CN1384537A - 以倒装片形式在基片上安装半导体芯片的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于在基片(2)上以倒装片形式安装半导体芯片(1′)的装置,该装置包括用于倒转半导体芯片(1′)的倒转设备(6)。该倒转设备(6)构成一个由支撑架(10),第一和第二旋臂(11,12)及连接臂(13)组成的平行四边形结构(10,11,12,13)。在连接臂(13)上设置有一个芯片抓爪器(16)。驱动系统(15,18,19)使得所述平行四边形结构(10,11,12,13)来回移动,这种来回移动在所述芯片抓爪器(16)接收半导体芯片(1′)的第一限制位置和该芯片抓爪器(16)在基片(2)上安装半导体芯片(1′)的第二限制位置之间进行。

Description

以倒装片形式在基片上安装半导体芯片的装置
发明领域：
本发明是关于一种以倒装片(flipchip)形式在基片上安装半导体芯片的装置。
背景技术：
市场上有两类安装倒装片的仪器，即一种是所谓的拾取和安装机，这种仪器确保了在基片上安装倒装片的高精度但相对较慢，还有一种是所谓的粘片机(die bonder)，这种仪器可达到较高生产率但精度较低。这两种方法的共同之处在于，首先用已知的升降舵装置(flipper)把待倒转的芯片从粘附并延伸到金属薄片的晶片上取出，然后将其倒转，最后由拾取和安装系统将该芯片移动到基片并安装在该基片上。
发明概述：
本发明的目的在于设计一种用于在基片上快速和高精度地安装倒装片的倒装片安装装置。
所述的任务通过本发明权利要求1的特征解决。
本发明的起点是一种已知的自动装配仪器，例如欧洲专利申请EP 923 111中所述的粘片机(由编号为DB 2008的申请人出售)。半导体芯片与一片可延展的，卡紧在晶片环上的金属薄片粘接。通过一个晶片架把所述晶片环沿两个正交方向放置。利用这种粘片机，由所述晶片架在预定的位置A处提供半导体芯片，由拾取和安装系统拾取该半导体芯片并将其安装在基片上的预定位置B处，所述拾取和安装系统带有一个来回高速运动的连接头(bondhead)。根据本发明，现在可预见用倒转半导体芯片的倒转设备对这类粘片机进行扩展。所述倒转设备在位置B处从所述连接头中接过半导体芯片，将该半导体芯片输送到位置C，并在从位置B到位置C的输送过程当中倒转半导体芯片，然后在位置C处以倒装片形式将该半导体芯片安装在基片上。所述倒转设备设计为平行四边形结构。该平行四边形结构包括一个支撑架，第一和第二旋臂以及一个连接臂。在所述连接臂上设有一个芯片抓爪器(clip gripper)。一个驱动系统使所述平行四边形结构来回移动，这种来回移动在所述芯片抓爪器接过半导体芯片的第一限制位置和该芯片抓爪器安装半导体芯片的第二限制位置之间进行。
附图简要说明：
下面将根据附图详细地说明本发明的倒转设备的一个实施例。
图1示出了具有用于倒转半导体芯片的倒转设备的粘片机；
图2示出了所述倒转设备的细节；
图3A-C示出了所述倒转设备的不同状态；
图4，5示出了具有一个力单元(force unit)的另一种倒转设备；
图6示出了所述力单元。
实施例详细说明：
图1示意性地示出了用于在基片2上放置半导体芯片1的一个粘片机的平面图。x，y和z表示笛卡尔坐标系的三个坐标轴，据此z轴相应于垂直方向。该粘片机包括一个用于沿x方向(也可选择沿y方向)输送基片的输送系统3。一个合适的输送系统是例如欧洲专利申请EP 330 831所述的系统。最好在位置A处把半导体芯片1一个接一个地放到晶片架4上。一个拾取和安装系统5，例如欧洲专利EP 923111所述的拾取和安装系统在位置A处拾取半导体芯片1并将其输送到基片2上方的位置B处，在此所述拾取系统把半导体芯片1传送给倒转设备6。该倒转设备6把所述半导体芯片倒转180°并将其以倒装片形式安装在位置C处。所述倒转设备6最好设计为在从位置B到位置C的输送过程中可校正待安装半导体芯片1的任何位置误差。
图2详细地示出了所述倒转设备6的透视图。该倒转设备包括一个刚性设置的支撑7，一个可延垂直方向8在支撑7上移动的导轨9，由该导轨9支承着的一个可绕垂直轴A1旋转的支撑架10，由该支撑架10支承的两个相同的旋臂11和12，连接所述两个旋臂11和12的第一和第二连接臂13和14，用于旋转两个旋臂11和12的驱动系统15，安装在第一连接臂13上的芯片抓爪器16，以及用于使第一连接臂13绕其纵轴旋转并由此使得所述芯片抓爪器16旋转180°的驱动器17。
所述支撑架10具有两个以相隔距离为A设置的支撑轴A2和A3，支承着所述第一旋臂11和第二旋臂12的一端。所述第一连接臂13也具有两个垂直的相隔距离为A设置的支撑轴A4和A5，支承着所述第一旋臂11和第二旋臂12的另一端。所述支撑架10，两个旋臂11和12以及第一连接臂13形成一个平行四边形结构。
驱动系统15主要包括一个可绕垂直轴A6旋转的曲柄18和一个一端由所述曲柄18外端支承另一端由第二连接臂14支承的驱动杆19。该第二连接臂14的一端通过垂直运动的连接轴A7由旋臂11支承，另一端通过垂直运动的连接轴A8由旋臂12支承。参照标记为A9和A10的所述驱动杆19的支撑轴也做垂直运动。支撑轴A1与支撑轴A2之间的距离为B。支撑轴A10与支撑轴A7之间的距离为B。芯片抓爪器16安装在第一连接臂13上，离支撑轴A4的距离为B。因此所述支撑轴A1，A10及芯片抓爪器16位于和所述旋臂11及12平行的直线上。支撑轴A7和A8安装在与支撑轴A2和A3相距为C处，以便所述第二连接臂14平行于所述支撑架10和所述第一连接臂13。这种平行四边形结构的优点是第一连接臂13总是与支撑架10平行。由此可通过支撑架10的校正移动完全消除半导体芯片1的任何位置误差。
所述驱动系统15使得所述芯片抓爪器16在第一和第二限制位置之间来回移动，所述限制位置最好通过所述曲柄18和驱动杆19的延伸位置机械性地限定。“延伸位置”意指所述曲柄18和所述驱动杆19指向同一方向，即支撑轴A6，A9和A10位于一条直线上。这样做的好处是驱动系统15的任何位置误差实际上不影响所述芯片抓爪器16的位置。
图3A示意性地示出了处于第一限制位置的所述平行四边形结构的平面图。而且所述支撑架10与x轴平行。在此位置，上表面有隆起物的，由拾取和安装系统(图1)输送的半导体芯片1′被传送到所述倒转设备，即该半导体芯片1′由拾取和安装系统5的一个连接头(bondhead)面朝上放在芯片抓爪器16上并最好利用真空装置固定在此。这样半导体芯1′上的隆起物就朝上了。然后，如图3A中的半导体芯片1′可能相对于其在基片上的设置位置移动矢量距离Δx，Δy并相对于x轴旋转一个角度Δθ。用Δθ表示的半导体芯片1′的角度误差可通过绕旋转轴A1转动所述支撑架10来校正。为此以轴A10作为参照。图3B示出了支撑架10相对于其初始位置旋转一个角度-Δθ时的平行四边形结构。现在半导体芯片1′就和x方向平行了。旋臂11和12的方向暂时不变。由矢量Δx，Δy所表示的半导体芯片1′的位置误差例如可通过基片沿x方向和y方向的校正移动消除。另外，支撑7对导轨9的支承方式除了可使导轨垂直移动外，还可能使导轨沿x方向和y方向移动。由此可想到例如用两个精密控制器控制导轨9相对于支撑7在x方向和y方向移动，移动的距离通常为10到100微米。这些校正移动在芯片抓爪器16把半导体芯片1′放到基片2(图1)上之前发生。
现在来看驱动系统15使平行四边形结构处于第二限制位置时的，其中曲柄18旋转根据所选择的几何关系所确定的一个角度，直到曲柄18和驱动杆19位于第二限制位置。图3C示出了该第二限制位置。半导体芯片1′的定位不因平行四边形结构的移动而改变。
也可以用弹性驱动系统替换利用两个延伸位置工作的驱动系统15，所述弹性驱动系统可在第一限制位置使所述平行四边形结构实现第一停止并在第二限制位置使所述平行四边形结构实现第二停止。但必须经由轴A10施加驱动力，因为轴A10必需作为校正可能的角度误差Δθ的参照。
不同的移动从所述平行四边形结构的第一限制位置到第二限制位置都是与其偏移相平行的：
a)利用驱动器17将芯片抓爪器16旋转180°以使半导体芯片1′的隆起物朝下。
b)导轨9沿垂直方向8升起并再降下，以防止随芯片抓爪器16旋转的半导体芯片1′碰到基片。
c)通过旋转支撑架10校正半导体芯片1′的可能角度误差。由此所述支撑架10的旋转移动无偏差地加到半导体芯片1′上。
d)通过基片2或由精密控制器控制的导轨9的适当的校正移动校正半导体芯片1′可能的角度误差。
一旦所述平行四边形结构到达其第二限制位置，所述导轨9就下降到基片2上方或其上放有基片2的支撑板上方预定高度H处。一旦半导体芯片压到基片2上，芯片抓爪器16就由于弹簧的反作用力而相对于导轨9弯曲。高度H的设定以可用一个预定的粘接力把半导体芯片压接在基片2(图1)上为准。(这个过程通常称为越程)。
在该第一实施例中，当晶片架在位置A处提供了半导体芯片1(图1)后，通过安装在位置A上方的第一相机获得该半导体芯片的位置，即当该芯片在位置A处被拾取的紧前时刻获得其位置。也可利用第二相机在位置C处测量基片2。从这些数据可计算半导体芯片相对于其在基片2上设定的实际位置的可能偏离，并如上所述在把芯片安装在位置C之前校正这一偏离。
为了增加放置的精度，在另一个实施例中可想到在位置B上方安装相机以便所述芯片抓爪器16位于该相机的视野内，且仅当所述半导体芯片1′由倒转设备的芯片抓爪器16抓持住时计算该芯片的位置。这一技术方案的优点是在芯片抓爪器16把半导体芯片1′放在基片2上之处对该半导体芯片进行测量。
对于特定的应用，必需用相对较高的粘接力把半导体芯片1′安装在基片上。此时，粘接力不是从导轨9经过旋臂11和12传送到芯片抓爪器16，而是更优地利用如图4和图5所示刚性地连接在旋臂11上的力单元26来传送。图4示出了在第一限制位置的倒转设备，其中芯片抓爪器16预备接收下一片半导体芯片。在该限制位置，力单元26位于芯片抓爪器16的后方以便可利用拾取和安装系统5(图1)把所述半导体芯片容易地放到芯片抓爪器16上。图5示出了处于第二限制位置的倒转设备，此时已倒转的半导体芯片安装在了基片2(图1)上。通过第一旋臂11的旋转，可以改变该力单元26相对于所述芯片抓爪器16的位置，这样，力单元26现在就直接位于芯片抓爪器16的上方了。所述力单元26具有一个可沿垂直方向移动的活塞，该活塞可用气动、液动或机电方法驱动。应当用预定的粘接力把半导体芯片安装在基片上，该粘接力对于特定的应用可能相对很大。为达此目的，降低所述力单元26的活塞以便其用预定的粘接力把芯片抓爪器16压在基片2上。
在如图6示意性示出的优选设计中，所述活塞是一个压力汽缸27，一个预定压力加到该汽缸上，该汽缸处于中间位置时靠在所述力单元26的一个挡块28上。为了产生粘接力，力单元26与芯片抓爪器26协同工作的过程如下：如上所述，在平行四边形结构的第二限制位置处，所述力单元26位于所述芯片抓爪器16上方。导轨9如上所述下降至预定的高度H处以便安装半导体芯片。一旦半导体芯片碰到基片2(图1)，就在基片2和半导体芯片之间产生力并使得芯片抓爪器16向上弯曲。由此芯片抓爪器16的上端在压力活塞27内部停住。所述高度H是预定的因而在任何情况下压力活塞27都相对于力单元26弯曲，从而使半导体芯片压在基片2上的力相当于预定的粘接力。该实施例的优点在于所述粘接力与基片2的厚度偏差无关。
由于两个旋臂11，12的来回移动，且因为校正角度Δθ的可能性，第二连接臂14扩展了由支撑架10，第一旋臂11，第二旋臂12和连接臂13构成的平行四边形结构。从机械角度来说，这就产生了冗余并需要一种松支承(loose bearing)，即允许第一连接臂13或第二连接臂14有一定的间隙(play)。第一连接臂13和支撑轴A5之间最好为松支承。

Claims (13)

1.一种用于在基片(2)上以倒装片形式安装半导体芯片(1′)的装置，包括：
用于倒转半导体芯片(1′)的倒转设备(6)，所述倒转设备(6)由一个支撑架(10)，第一和第二旋臂(11，12)及一个连接臂(13)所组成的一个平行四边形结构(10，11，12，13)构成，所述装置还包括一个设置在所述连接臂(13)上的芯片抓爪器(16)，以及
驱动系统(15，18，19)，用于使所述平行四边形结构(10，11，12，13)来回移动，这种移动在芯片抓爪器(16)接收半导体芯片(1′)的第一限制位置和该芯片抓爪器(16)在基片(2)上安装半导体芯片(1′)的第二限制位置之间进行。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述平行四边形结构(10，11，12，13)设置在可沿垂直方向(8)移动的导轨(9)上，且支撑架(10)可绕垂直旋转轴(A1)相对于所述导轨(9)转动。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述平行四边形结构(10，11，12，13)的第一限制位置和第二限制位置利用所述驱动系统(15，18，19)的延伸位置机械地限定。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述平行四边形结构(10，11，12，13)的第一限制位置和第二限制位置利用所述驱动系统(15，18，19)的延伸位置机械地限定。
5.如权利要求1所述的装置，其中在第一旋臂(11)上设置一个力单元(26)，用于提供当把半导体芯片(1)安装在基片(2)上时两者之间将产生的力。
6.如权利要求2所述的装置，其中在第一旋臂(11)上设置一个力单元(26)，用于提供当把半导体芯片(1)安装在基片(2)上时两者之间将产生的力。
7.如权利要求3所述的装置，其中在第一旋臂(11)上设置一个力单元(26)，用于提供当把半导体芯片(1)安装在基片(2)上时两者之间将产生的力。
8.如权利要求4所述的装置，其中在第一旋臂(11)上设置一个力单元(26)，用于提供当把半导体芯片(1)安装在基片(2)上时两者之间将产生的力。
9.如权利要求5所述的装置，其中所述力单元(26)具有一个压力活塞(27)，在其上可施加一个预定的压力，当把半导体芯片(1′)安装在基片(2)上时所述压力活塞作用于所述芯片抓爪器(16)上。
10.如权利要求6所述的装置，其中所述力单元(26)具有一个压力活塞(27)，在其上可施加一个预定的压力，当把半导体芯片(1′)安装在基片(2)上时所述压力活塞作用于所述芯片抓爪器(16)上。
11.如权利要求7所述的装置，其中所述力单元(26)具有一个压力活塞(27)，在其上可施加一个预定的压力，当把半导体芯片(1′)安装在基片(2)上时所述压力活塞作用于所述芯片抓爪器(16)上。
12.如权利要求8所述的装置，其中所述力单元(26)具有一个压力活塞(27)，在其上可施加一个预定的压力，当把半导体芯片(1′)安装在基片(2)上时所述压力活塞作用于所述芯片抓爪器(16)上。
13.如权利要求1-12中任何一项所述的装置，其中所述装置为一个粘片机，该粘片机包括一个用于从晶片架(4)上拾取半导体芯片(1)并将其输送到所述倒转设备(6)的拾取和安装系统(5)。
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