電氣器件的高密度結合的製作方法
2023-10-05 00:28:49 1
專利名稱：電氣器件的高密度結合的製作方法
相關申請0001本申請要求遞交於2004年6月18日的美國申請號10/872,235的權益，在這裡將其併入本文作為參考。
背景技術：
1.發明領域0002本發明一般涉及電氣器件的組裝。更具體來講，本發明涉及射頻識別(RFID)內插器(interposer)和/或標記的組裝。
2.相關技術描述0003貼裝(pick and place)技術經常被用於組裝電氣器件。典型的貼裝技術包括複雜的機器人部件和一次只處理一個電路小片(die)的控制系統。此類技術常常包括控制器，例如機器人臂，用於把集成電路(IC)晶片，或電路小片從IC晶片的晶片上移走並將其放置在晶片載體上或者直接傳送到襯底上。如果不是直接被安裝，晶片會隨後和其他諸如天線，電容，電阻和電感的電氣部件一起被安裝在襯底上以組成電氣器件。
0004射頻識別(RFID)發送應答器(transponder)就是一種可以使用貼裝技術進行組裝的電氣器件。射頻識別嵌入物(也稱作插入物)，標記和標籤(在這裡集體地指的是「發送應答器」)被廣泛用於建立物體和識別碼之間的聯繫。嵌入物(或嵌入發送應答器)是一種常常具有實質上平坦的形狀的識別發送應答器。嵌入發送應答器的天線可以通過放置在非傳導支架上的傳導軌跡(conductive trace)的形式實現。所述天線的形狀為扁平線圈或類似形狀。必要地，天線的引線放置時也要內插非傳導層。存儲和任何控制功能都由安裝在支架上並通過引線可操作地連接到天線的晶片提供。RFID嵌入物可以被連接或層壓到選定的標籤或標記材料，其中這些標籤或標記材料是由薄膜，紙，薄膜和紙的層疊(lamination)，或者其它適合特定最終用途的彈性薄片材料製作而成。然後製成的RFID標籤或標記原料可以被套印上文字和/或圖形，衝切成特定的形狀和尺寸並製作成連續的標籤卷，或具有一個或多個標籤的薄片，或是具有標記的薄片卷。
0005在很多RFID的應用中，電氣部件的尺寸都需要做得越小越好。為了實現RFID嵌入物內的很小的晶片和天線的互連，已知的是一種被稱為「帶」(straps)，「內插器」和「載體」等多種名稱的結構可以被使用，從而便於嵌入物的生產。這裡所提的內插器包括傳導的引線或焊點，所述引線或焊點都被電耦合到晶片的接觸焊點以實現和天線的耦合。一般這些焊點與不用內插器而被精確對準直接放置的ICs相比能夠提供更大的有效電接觸面積。更大的面積降低了生產中放置ICs所需的精度，而同時也能提供有效的電連接。IC的放置和安裝是實現高速生產的很大的限制。現有技術公開了多種RFID內插器結構，這些結構常常使用一種載有內插器的接觸焊點或引線的撓性襯底。
0006這裡所用的「內插器」一詞，可指的是集成電路(IC)晶片，連接到晶片的電連接器和耦合到電連接器的內插器引線。內插器也可以包括內插器襯底，該襯底可以支持內插器的其它元件，同時也可以提供諸如電絕緣的其它特性。因為內插器引線從IC晶片延伸而出，內插器可以是延長的。內插器可以是撓性的，剛性的，或半剛性的。應該意識到的是，多種內插器配置都能夠用於與天線耦合。實例包括一種AlienTechnology Corporation的RFID內插器和一種Philips Electronic的在市面上被稱作I-CONNECT的內插器。「內插器」一詞在廣義上包括晶片載體。在美國專利號6,606,247(已轉讓給Alien Technology Corporation)和美國專利公開號2003/0136503A1中公開了更多的內插器的內容。
0007如上所述，RFID發送應答器包括集成電路和用於提供射頻識別功能的天線。另一方面，內插器包括集成電路，但同時其必須被耦合到天線以組成完整的RFID發送應答器。在該專利申請中，「器件」詞既可以指RFID發送應答器，又可以指用於合併在RFID發送應答器裡的內插器。
0008RFID器件一般是由天線和模擬與/或數字電子元件組成，其中所述電子元件可能包括通信電子元件，數據存儲器和控制邏輯等。例如，RFID標記和汽車內的安全鎖結合使用，可實現對建築物的進出控制及對存貨和包裹的跟蹤。一些RFID標記和標籤的實例出現在美國專利號6,107,920，6,206,292和6,262,292中，在這裡全部被併入本文作為參考。
0009RFID器件可以被貼在需要被探測和/或監測其存在情況的物品上。RFID器件的存在情況，和RFID器件所附在的物品的存在情況，可以被已知為「閱讀器」的器件檢查和監測。
0010RFID器件通常是通過將導體圖案化，蝕刻或印製到介質層並將導體耦合到晶片製造而成。如上所述，貼裝技術常被用於在圖案化的導體上定位晶片。可選地，一塊包含有多個晶片的板(web)可以被層壓成一塊印製傳導材料的板。這個過程的一個實例在2004年3月22日提交的美國專利申請序列號10/805,938裡被公開。
0011多種合適的連接材料和/或方法的任一種都可以用來將晶片耦合到導體，例如，可以使用傳導的或不傳導的粘合劑，熱塑性的結合材料，傳導墨水，通過熔接(welding)和/或焊接(soldering)，或電鍍的方式。用來將晶片機械和/或電耦合到導體的材料通常需要加熱和/或加壓以實現最終的互連一這個過程，在使用粘合劑的情形下，被稱為固化(curing)。傳統的熱壓結合法通常採用某種形式的擠壓，通過傳導或對流，將熱量和壓力引導到RFID器件組件或RFID器件組件板。例如，加壓和加熱可以通過如下方式實現，壓縮一對加熱板之間的RFID器件組件或RFID器件組件板，並通過包括晶片、天線在內的不同種的媒介之間的傳導對連接材料進行加熱。作為另外一種選擇，其中一個加熱板可以被裝配上插針從而實現對某些區域(例如，僅僅是晶片)進行選擇性的加壓和/或加熱，同時也通過傳導去加熱連接材料。作為另一種選擇，尤其是在使用焊料的情形下，在全部組件保持在提高的溫度並通過對流使焊料回流的地方可以使用烘爐。在後一種情形下，可以不對器件加壓。
0012但是，傳統的熱壓結合器件有一些缺點。例如，傳統的熱壓結合器件不是很適合於同時將一致的壓力和熱量施加到很多晶片和/或電氣器件(例如RFID器件組件)非常密集的板上。此外，使用傳導和對流方式的傳統熱壓結合器件不是很適合高速操作。傳導和對流都是相對較慢的過程，並且是間接對連接材料(如粘合劑或焊料)加熱。因此，整個電氣器件組件可能要在熱壓結合器件中保持一段時間，例如10秒鐘，以使連接材料達到所需要的溫度。在RFID器件組件中，日常用的塑料常常被用來作承載板(如承載天線)，溫度通常不能超過塑料的軟化點。這又限制了熱量通過傳導或對流方式被引導到連接材料的速率。
0013此外，傳統熱壓器件可能不容易適應晶片和/或天線和/或板構造的設計和密度的變動。例如，當採用新的晶片或天線設計時，熱壓器件的插針設計很可能必須改變以適應新的設計。修改傳統熱壓結合器件的插針設計可能是時間密集(time intensive)的過程，從而會導致結合器件相當長時間的中斷運行。
0014由前述應該看到，RFID器件及相關的製造過程仍有改進的空間。
發明內容
0015根據本發明的一個方面，所提供的將半導體晶片熱壓結合到電氣部件的方法包括將所述半導體晶片定位在所述電氣部件上和使用熱壓結合器件對結合材料進行加熱。所述加熱的過程包括施壓將所述結合器件的至少一個加熱元件與所述半導體晶片壓縮接合。所述施壓的過程包括使用所述結合器件的彈性構件對所述至少一個加熱元件進行下壓。
0016根據本發明的另一個方面，所提供的將半導體晶片熱壓結合到電氣部件的方法包括將所述半導體晶片定位在所述電氣部件上和使用熱壓結合器件對結合材料進行加熱。所述加熱的過程包括施壓將所述熱壓結合器件的撓性板與所述半導體晶片壓縮接合併採用熱輻射。
0017根據本發明的另一個方面，所提供的把半導體晶片熱壓結合到電氣部件的方法包括將焊料應用在所述半導體晶片或電氣部件中的至少一個；將所述半導體晶片定位在所述電氣部件上；和使用熱壓結合器件回流焊接所述焊料。所述回流或回流焊接的過程包括將所述結合器件的撓性板與所述半導體晶片壓縮接合併採用熱輻射。
0018根據本發明的另一個方面，所提供的將半導體晶片容性耦合到電氣部件上的方法包括將壓敏粘合劑應用在半導體晶片或電氣部件中的至少一個；將所述半導體晶片定位在所述電氣部件上；和使用結合器件壓縮所述粘合劑，以實現所述半導體晶片和所述電氣器件的耦合。所述壓縮的過程包括施壓將所述結合器件的撓性板與所述半導體晶片壓縮接合。
0019為實現上述及相關的目標，本發明包含的特徵在下文中會被充分地描述並在權利要求中特別指出。隨後的描述和附圖詳細地闡述了本發明的某些解釋性的實施例。但這些實施例採用本發明原理的多種方法中的僅僅幾種方法，是闡釋性的。本發明的其他目標，優點和新穎的特徵將會通過下文中結合附圖對本發明所做的詳細描述而變得明顯。
0020在如下不是必須依照比例的附圖中，0021圖1是依照本發明製作電氣器件的過程的流程圖；0022圖2是依照本發明的熱壓結合器件的斜視圖；0023圖3是依照本發明的熱壓結合器件的加熱元件的側視圖；0024圖4是依照本發明的熱壓結合器件的加熱元件的側視圖；0025圖5是依照本發明製作電氣器件的過程的流程圖；0026圖6是依照本發明的熱壓結合器件的斜視圖；0027圖7是依照本發明的熱壓結合器件的側視圖；0028圖8是依照本發明的熱壓結合器件的斜視圖；0029圖9是依照本發明的熱壓結合器件的側視圖；0030圖10是表示一些實例性的材料相對於3200開爾文的溫度下的黑體輻射體的近紅外(NIR)吸收速率的曲線圖；0031圖11是依照本發明製作電氣器件的過程的流程圖；0032圖12是依照本發明的熱壓結合器件的側視圖；0033圖13是依照本發明製作電氣器件的過程的流程圖；0034圖14是依照本發明的熱壓結合器件的側視圖；0035圖15是依照本發明的熱壓結合器件的側視圖；
0036圖16是使用本發明的一種方法製造出的器件的斜視圖；0037圖17是使用本發明的一種方法製造出的器件的側視圖；0038圖18是使用本發明的一種方法製造出的器件的側視圖。
具體實施例方式
0039本發明提供了一種使用獨立的加熱元件和一個彈性構件對多個電氣器件的同時進行熱壓結合的方法，以將所述獨立的加熱元件和所述電氣器件壓縮接合。所述獨立的加熱元件可以採用居裡點加熱元件或者傳統的電阻加熱元件。本發明也提供了一種使用透明撓性板和熱輻射同時對多個電氣器件進行熱壓結合的方法。在一個實施例中，所述熱輻射是近紅外熱輻射，所述透明撓性板是由矽橡膠構成。結合材料可以採用粘合劑或者熱塑性的結合材料。本發明同時也提供了一種使用壓敏粘合劑將半導體晶片容性耦合到電氣部件上的方法。所述方法包括通過施壓將結合器件的撓性板與所述半導體晶片壓縮接合以實現對晶片的壓縮。
0040參照圖1，對多個電氣器件(板的形式)同時進行熱壓結合的方法100將會被描述。應該意識到，所述電氣器件除了RFID器件以外，也可以是其它器件。但是，因為本方法非常適合RFID器件的製造，所以其將會在RFID器件製造過程的段落中被描述。
0041圖1所示的方法100首先在工步110中提供了內插器引線或天線的板。在工步120中，可以選用各向異性傳導膠(ACP)或各向異性傳導膜(ACF)或非傳導的環氧樹脂(NCP)的粘合劑應用在板上，應用粘合劑需要採用合適的方式，例如印製，塗敷或注射(syringring)。作為另一種選擇，粘合劑可以被應用於晶片或內插器，或者應用於板和晶片或內插器。在工步130中，晶片或內插器會被提供。在工步131中，晶片或內插器被塗上傳導材料(ACP，ACF)或非傳導材料(NCP)，這一過程需要採用合適的方式，例如印製，多種塗敷方法或注射。作為另一種選擇，焊料可以被應用於晶片或內插器。在工步140中，晶片或內插器被精確地放置在天線板上。粘合劑可以選擇地被部分固化以在最終結合前將晶片和內插器固定在板上。然後晶片或內插器被結合到天線上，這一過程是通過使用熱壓法固化ACP粘合劑的方式在工步150實現的。作為另一種選擇，在工步150中，可通過焊料回流將晶片或內插器結合到天線或內插器引線上，在這種情形下，接著可能還需要針對底部填充膠(underfill)和固化底部填充膠的工步。除了將晶片和內插器結合到天線上，應該意識到方法100同樣適用於將晶片粘貼到內插器引線上(也就是組成一個內插器)。
0042本發明的方法適用於使用多種結合材料將晶片結合到電氣部件上。這裡所用的結合一詞指的是將晶片電耦合和/或機械耦合到電氣部件。粘合劑可以通過本發明的方法被熱壓固化。這裡所用的「固化」一詞是用來指通過粘合劑實現結合，其中會對粘合劑加熱加壓從而產生造成粘合劑交聯的化學反應。作為另一種選擇，一種熱塑性的結合材料可被用來將晶片結合到電氣部件上。熱塑性的結合材料常常是熔化的，冷凝重構的(resolidfied)，因此能夠形成機械的和/或電的結合。應該意識到，本發明的方法並不只局限於所說明的結合材料，並且更廣泛多樣的合適的結合材料都可以通過本發明的方法而被採用。
0043轉到圖2，一種使用熱壓法同時對多個電氣器件(板的形式)進行結合的器件和方法將會被描述。熱壓結合器件200包括一個包含多個加熱元件220的加熱器組塊210。如圖2所示，所述加熱元件220被固定從而不能相對於加熱器組塊210作側向和橫向運動，並且從所述加熱器組塊210的下表面突出。所述加熱器組塊210的上部包括一個可變形的囊狀物230。所述囊狀物230可由任何合適的氣體，液體或可變形固體填充。所述囊狀物230位於加熱元件220的上方，並且允許當所述加熱元件220和其它表面(例如具有RFID器件的板)壓縮接合時，所述加熱元件220相對所述加熱器組塊210可做有限的軸向移動。所述加熱器組塊210被安裝在壓力機(press)212或其它裝置裡，這樣做是為了升高和降低加熱器組塊210並提供壓縮力。
0044應該意識到，所述可變形的囊狀物230抑制了所述獨立的加熱元件同時也將壓力均勻地分配給晶片。因此，合適的可壓縮的固體材料，例如橡膠墊，可作為可變形的囊狀物230的替代。作為另一種選擇，每個加熱元件可以和彈簧或其它彈性器件一起被安裝，從而實現對震動的緩衝。
0045本實施例的加熱元件220優選地採用居裡點自調節加熱元件。該類型加熱元件的一個實例由美國專利號5,182,427所公開，並由SmartHeattechnology具體實現，目前正由Metcal of Menlo Park，California生產。這種加熱元件常常包括鍍有磁化鎳合金的中心銅核。在加熱元件中感應出的高頻電流，由於集膚效應，會流向鎳合金鍍層。具有相對較大電阻的鎳合金裡的焦耳熱會引起鍍層溫度的升高。一旦鎳合金鍍層的溫度達到其特徵居裡點時，電流將不會在鎳合金鍍層，而會流過具有低電阻的中心銅核。居裡點溫度基本上會保持在這一點。因此，當高頻電流一接通，加熱元件迅速加熱到居裡點溫度，然後在這個溫度下自調節。居裡點自調節加熱元件是有優勢的，這是因為它們小，效率高，並且能夠溫度自調節，從而使獨立的加熱元件被分配給每個所需的熱壓點。應該意識到，其它加熱元件也可以被使用，例如標準電阻加熱元件。
0046定位在加熱器組塊210下方的202表示RFID器件的多道板(multilane web)。RFID器件組件的板202可以是定位在板內插器引線、內插器、或用ACP粘膠劑預印的天線結構上的IC晶片。作為另一種選擇，RFID器件組件的板202的可以是定位在用ACP預印的天線結構的板上的內插器。任何合適的貼裝或插入裝置都可以用來將晶片或內插器放置在多道板形式中。板202是相對於加熱器組塊210定位的以使板202上的RFID器件204和加熱元件220能夠對準。加熱元件220可以設計得比必要的尺寸稍大一點，從而可以允許加熱元件220和RFID器件204之間的一些未對準的情況發生。一旦被對準，壓力機212就逐漸降低加熱器組塊210，使其與RFID 204器件接觸直到達到預定的壓力。
0047現在轉到圖3和圖4，這兩幅圖顯示了加熱器組塊210上的加熱元件220的接通。根據之前的闡述，加熱元件220被固定從而不能相對於加熱器組塊210作側向和橫向運動。囊狀物230是用來在加熱元件220被壓縮時提供反作用力。如圖4所示，當加熱器組塊210被降低時，加熱元件220同晶片204發生接觸。當加熱器組塊210進一步降低時，囊狀物230開始變形，從而對加熱元件220施加反作用力。應該意識到，因為囊狀物230內部每一點的壓力基本上是一樣大的，所以囊狀物230施加在每個加熱元件220以及因此每個晶片204上的壓力基本上是一樣大的。照這種方式，囊狀物230為每個晶片204提供了一致的壓力，同時也抑制了加熱元件220和晶片204之間的碰撞。
0048囊狀物230也可以補償晶片204和/或板202在尺寸的變化，否則當加熱器組塊210降低時，被剛性固定的加熱元件所施加的壓力會因這種變化而變得不相等。這種通過囊狀物230實現的對壓力的彈性應用避免了將被結合的RFID器件的可能發生的壓壞，並可以產生一種更有效、更均勻或一致的RFID器件的結合方法。
0049應該意識到，監測囊狀物230內的壓力以確保適當的壓力以適當的時間被施加到RFID器件204的做法可能是需要的。例如，囊狀物壓力可以被監測，壓縮時間的長短可以根據所知的固化值(curingvalues)來調節，因此就實現了對結合器件220更有效的利用。另外，一種升高和降低囊狀物230內的周圍壓力(也就是當加熱器組塊210沒有和一個板接合時，囊狀物內的壓力)的裝置可能也需要被包含進來。例如，在一些應用中囊狀物內可能需要有較高的周圍壓力，這樣當加熱元件沒有和器件壓縮接合時囊狀物能夠向加熱元件施加壓力。在其他應用中，可能需要較低的周圍壓力，這樣囊狀物對加熱元件會施加很少壓力或者不施加壓力，直到加熱元件和器件被壓縮接合。用於防止囊狀物超壓的器件，例如安全閥，可以用來防止在熱壓結合過程中對RFID器件的板造成的損害。
0050依靠加熱元件220和板202上的RFID器件204的配置，RFID器件204能夠以一組或多組被固化。例如，RFID器件204的板202可以具有八排RFID器件，但是本發明的熱壓結合器件210可以被裝配上僅僅四排的加熱元件。因此，當RFID器件的板通過熱壓結合器件行進時，第一組的四排RFID器件在第一步中被固化。然後板和/或熱壓結合器件210被重新定位，或者引導到餘下的四道RFID器件，這樣那些道中餘下的器件在第二步中被固化。應該意識到，多種尺寸，數量和配置的加熱元件都是可以的。應該進一步意識到，加熱元件的尺寸，數量和/或配置都可以符合板的尺寸和其上將要被熱壓固化的元件的設計。
0051依照之前的陳述，本實施例中對壓力的彈性應用可以防止在沒有採用彈性壓力應用的情形下可能產生的部件的壓壞，例如，使用平壓縮板的傳統熱壓結合器件。此外，彈性壓力的應用可以補償貫穿電氣器件和/或板的壓力變化。因此，在固化過程中，基本均勻的壓力可以被提供給每一個電氣器件，從而獲得更一致的結合。所述獨立的加熱元件與單獨的較大的熱質相比，熱調節也更容易。因此，更為精確的熱應用是做得到的。
0052轉到圖5，一種使用倒裝晶片(flip chip)製造法和圖2-4中的熱壓結合器件製造RFID器件的方法400將會被描述。方法400從工步410開始，凸點晶片的晶片在這裡被呈出。在工步420中，焊膏被應用在晶片上。作為另一種選擇，在工步430中，諸如ACP，ACF或NCP的粘合劑也可以被應用在晶片上。組裝過程開始於工步450，在這一工步中，晶片被從晶片上拾起，然後在工步455中被放置在傳送面上。作為另一種選擇，晶片可以被直接放置在內插器引線或天線結構上，所述內插器引線或天線結構在內插器引線板或天線結構板上。在工步470中，焊劑或者粘合劑可以選擇地被印製到內插器引線或者天線結構上。在工步480中，晶片從傳送面上被拾起，反轉，然後放置在內插器引線板或天線結構板上，其中每個晶片上的晶片焊點(或焊料塊)接觸內插器引線或天線結構。作為另一種選擇，晶片可以被直接放置在內插器引線或天線上，而不需要像工步455一樣被先放在傳送面上。然後晶片就在工步490中通過熱壓固化粘合劑或者回流或重熔焊料塊的方式被結合到內插器引線或天線結構上。圖2-4中所示的熱壓結合器件，或者圖6-9在這裡描述的NIR熱壓法，都可以在工步490中用來固化粘合劑或者回流焊料塊。應該意識到，當使用焊料時，工步491可以選擇地執行。在工步491中，底部填充膠可以用來加強晶片和內插器引線或天線結構之間的機械連接。作為另一種選擇，不流動或低流動的底部充膠可以在工步490之前就被分配。
0053轉到圖6和圖7，另一種同時對多個電氣器件(以板的形式)進行熱壓結合的器件和方法將會被描述。在圖6中，熱壓結合器件500包括上模板510，該上模板包括反射體515和矽橡膠板514或其它撓性熱輻射透明材料。上模板510被安裝在壓力機或其它器件上，從而可通過升高和降低上模板510提供壓縮力。上模板可以選擇地包括可變形材料的插入物513，該插入物可能由橡膠組成。下模板520包括一個或多個熱輻射加熱元件522和一塊石英板524。
0054在本發明的熱壓結合過程中使用熱輻射作為熱源提供了多種優勢。輻射能量熱傳遞，與傳導和對流熱傳遞相比，能夠取得明顯較高的熱流量。輻射能量能夠提供極快的加熱，這是由於光的高速度和將熱量直接應用到被加熱材料上的可能性。受控的輻射加熱能夠取得多種工藝優勢，例如系統冷卻需求的降低及通過局部化的熱和壓力之間的協調所提高的精度。
0055如前所述，輻射加熱可以直接應用到被加熱的材料。精確地將熱量直接應用到被加熱區域的能力是很有優勢的，這是因為與傳導和對流加熱法相比，其可能只需要較少的總熱能。此外，由於只使用較少的總熱量，一旦結合過程完成，材料和/或結構會更快地冷卻下來。
0056輻射能量加熱和其它模式的熱傳遞(如傳導加熱)相結合，可以取得更有利的效果。例如，熱輻射熱傳遞可用來加熱系統結構(尤其是矽晶片)，而該系統結構可以將熱量通過傳導的方式傳遞給將被熱壓固化的材料。因此，熱輻射可以不用直接地應用到將被固化的材料，而是間接地通過相鄰結構(諸如晶片或天線結構)的熱傳導，或有限的熱輻射被將固化的材料吸收，其主要的熱源就來自一個相鄰結構的傳導。
0057依照以下更詳細的描述，輻射能量可以一直穿過一種相對輻射透明的材料直到碰到一種相對輻射吸收的材料並被其吸收。這裡所用的相對輻射透明材料(也被稱作「透明材料」)指的是一種對輻射能量的吸收能力弱於相對輻射吸收材料(也被稱作「吸收性材料」)的材料。
0058在本實施例中，通過在上模板使用相對輻射透明材料和在一個或多個將被結合的表面上使用相對輻射吸收材料，適當的熱輻射能量就可以被用於加熱。例如，將使用合適的粘合劑定位在電氣部件上的相對輻射吸收的晶片暴露在近紅外(NIR)熱輻射中，該晶片會被加熱，從而加熱和固化粘合劑。在本實施例中，其它波長的熱輻射也可以和其它材料一起被使用。例如，紫外線(UV)或微波能量在一些應用中可能就是合適的能量形式。電子束固化和一些材料一起使用也是合適的選擇。一般而言，所採用的熱輻射的形式將會由部件材料的吸收性的或非吸收性的特性和/或將被固化的粘合劑的類型確定。
0059AdPhos AG，Bruckmühl-Heufeld，Germany(AdPhos)提供了優選的商用高能量NIR系統的流水線。AdPhos紅外加熱系統提供持久的，高能的加熱系統；AdPhos燈起了工作在大約3200K的溫度下的黑體發射器的作用。其它提供合適熱能的輻射加熱器和發射器可由若干主要的燈製造商(包括Phillips，Ushio，General Electric，Sylvania，和Glenro)提供。例如，這些製造商都生產在半導體工業中使用的外延反應器的發射器。所有這些發射器具有的溫度都高於3000K。但是更廣泛地說，溫度高於大約2000K的發射器就可以是合適的NIR源。AdPhos系統的一個優勢在於，儘管大多數此類高能NIR燈的額定壽命都少於2000小時，AdPhos NIR系統設計的工作壽命可達到4000到5000小時。AdPhos NIR燈的輻射能量發射，其大部分能量在波長在0.4到2微米的範圍之間，並且在800納米附近達到傳遞的峰值能量，與短波和中波紅外源相比能轉到一個較低的波長上，從而提供了較高的能量輸出和其它在熱輻射吸收方面的優勢，這些優勢將在下文中被說明。
0060在圖7中，RFID器件504的多道板502被定位在上模板510和下模板520之間。RFID器件504的板502可以是定位在用粘合劑預印的內插器引線板或天線結構板上的IC晶片。石英板524可以被塗上特氟綸或其它合適的聚合物。具有高玻璃態轉化溫度(Tg)的聚合物，例如特氟綸，薄片或薄膜都可以用來取代塗層。壓力機512降低上模板510直到上模板510上的撓性板514被壓到和RFID器件504之間達到預定的壓力。如圖7所示，當RFID器件的板502在撓性板514和石英板524之間被壓縮時，撓性板514在晶片和器件504的周圍產生變形，從而將壓力基本均勻地分配到晶片或器件上，同時也補償了壓力變化。然後NIR加熱元件522被啟動，RFID器件504被加熱到適當的溫度，從而熱壓固化粘合劑。上模板510可以包括用來將熱輻射反射回晶片的表面。
0061應該意識到，撓性板514，板502和石英板524都是相對輻射透明的，因此當暴露在NIR輻射中時，三種板的溫度都不會明顯地升高。但是，因為RFID器件504和/或晶片能夠吸收NIR輻射，所以當暴露在NIR輻射時，RFID器件504和/或晶片會迅速地加熱。當RFID器件504和/或晶片被NIR燈522加熱時，晶片或內插器與其安裝表面的交界面上的粘合劑也被加熱，從而將粘合劑固化。粘合劑通常也可以通過熱的晶片的熱傳導而被加熱。應該意識到，一些天線結構也可以被NIR輻射加熱，從而也將熱量傳導給將要被固化的粘合劑。作為一種可選的或額外的熱源，一些粘合劑可以吸收NIR輻射，並因此可以直接被NIR輻射加熱。
0062圖8顯示了另一個NIR熱壓結合器件的配置。熱壓結合器件510包括上模板510和下模板520。本實施例中的上模板510包括一個或多個熱輻射加熱元件522，石英板524和透明撓性板514。下模板520起反應面的作用，靠著被壓縮的上模板510。下模板520的上表面可被塗上特氟綸或其它合適的聚合物。作為另一種選擇，特氟綸薄片或薄膜都可以被使用。下模板520也可以包括反射面515。
0063在圖9中，RFID器件組件502的板在上模板510和下模板520之間被壓縮。撓性板514在板上的RFID器件504附近產生形變，從而為RFID器件504提供基本上均勻的壓力。相對輻射透明的石英板524和撓性板514允許熱輻射加熱元件522產生的NIR或其它熱輻射傳至RFID器件504，從而加熱器件並固化粘合劑。
0064轉到圖10，一張曲線圖顯示了可以被用於本發明的各種典型材料的相對NIR輻射吸收率。圖10所示的曲線圖起解釋作用，圖中所示材料僅僅是用來實踐本發明的實例性材料。所示材料決不是想要限制可以用來實踐本發明的材料。從曲線圖中可以看到，在大部分的波長譜上，可以用於本系統的實例性材料(透明矽，聚碸，PMMA)對NIR輻射的吸收率比構成晶片所用的拋光矽低很多。拋光矽材料對NIR輻射較高的吸收速率使得晶片能夠被NIR輻射快速地加熱而同時襯底材料還保持相對較冷。應該意識到，許多聚合物，例如PEEK或PEN，都可以用作撓性板的材料，這是因為大多數聚合物通常都是NIR透明的。但是，撓性板材料應該能夠承受住比加熱晶片所到溫度更高的溫度。
0065所述熱輻射熱壓結合器件可取得幾個優勢。例如，與需要將板上的RFID器件引導到加熱元件以提供熱量和/或壓力的傳統熱壓結合器件不同，本實施例向RFID器件提供了均勻的壓力，並且只選擇性地對RFID器件504和/或板502的吸收熱輻射的部分區域進行加熱。因此，將RFID器件504引導到加熱元件是不需要的。另外，因為只有熱輻射吸收性材料才會被加熱，熱輻射加熱與傳導或對流加熱過程相比更具有局部性(localized)，更精確。熱量只會傳向板的吸收熱輻射的部分區域，因此整個板不會被加熱。因此，可以根據哪個組件將會被加熱來為電氣器件的不同的組件選擇材料。這個舉措的優勢在於降低了過多的熱量導致的電氣器件的損壞的風險。此外，因為只有晶片被加熱，大多數的部件保持相對較冷，從而翹曲和/或其它熱降解(heat degradation)發生的可能性較小。
0066通常熱輻射加熱也比傳導或對流加熱方式更有效率，並且同傳導或對流加熱過程相比，其能夠利用相對低的熱能輸入產生高溫。熱輻射加熱能夠迅速地應用和移除，從而實現快速加熱和冷卻。因此，完成使用熱輻射加熱的熱壓結合所需時間通常比其它加熱過程所需的時間短。撓性板對壓力的應用降低了使用傳統熱壓結合法可能產生的對RFID器件造成損壞的風險。此外，因為板是撓性的，所以它會很容易地適應新的板形式，器件密度和器件尺寸。不同於傳統的熱壓結合法，本發明的撓性板可以被用來對不同尺寸的電氣器件和/或具有不同密度和形式的電氣器件的板進行熱壓結合而不需要重新裝配工具。因此，因為不管板上器件的密度、厚度或位置如何，均勻的壓力和熱量都可以提供給熱輻射加熱元件下的整個區域，所以本實施例的熱壓結合器件對多種RFID形式和密度都是高度適應的。此外，本實施例可以使較大的區域同時被固化，從而提高了電氣器件可被固化的速度。
0067上文所描述的熱壓結合法可以用來將晶片結合到印製的或蝕刻的內插器引線和/或天線。圖11提出了製造電氣器件的板的方法600-a。在工步601中，凸點晶片的晶片被提供。在工步602中，粘合劑，例如ACP，ACF或NCP被應用到晶片上，或內插器或天線的傳導印製或蝕刻元件上。在工步604中，晶片被從晶片上拾起，反轉，然後在工步605中被放置在內插器或天線上。內插器或天線可以被呈現在選定的襯底的板(在工步603中顯示)上。在工步606中，板，包括放置在內插器和/或天線上的多個晶片，被載入NIR熱壓結合器件，在其中多個晶片將會被結合到內插器和/或天線上。
0068將晶片熱壓結合到內插器和/或天線上可通過本發明的熱壓結合法和器件來實現。例如，上文討論的關於圖6-7的NIR熱壓結合器件可以用在工步606中。如圖12所示，包含NIR加熱元件520和撓性板530的NIR熱壓結合器件500被壓靠向具有圖案化的導體或其它電氣部件的板702上的晶片704。撓性板530在晶片704周圍產生形變從而向那裡提供壓力。如圖12所示，晶片704上的晶片焊點706接觸板702上的印製的/蝕刻的傳導材料708。當NIR加熱元件520被啟動後，晶片704和焊點706都會被NIR輻射加熱，因此晶片下的粘合劑(ACP，ACF或NCP)也會被NIR輻射加熱。因此該熱量和壓力就將晶片704的焊點706和印製的/蝕刻的傳導材料708結合在一起(在使用NCP的情形下直接結合或在使用ACP或ACF的情形下通過使用Z方向的傳導微粒進行結合)。然後NIR加熱元件520可以被解除作用以使粘合劑迅速凝固，從而實現焊點706和板702上的印製的/蝕刻的傳導材料的電耦合和機械耦合。熱壓結合器件然後被打開使得板702和現已被電結合和機械結合到板702上的內插器和/或天線的晶片704一起移動。
0069上文所描述的熱壓結合器方法也適合回流可熔性傳導材料(例如焊料)。在圖13中，顯示了一種製造電氣器件的板的方法600b。在工步610中，凸點晶片的晶片被提供。該晶片在工步620中被從晶片上拾起，並且在工步630中可以選擇地放置在傳送面上。在工步640中，電氣部件(例如印製的/蝕刻的導體)的板被提供。在工步650中，一種可熔性傳導材料被印製到該板上。在工步650之後，一種熔接材料可以被選擇地應用到可熔性傳導材料上以確保在回流過程中可熔性傳導材料的合適流動。另外，一種粘合劑可被通過印製或其它方式沉積在板上，從而在工步670中的焊料回流之前暫時將晶片固定在電氣部件上。在工步660中晶片然後就被直接從晶片上或者可以選擇地從傳送面上放置在板上，同時晶片的凸點接觸板上的可熔性傳導材料。可熔性傳導材料然後在工步670中被回流，從而將晶片電耦合到電氣部件。
0070回流可熔性傳導材料可以通過本發明的熱壓結合法實現。例如，在工步660之後，板可以被推進諸如上文所討論的NIR熱壓結合器件(對照圖6-7)的一種熱壓結合器件。如圖14所示，包含NIR加熱元件520和撓性板530的NIR熱壓結合器件500靠著包含圖案化的導體或其它電氣部件的板702上的晶片704被壓縮。撓性板530在晶片704的周圍產生變形從而向那裡提供壓力。如圖15所示，晶片704上的焊料塊706接觸印製的可熔性傳導材料708。當NIR加熱元件520被啟動後，晶片704和/或焊料塊706將會被NIR輻射加熱，從而引起焊料塊706和可熔性傳導材料708的回流。然後NIR加熱元件520將會被解除作用，從而使得焊料706和可熔性傳導材料708凝固，從而將晶片704電耦合和機械耦合到板702上的電氣部件。然後一種底部充膠材料可以被用來加強晶片到電氣部件的機械連接。應該意識到，可熔性傳導材料708不是在所有應用中都是必需的，這是因為焊料706獨自就可以充分地將晶片電耦合到電氣部件。
0071任何一個上文所述的實施例的額外工步都可以依靠其應用和使用的材料來被執行。例如，將可熔性傳導材料(也就是焊膏)在晶片從晶片上移走前分配給晶片是需要的。在使用焊膏將晶片耦合到內插器引線或天線結構時，在回流焊料之前採用不流動或低流動的底部充膠以加強晶片和內插器引線或天線結構之間機械連接的做法是可取的。但是，當使用ACP或NCP粘合劑來耦合晶片到內插器引線或天線結構時，底部充膠常常是不需要的。在上文所描述的所有方法中，為了在晶片被放置到板之後但在被結合到那裡之前，將粘合劑印製到內插器引線或天線結構的板以將晶片固定在適當的位置的做法可能是有利的。
0072本發明的實施例也非常適合製作容性耦合嵌入物的過程。例如，一種壓敏粘合劑(PSA)可以被用來取代ACP以將內插器耦合到天線結構。除了壓敏粘合劑，其它非傳導的粘合劑也可以被使用，例如非傳導的環氧樹脂，熱塑性的粘合劑和熱固性的粘合劑。之前所公開的熱壓結合器件可以僅對RFID器件組件施壓而不加熱(也就是熱源未被啟動)。照這種方式，電容耦合的RFID器件可以被製造出來。圖16顯示了這種器件的一個實例，其中天線部分822通過壓敏粘合劑或其它合適的方式被電容耦合到RFID內插器812的內插器引線810。
0073圖17說明了可以使用本發明的方法製造的電容耦合嵌入物的另一種變型方案。RFID器件802包括天線結構808和內插器812。傳導內插器引線810和天線結構808之間的間隙可通過間隔件844來維持，間隔件是電介質焊點806的組成部分。間隔件844可以連同非傳導聚合物被用在絕緣焊點806。間隔件844可以在聚合材料中被預混合。作為另一種選擇，間隔件可以被旱噴在已經應用在天線808和/或傳導內插器引線810的非傳導聚合物上。應該意識到，間隔件844也可以連同其它電介質材料一起被使用，例如壓敏粘合劑。合適的間隔件的實例包括SekisuiFine Chemical Co.of Japan的Micropearl SP-205 5μm間隔件和Merck的7.7μm纖維間隔件(產品111413)。應該意識到，使用間隔件844可有助於在RFID器件802的天線808和傳導內插器引線810之間獲得準確一致的間距。
0074圖18說明了可採用本發明的方法製造的另外一種電容耦合RFID器件850。在圖18中，晶片858通過絕緣焊點852被耦合到傳導內插器引線860，同時在晶片858的觸點856和傳導內插器引線860之間獲得了電容耦合854。一種壓敏粘合劑可以用在晶片858的觸點和絕緣焊點852的界面處以將各部件結合在一起。
0075應該意識到，本發明的實施例允許對排列非常密集的板形式的半導體晶片和電氣部件的進行熱壓結合和/或耦合。根據之前的闡述，本發明能夠在板上將晶片以多道的方式結合和/或耦合到電氣部件上。本發明的方法可以使結合晶片間距小於7毫米，優選地小於5毫米的板上的電氣器件變得容易。晶片間距是指板上相鄰晶片之間的間距。將非常密集的器件板(也就是，低晶片間距)結合的能力使採用較高質量的襯底的成為可能，這是因為只有較少的襯底材料被浪費。因此，之前用作襯底材料是成本禁止的材料可以用在本發明的方法中。使用諸如Kapton的較高成本的材料可能是有利的。例如，Kapton較高的Tg使得它特別適用於熱結合過程，這是因為它能夠比傳統材料經受更高的溫度。
0076但是，應該意識到，本發明的熱輻射實施例可以不需要使用較高成本的襯底材料，例如Kapton。由於通過熱輻射實現的高精確度和局部性的熱應用，粘合劑可以固化而不會對襯底材料顯著加熱。因此，較不昂貴的襯底材料可以被使用。不管所用襯底材料的類型，本發明的方法都能實現對排列非常密集的電氣器件的熱壓結合，因此就減少了每件器件所需要的襯底材料量。照這種方式，本發明的方法使電氣器件以較低的成本製造。
0077本發明的熱壓結合方法和器件可以和現有的電氣器件製造機器一起被使用，例如，由Besi Die Handling，Inc建造的DS9000 Tape ReelSystem。DS9000能在每小時放置9000個單元。本發明的方法可以連同這種機器一起使用以實現RFID器件的製造的高速度和低成本。
0078應該意識到，本發明的熱壓法和器件並不限制於對固定的RFID器件應用熱壓法。本發明可以被用來間歇地或連續地將熱壓法，如所要求的，應用到一個或多個固定或連續移動的RFID器件。例如，在其中RFID器件的板是用間歇的方式(也就是，在RFID器件的製造中，板是間歇地向前移動)製造的系統中，當器件靜止時熱壓器件可以將熱壓法應用到一個或多個RFID器件。在這種應用中，熱壓器件被啟動和解除作用以選擇地將熱壓法應用到一個或多個RFID器件。作為另一種選擇，在其中RFID器件的板是連續移動的系統中，當器件經過熱壓器件時，熱壓器件可連續地將熱壓法應用到RFID器件上。例如，熱壓器件可以被提供在移動帶上，以使得當器件連續移動時熱壓法可以被應用到一個或多個RFID器件。在這種應用中，熱壓器件可以連續地被啟動，並且熱壓的持續時間可由RFID器件前進通過熱壓器件的速度控制。作為另一種選擇，熱壓器件可以被提供在移動帶上，以使熱壓器件和RFID器件板一起移動，從而選擇地將熱壓法應用到一個或多個RFID器件。
0079在閱讀了之前的描述，本領域的技術人員可能會想起(occurto)一些修改和改進。應該認識到，本發明並沒有局限於任何特定類型的通信器件或內插器。出於本應用的目的，耦合，耦合的，或耦合著廣義上都應解釋為包括直接電耦合和電抗(reactive)電耦合。電抗耦合廣義上應包括電容和電感耦合。本領域的普通技術人員將會意識到，存在不同種可將這些元素實現本發明的方式。本發明應覆蓋權利要求的內容及其等同物。這裡所用的具體的實施例是為了幫助理解本發明，而不應該用來限制本發明的範圍，使得本發明的範圍窄於權利要求及其等同物的範圍。
0080雖然本發明是通過某個實施例或某些實施例來被說明和描述的，對閱讀和理解了規範和附圖的本領域的技術人員來說，對本發明實施例的等效更改和修改將是顯然的。尤其對於多種通過上文描述的元素(部件，組件，器件，組成，等等)實現的功能，用來描述這些元素的術語(包括一個「方法」的引用)，如果沒有以其它方式指出，都應和任何實現所描述元素(也就是功能上等效)的特定功能的元素一致，即使這些術語沒有在結構上和在這裡所說明的典型的實施例或本發明的實施例裡實現功能的公開的體系一致。另外，當本發明的一個特性在上文中可能對照一個或多個所說明的實施例進行描述時，這種特性可以與其它實施例的一個或多個特性結合，因其對於任何給定或特定的應用來說可能是所期望的或有利的。
權利要求
1.一種將半導體晶片(204/704)熱壓結合到電氣部件的方法包括將所述半導體晶片(204/704)定位在所述電氣部件上；和使用熱壓結合器件(200/500)對結合材料進行加熱；其中所述加熱包括施壓將所述結合器件(200/500)的至少一個加熱元件(220)和所述半導體晶片(204/704)壓縮接合；而且其中所述施壓包括使用所述結合器件(200/500)的彈性構件對至少一個加熱元件(220)進行下壓。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述至少一個加熱元件(220)包括居裡點自調節加熱元件(220)。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述至少一個加熱元件(220)包括電阻加熱元件(220)。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述彈性構件包括可變形的囊狀物(230)。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述彈性構件包括橡膠墊。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述彈性構件包括彈簧。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述彈性構件包括撓性板(530)。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述電氣部件包括天線結構(808)。
9.根據權利要求1所述的方法，其中多個半導體晶片(204/704)被同時熱壓結合到多道板(202/502)上的多個電氣部件。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述定位包括將多個半導體晶片(204/704)與板(202/502/702)上的多個電氣部件對準。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述板(202/502/702)上的相鄰晶片(204/704)的晶片間距小於7毫米。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述板(202/502/702)上的相鄰晶片(204/704)的晶片間距小於5毫米。
13.一種將半導體晶片(204/704)熱壓結合到電氣部件的方法包括將所述半導體晶片(204/704)定位在所述電氣部件上；和使用熱壓結合器件(200/500)對結合材料進行加熱，其中所述加熱包括施壓將所述熱壓結合器件(200/500)的撓性板(514)和所述半導體晶片(204/704)壓縮接合；並且應用熱輻射。
14.根據權利要求1或13所述的方法，其中所述結合材料包括一種應用於所述半導體晶片(204/704)和所述電氣部件中的至少一個的粘合劑。
15.根據權利要求1或13所述的方法，其中所述結合材料包括一種熱塑性的結合材料。
16.一種將半導體晶片(204/704)熱壓結合到電氣部件的方法包括將焊料(706)應用到所述半導體晶片(204/704)或所述電氣部件中的至少一個；將所述半導體晶片(204/704)定位在所述電氣部件上；和使用熱壓結合器件(200/500)對焊料(706)進行回流，其中所述回流包括施壓將所述結合器件(200/500)的撓性板(530)和所述半導體晶片(204/704)壓縮接合，並應用熱輻射。
17.根據權利要求13或16所述的方法，其中所述撓性板(530)是相對輻射透明的。
18.根據權利要求13或16所述的方法，其中多個半導體晶片(204/704)被熱壓結合到多道板(202/502)上的多個電氣部件。
19.根據權利要求13或16所述的方法，其中所述電氣部件包括天線結構(808)。
20.根據權利要求13或16所述的方法，其中所述熱輻射包括近紅外輻射。
21.根據權利要求13或16所述的方法，其中所述熱輻射包括微波輻射。
22.根據權利要求13或16所述的方法，其中所述熱輻射包括紫外線輻射。
23.根據權利要求13或16所述的方法，其中所述熱輻射包括電子束。
24.根據權利要求13或16所述的方法，其中所述半導體晶片(204/704)是相對輻射吸收的。
25.一種將半導體晶片(204/704)容性耦合到電氣部件的方法包括將一種壓敏粘合劑應用到半導體晶片(204/704)和電氣部件中的至少一個；將所述半導體晶片(204/704)定位在所述電氣部件上；和利用結合器件(200/500)壓縮粘合劑，從而實現所述半導體晶片(204/704)與所述電氣部件的耦合；其中所述壓縮包括施壓將所述結合器件(200/500)的撓性板(514)和所述半導體晶片(204/704)壓縮接合。
26.根據權利要求13，16或25所述的方法，其中所述撓性板(514)包括矽橡膠。
27.根據權利要求13，16或25所述的方法，其中所述撓性板(514)包括特氟綸。
28.根據權利要求1，13，16或26所述的方法，其中所述電氣部件包括內插器。
29.根據權利要求25所述的方法，其中所述電氣部件包括天線結構(808)。
30.根據權利要求25所述的方法，其中多個半導體晶片(204/704)被耦合到多道板(202/502)上的多個電氣部件。
31.根據權利要求13，16或25所述的方法，其中所述定位包括將多個半導體晶片(204/704)與多道板(202/502/702)上的多個電氣部件對準。
32.根據權利要求31所述的方法，其中所述板(202/502/702)上的相鄰晶片(204/704)的晶片間距小於7毫米。
33.根據權利要求31所述的方法，其中所述板(202/502/702)上的相鄰晶片(204/704)的晶片間距小於5毫米。
34.根據權利要求13，16或25所述的方法，其中所述半導體晶片(204/704)是包含了安裝在所述晶片上的內插器引線的內插器。
35.根據權利要求25所述的方法，其中所述粘合劑是一種環氧樹脂。
36.根據權利要求25所述的方法，其中所述粘合劑是熱塑性粘合劑。
37.根據權利要求25所述的方法，其中所述粘合劑是一種熱固性粘合劑。
全文摘要
本發明提供了一種對一個或多個電氣器件進行熱壓結合的方法，所述方法使用獨立的加熱元件和一個彈性構件以將獨立的加熱元件和電氣器件壓縮接合。所述獨立的加熱元件可以採用居裡點加熱元件或者傳統的電阻加熱元件。本發明同時也提供了一種使用透明撓性板和熱輻射對一個或多個電氣器件進行熱壓結合的方法。在一個實施例中，所述熱輻射是近紅外熱輻射，所述透明撓性板是由矽橡膠組成。結合材料可以採用粘合劑或者熱塑性的結合材料。本發明同時也提供了一種使用壓敏粘合劑將半導體晶片到電氣部件上的方法。所述方法包括通過將結合器件的撓性板與所述半導體晶片壓縮接合以實現對晶片的壓縮。
文檔編號H01L21/30GK1985351SQ200580023314
公開日2007年6月20日 申請日期2005年6月20日 優先權日2004年6月18日
發明者K·凱恩, D·N·愛德華茲, J·芒恩, R·梅赫比, I·J·福斯特, T·C·維克雷 申請人:艾利丹尼森公司