一種使用導電粘合劑粘接電氣設備的方法及系統的製作方法

2023-06-10 06:16:06 2

專利名稱：一種使用導電粘合劑粘接電氣設備的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用導電粘合劑粘接電氣設備的方法及系統。
背景技術：
通常，在晶片粘接中，溼式糊狀導電粘合劑用來將半導體晶片或集成電路片粘接 至基板。一種外部加熱和加壓方法(也稱為熱壓法)用於將所述晶片下面的糊狀粘合劑貼 著基板固化並按壓以使所述晶片和基板粘接在一起。近年來，晶片的厚度從500 μ m持續減 小到25 μ m，給半導體晶片封裝帶來巨大影響，並且因為這些薄晶片產生的電子產品不僅使 超薄應用(例如智慧卡、生物護照等)成為可能，而且促進了超高密集應用(例如存儲 器、中央處理器等)的發展。在粘接如此薄的晶片的過程中，使用傳統的糊狀粘合劑存在的 問題在於粘合劑溢出和散開，這將引發不可避免的短路故障。人們開發了諸如粘片膜(DAF)或熱塑性膠帶(TAT)之類的幹導電粘合膜或幹導電 粘合帶來取代傳統的溼式糊狀導電粘合劑，尤其用在粘接厚度小於75 μ m的薄晶片。DAF通 常於晶片切割成單獨的晶片之前層壓在所述晶片的背部，而TAT通常於晶片切割工序之後 貼在單獨的晶片背部。層壓有DAF或TAT的晶片可直接通過熱和壓力粘接於基板上，所述熱 和壓力稱為熱壓接合併且也被視為最先進的粘接方法。這種方法存在的問題在於100至 180攝氏度的高粘接溫度、至少3秒鐘的長粘接時間、每個粘接周期粘接單個晶片以及在整 個粘接工藝中對未粘接的晶片和粘接後的晶片、粘合劑、基板進行持續加熱。另外，經常發 生如下現象沿著晶片-粘合劑-基板的分界面形成空穴、粘接工藝窗口受限、生產量低以 及無法使用便宜的基板，例如，具有比DAF或者TAT的操作溫度更低的操作溫度的合成樹脂 粘合紙(SRBP、FR-1和FR-2)。高溫和長時間熱曝露會影響晶片封裝和粘接裝置的可靠性。國際公布號為WO 2007/061216的國際申請公開了一種通過使用倒裝晶片超聲波 振動粘接電氣設備的方法。如在國際公布號為WO 2007/061216的國際申請的圖2中所描 述，將晶片的工作(電路)表面翻轉過來或者背向超聲換能器並通過粘合劑與基板連接，而 晶片的非工作(底面)表面與換能器相接觸以確保工作表面不會被來自換能器的面與面之 間的摩擦所損害。為了進一步減輕損害晶片的風險，換能器的操作端可以用相對硬的、低阻 尼的、低摩擦和光滑的聚四氟乙烯蓋覆蓋。熱量作為超聲振動的副產品，產生於粘合劑自身 內部。換言之，超聲波振動施加於晶片的非工作表面，所述非工作表面相對於晶片的工作表 面、粘合劑和基板會振動，並且這種摩擦產生熱量。國際公布號為WO 2007/061216的國際 申請還公開了使用外部熱源向整個或者上粘接部和下粘接部中的部分施加額外的熱量。國 際公布號為WO 2007/061216的國際申請進一步公開了用於在晶片非工作表面固定晶片的 晶片夾頭。當換能器的操作端與晶片的尺寸不同時，所述晶片夾頭還用作換能器的尺寸適 配器。例如，由具有低內部阻尼的超硬碳化鎢製成的晶片夾頭。國際公布號為WO 2007/061216的國際申請的主要目的是確保超聲波振動通過芯 片到達粘合劑。因此，晶片必須將超聲波振動傳導至粘合劑。到達粘合劑的超聲波振動的 副產品是對粘合劑摩擦而產生的熱量。然而，存在晶片(尤其是薄晶片)可能被通過其傳
4遞的超聲波振動引起破裂或者粉碎的風險。亟需一種粘接方法及系統來解決至少一部分上述問題。

發明內容
在第一方面，本發明提供了一種用於粘接電氣設備的方法，其使用導電粘合劑將 所述電氣設備粘附在一起。所述方法包括由超聲換能器產生超聲波振動。所述方法還包括 阻尼所述超聲波振動以使傳遞至第一電氣設備的超聲波振動最小，並且使所述超聲波振動 轉換為熱脈衝，所述熱脈衝通過所述第一電氣設備傳導至所述導電粘合劑。所述方法還包 括利用所述熱脈衝軟化所述導電粘合劑以將所述電氣設備粘接在一起。所述方法還可包括聚集所述熱脈衝至面積大於或等於所述第一電氣設備的工作 表面面積的表面區域。所述方法還可包括向所述超聲換能器施加靜壓力和電能。所述導電粘合劑可以是幹導電粘合膜或幹導電粘合帶，例如粘片膜(DieAttach Film, DAF)或熱塑性膠帶(Thermoplastic Adhesive Tape，TAT)。 所述第一電氣設備可以是晶片，第二電氣設備可以是基板。所述第一電氣設備的工作表面可以面向所述超聲換能器。本發明可提供多個第一電氣設備，在所述多個第一電氣設備中所述第一電氣設備 彼此之間具有導電粘合劑，以及所述超聲波振動向熱脈衝的轉換可通過所述第一電氣設備 傳導至每一個導電粘合劑，使所述導電粘合劑軟化並將所述電氣設備粘接在一起以形成疊 層晶片封裝。在第二方面，本發明提供了一種用於將超聲波轉換為熱能的裝置。所述裝置包括 底面，其用於覆蓋超聲換能器的操作端並且與第一電氣設備的工作表面接觸。所述裝置還 包括凸起的外圍邊緣，其自所述底面延伸，用於使所述裝置彈性地連接於所述超聲換能器 的操作端。所述裝置由黏彈性的、可變形的、阻尼所述超聲換能器產生的超聲波振動並且使 所述超聲波振動轉換為熱脈衝的材料製成。所述裝置還可包括自所述裝置的底面向外突出以聚集所述熱脈衝的突起部。所述突起部的主表面面積可大於或等於所述第一電氣設備的工作表面面積。所述突起部的主表面面積可大於或等於所述裝置的底面面積的60%。所述突起部自所述底面突出的高度可以為1毫米。所述裝置還可包括多個突起部，用於使多個晶片能夠同時粘接於至少一個基板。所述突起部具有當使用所述換能器的水平或橫向操作時用於固定晶片的凹形。
所述材料可以為矽橡膠複合物。在第三方面，本發明提供了一種用於粘接電氣設備的系統，其使用導電粘合劑將 所述電氣設備粘附在一起。所述系統包括超聲換能器，用於產生超聲波振動。所述系統還 包括超聲波_熱能裝置，其操作性地連接並覆蓋所述超聲換能器的操作端，該超聲波_熱能 裝置阻尼所述超聲波振動以使傳遞至第一電氣設備的超聲波振動最小，並使所述超聲波振 動轉換為熱脈衝，所述熱脈衝通過所述第一電氣設備傳導至所述導電粘合劑。該導電粘合 劑被所述熱脈衝軟化以將所述電氣設備粘附在一起。所述系統還可包括晶片適配器，其附著於所述超聲換能器並設置在所述裝置與所述超聲換能器之間，所述晶片適配器為所述超聲換能器提供形狀和尺寸的匹配以適應任意 形狀和尺寸的第一電氣設備。所述系統還可以包括由中央控制器控制的機電設備，所述機電設備包括三軸線性運動系統，用於提供工作檯在所述機電設備中朝X方向和y方向的精確 運動，以及提供所述超聲換能器和所述超聲波_熱能裝置在所述機電設備中朝ζ方向的精 確運動；熱管理系統，用於控制所述工作檯的溫度；壓力控制系統，用於向所述超聲換能器和所述裝置施加靜壓力，從而將所述第一 電氣設備下面的導電粘合劑貼著第二電氣設備按壓；視覺系統，用於基於捕捉的所述第一電氣設備和所述工作檯的圖像指示所述三軸 線性運動系統移動所述第一電氣設備，以及在現場對未粘接的電氣設備和粘接後的電氣設 備的質量執行生產前檢查和生產後檢查；設備安裝系統，用於將所述超聲換能器和所述超聲波_熱能裝置安裝到所述機電 設備上，以及操作所述超聲換能器和所述超聲波_熱能裝置進行粘接；以及超聲波信號發生系統，用於為所述超聲換能器提供預定的超聲波頻率和功率的電 能。有利的是，本發明提供了一種新穎的超聲引發的脈衝加熱方法和系統，由所述超 聲換能器產生的超聲波振動通過操作性地連接並覆蓋該換能器的操作端的超聲波_熱能 裝置迅速最小化並且轉換成高度聚集的、局部的和可控制的熱能或熱脈衝，所述熱脈衝軟 化或增塑所述導電粘合劑以將所述晶片與基板粘接在一起而不會對所述晶片造成物理損 壞。本發明能夠使所述晶片的工作(電路)表面與操作性地連接並覆蓋所述換能器的 操作端的裝置接觸。所述晶片的非工作(底面)表面背向所述裝置並通過所述導電粘合劑 連接至所述基板。超聲引發的自發的、高度聚集的、局部的和可控制的脈衝加熱效應產生並直接施 加於所述晶片下面的導電粘合劑。所述換能器產生超聲波振動。所述超聲波-熱能裝置通 過傳遞並阻尼所述超聲波振動轉換得到所述自發的、高度聚集的、局部的和可控制的熱脈 衝。對於每單個粘接周期，這種轉換的熱脈衝通過單個晶片的工作表面傳遞至該晶片下面 的導電粘合劑。這種粘接方法降低並且有可能消除由外部加熱裝置或熱源向多個不管是已 經粘接或者尚未粘接的晶片持續施加的高粘接溫度。不僅製造產量增加，並且由於所述基板不用長期承受持續高溫，所以允許使用較 便宜並具有較低操作溫度的基板，例如合成樹脂粘合紙(SRBP、FR-1和FR-2)。


接下來將結合附圖描述本發明的實施例，其中圖1是根據本發明的一種優選實施方式的粘接系統的結構框圖；圖2是根據本發明的一種實施方式的超聲波_熱能裝置的側視圖、俯視圖和仰視 圖；圖3是一組圓形超聲波_熱能裝置的立體圖和部分立體圖4是一組正方形超聲波_熱能裝置的立體圖和部分立體圖；圖5是一組矩形超聲波_熱能裝置的立體圖和部分立體圖；圖6是一組在底面具有多個突起部的超聲波-熱能裝置的立體圖和部分立體圖；圖7是一組具有第一種類型的凹形突起部的超聲波-熱能裝置的立體圖和部分立 體圖；圖8是一組具有第二種類型的凹形突起部的超聲波-熱能裝置的立體圖和部分立 體圖；圖9是一組具有第三種類型的凹形突起部的超聲波-熱能裝置的立體圖和部分立 體圖；圖10是比較具有超聲波_熱能裝置和無所述裝置的粘合劑的溫度分布的圖表；圖11是比較具有正方形突起部、具有矩形突起部、無突起部的超聲波_熱能裝置 的粘合劑的溫度分度的圖表；圖12是用於晶片封裝的粘接操作的側視圖，顯示了熱脈衝集中於單個晶片封裝 上；圖13是用於疊層晶片封裝的粘接操作的側視圖，顯示了熱脈衝集中於單個疊層 晶片封裝上；以及圖14是根據本發明的一種優選實施方式的用於粘接的方法的工藝流程圖。
具體實施例方式參見圖1，本發明提供了一種用於粘接電氣設備13、15的系統10。例如，所述電氣 設備為半導體晶片13或集成電路片13、基板15。導電性粘合劑14用於將所述電氣設備 13、15粘附在一起。系統10通常包括超聲換能器11和超聲波-熱能裝置20。換能器11 產生超聲波振動。裝置20操作性地附著在換能器11的操作端12並覆蓋換能器11的操作 端12。裝置20阻尼所述超聲波振動以使傳遞至晶片13的工作(電路)表面的超聲波振 動最小，並且使超聲波振動轉換為熱脈衝形式的熱能，其中所述熱脈衝通過晶片13傳導至 位於晶片13下面的粘合劑14。粘合劑14由所述熱脈衝軟化或增塑以將晶片13和基板15 粘接在一起。裝置20附著在換能器11的操作端12以形成粘接設備38。由換能器11產生的超 聲波振動被裝置20快速阻尼，並且轉換為自發的、高度聚集的、局部的並且可控的熱脈衝。 粘接過程涉及給換能器11的電激勵、來自換能器11的超聲波振動、裝置20阻尼的超聲波 振動、通過裝置20進行的超聲波到熱能的轉換、粘合劑14內的熱能軟化或增塑、給粘接設 備38的靜壓力以及換能器11 (或粘接設備38)與晶片13之間的平面度相互之間的複雜的 相互作用。換能器11是電能到超聲波能量的能量轉換器。裝置20用作超聲波到熱能的換 能器、振動阻尼器和機械保護器。裝置20在粘接過程中防止了對精密晶片13的損壞，同時 為粘合劑14提供足夠的熱能以將晶片13粘附到基板15上。粘合劑14可以是幹導電粘合膜或幹導電粘合帶，例如粘片膜(DAF)或者熱塑性膠 帶(TAT)。例如，在粘接工藝之前，將具有厚度大約10 μ m的DAF或TAT 14層壓在晶片13 的背面或者非工作(底面)表面。粘接工藝涉及各種不同的工藝參數(例如超聲波功率、 粘接壓力、粘接時間以及工作檯溫度(可選)等)相互之間複雜的相互作用。
轉向圖14，在粘接操作中，基板15最初由基於真空的工作檯16固定住(140)。在 另外的實施方式中，所述基於真空的工作檯16可以是基於真空的溫控工作檯16以便為粘 接過程提供額外的熱源。選取帶有粘合劑14的晶片13並將其放置在基板15上的粘接位 置(141)。利用粘接設備38向下壓整個晶片封裝13、14、15以使所述晶片封裝13、14、15中 的所有元件物理接觸(142)。激活換能器11產生超聲波振動(143)，將所述超聲波振動傳 遞至裝置20以阻尼超聲波振動，並將所述超聲波振動轉換為熱脈衝(144)。通過所述熱脈 衝軟化或增塑位於晶片13之下的粘合劑14(145)，進而將晶片13粘接到基板15上(146)。 在粘接過程中，來自裝置20 (或者粘接設備38)的熱脈衝和來自工作檯16的任何附加熱量 都傳遞到粘合劑14。重複上述粘接過程以利用粘合劑14將下一晶片13粘接到相同或不同 的基板15。換能器11利用壓電驅動器產生優選的40kHz或者40kHz以上頻率的超聲波振動。 對於粘接操作而言，超聲波頻率越高，波長越短，在較低的超聲波功率損耗下，可獲得分辨 率越高的粘接。所述壓電驅動器通常為朗之萬(Langevin-type)預應力換能器，所述預應 力換能器根據逆壓電效應將由超聲波信號發生系統提供的電能轉換為縱向振動形式的超 聲波振動。換能器11通常包括後向金屬平板、多個壓電陶瓷環或複合材料環以及由中央預 應力螺絲機械偏壓或夾住的前向金屬平板/喇叭型焊頭。換能器11的基本的設計要求為 最小化換能器11的總長度以避免不需要的傾斜效應、在換能器11的振動節點上固定法蘭 用於裝配和加載、換能器11的操作端12的直徑與待粘接至基板15的晶片13的橫向尺寸 匹配，並且獲取足夠放大的縱向振動。半波長換能器11足夠短以最小化在操作換能器11 與晶片13的工作表面13A接觸期間的不需要的傾斜效應。多個半波長換能器允許深入接 觸晶片封裝13、14、15，特別是各種不同尺寸(或高度)的晶片封裝13、14、15相互之間緊密 放置時。換能器11可以縱向安裝或水平安裝。如果縱向安裝，橫向振動施加於晶片封裝 13、14、15。然而，優選為縱向安裝，以避免換能器11的過度磨損以及避免對晶片13的工作 表面13A的損壞。設置換能器11 (或者粘接設備38)和晶片13之間的高共面度。所述振 動能量沿著換能器11的縱軸傳輸，這消除了平面度問題以及在橫向振動中發現的摩擦的影響。裝置20的材料具有黏彈性，其具有彈性材料和黏性材料的綜合性能。當所述黏彈 材料受到周期性加載(例如超聲波振動)時，一些輸入能量被所述黏彈材料的類似彈簧的 行為所恢復，而一些輸入能量被所述黏彈材料的類似阻尼器的行為所消散。由黏彈材料消 散的超聲波振動在裝置20的該黏彈材料內引起熱效應。當換能器11被激活時，施加在裝置20的超聲波振動在壓力下產生指定工作頻率 (例如40kHz)的正弦駐波。在周期性正弦應變下產生的超聲波振動通過黏彈材料內的分子 間摩擦而消散，導致快速生熱。這引起了超聲引發脈衝熱效應，取代了傳統熱壓粘接過程中 晶片封裝13、14、15的持續加熱。因為所述超聲引發脈衝熱效應是自發的、高度集中的、局 部的和可控的，所以預定量的高溫熱脈衝僅直接施於目標粘接位置，例如，如圖12所示的 單個晶片封裝13、14、15。在裝置20內產生的所述自發的、高度聚集的、局部的和可控的脈 衝加熱確保了施於所述粘接位置以外區域的熱應力最小。這減小了低操作溫度基板15的 翹曲效應，並且避免了為粘接的晶片和粘接後的晶片13、粘合劑14和基板15的持續加熱。由於在非常短的熱脈衝期間施加精確量的熱能，減小了晶片13和基板15的熱應力。通過在換能器11和晶片13之間建立彈性連接，裝置20提供了振動阻尼功能以減 少從換能器11到晶片13的超聲波振動的傳遞。用於裝置20的材料有效地減小了振動的幅 度。損耗因數是針對每次振動從振動系統中耗散的能量與存儲在該系統中的能量的比值。 損耗因數越大涉及的阻尼越大。0. 1的損耗因數通常認為是顯著阻尼的最小值。因此，裝置 20適合採用彈性材料以在粘接過程中提供足夠量的阻尼。裝置20的阻尼功能防止了振動 通過結構耦合傳輸到所述自動粘接設備的其他部件。這確保了所述粘接設備的質量不會因 重複使用而迅速退化。在粘接期間，晶片13受到粘接設備38施加的靜壓力。在粘接過程中要求快速加 載以增加產量。然而，這種突然且快速的加載會引起錘擊效應，該錘擊效應可能會損壞易碎 的晶片13。由於加工的不完美和裝配變化，粘接設備38 (或換能器11)和工作檯16之間通 常存在小角度。粘接設備38 (或換能器11)和晶片13之間的非平面可能會將所述施加的 壓力集中到晶片13的一端。在粘接過程中，這種集中的壓力會對晶片13或者甚至基板15 造成損壞。因此，裝置20適合採用可變形的材料以避免剛性接觸且改善粘接設備38和芯 片封裝13、14、15之間的柔度。在粘接過程中裝置20內超聲波振動的分布還可以通過使用 所述可變形的材料增加耦合界面來改善。因此，用於裝置20的材料需要是黏彈材料以將超聲波振動轉換為熱脈衝、彈性材 料以有效地阻尼所述超聲波振動傳輸到晶片13、可變形材料以防止剛性接觸並且改善粘接 設備38和晶片13之間的接觸。優選地，裝置20由矽橡膠複合物製得，例如，GE Silicones MasterMolderRTV600 系列。所述RTV600系列矽橡膠複合物具有高工作溫度(_75°C -400°C )、高硬度(62-68肖 氏A (Shore Α))、高撕裂度(100-140ppi)、中等偏高抗張強度(900-1 IOOpsi)、低收縮(線性 收縮< 0. 2% )(室溫固化)以及高熱導率(大約0. 23ff/m)。矽橡膠複合物是高度黏彈的 聚合材料，具有大損耗因數，這提供了改進的阻尼效率。當裝置20附著在換能器11的操作 端12時，在粘接過程中該裝置可以防止晶片13損壞或者甚至粉碎。矽橡膠複合物具有類 似橡膠的彈性，能夠變形到相當大的程度，而隨後又彈性回彈到原始形式。這種能力防止了 剛性接觸，並且提供了粘接設備38和晶片13之間的柔性。因此，粘接質量和產量都得到提 尚ο裝置20的矽橡膠複合物能夠承受高達400°C的高溫，所述高溫可以由裝置20內的 超聲引發脈衝加熱產生。在粘接過程中，通過熱傳導將裝置20內引起的熱脈衝傳遞到晶片 13。如果用於裝置20的材料具有高熱導率，則會實現較好的熱傳遞，並因此提高粘接性能。 矽橡膠複合物的熱導率大約為0. 23ff/mQ · K，這提供了向晶片13的較好的熱傳遞。在粘接過程中，裝置20在靜壓力下運行。因此，裝置20的材料從壓縮變形中恢復 的能力是重要的。壓縮形變是材料在長時間的壓應力下恢復到其原始厚度的能力。裝置20 的矽橡膠複合物的壓縮形變在寬的溫度範圍具有一致的值，因此裝置20由能夠在粘接的 重複加載過程中運作良好的彈性和耐用材料製得。化學品、流體和油類是半導體工業中常見的致汙物。裝置20的矽橡膠複合物在粘 接過程中可以防止對基板15和晶片13的工作表面13A造成汙染。裝置20的材料由於其 碳-碳主鏈的特性，在臭氧、紫外線(UV)、熱量以及其他老化因素下運行良好。裝置20的材料還具有防水特性，所以它也不受潮溼操作環境的影響。所述材料還是高度惰性材料並 且極其穩定和不含硫或者其他的產酸化學品，並且不會造成與該材料接觸的其他材料的汙 染、腐蝕或者退化。裝置20可以採用注射成型法大量生產。GE Silicones MasterMolder RTV600系列在室溫下24小時內會固化。用於裝置20的矽橡膠複合物的專有特性取決於所用的添加劑以及混合和硬化的 條件。裝置20的最高的工作溫度應當保持在400°C以下。這可以通過控制輸入到換能器 11的超聲波功率來實現，其主要是控制由裝置20引起的熱量。裝置20在多個粘接周期之後可能會磨損，這意味著需要定期更換裝置20。裝置 20必須容易且安全地附著於換能器11和與換能器11分開以在大規模製造環境下保持高 效率。依據換能器11的操作端12的尺寸，如圖2所示，本發明提供了一種圓蓋形的裝置 20。在一種實施方式中，所述圓蓋的內直徑為18. 5mm，這比換能器11的操作端12的直徑 18. 8mm略小。在這種形式下，設置有凸起的外圍邊緣23。裝置20的圓蓋的較小內直徑意 味著當用它來覆蓋換能器11的操作端12時會有輕微的彈性變形。這確保了當將電氣設備 13,15粘接在一起時，裝置20牢牢地附著在換能器11的操作端12而不會在快速加載和卸 載的過程中滑落。為了提供高效、快速的超聲引發脈衝加熱，有必要使用熱能引導器21或聚集器21 將所述熱脈衝聚集到粘接位置(例如晶片13)。否則，當裝置20的底面22比晶片13的工 作表面13A大得多時，到基板15的熱損耗相當大。在一種實施方式中，所述熱能引導器為 自裝置20的底面22突起的正方形突起部21。突起部21將所述引發的熱脈衝聚集至晶片 13和粘合劑14，而減少到達基板15的熱損耗。當突起部21的主表面減少時，由突起部21 聚集的熱量增加。然而，突起部21的主表面應當不小於晶片13的工作表面13A以保持到 粘合劑14的熱傳遞均勻。因此，應當使用具有與晶片13相似形狀的略大的主表面的突起 部21。而且，裝置20和晶片13之間的突起部21的略大的主表面提供了在定位期間將晶片 13與粘接位置對齊時的容差。通常，突起部21的主表面不應小於裝置20的底面22的60%。當突起部21的主 表面小於裝置20的底面22的60%時，突起部21可能開始傾斜或彎曲。當突起部21的主 表面小於裝置20的底面22的50%時，出現顯著的傾斜或彎曲。自底面22測得的突起部 21的高度優選為1mm，從而在裝置20的底面22與晶片13以及基板15之間提供足夠大的 間隙以及避免傾斜/彎曲的影響。晶片13的形狀和尺寸可隨類型而不同。對於具體的晶片13而言，為了確保脈衝 加熱的良好集中，可採用具有對突起部21合適配置的裝置20。因為裝置20可拆裝，當晶片 13的形狀和尺寸改變時，可以選擇合適的突起部21。在大規模製造環境中，選擇合適的突 起部21可提供較好的熱傳遞並由此改進晶片封裝13、14、15的粘接質量。突起部21的主 表面越大導致熱脈衝幅度越低。這是由於表面積增加所產生的熱分散。由此，應根據晶片 13的形狀和尺寸來選擇最佳的突起部21。因此，可在粘接部位使熱脈衝的聚集最大化。圖3至圖9描述了裝置20和突起部21的可能的不同形狀和尺寸。裝置20的形 狀和尺寸主要取決於它所連接的換能器11的操作端12。突起部21的形狀和尺寸主要取決 於晶片13的形狀和尺寸，同時防止突起部21傾斜/彎曲。圖6描述了裝置20的底面22 的多個突起部21。多個突起部21使得能夠同時粘接多個晶片。圖7至圖9描述了不同形狀的裝置20上的凹形突起部21。凹形突起部21在需要換能器11的水平或橫向操作時特 別有利於固定晶片13。圖11比較了當使用裝置20的突起部21時粘合劑14的溫度曲線，例如，具有正方 形或矩形突起部21的裝置20與無突起部21的裝置20比較。當施用超聲波振動時，與具 有突起部21的裝置20相比，無突起部21的裝置20的溫度上升較慢和最高溫度減小。裝置20可通過其能量轉換功能提供用於軟化粘合劑14的有效脈衝加熱。它還通 過其振動阻尼和機械保護功能來防止晶片13受到損害。當激活附著有裝置20的換能器11 時，溫度急劇上升。溫度從23. 5°C的室溫快速升高至150°C左右，並且在6秒鐘內變飽和。 參見圖10，當無裝置20附著到換能器11時，溫度僅從室溫略微增加至30°C左右。在無裝 置20的情況下引起的少量熱量是因為粘合劑14自身的粘彈性所引起，粘合劑14將振動能 量轉換為作為副產品的6. 5°C的熱量。裝置20保護晶片13免受超聲波振動和與換能器11的操作端12剛性接觸的影 響。在無裝置20的情況下，晶片13將被來自換能器11的超聲波振動所完全破壞。然而， 當使用裝置20時，晶片13處於良好狀態，並且沒有可通過顯微鏡觀察檢測到的任何缺陷。 因此，在粘接過程中裝置20對於保護晶片13免受損害是重要的。當激活換能器11持續短 的預定時間時，裝置20產生熱脈衝。所述熱脈衝在裝置20的突起部21的主表面和晶片13 上處於其最高水平。對於粘合劑粘附力而言，使用裝置20，快速引發的熱脈衝(例如，在圖 10和圖11中達150°C )是可實現的。在粘合劑14級，當未使用裝置20時，代替超聲引發 熱脈衝而產生超聲振動，這導致晶片13的破損或甚至粉碎。使用如下工藝參數對圖13所示的疊層晶片封裝131的熱傳遞進行有限元分析 (FEA)在室溫下，50W的超聲功率、60N的粘接力、以及3秒鐘的粘接時間。FEA結果提供了 對於疊層晶片封裝131的粘接工藝的成功的初步預測。通過可到達粘合劑_基板界面130 的熱量來確定可用於疊層晶片封裝131的晶片-粘合劑對13、14的數量。當層疊的晶片-粘合劑對13、14的數量增加時，粘合劑-基板界面130的溫度降 低。粘合劑_基板界面130的外緣的溫度與粘合劑_基板界面130的最低溫度的位置對 應。最高溫度從具有兩個晶片-粘合劑對13、14的疊層晶片封裝131的118°C降低至具有 六個晶片-粘合劑對13、14的疊層晶片封裝131的102°C。基於FEA預測，隨著超過六個芯 片-粘合劑對13、14的疊層晶片封裝131的尺寸進一步增加，粘合劑-基板界面130的溫 度將降低至低於100°C。因此，可在該粘接條件下層疊的晶片-粘合劑對13、14的數量不超 過六個。由於小電子產品中可利用的物理空間有限和對多功能性的需求，疊層晶片封裝 131在最近幾年得到快速發展。通常，厚度小於75 μ m的晶片13用於疊層晶片結構131。 在傳統的熱壓疊層晶片粘接工藝中，在底下的晶片-粘合劑對13、14上一個一個粘接芯 片-粘合劑對13、14。粘接後的晶片-粘合劑對13、14在長時間內經受高溫加熱，直至疊層 封裝中所有晶片-粘合劑對13、14均已粘接。結果，基礎晶片13的粘合劑14可能液化，並 且由於環氧樹脂擴散而汙染基板15。相比之下，使用裝置20提供的超聲引發的脈衝加熱減 少高溫持續加熱。隨著在一個粘接周期中對疊層晶片封裝131中所有晶片-粘合劑對13、 14進行粘接，完成基板15上的疊層晶片粘接。當熱脈衝產生並將其從晶片13向基板15的 方向施用時，疊層晶片封裝131中存在溫度梯度。熱脈衝通過分子活動從高溫區(晶片13
11的工作表面13A)傳遞至低溫區(基板15的底面)。回到圖1，將粘接設備38與設備30集成。設備30是由熱管理系統32、三軸線性 運動系統33、設備安裝系統34、視覺系統35、壓力控制系統36以及超聲信號發生系統37形 成的自動化機電單元。對於所述系統32、33、34、35、36之間的通信，這些系統32、33、34、35、 36,37由中央控制器31控制。粘接過程中的相對位置和方向受到精確控制，使得晶片封裝13、14、15和粘接設 備38被準確移至粘接的預定位置。三軸線性運動系統33提供了設備30中朝χ、y和ζ方 向的精確移動。在設備30中，x-y工作檯16中接合有兩個電動機。一個電動機轉動以χ方 向移動工作檯16，而另一個電動機以y方向移動工作檯16。這兩個電動機可以將工作檯16 上的晶片封裝13、14、15移動至將發生粘接的位置。通過工作檯16中的真空裝置可以固定 晶片封裝13、14、15，以防止受高速移動的影響。另外，在ζ軸方向設置有第三電動機，以對 粘接設備38提供上下移動。在其受壓力控制系統36施壓之前，該電動機可將粘接設備38 移至晶片13的表面。在粘接操作過程中，中央控制器31發送控制信號至電機驅動器，控制 電動機以程序中編寫的速度和加速度驅動工作檯16和粘接設備38。編碼器提供了一種閉 環系統，並用作反饋裝置，使得粘接工藝的準確性、精確性以及可重複性得以維持。使用這 樣的系統33的優點是其對高產量粘接工藝所需的速度和加速度的改變作出快速反應。熱管理系統32控制工作檯16的溫度。該系統32提供閉環溫度控制，使得工作檯 16可維持在穩定的溫度水平。安裝數位化溫度控制器，以控制由加熱器和溫度傳感器構成 的加熱部件。在粘接工藝中，數位化溫度控制器發送信號，以控制到達加熱器的電能。通過 溫度傳感器來測量加熱部件的溫度，並且將反饋信號返回至溫度控制器。根據反饋信號調 整施加至加熱器的電能，使得工作檯16維持在用於粘接工藝的預定溫度。為了防止熱能通 過熱傳導而傳遞至設備30的全部部件，在工作檯16和三軸線性運動系統33的電動機聯軸 器之間插入熱隔離裝置。在粘接過程中，壓力控制系統36向晶片封裝13、14、15提供靜壓力。該系統36包 括氣動調節器、電磁閥、氣缸、壓力傳感器以及控制器。氣動調節器控制氣缸內的壓力，而電 磁閥控制氣缸內活塞的上下移動。精確的壓力測量是重要的。壓力傳感器測量所施加的粘 接壓力。來自壓力傳感器的反饋信號經系統36的控制器傳遞至中央控制器31，用於調整施 加至晶片封裝13、14、15的壓力大小。在壓力的施加過程中，沿ζ軸的移動被鎖定，以防止 粘接設備38由於加載動作而滑動。視覺系統35有助於三軸線性運動系統33將晶片封裝13、14、15自動定位至粘接 位置。該系統35包括視覺控制器和攝影設備。在粘接過程中，通過攝影設備來捕捉工作檯 16的圖像。通過攝影設備來識別晶片封裝13、14、15，並通過視覺控制器將晶片封裝13、14、 15排列至傳感區。由三軸線性運動系統33將晶片封裝13、14、15準確移至粘接位置用於後 續的粘接工藝。視覺系統35還提供了生產前檢查功能，以避免使用有缺陷的晶片13。這種 現場生產前檢查功能是有用的，尤其對層疊多個晶片-粘合劑對13、14以形成疊層晶片封 裝131。系統35還提供了對粘接後的晶片封裝13、14、15的生產後檢查功能。設備安裝系統34用於安裝位於換能器11的振動節點位置的法蘭，以使超聲波振 動能量的任何損失最小化。換能器11 (或粘接設備38)和工作檯16之間的共平面性對於 確保將靜壓力均勻施加至晶片封裝13、14、15是非常重要的。施加均勻的壓力可防止脫層，並改善晶片封裝13、14、15至基板15的粘合性。因此，在橫傾、縱傾以及橫擺方位，設備安 裝系統34是可調整的。通過調整方位，可將共平面性改變至可接受的水平。超聲信號發生系統37用於向換能器11產生所需超聲波頻率和功率的電能。該高 頻電能被傳送至換能器11，以生成用於粘接工藝的超聲波振動。系統37優選處於恆定電壓 和數字鎖相環路(PLL)底部中，這確保換能器11以其共振頻率運行。設置選擇器開關來調 整施於換能器11的功率量。系統37還包含過載保護電路，以防止由所施加的過多功率而 引起的換能器11損害。本領域技術人員可以理解，在不脫離本發明的範圍或實質的情況下，可以對具體 實施方式中所描述的本發明進行多種變化和/或修改。因此，認為本發明的具體實施方式
在各方面均為示例性而非限制性。
權利要求
一種用於粘接電氣設備的方法，其使用導電粘合劑將所述電氣設備粘附在一起，所述方法包括通過超聲換能器產生超聲波振動；阻尼所述超聲波振動以使傳遞至第一電氣設備的超聲波振動最小，並使所述超聲波振動轉換為熱脈衝，所述熱脈衝通過所述第一電氣設備傳導至所述導電粘合劑；以及利用所述熱脈衝軟化所述導電粘合劑以將所述電氣設備粘接在一起。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括聚集所述熱脈衝至面積大於或等於所述第一電 氣設備的工作表面面積的表面區域。
3.根據權利要求1所述的方法，還包括向所述超聲換能器施加靜壓力和電能。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述導電粘合劑為諸如粘片膜或熱塑性膠帶之 類的幹導電粘合膜或幹導電粘合帶。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一電氣設備為晶片，第二電氣設備為基板。
6.根據權利要求2所述的方法，其中，所述第一電氣設備的工作表面區域面向所述超聲換能器。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，提供多個第一電氣設備，在所述多個第一電氣設 備中所述第一電氣設備彼此之間具有導電粘合劑，以及所述超聲波振動向熱脈衝的轉換通 過所述第一電氣設備傳導至每一個導電粘合劑，使所述導電粘合劑軟化並將所述電氣設備 粘接在一起以形成疊層晶片封裝。
8.一種用於將超聲波轉換為熱能的裝置，所述裝置包括底面，用於覆蓋超聲換能器的操作端並且與第一電氣設備的工作表面接觸；和 凸起的外圍邊緣，其自所述底面延伸，用於使所述裝置彈性連接於所述超聲換能器的 操作端；其中，所述裝置由黏彈性的、可變形的、阻尼所述超聲換能器產生的超聲波振動並且使 所述超聲波振動轉換為熱脈衝的材料製成。
9.根據權利要求8所述的裝置，還包括自所述裝置的底面向外突出以聚集所述熱脈衝 的突起部。
10.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述突起部的主表面面積大於或等於所述第一 電氣設備的工作表面面積。
11.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述突起部的主表面面積大於或等於所述裝置 的底面面積的60%。
12.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述突起部自所述底面突出的高度為1毫米。
13.根據權利要求8所述的裝置，還包括多個突起部，用於使多個晶片能夠同時粘接於 至少一個基板。
14.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述突起部具有當使用所述換能器水平或橫向 操作時用於固定晶片的凹形。
15.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述材料為矽橡膠複合物。
16.一種用於粘接電氣設備的系統，其使用導電粘合劑將所述電氣設備粘附在一起，所 述系統包括超聲換能器，用於產生超聲波振動；和超聲波_熱能裝置，其操作性地連接於所述超聲換能器的操作端並覆蓋該超聲換能器 的操作端，所述超聲波_熱能裝置阻尼所述超聲波振動以使傳遞至第一電氣設備的超聲波 振動最小，並且使所述超聲波振動轉換為熱脈衝，所述熱脈衝通過所述第一電氣設備傳導 至所述導電粘合劑；其中，所述導電粘合劑被所述熱脈衝軟化以將所述電氣設備粘接在一起。
17.根據權利要求16所述的系統，還包括晶片適配器，其附著於所述超聲換能器並設 置在所述超聲波_熱能裝置與所述超聲換能器之間，所述晶片適配器為所述超聲換能器提 供形狀和尺寸的匹配以適應任意形狀和尺寸的第一電氣設備。
18.根據權利要求16所述的系統，還包括由中央控制器控制的機電設備，所述機電設 備包括三軸線性運動系統，用於提供工作檯在所述機電設備中朝χ方向和y方向的精確運動， 以及提供所述超聲換能器和所述超聲波-熱能裝置在所述機電設備中朝ζ方向的精確運 動；熱管理系統，用於控制所述工作檯的溫度；壓力控制系統，用於向所述超聲換能器和所述超聲波-熱能裝置施加靜壓力，從而將 所述第一電氣設備下面的導電粘合劑貼著第二電氣設備按壓；視覺系統，用於基於捕獲的所述第一電氣設備和所述工作檯的圖像指示所述三軸線性 運動系統移動所述第一電氣設備，以及在現場對未粘接的電氣設備和粘接後的電氣設備的 質量執行生產前檢查和生產後檢查；設備安裝系統，用於將所述超聲換能器和所述超聲波_熱能裝置安裝到所述機電設備 上，以及操作所述超聲換能器和所述超聲波_熱能裝置進行粘接；以及超聲波信號發生系統，用於為所述超聲換能器提供預定的超聲波頻率和功率的電能。
全文摘要
一種用於粘接電氣設備(13、15)的系統(10)，其使用導電粘合劑(14)將電氣設備(13、15)粘附在一起。所述系統(10)包括產生超聲波振動的超聲換能器(11)和操作性地連接並覆蓋所述超聲換能器(11)的操作端(12)的超聲波-熱能裝置(20)，所述超聲波-熱能裝置(20)阻尼所述超聲波振動以使傳遞至第一電氣設備(13)的超聲波振動最小，並使超聲波振動轉換為熱脈衝，所述熱脈衝通過所述第一電氣設備(13)傳導至所述粘合劑(14)，其中，所述粘合劑(14)被所述熱脈衝軟化從而將所述電氣設備(13、15)粘接在一起。
文檔編號H01L21/60GK101996905SQ201010262578
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月24日 優先權日2009年8月24日
發明者柯少榮 申請人:香港理工大學