專利名稱：用于對倒裝芯片電子器件進(jìn)行低應(yīng)力底部填充的平衡產(chǎn)品流程的制造系統(tǒng)和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明一般涉及電子系統(tǒng)和半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，更具體地，是涉及一種在半導(dǎo)體器件的組裝過程中加強(qiáng)工藝控制并減少熱機(jī)械應(yīng)力的設(shè)備。
背景技術(shù)：
0002當(dāng)通過焊料凸點(diǎn)連接，利用導(dǎo)電線路(例如印制電路板)在絕緣襯底上組裝集成電路(IC)芯片時(shí)，芯片與襯底之間由凸點(diǎn)間隔開，從而在芯片與襯底之間形成間隙。IC芯片通常為半導(dǎo)體，例如硅、硅鍺、或砷化鎵，而襯底一般由陶瓷或基于聚合物的材料(例如FR-4)制成。因此，芯片與襯底的熱膨脹系數(shù)(CTE)之間存在顯著差異；例如，在硅(約2.5ppm/℃)作為半導(dǎo)體材料而塑料FR-4(約25ppm/℃)作為襯底材料的情況下，CTE的差異基本上為一個(gè)數(shù)量級。由于存在這種CTE差異，因此當(dāng)組件在器件使用或可靠性測試期間經(jīng)受溫度周期性變化時(shí)，在焊接互連處，特別是在接合部位區(qū)域中就會產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力。這些應(yīng)力往往會使接合部位和凸點(diǎn)產(chǎn)生疲勞，從而導(dǎo)致組件破裂和最終失效。
0003為了在不影響電連接的情況下分散機(jī)械應(yīng)力并加強(qiáng)焊接點(diǎn)或焊接接合部位，通常要用聚合材料來填充半導(dǎo)體芯片與襯底之間的間隙，該聚合材料密封了凸點(diǎn)并填充了間隙。例如，國際商用機(jī)器公司(International Business Machines Corporation)所開發(fā)的著名的“C-4”工藝，就是利用聚合材料來填充硅芯片與陶瓷襯底之間的間隙。
0004密封劑的施加通常是在焊料凸點(diǎn)已經(jīng)經(jīng)過回流或重熔(reflow)處理并形成了IC芯片與襯底之間進(jìn)行電接觸的金屬接合部位后進(jìn)行的。一種粘性聚合前體(有時(shí)亦被稱為“底部填充材料”)被分配到芯片附近的襯底上，并通過毛細(xì)作用力吸入間隙中。該前體隨后被加熱、聚合及“固化”，從而形成密封劑。
0005工業(yè)界公知的是，這種固化工藝所需的溫度周期性變化能夠在其自身上產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，這對芯片和/或焊接互連部分可能是有害的。例如，由底部填充處理之前、回流處理之后的冷卻步驟所產(chǎn)生的應(yīng)力，以及由底部填充固化步驟之后的冷卻處理所產(chǎn)生的應(yīng)力可能會使焊接接合部位發(fā)生剝離，使芯片的鈍化層破裂，或者使裂紋蔓延到電路結(jié)構(gòu)中。一般地，在各層厚度減少以及低介電常數(shù)絕緣材料的機(jī)械弱點(diǎn)增加的情況下，對集成電路的分層結(jié)構(gòu)破裂的敏感性會大大增加。
0006因此，需要一種組裝方法，該方法能夠享有底部填充材料應(yīng)力分布的優(yōu)點(diǎn)，但沒有底部填充處理的有害副作用，從而提高了器件的可靠性。所述方法應(yīng)具有足夠強(qiáng)的結(jié)合力，足夠低的成本，并且應(yīng)該足夠靈活，以致可被應(yīng)用到不同半導(dǎo)體產(chǎn)品族以及各種各樣的設(shè)計(jì)和處理變化中。優(yōu)選地，應(yīng)在縮短制造周期時(shí)間并提高處理量的同時(shí)來實(shí)現(xiàn)這些創(chuàng)新。新設(shè)備設(shè)計(jì)的通用性應(yīng)足以在工藝流程的各個(gè)步驟中為產(chǎn)品提供制造優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
0007本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一種用于制造產(chǎn)品的系統(tǒng)，其中第一工作站是可操作的，以對未完成的產(chǎn)品零件執(zhí)行第一制造動(dòng)作；該第一工作站具有第一入口和第一出口。第二工作站是可操作的，以對產(chǎn)品零件執(zhí)行第二制造動(dòng)作；該第二工作站具有第二入口和第二出口。第一出口與第二入口之間的產(chǎn)品傳送線是可操作的，以在計(jì)算機(jī)控制下移動(dòng)產(chǎn)品零件。一個(gè)處理腔包圍傳送線的一部分，而且該處理腔被構(gòu)造成使該傳送實(shí)現(xiàn)從第一工作站到第二工作站的平衡處理量，同時(shí)使產(chǎn)品零件在通過處理腔傳送期間，暴露于計(jì)算機(jī)控制的環(huán)境條件下。
0008所述傳送線包括機(jī)械系統(tǒng)，該機(jī)械系統(tǒng)具有用于保持產(chǎn)品零件的可移動(dòng)平臺或托板(pallet)。處理腔內(nèi)的平衡處理量是由用于產(chǎn)品零件的等待線來實(shí)現(xiàn)的，而且計(jì)算機(jī)控制的監(jiān)控器跟蹤處理腔內(nèi)零件的位置和時(shí)間。這類產(chǎn)品的一個(gè)例子為半導(dǎo)體器件。
0009本發(fā)明的另一實(shí)施例是一個(gè)用于接收、儲存、傳送及發(fā)放所制造產(chǎn)品的處理腔；這種處理腔能夠在產(chǎn)品制造的各個(gè)階段插入制造流程中。該處理腔保持特定環(huán)境，例如氣體環(huán)境、濕度和溫度。該處理腔具有配備了傳感器并由計(jì)算機(jī)控制的入口和出口，以及一個(gè)連接入口和出口的傳送系統(tǒng)。該傳送系統(tǒng)包括適于傳送產(chǎn)品或零件的可移動(dòng)平臺；該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成通過使用水平旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤、或垂直旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪、或延長的傳送器系統(tǒng)，為裝載在這些平臺上的產(chǎn)品零件創(chuàng)建等待線。計(jì)算機(jī)控制的監(jiān)控器跟蹤這些平臺的位置和時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)某種平衡的處理量。
0010本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種用于對半導(dǎo)體器件進(jìn)行應(yīng)力減小式組裝的方法，該半導(dǎo)體器件包括一個(gè)具有至少一個(gè)接觸盤的芯片和一個(gè)具有至少一個(gè)連接盤的襯底。首先，將襯底置于托板上；并將回流元件(例如焊球)附著到芯片的接觸盤。然后將芯片倒裝到襯底上，以使回流元件被放置成與襯底的連接盤相接觸。其次，將托板移入適于執(zhí)行回流操作的第一工作站，在此對芯片和襯底施加熱能以使焊球回流，從而產(chǎn)生一個(gè)由芯片和襯底構(gòu)成的組件，其中在芯片和襯底之間由間隙分隔開。然后將包括該組件的托板，從第一工作站傳送到第一處理腔內(nèi)，該第一處理腔保持在恒定的第一溫度；并將托板置于等待線中一個(gè)第一時(shí)間段。
0011按照命令，使托板從所述等待線中退出，并移入一個(gè)適于執(zhí)行底部填充操作的第二工作站，在此用聚合物前體來填充組件間隙。其后，將包括被填充組件的托板從第二工作站移入第二處理腔，該第二處理腔保持在恒定的第二溫度，該第二溫度足以使所述前體發(fā)生部分聚合；將托板置于等待線中一個(gè)第二時(shí)間段。
0012按照命令，使托板從等待線中退出，并移入一個(gè)適于完成前體聚合的第三工作站，在此處使前體完全聚合。最后，所完成的組件被冷卻到環(huán)境溫度。所有的加熱和冷卻步驟都是以計(jì)算機(jī)控制的上升或下降速率執(zhí)行的。溫度的上升或下降，以及恒定溫度等待期間，被設(shè)計(jì)成減少熱機(jī)械應(yīng)力。
0013本發(fā)明的實(shí)施例涉及焊球和凸點(diǎn)連接(bump-bonded)IC組件、半導(dǎo)體器件封裝、貼裝以及芯片級封裝。一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明提供了一種靈活的高處理量的組裝方法，從而可以獲得極低應(yīng)力的可靠的產(chǎn)品。額外的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明采用處理腔來平衡生產(chǎn)線流程，這種處理腔在其原理和特征方面的通用性足以使其能夠在生產(chǎn)流程的各個(gè)階段插入該流程中。進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括有可能將所述組件縮小到更小尺寸，并采用機(jī)械性能較弱的材料，從而支持目前IC微型化的技術(shù)潮流，而且使芯片觸點(diǎn)更均勻地分布在芯片區(qū)域上，而不必將這些觸點(diǎn)的布局限制為沿著芯片周邊的線性布局，從而支持目前追求更高輸入/輸出數(shù)目的潮流。
0014根據(jù)下文對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的描述，并且結(jié)合附圖以及所附權(quán)利要求中所述的新特征，本發(fā)明某些實(shí)施例所代表的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)將會變得更加明顯。


0015圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于平衡產(chǎn)品流程的制造系統(tǒng)和設(shè)備的一部分的示意圖。
0016圖2是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的用于接收、儲存、傳送和發(fā)放所制造的產(chǎn)品的處理腔的示意性剖視圖。
0017圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的用于接收、儲存、傳送和發(fā)放所制造產(chǎn)品的處理腔的示意性頂視圖。
0018圖4示出了根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的一個(gè)處理腔的示意性頂視圖，該處理腔用于接收、儲存、傳送和發(fā)放所制造的產(chǎn)品。
0019圖5示出了一個(gè)用于接收、儲存、傳送和發(fā)放所制造的產(chǎn)品的處理腔的更詳細(xì)的示意性剖視圖。
0020圖6根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，描述了半導(dǎo)體器件的組裝處理流程，其中包括兩個(gè)儲存處理腔。
0021圖7示出了產(chǎn)品移動(dòng)通過圖6所示各階段的組裝流程的溫度-時(shí)間曲線；而且還示出了產(chǎn)品移動(dòng)通過圖8所示的各個(gè)傳統(tǒng)組裝階段的溫度曲線，以供比較。
0022圖8描述了根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)的半導(dǎo)體器件的組裝處理流程。
0023圖9是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示意性處理流程圖，該實(shí)施例應(yīng)用于對倒裝芯片電子器件進(jìn)行低應(yīng)力底部填充操作。
0024圖10比較了不同組裝階段的低k夾層電介質(zhì)(interleveldielectric)內(nèi)的模擬應(yīng)力，該應(yīng)力是由半導(dǎo)體器件組裝過程中的處理溫度造成的。
0025圖11A是多個(gè)焊球的示意性頂視圖，示出了應(yīng)力模擬時(shí)所用的參數(shù)。
0026圖11B比較了低k夾層電介質(zhì)中模擬應(yīng)力的幾何變量，該應(yīng)力是由半導(dǎo)體器件不同組裝階段的處理溫度造成的。
具體實(shí)施例方式
0027本發(fā)明與如下專利有關(guān)2001年4月10日頒發(fā)的美國專利第6,213,347號和2001年5月8日頒發(fā)的美國專利第6,228,680號(Thomas，“Low Stress Method and Apparatus for Underfilling Flip-Chip ElectronicDevices”)，以及2001年6月12日頒發(fā)的美國專利第6,245,583號(Amador等人，“Low Stress Method and Apparatus of UnderfillingFlip-Chip Electronic Devices”)。
0028為說明本發(fā)明的實(shí)施例，圖1示意性地描述了一個(gè)工作站及其它系統(tǒng)的組100，它們被連續(xù)地布置在一起從而形成特定產(chǎn)品的制造處理流程的一部分。在圖1中以虛線箭頭103表示制造流程的方向。在半導(dǎo)體技術(shù)中，這種產(chǎn)品及制造流程的一個(gè)例子便是采用倒裝芯片工藝將集成電路芯片組裝到襯底上。
0029在圖1中，第一工作站101具有第一入口101a和第一出口101b。工作站101用于對產(chǎn)品執(zhí)行特定制造動(dòng)作。在半導(dǎo)體器件制造技術(shù)中，該動(dòng)作例如可以是焊料互連的回流處理。第二工作站102具有第二入口102a和第二出口102b。工作站102用于在工作站101的動(dòng)作之后，對產(chǎn)品執(zhí)行另一特定制造動(dòng)作，在半導(dǎo)體器件制造技術(shù)中，該動(dòng)作例如可以是分配底部填充前體。
0030產(chǎn)品傳送線103連接第一出口101b與第二入口102a。該傳送線提供了在計(jì)算機(jī)控制下將產(chǎn)品零件從出口101b移動(dòng)到入口102a的技術(shù)手段；例如，傳送線103可以是機(jī)械導(dǎo)軌線，其是可操作的，以移動(dòng)保持工件的托板或平臺。舉例來說，被裝載到托板上的產(chǎn)品零件可以是需要經(jīng)過制造步驟的半導(dǎo)體器件零件。
0031處理腔104包圍傳送線103的一部分103a。處理腔104具有入口104a和出口104b，其中入口104a面對第一工作站101的出口101b，而出口104b面對第二工作站102的入口102a。處理腔104為傳送線部分103a提供了一個(gè)處于計(jì)算機(jī)控制條件下的環(huán)境110。這些環(huán)境條件的例子包括氣體環(huán)境、氣體壓力、濕度、以及溫度(更多細(xì)節(jié)請參看圖2至4)。此外，處理腔104內(nèi)的傳送線103a是結(jié)構(gòu)化和計(jì)算機(jī)控制的，以實(shí)現(xiàn)從第一工作站出口101b到第二工作站入口102a的平衡協(xié)調(diào)的零件處理量。該傳送線的一個(gè)特征是在處理腔104內(nèi)形成產(chǎn)品零件的等待線；另一特征是它們有利于特定制造步驟，這些制造步驟在規(guī)定環(huán)境條件(例如溫度)下以所用時(shí)間為特有特征。圖2至4中示出了幾種適當(dāng)?shù)膫魉途€配置的例子。
0032通過處理腔104的平衡線傳送由監(jiān)控器來保持，監(jiān)控器檢測特定條件，例如溫度和/或聚合處理中釋放氣體的濃度。示意性地，在圖1的處理腔104中以監(jiān)控器105a、105b、105c和105d作為監(jiān)控器的幾個(gè)示例。這些監(jiān)控器由計(jì)算機(jī)控制，并給計(jì)算機(jī)提供數(shù)據(jù)和反饋。
0033本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種用于接收、儲存、傳送和發(fā)放所制造的產(chǎn)品的處理腔；該處理腔被構(gòu)造成使其可以在產(chǎn)品制造的各個(gè)階段插入制造流程，有時(shí)需要進(jìn)行對其特性中的一個(gè)或多個(gè)特性進(jìn)行微小改變。適當(dāng)?shù)奶幚砬坏睦尤缡疽庑缘膱D2、圖3和圖4所示。每個(gè)處理腔中的黑箭頭表示從其相應(yīng)入口到其相應(yīng)出口穿過處理腔的產(chǎn)品流程的總方向。
0034現(xiàn)參見圖2，其示出一個(gè)具有入口204a和出口204b的處理腔204的示意性剖視圖。一條產(chǎn)品傳送線連接入口204a與出口204b。在圖2中，穿過處理腔的產(chǎn)品傳送線被分成三個(gè)區(qū)段表示區(qū)段203a和203c可包括直線部分，或者可具有其它外形；而區(qū)段203b是產(chǎn)品等待部分。等待部分203b的這一示例是一個(gè)可繞軸230(該軸垂直于轉(zhuǎn)輪203b的平面)垂直旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪。傳送系統(tǒng)可具有可移動(dòng)平臺或托板，其適于傳送產(chǎn)品零件。
0035當(dāng)產(chǎn)品單元或零件(例如托板上的產(chǎn)品)220a已從入口204a移動(dòng)到轉(zhuǎn)輪203b時(shí)，它可進(jìn)入轉(zhuǎn)輪上的一個(gè)位置，并在該旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪上停留一段預(yù)定時(shí)間；在圖2中顯示了若干更多的產(chǎn)品零件或單元220b、220c等等。轉(zhuǎn)輪及其產(chǎn)品保持器221在產(chǎn)品零件進(jìn)入處理腔204時(shí)容納它們。每個(gè)產(chǎn)品或零件的位置和停留時(shí)間由傳感器來監(jiān)視，傳感器將數(shù)據(jù)反饋給控制等待時(shí)間的計(jì)算機(jī)。圖2示意性地示出了幾個(gè)傳感器205。產(chǎn)品單元的被監(jiān)視的位置和停留時(shí)間數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)通過處理腔204的計(jì)算機(jī)平衡產(chǎn)品處理量所需的輸入。為增加靈活性，有些處理腔可具有多個(gè)轉(zhuǎn)輪，讓這些轉(zhuǎn)輪以不同的速度旋轉(zhuǎn)是可能的。
0036各個(gè)附加特征使處理腔204能夠靈活地插入產(chǎn)品制造的各個(gè)階段。在產(chǎn)品是半導(dǎo)體器件，且制造加工是將集成電路芯片組裝到襯底上或者是將封裝器件組裝到襯底上的應(yīng)用中，處理腔204可以計(jì)算機(jī)控制的氣體環(huán)境、氣體壓力、以及濕度的環(huán)境為特征；此外，處理腔204可提供計(jì)算機(jī)控制的溫度。這些環(huán)境條件可保持恒定或者能夠以預(yù)定方式或節(jié)奏變化。在圖2中，這些環(huán)境條件被概括地標(biāo)記為210。
0037圖3示出了一個(gè)具有入口304a和出口304b的處理腔304的頂視圖。一條傳送線連接入口304a與出口304b。在圖3中，穿過處理腔的產(chǎn)品傳送線被表示成三個(gè)區(qū)段。區(qū)段303a和303c可包括直線部分，或可具有另一種外形，而區(qū)段303b是產(chǎn)品等待部分。本實(shí)施例的等待部分303b是繞軸330(該軸垂直于轉(zhuǎn)盤303b的平面)水平旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤。所述傳送系統(tǒng)可具有適于傳送產(chǎn)品零件的可移動(dòng)平臺或托板。
0038當(dāng)產(chǎn)品零件或單元(例如托板上的產(chǎn)品)320a已從入口304a移動(dòng)到轉(zhuǎn)盤303b時(shí)，它可進(jìn)入該轉(zhuǎn)盤，并在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤停留一段預(yù)定時(shí)間；在圖3中顯示了若干更多的產(chǎn)品單元320b、320c等等。轉(zhuǎn)盤容納將要送給處理腔304的特定產(chǎn)品。每個(gè)產(chǎn)品的位置和停留時(shí)間由傳感器監(jiān)視，傳感器將數(shù)據(jù)反饋給控制等待時(shí)間的計(jì)算機(jī)。在圖3中示意性地示出了幾個(gè)傳感器305。產(chǎn)品元件的被監(jiān)視的位置和停留時(shí)間數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)通過處理腔304的計(jì)算機(jī)平衡的產(chǎn)品處理量所需的輸入。為增加靈活性，有些處理腔可具有多個(gè)轉(zhuǎn)盤，讓這些轉(zhuǎn)盤是以不同的速度旋轉(zhuǎn)是可能的。
0039類似于圖2所描述的實(shí)施例，各個(gè)附加特征使圖3中的處理腔304能夠靈活地插入產(chǎn)品制造的各個(gè)階段。在產(chǎn)品為半導(dǎo)體器件，且制造加工是將集成電路芯片組裝到襯底上或者是將封裝器件組裝到襯底上的應(yīng)用中，處理腔304可以計(jì)算機(jī)控制的氣體環(huán)境、氣體壓力、以及濕度的環(huán)境為特征；此外，處理腔304可提供計(jì)算機(jī)控制的溫度。這些環(huán)境條件可保持恒定或者能夠以預(yù)定方式或節(jié)奏變化。在圖3中，這些環(huán)境條件被概括地標(biāo)記為310。
0040圖4示出了另一種用于接收、儲存、傳送和發(fā)放所制造的產(chǎn)品或零件的設(shè)備的示意性頂視圖。該設(shè)備適于在產(chǎn)品制造的各個(gè)階段插入到制造流程中。在處理腔的性能和靈活性方面，圖4中的設(shè)備類似于圖2和圖3所示實(shí)施例。
0041然而在產(chǎn)品的儲存方面，圖4中的設(shè)備包括多個(gè)直線式、但較長的產(chǎn)品等待線。參考圖4，處理腔404具有產(chǎn)品傳送線403，該傳送線連接著計(jì)算機(jī)控制的入口404a和出口404b。在進(jìn)入該處理腔后，產(chǎn)品或零件將沿著第一傳送器403a傳送。然后，該產(chǎn)品或零件進(jìn)入傳送線的等待部分403b，該等待部分被設(shè)計(jì)成多段直線形直道430，它們能夠?qū)⒀b載有產(chǎn)品或零件可移動(dòng)平臺或托板儲存任意長的預(yù)定時(shí)間段。這些直線部分具有作為傳送帶運(yùn)動(dòng)的選擇。對于具有多個(gè)直線部分的實(shí)施例來說，每條傳送帶能夠以不同速度移動(dòng)。根據(jù)命令，產(chǎn)品最終在第三傳送器403c上和出口門404b處離開處理腔。停留位置和時(shí)間是由計(jì)算機(jī)控制的。向計(jì)算機(jī)提供數(shù)據(jù)的監(jiān)控器被概括地標(biāo)記為405。處理腔的環(huán)境條件410包括計(jì)算機(jī)控制的氣體環(huán)境、壓力、濕度以及溫度。
0042圖5示意性地示出了圖4設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例，其被插到回流爐501與底部填充分配裝置502之間的半導(dǎo)體器件裝配線中(可在市面上可購買到若干種回流爐和底部填充分配系統(tǒng)；至于優(yōu)選的底部填充技術(shù)則請參看上文提到的美國專利)。傳送器503可操作用于自動(dòng)傳送，以將托板504送入加熱處理腔510。位置傳感器505被安裝在回流爐的輸出傳送器503上，探測是否有托板元件例如托板504進(jìn)入。該傳感器發(fā)送電信號給控制處理腔510的計(jì)算機(jī)520?；畎彘T511轉(zhuǎn)動(dòng)開啟，從而使托板504能夠從回流爐501的輸出傳送帶503直接傳送到處理腔510的輸入傳送器512上。一旦托板504傳送完畢，活板門511關(guān)閉。處理腔510的特征在于受控環(huán)境和受控溫度(優(yōu)選為升高溫度，參見圖7)。
0043托板506從輸入傳送器512被傳送到中央傳送器513。在圖5所示實(shí)施例中，中央傳送帶513可雙向運(yùn)動(dòng)，以致進(jìn)入的托板能夠被立即裝入(保持輸入傳送器卸空以接收下一個(gè)可用托板)，且先進(jìn)入的托板507可按需要被放置在輸出傳送器514上?；畎彘T515擺動(dòng)開啟，從而使托板508能夠從處理腔510的輸出傳送器514直接傳送到底部填充分配裝置502的輸入傳送器509上。一旦傳送完畢，活板門515即關(guān)閉(對于底部填充分配裝置內(nèi)的工具，圖5僅示出預(yù)熱臺502a)。在預(yù)熱臺502a之上安裝有位置傳感器530，用于探測能否接收下一個(gè)托板。傳感器530發(fā)送電信號給控制處理腔510的計(jì)算機(jī)520。通過數(shù)據(jù)反饋和計(jì)算機(jī)控制，圖5中的系統(tǒng)建立了平衡的產(chǎn)品流程和制造時(shí)間靈活性。
0044圖6所示實(shí)施例示意性地說明了焊料回流和器件底部填充制造系統(tǒng)，該實(shí)施例被安排成使相應(yīng)的溫度-時(shí)間曲線能夠?yàn)閳D7所示。從環(huán)境溫度下的取放裝置601開始(曲線部分701)，產(chǎn)品零件移動(dòng)到回流爐602并經(jīng)受回流處理。該回流處理被示意性地表示為具有一個(gè)分為兩階段702a和702b的加熱周期，之后是局部冷卻周期703，其共同延展于從時(shí)刻t1到時(shí)刻t2這段期間(實(shí)際的加熱和冷卻周期取決于所選擇的回流材料)。局部冷卻溫度703a優(yōu)選為90到120℃，顯著高于環(huán)境溫度。
0045產(chǎn)品零件在點(diǎn)703a所達(dá)到的溫度保持相當(dāng)長一段時(shí)間首先是從t2到t3的靈活時(shí)間段，這是產(chǎn)品零件在第一處理腔603中度過的時(shí)間段(已結(jié)合圖5對處理腔603的特性作了較詳細(xì)的描述)，然后是從t3到t4的時(shí)間段，產(chǎn)品需要該時(shí)間段在分配裝置604中接收底部填充前體；而最后是從t4到t5的時(shí)間段，這是產(chǎn)品在第二處理腔605中度過的時(shí)間段(處理腔605的特性類似于在圖5中所描述的特征)。產(chǎn)品進(jìn)入底部填充固化爐606，并在略微升高的溫度705(取決于所選擇的底部填充材料)度過從t5到t6的時(shí)間段，以便充分聚合底部填充前體。在離開固化爐606之后，產(chǎn)品溫度在斜坡周期706中被冷卻到環(huán)境溫度。
0046在圖7中，比較了圖6實(shí)施例所實(shí)現(xiàn)的時(shí)間/溫度圖(實(shí)曲線)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)技術(shù)的典型時(shí)間/溫度圖(虛曲線)。后一個(gè)圖的特征在于達(dá)到環(huán)境溫度的深度冷卻周期，即分別是曲線部分710和711、以及712和713。這些深度冷卻周期在焊接結(jié)合部位和相鄰介電材料中產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，其大小使得這些器件區(qū)有破裂和失效的危險(xiǎn)(參見圖10和圖11)。在圖8中，示意性地表示了基于公知技術(shù)的組件制造線的一個(gè)典型例子。產(chǎn)品從取放裝置801移動(dòng)到回流爐802內(nèi)；然后產(chǎn)品可在分段傳送線中等待，以被冷卻到環(huán)境溫度。在分配裝置中接收底部填充前體之后，產(chǎn)品可在分段傳送線中再次等待以冷卻到環(huán)境溫度。在所完成的產(chǎn)品被最終冷卻到環(huán)境溫度之前，底部填充前體在固化爐806內(nèi)被聚合。
0047本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種用于對半導(dǎo)體器件進(jìn)行應(yīng)力減小式組裝的方法。所述器件可包括一個(gè)倒裝在襯底上的集成電路芯片，或者可包括一個(gè)通過回流連接附著在襯底上的封裝元件。這種方法的一個(gè)例子示意性地表示在圖9的工藝流程圖中。
0048該工藝流程的一個(gè)輸入是零件901，其由一個(gè)半導(dǎo)體芯片構(gòu)成，該半導(dǎo)體芯片具有至少一個(gè)接觸盤；一個(gè)例子是帶有金屬盤的硅集成電路，該金屬盤具有一個(gè)可軟焊或可焊接的表面；另一個(gè)例子是帶有金屬盤的封裝半導(dǎo)體器件，該金屬盤具有一個(gè)可軟焊的表面。優(yōu)選的可軟焊表面包括鎳或鈀表面。另一個(gè)輸入是零件902，其由一個(gè)可回流元件例如焊球或錫凸點(diǎn)構(gòu)成。優(yōu)選的可回流元件或連接器由錫/銀、錫/鉍、或錫/鉛制成。另一個(gè)輸入是零件903，其由一個(gè)襯底構(gòu)成，該襯底具有至少一個(gè)帶有可軟焊表面的連接盤；一個(gè)優(yōu)選例子是帶有鍍金銅盤的FR-4印制電路板。另一個(gè)輸入是零件904，其由可移動(dòng)平臺構(gòu)成，該平臺適于傳送半導(dǎo)體器件；一個(gè)例子就是托板。
0049在處理步驟905中，回流元件902被附著到芯片901的接觸盤；優(yōu)選的附著技術(shù)是將連接器元件回流到該盤上。在步驟906中，將襯底903置于托板904上。
0050在步驟907中，將帶有附著回流元件902的芯片901倒裝到位于托板904上的襯底903上，使得回流元件902被放置成與襯底903的連接盤接觸。在下一個(gè)步驟中，將托板移入第一工作站908內(nèi)。這個(gè)工作站是一個(gè)適于執(zhí)行回流操作的設(shè)備；一種優(yōu)選設(shè)備是計(jì)算機(jī)控制的回流爐，其具有自動(dòng)鏈節(jié)(chain-link)處理量。在這個(gè)第一工作站908中，向托板上的芯片901和襯底903提供熱能，該熱能的量足以使元件902回流。這個(gè)焊料熔化步驟909產(chǎn)生一個(gè)由芯片901和襯底903構(gòu)成的組件，其中芯片901和襯底903之間由間隙分隔開，而回流連接器為間隔物。盡管允許連接器在第一工作站908內(nèi)固化，但它們的溫度不應(yīng)下降至顯著低于熔化溫度，而且絕對不會降至室溫。
0051無延遲地將裝載有芯片/襯底組件的托板從工作站908送入第一處理腔910。在這個(gè)傳送過程中，芯片/襯底組件的溫度不會顯著下降。第一處理腔910被構(gòu)造成類似于圖2、圖3和圖4所示設(shè)備中的某一個(gè)。將新到達(dá)的托板置于等待線上一個(gè)第一時(shí)間段。在這個(gè)等待時(shí)間段期間，組件的溫度是恒定的，并保持在一定水平，以致在該組件的焊接接合部位處幾乎不會形成熱機(jī)械應(yīng)力。托板位置、溫度、環(huán)境條件、以及時(shí)間均由傳感器監(jiān)視，并由計(jì)算機(jī)控制。
0052在下一個(gè)處理步驟中，帶有組件的托板從第一處理腔910中的等待線中退出，并移動(dòng)到第二工作站911中。這個(gè)工作站是一個(gè)適于執(zhí)行底部填充操作的設(shè)備；一種優(yōu)選設(shè)備由帶有計(jì)算機(jī)控制的注射器的環(huán)境和溫度受控處理腔構(gòu)成，這些注射器的位置和噴嘴開口被設(shè)計(jì)成以預(yù)定速率來分配底部填充前體。在步驟912中，所述前體通過毛細(xì)作用力以受控速率來填充芯片/襯底組件的間隙。優(yōu)選的底部填充前體包括聚合物，例如酸酐環(huán)氧樹脂或氰基酯；對于這些聚合物，芯片/襯底組件的溫度優(yōu)選應(yīng)處于從90到120℃的范圍內(nèi)。
0053在底部填充處理之后，將帶有被填充組件的托板從第二工作站911傳送到第二處理腔913中。第二處理腔913被構(gòu)造成類似于圖2、圖3和圖4所示設(shè)備中的某一個(gè)。將新到達(dá)的托板置于等待線中一個(gè)第二時(shí)間段。在這個(gè)等待時(shí)間段期間，組件的溫度是恒定的，并保持在一定水平，該溫度水平足以使底部填充聚合物前體發(fā)生至少部分聚合。托板位置、溫度、環(huán)境條件、以及時(shí)間均由傳感器監(jiān)視，并由計(jì)算機(jī)控制。
0054其后，將裝載有底部填充組件的托板從等待線中退出，并移動(dòng)到適于完成底部填充聚合物聚合的第三工作站914中。處理步驟915表示聚合完成(通常被稱為聚合物固化)，于是將倒裝芯片組裝到襯底上。
0055所完成的組件退出第三工作站914，并在步驟916中被冷卻到環(huán)境溫度。在圖9的整個(gè)工藝流程中，加熱和冷卻步驟是以計(jì)算機(jī)控制的上升或下降速率和等待時(shí)間來執(zhí)行的，以免形成熱機(jī)械應(yīng)力，或減少現(xiàn)有應(yīng)力。最后，所完成的組件被準(zhǔn)備好以便裝運(yùn)(917)。
0056可通過焊接接合部位和相鄰介電材料中的熱機(jī)械應(yīng)力分布的有限元模擬來驗(yàn)證圖9所示組裝工藝流程的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，其中溫度曲線是由計(jì)算機(jī)控制的，并且避免了在一個(gè)或多個(gè)處理步驟之后下降到環(huán)境溫度。
0057在圖10中，示出組裝處理中如下三個(gè)階段的焊料連接的平均拉應(yīng)力(度量單位為兆帕，Mpa)階段1001是在進(jìn)行底部填充之前，芯片被焊接到襯底并從回流溫度冷卻到環(huán)境溫度之后的應(yīng)力值。階段1002是在進(jìn)行底部填充之前，芯片被焊接到襯底并從回流溫度冷卻到大約90℃之后的應(yīng)力值。階段1003是將芯片焊接到襯底、冷卻到僅儀90℃，并進(jìn)行了底部填充、固化、以及冷卻到環(huán)境溫度，并在操作條件下進(jìn)行操作之后的應(yīng)力值。虛線1010表示典型低k夾層電介質(zhì)材料(如用于高級集成電路中的)所能承受的近似的最大抗拉強(qiáng)度；如圖10所示，抗拉強(qiáng)度極限值約為105MPa。這意味著，對于導(dǎo)致階段1的處理，存在相當(dāng)大的夾層電介質(zhì)層破裂的危險(xiǎn)，因?yàn)檫@種處理所而臨的應(yīng)力水平顯著高于所述材料耐受度。另一方面，導(dǎo)致階段2的本發(fā)明的實(shí)施例避免了這種危險(xiǎn)。
0058圖11A和圖11B示出了一個(gè)要組裝到襯底上的芯片的特地選擇的焊球的模擬結(jié)果；這些模擬結(jié)果證實(shí)了本發(fā)明的設(shè)備和方法實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)。圖11A示出了附著到半導(dǎo)體芯片的多個(gè)焊球；最接近芯片拐角的焊球被標(biāo)記為1101(拐角球)。沿著從芯片中心到芯片拐角的直線，計(jì)算了在各個(gè)組裝和溫度暴露階段施加在這些焊球上的拉應(yīng)力。在這條直線上有若干個(gè)焊球，包括最遠(yuǎn)的拐角球1101，以及點(diǎn)A和點(diǎn)B。對于點(diǎn)A，標(biāo)出x-y坐標(biāo)系以供參考。
0059在圖11b中，所計(jì)算的拉應(yīng)力(以Mpa表示)被示為沿x軸至點(diǎn)A的距離(以μm表示)的函數(shù)。該應(yīng)力是針對如下三種制造情況計(jì)算的曲線1110示出了從回流溫度冷卻之后、在底部填充步驟之前環(huán)境溫度下的應(yīng)力(傳統(tǒng)制造方法)。曲線1111示出了在回流溫度之后、底部填充步驟之前保持在90℃的應(yīng)力(本發(fā)明的方法)。曲線1112示出了組裝完成之后操作條件下的應(yīng)力。直線1113表示低k介電材料近似的應(yīng)力極限值(約為105MPa)，該低k介電材料被用作高速高級集成電路中的夾層絕緣體。
0060由曲線1110明顯可見，在靠近芯片拐角處存在危險(xiǎn)區(qū)，在這些危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，傳統(tǒng)制造工藝中因溫度擺動(dòng)而產(chǎn)生的應(yīng)力超過了IC介電材料的抗拉強(qiáng)度。因此，在這種應(yīng)力區(qū)內(nèi)有可能發(fā)生夾層介電材料的粘合破裂。這種危險(xiǎn)的應(yīng)力峰值和破裂危險(xiǎn)在圖11A中拐角焊料連接1101附近尤為突出。
0061盡管參考說明性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但不可用限定意義來解釋本說明書。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，一旦參考了本說明書，那么對這些說明性實(shí)施例以及本發(fā)明其它實(shí)施例的各種修改和組合將變得明顯。
0062例如，可將圖9所示的工藝流程圖應(yīng)用于如下組裝過程其中圖9所示的IC芯片被替換為封裝半導(dǎo)體器件。因此，本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例適用于球柵陣列封裝、芯片級封裝、及芯片尺寸封裝。
0063因此，所附權(quán)利要求應(yīng)涵蓋所有這類修改和實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于制造產(chǎn)品的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括第一工作站，其是可操作的，以對所述產(chǎn)品的零件執(zhí)行第一制造動(dòng)作，所述第一工作站具有第一入口和第一出口；第二工作站，其是可操作的，以對所述產(chǎn)品零件執(zhí)行第二制造動(dòng)作，所述第二工作站具有第二入口和第二出口；產(chǎn)品傳送線，其位于所述第一出口與所述第二入口之間，所述傳送線是可操作的，以在計(jì)算機(jī)控制下移動(dòng)所述產(chǎn)品零件；及處理腔，其包圍所述傳送線的一部分，并包括從所述第一工作站到所述第二工作站提供平衡協(xié)調(diào)處理量的裝置，以及用于使所述產(chǎn)品零件在通過所述處理腔傳送時(shí)暴露于計(jì)算機(jī)控制的環(huán)境條件下的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳送線包括機(jī)械系統(tǒng)，該機(jī)械系統(tǒng)包括適于保持所述產(chǎn)品零件的可移動(dòng)平臺。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述產(chǎn)品零件包括半導(dǎo)體器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述平衡處理量包括用于所述產(chǎn)品零件的等待線，以及用于所述處理腔中產(chǎn)品位置和時(shí)間的計(jì)算機(jī)控制的監(jiān)控器。
5.一種用于接收、儲存、傳送和發(fā)放所制造的產(chǎn)品的設(shè)備，所述設(shè)備適于在產(chǎn)品制造的各個(gè)階段插入到制造流程中，所述設(shè)備包括處理腔，用于保持特定環(huán)境；所述處理腔具有計(jì)算機(jī)控制的入口和出口；傳送系統(tǒng)，其連接所述入口和出口，所述系統(tǒng)包括適于傳送所述產(chǎn)品的可移動(dòng)平臺，所述系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生用于裝載在所述平臺上的所述產(chǎn)品的等待線；以及計(jì)算機(jī)控制的監(jiān)控器，其用于所述平臺的位置和時(shí)間，所述監(jiān)控器是可操作的，以實(shí)現(xiàn)通過所述處理腔的平衡的產(chǎn)品處理量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述處理腔的環(huán)境包括計(jì)算機(jī)控制的氣體環(huán)境、濕度、和溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述產(chǎn)品包括半導(dǎo)體器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述等待線被構(gòu)造成可水平旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述等待線被構(gòu)造成可垂直旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述等待線被構(gòu)造成延長的傳送器系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述入口和出口是受傳感器支持的，所述傳感器將它們的探測數(shù)據(jù)反饋給所述計(jì)算機(jī)控制器。
12.一種用于對半導(dǎo)體器件進(jìn)行應(yīng)力減小式組裝的方法，該半導(dǎo)體器件包括一個(gè)具有至少一個(gè)接觸盤的芯片和一個(gè)具有至少一個(gè)連接盤的襯底，所述方法包括以下步驟將所述襯底置于一個(gè)托板上；將一個(gè)回流元件附著到所述芯片的接觸盤；將所述芯片倒裝到所述襯底上，以使所述回流元件被放置成與所述襯底的連接盤相接觸；將所述托板移動(dòng)到第一工作站中，該第一工作站包括用于執(zhí)行回流操作的裝置；向所述芯片和所述襯底提供熱能，該熱能足以使所述元件回流，由此產(chǎn)生一個(gè)由芯片和襯底構(gòu)成的組件，其中在芯片和襯底之間由間隙分隔開；將包括所述組件的所述托板從所述第一工作站傳送到保持在恒定第一溫度的第一處理腔內(nèi)，并將所述托板置于等待線中一個(gè)第一時(shí)間段；使所述托板從所述等待線退出，并將所述托板移動(dòng)到第二工作站中，該第二工作站包括用于執(zhí)行底部填充操作的裝置；用聚合物前體填充所述間隙；將包括所述被填充組件的所述托板從所述第二工作站傳送到第二處理腔中，該第二處理腔保持在一個(gè)足以使所述前體產(chǎn)生聚合的恒定的第二溫度，并將所述托板置于等待線中一個(gè)第二時(shí)間段；完全聚合所述前體；并且使所述托板從所述等待線退出，并將所完成的組件冷卻到環(huán)境溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述加熱和冷卻步驟是以計(jì)算機(jī)控制的上升或下降速率執(zhí)行的，以減少熱機(jī)械應(yīng)力。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述溫度的上升或下降與在恒定溫度的所述等待時(shí)間一起減少了熱機(jī)械應(yīng)力。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述使前體聚合的步驟分為兩個(gè)階段執(zhí)行，即在所述第二工作站內(nèi)執(zhí)行部分聚合，其后在第三工作站內(nèi)執(zhí)行完全聚合。
全文摘要
一種用于制造產(chǎn)品的系統(tǒng)(100)，其中第一工作站(101)是可操作的，以對產(chǎn)品零件執(zhí)行第一制造動(dòng)作；這個(gè)第一工作站具有第一入口(101a)和第一出口(101b)。第二工作站(102)是可操作的，以對產(chǎn)品零件執(zhí)行第二制造動(dòng)作；這個(gè)第二工作站具有第二入口(102a)和第二出口(102b)。第一出口與第二入口之間的傳送線(103)是可操作的，以在計(jì)算機(jī)控制下移動(dòng)產(chǎn)品零件。處理腔(104)包圍一部分傳送線，并被構(gòu)造成，使第一工作站到第二工作站的傳送實(shí)現(xiàn)平衡的處理量，同時(shí)產(chǎn)品零件在通過處理腔傳送期間被暴露于計(jì)算機(jī)控制的環(huán)境條件(110)下。處理腔中的平衡處理量是利用用于處理腔中產(chǎn)品零件的位置和時(shí)間的計(jì)算機(jī)控制的監(jiān)控器(105a)通過產(chǎn)品的等待線來實(shí)現(xiàn)的。
文檔編號G06F7/00GK1878713SQ200480032980
公開日2006年12月13日 申請日期2004年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
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