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CN104425289B - 利用激发的混合气体的晶粒安装装置和方法 - Google Patents

利用激发的混合气体的晶粒安装装置和方法 Download PDF

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CN104425289B CN201310410954.5A CN201310410954A CN104425289B CN 104425289 B CN104425289 B CN 104425289B CN 201310410954 A CN201310410954 A CN 201310410954A CN 104425289 B CN104425289 B CN 104425289B
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Abstract

本发明公开了一种用于将半导体晶粒安装在衬底上的晶粒安装装置，该衬底具有金属表面，该装置包含有：材料滴涂平台，其用于将键合材料滴涂在衬底上；晶粒安装平台，其用于将半导体晶粒放置在已经滴涂在衬底上的键合材料中；以及活化气体产生器，其设置在晶粒安装平台前侧，以将激发的混合气体引导在衬底上，而便于还原衬底上的氧化物。

Description

利用激发的混合气体的晶粒安装装置和方法
技术领域
本发明涉及将半导体芯片或晶粒安装在衬底上，尤其是涉及在这样的安装以前对衬底和/或晶粒安装介质的处理。
背景技术
电子器件的制造常常包括在最终封装电子器件以前将半导体晶粒安装在衬底上。在将半导体安装于具有金属表面的衬底如引线框以前，该衬底或引线框通常在加热通道中被预热以便于创造有助于晶粒安装的环境。加热通道具有加热器以将引线框预热至高于软焊料(soft solder)的熔点以上的温度，而使得焊料成为晶粒安装的介质。通过一段长度的焊接导线被降低至预热的引线框上并且一旦和预热的引线框接触就融化的方式，焊料可以被滴涂。然后将引线框传送至位于加热通道内部的键合区，在那里半导体晶粒得以被键合。最后，引线框被冷却以将焊料固化而完成键合。传统的软焊料晶粒安装应用采用混合气体（forming gases），该混合气体可包含有5-15%的氢气，以防止在这种加热处理过程中引线框氧化。
无焊剂焊接（fluxless soldering）是用于晶粒安装最合适的方法，其被广泛地使用于工业中。在各种无焊剂回流和焊接方法中，氢气作为反应气体以减少衬底上的氧化物的使用尤其具有吸引力，因为它是清洁处理并且兼容于开放的连续的生产线。因此，在存在氢气的情形下完成无焊剂焊接已经成为技术目标一段时间。一种方法已经用来利用在氮气运载（carrier）气体中包含有5-15%氢气的混合气体，以从加热通道中排出空气尤其是氧气。加热通道中的氧气水平保持在50ppm以下，以避免引线框氧化。而且，混合气体能够被使用来还原出现在引线框表面上的铜氧化物，以改善焊料的可沾性（wettability）。
加热通道通常会充满上述的混合气体。而且，对于晶粒安装中所使用的焊接处理而言，主要的限制是还原金属氧化物速度的低效和缓慢，尤其是关于焊料氧化物。氢气的这种低效归因于低温时氢分子（hydrogen molecules）的缺失活性。由于活性的氢对于还原氧化物而言是重要的，所以高度反应性的活性基（reactive radicals）如单原子氢仅仅能够在高温下得以形成。例如，用于还原铜氧化物的有效温度变化范围是在350°C以上，而甚至更加高得多的温度（超过450°C的温度）是有必要地有效还原焊料氧化物的。通常，相对有限数量的氢气能够在软焊料晶粒键合机的传统加热通道中能够得以激活。因此，能够产生高度反应性的氢，从而降低所需数量的氢气浓度和处理温度以有效地还原氧化如焊料氧化，是令人期望的。
另外，由于加热通道中存在几个开放窗口用于处理操作，例如焊料滴涂、拍打（spanking）和晶粒键合，空气常常在作为旋风漫射和流动进入加热通道。这使得在加热通道中实现不受氧气干扰的环境具有挑战性，以达到高水平的抗氧化而进行良好的焊接。在没有有效还原焊料氧化物的情形下，在晶粒安装过程中，所产生的焊料氧化将会导致空洞和晶粒斜置问题，和会引起可靠性问题。
更多的负面趋势是越来越多具有低级焊料可沾性的低档引线框正被使用。这些引线框更易于在它们的表面形成铜氧化，这证明在使用传统的混合气体阻止氧化方面具有挑战性。
基于上述理由，传统意义上已经使用的还原气体（reducing gases）的有效性应该被改善。
发明内容
所以，本发明的一个目的是寻求在焊料晶粒安装环境中使用一种活性还原气体，以避免前述传统的晶粒安装装置的至少部分不足。
本发明的另一个目的是寻求实现一种比现有技术更为简洁的再激励方法（reactivating technique），以便于提高还原处理的速度和有效性。
因此，本发明第一方面提供一种用于将半导体晶粒安装在衬底上的晶粒安装装置，该衬底具有金属表面，该装置包含有：材料滴涂平台，其用于将键合材料滴涂在衬底上；晶粒安装平台，其用于将半导体晶粒放置在已经滴涂在衬底上的键合材料上；以及活化气体产生器，其设置在晶粒安装平台前侧，以将激发的混合气体引导在衬底上，该激发的混合气体被操作来还原衬底上的氧化物。
本发明第二方面提供一种用于将半导体晶粒安装在衬底上的方法，该衬底具有金属表面，该方法包含有以下步骤：使用活化气体产生器，将激发的混合气体引导在衬底上，以还原衬底上的氧化物；在材料滴涂平台处，将键合材料滴涂在衬底上；其后在晶粒安装平台处，将半导体晶粒放置在已经滴涂在衬底上的键合材料上。
本发明第三方面提供一种制造电子器件的方法，该电子器件包括具有金属表面的衬底，该方法包含有以下步骤：使用活化气体产生器，将激发的混合气体引导在衬底上，以还原衬底上的氧化物；在材料滴涂平台处，将键合材料滴涂在衬底上；其后在晶粒安装平台处，将半导体晶粒放置在已经滴涂在衬底上的键合材料上。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
附图说明
现参考附图描述本发明所述具有还原氧化的用于完成晶粒安装的装置和工艺的实例，其中。
图1所示为根据本发明第一较佳实施例所述的使用激发的（activated）混合气体的软焊料晶粒安装装置的剖面示意图。
图2所示为根据本发明第二较佳实施例所述的使用激发的混合气体的软焊料晶粒安装装置的剖面示意图。
图3所示为根据本发明第三较佳实施例所述的晶粒安装装置的局部放大示意图，其中活化气体产生器被安装在导线滴涂器（wire dispenser）上。
图4所示为同根据本发明第一和第二较佳实施例所述装置一起使用的活化气体产生器的实施例；和。
图5(a)至图5(c)所示为使用根据本发明较佳实施例所述的清洁工序进行还原之后去除氧化物的示意图。
具体实施方式
图1所示为根据本发明第一较佳实施例所述的使用激发的混合气体22的晶粒安装装置10的剖面示意图。虽然此处所述的工序涉及软焊料的使用，值得注意的是，晶粒安装装置10也可以适用于不使用软焊料的晶粒安装的其它方式。
晶粒安装装置10包含有封闭加热通道11的加热通道封盖12，具有金属表面的衬底14，如引线框被配置来传输通过该加热通道，以便于将半导体晶粒36安装至衬底14上。保护气体16，其可能是氮气或混合气体，被引导进入和充满加热通道11的通路中，以当衬底14正在进行处理时封闭容置在加热通道11中的衬底14，并保护设置在通路中的元件避免氧化。晶粒安装装置10具有至少一个加热器，以将衬底14加热至高于所使用的软焊料的熔点大约30-80°C的温度，以便于软焊料一旦和衬底14接触将会熔化。
活化气体产生器18设置在加热通道封盖12上开口的上方，以将激发的混合气体喷射通过该开口进入加热通道11和衬底14之上，以还原衬底14上的氧化物。在焊接之前，激发的混合气体主要被引入来清洁衬底14，其另外也被操作来在将半导体晶粒键合至衬底以前还原软焊料安装介质，如下所述。可供选择的是，活化气体产生器18可以被直接集成在加热通道封盖12上。气体供应管道20耦接至活化气体产生器18上，以提供大气压力下的已经激活的混合气体22。
混合气体22已经被激发以产生活性物质（activated species）或活性基（excitedradicals），和氢离子。激发的混合气体24和尤其是在混合气体中出现的活性基作用在预热衬底14上以还原氧化物。滑动盖26闭合了活化气体产生器18和加热通道封盖12之间的间隙，以使得保护气体16和激发的混合气体24从加热通道11的通路处的流失最小化。
材料滴涂平台27设置在活化气体产生器18的下游，用于滴涂键合材料。在所描述的实施例中，以软焊料形式存在的键合材料被滴涂在衬底14上。在材料滴涂平台27处，导线滴涂器28引入一段焊接导线30以将焊料滴涂在衬底14上，此时一旦焊接导线30和衬底14接触会熔化而形成焊点32。可选的是，导线滴涂器28也可以生成焊料图案。在焊点32已经滴涂在衬底14上之后，其上具有焊点32的衬底14被步进器（图中未示）传输至晶粒安装平台33。设置在晶粒安装平台33上的键合工具34拾取和放置半导体晶粒36于已经滴涂在衬底14上的焊点32上。最后，半导体晶粒36连同来自焊点32的键合焊料38一起被冷却以固化半导体晶粒36和衬底14之间的键合40。衬底14和键合后的半导体晶粒36然后被封装成电子器件。
图2所示为根据本发明第二较佳实施例所述的使用激发的混合气体的晶粒安装装置50的剖面示意图。在这个实施例中，除了设置在导线滴涂器28前面的第一活化气体产生器18之外，第二活化气体产生器52设置在位于导线滴涂器28和键合工具34之间的加热通道封盖12中另一个开口的上方。第二活化气体产生器52还包括：用于提供大气压力下的已经激活的混合气体56的第二气体供应管道54，用于闭合第二活化气体产生器52和加热通道封盖12之间的间隙的滑动盖60，以使得保护气体16和激发的混合气体58从加热通道11的通路处的流失最小化。
当第一活化气体产生器18至少在衬底14上滴涂有一定数量焊料的一个位置处（和在衬底14的其它部位上）被操作来还原衬底14上的氧化物的同时，第二活化气体产生器52被操作来主要还原已经滴涂在衬底14上的一定数量焊料上的氧化物。具体地，第二活化气体产生器52主要地被操作来还原形成在已滴涂的焊点32上或已经于导线滴涂器28位置处引入于衬底14上的焊料图案上的任何焊料氧化物。
也就是说，在晶粒安装装置50的这个实施例中采用了两个活化气体产生器18、52，它们安装在导线滴涂器28之前和之后，以分别还原衬底14和焊点32上的氧化物。在晶粒安装过程中，在衬底14已经被加热至预定的温度之后，衬底14上的任何氧化物被来自第一活化气体产生器18的激发的混合气体还原。在焊点32已经被滴涂在衬底14上之后，在半导体晶粒36被放置在焊点32或焊料图案上以前，出现在焊点32或焊料图案上的焊料氧化物被第二活化气体产生器52还原。此后，键合后的焊料38被冷却以将半导体晶粒36牢牢地键合在衬底14上。由于焊料相当清洁和可沾湿良好，所以良好的晶粒键合40能够得以实现。
在另一个较佳的应用中，在材料滴涂平台27处，所述的活化气体产生器18、52可以直接被集成至导线滴涂器62上，该导线滴涂器62引入一段焊接导线64以将焊料滴涂在材料滴涂平台27处。图3所示为根据本发明第三较佳实施例所述的晶粒安装装置的局部放大示意图，其中活化气体产生器18被安装在导线滴涂器62上。
连同活化气体产生器，兴奋的氢离子被引入和喷射在滴涂区域上，以不仅覆盖将要滴涂焊料的衬底14的键合盘，而且覆盖衬底14上已经滴涂的焊点32和焊料图案。加热后的衬底14被传送至材料滴涂平台27处，衬底14上存在的氧化物（如铜氧化物）立即被激发的混合气体24还原。在同一个位置，已经滴涂在衬底14的键合盘上的焊点32同样也被还原。所以，在这个实施例中，单个的活化气体产生器18可同时还原衬底14和焊点32。清洁后的衬底14上具有良好沾湿的清洁键合焊料38将会产生具有期望键合性能的焊料键合40。
激活的混合气体能够被使用来处理不同类型的封装件，包括单排或多排引线框和其他衬底。活化气体产生器18、52相对于引线框设置在加热通道封盖12上，以还原设置在同一列上的所有单元，每列垂直于引线框的传输方向。较佳地，在加热通道11的内部，活化气体产生器18、52应该至少可垂直于衬底14的传输方向移动。滑动盖26、60连接至活化气体产生器18、52，且其被利用来盖住加热通道封盖12的开口。在这种定位过程中，它被进一步适合来连同活化气体产生器18、52一起移动。当活化气体产生器18、52被使用来处理多排封装件或器件时，滑动盖26、60尤其可用于使得激发的混合气体24、58自加热通道处的泄漏最小化。
图4所示为同根据本发明第一和第二较佳实施例所述装置一起使用的活化气体产生器18、52的实施例。具体地，活化气体产生器18、52行使激发混合气体中氢离子的功能。
活化气体产生器18、52包含有：以中央圆柱形电极80形式存在的第一电极、气体涡旋式喷嘴（gas swirler）74、绝缘材料72（dielectric material）和包括产生器固定器70的第二电极，和/或加热通道封盖12。这个气体涡旋式喷嘴74会适合通过多个气体涡旋式喷嘴的孔洞76使得混合气体22旋转进行圆周分布。第一和第二电极被操纵来产生电场。
在这个实施例中，交流电场被提供在活化气体产生器18、52中以激励氢气。活化气体产生器18被连接至加热通道11。交流电场产生自一种包含有锥形的中央圆柱形电极80的装置，该中央圆柱形电极80是导电的和凸伸的，并具有高表面曲率。该中央圆柱形电极80在其上部被绝缘材料72部分地环绕，其接着被导电的产生器固定器70所环绕。在其最低点，中央圆柱形电极80相邻于加热通道封盖12的在加热通道11中开设的开口设置。所述的产生器固定器70和加热通道封盖12电性连接至交流电源82上。包含于产生器固定器70中的第二电极围绕中央圆柱形电极80，并被接地（参见图4）。交流电源82的频率除了可从10kHz变化至20MHz之外不被特定地限制，较合适地是在10至50kHz之间变化。电压为100V至50kV，更为合适地是1kV至10kV的交流电已经被证明是特别有益于完成根据本发明所述的方法。
在中央圆柱形电极80和绝缘材料72之间以及绝缘材料72和包含于产生器固定器70的第二电极之间分别形成有细微的间隙。两个电极之间的绝缘材料72被极性化以提供电场。交流电场同样也产生在位于加热通道封盖12和中央电极80之间的活化气体产生器18的底部。首先，混合气体被气体涡旋式喷嘴74旋转，然后旋转的气体78高速地向下通过交流电场进入加热通道11。包含于气体混合物中的氢气被至少部分地激活以形成活性基，其后它进入加热通道11的腔室以进行清洁的目的。
中央圆柱形电极80相邻于活化气体产生器18的喷嘴设置一段预定的距离，该距离位于中央圆柱形电极80的端部和待清洁的衬底14的表面或焊点32之间。该距离相对于中央电极的直径得以确定，且该距离可以是中央电极的直径的0.1倍至5倍之间，较合适地是0.5倍至3倍之间的范围。在中央圆柱形电极80和第二电极或绝缘材料72之间的间隙可以在从1mm至20mm之间，较合适地是从5mm变化至10mm的范围，该间隙包含有交流电场。在活化气体产生器18、52的排出口，加热通道封盖12的开口具有很大的直径，以便于减缓激活的混合气体24、58进入加热通道11和分别喷射在衬底14、焊点32上的速度，而为了避免任何损坏，尤其是对熔融焊料的损坏。
在氢气从气体涡旋式喷嘴74处被弹出之后，当氢气通过由位于中央圆柱形电极80和包含于产生器固定器70的第二电极和/或加热通道封盖12之间的、频率为10-50kHz的低频交流电源82或RF电源产生的交流电场时，氢气至少进一步被部分地激发。激发的氢物质可能进一步包含在气体混合物中，其包括分子、原子、非氢离子和其他活性物质。活性物质被传送通过加热通道封盖12中的开口进入加热通道11，并作用在已经接地的衬底14和/或焊料32上。
图5(a)至图5(c)所示为使用根据本发明较佳实施例所述的清洁工序进行还原之后去除氧化物的示意图。处理以前，金属氧化物层84位于衬底14或焊点32的表面（参见图5(a)）。活性基和金属氧化物（MO: metal oxide）在高温下有效地反应，以将氧化物还原成纯金属和气态水，该气态水可能从加热通道中得以耗尽，参见图5(b)所示。
活性基是类似等离子体颗粒，其包括原子、离子和放电氢，以及其他活性物质。它们原地生产，并作用在衬底14或焊点32的表面。激发的活性基非常活泼且它们的密度非常高，和传统的软焊料晶粒键合中的热分解颗粒相比多达100至1000倍。
大家相信，氧化物的还原发生如下：
分解：nH2 -> H2*(激发的分子) + 2H (激发的原子) + 2H (离子) + 2e'
氧化物的还原：2H(+) + MO -> H2O (气态) + M (此处M=焊料或铜)
图5(c)显示了还原之后，带有良好可沾湿性效果的清洁后的金属表面86。
所以，此处所述的是一种使用活化气体产生器18、52的方式用于从衬底14和/或焊料32处移除金属氧化物（MO）的装置和方法。激发的活性基可得以被创造出，其后直接被引导入晶粒安装装置10、50、60的加热通道11中，以还原诸如铜和焊料表面之类的金属表面。在大气压力下，从混合气体中活性基被激发出，它们高速地通过强大的电场，该电场通过来自电发生器的无线电波所产生。激发出的活性基也可以由相对于绝缘屏障环绕的放电所产生。
基于氮气相对较低的成本和释放的排出废气的环境友好的原因，气体混合物通常包含有作为还原气体的氢气和作为载体的氮气。载体气体也可以包括但不限于氦气（helium）和氩气（argon）。在所描述的实施例中，气体混合物可包括体积占0.1%至15%的氢气，更为合适地为体积占3%至5%的氢气；混合气体流动可以以0.1-0.5Mpa的压力被引入，但是更为合适地是从0.2Mpa至0.4Mpa。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种用于将半导体晶粒安装在衬底上的晶粒安装装置，该衬底具有金属表面，该装置包含有：
材料滴涂平台，其用于将键合材料滴涂在衬底上；
加热通道，所述衬底被配置传输通过该加热通道，以便于将半导体晶粒安装至衬底上；
用来关闭加热通道的加热通道封盖；
晶粒安装平台，其用于将半导体晶粒放置在已经滴涂在衬底上的键合材料上；以及
活化气体产生器被操作来在大气压下活化气体，该活化气体产生器设置在晶粒安装平台前侧并且位于加热通道封盖的开口上，以在加热通道内将在大气压下已经被激发的混合气体通过开口直接喷射在衬底上，该激发的混合气体被操作来还原衬底上的氧化物。
2.如权利要求1所述的晶粒安装装置，其中加热通道被填充有保护气体和使用加热通道封盖封闭以在衬底于各个平台经过处理时容置衬底。
3.如权利要求2所述的晶粒安装装置，其中，活化气体产生器设置在加热通道封盖中的开口上方，激发的混合气体通过该开口喷射在位于加热通道中的衬底上。
4.如权利要求3所述的晶粒安装装置，其中，活化气体产生器至少垂直于衬底在加热通道内部的传送方向移动。
5.如权利要求4所述的晶粒安装装置，该装置还包含有：滑动盖，其连接于活化气体产生器并随着活化气体产生器移动，该滑动盖被操作来使得激发的混合气体通过该开口从加热通道处的泄漏最小化。
6.如权利要求3所述的晶粒安装装置，其中，该加热通道封盖中的开口具有足够大的直径以减缓激活的混合气体从活化气体产生器露出进入加热通道的速度。
7.如权利要求1所述的晶粒安装装置，其中，该活化气体产生器包含有第一气体产生器和/或第二气体产生器，该第一气体产生器设置在材料滴涂平台前侧，第二气体产生器设置在材料滴涂平台和晶粒安装平台之间。
8.如权利要求7所述的晶粒安装装置，其中，该第一气体产生器被操作来在衬底上至少将要滴涂一定数量的键合材料的位置处还原衬底上的氧化物，而第二气体产生器被操作来还原已经滴涂在衬底上的一定数量的键合材料上的氧化物。
9.如权利要求1所述的晶粒安装装置，其中，活化气体产生器设置在材料滴涂平台处。
10.如权利要求9所述的晶粒安装装置，其中，活化气体产生器被安装在设置于材料滴涂平台处的材料滴涂器上，活化气体产生器被操作来既引导激发的混合气体至少在衬底将要滴涂键合材料的局部处，又引导激发的混合气体在已经滴涂在衬底的所述局部的键合材料上。
11.如权利要求1所述的晶粒安装装置，其中，活化气体产生器包含有：用于产生电场的第一电极和第二电极、气体涡旋式喷嘴，该气体涡旋式喷嘴包含有多个气体涡旋式孔洞，以使得混合气体进行圆周分布的情形下旋转通过电场。
12.如权利要求11所述的晶粒安装装置，其中，第一电极包含有锥形的圆柱形电极，该圆柱形电极是导电的和凸伸的。
13.如权利要求12所述的晶粒安装装置，其中，在其最低点，锥形的圆柱形电极相邻于加热通道中的开口设置，该加热通道被操作来在各个平台处理期间容置衬底。
14.如权利要求12所述的晶粒安装装置，该装置还包含有：绝缘材料，其设置在锥形的圆柱形电极和活化气体产生器的固定器之间，该绝缘材料被极性化以提供电场。
15.如权利要求12所述的晶粒安装装置，其中，第二电极连接至交流电源上，其包含有用于活化气体产生器的固定器和/或加热通道封盖，该加热通道封盖用于封闭加热通道，该加热通道被操作来在各个平台处理衬底期间容置衬底。
16.如权利要求15所述的晶粒安装装置，其中，交流电源的频率是在10kHz至20MHz之间，电压是在100V至50kV之间。
17.如权利要求1所述的晶粒安装装置，其中，激发的混合气体被活化气体产生器所激励，以产生活性物质和/或活性基而还原氧化物。
18.如权利要求1所述的晶粒安装装置，其中，激发的混合气体包含有激发的氢物质，该氢物质被激发来形成类似等离子体颗粒，该类似等离子体颗粒包括原子、离子和放电氢。
19.一种用于将半导体晶粒安装在衬底上的方法，该衬底具有金属表面，该方法包含有以下步骤：
在加热通道封盖封闭的加热通道内传输衬底；
使用设于加热通道封盖开口上的活化气体产生器，将已经在大气压力下活化了的激发的混合气体通过加热通道封盖的开口直接喷射在衬底上，以还原衬底上的氧化物，其中，该活化气体产生器被操作来在大气压力下活化气体；
在材料滴涂平台处，将键合材料滴涂在衬底上；
在晶粒安装平台处，将半导体晶粒放置在已经滴涂在衬底的键合材料上。
20.一种制造电子器件的方法，该电子器件包括具有金属表面的衬底，该方法包含有以下步骤：
在加热通道封盖封闭的加热通道内传输衬底；
使用设于加热通道封盖开口上的活化气体产生器，将已经在大气压力下活化了的激发的混合气体通过加热通道封盖的开口直接喷射在衬底上，以还原衬底上的氧化物，其中，该活化气体产生器被操作来在大气压力下活化气体；
在材料滴涂平台处，将键合材料滴涂在衬底上；
在晶粒安装平台处，将半导体晶粒放置在已经滴涂在衬底的键合材料上。
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