CN103887219B - 自对准拾取头和用于利用自对准拾取头制造装置的方法 - Google Patents

Abstract

自对准拾取头和用于利用自对准拾取头制造装置的方法。公开了一种自对准拾取头，制造拾取头的方法和制造装置的方法。在一个实施例中拾取头包括具有第一端部分和第二端部分的喷嘴和包括套筒头的基部工具，其中喷嘴的第一端部分被用万向架固定到基部工具。

Description

自对准拾取头和用于利用自对准拾取头制造装置的方法

技术领域

本发明总体上涉及用于制造微电子装置的拾取头，并且具体涉及用于管芯结合的自对准拾取头。

背景技术

在半导体装置的节省成本的大量制造中，多个部件通常被建立在硅晶片中或者被建立在硅晶片上，在FEOL处理完成之后其被切成称为“管芯”或“芯片”的单个单元。在随后的封装和组装阶段期间，可能发生管芯并入到保护封装中或者集成到更加复杂的电子系统。可以通过焊接层或者粘合剂层来建立将管芯结合到载体衬底。在其被分配的结合位置处将管芯安装在衬底上需要高精度的自动机械系统。通常，管芯拾取装置拾取管芯，在载体的结合位置上方精确地移动管芯，并且放置管芯到载体上。

发明内容

根据本发明的实施例，一种拾取头包括包含第一端部分和第二端部分的喷嘴以及包含套筒头的基部工具，其中喷嘴的第一端部分被用万向架固定到基部工具。

根据本发明的实施例，一种自对准拾取头包括基部工具，其包括第一主表面，第二主表面和具有球形表面的至少一部分的凹进。自对准拾取头进一步包括包含球形表面的至少一部分和第一端部分的喷嘴，安装在基部工具的第一主表面上的盖，其中喷嘴的球形表面的该部分被放置在凹进的球形表面的该部分上，并且其中喷嘴的第一端部分相对于基部工具是可移动的。

根据本发明的实施例，一种用于制造自对准拾取头的方法包括将至少一个销钉（pin）放置在喷嘴的球形端部分中并且通过将盖安装在基部工具的第一主表面上来将喷嘴连接到基部工具使得喷嘴相对于基部工具被用万向架固定。

根据本发明的实施例，一种用于制造装置的方法包括利用自对准拾取头拾取管芯并且将管芯放置在管芯载体上。该方法进一步包括将管芯结合到管芯载体并且封装管芯。

附图说明

为了更加完全地理解本发明及其优点，现在参照下面结合附图进行的描述，其中：

图1a示出没有盖的自对准拾取头的实施例的投影视图；

图1b示出具有盖的自对准拾取头的实施例的投影视图；

图1c示出具有尺寸的自对准拾取头的实施例的顶视图；

图1d图示出具有单一销钉的自对准拾取头的实施例的截面图；

图1e图示出具有两个销钉的自对准拾取头的实施例的截面图；

图1f示出具有展现头的可移动方向的自对准拾取头的实施例的投影视图；

图2示出用于制造自对准拾取头的方法的实施例；和

图3示出使用自对准拾取头来制造装置的方法的实施例。

具体实施方式

下面详细地讨论目前优选实施例的形成和使用。然而，应该领会到本发明提供可在各种各样的特定情境中被具体实施的许多适用的发明构思。讨论的特定实施例仅说明形成和使用本发明的特定方式，并且不限制本发明的范围。

将关于在特定情境中的实施例，即用于管芯结合工具的管芯拾取头来描述本发明。然而，本发明的实施例也可以被应用到其它拾取头，例如部件或电子装置拾取头。

传统的拾取头包括机械地固定到套筒头的喷嘴（两件式拾取头）。这种拾取头仅可以在单一方向上移动。拾取头不是自对准的和/或拾取管芯不灵活。

传统拾取头的问题是当管芯被放置在载体上时可能在管芯和管芯载体之间形成空隙。由于空气被陷入在结合层内或者当由于从更远的结合层的区域内释放的空气而在管芯的边缘处“喷出”结合材料时可能出现空隙。而且，因为在结合区上结合材料的不均匀分布或者拾取头的不均匀向下压力可能出现空隙。随着管芯尺寸的增加，结合层的不均匀和空隙形成的问题变得更加关键。

本发明的实施例提供自对准拾取和具有自对准拾取头的结合工具。本发明的实施例提供被用万向架固定的拾取头。在各种实施例中自对准拾取头包括喷嘴，基部工具和套筒头（三件式拾取头）。在其它实施例中自对准拾取头包括喷嘴和具有集成拾取头的基部工具（两件式拾取头）。

本发明的实施例进一步提供应用自对准拾取头来制造装置的方法。例如，可以使用自对准拾取头来通过软焊，扩散焊或者粘合剂结合来将管芯结合到管芯载体。自对准拾取头可被用于任何芯片尺寸或者任何封装类型。

自对准拾取头的优点是在结合芯片时均匀的力分布。在各种实施例中可以施加高达10kg×m/s²的力。

图1a和1b示出自对准拾取头100的实施例的投影视图并且图1c示出顶视图。自对准拾取头100包括喷嘴110，基部工具120和装置工具或套筒头140。喷嘴110可以是圆柱形的并且其直径可以在其长度上变化。第一端部分111可以包括具有比中央部分112更大的直径的圆柱体。替代地，第一端部分111包括具有比中央部分112更小的直径。第一端部分111被配置为由结合工具接收。第二端部分113包括球体或者球。替代地，第二端部分113包括几何元素以便喷嘴110可以相对于基部工具120（例如半球体）倾斜。喷嘴110可以包括金属，例如铁或钢。如在图1c中可以看到的，喷嘴110可以包括约10mm至约15mm的长度，并且在特定的示例中是11.446mm。

第二端部分113位于基部工具120中。第二端部分113被铰接或者用万向架固定到基部工具120。

基部工具120可以包括矩形框架121。替代地，基部工具120可以包括圆形框架，方形框架，椭圆框架或者任何其它几何形状合适的框架121。基部工具120包括顶部分122和底部分123。顶部分122包括导槽128，例如被配置为接收喷嘴110的第二端部分113的中央凹进。被配置为接收第二端部分113的导槽128可以延伸到基部工具120的底部分123中。

基部工具120的顶部分122包括被配置为在基部工具120的顶表面125上保持盖160的安装装置124。安装装置124可以延伸到基部工具120的底部分123中。安装装置124被配置为接收可释放的固定装置130，例如螺钉（例如，沉头螺钉或平头螺钉）或者可释放的销钉。替代地，安装装置124被配置为接收不可释放的固定装置130，例如销钉或铆钉。

基部工具120的底部分123也包括被配置为接收装置工具140的中央凹进126。基部工具120可以包括金属，例如铁或钢，或者塑料。基部工具120和喷嘴110的材料可以是相同的。基部工具120可以包括约3mm至约7mm的长度，并且在特定的示例中是4.2mm。

销钉或铆钉150可以被设置在喷嘴110的第二端部分113中。销钉150可以包括金属，例如铁或钢。销钉150的材料和喷嘴110和/或基部工具120的材料可以是相同的。销钉150可以包括约2mm至约4mm的长度，并且在特定的示例中是2.3mm。销钉150可以包括约0.5mm至约1mm的直径，并且在特定的示例中是0.8mm。

自对准拾取头100进一步包括装置工具或者套筒头140。套筒头140可以被夹紧（clamped）到基部工具120的框架121的底部分123中。替代地，装置工具140被紧密配合或压配合到基部工具121的框架121的底部分123中。装置工具140可以被可释放地或者不可释放地安装在基部工具120中。基部工具120可以包括与装置工具140对准的凹槽。

装置工具140被配置为拾取装置例如电子装置和/或半导体装置。装置工具140可以包括塑料。装置工具140可以包括约1mm至约4mm的长度，并且在特定的示例中是2.4mm。在各种实施例中装置工具140被集成到基部工具120和该基部工具120的一部分中。

如在图1b中所示，盖160被设置在基部工具120的顶部分122的顶表面上。盖160可以是弹簧，例如板簧。在替代的实施例中，盖160是夹子或压缩工具。

盖160被安装在基部工具120的顶部分122的顶表面上。盖160被配置为将喷嘴110的第二端部分113固定在被铰接的位置中。在各种实施例中盖160的边缘将第二端部分113向下挤压到导槽例如基部工具120的凹进128中。盖160通过固定装置130被安装在顶表面上。图1a和1b示出四个固定装置，然而可以存在少于四个（例如，两个固定装置）或者多于四个固定装置。

图1d示出自对准拾取头100的实施例的截面图。自对准拾取头100包括喷嘴110，基部工具120和装置工具140。喷嘴110可以是圆柱形的并且其直径可以在其长度上变化。

自对准拾取头100包括通过头100的整个长度的真空路径180。真空路径的第一开孔181被设置在喷嘴110的第一端部分111中。例如，真空路径的第一开孔181被设置在第一端部分111的顶表面的中部。真空路径180的第二开孔182被设置在套筒头140的底表面中。自对准拾取头100的真空路径穿过喷嘴110，喷嘴110的第二端部分112，基部工具120和套筒头140延伸。在不同连接点或接合处，例如，在喷嘴110的第二端部分112和基部工具120之间并且在基部工具120和套筒头140之间真空路径被气密密封。真空路径180被配置为连接到结合工具的真空路径和/或在结合工具中的真空泵。在结合工具中的真空泵提供用于拾取装置（例如，芯片）的负压，真空或者吸力。

在各种实施例中套筒头140包括具有两个第二开孔182的两个真空路径183，184。真空路径180可以在套筒头140和基部工具120之间的连接点处分成两个真空路径183，184。替代地，真空路径180在离套筒头140的顶表面一定距离处分成两个真空路径183，184。在各种实施例中，真空路径180保留单一路径并且可以不被分成几个真空路径。在各种实施例中，真空路径180可以分裂成多于两个真空路径，例如三个或四个真空路径。在一些实施例中真空路径180的分裂基于被拾取的装置（例如，半导体装置）的尺寸。较大装置可能需要比较小装置更多的路径。

图1d的截面图也示出喷嘴110的第二端部分113如何置于基部工具120中的。第二端部分113置于基部工具120的底部分123中的导槽128（例如，凹进或腔）中。基部工具120可以包括远离基部工具120的底部分123的底表面延伸的突出体129。也可以看到安装装置124，固定装置130和盖160的一部分。

第二端部分113包括通道127。通道127可以垂直于真空路径180设置。通道127被配置为接收销钉150。销钉150密封真空路径180。销钉150延伸到第二端部分113的表面外或者一部分销钉150保留在第二端部分113的表面外。

图1e示出自对准拾取头100的另一实施例的截面图。自对准拾取头100包括喷嘴110，基部工具120和装置工具140。在这个实施例中第二端部分113包括两个通道128。通道127，128可以垂直于真空路径180设置。每个通道127，128被配置为接收销钉150，155。销钉密封真空路径180。每个销钉150，155延伸到喷嘴110的第二端部分113的表面外。在一些实施例中，自对准拾取头100可以包括多于两个销钉，例如四个销钉。

图1f示出自对准的或者被配置为以三维方式自对准的自对准拾取头100的实施例。

自对准拾取头100可以在第一方向190上和在第二方向上是倾斜的。特别地，基部工具120和套筒头（装置工具）140可以在第一方向190（第一平面）上并且在第二方向195（第二平面）上相对于喷嘴110是倾斜的。

在组装的状态中基部工具120和喷嘴110形成被配置为提供万向接头的接合。喷嘴的第二端部分113（参见图1c和1d）被放置在基部工具120的导槽128中形成三维可倾斜连接。盖160将喷嘴110的第二端部分113保持在导槽128中但是允许倾斜。而且，在接口处由盖160提供的压力密封真空通道180。在各种实施例中，销钉150限制在第二基部工具120和喷嘴110之间的倾斜，因为销钉的移动被盖160，底部分123（参见图1d）和安装装置124的侧壁（参见图1d）限制。在各种实施例中销钉150被旋转地轴向限制到喷嘴110。

在接合/接口处喷嘴110被铰接、可倾斜地和/或枢轴连接、或用万向架固定到基部工具120。喷嘴110的第一端110可以被放置在基部工具120中并且喷嘴110的第二端可以是在任何方向上相对于基部工具120可移动的。盖160可以以+/-10度来限制喷嘴110在第一方向上（第一最大倾斜角度）相对于基部工具120的移动。替代地，盖160以+/-5度或者甚至+/-1度来限制喷嘴110的移动。销钉（未示出）可以以+/-10度来限制喷嘴110在第一方向和/或第二方向（第二最大倾斜角度）上相对于基部工具120的移动。替代地，销钉可以以+/-5度或者甚至+/-1度来限制喷嘴110相对于基部工具的移动。

图2示出用于制造自对准拾取头的方法的实施例的流程图200。在步骤210中，至少一个销钉被放置到喷嘴的第二端部分中。喷嘴包括真空路径，被配置为放置在结合工具中的第一端部分和被配置为放置在基部工具中的第二端部分。第二端部分包括另一基部工具可沿着其倾斜或转动的表面。例如，如在图1c的实施例中所示，单一销钉被放置在喷嘴的第二端部分的球体或球中。替代地，如在图1d的实施例中所示，两个销钉被放置在喷嘴的第二端部分的球体或球中。

在步骤220中，喷嘴的第二端部分被放置在基部工具的导槽（例如凹进或腔）中。喷嘴的第二端部分被放置在基部工具中使得销钉可以以约+/-10度来垂直于喷嘴的纵向（或轴向）方向移动并且使得喷嘴可以在基部工具不移动的情况下移动。

在步骤230中，将喷嘴可倾斜地和/或枢轴连接到基部工具。例如，盖被放置在顶表面上并且被固定使得喷嘴被铰接，可倾斜地和/或枢轴连接或用万向架固定到基部工具。例如，可以使用固定装置诸如螺钉将盖可释放地安装在基部工具上。替代地，使用固定装置例如销钉来将盖固定在基部工具上。盖（通过向着导槽挤压喷嘴的第二端部分）密封真空路径并且特别是真空路径的接口。

在步骤240中，套筒头或装置工具被安装在基部工具上。套筒头或装置工具被配置为拾取装置，例如电子部件或半导体芯片/管芯。在替代的实施例中可以在喷嘴被连接到基部工具之前将套筒头或装置工具安装到基部工具。套筒头或装置工具被安装到基部工具中使得在装置工具和真空路径的基部工具之间的接口被密封。在各种实施例中装置工具被夹紧，压配合或紧密配合在基部工具中。在其它实施例中装置工具是基部工具的一部分。

图3示出用于制造装置例如半导体封装的方法的实施例的流程图300。

在第一步骤310中，从切割箔，梭式运输机或另一表面拾取管芯或芯片。管芯或部件可以包括分立装置，例如单一半导体装置或集成电路（IC）。例如，管芯可以包括半导体装置诸如MOSFET或功率半导体装置诸如双极晶体管，绝缘栅双极晶体管（IGBT），或功率MOSFET。替代地，管芯可以包括晶闸管或二极管。而且，管芯可以是例如电阻器，保护装置，电容器，传感器或检测器。在一些实施例中管芯可以是片上系统（SoC）。

在一个实施例中管芯包括单一晶体管，其具有包括源极和/或栅极的顶表面，和包括漏极的底表面。替代地，顶表面包括漏极和/或栅极并且底表面包括源极。

在一个实施例中管芯包括衬底例如半导体衬底。半导体衬底可以是硅或锗，或者化合物衬底例如SiGe、GaAs、InP、GaN或SiC，或者替代地是其它材料。衬底可以是掺杂的或未掺杂的并且可以包括一个或多个阱。

在一个实施例中管芯包括在其底表面上的金属层。金属层配置为被焊接到管芯载体。金属层可以包括在其上形成Au（或Ag）和Ni的薄层（0.1-10μm）的Cr、V、或Ti的阻挡层。后面的金属层可以确保良好的润湿性用于焊接并且用于形成强的冶金结合（例如，Ni-Sn结合）。

利用包括根据本发明的实施例的自对准拾取头的结合工具来拾取管芯。例如，通过将套筒头放置在管芯上面或上方来拾取管芯。通过经过拾取头的真空路径施加真空吸力来利用自对准拾取头拾取管芯。

在步骤320中管芯被放置在管芯载体上。例如，在管芯载体上其被分配的结合位置上管芯以高精度被对准。管芯载体可以是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。引线框可以进一步包括设置在镍（Ni）上的金（Au）。

引线框可以包括管芯附着膜。在一个实施例中管芯附着膜可以是非导电粘合剂，例如包括环氧树脂，聚酰亚胺或氰酯化合物（cyano ester compound）的薄有机膜。可以通过丝网印刷或模版印刷将非导电粘合剂施加到引线框。替代地，非导电粘合剂是箔。在另一实施例中管芯附着膜可以是导电膜。导电管芯附着膜可以包括与非导电粘合剂膜的化学性质相似的化学性质的碱聚合物，和70-80%金属加载的Ag、涂覆Ag的Cu、Ni或Au的高导电片。替代地，可以设置焊接材料。焊接材料可以包括AuSn、AgSn、CuSn、CuAuSn、PtIn、PdIn。管芯附着膜可以是导电的或非导电的箔。

在一个实施例中在约150℃至约250℃之间的温度下应用扩散结合。

在步骤330中管芯被结合到管芯载体。在一个实施例中应用扩散结合将管芯结合到管芯载体。在为管芯结合作准备中，在管芯载体上的结合位置被提升到约220℃至约400℃的温度。例如，物质可以通过热管芯附着机器的分度器隧道（indexer tunnel）。载体可以通过包括几个（例如8个）加热区的分度器隧道从而逐渐地增加结合温度（例如360℃），稳定结合温度，并且在管芯结合之后冷却温度。为了防止焊接或金属化膜的氧化，分度器隧道可以被填充有还原合成气体气氛。

通过降低套筒头来实施实际的管芯到衬底的结合以使管芯与管芯载体物理接触。经过约300ms的一段时间（所谓的结合软化延迟）套筒头的这种向下移动被减速以允许在结合之前管芯的管芯背面的预加热。在结合软化延迟结束之后，发生套筒头的稍微进一步向下移动，同时施加由结合工具的气动系统提供的受控压力。被施加的结合力取决于芯片尺寸。用于扩散焊接的通常结合力值是在50-100N的范围中。替代地，可以应用约3N/mm²管芯尺寸。

对于利用粘合剂层来将管芯结合到管芯载体，施加的结合力可以明显地更低。例如，应用的结合时间，即从第一个管芯与衬底接触到套筒头从管芯释放的时间，通常从200-400ms变动。

由于其可调整性，自对准拾取头可以容易地拾取甚至不对准的管芯。

在步骤340中，包括套筒头的自对准拾取头从管芯被释放。例如，真空被关掉并且套筒头向上移动。

在步骤350中，自对准拾取头拾取下一个管芯并且在步骤360中结合工具可以重复步骤320-350。下一个管芯可以经历与第一个管芯相同的对准和结合过程。步骤350和360可以是可选的步骤，因为在一些实施例中仅一个管芯被结合到一个管芯载体。

在通过连接元件（线结合或金属夹）将管芯的接触连接到管芯载体370之后，芯片和芯片载体被包封（encapsulated）。包封材料可以是模塑料，层压材料（laminate）或膜套（casing）。管芯和连接元件可以被完全地包封，并且管芯载体可以被部分地包封。替代地，管芯可以被完全地包封并且连接元件中的至少一个可以被部分地包封。

在可选步骤380中，可以通过切割激光或切割锯将封装的或包封的管芯互相单体化以便制造封装的芯片或管芯。

套筒头的可调整性提供在单个管芯的结合接口和在管芯载体上对应结合位置的表面之间的最佳接触。使用自对准拾取头的优点是避免或减少了空隙形成。特别地，对于超过10mm²的管芯尺寸，自对准拾取头可以良好运转。

在一个实施例中拾取头可以针对任何结合应用来工作，不管结合材料的性质。例如，自对准拾取头可以被应用于结合非导电粘合剂晶片背面涂层，导电粘合剂背面涂层，焊接材料或者任何类型的扩散焊接材料。

尽管本发明及其优点已经被详细地描述，应该理解到可以在不脱离如由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下在本文中作出各种变化，替代和改变。

而且，本申请的范围不旨在被限制到在说明书中描述的工艺，机器，制造，物质的组分，装置，方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员从本发明的公开中将容易地领会到的，可以根据本发明利用与本文描述的对应实施例执行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的目前存在的或以后被开发的工艺，机器，制造，物质的组分，装置，方法，或步骤。因此，所附的权利要求旨在包括在其范围内的这样的工艺，机器，制造，物质的组分，装置，方法，或者步骤。

Claims (16)

1.一种拾取头，包括：

包括第一端部分和第二端部分的喷嘴；和

基部工具；

保持所述喷嘴的盖，使得所述喷嘴的第一端部分延伸到所述基部工具中，其中所述喷嘴的第一端部分和所述基部工具用于可倾斜连接，并且其中所述盖位于所述基部工具的第一侧，在该第一侧所述喷嘴延伸到所述基部工具中；以及

连接到所述基部工具的套筒头，其中所述喷嘴、所述基部工具和所述套筒头包括真空路径，并且其中所述套筒头位于所述基部工具的第二侧，所述第二侧并非所述喷嘴延伸到所述基部工具中的一侧。

2.根据权利要求1的拾取头，其中所述基部工具包括凹进并且其中所述喷嘴的所述第一端部分被放置在所述凹进中。

3.根据权利要求1的拾取头，其中所述盖是板簧。

4.根据权利要求1的拾取头，其中螺丝将所述盖安装到所述基部工具。

5.根据权利要求2的拾取头，其中所述喷嘴的所述第一端部分包括球体，并且其中所述第一端部分包括从所述球体突出的第一销钉。

6.根据权利要求5的拾取头，其中所述喷嘴的所述第一端部分包括从所述球体突出的第二销钉。

7.根据权利要求1的拾取头，其中所述真空路径在所述套筒头中分成两个或更多个真空路径。

8.一种拾取头，包括：

基部工具，包括：

第一主表面；

第二主表面；和

位于所述第一主表面与所述第二主表面之间的凹进，其中所述凹进包括球形表面的至少一部分；

包括具有球形表面的至少一部分的第一端部分和第二端部分的喷嘴；

安装在所述基部工具的所述第一主表面上的盖，其中所述盖将所述喷嘴保持在所述凹进中；以及

安装在所述基部工具的所述第二主表面上的套筒头，其中所述喷嘴的所述球形表面的所述部分被放置在所述凹进的所述球形表面的所述部分上，并且其中所述喷嘴的所述第二端部分是相对于所述基部工具可移动的。

9.根据权利要求8的拾取头，其中所述喷嘴的所述球形表面的所述部分包括从所述球形表面的所述部分中突出的销钉。

10.根据权利要求9的拾取头，其中所述销钉被配置为将所述喷嘴的所述第二端部分在任何方向上相对于基部工具的移动限制到+/-10度。

11.一种用于制造自对准拾取头的方法，所述方法包括：

将至少一个销钉放置在喷嘴的球形端部分中；

通过将盖安装在基部工具的第一主表面上来将所述喷嘴的所述球形端部分连接到所述基部工具的凹进使得所述喷嘴被保持在所述基部工具的所述凹进中；以及

将套筒头安装到所述基部工具的第二主表面；

其中所述基部工具的所述凹进位于所述第一主表面与所述第二主表面之间。

12.一种用于制造装置的方法，所述方法包括：

利用根据前述权利要求1-10中的一项的拾取头拾取管芯；

将所述管芯放置在管芯载体上；

将所述管芯结合到所述管芯载体上；和

包封所述管芯。

13.根据权利要求12的方法，其中结合包括将所述管芯扩散焊接到所述管芯载体。

14.根据权利要求12的方法，其中结合包括将所述管芯粘性结合到所述管芯载体。

15.根据权利要求12的方法，进一步包括将所述载体单体化成包封的单一管芯。

16.根据权利要求12的方法，其中所述拾取头包括被用万向架固定的拾取头。