JP2014140032A - 加熱及び冷却可能な吸引部材を有するボンディングヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】サイクル時間を短縮し、機械のスループットを向上させる、吸引部材の加熱速度及び冷却速度を高めたボンディングヘッドの提供。
【解決手段】半導体チップを基板に実装するボンディングヘッド（１）が、ボンディングヘッド本体（２）、及び単一片から形成される吸引部材（３）を備える。吸引部材（３）の加熱、冷却及び温度の監視（２１）に必要な素子が全て吸引部材（３）に一体化されており、それによって、加熱素子（２０）も冷却素子（１２）も、熱伝達を妨げる表面によって半導体チップ（１１）から分離されない。ボンディングヘッド本体（２）は、吸引部材（３）に電力及び冷却媒体を供給するのに必要な素子しか含まない。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱及び冷却可能な吸引部材を有するボンドヘッドに関する。

［優先権の主張］
本出願人は、２０１３年１月２１日に出願されたスイス特許出願第２４５／１３号からの優先権を主張し、この出願の開示は参照により本明細書に援用される。

そのようなボンディングヘッドは、半導体産業において、（ダイとして知られている）半導体チップの基板に対する通常の接合又は熱圧着に用いられる。接続部の形成は、温度及び任意選択的な圧力の作用下で生じる。

熱圧着等の特定の接合プロセスは、基板に対する接合中の半導体チップの加熱及び冷却、すなわち、極端な加熱速度及び冷却速度を有する温度プロファイルを生じさせることを必要とする。この加熱及び冷却は時間を要し、サイクル時間、したがって機械のスループットを実質的に決定する。

特許文献１から、熱圧着ヘッドであって、熱圧着ヘッドにねじ留めされるセラミクスから作られる吸引部材を備える、熱圧着ヘッドが既知である。吸引部材は、吸引部材の凹部に取り付けられる抵抗加熱を含む。熱電素子が吸引部材の外側に更に配置される。吸引部材の上面は凹部を含むため、熱圧着ヘッドと吸引部材との間に冷却流路が形成され、この冷却流路に、吸引部材を冷却する圧縮空気を供給することができる。圧縮空気は、冷却流路を通って水平方向に流れ、それらの端部において周囲環境に達する。

特許文献２から、一体的なヒーター、及び圧縮空気を供給することができる冷却流路を有するボンディングヘッド本体、並びに真空によってボンディングヘッド本体に対して保持することができる吸引部材を備える熱圧着ヘッドが既知である。吸引部材も、圧縮空気を供給することができる冷却流路を含む。

現行の技術水準から既知であるそのようなボンディングヘッドの場合、１００℃／秒の加熱速度で半導体チップを加熱し、５０℃／秒の冷却速度で半導体チップを冷却することが可能である。

米国特許第６，８２１，３８１号 国際公開第２０１２００２３００号

本発明は、そのようなボンディングヘッドを改良し、すなわち特に吸引部材の加熱速度及び冷却速度を高めるという目的に基づくものである。

本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなす添付の図面は、本発明の１つ又は複数の実施形態を示し、詳細な説明とともに、本発明の原理及び実施態様を説明する役割を果たす。図面は一定の縮尺では描かれていない。

本発明によるボンディングヘッドの断面図を概略的に示す図である。 吸引部材の底面を示す図である。 吸引部材の上面を示す図である。

半導体実装装置が、半導体チップを次々に取り上げて基板上に配置するピックアンドプレースシステムを含む。ピックアンドプレースシステムはボンディングヘッド１を含む。図１は、本発明の理解に必要な、ボンディングヘッド１の部分を概略的に示している。ボンディングヘッド１は、ピックアンドプレースシステムに対して、基板の表面に垂直に延びる方向に変位可能に取り付けられており、その方向は通常は鉛直方向であり、本明細書ではＺ方向と称される。ボンディングヘッド１は、ボンディングヘッド本体２、並びにボンディングヘッド本体２に着脱可能に固定されている加熱及び冷却可能な吸引部材３を含む。

吸引部材３は、互いに反対側にあるとともに互いに対して平行に延びる底面４及び上面５を有する。ボンディングヘッド本体２は、吸引部材３の上面５が当接する底面６を有する。ボンディングヘッド本体２の底面６又は吸引部材３の上面５には、１つ又は複数の第１のリセス７が設けられており、第１のリセスには第１の流路（単数又は複数）８が開口しており、これらの第１の流路には、底面６に当接する吸引部材３を吸引してしっかりと保持するために真空を供給することができる。

図２は、吸引部材３の底面４を示している。底面４は、（図示のような）１つの凹部又はより多くの凹部９を有する。ボンディングヘッド本体２及び吸引部材３は、上記１つ又は複数の凹部９に開口しているとともに半導体チップ１１を吸引するために真空を供給することができる少なくとも１つの第２の流路１０を含む。凹部（単数又は複数）９によって全体的に覆われている底面４の表面積は、半導体チップ１１を吸引する吸引領域を形成し、一方で、凹部（単数又は複数）９によって覆われていない底面４の表面積は、加熱中の熱の伝達、又は半導体チップ１１の冷却中の熱の消失を可能にする。表面積のこれらの２つの割合は、半導体チップ１１を一方では必要な力によって吸引することができ、他方では効率的に加熱及び冷却することができるようにそれらの比率に関して決定される。

吸引部材３は、側壁１５に開口しているか又は好ましくは吸引部材３の上面５に開口している入口１３及び出口１４をそれぞれ有する１つ又は複数の冷却流路１２を含む。ボンディングヘッド本体２の底面６には、１つ又は複数の第２の凹部１６、及び１つ又は複数の第３の凹部１７が形成されている。ボンディングヘッド本体２は、上記１つ又は複数の第２の凹部１６に開口している第３の流路（単数又は複数）１８、及び、上記１つ又は複数の第３の凹部１７に開口している第４の流路（単数又は複数）１９を含む。吸引部材３がボンディングヘッド本体２の底面６に当接すると、上記１つ又は複数の凹部１６は冷却流路１２の入口１３に接続する１つ又は複数のキャビティを形成し、上記１つ又は複数の凹部１７は冷却流路１２の出口１４に接続する１つ又は複数のキャビティを形成する。吸引部材３はしたがって、冷却媒体を第３の流路（単数又は複数）１８を通して供給すること、及び冷却媒体を第４の流路（単数又は複数）１９を通して排出することによって冷却することができる。冷却媒体は、例えば第３の流路（単数又は複数）１８に供給され、その後、冷却流路１２を通って流れて第４の流路（単数又は複数）を介して周囲環境に排出される圧縮空気である。第３の流路（単数又は複数）１８及び第４の流路（単数又は複数）１９は、ガス状又は液体の冷却媒体が循環することができる閉冷却回路の一部であるものとすることもできる。

吸引部材３は、吸引部材３に一体化されている電気抵抗加熱２０及び温度センサー２１を更に含む。温度センサー２１は好ましくは温度に依存する電気抵抗器であり、吸引部材３のその時点の温度を測定するのに用いられる。吸引部材３は、例えば本明細書において示されるような横方向に突出する突起２２を含み、突起の上面は吸引部材３の上面５よりも低く位置し、突起の底面は吸引部材３の底面４よりも高く位置する。突起２２の上面は、電気抵抗加熱２０に接続されている２つの第１の電気接触領域２３、及び温度センサー２１を形成する温度に依存する電気抵抗器に接続されている２つの第２の電気接触領域２４を含む。電気接触領域は、吸引部材３の上面５及び／又は側壁１５に一体化することもできる。

図３は吸引部材３の上面図を示している。この図は、上面５を、冷却流路１２の入口１３及び出口１４、並びに第１の電気接触領域２３及び第２の電気接触領域２４とともに示している。

（図示のような）接触ピン又はブラケット等のような電気接触素子２５がボンディングヘッド本体２に取り付けられており、この接触素子は好ましくは弾性的に実装され、抵抗加熱の動作及び温度センサー２１の動作に必要な電流を供給する制御ユニットに電気的に接続されている。吸引部材３がボンディングヘッド本体２の底面６に対して吸引されると、電気接触素子２５は接触領域２３及び２４に接触し、それによって、電気抵抗加熱２０及び温度センサー２１への電気的な接続が生じる。

冷却流路１２は好ましくは吸引部材３の上面５の真下に配置される。電気抵抗加熱２０は好ましくは冷却流路１２の下に配置されるが、冷却流路１２の上、すなわち、冷却流路１２と上面５との間に配置することもできる。温度センサー２１は好ましくは吸引部材３の底面４の真上に配置されるが、吸引部材３の別の位置に位置決めすることもできる。吸引部材３は焼結セラミック材料の単一片からなる。例えば、セラミック材料、抵抗加熱２０及び温度センサー２１の幾つかの層が所望の順で互いに上下に積み重ねられ、次に、吸引部材３を形成する１つの単一のセラミック素子が製造されるよう一緒に焼結されるように、製造が行われる。

本発明によるボンディングヘッド１は、吸引部材３の加熱、冷却及び温度の監視に必要な素子が全て吸引部材３に一体化されており、ボンディングヘッド本体２が吸引部材３に電力及び冷却媒体を供給するのに必要な素子しか含まないことを特徴とする。さらに、上記素子の配置及び構成は、他方では、吸引部材３が平坦であり、すなわち底面４と上面５との間の距離Ａが最大幅Ｂ、すなわち（突起２２を考慮しない）相互に対向する側壁１５間の最大距離よりも明らかに小さいようになされる。一体化された電気抵抗加熱２０及び一体化された温度センサー２１を有する焼結セラミック材料の単一片からなる吸引部材３のコンパクトな構成は、一方では吸引部材３の非常に低い熱質量につながり、他方では、加熱も冷却も、熱伝達を妨げる表面によって半導体チップ１１から分離されず、この分離は、抵抗加熱２０及び／又は冷却流路１２がボンディングヘッド本体２に一体化される場合には当てはまる。

冷却流路１２は好ましくは、吸引部材３の上面５に平行に延びる１つの単一の平面にのみ配置され、互いに上下に位置する複数の平面には配置されない。冷却流路１２はこの構成では低い高さしか形成せず、それによって、吸引部材３の平坦な構造が得られる。平坦な構造は全体的な高さが低いことを意味する。

冷却のために圧縮空気又は不活性ガスが提供される実施形態の場合、第４の流路（単数又は複数）１９は好ましくは、図示のように、吸引部材３の底面４に対して斜めに延びる方向に延び、周囲環境に開口する。第４の流路（単数又は複数）１９の出口開口はしたがって、吸引部材３の底面４から、第４の流路（単数又は複数）１９の入口開口よりも更に離れている。放出される圧縮空気はしたがって、上方方向へ流れ出ることで、放出される圧縮空気が、基板への接続部が完全には固化していない既に実装された半導体チップを変位させるか若しくは吹き飛ばすか、又は、接着剤でコーティングされているが半導体チップがまだ配置されていない隣接する基板の位置の場合に接着剤が押し流される可能性を低減する。

吸引部材３は、ボンディングヘッド本体２に着脱可能に固定されるか又は真空によってボンディングヘッド本体２に対して保持されるため、半導体実装装置を様々なサイズの半導体チップに合わせて調整するために容易かつ自動的に交換することができる。

本発明の実施形態及び適用を図示し説明したが、本開示の利益を得る当業者には、本明細書における本発明の概念から逸脱することなく上述したものよりも多くの変更形態が可能であることが明らかであろう。本発明はしたがって、添付の特許請求の範囲の主旨及びそれらの均等物を除いて限定されるべきではない。

Claims (5)

1. ボンディングヘッド（１）であって、
   ボンディングヘッド本体（２）、及び
   焼結セラミック材料の単一片からなるとともに互いに反対側にある底面（４）及び上面（５）を有する平坦な吸引部材（３）
   を備え、
   前記吸引部材（３）では：
   前記底面（４）には少なくとも１つの凹部（９）が形成されており、
   １つ又は複数の冷却流路（１２）が前記上面（５）の下に設けられており、該冷却流路は入口（１３）及び出口（１４）を有し、
   電気抵抗加熱（２０）が前記冷却流路（１２）の下又は上に配置されており、
   温度センサー（２１）が一体化されており、前記電気抵抗加熱（２０）は第１の接触領域（２３）に接続されており、該温度センサー（２１）は第２の接触領域（２４）に接続されており；
   前記ボンディングヘッド本体（２）の底面（６）又は前記吸引部材（３）の前記上面（５）は１つ又は複数の凹部（７）を有し、前記ボンディングヘッド本体（２）は、前記１つ又は複数の凹部（７）に開口しているとともに前記吸引部材（３）を吸引するための真空を供給することができる１つ又は複数の第１の流路（８）を有し、
   前記ボンディングヘッド本体（２）及び前記吸引部材（３）は、該吸引部材（３）の前記底面（４）の前記少なくとも１つの凹部（９）に開口しているとともに半導体チップ（１１）を吸引するための真空を供給することができる少なくとも１つの第２の流路（１０）を有し；
   前記ボンディングヘッド本体（２）は、前記冷却流路（１２）の前記入口（１３）と連通接続している１つ又は複数の第３の流路（１８）、及び前記冷却流路（１２）の前記出口（１４）と連通接続している１つ又は複数の第４の流路（１９）を有し、
   接触素子（２５）が前記ボンディングヘッド本体（２）に取り付けられており、該接触素子は、前記吸引部材（３）が吸引されると前記第１の接触領域（２３）又は前記第２の接触領域（２４）に接触し、それによって、前記吸引部材（３）は、前記電気抵抗加熱（２０）によって加熱することができ、冷却媒体を前記第３の流路（単数又は複数）（１８）を通して供給するとともに前記冷却媒体を前記第４の流路（単数又は複数）（１９）を通して排出することによって冷却することができ、また、前記温度センサー（２１）によって測定された温度を制御ユニットに送信することができる、ボンディングヘッド。
2. 前記第４の流路（単数又は複数）（１９）は、前記吸引部材（３）の前記底面（４）に対して斜めに配置される方向に延び、周囲環境に開口しており、それによって、前記第４の流路（単数又は複数）（１９）の出口開口は、前記吸引部材（３）の前記底面（４）から、該第４の流路（単数又は複数）（１９）の入口開口よりも更に離れている、請求項１に記載のボンディングヘッド。
3. 前記冷却流路（１２）、前記第３の流路（単数又は複数）（１８）及び前記第４の流路（単数又は複数）（１９）は閉回路に属する、請求項１に記載のボンディングヘッド。
4. 前記冷却流路（１２）は、前記吸引部材（３）の前記上面（５）に平行に延びる単一の平面に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のボンディングヘッド。
5. 前記接触素子（２５）は、前記ボンディングヘッド本体（２）に弾性的に実装されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のボンディングヘッド。