CH698844B1 - Vorrichtung zum Anpressen von auf einem Substrat angeordneten Halbleiterchips. - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum Anpressen von auf einem Substrat (1) angeordneten Halbleiterchips (2) umfasst eine Substratauflage (3) und ein relativ zur Substratauflage in einer vorbestimmten Bewegungsrichtung (4) bewegbares Werkzeug (5), das mehrere in Bewegungsrichtung des Werkzeugs verschiebbar gelagerte Anpressstempel (13) zum Anpressen der Halbleiterchips aufweist. Das Werkzeug weist eine mit Druckluft beaufschlagbare Druckkammer (10) auf. Alle Anpressstempel sind entlang einer Geraden (12) angeordnet. Jeder der Anpressstempel weist einen an seinem der Druckkammer zugewandten Ende einen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Werkzeugs und senkrecht zur genannten Geraden verlaufenden Balken (17) auf. Im Bereich zwischen der Druckkammer und den Anpressstempeln sind Kolben (14) angeordnet, die in Bewegungsrichtung des Werkzeugs verschiebbar sind. Die eine Seite der Kolben (14) ist dem in der Druckkammer herrschenden Druck ausgesetzt und die andere Seite liegt auf einem der Balken der Anpressstempel auf. Auf wenigstens einem der Balken liegen mindestens zwei der Kolben auf.

Description

  [0001]    Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anpressen von auf einem Substrat angeordneten Halbleiterchips der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

  

[0002]    Die Montage von Halbleiterchips erfolgt in vielen Fällen mittels eines Montageautomaten, der in der Fachwelt als Die Bonder bekannt ist. Solche Montageautomaten sind beispielsweise bekannt aus EP 923 111, EP 1 480 507 und WO 9 732 460. Die Halbleiterchips werden auf einer von einem Rahmen gehaltenen Folie auf einem Wafertisch bereitgestellt und dann mittels eines Epoxy Klebstoffes oder eines Tapes auf ein Substrat geklebt. Solche Tapes sind in der Regel nicht klebrig. Sie entwickeln ihre Haftfähigkeit erst im Verlaufe des Montageprozesses unter dem Einfluss von Druck und Wärme. Der Wafertisch wird taktweise verschoben, so dass ein Halbleiterchip nach dem anderen an einem ersten Ort bereitgestellt wird.

   Der bereitgestellte Halbleiterchip wird dann vom Bondkopf des Montageautomaten aufgenommen, auf einem Substrat platziert und während einer vorbestimmten Zeitdauer [tau] gegen das Substrat gepresst. Anschliessend werden die Substrate mit den aufgeklebten Halbleiterchips in einem Ofen einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, um den Klebstoff auszuhärten. Die Zeitdauer [tau], die nötig ist, um eine optimale Klebstoffschicht zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat auszubilden, hängt von verschiedenen Faktoren ab, nimmt jedoch mit zunehmender Grösse des Halbleiterchips zu. Je länger die benötigte Zeitdauer [tau] ist, desto länger wird der Montagezyklus und somit desto geringer der Durchsatz des Montageautomaten.

   Es wurden deshalb Montageverfahren entwickelt, bei denen die exakte Platzierung der Halbleiterchips auf dem Substrat und die endgültige Verbindung unter hohem Druck und bei hoher Temperatur nicht mehr in einem Schritt an einer einzigen Prozessstation, sondern in getrennten Schritten an zwei Prozessstationen erfolgen. Solche Verfahren sind bekannt aus JP 11 121 532, EP 1 030 349 und EP 1 204 137.

  

[0003]    Bei der JP 11-121 532 können mit einem einzigen Werkzeug gleichzeitig mehrere auf einem Substrat angeordnete elektronische Bauteile unterschiedlicher Bauart angepresst werden. Das Werkzeug verfügt zu diesem Zweck über mehrere einzelne Anpressstempel, welche in Anpressrichtung verschiebbar in einer Führung gelagert sind und von denen jedes individuell mit einem separat ansteuerbaren Hydraulik- oder Pneumatikzylinder beaufschlagbar ist.

  

[0004]    Bei der EP 1 030 349 sind mehrere Anpressstempel in Anpressrichtung verschiebbar in einem Werkzeug gelagert. Die Anpresskraft wird über eine auf einer Flüssigkeit gelagerte Membrane, d.h. mit hydrostatischem Druck, auf die Anpressstempel übertragen.

  

[0005]    Das Verfahren der EP 1 204 137 ist nur für spezifische Anwendungen geeignet, nämlich für die Montage von so genannten Flipchips auf einem flexiblen Substrat.

  

[0006]    Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Anpressen von auf einem Substrat angeordneten Halbleiterchips zu entwickeln, bei der die Kraft für das Anpressen der Halbleiterchips pneumatisch übertragen wird, wobei die Druckquelle im Maximum 4 bar liefern muss.

  

[0007]    Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

  

[0008]    Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Anpressen von auf einem Substrat angeordneten Halbleiterchips umfasst eine Substratauflage und ein relativ zur Substratauflage in einer vorbestimmten Bewegungsrichtung bewegbares Werkzeug, das mehrere in Bewegungsrichtung des Werkzeugs verschiebbar gelagerte Anpressstempel zum Anpressen der Halbleiterchips aufweist. Das Werkzeug weist eine mit Druckluft beaufschlagbare Druckkammer auf. Alle Anpressstempel sind entlang einer Geraden angeordnet. Jeder der Anpressstempel weist einen an seinem der Druckkammer zugewandten Ende einen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Werkzeugs und senkrecht zur genannten Geraden verlaufenden Balken auf. Im Bereich zwischen der Druckkammer und den Anpressstempeln sind Kolben angeordnet, die in Bewegungsrichtung des Werkzeugs verschiebbar sind.

   Die eine Seite der Kolben ist dem in der Druckkammer herrschenden Druck ausgesetzt und die andere Seite liegt auf einem der Balken der Anpressstempel auf. Auf wenigstens einem der Balken liegen mindestens zwei der Kolben auf. Mit dieser Lösung kann die von den Kolben über die Balken auf die Anpressstempel ausgeübte Kraft pneumatisch erzeugt werden, trotz des meistens geringen Abstands zwischen benachbarten Halbleiterchips.

  

[0009]    Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren sind nicht massstäblich gezeichnet.
<tb>Fig. 1<sep>zeigt in einem ersten Schnitt eine Vorrichtung zum Anpressen von auf einem Substrat angeordneten Halbleiterchips,


  <tb>Fig. 2<sep>zeigt die Vorrichtung in einem zweiten Schritt, der senkrecht zum Schnitt der Fig. 1verläuft,


  <tb>Fig. 3 und 4<sep>zeigen die Vorrichtung in perspektivischer Ansicht, und


  <tb>Fig. 5 bis 7<sep>zeigen gewisse Details der Vorrichtung.

  

[0010]    Die Fig. 1 zeigt in seitlicher Ansicht die für das Verständnis der Erfindung nötigen Teile einer Vorrichtung zum Anpressen von auf einem Substrat 1 angeordneten Halbleiterchips 2. Die Vorrichtung umfasst eine Substratauflage 3 und ein relativ zur Substratauflage 3 in einer vorbestimmten Bewegungsrichtung 4 bewegbares Werkzeug 5. Bei diesem Beispiel ist die Substratauflage 3 stationär angeordnet und das Werkzeug 5 gegen die Substratauflage 3 hin bewegbar. Alternativ könnte jedoch das Werkzeug 5 stationär angeordnet und die Substratauflage 3 gegen das Werkzeug 5 hin bewegbar sein. Die Substrate 1 werden taktweise von einer nicht dargestellten Transportvorrichtung in einer durch einen Pfeil dargestellten Transportrichtung 6 zur Substratauflage 3 transportiert.

   Das Werkzeug 5 besteht im Wesentlichen aus einem Deckstück 7, einem Mittelstück 8 und einem Kopfstück 9, die durch Wände bzw. Distanzhalter miteinander verbunden sind, wobei zwischen dem Deckstück 7 und dem Mittelstück 8 eine mit Druckluft beaufschlagbare Druckkammer 10 und zwischen dem Mittelstück 8 und dem Kopfstück 9 eine geschlossene oder zur Umgebung hin druckmässig offene Kammer 11 gebildet ist. Das Kopfstück 9 weist mehrere in Bewegungsrichtung 4 des Werkzeugs 5 verschiebbar gelagerte Anpressstempel 13 zum Anpressen der Halbleiterchips 2 an das Substrat 1 auf. Alle Anpressstempel 13 sind nebeneinander entlang einer Geraden 12 angeordnet. Die Gerade 12 verläuft bei diesem Beispiel senkrecht zur Transportrichtung 6 der Substrate 1 und senkrecht zur Bewegungsrichtung 4 des Werkzeugs 5, deshalb ist in der Fig. 1 nur ein einziger Anpressstempel 13 sichtbar.

   Das Mittelstück 8 weist mehrere Kolben 14 auf, die in Bewegungsrichtung 4 des Werkzeugs 5 verschiebbar gelagert sind. Jeder der Anpressstempel 13 umfasst einen Schaft 15, dessen eines Ende als Pressfläche ausgebildet ist oder an dessen einem Ende wie dargestellt ein Presskopf 16 befestigt ist. Der Presskopf 16 ist vorzugsweise so befestigt, dass er um zwei senkrecht zur Bewegungsrichtung 4 des Anpressstempels 13 verlaufende Achsen drehbar ist, damit er sich beim Anpressen des Halbleiterchips 2 selbsttätig an eine allfällige Schräglage des Halbleiterchips 2 anpasst. An dem der Druckkammer 10 zugewandten Ende des Schafts 15 ist ein senkrecht zur Bewegungsrichtung 4 des Werkzeugs 5 und senkrecht zur genannten Geraden 12 verlaufender Balken 17 befestigt. Die Balken 17 aller Anpressstempel 13 verlaufen bei diesem Beispiel somit parallel zur Transportrichtung der Substrate 1.

   Das eine Ende der Kolben 14 ist dem in der Druckkammer 10 herrschenden Druck ausgesetzt, das andere Ende der Kolben 14 liegt auf einem der Balken 17 auf. Auf mindestens einem der Balken 17 liegen mindestens zwei der Kolben 14 auf. Somit ist jedem Anpressstempel 13 mindestens ein Kolben 14 zugeordnet, der den in der Druckkammer 10 herrschenden Druck auf den zugeordneten Anpressstempel 13 überträgt.

  

[0011]    Die Fig. 2 zeigt die Vorrichtung in einem Schnitt entlang der Linie I-I der Fig. 1. Die Fig. 1 ihrerseits zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 2. Die Vorrichtung enthält bei diesem Beispiel drei Anpressstempel 13, die in der Schnittzeichnung der Fig. 2 zusammen mit ihren Balken 17 sichtbar sind. Dafür ist aber nur ein Kolben 14 pro Anpressstempel 13 sichtbar. Die Vorrichtung kann auch mehr als drei Anpressstempel 13 enthalten.

  

[0012]    Die Balken 17 der Anpressstempel 13 befinden sich in der Kammer 11, in der vorzugsweise der gleiche Druck wie in der Umgebung herrscht. Die Kolben 14 dichten die Kammer 11 gegen die Druckkammer 10 ab. Die Kolben 14 bestehen vorzugsweise aus Stahl. Der verwendete Stahl sollte gute Gleiteigenschaften haben. Andererseits können die Kolben 14 aus einem beliebigen Stahl gefertigt sein, wenn ihre Oberfläche mit einer Schicht aus einem Material mit guten Gleiteigenschaften beschichtet ist, beispielsweise einer sogenannten DLC (diamond like coating) Beschichtung oder einer MoS2 Beschichtung. Eine geeignete DLC Beschichtung ist unter der Handelsmarke Balinit<(R)> bekannt. Im Kopfstück 9 sind Heizpatronen 18 integriert, vorzugsweise zwei, die beidseitig der Schafte 15 der Anpressstempel 13 untergebracht sind.

   Die Heizpatronen 18 dienen dazu, die Anpressstempel 13 auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhitzen.

  

[0013]    Die Fig. 3 und 4 zeigen perspektivische Ansichten der Hälfte des Werkzeugs 5, wobei das Werkzeug 5 jeweils in der Mitte aufgeschnitten ist. Die Fig. 3 veranschaulicht den in der Fig. 1 dargestellten Sachverhalt, die Fig. 4veranschaulicht den in der Fig. 2dargestellten Sachverhalt. Die Kolben 14 sind, wie in den Fig. 3und 4 dargestellt, auf der dem Balken 17 zugewandten Seite bevorzugt abgerundet, damit die Berührungsfläche zwischen dem Kolben 14 und dem Balken 17 relativ klein ist, nämlich annähernd eine Punktauflage. Auf diese Weise wird erreicht, dass wenig Wärme von den heissen Anpressstempeln 13 auf die Kolben 14 übertragen wird.

   Eine zusätzliche Kühlung der Kolben 14 ergibt sich dadurch, dass aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem in der Druckkammer 10 herrschenden Überdruck und dem in der Kammer 11 herrschenden Druck immer etwas Luft durch den Luftspalt zwischen dem Werkzeug 5 und dem Kolben 14 strömt. Die Leckrate ist nämlich nicht null. Damit die im Mittelstück 8 gelagerten Kolben 14 auch bei unterschiedlichen Arbeitstemperaturen des Kopfstücks 9 des Werkzeugs 5 immer gut hin und her gleiten können, sollten die Ausdehnungskoeffizienten des für das Mittelstück 8 verwendeten Materials und des für die Kolben 14 verwendeten Materials möglichst gleich gross sein.

   Um die Übertragung von Wärme vom Kopfstück 9 auf das Mittelstück 8 so weit als möglich zu erschweren, sind die die Kammer 11 begrenzenden Wände mit Vorteil mit Ausnehmungen versehen, so dass sie mit dem Prozesskopf 16 nur eine Dreipunktauflage bilden, und aus einem Material gefertigt, das Wärme schlecht leitet, beispielsweise aus Keramik.

  

[0014]    Die Vorrichtung eignet sich zum Anpressen von Halbleiterchips 2 auf ein Substrat 1, die in senkrecht zur Transportrichtung 6 der Substrate verlaufenden Kolonnen angeordnet sind. Jede Kolonne enthält eine vorgegebene Anzahl an Halbleiterchips 2 und die Vorrichtung eine gleiche Anzahl an Anpressstempeln 13. Die Vorrichtung wird insbesondere verwendet, wenn die Halbleiterchips mittels eines Tapes auf dem Substrat befestigt werden. Das Werkzeug 5 wird relativ zur Substratauflage 3 bewegt, wobei bei diesem Beispiel die Substratauflage 3 stationär angeordnet ist. Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist wie folgt:
<tb>1.<sep>Das Werkzeug 5 befindet sich in einer angehobenen Position. Die Druckkammer 10 ist mit einem vorbestimmten Druck beaufschlagt.

   Der in der Druckkammer 10 herrschende Druck drückt die Kolben 14 gegen die Balken 17, so dass die Balken 17 auf dem Kopfstück 9 aufliegen. Das Kopfstück 9 ist auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt.


  <tb>2.<sep>Das Substrat wird in Transportrichtung 6 vorgeschoben, so dass sich eine Kolonne mit Halbleiterchips 2 auf der Substratauflage 3 unterhalb der Anpressstempel 13 befindet.


  <tb>3.<sep>Das Werkzeug 5 wird in Bewegungsrichtung 4 abgesenkt, so dass es sich in einer abgesenkten Position befindet. Diese Position ist so gewählt, dass die Anpressstempel 13 auf den Halbleiterchips 2 zur Auflage kommen und dass alle Anpressstempel 13 nach oben ausgelenkt werden. Die Balken 17 liegen nun nicht mehr auf dem Kopfstück 9 auf. Der in der Druckkammer 10 herrschende Druck wird über die Kolben 14 auf die Anpressstempel 13 übertragen. Somit drückt jeder Anpressstempel 13 mit der gleichen Kraft F auf den entsprechenden Halbleiterchip 2. Die Kraft F ist proportional zur Summe der Querschnittsflächen derjenigen Kolben 14, die auf den gleichen Balken 17 drücken, und proportional zur Druckdifferenz p1-p2zwischen dem in der Druckkammer 10 herrschenden Druck p1 und dem in der Kammer 11 herrschenden Druck p2.

  

[0015]    Die Fig. 5 bis 7 zeigen in Aufsicht die Balken 17 von drei Anpressstempeln 13 und die auf die Balken 17 einwirkenden Kolben 14 in drei verschiedene Varianten. Bei der Variante 1 der Fig. 5wirken auf jeden Balken 17 drei Kolben 14 ein und alle Kolben 14 haben die gleiche Querschnittsfläche. Bei der Variante 2 der Fig. 6wirken auf die äusseren Balken 17.1 drei Kolben 14.1 ein, deren Querschnittsfläche den Wert A1 hat. Auf den mittleren Balken 17.2 wirken zwei Kolben 14.2 ein, deren Querschnittsfläche den Wert A2 hat und die gegenüber den auf die äusseren Balken 17.1 einwirkenden Kolben 14.1 versetzt angeordnet sind. Dabei gilt 3*A1 = 2*A2, damit auf alle Balken 17.1 und 17.2 die gleiche Kraft ausgeübt wird. Bei der Variante 3 der Fig. 7 wirken auf die äusseren Balken 17.1 zwei Kolben 14.1 ein, deren Querschnittsfläche den Wert A1 hat.

   Auf den mittleren Balken 17.2 wirkt ein Kolben 14.2 ein, dessen Querschnittsfläche den Wert A2hat und der gegenüber den auf die äusseren Balken 17.1 einwirkenden Kolben 14.1 versetzt angeordnet ist. Dabei gilt 2*A1 = A2. Die beiden Varianten 2 und 3 ermöglichen es, den Abstand D2 bzw. D3zwischen benachbarten Balken 17 gegenüber dem Abstand D1 der Variante 1 zu reduzieren.

  

[0016]    Die Vorrichtung kann auch zum Anpressen von Halbleiterchips 2 auf ein Substrat 1 benutzt werden, die in einer parallel zur Transportrichtung 6 der Substrate verlaufenden Linie angeordnet sind. Dazu ist das Werkzeug gegenüber dem vorhergehenden Beispiel um 90[deg.] um die Bewegungsrichtung 4 zu drehen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Anpressen von auf einem Substrat (1) angeordneten Halbleiterchips (2), mit einer Substratauflage (3) und mit einem relativ zur Substratauflage in einer vorbestimmten Bewegungsrichtung (4) bewegbaren Werkzeug (5), wobei das Werkzeug mehrere in Bewegungsrichtung des Werkzeugs verschiebbar gelagerte Anpressstempel (13) zum Anpressen der Halbleiterchips aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine mit Druckluft beaufschlagbare Druckkammer (10) aufweist, dass alle Anpressstempel entlang einer Geraden (12) angeordnet sind, dass jeder der Anpressstempel an einem der Druckkammer zugewandten Ende einen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Werkzeugs und senkrecht zur genannten Geraden verlaufenden Balken (17) aufweist, dass im Bereich zwischen der Druckkammer und den Anpressstempeln Kolben (14) angeordnet sind, die in Bewegungsrichtung des Werkzeugs verschiebbar sind,

deren eine Seite dem in der Druckkammer herrschenden Druck ausgesetzt ist und deren andere Seite auf einem der Balken der Anpressstempel aufliegt, wobei auf wenigstens einem der Balken mindestens zwei der Kolben aufliegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (14) auf der den Balken (17) zugewandten Seite abgerundet sind.