晶片焊接到金属材料上，但是在非金属材料被加热到高于其玻璃转换温度之前。

11、如权利要求9所述的方法，其包含有如下的步骤，即将金属材料从低于玻璃转换温度加热到低熔点焊接温度的速率充分高于将其从环境温度加热到低于无定性转化温度的速率。

12、如权利要求9所述的方法，其包含有如下的步骤，即在将晶片贴装到晶片贴装位置之后，将金属材料冷却到非金属材料的玻璃转换温度以下。

13、如权利要求12所述的方法，其中金属材料从低熔点焊接温度到低于玻璃转换温度以下的冷却速率充分高于金属材料从玻璃转换温度到环境温度的冷却速率。

14、如权利要求8所述的方法，其中该感应加热装置包含有由具有单个或多个绕组的金属线圈所组成的感应线圈。

15、如权利要求8所述的方法，其包含有在晶片贴装位置使用非金属台来支持衬底。

16、如权利要求15所述的方法，其中该非金属台由陶瓷材料制成。

17、如权利要求8所述的方法，其包含有在感应加热发生的晶片贴装位置之外通过感应加热装置来加热金属材料。

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