CN110834141A - 焊接头组件、热压焊接系统及其组装和操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于将半导体元件焊接至基板的焊接头组件。焊接头组件包括基座结构、加热器、以及将加热器固定至基座结构的夹持系统。夹持系统包括多个弹性元件，沿着多个轴线约束加热器。

Description

焊接头组件、热压焊接系统及其组装和操作方法
本申请是于2016年2月26日递交的申请号为201610107787.0、发明名称为“焊接头组件、热压焊接系统及其组装和操作方法”的中国发明专利申请的分案申请。
交叉相关申请
本申请要求2015年2月17日递交的美国临时专利申请No.62/121,868的优选权，其全文结合在此引作参考。
技术领域
本发明涉及半导体封装中的电互连的形成，并且更具体地讲涉及改进的热压焊接系统及其操作方法。
背景技术
在半导体封装工业的特定方面中，半导体元件被焊接至焊接部位。例如，在传统的管芯贴装(也称为管芯焊接)应用中，半导体管芯被焊接至基板的焊接部位(例如，引线框架、堆叠的管芯应用中的另一个管芯、隔块等)。在先进的封装应用中，半导体元件(例如裸半导体管芯、封装好的半导体管芯等)被焊接至基板的焊接部位(例如引线框架、PCB、载体、半导体晶片、BGA基板等)。导电结构(例如导电凸点、导电垫、焊料凸点、导电柱、铜柱等)在半导体元件与焊接部位之间提供电互连。在特定的应用中，这些导电结构可以提供与采用焊线机形成的线圈类似的电互连。
在许多应用(例如，半导体元件的热压焊接)中，焊料被包含在导电结构中。在多个这样的处理中，热量被施加至正在被焊接的半导体元件(例如，通过承载焊接工具的焊接头组件中的加热器)。重要的是，热量的施加快速地完成以使得机器产能(例如UPH或单位每小时)处于可接受的级别。这可能是有挑战性的，因为加热器(或加热器的一部分)期望地在不同的时间/部位处于不同的温度(例如在将部件从诸如晶片的源取出的过程中较冷的温度，相反在热压焊接至基板时的较热的温度)。
由于加热器的加热和冷却而导致的加热器的无法预测的膨胀和收缩将不期望地影响热压焊接应用中的定位精度。
因而，期望的是提供用于热压焊接的改进的结构和方法，以在热压焊接处理的过程中令人期望地维持加热器的相对位置。
发明内容
根据本发明的示意性实施例，提出了用于将半导体元件焊接至基板的焊接头组件(也称为“焊接头”或者“用于焊接的头”)。焊接头组件包括：基座结构；加热器；以及将加热器固定至基座结构的夹持系统，夹持系统包括沿着多个轴线约束加热器的多个弹性元件。
与这种焊接头组件有关的各种示意性细节可以包括：加热器包括接触部，所述接触部在焊接处理的过程中接触半导体元件；焊接头组件包括固定至加热器的工具，所述工具在焊接处理的过程中接触半导体元件；所述加热器由陶瓷材料形成；夹持系统的弹性元件包含这样的材料，该材料具有范围为8至10×10-6每摄氏度的热膨胀系数以及范围为5至10瓦/(米×摄氏度)的导热率；基座结构包括绝缘结构，所述绝缘结构具有范围为6至12×10-6每摄氏度的热膨胀系数以及范围为1至3瓦/(米×摄氏度)的导热率；基座结构限定至少一个真空通道，真空通过所述真空通道被抽取，以便在焊接处理的过程中将所述半导体元件临时地固定至所述加热器；所述基座结构限定至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道被构造成将冷却流体传输至所述加热器；基座结构接收电接触部，所述电接触部为所述加热器供电；所述多个弹性元件包括沿着所述焊接头组件的至少一个大致水平的轴线约束所述加热器的多个元件；所述多个弹性元件包括沿着所述焊接头组件的z轴线约束所述加热器的多个元件；夹持系统包括在所述加热器的相反两侧上布置的两个夹持结构；所述两个夹持结构中的每个夹持结构包括沿着所述焊接头组件的多个轴线约束所述加热器的多个元件之一；所述两个夹持结构中的每个夹持结构包括沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线以及所述焊接头组件的大致垂直的轴线约束所述加热器的多个元件之一；所述两个夹持结构中的每个夹持结构由单件材料形成；附加的弹性元件被固定至所述两个夹持结构中的每个，并沿着所述焊接头组件的另一大致水平的轴线约束所述加热器；所述多个弹性元件的至少一部分由所述加热器被预加载；所述多个弹性元件的那部分由所述加热器被预加载成，预加载的多个弹性元件的那部分被保持在张紧中；所述多个弹性元件的预加载的那部分沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线布置；所述多个弹性元件的预加载的那部分沿着所述焊接头组件的大致垂直的轴线布置；并且，所述多个弹性元件被构造成沿着所述焊接头组件的多个轴线中的至少一个轴线将所述加热器维持在大致平衡的状态中，以使得在所述加热器上作用的弹性力沿着所述焊接头组件的所述至少一个轴线大致相同。
根据本发明的另一个示意性实施例，提供了一种热压焊接机。热压焊接机包括：半导体元件供应工位，其包含多个半导体元件；用于保持被构造成接收至少一个半导体元件的基板的焊接工位；以及用于将所述至少一个半导体元件焊接至所述基板的焊接头组件。焊接头组件包含基座结构、加热器、以及用于将所述加热器固定至所述基座结构的夹持系统。夹持系统包含沿着多个轴线约束所述加热器的多个弹性元件。热压焊接机的焊接头组件可以包括之前段落中描述的任何各种示意性的细节。此外，热压焊接机可以包括一个或多个转移工位(例如，见图1中的转移工位170)。
根据本发明的另一示意性实施例，提供了一种焊接头组件的组装方法。所述方法包括以下步骤：使用夹持系统将加热器固定至基座结构；以及利用所述夹持系统的多个弹性元件沿着所述焊接头组件的多个轴线约束所述加热器。
与这种焊接头组件的组装方法有关的各种示意性细节可以包括：所述加热器包括用于在焊接处理的过程中接触半导体元件的接触部；所述方法还包括将工具固定至所述加热器的步骤，其中，所述工具被构造成在焊接处理的过程中接触所述半导体元件；所述加热器由陶瓷材料形成；所述夹持系统的所述多个弹性元件包含钛；所述夹持系统的所述多个弹性元件包含这样的材料，该材料具有范围为8至10(10-6/℃)的热膨胀系数以及范围为5至10(W/m·℃)的导热率；所述基座结构包含这样的绝缘结构，所述绝缘结构具有范围为6至12(10-6/℃)的热膨胀系数以及范围为1至3(W/m·℃)的导热率；所述基座结构限定至少一个真空通道，真空通过所述真空通道被抽取，以便将所述半导体元件临时地固定至所述加热器；所述基座结构限定至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道被构造成将冷却流体传输至所述加热器；所述基座结构接收电接触部，所述电接触部为所述加热器供电；所述加热器沿着至少一个大致水平的轴线利用相应的多个弹性元件被约束；所述加热器沿着所述焊接头组件的x轴线和y轴线利用相应的多个弹性元件被约束；所述加热器沿着所述焊接头组件的z轴线利用相应的多个弹性元件被约束；所述方法还包括在所述加热器的相反两侧上布置所述夹持系统的两个夹持结构的步骤；所述加热器沿着所述多个轴线使用在所述两个夹持结构的每个中包含的相应的多个弹性元件被约束；所述加热器沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线以及所述焊接头组件的大致垂直的轴线使用在所述两个夹持结构的每个中包含的相应的多个弹性元件被约束；所述两个夹持结构中的每个夹持结构由单件材料形成；所述方法还包括以下步骤：将附加的弹性元件固定至所述两个夹持结构中的每个，以使得所述加热器沿着所述焊接头组件的另一大致水平的轴线被约束；所述方法还包括以下步骤：使用所述基座结构和所述加热器至少之一预加载所述多个弹性元件中的至少一部分；所述方法还包括以下步骤：沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线布置所述多个弹性元件的预加载的那部分；所述方法还包括以下步骤：沿着所述焊接头组件的大致垂直的轴线布置所述多个弹性元件的预加载的那部分；所述方法包括以下步骤：利用所述基座结构和所述加热器至少之一预加载所述多个弹性元件中的至少一部分，以使得所述多个弹性元件的预加载的那部分被保持在张紧中；以及所述方法包括以下步骤：构造所述多个弹性元件以沿着所述多个轴线中的至少一个轴线维持所述加热器处于大致平衡的状态中，以使得在所述加热器上作用的弹性力沿着所述多个轴线的至少之一大致相同。
根据本发明的另一示意性实施例，提供了一种热压焊接机的焊接头组件的操作方法。所述方法包括以下步骤：使用夹持系统将加热器固定至基座结构，所述夹持系统包含沿着多个轴线约束所述加热器的多个弹性元件；以及与热压焊接处理相结合地操作所述加热器。
与这种焊接头组件的操作方法有关的各种示意性细节可以包括：所述方法还包括以下步骤：加热所述加热器，因而沿着至少一个大致水平的轴线使得所述加热器伸展；以及通过使用所述多个弹性元件沿着所述至少一个大致水平的轴线约束所述加热器而将伸展的加热器维持在相对于所述焊接头组件的位置；所述至少一个大致水平的轴线包含所述热压焊接机的x轴线和y轴线；将加热器固定至基座结构的步骤包括利用相应的弹性元件沿着所述热压焊接机的x轴线和y轴线约束所述加热器；所述加热器沿x轴线和y轴线至少之一的伸展导致了沿着x轴线和y轴线至少之一的相应的弹性元件中的弹性弯曲的大致均衡；所述加热器的沿着所述热压焊接机的x轴线和y轴线的中心位置在所述加热器的操作过程中被大致维持；所述方法还包括冷却所述加热器同时使用所述夹持系统维持所述加热器与所述基座结构之间接触的步骤；所述加热器与所述基座结构之间的接触通过沿着所述热压焊接机的z轴线预加载相应的多个弹性元件而得以维持；所述加热器包括接触部，用于在热压焊接处理的过程中接触半导体元件；所述方法还包括将工具固定至所述加热器的步骤，其中，所述工具被构造成在热压焊接处理的过程中接触所述半导体元件；所述加热器由陶瓷材料形成；所述夹持系统的所述多个弹性元件包含钛；所述夹持系统的所述多个弹性元件包含这样的材料，该材料具有范围为8至10(10-6/℃)的热膨胀系数以及范围为5至10(W/m·℃)的导热率；所述加热器由陶瓷材料形成；所述夹持系统的所述多个弹性元件包含钛；所述夹持系统的所述多个弹性元件包含这样的材料，该材料具有范围为8至10(10-6/℃)的热膨胀系数以及范围为5至10(W/m·℃)的导热率；所述基座结构限定至少一个真空通道，真空通过所述真空通道被抽取，以便将所述半导体元件临时地固定至所述加热器；所述基座结构限定至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道被构造成将冷却流体传输至所述加热器；所述基座结构接收电接触部，所述电接触部为所述加热器供电；所述加热器沿着所述焊接头组件的x轴线和y轴线利用相应的多个弹性元件被约束；所述加热器沿着所述焊接头组件的z轴线利用相应的多个弹性元件被约束；所述方法还包括在所述加热器的相反两侧上布置所述夹持系统的两个夹持结构的步骤；所述加热器沿着所述多个轴线使用在所述两个夹持结构的每个中包含的相应的多个弹性元件被约束；所述加热器沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线以及所述焊接头组件的大致垂直的轴线使用在所述两个夹持结构的每个中的相应的多个弹性元件被约束；所述两个夹持结构中的每个夹持结构由单件材料形成；所述方法还包括以下步骤：将附加的弹性元件固定至所述两个夹持结构中的每个，以使得所述加热器沿着所述焊接头组件的另一大致水平的轴线被约束；所述方法还包括以下步骤：使用所述基座结构和所述加热器至少之一预加载所述多个弹性元件中的至少一部分；所述方法还包括以下步骤：沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线布置所述多个弹性元件的预加载的那部分；所述方法还包括以下步骤：沿着所述焊接头组件的大致垂直的轴线布置所述多个弹性元件的预加载的那部分；所述方法包括以下步骤：利用所述基座结构和所述加热器至少之一预加载所述多个弹性元件中的至少一部分，以使得所述多个弹性元件的预加载的那部分被保持在张紧中；所述方法包括以下步骤：构造所述多个弹性元件以沿着所述多个轴线中的至少一个轴线维持所述加热器处于大致平衡的状态中，以使得在所述加热器上作用的弹性力沿着所述多个轴线的至少之一大致相同；以及所述至少一个轴线包括所述焊接头组件的x轴线以及所述焊接头组件的y轴线中的至少之一。
附图说明
本发明从结合附图阅读的以下详细说明中将更佳地得到理解。强调的是，根据通常实践，附图的各个特征并不是成比例的。相反，各个特征的尺寸为了清楚而任意地增大或减小。在附图中：
图1是根据本发明的示意性实施例的热压焊接机的各部分的框图，其包括焊接头组件；
图2A至2B是系统框架侧视图，示出了采用根据本发明的示意性实施例的包括焊接头组件的热压焊接机将半导体元件焊接至基板；
图3A是系统框架立体图，示出了根据本发明的示意性实施例的热压焊接机的下侧焊接头；
图3B至3C是系统框架立体图，示出了根据本发明的另一示意性实施例的热压焊接机的另一下侧焊接头；
图3D是热压焊接机的下侧焊接头的一部分的系统框架立体图，示出了根据本发明的示意性实施例的电连接；
图3E至3F是热压焊接机的下侧焊接头的一部分的系统框架立体图，示出了根据本发明的示意性实施例的流体流路径；
图4A至4B是热压焊接机的加热器元件的各部分的系统框架立体图，示出了根据本发明的示意性的实施例的每个加热器的相对伸展移位；
图5A至5F是系统框架图，示出了根据本发明的示意性实施例的焊接头组件的各元件；并且
图6A至6C是焊接机的各部分的系统框架侧视图，示出了根据本发明的示意性实施例的与分别处于冷却状态、中间加热状态以及热状态中的加热器接合的弹性元件。
具体实施方式
正如在此所用，术语“半导体元件”意为指的是包含(或被构造成在随后的布置包含)半导体芯片或管芯的任何结构。示意性半导体元件包括裸半导体管芯、基板(例如，引线框架、PCB、载体、半导体芯片、半导体晶片、BGA基板、半导体元件等)上的半导体管芯、封装好的半导体器件、倒装芯片半导体器件、嵌入在基板内的管芯、半导体管芯的堆栈等等。此外，半导体元件可以包括被构造成在半导体封装内焊接或以其它方式包含的元件(例如，将被焊接在堆叠的管芯结构中的隔块、基板等)。
正如在此所用，术语“基板”以及“工件”意为指的是半导体元件可以被焊接(例如，被热压焊接、被超声波焊接、被热压超声波焊接、被管芯焊接)至的任何结构。示意性基板例如包括引线框架、PCB、载体、半导体芯片、半导体晶片、BGA基板、半导体元件等。
本发明的特定的示意性方面涉及管芯贴装机的焊接头(也称为“焊头”或“焊接头组件”)，以便执行局部回流焊接管芯贴装过程。在该过程中，焊接工具将半导体元件(例如，管芯、中介片(interposer)等)放置于基板(例如，芯片、晶片等)并通过使得所放置的半导体元件上的焊盘熔化和重新固化而将半导体元件焊接至基板。该过程涉及了焊接工具快速加热和冷却(例如，100摄氏度的范围、以每秒100度的速度)同时期望地维持了该半导体元件的位置(例如，维持至个位数的微米或更小的级别)。
根据本发明的特定的方面，施加至加热器、工具以及所放置/焊接的半导体元件的焊接力(例如，沿着垂直z轴线的力)通过刚性绝缘结构被转移。另外，加热器通过平衡的弹性元件在所有其它正交方向上被支承。因为约束元件被期望地平衡，所以非对称生长将导致加热器偏向正确的中心位置。z轴线夹持元件提供了力，以使得在加压的冷却流体被施加至加热器的非芯片侧时，加热器不会自支承结构分开。
根据本发明的特定示意性方面，提供了允许被约束的加热器的全面支承的设计。因为热压焊接经常需要温度的快速改变，所以通常有利的是减小加热器的热质量。这种减小热质量的一种方式是最小化厚度(同时维持X、Y尺寸)，因而减小了被加热所需的材料的体积，这在本发明的特定方面中被实现。
根据本发明的特定的方面，公开了利用焊接头组件中的热量(用于熔化和/或软化被包含为待焊接的半导体元件的互连的一部分的焊接材料)的焊接系统(例如，热压焊接系统)。由焊接头组件所承载的焊接工具(其可以与加热器有所区别或者可以是加热器的一部分)将半导体元件放置于基板并通过使得所放置/焊接的半导体元件上的焊盘熔化和/或重新固化而将半导体元件焊接至基板。为了令焊盘熔化，期望的是(经由集成的或单独的加热器)快速地加热焊接工具，同时维持所焊接的半导体元件的位置(例如，维持于个位数的微米或更小的级别)。还期望的是能够快速地冷却焊接工具同时维持焊接工具的相对位置。因而，期望的是焊接系统(以及相关过程)能够在焊接过程的所有阶段中(例如，在加热阶段/处理过程中，在冷却阶段/处理过程中)精确控制焊接工具定位。
根据本发明的各个方面，加热器的、以及因而焊接工具的位置可以在热压焊接过程的加热阶段/处理过程中(以及冷却阶段/处理过程中)得到控制。例如，根据本发明的特定的示意性实施例，加热器通过夹持元件被约束，其中所述夹持元件用于在加热阶段(以及冷却阶段)的过程中维持加热器的中心。这转而维持了由加热器所承载的焊接工具以及由焊接工具所保持的任何半导体元件的相对位置。刚性绝缘结构承载加热器并使得焊接头组件的剩余部分与加热器的加热和冷却隔离。
当夹持元件首先接合刚性绝缘结构以及冷的加热器时，夹持元件被预加载。当加热器被加热时，加热器伸展并增加预加载的夹持元件上的载荷。夹持元件可以被认为是沿着多个轴线约束加热器的一系列弹性元件。这样，加热器在其被加热时的任何不均匀的伸展通过这一系列的弹性元件而被补偿，由于弹性元件的等同的张紧/压缩而维持/返回至基本上中性位置。
图1示出了示意性热压焊接机100。热压焊接机100包括焊接头组件100a，所述焊接头组件包含上侧焊接头104(其由运动系统102例如沿z轴线和y轴线被驱动)以及下侧焊接头106。下侧焊接头106耦联至上侧焊接头104。这样，上侧焊接头104的各种运动将导致下侧焊接头106的相应运动。此类运动例如可以通过运动系统102、和/或通过(利用未示出的相应运动系统)绕角轴线150的旋转运动而被提供、或者通过另一运动系统(未示出)被提供。下侧焊接头106包括基座结构106a(其期望地包含冷却通道，用于接收在处理的冷却阶段过程中冷却加热器的流体)、加热器106b、以及焊接工具106c。正如本领域技术人员应当清楚那样，加热器106b可以是被构造成携带并焊接半导体元件(图1中未示出)的加热式焊接工具，并且这样，单独的焊接工具106c可以省略。也就是说，术语加热器以及焊接工具可以互换地被使用，并且可以集成到单个部件中(如图3A中示出的示意性实施例中那样)或者可以是多个单独的部件(如图1、图3B至3C中示出的示意性实施例中那样)。加热器106b/焊接工具106c将半导体元件焊接至焊接工位180上的基板。在直接拾取与放置的实施例中，加热器106b/焊接工具106c可以从供应工位160(例如，提供半导体元件的半导体晶片或其它结构)拾取半导体元件，并将该元件在焊接工位180焊接至基板。在采用转移工位(或者如果多次转移出现的话多个转移工位)的实施例中，拾取工具(例如，未示出但包含在转移工位170中)将半导体元件从供应工位160拾取；半导体元件从拾取工具被转移至加热器106b/焊接工具106c(其中，这种转移可以涉及半导体元件的翻转)，并且然后，该元件在焊接工位180处被焊接至基板。
图2A示出了热压焊接机100，其包括携带半导体元件260(例如，半导体管芯)的焊接工具106c(其被包含在下侧焊接头106中)。上侧导电结构262a、262b(例如，每个包含相应的诸如铜柱的导电柱264a、264b、以及对应的焊料接触部266a、266b)在半导体元件260上设置。焊接工具106c被降低，以使得上侧导电结构262a、262b接触基板256的焊接部位256a上的下侧导电结构258a、258b(正如所知，基板可以包括多个焊接部位，所述多个焊接部位被构造成接收多个半导体元件)。在如图2所示的实例中，基板256由焊接工位180支承，其中，焊接工位180包括位于焊接台180b上的支承结构180a(例如，施加专用部件)。在图2B中，通过热压焊接处理，焊料接触部266a、266b被软化，并且然后再固化为焊料界面266a1、266b1，在导电结构/柱246a、264b之一与对应的下侧导电结构258a、258b之间提供了永久的导电联接。尽管图2A至2B示出了仅仅两对导电结构(对262a、258a以及对262b、258b)，但是这当然是为了简化解释的一种简单实例。实际上，任何数量对的导电结构可以被提供(例如，数十个导电结构对、数百个导电结构对等)。
图3A示出了示意性的下侧焊接头106(例如图1和图2A至2B中的下侧焊接头106)的细节。下侧焊接头106是包括集成的加热器106b/焊接工具106c的实例。加热器106b/焊接工具106c包括升高部106d(例如，台面或突出部)，其被构造成在热压焊接处理的过程中接触半导体元件。真空孔AA被示出在加热器106b/焊接工具106c中，通过所述真空孔，真空(负压)可以被用于在将半导体元件移动至焊接部位的过程中固定半导体元件。下侧焊接头106还包括保持结构106a，用于保持(约束)加热器106b/焊接工具106c。保持结构106a包括基座结构106a1，所述基座结构可以是绝缘体部分(这样，基座结构106a1可以被称为绝缘体部分106a1)。基座结构106a1限定至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道被构造成将冷却流体传输至加热器。保持结构106a还包括两组夹持结构106a2(位于绝缘体部分106a1的相反两侧上)，用于将加热器106b/焊接工具106c保持至绝缘体部分106a1。夹持结构106a2每个包括多个弹性元件(例如，由钛或其合金形成的弯曲部，适于在不损失弹性特性的前提下处理诸如温度变化的热压过程变量等)。在图3A所示的实施例中，每个夹持结构106a2包括(1)包含两个弹性元件106a2′(侧弹性元件)以及弯曲部106a2″(顶弹性元件)的结构(其中所有这三个弹性元件106a2′、106a2′以及106a2″可以由单件材料形成)；以及(2)弹性背板106a2″′。一起地，两个弹性背板106a2″′沿着x轴线提供了弹性约束(例如，在加热器伸出并缩回时)。两对弹性元件106a2′(4个弹性元件)一起地沿着y轴线提供了弹性约束(例如，在在加热器伸出并缩回时)。两个弹性元件106a2″一起地沿着z轴线提供了弹性约束(例如，在加热器伸出并缩回时)。例如，两个弹性元件106a2″中的每个在钛结构中限定了多个凹槽，以提供沿着z轴线的这种弹性约束。
通过两个夹持结构106a2的使用，为加热器沿着每个x、y和z轴线提供了弹性约束，因而允许加热器大致相对于其冷的(原始)位置伸展(和收缩)。
图3B至3C示出了下侧焊接头106′(其中，下侧焊接头106′可以替代图1和图2A至2B中的下侧焊接头106)，该下侧焊接头在一个实例构造中包括加热器106b′以及焊接工具106c′，它们彼此有所区别。在图3B中，焊接工具106c′与加热器106b′接合，其中，设置真空通道106b1(例如，凹槽、凹部等，如图3C所示)，自真空开口106b2提供有真空。图3C出于示意的目的示出了从加热器106b′取下的焊接工具106c′。基座结构106a1类似于图3A中的基座结构106a1，但是前者限定了如图3F所示的真空通道)。除此以外，图3B至3C的各元素(包括夹持结构106a2)与图3A类似。
图3D示出了加热器106b′与焊接工具106c′(以及为了清楚去除了下侧焊接头106′的其余部分，但是示出了电接触/连接110(连接至PCB112)，所述电接触/连接为了令加热器106b′加热而供电(并且为了携带其它电信号，例如温度传感器反馈信号)。
图3E示出了加热器/工具集成到单个结构中的实例。基座结构106a1限定多个通道，用于接收和分配冷却流体，所述冷却流体用于在冷却阶段的过程中冷却加热器106b/106c(包括加热器106b/106c的升高部106d)。图3E示出了示意性冷却流体路径。应当清楚的是，冷却路径可以由所示的那些而显著改变。尽管冷却路径被示出包含加热器/工具106b/106c的一部分，但是应当理解的是冷却路径可以被整体地包含在基座结构106a1中，其中，通过基座结构106a1与加热器/工具106b/106c之间的接触而提供冷却。
图3F示出了被设置为区别的结构的加热器和工具的实例。像在图3E中那样，基座结构106a1′限定了多个通道，用于接收和分配冷却流体，所述冷却流体用于在冷却阶段的过程中冷却加热器106b′。图3F示出了示意性冷却流体路径。图3F还示出了工具真空通道，用于使用真空将工具106c′(包含升高部106d)保持至加热器106b′。尽管冷却路径被示出包括加热器106b′的一部分，但是应当理解的是冷却路径可以被整体地包含在基座结构106a1′中，其中，通过基座结构106a1′与加热器106b′之间的接触而提供冷却。
图4A是包含处于冷却状态(400a)以及伸展的热状态(400b)中的加热器的热压焊接机的各部分的俯视系统框图，其中，图4A至4B的启示可以应用于根据本发明的任何加热器(例如，加热器/工具106b/106c、加热器106b′等)。冷的加热器400a和热的加热器400b的中心“C”点重叠，并且因而图4A示出了中心点没有运动的理想的加热器伸展。因而，同时在加热处理过程中伸展的冷的加热器400a的四个角部中的每个上施加的应力(在图4A中由4个箭头示出)是大致相等的。然而，并且如图4B所示，在冷的加热器400a被加热时，其可以非均匀地伸展，从而热的加热器400b的中心点“C2”自冷的加热器400a的中心点“C1”偏离。因而，同时在加热处理过程中伸展的冷的加热器400a的每个角部上施加的应力是不同的。热的加热器400b的这种非均匀的伸展还使得由热的加热器400b承载的(或与加热器集成的)焊接工具以及因而由该工具保持的任何半导体元件偏移。这导致了半导体元件相对于其可以焊接至的工件的不可接受的移动，并且可以导致焊接后的半导体组件中的致命的缺陷。
图5A示出了热压焊接机100(例如，热压倒装芯片焊接机)的各部分的系统框图，例如包括如图3B至3C所示的下侧焊接头106′、在刚性绝缘结构106a1′和加热器106b′的每侧上包括夹持结构106a2(包括不同的夹持元件)。加热器106b′是冷的并承载(冷的)焊接工具106c′，所述焊接工具转而可以承载用于焊接至基板(未示出)的半导体元件(未示出)。图5C示出了在接合/夹持刚性绝缘结构106a1和加热器106b′之前处于未夹持的、未加载的状态中的夹持结构106a2。每个夹持元件结构106a2的一个端部/部分“AA”由固定的表面(例如，焊接头组件的一部分)承载，并且与夹持结构106a2的相反的部分“CC”由图5C中作为弹簧结构由“BB”表示的弹性部分隔开。每个夹持结构106a2的相反的端部“CC”具有L形状，被构造成接合加热器106b′的下侧端部。在夹持结构106a2接合绝缘结构106a1和冷的加热器106b′(处预加载状态，如图5D)时，弹性部分“BB”展开以如图5D中的双向箭头所示那样使得夹持结构106a2张紧/加载(见BB′)，从而弹性部分是在张紧的状态下。夹持结构106a2的加载产生了相对大的力。
图5B示出了加热器106b′已经被加热以在X、Y和Z方向上伸展(见图例)。加热器106b′的这种伸展由加载的夹持系统(包括这对夹持结构106a2)相抗，并且产生了进一步加载的夹持元件。由加热器106b′的加热所产生的增加的力小于预加载力(图5D)。在图5D中，(沿z轴线的)预加载位移与图5E中由于加热的附加的z轴线位移相比较大。夹持系统(包括夹持结构106a2)的构造大致维持了热的加热器106b′(承载加热的工具)的中心相对于冷的加热器106b′的中心。
图5F是图5A的仰视图(其中工具被去除)。预加载的夹持结构106a2沿着冷的加热器106b′的相反两侧延伸，其中，背板106a2″′(为了清楚在图5A至5E中未示出，但见图3A至3C)重叠加载的夹持结构106a2的相反的外侧。背板106a2″′用于沿着x轴线提供弹性约束。加载的夹持结构106a2包括突出部，以沿着底表面接合并保持加热器106b′(加热器106b′的上表面抵靠着固定的表面，例如焊接头组件的一部分)。
正如本领域技术人员所清楚的，图5A至5F的启示可以应用于本发明的任何实施例。例如，夹持结构106a2可以与其它附图所示的相同，等等。
图6A至6C示出了冷的加热器600(图6A)、冷的加热器600的加热(图6B)、以及热的加热器600(图6C)的俯向系统框图，其中，图6A至6C的启示可以应用于根据本发明的任何加热器(例如，加热器106b/工具106c、加热器106b′等)。夹持结构/元件/背板的弹性构件可以简化为弹簧构件对Ky1、Ky3；Ky2、Ky4/Kx1、Kx3；以及Kx2、Kx4；然而，应当理解的是其它夹持系统(例如，之前示出和描述的夹持结构106a2可以提供如图6A至6C所示的弹簧构件对的功能)。图6A示出了弹簧构件对Ky1、Ky3；Ky2、Ky4/Kx1、Kx3；以及Kx2、Kx4同样张紧/压缩的冷的加热器600。图6B示出了正在被加热的处理的过程中的加热器600。如图所示，加热器600相对于6A至6C向右朝向弹簧Kx3、Kx4伸展；使得弹簧Kx3、Kx4压缩；使得弹簧Kx1、Kx2细长；并且向右使得弹簧Kx1、Kx2；Kx3、Kx4弯曲。弹性构件/弹簧意欲抵消所有弹性构件/弹簧中的张紧/压缩/弯曲。如图6C所示，该非均匀伸展的热的加热器600的中心“C”返回(可以维持)至冷的加热器600(图6A)的中心“C”的同一相对位置。这确保了由加热器600承载的(或者与加热器集成的)焊接工具以及由焊接工具所保持的任何半导体元件仍大致对中。
尽管本发明提供了用于沿着特定轴线弹性地约束加热器的夹持系统/结构(以及相关的弹性元件)的特定实例，但是应当理解的是这些实例是非限制性的。也就是说，在本发明的范围内对夹持结构的构造可以进行各种改变(包括弹性约束沿着每个x、y和z轴线提供弹性约束的方式)。作为特定的实例，为沿着x轴线的弹性约束所提供的背板能够以没有背板的方式被实现，例如，通过集成到夹持元件中的进一步弹簧功能。
尽管本发明的特定方面已经被示出具有特定的运动轴线，但是这些自然是示意性的。
尽管本发明参照特定的实施例被示出并被描述，但是本发明不将被限制于所示的细节。实际上，各种改型可以在权利要求书的范围和范畴内并且在不脱离本发明的前提下在细节方面被实现。

Claims (26)

1.一种用于将半导体元件焊接至基板的焊接头组件，所述焊接头组件包括：
基座结构；
加热器；以及
将所述加热器固定至所述基座结构的夹持系统，所述夹持系统包含多个弹性元件，所述多个弹性元件沿着多个轴线约束所述加热器，
其特征在于，所述多个弹性元件被构造成沿着所述焊接头组件的多个轴线中的至少一个轴线将所述加热器维持在大致平衡的状态中，以使得在所述加热器上作用的弹性力沿着所述焊接头组件的所述至少一个轴线大致相同。
2.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述加热器包括在焊接处理的过程中接触所述半导体元件的接触部。
3.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述焊接头组件包括固定至所述加热器的工具，所述工具在焊接处理的过程中接触所述半导体元件。
4.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述加热器由陶瓷材料形成。
5.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述夹持系统的弹性元件包含钛。
6.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述夹持系统的弹性元件包含这样的材料，该材料具有范围为8至10×10-6每摄氏度的热膨胀系数以及范围为5至10瓦/(米×摄氏度)的导热率。
7.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述基座结构包括绝缘结构，所述绝缘结构具有范围为6至12×10-6每摄氏度的热膨胀系数以及范围为1至3瓦/(米×摄氏度)的导热率。
8.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述基座结构限定至少一个真空通道，真空通过所述至少一个真空通道被抽取，以便在焊接处理的过程中将所述半导体元件临时地固定至所述加热器。
9.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述基座结构限定至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道被构造成将冷却流体传输至所述加热器。
10.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述基座结构接收电接触部，所述电接触部为所述加热器供电。
11.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件包括沿着所述焊接头组件的至少一个大致水平的轴线约束所述加热器的多个元件。
12.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件包括沿着所述焊接头组件的x轴线以及所述焊接头组件的y轴线约束所述加热器的多个元件。
13.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件包括沿着所述焊接头组件的z轴线约束所述加热器的多个元件。
14.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述夹持系统包括在所述加热器的相反两侧上布置的两个夹持结构。
15.根据权利要求14所述的焊接头组件，其特征在于，所述两个夹持结构中的每个夹持结构包括所述多个弹性元件中的沿着所述焊接头组件的多个轴线约束所述加热器的弹性元件。
16.根据权利要求14所述的焊接头组件，其特征在于，所述两个夹持结构中的每个夹持结构包括所述多个弹性元件中的沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线以及所述焊接头组件的大致垂直的轴线约束所述加热器的弹性元件。
17.根据权利要求16所述的焊接头组件，其特征在于，所述两个夹持结构中的每个夹持结构由单件材料形成。
18.根据权利要求16所述的焊接头组件，其特征在于，附加的弹性元件被固定至所述两个夹持结构中的每个，并沿着所述焊接头组件的另一大致水平的轴线约束所述加热器。
19.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件的至少一部分由所述加热器被预加载。
20.根据权利要求19所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件的那部分由所述加热器被预加载成，预加载的多个弹性元件的那部分被保持在张紧中。
21.根据权利要求19所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件的预加载的那部分沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线布置。
22.根据权利要求19所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件的预加载的那部分沿着所述焊接头组件的大致垂直的轴线布置。
23.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述至少一个轴线包括所述焊接头组件的x轴线以及所述焊接头组件的y轴线中的至少之一。
24.一种热压焊接机，其包括：
半导体元件供应工位，其包含多个半导体元件；
用于保持被构造成接收至少一个半导体元件的基板的焊接工位；以及
用于将所述至少一个半导体元件焊接至所述基板的焊接头组件，所述焊接头组件包含基座结构、加热器、以及用于将所述加热器固定至所述基座结构的夹持系统，所述夹持系统包含沿着多个轴线约束所述加热器的多个弹性元件，
其特征在于，所述多个弹性元件被构造成沿着所述焊接头组件的多个轴线中的至少一个轴线将所述加热器维持在大致平衡的状态中，以使得在所述加热器上作用的弹性力沿着所述焊接头组件的所述至少一个轴线大致相同。
25.一种焊接头组件的组装方法，所述方法包括以下步骤：
使用夹持系统将加热器固定至基座结构；以及
利用所述夹持系统的多个弹性元件沿着所述焊接头组件的多个轴线约束所述加热器，
其特征在于，所述多个弹性元件被构造成沿着所述焊接头组件的多个轴线中的至少一个轴线将所述加热器维持在大致平衡的状态中，以使得在所述加热器上作用的弹性力沿着所述焊接头组件的所述至少一个轴线大致相同。
26.一种热压焊接机的焊接头组件的操作方法，所述方法包括以下步骤：
使用夹持系统将加热器固定至基座结构，所述夹持系统包含沿着多个轴线约束所述加热器的多个弹性元件；以及
与热压焊接处理相结合地操作所述加热器，
其特征在于，所述多个弹性元件被构造成沿着所述多个轴线中的至少一个轴线将所述加热器维持在大致平衡的状态中，以使得在所述加热器上作用的弹性力沿着所述至少一个轴线大致相同。
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