CN1956144A - 重量轻的键合头组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种键合头组件，其包含有：键合体，其用于安装键合工具；支撑结构，其被设置驱动来移动该键合头组件到不同位置；柔性元件，其沿着耦接该键合体和支撑结构的至少一个平面大体设置，以在相对于支撑结构移动期间柔性支撑键合体；以及和该支撑结构相耦接的马达，其有效驱动该键合体以沿着大体垂直于该至少一个平面延伸的轴线相对于支撑结构移动。

Description

重量轻的键合头组件

技术领域

本发明涉及一种键合头组件(bondhead assmebly)，如晶粒键合机中用于固定拾取放置工具的键合头组件。

背景技术

在半导体封装过程中，半导体芯片或晶粒常常被安装于衬底或在载体上进行处理。半导体晶粒可能被直接放置于衬底的表面，或者例如在叠层晶粒(stacked dice)的配置中，它们被放置于其他晶粒之上。在半导体晶粒和衬底或另外的晶粒分离之后，在下游流程中整个器件通常被灌封。

晶粒键合机被用来拾取这些半导体晶粒(它们通常是从晶圆上切割下来)，此后将其放置于衬底、载体或其他晶粒上。这种晶粒键合机具有键合头组件以固定和设置使用于这些拾取放置处理中的晶粒拾取或晶粒键合工具。

由于随着使用的半导体晶粒尺寸变得不断小型化，晶粒键合机上的要求也变得更加严格(exacting)，在其他的考虑中，小和/或薄的晶粒更加容易破碎，在处理时需要更多的谨慎。目前的晶粒键合系统缓慢地渐渐变得不能够满足这些要求。

图1是用于晶粒键合机的传统键合头110的侧视剖视图。通常它包含有由一支撑结构104装载的键合体102。该键合体102通过支撑结构104的提升和降低而被驱动来沿着垂直轴线移动，并通过一可调的弹性柱(spring post)106被安装到支撑结构104上，其在该可调的弹性柱106和键合体102之间还具有预压弹簧108。当键合头100处于就绪(standby)位置时，该预压弹簧108将键合体102朝向支撑结构104偏置。而且，通过可沿转轴112移动的保持架轴承(cagebearing)110引导键合体102和支撑结构104之间的相对运动。

键合体102上固定有拾取放置工具114，该拾取放置工具114可有效地从拾取位置拾取晶粒，然后在放置位置放置该晶粒和/或键合它们。该拾取放置工具114通常为夹体组件的形式。连接到拾取放置工具114的真空输出通道(vacuum outlet)116被使用，在此将使用真空吸力拾取晶粒。在图1中，由拾取放置工具114所固定的晶粒118正被放置于衬底120上，晶粒118可能使用粘胶带或其他装置贴附于衬底120上。就绪时位于键合体102端部的接触型传感器122和支撑结构104的一局部相接触。当支撑结构104向下移动而在拾取放置工具114被阻止进一步向下移动时，该接触型传感器122断开和支撑结构104的接触。该接触型传感器122的断开标示了拾取放置工具114已经和一相对固定的表面形成了接触，从而晶粒118和衬底120也形成了接触。而且支撑结构104的降低通过预压弹簧108施加力的方式向晶粒118提供了键合力。

在这种传统的键合头设计中，使用接触型传感器122来感测晶粒的接触。包含前述键合头的总移动质量约为17克。如此大的移动质量的一个缺点是从拾取放置工具114上施加了一个相对较大的冲击力于晶粒118。这可能引起拾取放置工具114的寿命缩短和频繁的晶粒损坏。如果放置晶粒于衬底120上的过程中定位速度降低以便于减少冲击力，那么接下来会是加工产量本质上的降低。由于保持架轴承110中的静摩擦进一步限制了均匀的特性，以至于保持架轴承110和转轴112之间的摩擦力导致需要来启动相对运动的力将会是非均匀的。而且，接触型传感器122的使用可能如此带来接触型传感器自身的难题，例如污染和磨损。开发一种和前述现有的键合头100相比更加轻便、更加可靠的键合头是令人期望的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种和现有技术相比重量更轻的键合头，并且避免前述现有键合头存在的上述缺点的至少一部分。

相应地，本发明提供一种键合头组件，其包含有：键合体，其用于安装键合工具；支撑结构，其被设置驱动以移动该键合头组件到不同位置；柔性元件，其沿着至少一个平面大体设置而耦接该键合体和支撑结构，以在相对于支撑结构移动期间柔性支撑键合体；以及和该支撑结构相耦接的马达，其有效驱动该键合体以沿着大体垂直于该至少一个平面延伸的轴线相对于支撑结构移动。

参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细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

根据本发明所述的键合头组件的实施例现将参考附图加以描述，其中：

图1所示为用于晶粒键合机的传统键合头的侧视剖视图；

图2所示为根据本发明较佳实施例所述的用于晶粒键合机的键合头组件的立体示意图；

图3所示为沿着图2的A-A剖面该键合头组件在其装置或就绪位置时的侧视剖视图；

图4所示为根据图3所示的键合头组件在其拾取晶粒的向下动作中的侧视剖视图；

图5所示为根据图3所示的键合头组件在其向上动作中的侧视剖视图，此时晶粒已经被拾取并开始被移动到另一个位置；

图6所示为根据本发明较佳实施例所述的键合头组件中，适合容置其中的平面柔性体(plain flexure)范例的立体示意图；以及

图7所示为根据本发明较佳实施例所述的键合头组件中，适合容置其中的翼型柔性体(winged flexure)范例的立体示意图。

具体实施方式

图2所示为根据本发明较佳实施例所述的用于晶粒键合机的键合头组件10的立体示意图。它包含有使用柔性元件，例如两组柔性体16、18和一支撑结构14相连的键合体12，以在相对于支撑结构14移动期间柔性支撑键合体12。该柔性体16、18较佳地沿着两个平面设置，以便于一组柔性体16朝向键合体12的顶部附着，另一组柔性体18朝向键合体12的底部附着。该第一、第二平面相互平行设置。可以选择地，一组柔性体可以被如此使用，即柔性体仅仅按照一个平面来设置，但是这样可能导致较低的侧向和旋转刚度(rigidity)。

以夹体22形式存在的键合工具被安装在键合体12上，并被设置来随着键合体12移动。该键合工具可能是晶粒拾取放置工具或者晶粒键合工具。设置来向键合体12和夹体22直接提供移动的一马达，较佳地为音圈马达20，被安装于支撑结构14上。该键合体12可使用音圈马达20沿着一轴线上下驱动，该轴线的延长线大体垂直于柔性体16、18所设置的平面，并相应地依次驱动夹体22。真空输出通道24和夹体22流畅地(fluidly)相连，以使得该夹体能够通过真空吸力的方式拾取半导体晶粒。另外，编码器26有益地设置于支撑结构上，以便于监控键合体12的移动。

支撑结构14被设置来通过马达(未示)被驱动，以移动键合头组件10到不同的位置，如晶粒拾取位置和晶粒键合位置之间。在夹体22由音圈马达20进一步驱动以拾取或键合晶粒以前，支撑结构14通常将会驱动定位键合头组件10于期望位置的上方。键合体12和夹体22被设置来朝向一表面仅仅上下驱动，与此相反，支撑结构14被设置来在笛卡儿坐标系统(Cartesian coordinate system)的全部三个轴向上驱动，以在期望位置的上方定位夹体22。

图3所示为沿着图2的A-A剖面该键合头组件10在其装置或就绪位置时的侧视剖视图。在该视图中，音圈马达20可看出包含有磁性回路元件(magnetic circuit component)，如安装于支撑结构14上以形成磁性回路的永磁体26，和音圈元件，其包括安装于键合体12上的音圈28。值得注意的是，反过来永磁体26可安装在键合体12上，此时音圈28可安装在支撑结构14上。音圈28被使用来相对于永磁体26移动，以通过电磁作用驱动键合体12。在这样的就绪待命位置，柔性体16、18的方位是相对水平的。为了获得更大的刚性，柔性体16、18被设置于音圈马达20的相对两侧。

来自音圈马达20的驱动力最好被安排在一个平面上，该平面正交于柔性体16、18所设置的平面并通过它们的中点。要注意的一点是夹体22、音圈马达20、和此后的驱动力，均被大体相对于柔性体16、18中央设置和距柔性体16、18的每边侧距离大体相等。这通过限制柔性体16、18除了是在垂直方向上的柔性提高了移动的精确度。夹体22最好是和音圈马达20共轴安装，以便于高效的马达驱动力直接通过夹体22传递。

图4所示为根据图3所示的键合头组件10在其拾取晶粒30的向下动作中的侧视剖视图。使得电流流过音圈28，以致于音圈28通过电磁作用相对于永磁体26产生移动。在这种情形下，音圈28以背离永磁体26的方向移动，籍此将夹体22向下投向停留于表面32上的晶粒30。

当键合体12相对于支撑结构14相应移动时，键合体12的移动使得柔性体16、18在晶粒30的方向上产生变形。较合适地，支撑结构14在整个这种移动中保持相对静止。编码器26也可通过参考位于和键合体12相耦接的标尺27上的标记来监控键合体12所移动的距离。监控键合体12的移动提高了夹体22的灵活驱动。当夹体22距晶粒30足够近或者是与其相接触时，通过真空输出通道24将真空吸力打开以使用真空吸力固定晶粒30。

在这种配置中使用音圈马达20的另一个优点是：在夹体22向下移动过程中夹体22和晶粒30的接触可通过音圈28所流经电流在预定水平上的突变(sudden surge)得以检测。开始时，音圈28中的电流仅仅需要足够克服柔性体16、18的抵抗。但是，当夹体22和停留在相对固定的表面32上的晶粒30相接触时，电流的波动变化将会导致夹体22设法克服来自表面32的反作用力。因此，不使用现有技术中独立的接触型传感器，夹体22和晶粒30的接触就得以检测。

图5所示为根据图3所示的键合头组件10在其向上动作中的侧视剖视图，此时晶粒30已经被拾取并开始被移动到下一个位置。为了实现它，音圈28中的电流与用来降低夹体22的电流方向相反，以便于音圈28朝向永磁体26的方向移动。当夹体22固定晶粒30的同时向上移动收回夹体，并将该晶粒抬离表面32。

当键合体12向上移动时，柔性体16、18也在背离表面32的方向向上变形。当夹体22固定在晶粒30上时接合头组件10现被移动到放置位置，以进行晶粒30的放置。

图6所示为根据本发明较佳实施例所述的键合头组件10中，适合容置其中的平面柔性体16a、18a范例的立体示意图。该平面柔性体16a、18a由四个设置于同一个平面上的柔性臂36组成，并固定成型于一个普通的矩形或者正方形。在安装时，两个柔性臂36在键合体12和支撑结构14之间延伸，如图所示，相互在空间上隔离开来。该柔性体可以用任何合适的材料制成，包括不锈钢或铍铜合金(berylliumcopper)。在柔性臂36的每个角落上形成有安装孔38，以将其大体装配于键合体12或支撑结构14上。

图7所示为根据本发明较佳实施例所述的键合头组件10中，适合容置其中的翼型柔性体16b、18b范例的立体示意图。该结构和平面柔性体16a、18a的结构近似，除了增加翼型凸缘40以外。这些翼型凸缘40最好是沿着柔性臂36的至少两边侧形成，并垂直于该柔性体16b、18b的平面向外延伸。它们有助于增加翼型柔性体16b、18b横向和扭转刚度，其是相抵于和柔性体16b、18b的平面相平行的横向移动42，以及围绕平行于翼型凸缘40运转的轴线的旋转运动44。翼型柔性体16b、18b的移动必不可少地集中于平行于凸缘40的平面的方向。而且，翼型凸缘40有助于避免柔性体16b、18b的弯曲。尽管以前所述，值得注意的是，上述仅仅是随同本发明有益使用的柔性体16b、18b的示例，但是这些叙述并不意味着全部穷尽。

值得注意的是，本发明较佳实施例中柔性轴承(flexure bearings)的使用有助于减少键合头组件的重量以便于它更轻。与传统键合头100达17克以上相比较，这种键合头组件10为5克以下的重量是可以实现的。使用更轻的键合头组件，在不必须减少加工产量的情形下，与待拾取和放置晶粒的冲击得以减少。

而且，由于音圈马达20的驱动力被安排在一个平面上，该平面正交于柔性体的平面并通过它们的中点，因此这有助于确保柔性体16、18上对称均匀的负载。另外，音圈马达20和键合工具或夹体22共轴，其导致马达的驱动力直接通过夹体轴线传递，而不需要通过柔性体16、18延滞该驱动力。这种方法有助于避免由于柔性体16、18的变弯曲的原因而引起的失败风险。

此处描述的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/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (15)

1、一种键合头组件，其包含有：

键合体，其用于安装键合工具；

支撑结构，其被设置驱动以移动该键合头组件到不同位置；

柔性元件，其沿着至少一个平面大体设置而耦接该键合体和支撑结构，以在相对于支撑结构移动期间柔性支撑键合体；以及

和该支撑结构相耦接的马达，其有效驱动该键合体以沿着大体垂直于该至少一个平面延伸的轴线相对于支撑结构移动。

2、如权利要求1所述的键合头组件，其中，该马达包括音圈马达，该音圈马达具有被设置来进行电磁作用的音圈元件和磁性回路元件，并且其中一个元件安装到键合体上，而另一个元件安装到支撑结构上。

3、如权利要求2所述的键合头组件，其中，该音圈马达如此设置：键合工具和一相对固定表面的接触通过音圈元件所流经电流在预定水平上的变化而得以检测。

4、如权利要求1所述的键合头组件，其中该马达在相对于柔性元件的中央设置，以便于该马达被设置来提供位于一个平面上的驱动力，该平面正交于柔性元件的该至少一个平面。

5、如权利要求4所述的键合头组件，其中，该马达被进一步如此设置：所提供的驱动力大体通过柔性元件的该至少一个平面的中点传递。

6、如权利要求1所述的键合头组件，其中，该键合工具和该马达大体共轴安装，以致于来自该马达的有效驱动力直接通过该键合工具传递。

7、如权利要求1所述的键合头组件，其中，该柔性元件包括第一组柔性体和第二组柔性体，该第一组柔性体沿着第一平面设置，该第二组柔性体沿着平行于该第一平面的第二平面设置。

8、如权利要求7所述的键合头组件，其中，该第一平面和第二平面设置于该马达的相对两侧。

9、如权利要求1所述的键合头组件，其中，该柔性元件包括至少两个相互分离的柔性臂。

10、如权利要求9所述的键合头组件，其中，该柔性元件包括四个位于同一个平面上、设置于正方形或矩形中的柔性臂。

11、如权利要求1所述的键合头组件，其中，该柔性元件还包括凸缘，该凸缘延伸垂直于该至少一个平面，该平面上设置有该柔性元件。

12、如权利要求1所述的键合头组件，其中，该柔性体由不锈钢或铍铜合金制成。

13、如权利要求1所述的键合头组件，该键合头组件还包含有编码器，该编码器被设置来监控该键合体相对于该支撑结构的移动。

14、如权利要求13所述的键合头组件，该键合头组件还包含有具有标记的、和键合体相耦接的标尺，以提供参考而由该编码器确定键合体所移动的距离。

15、如权利要求1所述的键合头组件，其中，该键合工具为晶粒键合器件或者晶粒拾取放置器件。

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