CN100383911C - 用于减少电子器件氧化的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于减少半导体器件加热时氧化反应的系统，如在导线键合过程中。其提供有固定器件，用于将该半导体器件固定于平台上。该固定器件包含有：开口，用于提供通向该半导体器件将被加热的区域的通道；空腔，其和该开口相连。和该空腔进行流动传送的气体入口向该空腔提供惰性气体，藉此以通过该空腔传送惰性气体到该开口以及减少半导体器件的氧化。

Description

用于减少电子器件氧化的系统
技术领域
本发明涉及一种在半导体封装件装配过程中使得电子器件的氧化减到最少的装置和方法，该电子器件由特定的活性金属制成，如引线框架或者其他载体(carriers)。本发明尤其可用于使用铜或者铜合金引线框的超声波导线连接，也可以广泛应用于其它领域。
背景技术
半导体引线框架用做制造特定半导体封装件的基底，一般地说，引线框是由铁合金制造的。然而，随着对高性能小型化封装的不断需求，更多的活性金属特别是铜合金引线框越来越广泛应用于半导体封装。这些铜合金引线框比铁合金引线框具有更大诱惑力的原因是由于其具有良好的散热性、良好的加工性和低成本的因素。另一方面，铜合金的缺点是当在高温空气下暴露于氧中时易于氧化(即，铜与氧反应生成氧化铜)。这种氧化导致氧与引线框表面上的原子形成弱的键连接，和脆性层和/或不良的吸附氧化物。这样，氧化导致了微电子封装的可靠性问题。
在典型的半导体封装过程中，导线键合(接合)时的氧化问题更加敏锐，其中导电键合导线被键合到半导体晶粒和引线框的接触表面以在二者之间建立电气连接。通常利用超声波转换器(ultrasonictransducer)产生具有外部压力的机械振动来键合导线到半导体晶粒和引线框的表面，来完成键合。然而，在此过程中产生的热会氧化引线框的表面，形成假粘或不可靠键合。因此，导线键合过程中的氧化应当被避免或减轻。
典型的导线键合机采用窗口夹具，其通常设计成矩形，便于牢固地夹住引线框到顶板上。防止引线框氧化的工业上的方法是导入大量的惰性气体，一般为氮气，到引线框架，多种设备应用于此。在一典型的设备中，引线框架的一部分面积被夹具的本体覆盖而得到相对较好的防氧化保护，在窗口夹具本体的作为键合区的部分留下开口。键合区暴露在环境中，易发生氧化。
一种导入氮气的方法是相邻于键合区设置有一个或多个喷嘴，以喷吹氮气到键合区(附图1)。键合区周围环境中的氮气可以避免在高的键合温度下引线框发生氧化反应。但是喷嘴的使用，在喷嘴开口周围产生负压，而向喷嘴开口处吸收空气。几分钟后，由于从大气中吸入的氧与所排出氮气的混合，削弱了喷嘴的作用。
另一种导入氮气的方法是专利号为5,265,788、发明名称为“具有防氧化装置的键合机”所公开的美国专利。其所描述的防氧化组件由两根导管组成，该导管安装于键合平台上。该两根导管形成有排气孔，并且其终端由一块体所封闭以防止向导管供给气体的回流。因此，在键合平台上所放置的加工件周围产生了均衡的气体，而防止了该加工件的氧化。但是，由于上述排气孔周围存在负压，如上所述，因此氧气从空气中被吸入以致降低了该组件的有效性。
再一种导入氮气的方法是在顶板上设有一个或多个气体鼓送出口(gas blower outlets)，顶板上放置引线框架以便气体喷射到键合区(附图2)。这种方法的缺点是制造商很难制造一个带有许多作为氮气出口的小孔的顶板，需要牢记的是顶板的表面必须绝对平坦，以便在其上能够有效地完成导线键合。
这种设计也有围绕顶板出口产生负压的问题。过一段时间，负压引起空气中的氧被吸入到开口，与氮气相混合，而减轻保护的有效性。另外，应当引起注意的是这种方法仅在引线框的表面自身具有让气体进入导线夹具内的键合区的通孔时，才发挥作用。如果没有这样的通孔，此种方法无效。
又一种方法是利用一个移动盖子，与第一种方法和/或第二种方法结合(图3)，其目的是尽可能地防止氮气从键合区跑掉。该移动盖子具有让作为键合部件的毛细管伸到键合区的通孔。但是，导线键合机附件(特别是导线键合机的键合头)的增加，影响了键合机的键合效率。盖子也影响引线框键合时操作者的视线，例如当键合导线断开时，无法接近键合区。当键合区大时，盖子的尺寸也太大。另外当导线夹具移开来释放引线框时，会发生导线夹具碰撞移动盖子的险情。
发明内容
因此，本发明的目的是在键合过程中使得引入惰性气体到半导体器件的气体出口周围形成的负压最小。
根据本发明的第一方面，提供一种用于减少半导体器件氧化的系统，包括：固定器件，用于将该半导体器件固定于平台上，其包含有位于该固定器件上的开口以用于提供通向该半导体器件将被加热的区域的通道；空腔，其和该开口直接邻接；以及气体入口，其和该空腔进行流动传送以向该空腔提供惰性气体，藉此以通过该空腔传送惰性气体到该开口。
根据本发明的第二方面，提供一种用于减少半导体器件氧化的方法，包括以下步骤：利用固定器件将该半导体器件固定于平台上，该固定器件包含有开口；在该半导体器件将被加热的区域上方定位该固定器件的开口，以提供通向那里的通道；提供和该开口直接邻接的空腔；将惰性气体提供给该空腔；以及通过该空腔传送惰性气体到该开口。
参阅描述本发明的实施例的附图，来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
本发明相应系统和方法的一个实施例现结合下述的附图说明如下，其中：
附图1是现有技术的第一个例子，为氮气通过窗口夹具中的喷嘴被导入到引线框的键合区的截面图；
附图2是现有技术的第二个例子，为氮气通过携带引线框的顶板上的气体出口被导入到键合区的截面图；
附图3是现有技术的第三个例子，为移动盖子位于窗口夹具的上方以将氮气保持在键合区防止其跑掉的截面图；
附图4是根据本发明的第一实施例，为用于导入氮气到键合区的系统的截面图；
附图5是根据本发明的第二实施例，为用于导入氮气到键合区的系统的截面图。
具体实施方式
参见附图所示，相同的部件采用相同标记。图1是根据现有技术的第一个例子所述的惰性气体在本案中为氮气(N2)，通过一个窗口夹具106中的喷嘴108被导入到引线框104的键合区100的截面图。附着在引线框104上的晶粒102完全位于窗口夹具106的开口的中心部位，以完成导线键合，而实现晶粒102与引线框104的电接触连接。
当导线键合工序进行时，氮气通过喷嘴108被泵压到键合区100，让氮气在键合区域充满环境，从而在焊接过程中保护引线框不被氧化。然而，由于喷嘴的缘故，将在喷嘴108的开口附近产生低压，这样来自大气中的氧气(O2)被吸入并与氮气相混合。结果，通过将氮气压缩到键合区域以防止氧化的效果被减弱。
附图2是现有技术的第二个例子，为氮气通过携带引线框104的顶板110上的气体出口112被导入到键合区100的截面图。在该设计中，氮气从引线框104的下面导入，这仅在引线框104上具有允许氮气通过并导入到键合区100的开口时才是适用的。
除此之外，向键合区100中吹入氮气，氮气也可通过第二开口116被吹到引线框104的、位于窗口夹具106和在键合区100之外的顶板110之间的区域114，即使由于区域114很少暴露在大气中而使得这些区域114不是苛求的。这样其它装置可以单独用于导入氮气到区域114。
尽管这样，在此设计中喷嘴效应依然发生，氧被吸入到该出口进入键合区100，因而减弱了装置的有效性。
附图3是现有技术的第三个例子，为移动盖子120位于窗口夹具106的上方以将氮气保持在键合区100内防止其跑掉的截面图。移动盖子120具有通孔122，该通孔让携带有键合导线的毛细管124穿过该移动盖子120。当进行导线键合操作时，一个熄火部件(flame-off device)126产生电火花形成一个焊球键合(ball bond)。移动盖子120装配于导线键合机的焊头上，以便与焊头一起移动。一个光学部件128用于形状识别(PR：Pattern Recognition)。氮气通过喷嘴入口112通向顶板110上的出口以及气体的第二入口116被导入键合区100。
附图4是根据本发明的第一实施例，为用于将惰性气体，如氮气导入到开口17的系统10的截面图，该开口通向键合区。一半导体器件，如装载有晶粒18的引线框12的形式，被放置于引线键合机的平台或者顶板14上。该顶板14包含有加热元件以提升引线框12的温度。将以窗口夹具16形式存在的固定器件夹住引线框12以将其固定在顶板14上。该窗口夹具16的开口17位于引线框的上方以提供通道到该键合区，在此通过由顶板14加热以及通过由导线键合操作进行超声波焊接来将引线框12加热。这样，包含有晶粒18和部分引线框12的键合区被显露以用于导线键合。
该窗口夹具16构造有空腔22(cavity)和出口，该空腔和该开口17相连，该出口将该空腔22和开口17相连。一盖体20被用在该窗口夹具16的上表面上，以封盖该空腔22和限制其在包含氧气(O2)的普通大气中的暴露。该盖体也用来将氮气引向该开口17，如下所述。
该窗口夹具16内部也包含有很多管道24以将氮气导入到该空腔22中。它们的如此设计以便于在氮气通过空腔22之后被传送到该开口17中。当氮气从该窗口夹具16外部的气源引入时，其通过该窗口夹具16内的气体入口26流入。该气体入口26、空腔22和开口17相互之间处于流动传送。更加优越的是将由管道24提供的氮气引导离开该连接空腔22和开口17的出口。因此，氮气不是直接喷吹于开口17中，以便于减少在引线框12周围所产生的负压。在本设计中，氮气供应是对准于该盖体20，该盖体然后将氮气转入该开口17中。在所说明的本设计中，该空腔22的截面面积完全大于该管道(conduit)24的截面面积，以便于降低从空腔22引入开口17中时的氮气压力，其是和从管道24引入空腔22中时的氮气压力相比较。
在该窗口夹具16的底面位于该窗口夹具16和顶板14或平台之间存在一凹部(hollow space)28。该凹部28接收来自该气体入口26的氮气，并用于将氮气通过管道24导引入空腔22。另外，凹部28同时也将氮气分配给开口17之外引线框12上的其他部位，以致引线框12的这些部位避免氧化。在凹部28远离键合区17的一端，该凹部28可直接通向普通大气之外。
在气体入口26的气体供应和开口17中间使用该空腔22的一个优点是：当氮气被引入开口17的时候，其在大面积区域上有利于提供氮气的均匀分配。已经查明其有效地降低了出口区域周围的负压，氮气通过该出口区域被引入开口17从而引入键合区，而可引起负压的管道24设置于更远离普通大气的位置。依此，由于消除了氧气和氮气相混合的难题，在导线键合时防止引线框12氧化的氮气效力被提高。
附图5是根据本发明的第二实施例，为用于导入氮气到开口17的系统30的截面图，该开口通向键合区。在本实施例中，引线框12再一次放置于顶板32的顶部，同时窗口夹具34夹紧在引线框12上以将其固定。晶粒18和引线框12的一部分被显露在键合区以进行导线键合。但是，和第一实施例的不同之处在于：氮气是从顶板32上形成的气体通道36被引入的。该气体通道36和氮气气源相连接。为了实施本实施例，该引线框12最好应该具有通孔，以使得氮气从顶板32流向引线框12的顶面或键合表面。
本实施例所述的窗口夹具34同时形成有一空腔22，其和通向键合区的开口17相连通，气体管道24形成于该窗口夹具34内并从该窗口夹具34内部通向空腔22。该空腔22由一盖体20所封盖，该盖体放置于该窗口夹具34的顶面上方。在该窗口夹具34的底面位于该窗口夹具34和顶板32或平台之间存在一凹部28。该凹部28和开口17相连接。来自该气体通道36的氮气流入该凹部28，并向键合区和开口17分散开来，以及在相对的一端通向该窗口夹具34之外的普通大气。
向该开口17散布的一部分氮气直接地流动穿越到该开口17，另一部分氮气通过连接空腔22和凹部28的气体管道24被引导入空腔22。氮气从该空腔22中向开口17和键合区传送。
该第一实施例和第二实施例可以合并使用，这样同时通过窗口夹具16和顶板14将氮气引入。和现有技术相比，本较佳实施例所描述的不同方法有助于更长时间地降低氧化反应。
使用本发明上述的实施例，可以发现，由于输送氮气的气体喷嘴或者管道引起键合区附近产生负压的问题得到了缓和。因此，该系统减少待键合器件上氧化反应的能力得到了显著的提高。
本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和补充，可以理解的是所有这些变化、修正和补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (11)

1.一种用于减少半导体器件氧化的系统，包括：
固定器件，用于将该半导体器件的引线框固定于平台上，该固定器件包含有开口以提供由键合部件通向该半导体器件将被加热的区域的通道；
该固定器件还包含有盖体，该盖体封盖了形成于该固定器件中的空腔，该空腔与该开口直接邻接；
气体入口，其和该空腔与开口进行流动传送以提供惰性气体；以及
该固定器件还包含有连接该气体入口和该空腔的管道，该管道的截面面积小于该空腔的截面面积，以通过该空腔传送惰性气体到该开口；该空腔被配置，以便于将提供给该空腔的惰性气体从一出口引导离开，该出口将该空腔和开口相连接。
2.如权利要求1所述的系统，其中该气体入口形成于该固定器件中。
3.如权利要求1所述的系统，其中该气体入口形成于该平台中。
4.如权利要求1所述的系统，其还包括：
凹部，位于该固定器件和平台之间，以用于接收来自该气体入口的惰性气体和用于在该电子器件表面的上方散布该惰性气体。
5.如权利要求4所述的系统，其中，该凹部和所述的开口相连，以用于将大量的惰性气体从该凹部直接散布到该开口。
6.如权利要求4所述的系统，其还包括：
管道，其连接于该空腔和凹部之间，以用于将大量的惰性气体从该凹部引入到该空腔。
7.一种用于减少半导体器件氧化的方法，包括以下步骤：
利用固定器件将该半导体器件的引线框固定于平台上，该固定器件包含有开口，该固定器件还包含有盖体，该盖体封盖了形成于该固定器件中的空腔，该空腔与该开口直接邻接；
在该半导体器件将被加热的区域上方定位该固定器件的开口，以提供由键合部件通向那里的通道；
该固定器件还包含有连接气体入口、该空腔和开口的管道，该管道的截面面积小于该空腔的截面面积；
通过该管道将惰性气体提供给该空腔；将提供给该空腔的惰性气体从一出口引导离开，该出口将该空腔和开口相连接；以及
通过该空腔传送惰性气体到该开口。
8.如权利要求7所述的方法，其还包括：
将惰性气体通过管道导入该空腔中，该管道将该空腔和惰性气体源相连接。
9.如权利要求7所述的方法，其还包括：
将惰性气体提供给位于该固定器件和平台之间的凹部，并在该电子器件的表面上方散布该惰性气体。
10.如权利要求9所述的方法，其还包括：
将大量的惰性气体从该凹部直接散布到该固定器件的开口。
11.如权利要求9所述的方法，其还包括：
将惰性气体从该凹部引入到该空腔，藉此以通过该空腔传送该惰性气体到所述的开口。
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