CN218631935U - 用于检测键合设备键合力的装置及包括该装置的键合设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于检测键合设备键合力的装置及包括该检测装置的键合设备，所述键合设备包括键合工具以及键合工具夹具，该键合设备进一步包括键合力检测装置，该键合力检测装置包括：可变形安装部件，该可变形安装部件包括当键合设备通过键合工具施加键合力时会发生形变的可变形部分，以及安装在所述可变形安装部件的可变形部分上的至少一个应变式传感器，所述可变形安装部件安装在所述键合工具夹具上以使得键合工具施加键合力时所受到的反作用力传输到所述可变形安装部件的可变形部分。

Description

用于检测键合设备键合力的装置及包括该装置的键合设备

技术领域

本实用新型属于半导体键合技术领域，具体涉及一种用于检测键合设备键合力的装置以及包括该检测装置的键合设备。

背景技术

半导体键合技术是半导体封装工艺中的关键性技术，用于有效地将半导体芯片与半导体衬底或印刷电路板(PCB，printed circuit boards)结合在一起或者用于将引线与半导体芯片结合在一起以实现芯片与外界的连接。键合力，即键合头作用于键合点的垂直压力，是影响键合质量的关键性因素之一。如果键合力不足，则无法实现电子器件之间的有效结合，比如芯片无法与半导体衬底牢固结合或者引线无法与芯片紧密结合。相反如果键合力过大，则可能会导致待结合电子器件的变形或损坏，比如位于键合点下的半导体芯片或衬底的变形或损毁。虽然现有技术中已经提供了多种包括键合力检测装置或具有键合力检测功能的键合设备，但每种现有技术的键合设备存在不同的缺陷。

图1所示为包括键合力检测装置的第一现有技术键合设备100。如图1所示，该键合设备100包括键合工具110以及用于驱动键合工具100施加键合力的电动机(VCM)120。为了测试键合设备100在键合过程中向键合点施加的键合力，该键合设备100进一步包括一个电流传感器(current sensor)130 用于测量电动机120上的电流。因为电动机120的驱动电流输出值不断变化，通常具有10％的浮动范围，所以该键合设备100所产生的键合力稳定性较差，特别是在键合力较小的情况下。因此，该键合设备100不适用于生成及检测较小的键合力，比如小于30克力(gram-force，gf)的键合力。

图2所示为包括键合力检测装置的第二现有技术键合设备200。如图2所示，该键合设备200使用接近传感器(proximity sensor)201监测在键合过程中挠性弹簧板(flexurespring plate)202的位置变化，进而根据虎克定律计算获得在键合过程中施加在键合点的键合力。为了能够施加以及检测较小的键合力，挠性弹簧板202的厚度必须足够小，比如小于0.5毫米。而如此薄的挠性弹簧板202会增加在键合过程中使键合工具203处于稳定状态的难度，进而延长调整键合工具至稳定状态所需的时间。

综上所述，虽然现有技术提供了多种具有键合力检测装置的键合设备，但是无法有效实现较小的键合力的生成和检测，即现有技术的键合设备不能适用于需要较小键合力的键合过程，比如键合力小于30克力的情况。并且，现有技术的键合设备的结构复杂，制造成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种结构简单，成本较低的用于检测键合设备键合力的装置以及包括该装置的键合设备。本实用新型提供的键合力检测装置以及键合设备适用于不同键合力要求的键合过程，特别是键合力较小的键合过程，比如键合力小于30克力的键合过程。

本实用新型提供了一种用于检测键合设备键合力的装置，该装置包括可变形安装部件，该可变形安装部件包括当键合设备通过键合工具施加键合力时发生形变的可变形部分，以及安装在所述可变形安装部件的可变形部分上的至少一个应变式传感器，所述可变形安装部件安装在所述键合工具夹具上以使得所述键合工具施加键合力时所受到的反作用力传输到所述可变形安装部件的可变形部分。

本实用新型还提供了一种键合设备，该键合设备包括键合工具以及键合工具夹具，其特征在于该键合设备进一步包括键合力检测装置，该键合力检测装置包括可变形安装部件，该可变形安装部件包括当键合设备通过键合工具施加键合力时发生形变的可变形部分，以及安装在所述可变形安装部件的可变形部分上的至少一个应变式传感器，所述可变形安装部件安装在所述键合工具夹具上以使得所述键合工具施加键合力时所受到的反作用力传输到所述可变形安装部件的可变形部分。

根据本实用新型的具体实施例，为了能够更准确地进行键合力测量，所述键合检测装置可能包括两个或多个应变式传感器，其中第一应变式传感器安装在所述可变形安装部件的第一可变形表面，以及第二应变式传感器安装在所述可变形安装部件的第二可变形表面。在本实用新型的一个具体实施例中，所述第一和第二可变形表面为可变形安装部件的两个相对的表面。较佳地，所述的可变形安装部件可能包括一个六面体结构，比如长方体结构，所述第一和第二可变形表面为所述六面体结构的相对的第一和第二表面。

根据本实用新型的具体实施例，所述可变形安装部件可能包括一个贯穿其中的开口以使得该部件的可变形部分在受到由键合工具传来的键合力的反作用力时发生可检测到的形变。该开口可能包括一个中央开口，即位于所述可变形安装部件的中央。较佳地，如果该可变形安装部件包括一个六面体结构，则所述贯穿其中的开口为贯穿所述六面体结构的相对的第三和第四表面的开口。所述第三和第四表面与所述第一和第二表面可能相互垂直，比如当该可变形安装部件包括长方体结构时。所述开口可能为贯穿所述第三和第四表面的中央开口，即所述开口位于所述第三和第四表面的中央位置。另外，较佳地，为了更准确地检测由于施加键合力所造成地形变，所述开口沿与所述第一和第二可变形表面平行的方向延伸的长度大于所述应变式传感器的长度,并且所述应变式传感器位于与所述中央开口的中间部分对应的位置。

为了能够将所述键合力检测装置安装在键合设备上进行键合力测量，所述可变形安装部件还包括位于该部件两端的第一固定部件和第二固定部件。当键合力检测装置安装在键合设备上时，所述第一固定部件固定安装在所述键合工具夹具上，所述第二固定部件可能固定安装在所述键合设备的其它固定部分，比如键合设备基座上。所述第一固定部件包括第一固定组件，所述第一固定部件通过所述第一固定组件固定安装在所述键合工具夹具上，所述第二固定部件包括第二固定组件，所述第二固定部件通过所述第二固定组件固定安装在键合设备的其它固定部分上，比如键合设备基座上。在本实用新型的一个具体实施例中，所述第一和/或第二固定组件包括至少一个设置在所述第一和/或第二固定部件上的安装孔，比如螺丝孔。可替换地，第一和第二固定部件也可能通过其它方式或其它固定组件将键合力检测装置牢固地安装在键合设备上，比如粘合或焊接的方式。较佳地，当所述可变形安装部件包括一个六面体结构时，所述第一和第二固定部件分别与该六面体结构的相对的第五和第六表面相连，相连即包括所述第一和第二固定部件与所述六面体结构为一体结构的情况，即所述第一个和第二固定部件为分别从所述第五和第六表面向外延伸的固定部件，也包括所述第一和第二固定部件与所述六面体结构分别为独立结构，所述第一和第二固定部件分别与所述六面体的第五和第六平面通过一定的连接机制紧密连接在一起的情况。当然，如果所述第一和第二固定部件与所述六面体结构为一体结构，使得整个可变形安装部件形成一个不易变形的梁式结构安装座，则键合力检测装置(除去可变形部分)的硬度以及稳定性会进一步提高，这样可以避免由于键合力检测装置的不稳定性造成的安装困难和对键合过程的影响。

附图说明

图1所示为包括键合力检测装置的第一现有技术键合设备。

图2所示为包括键合力检测装置的第二现有技术键合设备。

图3A为根据本实用新型的一个具体实施例的包括键合力检测装置的键合设备的侧视图。

图3B为图3A所示的包括键合力检测装置的键合设备的立体图。

图3C为图3B所示的包括键合力检测装置的键合设备的俯视图。

图3D为图3C所示的包括键合力检测装置的键合设备显示延中心线AA’的纵向剖面的立体图。

图4A为图3A所示键合设备中包括的键合力检测装置的第一可变形表面向上的立体结构图；图4B为图3A所示键合设备中包括的键合力检测装置的与第一可变形表面相对的第二可变形表面向上的立体结构图。

图5A-5B为图3A所示的具有键合力检测装置的键合设备用于键合过程时的示意图。

图中标记说明：

100-第一现有技术键合设备

110-键合工具

120-电动机

130-电流传感器

200-第二现有技术键合设备

201-接近传感器

202-挠性弹簧板

203-键合工具

300-根据本实用新型的一个具体实施例的键合设备

310-键合工具

320-键合工具夹具

330-键合力检测装置

340-键合设备安装基座

331-可变形安装部件

331a，331b-第一和第二可变形表面

331c，331d-第三和第四表面

332，333-应变式传感器

334，335-第一和第二固定部件

336-信号线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

图3A-3D所示分别为根据本实用新型的一个具体实施例的包括键合力检测装置的键合设备300的侧视图，立体图，俯视图以及显示延中心线AA’的纵向剖面的立体图。如图3A-3D所示，该键合设备300包括键合或焊接工具310，键合工具夹具320，键合力检测装置330，以及键合设备安装基座340。所述的键合工具310可拆卸地安装在键合工具夹具320上。

如图3A和3D所示，键合力检测装置330形成一个梁式结构，该梁式结构一端安装在键合工具夹具320上，另一端安装在键合设备安装基座340 上。如此，当键合工具310向键合点施加键合力时，安装在键合设备300 上的键合力检测装置330可以通过感知梁式结构的可变形部分的形变来测量键合工具310向键合点所施加的键合力。

图4A-4B为键合力检测装置330的立体结构图，其中图4A为该键合力检测装置330的第一可变形表面331a向上的立体结构图，图4B为该键合力检测装置330的第二可变形表面331b向上的立体结构图。如图4A-4B 所示，该键合力检测装置330包括可变形安装部件331以及安装在该可变形安装部件331上的两个应变式传感器(strain gauge sensors)332，333。该可变形安装部件331包括一个具有中央开口的长方体结构。应变式传感器332，333分别安装在该长方体结构的相对的第一和第二可变形表面331a，331b上，所述中央开口贯穿该长方体结构的相对的第三和第四表面331c， 331d，所述第三和第四表面331c，331d与第一和第二表面331a，331b相互垂直。在该实施例中，所述中央开口包括两端的近圆形开口以及中间的长方形开口，其沿与第一和第二可变形表面331a，331b平行的方向延伸的长度大于应变式传感器332，333的长度，并且应变式传感器332，333位于与所述中央开口的中间部分对应的位置。设计该中央开口的目的是使得该长方体结构在受到半导体衬底301施加到键合工具310上的由键合力所引起的反作用力时可以产生足够的变形。需要说明的是该中央开口的形状以及大小可以依据具体需要进行调整。

当可变形安装部件331受到由键合工具310以及键合工具夹具320传来的来自于半导体衬底301的由键合力引起的反作用力时，其第一和第二可变形表面331a，331b发生形变，相应的安装在该两个表面上的应变式传感器332，333可以分别感知到所在表面的形变并测量对应的键合力。也就是说，第一和第二可变形表面331a，331b的形变量由键合工具310施加在键合点的键合力决定。

所述可变形安装部件331还包括第一固定部件334和第二固定部件335 分别从所述长方体结构的剩余两个相对的表面(即第五和第六表面)向外延伸或分别与所述长方体结构的剩余两个表面相连。所述第一固定部件334 包括两个螺丝孔用于将第一固定部件334安装在所述键合工具夹具320上。所述第二固定部件335包括两个螺丝孔用于将第二固定部件335安装到所述键合设备安装基座340上。需要说明的是，在其它具体实施方案中，键合力检测装置330可能只包括一个应变式传感器，或者包括多于两个应变式传感器。

如图4A-4B所示，该键合力检测装置330还包括信号线336用于将所述应变式传感器332，333连接到信号放大器上。所述信号放大器接收来自信号线336的电压信号，并放大接收到的电压信号使其适用于模拟信号。在该具体实施例中，所述信号线336包括四根沿连接部335延伸而出的信号线，这四根信号线将所述应变式传感器332，333连接到信号放大器上。

图5A-5B为图3A所示的键合设备300用于键合过程时的示意图。如图5A-5B所示，在键合设备300的使用过程中，键合工具310通过真空吸力将半导体芯片302吸附在其端部后整个键合设备300以及吸附在键合工具310端部的半导体芯片302向下移动直到半导体芯片302与待键合的半导体衬底301接触，之后键合工具310被驱动延垂直于半导体衬底(substrate)301的方向施加向下的键合压力，从而使得处于键合工具310 端部的半导体芯片302与半导体衬底301结合在一起。当键合工具310向键合点施加键合力时，键合工具310受到半导体衬底301所施加的向上的反作用力，在该反作用力的作用下，所述键合力检测装置330的可变形部分，即第一和第二表面331a，331b，发生形变，安装在所述可变形部分的应变式传感器332，333感应所在表面的形变，并根据所感应到的形变实现对键合工具310所施加键合力的测量。

虽然在上述实施例中用于检测键合力的键合力检测装置330安装在键合工具夹具320和键合设备安装基座340上，该安装连接关系只是起到示例作用，不用于限定本实用新型的保护范围。在其它实施例中，键合力检测装置330可能安装在键合设备300的其它部分或通过其它方式安装在键合设备330上。任何可以使键合力检测装置330感知到键合工具310施加键合力时所受到的反作用力的安装连接方式都可以用于该实用新型中。

在上述实施例中，可变形安装部件331具有一个长方体结构，需要说明的是在其它实施例中，可变形安装部件331可能具有不同的形状，包括但不限于任意六面体结构，圆柱体结构，不规则结构等，只要该结构具有可变形部分并且可以将应变式传感器安装在该可变形部分用于感知检测键合工具310向键合点施加的键合力即可。

本实用新型提供的键合力检测装置通过将安装有应变式传感器的可变形安装部件安装在键合设备上，使得应变式传感器可以感应在键合设备施加键合力时所造成的可变形安装部件的形变，进而实现对键合设备所施加的键合力的测量。与现有技术相比该实用新型具有以下特点：

1.可适用于不同键合力要求的键合过程：在本实用新型的具体实施例中，应变式传感器用在键合设备中检测键合过程中所施加的键合力，由于应变式传感器具有非常高的灵敏度，即使在键合过程中施加的键合力非常小，比如10克力，应变式传感器仍然可以准确感知由于施加该键合力所导致的键合力检测装置的形变。因此，本实用新型的具体实施例所提供的具有键合力检测装置的键合设备可以适用于不同键合力要求的键合过程，可以有效生成并检测施加在键合点的键合力，即使该键合力小于30克力。

2.结构简单，成本较低：本实用新型的具体实施例提供的用于键合设备的键合力检测装置结构简单，并且与接近传感器相比，应变式传感器价格便宜，因此可以极大降低键合设备的制造难度和成本。

3.稳定度高且易于安装：在本实用新型的具体实施例提供的键合力检测装置中，整个可变形安装部件可能形成一个具有较高硬度不易变形的梁式结构安装座。由于其硬度高不易变形，与现有技术的键合力检测装置相比，本实用新型的实施例提供的键合力检测装置更易于安装，可以牢固地固定在键合设备的安装基座以及键合工具夹具上，并且不会增加在键合过程中使键合工具处于稳定状态的难度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种键合设备，该键合设备包括键合工具以及键合工具夹具，其特征在于该键合设备进一步包括键合力检测装置，该键合力检测装置包括：

可变形安装部件，该可变形安装部件包括当键合设备通过键合工具施加键合力时发生形变的可变形部分，以及

安装在所述可变形安装部件的可变形部分上的至少一个应变式传感器，

所述可变形安装部件安装在所述键合工具夹具上以使得所述键合工具施加键合力时所受到的反作用力传输到所述可变形安装部件的可变形部分。

2.根据权利要求1所述的键合设备，其特征在于，所述键合力检测装置包括第一应变式传感器安装在所述可变形安装部件的第一可变形表面，以及第二应变式传感器安装在所述可变形安装部件的第二可变形表面。

3.根据权利要求2所述的键合设备，其特征在于，所述可变形安装部件包括一个六面体结构，所述第一和第二可变形表面为所述六面体结构的相对的第一和第二表面。

4.根据权利要求3所述的键合设备，其特征在于，所述可变形安装部件包括一个开口贯穿所述六面体结构的相对的第三和第四表面，所述第三和第四表面与所述第一和第二表面相互垂直。

5.根据权利要求4所述的键合设备，其特征在于，所述开口为贯穿所述六面体的相对的第三和第四表面的中央开口。

6.根据权利要求5所述的键合设备，其特征在于，所述中央开口沿与所述第一和第二表面平行的方向延伸的长度大于所述应变式传感器的长度，并且所述应变式传感器位于与所述中央开口的中间部分对应的位置。

7.根据权利要求4所述的键合设备，其特征在于，所述键合设备进一步包括键合设备基座，所述可变形安装部件包括与所述六面体结构的第五表面相连的第一固定部件，以及与所述六面体结构的第六表面相连的第二固定部件，所述第一固定部件安装在所述键合工具夹具上，所述第二固定部件安装在所述键合设备基座上。

8.根据权利要求7所述的键合设备，其特征在于，所述第一固定部件包括第一固定组件，所述第一固定部件通过所述第一固定组件安装在所述键合工具夹具上，所述第二固定部件包括第二固定组件，所述第一固定部件通过所述第一固定组件安装在所述键合设备基座上。

9.根据权利要求8所述的键合设备，其特征在于，所述第一或第二固定组件包括至少一个设置在所述第一或第二固定部件上的螺丝孔。

10.一种用于检测键合设备键合力的装置，所述键合设备包括键合工具以及键合工具夹具，其特征在于，该检测键合设备键合力的装置包括：

可变形安装部件，该可变形安装部件包括当键合设备通过键合工具施加

键合力时会发生形变的可变形部分，以及

安装在所述可变形安装部件的可变形部分上的至少一个应变式传感器，

所述可变形安装部件安装在所述键合工具夹具上以使得所述键合工具施加键合力时所受到的反作用力传输到所述可变形安装部件的可变形部分。

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