CN103811398A - 可调整拾取头和用于制造器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造器件的可调整拾取头和方法。公开了一种可调整拾取头、一种套筒夹、一种用来调整拾取头的方法以及一种制造器件的方法。在一个实施例中拾取头包括具有座的柄部和通过第一接头连接到所述座的中间体。所述拾取头进一步包括通过第二接头连接到所述中间体的套筒夹。

Description

可调整拾取头和用于制造器件的方法
技术领域
本发明一般地涉及用于制造微电子器件的工具，并且特别地涉及一种管芯接合系统的拾取头（pick-up head）。
背景技术
在半导体器件的成本效益好的大量制造中，多个部件通常被建立在硅晶片中或者建立在硅晶片上，所述硅晶片在完成FEOL处理之后被切开成称为“管芯”或“芯片”的单独单元。在封装和组装的后续阶段期间，管芯到保护封装中的并入或到更复杂电子系统的集成可能发生。将管芯接合到载体衬底可以经由焊接层或粘合层来建立。将管芯安装在它在衬底上分配的接合位置需要高精度机器人系统。典型地，管芯拾取装置拾取管芯，在载体的接合部位之上准确地移动管芯，并且将管芯放置到载体上。
发明内容
依照本发明的实施例，拾取头包括含有座（holder）的柄部（shank）和通过第一接头连接到所述座的中间体。所述拾取头进一步包括通过第二接头连接到所述中间体的套筒夹。
依照本发明的实施例，套筒夹包括配置成拾取管芯的前表面、连接体、具有腔的后表面，所述腔被配置成形成球形接头和连接所述前表面和所述腔的通道，所述通道被配置成为真空路径的一部分。
依照本发明的实施例，用于调整可调整拾取头的方法包括：松开可调整拾取头体的固定螺钉、通过将套筒夹附接到所述可调整拾取头体来组装可调整拾取头、以及上紧所述固定螺钉从而控制所述可调整拾取头的可调整性。
依照本发明的实施例，用于制造器件的方法包括：用可调整拾取头来拾取管芯并且将所述管芯放置在管芯载体上。所述方法进一步包括将所述管芯接合到所述管芯载体及灌封所述管芯和所述管芯载体。
附图说明
为了更透彻地理解本发明及其优点，现将参考结合附图进行的以下描述，在附图中：
图1图示了常规拾取头的简化横截面视图；
图2a和2b示出了可调整拾取头的实施例的投影视图和分解视图；
图2c和2d示出了可调整拾取头的实施例的顶视图和横截面视图；
图2e图示了旋转体的实施例的横截面视图；
图2f图示了套筒夹的实施例的横截面视图；
图3a至3c示出了具有倾斜或非倾斜套筒夹的可调整拾取头的实施例；
图4示出了用来调整可调整拾取头的方法的实施例；
图5a至5d示出了用来调整可调整拾取头的方法的不同阶段的实施例；
图6示出了使用可调整拾取头来制造器件的方法；以及
图7示出了套筒夹的实施例。
具体实施方式
在下面详细地讨论目前优选的实施例的制作和使用。然而，应领会的是，本发明提供能够被体现在各式各样特定上下文中的许多可适用的发明构思。所讨论的特定实施例仅仅说明制作和使用本发明的特定方式，而不限制本发明的范围。
将关于特定上下文中的实施例即用于管芯接合工具的管芯拾取头来描述本发明。然而，本发明的实施例还可以适用于诸如部件或电子器件拾取头之类的其他拾取头。
示例性常规拾取头的简化横截面视图在图1中被示出：拾取头100包括轴110和套筒夹150。轴110包括被设计成使得能够将轴安装到接合工具（未示出）的圆柱形子部分113、116、119，所述接合工具在x、y以及z方向上提供拾取头的受控移动以便将芯片定位和对齐到引线框的接合部位。轴110和套筒夹150可以为连接在一起的两个分离的金属件或一个集成的单个金属件。
常规拾取头的问题是，空隙可能形成在管芯与管芯载体之间。空隙可以作为被困在接合层内的空气的结果，或者作为在管芯各边缘处的接合材料由于从接合层的远内部区释放的空气而导致的“吹出”的结果而可能发生。此外，空隙可能因为接合材料在接合区域上的非均匀分配或拾取头的非均匀向下压力而发生。接合层的空隙形成和非均匀性的问题随着增加的管芯尺寸而变得更关键。
空隙可以以不同的方式负面地影响器件性能：例如，空隙可能导致从管芯到管芯载体的不到最佳的热导性，从而损害器件操作期间的有效热除去。在其他情况下，空隙可能引起接触电阻增加。如果管芯与管芯载体之间的接合界面是器件的电流通路的一部分，则由于不良接合界面而导致的增加电阻将增加功率消耗。最后，空隙还可能对组合式管芯/载体系统的机械稳定性有有害影响。
本发明的实施例提供可调整拾取和具有可调整拾取头的接合工具。本发明的实施例提供可调整拾取头，其中所述可调整拾取头包括第一接头和第二接头。
针对本发明的实施例进一步提供用于通过应用可调整拾取头来制造半导体器件的方法。例如，管芯可以通过扩散焊接或粘合接合而被接合到管芯载体。所公开方法的利用不会遭受芯片尺寸或封装类型的限制。
图2a至2d示出了可调整拾取头200的实施例。图2a示出了可调整拾取头200的透视图，图2b示出了可调整拾取头200的爆炸视图（explosive view），图2c示出了可调整拾取头200的侧视图，而图2d示出了可调整拾取头200的正视图。
图2a和2c的可调整拾取头200包括柄部210、导向座220、中间体230以及套筒夹270。柄部210可能是圆柱状的并且其直径可以在其长度上变化。第一端部217被配置成被接合工具容纳。第一端部217可以为固定螺钉。
可调整拾取头200包括由座220和中间体230所形成的第一接头280。第一接头280可以为第一铰链。座或导向座220可以为钢领座（ring holder）。中间体230可以为导向环230。在一个实施例中导向环230可能是绕着导向座220的支点226可旋转的。
可调整拾取头200进一步包括由中间体230和套筒夹270所形成的第二接头290。第二接头290可以为第二铰链。第二接头290可以进一步包括在旋转体（swivel body）(在图2a和2c中隐藏)与套筒夹270之间的可旋转球形接头或可旋转球形和插孔接头。在一个实施例中，套筒夹270可能是绕着导向环220的支点236可旋转的。
可调整拾取头200最后包括通过头200的整个长度的真空通路。真空通路的第一开口278被部署在套筒夹270中。例如，真空通路的第一开口278被部署在套筒夹270中间(在图2d中示出)。真空通路的第二开口被部署在柄部210的第一端部217中（在这些图中不能够看到）。可调整拾取头200的真空通路贯穿柄部210、旋转体以及套筒夹270。真空通路在不同的连接点或接头处被封闭地密封。真空通路被配置成被连接到接合工具的真空通路。
可调整拾取头200是可调整的或者配置成可以以三维方式调整。
图2b的爆炸视图示出了图2a的更详细视图。图2b示出了当被组装时形成可调整拾取头200的分离件。拾取头200包括柄部210、中间体或导向环230、旋转体260以及套筒夹270。柄部210被连接到导向环230。旋转体260被插入到柄部210的轴向柄部钻孔中，并且经由第一端部（例如，固定螺钉）217连接到柄部210。旋转体260被连接到套筒夹270。
柄部210包括第一端部或固定螺钉217和第二端部213。第二端部213被固定到中间体座220。中间体座或导向环座220包括两个侧面部或臂222、223。导向环座220被配置成容纳导向环230。第一侧面部222包括第一钻孔224而第二侧面部223包括第二钻孔225。两个钻孔224、225提供第一支点和第二支点。两个钻孔224、225定义第一轴线（axis） 228。
柄部210包括作为通过柄部210的真空通路的一部分的轴向柄部钻孔的柄部开口215。柄部210可以包括与柄部210的长度平行或与轴向柄部钻孔平行定义的柄部轴线218。柄部210可以包括诸如不锈钢之类的金属。
中间体230可以为导向环，或者可以具有任何其他适合的几何形式。导向环230可以包括定位于环的平坦部分处的第二组两个钻孔233、234。导向环230可以包括诸如不锈钢之类的金属。
在组装状态下导向环230和导向环座220形成第一接头280。导向环230和导向环座220可相对于彼此绕着第一轴线228 旋转地移动，并且经由紧固销226、227来连接。第一轴线228可以与柄部轴线218垂直。第一紧固销226将钻孔224与钻孔234连接在一起，而第二紧固销227将钻孔225与钻孔234连接在一起。
旋转体260在图2e中被示出。旋转体260包括旋转销263和旋转尖端226。旋转体260可以进一步包括作为真空通路的一部分的轴向旋转钻孔265。旋转体260可以包括中空圆柱。旋转尖端266包括曲面。例如，旋转尖端266可以包括半球面。
套筒夹270在图2f中被示出。套筒夹270包括在第一面上的接触表面272和在第二面277上的腔276，其中第二面277与第一面272相反。腔276可以为曲面腔或杯形腔。腔276被配置成容纳旋转体260的旋转尖端266。套筒夹270进一步包括连接到开口或口(orifice) 278的轴向钻孔275。轴向钻孔275可以包括圆柱的形式。轴向钻孔275是真空通路、真空导管或真空通道的一部分，而开口或口278是真空通路的一个端。
套筒夹270的材料可以包括特氟隆(teflon)、迭尔林(delrin)、vespel （例如，聚酰亚胺型聚合物/石墨合成物）或碳化钨。在一个实施例中套筒夹270可以经得起多达180℃或可替换地多达500℃的最大操作温度。例如，特氟隆的最大温度是约260℃，vespel的最大温度是约250℃，迭尔林的最大温度是约135℃，而碳化钨的最大温度是约500℃。
套筒夹270的第一面272可以为正方形平面前表面。可替换地，套筒夹270可以包括具有朝外倾斜的四个侧面的金字塔结构。这样的架构允许通过边缘而不是在平面表面上来拾取管芯。
在组装状态下第二接头290包括套筒夹270的腔276和旋转体260的旋转尖端266。此外，第二接头进一步包括在套筒夹270与中间体或导向环230之间的可调整连接。套筒夹270可调整地可绕着第二旋转轴线238旋转。套筒夹270到导向环230的可调整连接经由两个套筒夹紧固销237、239来实现。两个套筒夹紧固销237、239通过在导向环230上部署的第三组两个钻孔236而被插入。两个钻孔236定义第二旋转轴线238。两个紧固销237、239通过定位于套筒夹270的相反侧部处的两个钻孔273来将导向环230连接到套筒夹270。
这个布置使得能实现套筒夹270沿着第二轴线238的旋转移动。第二旋转轴线238与轴轴线218的方向垂直。因为第二组钻孔233、234在导向环230上的位置被设置与第三组钻孔236的位置相对差90°，所以第一旋转轴线228的方向与第二旋转轴线238的方向正交。这确保了套筒夹270在x和y方向两者上的独立倾斜移动的能力。
第二接头290还允许套筒夹270与旋转体260相对的倾斜。特别地，旋转体的轴向钻孔265能够靠着套筒夹270的轴向钻孔275倾斜。第二接头290可以为球形接头或球形插孔。
在一个实施例中套筒夹270相对于旋转体260的最大倾斜角在x和y方向上是约45°。可替换地，套筒夹270相对于旋转体的最大倾斜角是约25°。处于非倾斜和倾斜位置中的套筒夹270的示例在图3a至3c中被示出。例如，套筒夹270在图3a中不倾斜、在图3b中在x方向上倾斜而在图3c中在y方向上倾斜。
在组装状态下拾取头200包括由轴向柄部钻孔（具有柄部开口215）、旋转体260的轴向旋转钻孔265以及套筒夹275的轴向钻孔组成的真空通路或真空通道。这个真空通道被连接到接合工具中的真空泵。真空泵被配置成提供欠压、真空或吸力用于拾取管芯。
图4示出了用来调整拾取头的方法的实施例的流程图400。在步骤410中可调整拾取头体被提供。可调整拾取头体在图5a中被示出。可调整拾取头体500包括了包括有固定螺钉517的柄部510、中间体座520、中间体530以及旋转体（未示出）。可调整拾取头体500可以包括与关于图2a至2f的实施例所描述的相同的元件。
在步骤420中在柄部的一个端上的紧固螺钉被松开，使得旋转体通过柄部开口而被移动到柄部钻孔中。柄部开口被部署在柄部相对于固定螺钉的相反端上。在一个实施例中，固定螺钉被反时针转动以便旋转体移动到柄部中。可替换地，固定螺钉被顺时针转动以便旋转体移动到柄部中。在一个实施例中，通过转动固定螺钉旋转销通过柄部的柄部开口移动到柄部中直到旋转尖端达到柄部开口为止。这在图5a中被示出。
在步骤430中套筒夹被附接到可调整拾取头体。套筒夹被插入到可调整拾取头体中并且附接到可调整拾取头体。套筒夹被插入到中间体中。套筒夹的实施例在图7中被示出。在一个实施例中套筒夹被转动，使得部署在套筒夹的侧表面上的套筒钻孔与中间体钻孔对齐。套筒夹钻孔和中间体钻孔经由套筒夹座（例如，销）而被连接。例如，套筒夹被转动直到套筒夹钻孔被定位与导向环钻孔相对。然后套筒夹紧固销被插入到导向环钻孔和套筒夹钻孔中。同时旋转体的旋转尖端或旋转头移动到套筒夹的腔中。这在图5b中被示出。
在步骤440中，固定螺钉被上紧使得拾取头的可调整性被调整或者控制。可调整拾取头的可调整性能够通过调节、调整或者微调固定螺钉来控制。固定螺钉的调整控制旋转销在柄部钻孔中的侧向移动的范围。在一个实施例中固定螺钉被顺时针转动以移出旋转销。可替换地，固定螺钉被反时针转动。在这个调整中旋转体通过移动旋转尖端和套筒腔来移动套筒夹。固定螺钉的转动量或转数可以确定拾取头或套筒夹可调整性的程度。较少转动使套筒夹变得较松而较多转动使套筒夹变得较刚硬。图5c示出了在固定螺钉被调整（例如，上紧）之前的可调整拾取头，而图5d示出了在固定螺钉被调整之后的可调整拾取头。如能够相对于图5c从图5d中看到的，销被移出，而套筒夹中的旋转尖端和腔一起配合更紧。
图6示出了制造半导体封装的方法的实施例的流程图600。
在第一步骤610中，从划片箔、梭式输送机或另一表面拾取管芯或芯片。管芯或部件可以包括诸如单个半导体器件或集成电路（IC）之类的分立器件。例如，管芯可以包括诸如MOSFET之类的半导体器件或诸如双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或功率MOSFET之类的功率半导体器件。可替换地，管芯可以包括晶闸管或二极管。此外，管芯可以为例如电阻器、保护器件、电容器、传感器或检测器。在一些实施例中管芯可以为片上系统（SoC）。
在一个实施例中管芯包括具有包括源极和/或栅极的顶面以及包括漏极的底面的单个晶体管。可替换地，顶面包括漏极和/或栅极而底面包括源极。
在一个实施例中管芯包括诸如半导体衬底之类的衬底。半导体衬底可以为硅或锗，或诸如SiGe、GaAs、InP、GaN或SiC之类的化合物衬底，或可替换地其他材料。衬底可能是掺杂的或未掺杂的，并且可以包括一个或多个井。
在一个实施例中管芯在其底面上包括金属层。金属层被配置成被焊接到管芯载体。金属层可以包括Au（或Ag）和Ni的薄层（0.1至10 μm）被形成在其上的Cr、V或Ti的阻挡层。后者金属层可以确保良好可沾性（wettability）用于焊接和用于（例如Ni-Sn接合）的强冶金接合的形成。
管芯被用包括根据本发明的实施例的可调整拾取头的接合工具来拾取。例如，管芯通过将套筒夹放置在管芯上或在其上方而被拾取。管芯通过应用通过拾取头的真空通路的真空吸力而被用可调整拾取头拾取。
在步骤620中管芯被放置在管芯载体上。例如，管芯在它在管芯载体上分配的接合部位上方被高精度地对齐。管芯载体可以为衬底、引线框或印刷电路板（PCB）。在一个实施例中管芯载体是包括铜和镍的金属引线框架。引线框可以进一步包括部署在镍（Ni）上的金（Au）。
引线框可以包括管芯附接薄膜。在一个实施例中管芯附接薄膜可以为非导电粘合剂，诸如包括环氧树脂、聚酰亚胺或氰基酯（cyano ester）化合物的薄有机薄膜。非导电粘合剂可以通过丝网印刷（screen printing）或模版印刷（stencil printing）而被施加到引线框。可替换地，非导电粘合剂是箔。在另一实施例中管芯附接薄膜可以为导电薄膜。导电管芯附接薄膜可以包括与非导电粘合剂薄膜的那些类似的化学性质的基础聚合物，以及Ag、覆Ag的Cu、Ni或Au的高度导电薄片（flake）的70%至80%金属加载。可替换地，可以部署焊料。焊料可以包括AuSn、AgSn、CuSn、CuAuSn、PtIn、PdIn。
在一个实施例中扩散接合在约150 ℃至约250 ℃之间的温度下被应用。
在步骤630中管芯被接合到管芯载体。在一个实施例中管芯通过应用扩散接合而被接合到管芯载体。在制备管芯接合中使管芯载体上的接合部位达到约220 ℃至约400 ℃的温度。例如，衬底可以穿过热管芯附接机的分度器（indexer）隧道。载体可以穿过包括数个（例如8个）加热区的分度器隧道，从而逐渐地增加接合温度（例如360℃）、使接合温度稳定并且在管芯接合之后使温度冷却下来。为了防止焊剂或金属化薄膜的氧化，分度器隧道可以填充有还原形成气氛。
实际的管芯至衬底接合通过降低套筒夹以使管芯与管芯载体物理接触来执行。套筒夹的该向下移动在近似300 ms （所谓的接合软化延迟）期间慢下来，以允许在接合之前预加热管芯的管芯背面。在接合软化延迟的结束之后，当施加由接合工具的气动系统所提供的受控压力时，套筒夹的稍微进一步向下移动发生。待施加的接合力取决于芯片尺寸。用于扩散焊接的典型接合力值是在50至100 N的范围内。可替换地可以施加约3N/mm2管芯尺寸。
为了用粘合层将管芯接合到管芯载体，所施加的接合力可以被显著降低。例如，所施加的接合时间，即从第一管芯与衬底的接触到套筒夹从管芯的释放的时间，通常范围从200ms至400 ms。
在步骤640中，从管芯释放包括套筒夹的可调整拾取头。例如，真空被关掉而套筒夹向上移动。
在步骤650中，可调整拾取头拾取下一个管芯并且在步骤660中接合工具重复步骤620至650。下一个管芯可以经历与第一管芯相同的对齐和接合程序。步骤650和660可以为可选步骤，因为在一些实施例中仅一个管芯被接合到一个管芯载体。
在（多个）管芯的触点经由连接元件（线接合或金属夹）而被连接到管芯载体670之后，（多个）管芯和管芯载体被灌封。灌封材料可以为模塑化合物、层压制件（laminate)或外壳。（多个）管芯和连接元件可以被完全地灌封，而管芯载体可以被部分地灌封。可替换地，（多个）管芯可以被完全地灌封，而连接元件中的至少一个可以被部分地灌封。
在可选步骤680中，经封装或灌封的管芯可以通过切削激光器或切削锯而被彼此切单片，使得封装芯片或管芯被制造。
套筒夹的可调整性提供单独的管芯的接合界面与管芯载体上的对应接合部位的表面之间的最佳接触。使用可调整拾取头的优点是空隙形成的避免或减少。特别地，可调整拾取头可以适用于超过10 mm2的管芯尺寸。
在一个实施例中拾取头可以适用于任何接合应用，而不管接合材料的性质如何。例如，可调整拾取头可以被应用于接合非导电粘合晶片背面涂层、导电粘合背面涂层、焊料或任何类型的扩散焊料。
尽管已经详细地描述了本发明及其优点，但是应理解的是，在不背离如由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，能够在本文中进行各种改变、替换以及变更。
此外，本申请的范围不旨在限于本说明书中所描述的工艺、机器、制品、合成物质、手段、方法以及步骤的特定实施例。因为本领域的普通技术人员从本发明的公开中将容易地领会，可以根据本发明利用执行基本上与本文中所描述的对应实施例相同的功能或者实现基本上与本文中所描述的对应实施例相同的结果的、目前存在或以后待开发的工艺、机器、制品、合成物质、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在在它们的范围内包括这样的工艺、机器、制品、合成物质、手段、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种拾取头，其包括：
包括座的柄部；
通过第一接头连接到所述座的中间体；以及
通过第二接头连接到所述中间体的套筒夹。
2.根据权利要求1所述的拾取头，其中，
所述第一接头包括所述中间体和具有臂的所述座，并且其中中间体被配置成可绕着与所述臂正交的第一轴线枢转。
3.根据权利要求2所述的拾取头，其中，
所述座是在臂中具有导向环座钻孔的钢领座，其中所述中间体是具有导向环钻孔的导向环，其中所述第一接头进一步包括紧固销，并且其中所述紧固销被部署在所述导向环座钻孔和所述导向环钻孔中。
4.根据权利要求1所述的拾取头，其中，
所述第二接头包括被配置成可绕着所述中间体中的第二轴线枢转的所述套筒夹，所述第二轴线不同于所述第一轴线。
5.根据权利要求1所述的拾取头，其中，
所述第二轴线与所述第一轴线正交。
6.根据权利要求1所述的拾取头，其中，
所述第二接头进一步包括在旋转体与所述套筒夹之间的球形接头。
7.根据权利要求6所述的拾取头，进一步包括固定螺钉，并且其中所述固定螺钉被配置成调整所述拾取头的所述可调整性。
8.根据权利要求1所述的拾取头，其中，
所述套筒夹包括vespel、特氟隆、迭尔林或高温橡胶。
9.根据权利要求1所述的拾取头，其中，
所述柄部、所述中间体以及旋转体包括不锈钢。
10.一种套筒夹，其包括：
被配置成拾取管芯的前表面；
连接体；
具有腔的后表面，所述腔被配置成形成球形接头；以及
连接所述前表面和所述腔的通道，所述通道被配置成为真空通路的一部分。
11.根据权利要求10所述的套筒夹，其中，
所述套筒夹进一步包括套筒夹钻孔。
12.根据权利要求10所述的套筒夹，其中，
所述套筒夹被配置成可调整地连接到中间体。
13.根据权利要求10所述的套筒夹，其中，
所述套筒夹包括vespel、迭尔林、特氟隆或高温橡胶。
14.一种用于调整可调整拾取头的方法，所述方法包括：
松开可调整拾取头体的固定螺钉；
通过将套筒夹附接到所述可调整拾取头体来组装可调整拾取头；以及
上紧所述固定螺钉从而控制所述可调整拾取头的所述可调整性。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，
所述可调整拾取头体包括了包括有座的柄部、可调整地连接到所述座的中间体以及连接到所述固定螺钉的旋转体。
16.一种用于制造器件的方法，所述方法包括：
用可调整拾取头来拾取管芯；
将所述管芯放置在管芯载体上；
将管芯接合到管芯载体；以及
灌封所述管芯和所述管芯载体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，
接合包括将所述管芯扩散焊接到所述管芯载体。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，
接合包括所述管芯到所述管芯载体的粘合接合。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将经灌封的载体切单片成灌封的单个管芯。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述可调整拾取头包括：
具有导向环座的柄部；
可调整地连接到所述导向环座的导向环；以及
可调整地连接到所述导向环座的套筒夹。
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