TW201711119A - 熱壓接合器、熱壓接合器的操作方法以及在熱壓接合過程中利用橫向力測量值進行的水平校正動作 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種熱壓接合系統的操作方法。所述的操作方法係包括以下的步驟：(a)在與一熱壓接合操作相關聯的操作中，當一半導體元件的複數個第一導電結構與一基板的複數個第二導電結構接觸時，對所述半導體元件施加一第一程度的接合力；(b)對(i)部分的該等第一導電結構以及(ii)對應的部分該等第二導電結構之間的接觸相關的一橫向力進行測量；(c)根據步驟(b)中所測量的橫向力，決定即將要施加的一校正動作；以及，(d)施加在步驟(c)中決定的校正動作。

Description

熱壓接合器、熱壓接合器的操作方法以及在熱壓接合過程中利用 橫向力測量值進行的水平校正動作
本發明係關於半導體封裝中電性互聯的成形，更具體來說，係關於改良的熱壓接合系統以及操作該系統的方法。
在半導體封裝業界的某些態樣中，半導體元件係被接合至接合位置處。舉例來說，在習知的晶粒連接(亦被稱為晶粒接合)應用中，是將半導體晶粒接合至基板上的接合位置處(例如，引線架、堆疊晶粒應用、分隔物等)。在先進的封裝應用中，是將半導體元件(例如，裸晶粒、封裝的半導體晶粒等)接合至基板(例如，引線架、印刷電路板、載體、半導體晶圓、球格陣列(Ball Grid Array,BGA)基板等)的接合位置上。導電結構(例如，接觸線、導電凸塊、接觸墊片、焊料凸塊、導電柱、銅柱等)係提供半導體元件以及接合位置之間的電性互聯。
在許多的應用中(例如，半導體元件的熱壓接合)，焊接材料係被包含在導電結構之中。在此過程中，熱量係被施加至被接合的半導體元件上(例如，透過攜載有接合工具的接頭組件中的加熱器，及/或透過支持基板的支持結構)。半導體元件與基板的導電結構之間的錯位，在特定的熱壓接合操作中是一直都存在的難題。因此，該領域中需要一種能夠克服特定錯位問題之改良的熱壓接合系統的操作方法。
本發明係根據一示例性實施例提供了一種熱壓接合系統的操作方法。所述的操作方法係包括以下的步驟：(a)在與一熱壓接合操作相關聯的操作中，當一半導體元件的複數個第一導電結構與一基板的複數個第二導電結構接觸時，對所述半導體元件施加一第一程度的接合力；(b)對(i)部分的該等第一導電結構以及(ii)對應的部分該等第二導電結構之間的接觸相關的一橫向力進行測量；(c)根據步驟(b)中所測量的橫向力，決定即將要施加的一校正動作；以及，(d)施加在步驟(c)中決定的校正動作。
本發明係根據另一示例性實施例提供了另一種熱壓接合系統的操作方法。所述的操作方法係包括以下的步驟：(a)在一基板上的複數個接合位置中的每一個接合位置測量一橫向力，其中，所述的橫向力係關於(i)一半導體元件的部分的複數個第一導電結構以及(ii)所述基板的對應的部分複數個第二導電結構之間的接觸；以及(b)決定特定於該等接合位置的一校正動作，並且根據在步驟(a)中測量的橫向力施加所述的校正動作。
本發明係根據再一示例性實施例提供了一種熱壓接合器。熱壓接合器係包括：一支持結構，用於支持一基板；以及，一接頭，攜載有用於將一半導體元件接合至基板的一接合工具；其中，所述接頭與所述支持結構的至少其中之一係包括一力感測器，用於偵測與(i)所述半導體元件的部分的複數個第一導電結構以及(ii)所述基板的對應的部分複數個第二導電結構之間的接觸相關的一橫向力。
100‧‧‧熱壓接合器/接合器
102‧‧‧供應站
104‧‧‧接合檯/接合工作站
104a‧‧‧運動系統
104b‧‧‧支持結構
104c‧‧‧接合檯
106‧‧‧接頭組件
108‧‧‧運動系統
110‧‧‧上接頭
112、112’‧‧‧下接頭
112a‧‧‧基底結構
112b‧‧‧加熱器
112c‧‧‧接合工具
200‧‧‧半導體元件
202a、202b‧‧‧上導電結構
204a、204b‧‧‧導電柱
206a、206b‧‧‧焊料接觸部分
206a1、206b1‧‧‧焊料介面/焊料接觸部分
206a2、206b2‧‧‧焊料介面
210‧‧‧基板
210a1、210a2…210a4‧‧‧接合位置
210b1、210b2…210b4‧‧‧接合位置
210n1、210n2…210n4‧‧‧接合位置
212a、212b‧‧‧下導電結構
500-508‧‧‧步驟
800、802‧‧‧步驟
900‧‧‧力感測器
在參照下述附圖閱讀本說明書時，能夠最良好地理解本發明的內容。在此要強調的是，根據慣例，圖式中的各個特徵並非根據實際的比例繪製。相反地，圖式中各個特徵的大小係以清晰性為目標而任意地擴大或縮減。說明書中包含的附圖包括了下列的圖式： 第1圖為根據本發明一示例性實施例之包含一接頭組件的一熱壓接合器的一部分的方塊圖；第2A-2B圖為顯示在一熱壓接合操作中，導電結構之間的正確與不正確對位的方塊圖；第3A-3D圖為顯示在根據本發明一示例性實施例的一熱壓接合操作中，導電結構之間的電性互聯的一系列的方塊圖；第4A-4D圖為顯示在根據本發明一示例性實施例的熱壓接合操作中，一熱壓接合器的一部分的方塊圖；第5圖為顯示根據本發明一示例性實施例之熱壓接合器的操作方法的流程圖；第6A-6C圖為顯示在根據本發明一示例性實施例的熱壓接合操作中，一熱壓接合器的一部分的方塊圖；第7圖為根據本發明的各個示例性實施例，顯示包含有多個接合位置的一基板的頂部方塊圖；第8圖為顯示根據本發明的一示例性實施例之熱壓接合器的操作方法的流程圖；以及第9圖為顯示根據本發明的一示例性實施例之包含一力感測器的一熱壓接合器的一部分的方塊圖。
在本說明書中，「半導體元件」一詞係指任何包括(或者在之後的步驟中包括)半導體晶片或晶粒的結構。示例性的半導體元件係包括了一裸半導體晶粒、基板上的一半導體晶粒(例如，引線架、印刷電路板、載體、半導體晶片、半導體晶圓、球格陣列(Ball Grid Array,BGA)基板、半導體元件等)、一封裝半導體裝置、一倒裝晶片半導體裝置、嵌入在基板中的晶粒、堆疊的半導 體晶粒以及其他種類的半導體元件。此外，半導體元件可以包括被配置為接合在或者包含在半導體封裝中的元件(例如，中介層、接合於堆疊晶粒結構中的分隔物、基板等)。
在本說明書中，「基板」以及「工件」等用語係指任何得以讓半導體元件接合的結構(例如，熱壓接合等方式)。舉例來說，示例性的基板係包括了引線架、印刷電路板、載體、半導體晶片、半導體晶圓、BGA基板、半導體元件等。
在本說明書中，「校正動作」、「多個校正動作」以及「一或多個校正動作」為可替換的用語。舉例來說，「校正動作」一詞可以被應用在：單一結構的一個動作(例如，一接合工具的動作、一基板支持結構的動作等)；單一結構在相同或不同方向上的多個動作(例如，一接合工具的多個動作、一基板支持結構的多個動作等)；以及，多個結構的動作(例如，一接合工具的一個或多個動作以及一基板支持結構的一個多個動作等)。
根據特定的示例性實施例，本發明係關於半導體晶粒的熱壓接合，並且高度適用於將半導體晶粒熱壓接合至基板接觸線(例如，有機基板上的銅接觸線，或其他的材料等)。本發明亦具有許多其他的應用，舉例來說，將一半導體晶粒接合至另一半導體晶粒上(例如，晶粒堆疊)，或者將一半導體晶粒接合至一晶圓或中介層上(例如，矽、玻璃等)。
本發明中一種非常特定的應用，係包括將一半導體晶粒(包括晶粒上的銅柱，以及銅柱上的焊料蓋/接觸部分)熱壓接合至具有比晶粒上的銅柱直徑的尺寸更小的導電結構(例如，凸塊、接觸線等)之基板上。在這種應用中，初始設置(半導體晶粒以及基板之間的對位)的小量偏位也可能會造成在垂直壓合的過程中產生大量的橫向力。橫向力會在基板的導電結構上產生不良的應力，進而在導電結構與晶粒之間的介接位置造成損害，或者對晶粒的內層(例如介電層)造成損害，並且進一步產生其他的位置偏差。
為了減少此種初始設置中的誤差所造成的不良影 響，根據本發明的特定示例性實施例，可以將水平定位校正動作作為熱壓接合過程的一部分。在熱壓接合的成型過程中可能會出現橫向力。舉例來說，當被接合的基板上的第二導電結構(例如，導電接觸線、凸塊等)的尺寸小於或者大致相似於半導體元件上被接合的第一導電結構(例如，銅柱凸塊)的尺寸時，及/或在將第一導電結構放置到對應的第二導電結構上的過程中出現初始偏差時，便可能出現上述的橫向力。此種橫向力可以做為初始設置偏差的方向與大小的指示。根據本發明中特定的示例性態樣，首先係先對橫向力進行測量，接著再從所測量的橫向力計算一校正動作。在本發明中尤其特定且簡單的實施例中，橫向力的測量是在中間垂直力施加之後執行(例如，中間垂直力小於最終的垂直力)，並且接著施加校正動作，最後再接著施加最終垂直力。
請參照附圖，第1圖中顯示了示例性的熱壓接合器100。接合器100係包括具有上接頭110(舉例來說，由運動系統108沿著任何所需的軸線所驅動以在熱壓接合過程中提供接合力，例如，沿著垂直的Z軸驅動，或者沿著垂直的Z軸以及水平的X軸與Y軸的任何組合驅動)以及下接頭112/112’的接頭組件106。下接頭112/112’係被耦合於上接頭110。透過這種配置，上接頭110的各種運動會導致下接頭112/112’的對應運動。舉例來說，上述的運動可以由運動系統108所提供(例如，用於沿著期望的軸線移動接頭組件106的伺服控制線性馬達)。下接頭112/112’係包括基底結構112a(較佳地係包含用於在加工過程的冷卻階段中接收冷卻加熱器112b的液體的冷卻通道)、加熱器112b以及接合工具112c。熟知該領域的技術人士應當理解，加熱器112b可以為用於攜載並且用於接合半導體元件(未顯示於第1圖中)的加熱接合工具，因此，可以省略分離的接合工具112c。換言之，加熱器以及接合工具等用詞可以交換使用，且可以被整合於單一的元件之中，或者可以為多個分開的元件(如第1圖中的示例性實施例所示)。加熱器112b/接合工具112c係在一接合工作站104將一半導體元件接合至基板。接合工作站104係包括運動系統104a，用於 將接合工作站104的支持結構沿著一個以上的軸線移動。舉例來說，可以利用伺服控制線性馬達來提供沿著X軸、沿著Y軸、沿著X軸與Y軸等的運動。在直接選取與放置的實施例中，加熱器112b/接合工具112c可以從供應站102選擇一半導體元件(例如，半導體晶圓或者其他提供半導體元件的結構)，並且將該元件於接合工作站104接合至一基板。亦可以考慮在選擇工具與放置工具之間採用轉移(或者多次轉移)的實施例。
第2A圖-第2B圖中顯示了在一熱壓接合過程中的導電互聯結構的一部分。一上導電結構202a(包含在一晶粒上，未顯示於圖中)係包括一導電柱204a以及一焊料接觸部分206a(在第2A圖中已變形)。上導電結構202a係被接合至一基板的下導電結構212a(基板上也未顯示於第2A圖中)。在第2A圖中，上導電結構202a是正確地與下導電結構212a對齊，也因此並未顯示任何有問題的橫向力。相對地，在第2B圖中上導電結構202a並未正確地與下導電結構212a對齊。換句話說，如互聯的中間線的偏移所示，上導電結構202a係與下導電結構212a偏移(兩者並未正確對位)。這種情況會造成上文中所敘述的不良影響，即，橫向力會出現在與垂直接合力的軸線大致垂直的方向上。上述的橫向力的出現並不受到期望，其有可能會對晶粒及/或基板造成損壞，並且可能會將裝置朝側邊推動並且造成更進一步的定位偏差。
第3A圖-第3B圖(其結構與上文中針對第2A圖-第2B圖所述的結構類似)顯示了熱壓接合器的操作，該操作係涉及根據橫向力測量值執行橫向動作的應用。第3A圖顯示了在施加中等程度的垂直力之後(非完全程度的接合力)，上導電結構202a與下導電結構212a未正確對位的情形。亦即，如同互聯的中心線的偏移所示，上導電結構202a係與下導電結構212a偏移(兩者未正確對位)。在這個錯位的期間中，可以測量一橫向力，並且將其作為橫向偏差的方向與大小的指示。作為範例，上述的測量可以透過下列的方式來達成：(a)利用設置在接頭或支持結構中的一或多個力感測器(例如，應變計、力變換器、一個以上的負荷元件等)來達 成，例如第9圖中所顯示的力感測器900；及/或(b)對橫向馬達為了抵抗焊料變形產生的橫向力所施加的力量進行測量(舉例來說，藉由監控馬達的特性，例如驅動接頭及/或支持結構的馬達的馬達電流等特性)。根據上述的測量值：(1)計算可以克服所述橫向力(或者更可以過度補償)之合適的量的橫向動作(例如，校正動作)，藉此校正初始偏差；或者，(2)在測量橫向力之後，可以藉由施加更大的橫向力(例如，施加至上導電結構及/或下導電結構)來提供正確的對位，在此，上述的更大的橫向力可以產生校正動作。第3B圖-第3C圖中顯示了上述的校正動作的施加過程。在第3B圖中，顯示了與上導電結構202a以及下導電結構212a相關的橫向動作(由向左及向右的箭頭所示)。該領域中的技術人士應當理解，可以透過對應的運動系統(例如，第1圖中顯示的運動系統108、104a)來移動上導電結構與下導電結構。在校正動作施加完成後，接著在第3D圖中便可以施加完整的垂直力(例如，設計來進行熱壓接合操作的接合力)。
第4A圖中顯示了攜載有半導體元件200(例如、半導體晶粒)的接合工具112c(包含在下接頭112中)。上導電結構202a、202b(例如，各個導電結構係包括如銅柱的個別的導電柱204a、204b，以及對應焊料接觸部分206a、206b)係設置在半導體元件200上。如第4A圖所示，接合工具112c係被下降，以使得上導電結構202a、202b與基板210的接合位置210a1上的下導電結構212a、212b接觸(應當理解的是，一個基板可以包括有多個接合位置，用於接收多個半導體元件)。在第4A圖所顯示的範例中，基板210是由接合工作站支持，其中，接合工作站係包括位於一接合檯104c上的一支持結構104b(例如，特定應用的部件)。在第4B圖中，透過以中等程度的垂直(接合)力進行的熱壓接合操作，焊料接觸部分206a、206b係被局部重新塑形成為焊料介面206a1、206b1，藉以提供部分上導電結構202a、202b以及各個下導電結構212a、212b之間的導電耦接。如第4B圖中所示，這些上導電結構202a、202b與各個下導電結構212a、212b之間存在偏差。 在中間程度的接合力下，可以對橫向力進行測量，以作為橫向偏差的方向與大小的指示。上述的測量結果係被用來決定一或多個校正動作，並且根據所測量到的橫向力施加所述的校正動作。第4C圖中顯示了透過接合工具112c以及支持結構104b之中的至少其中之一的運動(例如，透過如第1圖中所顯示的運動系統108、104a等對應的運動系統來提供所述的運動)來施加校正動作的過程。在第4D圖中，在處於透過上述一或多個校正動作所獲得的正確的對位的情況下，可以施加完整的垂直(接合)力，藉此進一步將焊料接觸部分206a1、206b1重新塑形為塑形後的焊料介面206a2、206b2。雖然第4A圖-第4D圖中僅顯示了兩對導電結構，理所當然地，其僅是為了方便說明的簡單範例。實際上，可以設置有任何數量的導電結構對(例如，十對導電結構，上百對的導電結構等)。
第5圖中顯示了熱壓接合系統(例如，熱壓接合器)的操作方法的流程圖。在步驟500中，當半導體元件的第一導電結構與一基板的第二導電結構接觸時，對半導體元件施加一第一程度的接合力。舉例來說，在此所述的第一程度的接合力，係在第3A圖及第4B圖中所示以及參照該些圖式說明的接合力。在步驟502中，對(i)部分的該等第一導電結構以及(ii)對應的部分該等第二導電結構之間的接觸相關的一橫向力進行測量。舉例來說，在此步驟中的測量，可以在第3A圖及第4B圖中所示的位置進行。在步驟504中，根據步驟502中所測量的橫向力，決定即將要施加的一校正動作。在步驟506中，施加在步驟504中決定的校正動作。舉例來說，第3B圖與第4C圖中顯示了上述校正動作的過程(例如，參照指向橫向方向的箭頭)。在步驟508中，在步驟506施加校正動作之後，對半導體元件施加一第二程度的接合力。所述的第二程度的接合力具有大於第一程度的接合力的強度，並且，在本發明的某些特定實施例中，可以為完整的接合力。
第3A圖-第3D圖、第4A圖-第4D圖以及第5圖係關於針對在補償過程之前所測量的橫向力進行的即時主動補償(即，透過一或多個校正動作)。然而，本發明的各個態樣係關於在 事後施加的校正動作的事前決定過程。舉例來說，在針對包含有多個接合位置的基板進行接合的情況中，可以在生產過程之前針對各個接合位置決定特定的校正動作。接著，在生產過程的接合步驟中，可以施加合適的校正動作。此外，在利用預先決定的校正動作的接合過程中，可以利用在更新的封閉迴路校正動作中使用的合力數據，持續對橫向力進行測量。
第6A圖顯示了與第4A圖-第4D圖中的下接頭112(攜載半導體元件200)以及接合工作站104(支持基板210)相同的元件，且半導體元件200以及接合位置210a1之間具有相同的偏差。然而，在第6A圖中，已經預先決定了能夠克服上述偏差的一或多個校正動作(例如，利用上文中參照第3A圖-第3D圖、第4A圖-第4D圖以及第5圖所說明的方法)。因此，在第6B圖中，在對應的導電結構之間產生接觸前，可以先將接合工具112c及支持結構104b的其中之一移動，藉此克服上述的偏差。接著，在第6C圖中，便可以將接合工具112c下降，藉此將上導電結構202a、202b與對應的下導電結構212a、212b熱壓接合。
第7圖中顯示了基板210，其中，該基板包含了呈現為格狀配置之行與列的接合位置。可以透過上文中所述的方式決定特定於接合位置210a1、210a2等各個接合位置的校正動作。
第8圖中顯示了一種熱壓接合系統的操作方法。在步驟800中，在一基板上的複數個接合位置中的每一個接合位置測量一橫向力，其中，該橫向力係關於(i)一半導體元件的部分的複數個第一導電結構以及(ii)所述基板的對應的部分複數個第二導電結構之間的接觸。在步驟802中，決定特定於各個接合位置的一校正動作，並且基於在步驟800中測量的橫向力施加校正動作。
熟知該領域的技術人士應當了解，第8圖中顯示的方法(以及關於第6A圖-第6C圖以及第7圖所敘述的方法)可以被用於測量橫向力，並且用於決定在事後的設置過程中使用的校正動作。換言之，可以產生設置過程的校正「地圖」(或對應的數據)，該地圖包括與基板支持結構(例如，夾具)的各個接合位置相關的校 正動作。各個接合位置的校正動作可以藉由對各個接合位置進行一定數量之不同的橫向力測量來決定(例如，在如溫度、時間等相同或不同的條件下)，並且，接著再利用平均法或其他的數學公式來決定對應的校正動作。同時，該領域中的技術人士應當理解，可以在施加中間力或完整接合力的期間測量用於決定在事後接合時執行的校正動作的橫向力。
第9圖所示的元件與第4A圖-第4D圖中所顯示的元件以及參照該些圖式所說明的元件相同，其差異處僅在於在第9圖中，下接頭112是由下接頭112’所替換。下接頭112’包括了一力感測器900，用於偵測/測量與(i)半導體元件200的部分第一導電結構202a、202b以及(ii)基板210的對應的部分第二導電結構212a、212b之間的接觸相關的一橫向力。力感測器900可以具有數種的結構。在一個特定的結構中，力感測器900可具有一負荷元件。在另一範例中，力感測器可以具有複數個負荷元件(例如，三個負荷元件)。這種負荷元件一般是用來測量垂直力(Z軸上的力)，但對於測量在此所期望的橫向力方面也同樣有效。
因此，透過本發明在此所敘述的方法的應用，藉由在施加最終力量前施加校正的XY動作，熱壓接合過程中所產生的橫向力的最大程度會被大致地縮減。校正動作可以達到改善設置準確度以及減少橫向力的效果。
用於提供校正動作的運動系統可以為任何用來驅動接合工具(例如，透過接頭組件)及/或支持基板的支持結構的已知運動系統。舉例來說，此種運動系統可以包括伺服控制線性馬達。然而，應當理解的是，也可以設置具有用於提供校正動作之特定功能的運動系統。
雖然本發明的內容主要係關於提供大致水平(例如，沿著X軸及/或沿著Y軸)的校正動作，應當理解校正動作中也可以包含有垂直的分量，例如，根據所測量的橫向力的觀點來看。相同地，在給定的應用中，當需要時，在決定校正動作之前所測量的橫向力也可以具有垂直的分量，且在此的測量過程可以 透過或不透過本發明中所述的方法進行。
雖然本發明的圖式與說明係針對特定的實施例所描繪與敘述，但本發明的範疇不應受到說明與圖式中的細節所限制。相對地，在不脫離本發明所保護的範疇以及等同的範圍的條件下，可以對本發明做出各種改良。
500-508‧‧‧步驟

Claims (25)

  1. 一種熱壓接合系統的操作方法，包括以下步驟：(a)在與一熱壓接合操作相關聯的操作中當一半導體元件的複數個第一導電結構與一基板的複數個第二導電結構接觸時，對該半導體元件施加一第一程度的接合力；(b)對(i)部分該等第一導電結構以及(ii)對應的部分該等第二導電結構之間的接觸相關的一橫向力進行測量；(c)根據步驟(b)中所測量的該橫向力，決定即將要施加的一校正動作；(d)施加在步驟(c)中決定的該校正動作。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，進一步包括一步驟(e)：在步驟(d)之後對該半導體元件施加一第二程度的接合力，其中，該第二程度的接合力具有大於該第一程度的接合力的大小。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，在該步驟(b)中所測量的該橫向力，與部分該等第一導電結構及對應的部分該等第二導電結構之間的一位置偏差相關聯。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，施加該校正動作的步驟，包括利用適用於移動支持該基板的一支持結構的運動系統來移動該基板。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，施加該校正動作的步驟，包括利用適用於移動固定該半導體元件的一接合工具的運動系統來移動該半導體元件。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，施加該校正動作的步驟，包括利用適用於移動攜載有該半導體元件的一接頭的運動系統來移動該半導體元件。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，施加該校正動作的步驟，包括沿著至少一大致水平的方向移動該半導體元件以及該基板的至少其中之一。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，在該步驟(b)中測量的該橫向力，與部分該等第一導電結構及對應的部分該等第二導電結構之間的一水平位置偏差相關聯，並且，施加該校正動作的步驟，包括以大致等同於該水平位置偏差的量移動該半導體元件以及該基板的至少其中之一。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，在該步驟(b)中測量的該橫向力，與部分該等第一導電結構及對應的部分該等第二導電結構之間的一水平位置偏差相關聯，並且，施加該校正動作的步驟，包括以大於該水平位置偏差的量移動該半導體元件以及該基板的至少其中之一。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，施加該校正動作的步驟，包括利用攜載有該半導體元件的一接頭施加一預定橫向力。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，決定該校正動作的步驟，包括決定特定於該基板上用於接收該半導體元件的一接合位置的該校正動作。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，該步驟(b)係包括利用包含在該熱壓接合系統中的一接頭以及一支持結構的至少其中之一的一力感測器來測量該橫向力。
  13. 根據申請專利範圍第1項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，該步驟(b)係包括藉由測量用於移動該半導體元件以及該基板的至少其中之一的運動系統的至少一馬達的馬達電流來測量該橫向力。
  14. 一種熱壓接合系統的操作方法，包括以下步驟：(a)在一基板上的複數個接合位置中的每一個該接合位置測量一橫向力，其中，該橫向力係關於(i)一半導體元件的部分的複數個第一導電結構以及(ii)該基板的對應的部分複數個第二導電結構之間的接觸；以及(b)決定特定於該等接合位置的一校正動作，並且基於在該步驟(a)中測量的該橫向力施加該校正動作。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述之熱壓接合系統的操作方法，進一步包括下述的步驟：在測量該基板的各個該等接合位置的該橫向力之前，當各個該半導體元件的該等第一導電結構與該基板的該等第二導電結構接觸時，在該等接合位置中的各個該接合位置對各個該半導體元件施加一第一程度的接合力。
  16. 根據申請專利範圍第14項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，在該步驟(a)中測量的該橫向力，與部分該等第一導電結構及對應的部分該等第二導電結構之間的一位置偏差相關聯。
  17. 根據申請專利範圍第14項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，該校正動作包括利用適用於移動支持該基板的一支持結構的運動系統來移動該基板。
  18. 根據申請專利範圍第14項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，該校正動作包括利用適用於移動固定該半導體元件的一接合工具的運動系統來移動該半導體元件。
  19. 根據申請專利範圍第14項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，在該步驟(a)中測量的該橫向力，與部分該等第一導電結構及對應的部分該等第二導電結構之間的一水平位置偏差相關聯，並且，該校正動作係包括以大致等同於各個該等接合位置的該水平位置偏差的量移動該半導體元件以及該基板的至少其中之一。
  20. 根據申請專利範圍第14項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，在該步驟(a)中測量的該橫向力，與部分該等第一導電結構及對應的部分該等第二導電結構之間的一水平位置偏差相關聯，並且，該校正動作係包括以大於各個該等接合位置的該水平位置偏差的量移動該半導體元件以及該基板的至少其中之一。
  21. 根據申請專利範圍第14項所述之熱壓接合系統的操作方法，進一步包括透過利用攜載有該半導體元件的一接頭施加一預定橫向力，在各個該等接合位置施加該校正動作。
  22. 根據申請專利範圍第14項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，該步驟(a)係包括利用包含在該熱壓接合系統中的一接頭 以及一支持結構的至少其中之一的一力感測器來測量該橫向力。
  23. 根據申請專利範圍第14項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，該步驟(a)係包括藉由測量用於移動該半導體元件以及該基板的至少其中之一的運動系統的至少一馬達的馬達電流來測量該橫向力。
  24. 根據申請專利範圍第14項所述之熱壓接合系統的操作方法，其中，在該步驟(a)中測量的步驟係於複數個該基板上在各個該等接合位置處執行，並且，該步驟(b)係包括根據在重複執行的測量步驟中所測得的該橫向力，決定特定於各個該等接合位置的該校正動作。
  25. 一熱壓接合器，包括：一支持結構，用於支持一基板；以及一接頭，攜載有用於將一半導體元件接合至該基板的一接合工具；其中，該接頭與該支持結構的至少其中之一係包括一力感測器，用於偵測與(i)該半導體元件的部分的複數個第一導電結構以及(ii)該基板的對應的部分複數個第二導電結構之間的接觸相關的一橫向力。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9941189B2 (en) 2015-12-21 2018-04-10 International Business Machines Corporation Counter-flow expanding channels for enhanced two-phase heat removal
US9847275B2 (en) * 2015-12-21 2017-12-19 International Business Machines Corporation Distribution and stabilization of fluid flow for interlayer chip cooling
US11024595B2 (en) 2017-06-16 2021-06-01 Micron Technology, Inc. Thermocompression bond tips and related apparatus and methods
WO2019160796A1 (en) * 2018-02-14 2019-08-22 Kulicke And Soffa Industries, Inc. Methods of bonding semiconductor elements to a substrate, including use of a reducing gas, and related bonding machines
JP7207152B2 (ja) * 2019-05-16 2023-01-18 株式会社デンソー スリーブはんだ付け装置および電子装置の製造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0376236A (ja) * 1989-08-18 1991-04-02 Fujitsu Ltd ボンディング方法
NL1001532C1 (nl) * 1995-10-31 1997-05-02 Gerold Staudinger Inrichting voor het beproeven van verbindingen tussen een (electronisch) bouwelement en een van geleidende sporen voorziene drager.
JPH1062273A (ja) * 1996-08-15 1998-03-06 Nippon Seiko Kk 摩擦力測定装置
US7246430B2 (en) * 2003-06-03 2007-07-24 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Electronic component mounting apparatus and electronic component mounting method
US20070181653A1 (en) * 2006-02-08 2007-08-09 Michaelson Lynne M Magnetic alignment of integrated circuits to each other
US7849896B2 (en) * 2008-02-26 2010-12-14 Asm Assembly Automation Ltd Bondhead alignment tool for a bonding apparatus
JP5732631B2 (ja) * 2009-09-18 2015-06-10 ボンドテック株式会社 接合装置および接合方法
DE102010002453B4 (de) * 2010-02-26 2018-05-09 Globalfoundries Dresden Module One Limited Liability Company & Co. Kg Verfahren und Messystem zur Bewertung der Metallstapelintegrität in komplexen Halbleiterbauelementen durch mechanisches Verspannen von Chipkontakten
EP2653256A1 (en) * 2010-12-14 2013-10-23 Nissan Motor Co., Ltd Bonded object of electroconductive materials
JP6230270B2 (ja) * 2013-05-27 2017-11-15 東レエンジニアリング株式会社 実装方法および実装装置
US9093549B2 (en) * 2013-07-02 2015-07-28 Kulicke And Soffa Industries, Inc. Bond heads for thermocompression bonders, thermocompression bonders, and methods of operating the same

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