TWI816871B

TWI816871B - 晶粒黏接系統以及將晶粒黏接到基板的方法

Info

Publication number: TWI816871B
Application number: TW108131330A
Authority: TW
Inventors: 瑞布瑞維; 理查Ａ范德柏格; 魯道夫Ｈ霍夫斯; 威廉姆斯Ｇ范斯布蘭
Original assignee: 荷蘭商安必昂有限公司
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2023-10-01
Also published as: JP7344627B2; TW202401645A; JP2023169199A; JP2021535629A; EP4220696A3; TW202015167A; WO2020048950A3; KR102766402B1; JP7667829B2; CN112805817B; CN112805817A; TWI868892B; WO2020048950A2; US11410870B2; EP3847692A2; EP4220696A2; US20210313215A1; KR20210050563A; US11069555B2; US20200075385A1

Abstract

本發明提供一種晶粒黏接系統，該晶粒黏接系統包括：一支撐結構，用於支撐一基板；一晶粒供應源，包括複數個晶粒，該複數個晶粒用於黏接到該基板；一接合頭，用於將一晶粒從該晶粒供應源接合到該基板，該接合頭包括一接合工具，用於在從該晶粒供應源到該基板的轉移期間接觸該晶粒；一第一運動系統，用於沿著一第一軸移動該接合頭；以及一第二運動系統，獨立於該第一運動系統，用於沿著該第一軸移動該接合工具。

Description

晶粒黏接系統以及將晶粒黏接到基板的方法

本發明涉及一種用於將晶粒黏接到基板的系統和方法，更具體地，涉及一種將晶粒黏接到基板而不從晶粒供應源拾取該晶粒的改良型系統和方法。

關於將晶粒放置在基板上（例如，將半導體晶粒放置在基板上），許多傳統應用利用「拾取和放置」操作。在這樣的操作中，從半導體晶圓或其他晶粒供應源「拾取」晶粒，然後將該晶粒移動到（並「放置」在）目標基板上。這樣的操作還可以利用「拾取」工具和「放置」工具之間的一個或多個傳輸。

一些晶粒黏接應用不使用拾取和放置操作，例如，晶粒供應源（例如，包括複數個晶粒的晶圓）可以位於接合工具和基板之間，包括在晶粒供應源中的晶粒可以黏接到薄膜等。在接合工具、待黏接的晶粒和基板的放置位置之間對準之後，接合工具將晶粒壓在基板的放置位置上。在晶粒的下表面上（及/或在基板的放置位置上）提供黏合劑，使得晶粒當下固定到基板上。這種接合工具可以包括複數個接腳（例如，可垂直致動的接腳），該複數個接腳用於接觸與從晶粒供應源到基板的轉移相關的晶粒。

與這些應用（不使用拾取和放置操作的應用）相關的程序往往變得複雜，例如，因為複數個元件（例如，接合工具、待黏接的晶粒和基板的放置位置）的對準改變，晶粒黏接操作的速度以及相關的UPH（即每小時生產單位）可能會受到影響。

因此，希望提供用於將晶粒黏接到基板的改良型系統和方法，特別是不使用與拾取和放置操作的應用相關的系統和方法。

根據本發明的示例性實施例，提供一種晶粒黏接系統，該晶粒黏接系統包括：一支撐結構，用於支撐一基板；一晶粒供應源，包括複數個晶粒，該複數個晶粒用於黏著到該基板；一接合頭，用於將一晶粒從該晶粒供應源接合到該基板，該接合頭包括一接合工具，用於在從該晶粒供應源到該基板的轉移期間接觸該晶粒；一第一運動系統，用於沿著一第一軸移動該接合頭；以及一第二運動系統，獨立於該第一運動系統，用於沿著該第一軸移動該接合工具。

根據本發明的另一個示例性實施例，提供一種晶粒黏接系統，該晶粒黏接系統包括：一支撐結構，用於支撐一基板；一晶粒供應源，包括複數個晶粒，該複數個晶粒用於黏接到該基板；一接合頭，用於將一晶粒從該晶粒供應源接合到該基板，該接合頭包括一接合工具，用於在從該晶粒供應源到該基板的轉移期間接觸該晶粒；一第一運動系統，用於沿著一第一軸移動該晶粒供應源；以及一第二運動系統，獨立於該第一運動系統，用於沿著該第一軸移動該晶粒供應源。

根據本發明的又另一個示例性實施例，提供一種將晶粒黏接到基板的方法，該方法包括以下步驟：（a）操作一第一運動系統，該第一運動系統用於沿著一第一軸移動一接合頭，該接合頭用於將該晶粒從一晶粒供應源接合到該基板，該接合頭包括一接合工具，用於在從該晶粒供應源到該基板的轉移期間接觸該晶粒；（b）操作一第二運動系統，該第二運動系統獨立於該第一運動系統，用於沿著該第一軸移動該接合工具；以及（c）通過該接合工具的操作將該晶粒從晶粒供應源轉移到該基板。

根據本發明的又一示例性實施例，提供另一種將晶粒黏接到基板的方法，該方法包括以下步驟：（a）操作一第一運動系統，用於沿著一第一軸移動一晶粒供應源；（b）操作一第二運動系統，獨立於該第一運動系統，用於沿著該第一軸移動該晶粒供應源；以及（c）通過一接合工具的操作將該晶粒從該晶粒供應源轉移到該基板，該接合工具被包括作為一接合頭的一部分，該接合工具用於在從該晶粒供應源到該基板的轉移期間接觸該晶粒。

在本文中，術語「晶粒」旨在表示包括（或在後面的步驟中配置以包括）半導體晶片或晶粒的任何結構。示例性的「晶粒」元件包括：包括裸LED半導體晶粒（bare LED semiconductor die）的裸半導體晶粒（bare semiconductor die）、基板（例如，引線框架、PCB、載體、半導體晶片、半導體晶圓、BGA基板、半導體元件等）上的半導體晶粒、封裝的半導體裝置、覆晶晶片半導體裝置、嵌入基板中的晶粒等。

根據本發明一些示例性實施例，提供一種晶粒黏接系統，包括用於支撐接合頭或晶粒供應源的本發明的裝置，這種裝置包括：（i）長行程部分（long stroke part），支撐短行程軸；以及（ii）短行程部分（short stoke part），支撐接合頭或晶粒供應源。例如，在接合序列期間，長行程軸可以相對於基板（被配置為在晶粒黏接/接合序列中接收晶粒）以恆定速度行進。在接合期間，短行程軸相對於基板停止。在接合之後，該短行程軸跟上該長行程軸並移動到下一個接合位置。

包括在本發明裝置中的示例性元件包括以下組合：（1）具有相對慢的單軸晶粒供應源的短-長行程接合頭，使用在源上跳過晶粒（skipping dies on the source）的方法以防止較慢的供應源軸限制接合速率；（2）具有短-長行程晶粒供應源的短-長行程接合頭；以及（3）具有短-長行程晶粒供應源的替代快速接合裝置（例如雷射、空氣脈衝）。當然，可以考慮其他裝置（和相關的操作方法）。

本發明的各種態樣涉及組合長行程軸和短行程軸的優點（與接合頭和晶粒供應源中的任一個或與其兩者皆相關）。在應用於接合頭的一些示例中，運動軸的短行程部分實現高接合速率，而長行程部分使接合頭能夠達到期望的行程。短行程的示例性運動範圍包括：（i）小於1mm；（ii）小於3mm；或任何期望的運動範圍。

圖1A顯示晶粒黏接系統100。晶粒黏接系統100包括：支撐結構110，用於支撐基板112；晶粒供應源108，包括複數個晶粒108a，該複數個晶粒108a被配置為黏接到基板112；以及接合頭104，包括接合工具104b，用於在從晶粒供應源108到基板112的轉移期間接觸晶粒108a。晶粒黏接系統100還包括接合頭支撐件102和供應支撐件106。接合頭支撐件102和供應支撐件106各自安裝在機械結構150上，使得接合頭支撐件102和供應支撐件106可相對於機械結構150獨立地移動。接合頭支撐件102支撐可移動的接合頭104。接合頭104包括用於與對準及/或檢查操作結合使用的相機104a（和其他視覺系統組件）。晶粒供應源108可移動地安裝在供應支撐件106上。在圖1A（以及在圖1B至1C）所示的本發明的示例性實施例中，在晶粒黏接操作期間，晶粒供應源108被定位在接合工具104b和由支撐結構110支撐的基板112之間。

圖1B顯示位在晶粒108a上方的接合頭104（包括相機104a和接合工具104b），而晶粒108a又依次位在基板112上方。圖1C是沿著圖1B的1C-1C線的橫剖面圖，並且顯示具有相機104a和接合工具104b且位在基板112上的接合頭104。兩個「接合的」晶粒108a'已經在相應的接合位置處接合到基板112，並且顯示接合工具104b正在與基板112上的第三相應接合位置上方的另一個晶粒108a接合。

圖1D顯示接合工具104b的一個示例的圖。更具體地，接合工具104b可以包括至少一個接腳104b1，用於接觸與從晶粒供應源108到基板112的轉移相關的晶粒108a。此外，如圖1D所示，接合工具104b可以包括複數個接腳104b1，用於接觸與從晶粒供應源108到基板112的轉移相關的晶粒108a。複數個接腳104b1中的每一個相對於接合工具104b的其餘部分可以是可分離地或共同地移動（例如，沿著垂直軸)，以將晶粒108a轉移到基板112。

當然，包括一個或多個接腳104b1的接合工具104b（如圖1D所示）是接合工具104b的一個示例。在本發明的其他實施例中，接合工具104b可以不包括接腳104b1，但是在沒有接腳104b1的情況下可以轉移晶粒108a。

根據本發明的一些示例性實施例，（i）接合工具104b和（ii）晶粒供應源108中的至少一個使用第一運動系統和第二運動系統沿著軸（例如，水平軸或基本水平的軸）移動，例如：圖2A至2E顯示第一運動系統102'和第二運動系統104'（結合以下圖2A至2E詳述其操作）；以及圖3A至3C顯示第一運動系統106'和第二運動系統108'（結合以下圖3A至3C詳述其操作）。應當理解的是，如本文所示和所述的晶粒黏接系統100可包括：（i）用於移動接合工具104b的第一運動系統和第二運動系統（如圖2A至2E所示）；（ii）用於移動晶粒供應源108的第一運動系統和第二運動系統（如圖3A至3C所示）；或者（i）和（ii）兩者。

圖2A顯示晶粒黏接系統100（結合之前圖1A至1C的描述）的側剖視圖，但是現在接合頭104包括第一可移動載體114和第二可移動載體116。第一可移動載體114位在接合頭支撐件102和第二可移動載體116之間。第二可移動載體116位在第一可移動載體114和接合工具104b之間。第一運動系統102'相對於接合頭支撐件102提供用於沿著第一可移動載體114的第一軸（如圖2A中的x軸，但可考慮另一個線性軸，例如y軸）的線性運動。第二運動系統104'相對於第一可移動載體114提供用於沿著第二可移動載體116的第一軸的線性運動。圖2A還顯示運動系統106'，被配置為相對於供應支撐件106移動晶粒供應源108。運動系統102'、104'和106'中的每一個包括其相鄰組件之間的元件（為簡單起見，未具體顯示出來），例如，運動系統102'包括運動系統元件（例如：馬達、滑動件、滾珠螺桿、軸承等），以相對於接合頭支撐件102在第一可移動載體114之間提供運動。

示例性的第一運動系統102'包括在用於承載接合頭104的晶粒黏接系統100的高架系統（gantry system）中。晶粒108a位於基板112上的接合位置112a的上方，並且將接合到基板112上的接合位置112a。通常，接合頭104將在雙箭頭的垂直（例如，z軸）方向上移動，同時依次將晶粒108a接合到接合位置112a。

圖2B顯示接合頭104沿著接合頭支撐件102隨著第一運動系統102'而移動，同時接合工具104b接合最左側的晶粒108a並將最左側的晶粒108a接合到最左側的接合位置112a。當接合頭104向圖2B中的右側移動，使用第二運動系統104'的接合工具104b相對於第一可移動載體114向左移動以保持在最左邊的接合位置112a上方，並且將最左邊的晶粒108a接合到最左邊的接合位置112a。

圖2C顯示使用第一運動系統102'使接合頭104沿著接合頭支撐件102進一步向右移動，同時接合工具104b透過使用第二運動系統104'相對於第一可移動載體114進一步向左移動而保持在最左側接合位置112a上方，接合工具104b向上移動到在第二可移動載體116內的預接合位置。

圖2D顯示使用第一運動系統102'，使接合頭104沿著接合頭支撐件102繼續向右移動，同時使用第二運動系統104'，使接合工具104b當下相對於第一可移動載體114向右移動，以便在預期下一次黏合時，當下將接合工具104b定位在下一個接合位置112a上方。使用第三運動系統106'，使晶粒供應源108（例如，晶圓，諸如LED晶圓或其他LED晶粒源）相對於供應支撐件106向左移動。

圖2E顯示使用運動系統106'將晶粒供應源108相對於基板112向右移動，使得剩餘的最左側晶粒108a當下位於下一個接合位置112a上方且位於接合工具104b下方。繼續類似於圖2A至2E的流程，將最左側的晶粒108a接合到下一個接合位置112a，然後重置以將接下來的剩餘的最左側的晶粒108a（或根據需要的其他晶粒108a）接合到接下來的下一個接合位置112a。

圖3A顯示本發明的另一個實施例，其中具有用於接合頭104（包括可移動載體）的單個運動系統102'。在圖3A中（以及圖3B至3C），供應支撐件106（用於支撐晶粒供應源108）包括：支撐件118、第一運動系統106'、可移動載體120（用於承載晶粒供應源108，其可以是晶圓，諸如LED晶圓或其他LED晶粒源）、以及第二運動系統108'的至少一部分。接合工具104b（在接合頭104下方以垂直虛線表示）位於最左邊的接合晶粒108a和最左邊的接合位置112a上方。

第一運動系統106'相對於支撐件118提供用於沿著可移動載體120的第一軸（圖3A中的x軸，但是可以考慮另一個線性軸，例如y軸）的線性運動。第二運動系統108'相對於可移動載體120提供用於沿該第一軸的晶粒供應源108的線性運動。運動系統102'、106'和108'中的每一個包括其相鄰部件之間的元件（為簡單起見，未具體顯示），例如運動系統106'包括運動系統元件（例如：馬達、滑動件、滾珠螺桿、軸承等），以在可移動載體120和支撐件118之間提供運動。

圖3B顯示當可移動載體120向右移動並且晶粒供應源108相對於可移動載體120向左移動時最左邊的接合晶粒108a接合到最左邊的接合位置112a，並且當最左邊的接合晶粒108a與最左邊的接合位置112a之間形成接合時，相對於接合工具保持靜止。

圖3C顯示第一次接合後和接合頭104向右移動以將接合工具定位在下一個接合位置112a上方，而第四可移動載體120向右移動，同時晶粒供應源108也向右移動以使接合工具當下對準下一個接合位置112a上方的晶粒供應源108上的最左邊的接合晶粒108a。對於下一個接合，繼續類似於圖3A至3C的流程。

如各附圖所示，雙箭頭旨在表示相關元件的運動（或通過運動系統的潛在運動）。

本發明的示例性實施例傾向於導致實質更高的接合速率，而且沒有精確度損失。

儘管未在附圖中明確顯示，但本發明設想了其中接合頭和晶粒供應源中的每一個包括複數個運動系統的實施例。例如，本發明範圍內的晶粒黏接系統可包括用於移動接合工具（如圖2A至2E所示）的第一運動系統和第二運動系統、以及用於移動晶粒供應源（如圖3A至3C所示）的第一運動系統和第二運動系統。

雖然已經主要針對沒有「拾取」操作的晶粒黏接操作描述了本發明，但是本發明不限於此。本發明在半導體黏接產業中具有廣泛的應用性，包括晶粒黏接機（有時稱為晶粒黏合機）或其他封裝機（例如覆晶晶片機/操作、高級封裝操作等）。

儘管已經描述和說明了本發明的示例性實施例，但是本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解的是，可以在其中和其上進行前述和各種其他改變、省略和添加，而不脫離本發明的精神和範圍。相反地，可以在申請專利範圍及其均等範圍內對細節進行各種修改而不脫離本發明。

本申請主張2018年9月3日提交的美國臨時申請案第62/726,387號的權益，其內容透過引用結合於此。

100:晶粒黏接系統 102:接合頭支撐件 102':第一運動系統 104:接合頭 104':第二運動系統 104a:相機 104b:接合工具 104b1:接腳 106:供應支撐件 106':第一運動系統 108:晶粒供應源 108':第二運動系統 108a:晶粒 108a':晶粒 110:支撐結構 112:基板 112a:接合位置 114:第一可移動載體 116:第二可移動載體 120:第四可移動載體 150:機械結構

當結合附圖閱讀時，從以下詳細描述中可以最好地理解本發明。需要強調的是，根據一般實務，附圖的各種特徵未按比例繪製。相反地，為了清楚起見，各種特徵的尺寸被任意擴大或縮小。圖1A是根據本發明示例性實施例的晶粒黏接系統的元件的方塊頂視圖；圖1B是圖1A的晶粒黏接系統的元件的另一個方塊頂視圖；圖1C是圖1A的晶粒黏接系統的元件的方塊側視圖；圖1D是根據本發明示例性實施例的圖1A的晶粒黏接系統的一個示例性接合工具的詳細視圖；圖2A至2E是說明根據本發明示例性實施例的圖1的晶粒黏接系統的晶粒黏接操作的方塊側視圖；以及圖3A至3C是說明根據本發明另一個示例性實施例的圖1A的晶粒黏接系統的晶粒黏接操作的方塊側視圖。

100:晶粒黏接系統

102:接合頭支撐件

102':第一運動系統

104:接合頭

104':第二運動系統

104b:接合工具

106:供應支撐件

106':第一運動系統

108:晶粒供應源

108a:晶粒

112:基板

112a:接合位置

114:第一可移動載體

116:第二可移動載體

Claims

一種晶粒黏接系統，包括：一支撐結構，用於支撐一基板；一晶粒供應源，包括複數個晶粒，該複數個晶粒用於黏接到該基板；一接合頭，用於從該晶粒供應源將一晶粒接合到該基板，該接合頭包括一接合工具，用於在從該晶粒供應源到該基板的轉移期間接觸該晶粒；一第一運動系統，用於沿著一第一軸移動該接合頭；以及一第二運動系統，獨立於該第一運動系統，用於沿著平行於該第一運動系統的該第一軸的一軸移動該接合工具，並且在與該第一運動系統不同的方向上移動。
根據申請專利範圍第1項所述的晶粒黏接系統，其中，該接合工具包括至少一個接腳(pin)，用於接觸與從該晶粒供應源到該基板的轉移相關的該晶粒。
根據申請專利範圍第1項所述的晶粒黏接系統，其中，該接合工具包括複數個接腳，用於接觸與從該晶粒供應源到該基板的轉移相關的該晶粒。
根據申請專利範圍第1項所述的晶粒黏接系統，其中，該晶粒供應源包括一LED晶圓，並且該複數個晶粒為複數個LED晶粒。
根據申請專利範圍第1項所述的晶粒黏接系統，其中，(i)該晶粒以及(ii)被配置為接收該晶粒的該基板的一接合位置中的至少一個包括黏合劑，用於在從該晶粒供應源轉移到該基板之後將該晶粒固定到該接合位置。
根據申請專利範圍第1項所述的晶粒黏接系統，其中，該第一運動系統是包括在用於承載該接合頭的該晶粒黏接系統的一高架系統(gantry system)中。
根據申請專利範圍第1項所述的晶粒黏接系統，其中，該第一軸是該晶粒黏接系統的一x軸或一y軸。
根據申請專利範圍第1項所述的晶粒黏接系統，其中，在該接合頭沿著該第一軸在一第一方向上移動期間，該第二運動系統沿著該第一軸選擇性地在一第二方向上移動該接合工具，該第二方向與該第一方向相反。
根據申請專利範圍第1項所述的晶粒黏接系統，其中，該晶粒供應源在接合操作期間被配置為位在該基板和該接合工具之間。
一種將晶粒黏接到基板的方法，該方法包括以下步驟：(a)操作一第一運動系統，該第一運動系統用於沿著一第一軸移動一接合頭，該接合頭用於將該晶粒從一晶粒供應源接合到該基板，該接合頭包括一接合工具，用於在從該晶粒供應源到該基板的轉移期間接觸該晶粒；(b)操作獨立於該第一運動系統的一第二運動系統，該第二運動系統用於沿著平行於該第一運動系統的該第一軸的一軸移動該接合工具，並且在與該第一運動系統不同的方向上移動；以及(c)通過該接合工具的操作將該晶粒從該晶粒供應源轉移到該基板。
根據申請專利範圍第10項所述的方法，其中，在步驟(c)中，該接合工具包括至少一個接腳，用於接觸與從該晶粒供應源到該基板的轉移相關的該晶粒。
一種晶粒黏接系統，包括：一支撐結構，用於支撐一基板；一晶粒供應源，包括複數個晶粒，該複數個晶粒用於黏接到該基板；一接合頭，用於將該晶粒從一晶粒供應源接合到該基板，該接合頭包括一接合工具，用於在從該晶粒供應源到該基板的轉移期間接觸該晶粒；一第一運動系統，用於沿著一第一軸移動該晶粒供應源；以及一第二運動系統，獨立於該第一運動系統，用於沿著平行於該第一運動系統的該第一軸的一軸移動該晶粒供應源，並且在與該第一運動系統不同的方向上移動。
根據申請專利範圍第12項所述的晶粒黏接系統，其中，該接合工具包括至少一個接腳，用於接觸與從該晶粒供應源到該基板的轉移相關的該晶粒。
根據申請專利範圍第12項所述的晶粒黏接系統，其中，該接合工具包括複數個接腳，用於接觸與從該晶粒供應源到該基板的轉移相關的該晶粒。
根據申請專利範圍第12項所述的晶粒黏接系統，其中，該晶粒供應源包括一LED晶圓，並且該複數個晶粒為複數個LED晶粒。
根據申請專利範圍第12項所述的晶粒黏接系統，其中，(i)該晶粒以及(ii)被配置為接收該晶粒的該基板的一接合位置中的至少一個包括黏合劑，用於在從該晶粒供應源轉移到該基板之後將該晶粒固定到該接合位置。
根據申請專利範圍第12項所述的晶粒黏接系統，其中，該第一軸是該晶粒黏接系統的一x軸或一y軸。
根據申請專利範圍第12項所述的晶粒黏接系統，其中，在該晶粒供應源沿著該第一軸在一第一方向上移動期間，該第二運動系統沿著該第一軸選擇性地在一第二方向上移動該晶粒供應源，該第二方向與該第一方向相反。
根據申請專利範圍第12項所述的晶粒黏接系統，其中，該晶粒供應源在接合操作期間被配置為位在該基板和該接合工具之間。
一種將晶粒黏接到基板的方法，該方法包括以下步驟：(a)操作一第一運動系統，該第一運動系統用於沿著一第一軸移動一晶粒供應源；(b)操作獨立於該第一運動系統的一第二運動系統，該第二運動系統用於沿著平行於該第一運動系統的該第一軸的一軸移動該晶粒供應源，並且在與該第一運動系統不同的方向上移動；以及(c)通過一接合工具的操作將該晶粒從該晶粒供應源轉移到該基板，該接合工具被包括作為該接合頭的一部分，該接合工具用於在從該晶粒供應源到該基板的轉移期間接觸該晶粒。
根據申請專利範圍第20項所述的方法，其中，在步驟(c)中，該接合工具包括至少一個接腳，用於接觸與從該晶粒供應源到該基板的轉移相關的該晶粒。