CN207320071U - 激光辅助接合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种激光辅助接合装置。激光辅助接合装置使一半导体芯片和一线路板电性连接，半导体芯片有多个焊料凸块，线路板有多个接垫及多个贯穿线路板的通孔，激光辅助接合装置包括吸附承载组件、光能加热单元及压合件，吸附承载组件包括一承载线路板的承载板及一抽气单元，承载板有对应于多个通孔的多个吸孔，且抽气单元流体连通多个吸孔，光能加热单元置于承载板上方，压合件置于承载板与光能加热单元之间，半导体芯片与线路板夹设在压合件与承载板之间，且抽气单元通过多个吸孔与多个通孔的相互配合，进行抽气并使压合件吸附于半导体芯片，光能加热单元提供的一激光穿透压合件及半导体芯片，对多个焊料凸块加热。

Description

激光辅助接合装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光辅助接合装置，特别是涉及一种利用激光使半导体芯片与线路板建立电性连接的激光辅助接合装置。

背景技术

一般而言，在覆晶封装制程中，是将具有多个凸块的半导体晶粒放置在具有多个接点的电路板上，其中，半导体晶粒的多个凸块会分别对应于多个接点。随后，对半导体晶粒以及电路板执行一回焊制程，以使多个凸块连接于多个接点，从而建立半导体晶粒与电路板之间的电性连接。

在回焊制程中，半导体晶粒以及电路板会共同被传送至回焊炉内加热至回焊温度，通常是240℃至约260℃，持温约1小时，以使每一个凸块可接合于对应的接点。之后，半导体晶粒以及电路板会被移出回焊炉冷却。然而，请参照图1，由于电路板P与半导体芯片S1的热膨胀系数不同，以及在冷却过程中，半导体晶粒S的周围区域与中央区域的冷却速度差异，导致半导体芯片S1与电路板P在冷却过程中变形而翘曲，从而造成位于半导体芯片S1周围区域(或中间区域)且原先已经接合的凸块S11和对应的接点P11断开。

因此，目前开发出另一种激光辅助接合制程，其主要是利用穿透半导体晶粒的激光直接对凸块以及接点局部加热，而免于将电路板以及半导体晶粒送入回焊炉内加热，以最小化电路板的热膨胀及热收缩。然而，随着电路板以及半导体晶粒的厚度越来越趋向轻薄化，当半导体晶粒越来越薄时，即便采用激光辅助接合的技术手段，仍无法完全改善半导体晶粒翘曲的问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种激光辅助接合装置，其通过吸附一压合件于半导体芯片上，可在激光对半导体芯片的多个焊料凸块与线路板的接垫加热时，避免半导体芯片因受热而翘曲。

为了解决上述的技术问题，本实用新型所采用的其中一技术方案是，提供一种激光辅助接合装置，用以使一半导体芯片和一线路板电性连接，半导体芯片具有多个焊料凸块，线路板具有多个接垫以及多个贯穿线路板的通孔，激光辅助接合装置包括吸附承载组件、光能加热单元以及压合件。吸附承载组件包括一用以承载所述线路板的承载板以及一抽气单元。承载板具有分别对应于多个通孔的多个吸孔，且抽气单元流体连通多个吸孔。光能加热单元设置于承载板的上方，压合件设置于附加电路板承载板以及与光能加热单元之间。半导体芯片与线路板被夹设在压合件与承载板之间，且抽气单元通过多个吸孔与多个通孔的相互配合，以进行抽气并吸附压合件。光能加热单元所提供的一激光穿透压合件以及半导体芯片，以对多个焊料凸块加热。

本实用新型的有益效果在于，本实用新型所提供的激光辅助接合装置，其能通过“吸附一压合件于半导体芯片上”的技术方案，使得激光对半导体芯片的多个焊料凸块与线路板的接垫加热时，能避免半导体芯片因受热而翘曲。

为使能更进一步了解本实用新型的特征及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

图1为传统的电路板以及半导体晶粒回焊后的侧视示意图。

图2为本实用新型其中一实施例的激光辅助接合装置的侧视示意图。

图3为未焊接前的半导体芯片设置在线路板上的局部剖面示意图。

图4为半导体芯片及线路板设置在本实用新型实施例的吸附承载组件上的俯视示意图。

图5为半导体芯片及线路板设置在本实用新型另一实施例的吸附承载组件上的俯视示意图。

图6为本实用新型其中一实施例的半导体组件的制造方法的流程图。

图7为本实用新型其中一实施例的半导体组件在步骤S300中的局部侧面示意图。

图8为本实用新型其中一实施例的半导体组件在步骤S400中的局部侧面示意图。

图9为图8中的区域IX的局部放大示意图。

附图符号说明

半导体晶粒S

凸块S10

电路板P

接点P10

激光辅助接合装置1

吸附承载组件10

承载板100

吸孔100h

抽气单元101

光能加热单元11

压合件12

板状结构12a、12b

定位机构102

预热单元14

载台140

加热器141

对位设置单元15

机械臂151

控制单元150

自动化搬运单元16

驱动组件160

抓取臂161

半导体芯片S1

焊料凸块S11、S11’

线路板P1

接垫P11、P11’

通孔h1

电气接点E11

激光L1

照射范围A1

步骤S100～S400

封装生产线R1

具体实施方式

以下是通过特定的具体实施例来说明本实用新型所公开有关“激光辅助接合装置”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本实用新型的优点与效果。本实用新型可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本实用新型的精神下进行各种修饰与变更。另外，本实用新型的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本实用新型的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本实用新型的保护范围。

请参照图2以及图3。图2为本实用新型其中一激光辅助接合装置的侧视示意图，图3为未焊接前的半导体芯片设置在线路板上的局部剖面示意图。

详细而言，激光辅助接合装置1包括吸附承载组件10、光能加热单元11以及压合件12。

进一步地，激光辅助接合装置1用以将至少一半导体芯片S1焊接在一线路板P1上，以使半导体芯片S1电性连接于线路板P1。在本实施例中，一个线路板P1上可设有多个半导体芯片S1。另外，如图3所示，每一个半导体芯片S1具有多个焊料凸块S11。线路板P1具有已经布设好的线路(未图示)、多个分别对应于焊料凸块S11的接垫P11，以及多个贯穿线路板P1的通孔h1。

当半导体芯片S1焊接于线路板P1时，通过将两相对应的焊料凸块S11与接垫P11熔融接合，可使半导体芯片S1与线路板P1电性连接。通孔h1的位置实际上是配合本实用新型实施例的激光辅助接合装置1中的组件而设置，在后文中会进一步说明。

进一步地，多个通孔h1会分布在不设置半导体芯片S1以及没有线路分布的区域。也就是说，当多个半导体芯片S1设置在线路板P1上时，多个通孔h1并不会被半导体芯片S1所遮盖。在通过本实用新型实施例的激光辅助接合装置1使半导体芯片S1焊接到线路板P1上时，可对半导体芯片S1施加作用力，以避免半导体芯片S1在焊接制程中翘曲。

如图2所示，吸附承载组件10包括一用以承载线路板P1的承载板100以及一抽气单元101。承载板100具有分别对应于多个通孔h1的多个吸孔100h，多个吸孔100h裸露于承载板100的表面。另外，抽气单元101流体连通多个吸孔100h。在本实施例中，抽气单元101是通过多个设置在承载板100内的管路而流体连通于这些吸孔100h。在本实用新型实施例中，当线路板P1设置在承载板100上时，多个通孔h1会分别连通多个吸孔100h。

请参照图4，图4为半导体芯片及线路板设置在本实用新型实施例的吸附承载组件上的俯视示意图。具体而言，吸附承载组件10可进一步包括一定位机构102。定位机构102可设置于承载板100上，以使线路板P1的多个通孔h1分别对应于多个吸孔100h。定位机构102例如是夹具、螺丝或者是卡合件，只要能够固定并限制线路板P1设置于承载板100上的位置，本实用新型并不限制。

另外，如图4所示，在本实施例中，吸孔100h分布的范围会大于线路板P1的面积。也就是说，当线路板P1以及半导体芯片S1设置在承载板100上时，多个吸孔100h的一部分并未被线路板P1遮盖，而是裸露于承载板100的表面，且未被线路板P1遮盖的这部分吸孔100h会围绕线路板P1。

进一步地，吸孔100h的数量以及孔径会与压合件12的不同位置所受到的吸力大小相关。在本实施例中，每一个半导体芯片S1的四边或四角可分别设有至少一对应的吸孔100h(或通孔h1)，以使压合件12较能对每一个半导体芯片S1平均加压。在另一实施例中，分别位于不同位置的吸孔100h的孔径大小不一定需要完全相同。据此，吸孔100h的数量以及孔径大小可以根据实际需求进行调整，本实用新型并不限制。

请再参照图2。光能加热单元11设置于承载板100上方。光能加热单元11用以产生一激光L1，以对多个焊料凸块S11以及接垫P11加热。具体而言，光能加热单元11可以产生脉冲激光L1或是连续的激光L1。另外，光能加热单元11可以包括一个激光产生组件或者是多个排列成二维数组的激光产生组件，从而使激光L1的照射范围A1可包含一个或者多个半导体芯片S1。

具体而言，在一实施例中，光能加热单元11包括多个排列成二维数组的激光产生组件以及电性连接于这些激光产生组件的控制器，其中，控制器可以个别控制每一个激光产生组件发光的时间点，从而控制激光L1的照射范围A1。据此，本实用新型实施例的激光辅助接合装置1可以一次对单个或者多个半导体芯片S1的多个焊料凸块S11加热。也就是说，通过改变激光L1的照射范围A1，可以选择每次欲加热的半导体芯片S1的数量。

激光L1的波长可以是介于大约600nm到大约1100nm之间，或者是介于约760nm到约1500nm之间。因此，激光L1的波长可以落在红外光的波长范围内。须说明的是，如果激光L1的波长小于600nm，则激光的能量相对较大，而有可能损坏半导体芯片S1中的电路。但若激光的能量大于1500nm，有可能会导致需要对半导体芯片S1加热较长的时间，否则可能会影响半导体芯片S1与线路板P1之间的接合质量。

由于激光L1可以局部照射到对应于半导体芯片S1的特定区域，而不是被全部施加到线路板P1，因此，可减少在进行焊接制程时，线路板P1因热变形的程度。然而，在利用激光L1照射半导体芯片S1时，半导体芯片S1仍会被加热，从而升高温度。当半导体芯片S1的厚度偏薄时，例如：小于70μm，在利用激光L1来辅助半导体芯片S1以及线路板P1的接合之后，半导体芯片S1仍有翘曲的现象，而可能使原先已经接合焊料凸块S11与接垫P11断开。

据此，本实用新型实施例中，激光辅助接合装置1还包括一压合件12。压合件12设置于承载板100以及光能加热单元11之间。在激光L1照射半导体芯片S1之前，半导体芯片S1与线路板P1会被夹设在压合件12与承载板100之间。

进一步地，如图1所示，在本实施例中，压合件12会被吸附而对半导体芯片S1施加压力。具体而言，前述吸附承载组件10的抽气单元101通过多个吸孔100h及多个通孔h1的相互配合，以进行抽气。据此，抽气单元101在抽气过程中，会对压合件12提供朝向承载板100的吸力，从而使压合件12对半导体芯片S1加压。

在一实施例中，压合件12的厚度是介于100mm至300mm之间，且压合件12的材料对激光L1的透光率至少大于80％。也就是说，在进行焊接制程时，激光L1仍可穿透压合件12，以对半导体芯片S1的多个焊料凸块S11加热。举例而言，若激光L1的波长是介于600nm至1100nm之间时，压合件12的材料可以是玻璃或石英。

据此，在激光L1对半导体芯片S1加热时，压合件12本身的重量以及吸附压合件12所产生的吸力，可进一步抑制半导体芯片S1变形。请参照图4，在本实施例中，压合件12为一连续的板体，且压合件的面积会大于线路板P1的面积，以覆盖多个通孔h1以及裸露于承载板100表面的多个吸孔100h。因此，本实施例的压合件12可以配合吸附承载组件10，在焊接制程中对所有的半导体芯片S1施加压力。

在其他实施例中，请参照图5，压合件12也可以包括多个彼此分离的板状结构12a、12b，每一个板状结构12a、12b覆盖至少一个半导体芯片S1并对应多个通孔h1的其中一部分。抽气单元101可以分别通过位于不同区域的多个吸孔100h以及多个通孔h1进行抽气，以吸附位于不同位置的板状结构12a、12b。

进一步地，如图3所示，在照射激光L1以将多个半导体芯片S1焊固在线路板P1上之前，半导体芯片S1的焊料凸块S11已经先和线路板P1上相对应的接垫P11彼此对位，但尚未固接。因此，若是在放置压合件12时，压合件12对半导体芯片S1施加侧向力，很有可能会导致焊料凸块S11的位置偏离原本已经对准的接垫P11。由于半导体芯片S1的焊料凸块S11的数量以及分布的密度很大，若是焊料凸块S11与对应的接垫P11之间相互偏移，在经过焊接制程后，极有可能导致信号接错或者短路。

因此，请再参照图2。本实用新型实施例的激光辅助接合装置1还进一步包括一预热单元14。预热单元14与光能加热单元11设置在同一封装生产线R1上。在本实施例中，半导体芯片S1的焊料凸块S11以及线路板P1的接垫P11会先通过预热单元14被加热预熔之后，再通过光能加热单元11进行焊接。

详细而言，请参照图2，预热单元14还进一步包括一载台140以及一设置于载台140上方的加热器141，载台140承载线路板P1及半导体芯片S1。在一实施例中，激光辅助接合装置1还进一步包括一对位设置单元15。对位设置单元15和也和预热单元14设置在同一封装生产线R1上。在线路板P1设置在载台140上之后，对位设置单元再将一个(或多个)半导体芯片S1设置在线路板P1上，并使半导体芯片S1的多个焊料凸块S11分别对应线路板的多个接垫P11。对位设置单元可以包括一机械臂151以及一电性连接机械臂151的控制单元150。通过控制单元150的控制，机械臂151可依序将每一个半导体芯片S1放置到线路板P1的预定位置上，并使半导体芯片S1的多个焊料凸块S11以及线路板P1的多个接垫P11彼此对位。

在半导体芯片S1的多个焊料凸块S11以及线路板P1的多个接垫P11彼此对位之后，加热器141可预先对线路板P1及半导体芯片S1加热，从而使对应的焊料凸块S11以及接垫P11局部熔融而彼此连接。

在本实施例中，加热器141是设置在半导体芯片S1的上方，并未直接接触半导体芯片S1。加热器141可以通过热辐射或是热传导的至少其中一种方式来提供热能。在另一实施例中，加热器141也可以设置于载台140下方或者是载台140内部，以对线路板P1以及半导体芯片S1加热。

进一步地，加热器141所产生的加热温度只用于使对应的焊料凸块S11以及接垫P11局部接合，因此加热温度会低于焊料凸块S11与接垫P11的焊接温度。另外，加热温度也不能太高，以免使半导体芯片S1以及线路板P1在加热及冷却过程中产生变形。据此，在一实施例中，加热温度大约是介于100℃至150℃之间。

通过使用加热器141使对应的焊料凸块S11以及接垫P11局部熔融而彼此连接，可以降低在放置压合件12过程中，半导体芯片S1相对于线路板P1偏移的机率，从而避免焊料凸块S11的位置偏离原本已经对准的接垫P11。

另外，请再参照图2，在本实用新型实施例中，激光辅助接合装置1还包括一自动化搬运单元16。自动化搬运单元16设置于吸附承载组件10上方，用以将压合件12放置于预定的位置。在一实施例中，自动化搬运单元16可以包括一用以抓取压合件12的抓取臂161以及一连接抓取臂161的驱动组件160。驱动组件160可以驱动抓取臂161上下或左右移动，以调整压合件12的位置。通过驱动组件160的驱动，抓取臂161可将压合件12放置到半导体芯片S1上。

本实用新型实施例的激光辅助接合装置1可应用于半导体组件的制造方法。请参照图6，进一步说明本实用新型实施例的激光辅助接合装置1应用于半导体组件的制造方法的详细步骤。

在步骤S100中，提供一线路板，线路板具有多个接垫以及多个通孔。线路板例如是图3所示的线路板P1，其具有多个通孔h1以及多个接垫P11。

接着，在步骤S200中，设置一半导体芯片于线路板上，其中，半导体芯片具有多个焊料凸块，当半导体芯片设置于线路板上时，多个焊料凸块分别对应多个接垫，且多个通孔未被半导体芯片遮盖。

如图2所示，可以通过对位设置单元15将多个半导体芯片S1放置在线路板P1上，并且使每一个半导体芯片S1的多个焊料凸块S11分别对准线路板P1的多个接垫P11。

接着，在步骤S300中，通过多个通孔吸附一压合件于半导体芯片上，以对半导体芯片施压。

如图2所示，在执行步骤S300时，可以先通过自动化搬运单元16，将压合件12设置在半导体芯片S1上。之后，再开启吸附承载组件10的抽气单元101。抽气单元101可通过通孔h1以及吸孔100h抽气，以提供压合件12一朝向半导体芯片S1的吸力。在压合件12被吸附的过程中，也会对半导体芯片S1施加压力。

在本实施例中，为了避免在放置压合件12时，使已经对位的焊料凸块S11以及接垫P11相互偏移，在执行步骤S300之前，还可以通过图2所示的预热单元14，执行一预热处理，以局部连接相互对应的焊料凸块S11与接垫P11。在执行预热处理时，预热处理的加热温度低于焊料凸块S11与接垫P11的一焊接温度。在一实施例中，加热温度大约是介于100℃至150℃之间。

在一实施例中，相互对应的焊料凸块S11与接垫P11是通过热辐射或热传导而被加热，以执行预热处理。具体而言，可以通过图2所示的加热器141来进行加热。

请参照图7，图7为本实用新型其中一实施例的半导体组件在步骤S300中的局部侧面示意图。如图7所示，经过加热器141加热之后，相互对应的焊料凸块S11’与接垫P11’被局部熔融而彼此连接。

请再参照图6，在步骤S400中，利用穿过压合件的一激光对相互对应的焊料凸块与接垫加热而使之相互焊接，以使半导体芯片与线路板相互电性连结而形成一半导体组件。

进一步地，可以通过如图2所示的光能加热单元11，来产生激光L1。激光L1通过压合件12以及半导体芯片S1对焊料凸块S11以及接垫P11加热，从而使半导体芯片S1电性连接于线路板P1。另外，在利用激光L1加热时，可以一次对单个或者多个半导体芯片S1加热。进一步而言，激光L1每次可以只照射单个半导体芯片S1、一部分的半导体芯片S1或者是所有半导体芯片S1。

请参照图8以及图9。图8为本实用新型实施例的激光辅助接合装置应用于执行步骤S400中的局部侧面示意图。图9为图8中的区域IX的局部放大图。

如图8所示，在以激光L1照射半导体芯片S1时，吸附承载组件10会进行抽气，从而使压合件12贴附在半导体芯片S1上，以对半导体芯片S1施加压力。如此，可避免半导体芯片S1在受到激光L1照射及加热后翘曲。

另外，请参照图9，在经过激光L1照射之后，相对应的焊料凸块S11’和接垫P11’会完全熔融混合而形成电气接点E11。在电气接点E11固化之后，半导体芯片S1即固设于线路板P1上，并且半导体芯片S1电性连接于线路板P1，而形成半导体组件。

本实用新型技术方案所提供的激光辅助接合装置，其能通过＂压合件12以及吸附承载组件10的配合”的技术方案，从而使压合件12对半导体芯片S1施压。据此，在激光L1对半导体芯片S1的多个焊料凸块S11与线路板P1的接垫P11加热时，可以尽量避免半导体芯片S1因受热而翘曲。

另外，在将压合件12放置到半导体芯片S1上之前，还可通过一加热器141使相对应的焊料凸块S11以及接垫P11预熔，可以降低在放置压合件12过程中，半导体芯片S1相对于线路板P1偏移的机率，从而避免焊料凸块S11的位置偏离原本已经对准的接垫P11。

以上所公开的内容仅为本实用新型的优选可行实施例，并非因此局限本实用新型的申请专利范围，所以凡是运用本实用新型说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本实用新型的申请专利范围内。

Claims (9)

1.一种激光辅助接合装置，用以使至少一半导体芯片和一线路板电性连接，所述半导体芯片具有多个焊料凸块，所述线路板具有多个接垫以及多个贯穿所述线路板的通孔，其特征在于，所述激光辅助接合装置包括：

一吸附承载组件，其包括一用以承载所述线路板的承载板以及

一抽气单元，所述承载板具有分别对应于多个所述通孔的多个吸孔，且所述抽气单元流体连通多个所述吸孔；

一光能加热单元，其设置于所述承载板的上方；以及

一压合件，其设置于所述承载板与所述光能加热单元之间；

其中，所述半导体芯片与所述线路板被夹设在所述压合件与所述承载板之间，且所述抽气单元通过多个所述吸孔与多个所述通孔的相互配合，以进行抽进并吸附所述压合件；

其中，所述光能加热单元所提供的一激光能穿透所述半导体芯片，以对多个所述焊料凸块加热。

2.如权利要求1所述的激光辅助接合装置，其特征在于，所述吸附承载组件还进一步包括一定位机构，所述定位机构设置于所述承载板上，以使所述线路板的多个所述通孔分别对应于多个所述吸孔。

3.如权利要求1所述的激光辅助接合装置，其特征在于，所述激光辅助接合装置还进一步包括：一预热单元，所述预热单元与所述光能加热单元设置在同一封装生产线。

4.如权利要求3所述的激光辅助接合装置，其特征在于，所述预热单元还进一步包括一载台以及一设置于所述载台上方的加热器，所述载台承载所述线路板与所述半导体芯片，且所述线路板与所述半导体芯片预先通过所述加热器而加热。

5.如权利要求4所述的激光辅助接合装置，其特征在于，所述激光辅助接合装置还进一步包括：一对位设置单元，所述对位设置单元和所述预热单元设置在同一所述封装生产线，用以使所述半导体芯片的多个所述焊料凸块分别对应所述线路板的多个所述接垫设置。

6.如权利要求1所述的激光辅助接合装置，其特征在于，所述压合件的厚度是介于100mm至300mm之间，且所述压合件的材料对所述激光的透光率至少大于80％。

7.如权利要求1所述的激光辅助接合装置，其特征在于，所述压合件为一连续的板体，且所述压合件的面积大于所述线路板的面积，以覆盖多个所述通孔。

8.如权利要求1所述的激光辅助接合装置，其特征在于，多个所述半导体芯片设置于同一所述线路板上，所述压合件包括多个彼此分离的板状结构，每一个板状结构覆盖至少一所述半导体芯片并对应多个所述通孔的其中一部分。

9.如权利要求1所述的激光辅助接合装置，其特征在于，所述激光辅助接合装置还进一步包括：一自动化搬运单元，所述自动化搬运单元设置于所述吸附承载组件上方，用以将所述压合件放置于一预定位置。