KR20160105332A - 본드 헤드 어셈블리들, 열압착 본딩 시스템들 및 이들의 조립 및 동작 방법들 - Google Patents

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쿨리케 앤드 소파 인더스트리즈, 인코포레이티드
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Abstract

반도체 요소를 기판에 접합시키기 위한 본드 헤드 어셈블리가 제공된다. 상기 본드 헤드 어셈블리는 베이스 구조, 히터 및 상기 히터를 상기 베이스 구조에 고정시키는 클램핑 시스템을 포함한다. 상기 클램핑 시스템은 복수의 축들을 따라 상기 히터를 제한하는 복수의 탄성 요소들을 포함한다.

Description

본드 헤드 어셈블리들, 열압착 본딩 시스템들 및 이들의 조립 및 동작 방법들{BOND HEAD ASSEMBLIES, THERMOCOMPRESSION BONDING SYSTEMS AND METHODS OF ASSEMBLING AND OPERATING THE SAME}
본 발명은 반도체 패키지들의 전기적 상호 연결들의 형성에 관한 것이며, 보다 상세하게는 개선된 열압착 본딩 시스템들 및 이들을 동작시키는 방법들에 관한 것이다.
본 출원은 2015년 2월 27일에 출원되었고, 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 미국 임시 특허 출원 제62/121,868호를 우선권으로 수반하는 출원이다.
반도체 패키징 산업의 특정한 측면들에 있어서, 반도체 요소들은 본딩 위치들에 접합된다. 예를 들면, 종래의 다이 부착(다이 본딩으로도 알려짐) 응용들에서, 반도체 다이는 기판(예를 들면, 리드프레임, 적층 다이 응용들 내의 또 다른 다이, 스페이서 등)의 본딩 위치에 접합된다. 향상된 패키징 응용들에 있어서, 반도체 요소들(예를 들면, 베어 반도체 다이, 패키지된 반도체 다이 등)은 기판(예를 들면, 리드프레임, PCB, 캐리어, 반도체 웨이퍼, BGA 기판 등)의 본딩 위치들에 접합된다. 도전성 구조들(예를 들면, 도전성 범프들, 콘택 패드들, 솔더 범프들, 도전성 필라들, 구리 필라들 등)은 상기 반도체 요소들과 상기 본딩 위치들 사이에 전기적 상호 연결을 제공한다. 특정한 응용들에 있어서, 이들 도전성 구조들은 와이어 본딩 장치를 이용하여 형성되는 와이어 루프들과 유사한 전기적 상호 연결들을 제공할 수 있다.
많은 응용들(예를 들면, 반도체 요소들의 열압착 본딩)에 있어서, 솔더 물질이 상기 도전성 구조들 내에 포함된다. 많은 이와 같은 프로세스들에서, 열이 접합되는 상기 반도체 요소에 인가된다(예를 들면, 본드 툴(bond tool)을 운반하는 본드 헤드 어셈블리 내의 히터를 통해). 장치 처리량(예를 들면, UPH 또는 시간 당 처리량)이 허용 가능한 수준에 있도록 열의 인가를 구현하는 것이 중요하다. 이는 상기 히터(또는 상기 히터의 부품들)가 다른 시간들/위치들에서 다른 온도들(예를 들면, 기판에 대한 열압착 본딩의 시간에 가열기 온도에 반대되는 경우에 웨이퍼와 같은 소스로부터의 구성 요소의 제거 동안의 냉각기 온도)에 있기 때문에 도전적인 문제가 될 수 있다.
상기 히터의 가열 및 냉각으로부터 야기되는 상기 히터의 예측할 수 없는 팽창 및 수축은 열압착 본딩 응용들에서 위치 정확도에 원하지 않는 영향들을 미치는 경향이 있다.
따라서, 열압착 본딩 공정들 동안에 히터의 상대적인 위치를 바람직하게 유지하는 열압착 본딩을 위한 개선된 구조들 및 방법들을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 반도체 요소를 기판에 접합시키기 위한 본드 헤드 어셈블리(bond head assembly)("본드 헤드(bond head)" 또는 "본딩 헤드(bonding head)"로도 언급됨)가 제공된다. 상기 본드 헤드 어셈블리는 베이스 구조, 히터, 그리고 상기 히터를 상기 베이스 구조에 고정시키는 클램핑 시스템(clamping system)을 포함하며, 상기 클램핑 시스템은 복수의 축들을 따라 상기 히터를 제한하는 복수의 탄성 요소들(elastic elements)을 구비한다.
이와 같은 본드 헤드 어셈블리와 관련된 다양한 예시적인 세부 사항들은, 본딩 공정 동안에 상기 히터가 상기 반도체 요소에 접촉되는 접촉 부분을 포함하고; 상기 본드 헤드 어셈블리가 상기 히터에 고정되는 툴(tool)을 포함하며, 본딩 공정 동안에 상기 툴이 상기 반도체 요소에 접촉되고; 상기 히터가 세라믹 물질로 형성되며; 상기 클램핑 시스템의 탄성 요소들이 섭씨 도당 8－10×10-6 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 열전도율 5－10Watts/(미터×섭씨 도) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 물질을 포함하고; 상기 베이스 구조가 섭씨 도당 6－12×10-6 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 1－3Watts/(미터×섭씨 도) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 절연 구조이며; 상기 베이스 구조가 본딩 공정 동안에 상기 반도체 요소를 상기 히터에 일시적으로 고정하기 위한 진공이 인출되는 적어도 하나의 진공 채널을 정의하고; 상기 베이스 구조가 냉각 유체를 상기 히터에 전송하도록 구성되는 적어도 하나의 냉각 채널을 정의하며; 여기서 상기 베이스 구조는 전기 에너지를 상기 히터로 이끄는 전기적 콘택들을 수용하고; 상기 복수의 탄성 요소들이 상기 히터를 상기 본드 헤드 어셈블리의 적어도 하나의 실질적으로 수평한 축을 따라 제한하는 복수의 요소들을 포함하며; 상기 복수의 탄성 요소들은 상기 히터를 상기 본드 헤드 어셈블리의 z-축을 따라 제한하는 복수의 요소들을 포함하고; 상기 클램핑 시스템은 상기 히터의 대향하는 측부들 상에 배열되는 두 클램핑 구조들을 포함하며; 각각의 상기 두 클램핑 구조들은 상기 히터를 상기 본드 헤드 어셈블리의 복수의 축들을 따라 제한하는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부를 포함하고; 각각의 상기 두 클램핑 구조들은 상기 히터를 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축 및 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 제한하는 상기 복수의 탄성 요소들 의 일부를 포함하며; 각각의 상기 두 클램핑 구조들은 단일 편(unitary piece)의 물질로 형성되고; 다른 탄성 요소가 각각의 상기 두 클램핑 구조들에 고정되고, 상기 히터를 상기 본드 헤드 어셈블리의 다른 실질적으로 수평한 축을 따라 제한하며; 상기 복수의 탄성 요소들의 적어도 일부가 상기 히터로 프리로드(preload)되고; 상기 복수의 탄성 요소들의 일부가 상기 히터로 프리로드되어, 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분이 인장(tension)을 유지하며; 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분이 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축을 따라 배열되고; 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분이 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 배열되며; 상기 복수의 탄성 요소들이 상기 히터를 상기 본드 헤드 어셈블리의 상기 복수의 축들의 적어도 하나를 따라 실질적으로 균형이 유지된 상태로 유지하도록 구성되어, 상기 히터에 작용하는 탄성력이 상기 본드 헤드 어셈블리의 상기 적어도 하나의 축을 따라 실질적으로 동일하게 되는 구성들을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 열압착 본더(thermocompression bonder)가 제공된다. 상기 열압착 본더는, 복수의 반도체 요소들을 포함하는 반도체 요소 공급 스테이션; 상기 반도체 요소들의 적어도 하나를 수용하도록 구성되는 기판을 유지하는 본딩 스테이션(bonding station); 및 상기 적어도 하나의 반도체 요소를 상기 기판에 접합시키기 위한 본드 헤드 어셈블리를 구비한다. 상기 본드 헤드 어셈블리는 베이스 구조, 히터 및 상기 히터를 상기 베이스 구조에 고정시키기 위한 클램핑 시스템을 포함한다. 상기 클램핑 시스템은 복수의 축들을 따라 상기 히터를 제한하는 복수의 탄성 요소들을 포함한다. 상기 열압착 본더의 본드 헤드 어셈블리는 이전의 단락에서 언급한 다양한 예시적인 세부 사항들의 임의의 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 열압착 본더는 하나 또는 그 이상의 이송 스테이션(transfer stations)(예를 들면, 도 1의 이송 스테이션(170) 참조)을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 본드 헤드 어셈블리를 조립하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 클램핑 시스템을 사용하여 히터를 베이스 구조에 고정시키는 단계; 및 상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들로 상기 본드 헤드 어셈블리의 복수의 축들을 따라 상기 히터를 제한하는 단계를 포함한다.
본드 헤드 어셈블리를 조립하는 이와 같은 방법과 관련된 다양한 예시적인 세부 사항들은, 본딩 공정 동안에 반도체 요소에 접촉되기 위한 콘택 부분들을 포함하는 상기 히터; 본딩 공정 동안에 툴(tool)이 상기 반도체 요소에 접촉하도록 구성되는 상기 툴을 상기 히터에 고정하는 단계; 세라믹 물질로 형성되는 상기 히터; 티타늄을 포함하는 상기 클램핑 시스템의 상기 복수의 탄성 요소들; 8－10(10-6/℃) 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 5－10(W/mㆍ℃) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 물질을 포함하는 상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들; 6－12(10-6/℃) 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 1－3(W/mㆍ℃) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 절연 구조를 포함하는 상기 베이스 구조; 반도체 요소를 상기 히터에 일시적으로 고정하기 위해 진공이 인출되는 적어도 하나의 진공 채널의 정의하는 상기 베이스 구조; 냉각 유체를 상기 히터에 전송하도록 구성되는 적어도 하나의 냉각 채널을 한정하는 상기 베이스 구조; 전기 에너지를 상기 히터로 이끌기 위해 전기적 콘택들을 수용하는 상기 베이스 구조; 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들로 적어도 하나의 실질적으로 수평한 축을 따라 제한되는 상기 히터; 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들로 상기 본드 헤드 어셈블리의 x-축 및 y-축을 따라 제한되는 상기 히터; 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들로 상기 본드 헤드 어셈블리의 z-축을 따라 제한되는 상기 히터; 상기 히터의 대향하는 측부들 상에 상기 클램핑 시스템의 두 클램핑 구조들을 배치하는 단계; 각각의 상기 두 클램핑 구조들에 포함되는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들을 사용하여 상기 복수의 축들을 따라 제한되는 상기 히터; 각각의 상기 두 클램핑 구조들의 상기 복수의 탄성 요소들의 일부를 사용하여 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축 및 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 제한되는 상기 히터; 단일 편의 물질로 형성되는 각각의 상기 두 클램핑 구조들; 상기 히터가 상기 본드 헤드 어셈블리의 다른 실질적으로 수평한 축을 따라 제한되도록 다른 탄성 요소를 각각의 상기 두 클램핑 구조들에 고정하는 단계; 상기 복수의 탄성 요소들의 적어도 일부를 상기 베이스 구조 및 상기 히터의 적어도 하나를 사용하여 프리로딩시키는 단계; 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분을 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축을 따라 배열하는 단계; 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분을 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 배열하는 단계; 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분이 인장을 유지하도록 상기 복수의 탄성 요소들의 적어도 일부를 상기 베이스 구조 및 상기 히터의 적어도 하나로 프리로딩시키는 단계; 그리고 상기 히터에 작용하는 탄성력이 상기 복수의 축들의 상기 적어도 하나를 따라 실질적으로 동일하도록 상기 히터를 상기 복수의 축들의 적어도 하나를 따라 실질적으로 균형이 유지된 상태에 유지시키도록 상기 복수의 탄성 요소들을 구성하는 단계를 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 열압착 본딩 장치의 본드 헤드 어셈블리를 동작시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 클램핑 시스템을 사용하여 히터를 베이스 구조에 고정시키는 단계를 포함하고, 상기 클램핑 시스템은 상기 히터를 복수의 축들을 따라 제한하는 복수의 탄성 요소들을 포함하며; 상기 히터를 열압착 본딩 공정과 관련하여 동작시키는 단계를 포함한다.
본드 헤드 어셈블리를 동작시키는 이와 같은 방법과 관련된 다양한 예시적인 세부 사항들은, 상기 히터를 가열하고, 이에 따라 상기 히터를 적어도 하나의 실질적으로 수평한 축으로 팽창시키며, 상기 히터를 상기 복수의 탄성 요소들을 사용하여 상기 적어도 하나의 실질적으로 수평한 축을 따라 제한함에 의해 상기 팽창된 히터를 상기 본드 헤드 어셈블리에 대한 위치에 유지시키는 단계; 상기 열압착 본딩 장치의 x-축 및 y-축을 포함하는 상기 적어도 하나의 실질적으로 수평한 축; 상기 히터를 상기 탄성 요소들의 일부로 상기 열압착 본딩 장치의 상기 x-축 및 y-축을 따라 제한하는 단계를 포함하는 상기 히터를 상기 베이스 구조에 고정하는 단계; 상기 x-축 및 상기 y-축의 적어도 하나로 상기 히터의 팽창은 상기 x-축 및 상기 y-축의 상기 적어도 하나를 따라 상기 탄성 요소들의 일부에 탄성 굽힘(elastic bending)의 실질적인 균등화를 가져오고; 상기 열압착 본딩 장치의 상기 x-축 및 상기 y-축을 따른 상기 히터의 중심의 위치가 상기 히터의 동작 동안에 실질적으로 유지되며; 상기 클램핑 시스템을 사용하여 상기 히터와 상기 베이스 구조 사이의 콘택을 유지하면서 상기 히터를 냉각시키는 단계; 상기 히터와 상기 베이스 구조 사이의 상기 접촉은 상기 복수의 탄성 요소들의 일부를 상기 열압착 본딩 장치의 z-축을 따라 프리로딩시켜 유지되고; 상기 히터는 상기 열압착 본딩 공정 동안에 반도체 요소에 접촉되기 위한 콘택 부분을 포함하며; 상기 열압착 본딩 공정 동안에 툴이 상기 반도체 요소에 접촉되도록 상기 툴을 상기 히터에 고정하는 단계; 세라믹 물질로 형성되는 상기 히터; 티타늄을 포함하는 상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들; 상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들이 8－10(10-6/℃) 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 5－10(W/mㆍ℃) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 물질을 포함하고; 티타늄을 포함하는 상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들; 상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들은 8－10(10-6/℃) 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 5－10(W/mㆍ℃) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 물질을 포함하며; 반도체 요소를 상기 히터에 일시적으로 고정하기 위해 진공이 인출되는 적어도 하나의 진공 채널을 정의하는 상기 베이스 구조; 상기 베이스 구조 냉각 유체를 상기 히터에 전송하도록 구성되는 적어도 하나의 냉각 채널을 정의하는 히터; 전기 에너지를 상기 히터로 이끌기 위해 전기적 콘택들을 수용하는 상기 베이스 구조; 상기 복수의 탄성 요소들의 일부로 상기 본드 헤드 어셈블리의 x-축 및 y-축을 따라 제한되는 상기 히터; 상기 복수의 탄성 요소들의 일부로 상기 본드 헤드 어셈블리의 z-축을 따라 제한되는 상기 히터; 상기 히터의 대향하는 측부들 상에 상기 클램핑 시스템의 두 클램핑 구조들을 배치하는 단계; 각각의 상기 두 클램핑 구조들에 포함되는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부를 사용하여 상기 복수의 축들을 따라 제한되는 상기 히터; 각각의 상기 두 클램핑 구조들의 상기 복수의 탄성 요소들의 일부를 사용하여 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축 및 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 제한되는 상기 히터; 단일 편의 물질로 형성되는 각각의 상기 두 클램핑 구조들; 상기 히터가 상기 본드 헤드 어셈블리의 다른 실질적으로 수평한 축을 따라 제한되도록 다른 탄성 요소를 각각의 상기 두 클램핑 구조들에 고장하는 단계; 상기 복수의 탄성 요소들의 적어도 일부를 상기 베이스 구조 및 상기 히터의 적어도 하나를 사용하여 프리로딩시키는 단계; 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분을 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축을 따라 배열하는 단계; 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분을 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 배열하는 단계; 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분이 인장을 유지하도록 상기 복수의 탄성 요소들의 적어도 일부를 상기 베이스 구조 및 상기 히터의 적어도 하나로 프리로딩시키는 단계; 상기 히터에 작용하는 탄성력이 상기 복수의 축들의 상기 적어도 하나를 따라 실질적으로 동일하게 상기 히터를 상기 복수의 축들의 적어도 하나를 따라 실질적으로 균형이 유지된 상태에 유지시키도록 상기 복수의 탄성 요소들을 구성하는 단계; 그리고 상기 본드 헤드 어셈블리의 x-축 및 y-축의 적어도 하나를 포함하는 상기 적어도 하나의 축을 구비할 수 있다.
본 발명의 열압착 본딩을 위한 개선된 구조들 및 방법들에 따르면, 본딩 공정들 동안에 히터의 상대적인 위치를 바람직하게 유지할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면들과 관련하여 파악될 때에 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 통상적인 실무에 따라, 도면들의 다양한 특징들이 일정한 비율이 되지 않는 점이 강조된다. 이와는 반대로, 상기 다양한 특징들의 치수들은 명확성을 위해 임의로 확장되거나 감소될 수 있다. 첨부된 도면들에 있어서,
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 본드 헤드 어셈블리를 포함하는 열압착 본더의 일부들의 블록도이고,
도 2a-도 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 본드 헤드 어셈블리를 포함하는 열압착 본더를 사용하는 기판에 대한 반도체 요소의 본딩을 예시하는 측부 단면도들이며,
도 3a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 열압착 본더의 하부 본드 헤드의 사시도이고,
도 3b-도 3c는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 열압착 본더의 다른 하부 본드 헤드의 사시도들이며,
도 3d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기적 연결들을 예시하는 열압착 본더의 하부 본드 헤드의 일부의 사시도이고,
도 3e-도 3f는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 유체 유동 경로들을 예시하는 열압착 본더의 하부 본드 헤드의 일부의 측부 단면도들이며,
도 4a-도 4b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 각 히터의 상대적인 팽창을 예시하는 열압착 본더의 히터 요소들의 일부들의 부감도들(overhead views)이고,
도 5a-도 5f는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 본드 헤드 어셈블리의 요소들을 예시하는 블록도들이며,
도 6a-도 6c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 각기 저온 상태, 중간 가열 상태 및 고온 상태에 있는 히터와 체결되는 탄성 요소들을 예시하는 본딩 장치의 일부들을 나타내는 측부 블록도들이다.
여기에 사용되는 바에 있어서, "반도체 요소(semiconductor element)"라는 용어는 반도체 칩 또는 다이를 포함하는 임의의 구조(또는 후 공정에서 포함되도록 구성되는)를 언급하도록 의도된 것이다. 예시적인 반도체 요소들은 다른 것들 중에서 베어(bare) 반도체 다이, 기판(예를 들면, 리드프레임, PCB, 캐리어, 반도체 칩, 반도체 웨이퍼, BGA 기판, 반도체 요소 등) 상의 반도체 다이, 패키지된 반도체 장치, 플립 칩(flip chip) 반도체 장치, 기판 내에 매립된 다이, 반도체 다이의 적층을 포함한다. 또한, 상기 반도체 요소는 반도체 패키지 내에 접합되거나 그렇지 않으면 포함되는 요소(예를 들면, 적층된 다이 구성 내에 포함되는 스페이서(spacer), 기판 등)를 포함할 수 있다.
여기에 사용되는 바에 있어서, "기판(substrate)" 및 "워크피스(workpiece)"라는 용어들은 반도체 요소가 접합될 수 있는(예를 들면, 열압착으로 접합된, 초음파로 접합된, 열음파로 접합된, 다이 접합된 등) 임의의 구조를 언급하도록 의도된 것이다. 예시적인 기판들은, 예를 들면, 리드프레임, PCB, 캐리어, 반도체 칩, 반도체 웨이퍼, BGA 기판, 반도체 요소 등을 포함한다.
본 발명의 특정한 예시적인 측면들은 로컬 리플로우(local reflow) 솔더 다이 부착 공정을 수행하기 위한 다이 부착 장치의 본딩 헤드(bonding head)("본드 헤드(bond head)" 또는 "본드 헤드 어셈블리(bond head assembly)"로도 언급됨)에 관한 것이다. 이와 같은 공정에 있어서, 상기 본딩 툴은 배치되는 반도체 요소 상의 솔더 범프들을 용융시키고 다시 고체화시켜 상기 반도체 요소(예를 들면, 다이, 인터포저(interposer) 등)를 배치하고 기판(예를 들면, 칩, 웨이퍼 등)에 접합시킨다. 이러한 프로세스는 상기 반도체 요소의 위치(예를 들면, 한 자릿수의 미크론 또는 보다 작은 레벨들까지)를 바람직하게 유지하면서 상기 본딩 툴의 신속한 가열 및 냉각(예를 들면, 100s의 섭씨 도의 범위, 100s의 초당 도의 속도들로)을 수반한다.
본 발명의 특정한 측면들에 따르면, 상기 히터, 툴 및 배치되고/접합되는 반도체 요소에 인가되는 접합력들(예를 들면, 수직한 z-축을 따른 힘들)은 경질의 절연 구조를 통해 전송된다. 또한, 상기 히터는 균형이 유지되는 탄성 요소들(elastic elements)에 의해 모든 다른 직교하는 방향들로 지지된다. 상기 제한하는 요소들이 바람직하게 균형을 유지하기 때문에, 비대칭적 성장은 상기 히터가 정확한 중심 위치로 이동되게 하는 결과를 가져올 것이다. 상기 z-축 클램핑 요소(clamping element)는 가압된 냉각 유체가 상기 히터의 칩이 아닌 측부에 인가될 때에 상기 히터가 상기 지지 구조로부터 분리되지 않도록 힘들을 제공한다.
본 발명의 특정한 예시적인 측면들에 따르면, 제한되는 상기 히터의 전체적인 지지를 가능하게 하는 설계가 제공된다. 열압착 본딩이 흔히 온도의 신속한 변화를 요구하기 때문에, 통상적으로 상기 히터의 열 질량(thermal mass)을 감소시키는 것이 유리하다. 이러한 열 질량을 감소시키는 하나의 방식은 두께를 최소화하는 것(X, Y 치수들을 유지하면서)이고, 이에 따라 가열되도록 요구되는 물질의 부피가 감소되며, 이는 본 발명의 특정한 측면들에서 구현된다.
본 발명의 특정한 측면들에 따르면, 본드 헤드 어셈블리 내에 열을 활용하는(예를 들면, 접합되는 반도체 요소의 상호 연결들의 일부로서 포함되는 솔더 물질을 용융시키거나 및/또는 연화시키기 위해) 본딩 시스템들(예를 들면, 열압착 본딩 시스템들)이 개시된다. 상기 본드 헤드 어셈블리에 의해 운반되는 본드 툴(상기 히터와 구분될 수 있거나, 상기 히터의 부품과 구분될 수 있는)은 배치되고/접합되는 반도체 요소 상의 솔더 범프들을 용융시키고 다시 고체화시켜 상기 반도체 요소를 기판에 배치하고 접합시킨다. 상기 솔더 범프들을 용융시키기 위하여, 상기 접합되는 반도체 요소의 위치(예를 들면, 한 자릿수의 미크론 또는 보다 작은 레벨들로)를 유지하면서 상기 본드 툴(통합되거나 별도의 히터를 거쳐)을 빠르게 가열하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 본딩 툴의 상대적인 위치를 유지하면서 상기 본드 툴을 빠르게 냉각시킬 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, 본딩 시스템들(및 관련된 공정들)이 상기 본딩 공정의 모든 단계들 동안(예를 들면, 상기 가열 단계/공정 동안, 상기 냉각 단계/공정 동안 등)에 상기 본드 툴의 위치 결정의 정확한 제어를 할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 다양한 측면들에 따르면, 상기 히터의 위치 및 이에 따른 상기 본딩 툴은 열압착 본딩 공정의 상기 가열 단계/공정(및 상기 냉각 단계/공정) 동안에 조절될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 특정한 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 히터는 가열 단계(및 냉각 단계) 동안에 상기 히터의 중심을 유지시키는 데 기여하는 클램핑 요소들에 의해 제한된다. 이는 결국 상기 히터에 의해 운반되는 상기 본딩 툴의 상대적인 위치 및 상기 본딩 툴에 의해 보유되는 임의의 반도체 요소를 유지시킨다. 경질의 절연 구조는 상기 히터를 운반하고, 상기 본드 헤드 어셈블리의 나머지를 상기 히터의 가열 및 냉각으로부터 절연시킨다.
상기 클램핑 요소들이 먼저 상기 경질의 절연 구조에 체결되고 히터를 냉각시킬 때, 상기 클램핑 요소들이 프리-로드(pre-load)된다. 상기 히터가 가열될 때, 이는 팽창되며, 상기 프리-로드된 클램핑 요소들 상의 하중을 증기시킨다. 상기 클램핑 요소들은 복수의 축들을 따라 상기 히터를 제한하는 일련의 탄성 요소들로 고려될 수 있다. 이와 같이, 가열됨에 따라 상기 히터의 임의의 불균등한 팽창은 다음에 설명되는 바와 같이 상기 탄성 요소들의 균등한 인장/압축으로 실질적으로 중립 위치들로 유지시키는/복귀시키는 상기 일련의 탄성 요소들에 의해 보상된다.
도 1은 예시적인 열압착 본더(100)를 나타낸다. 본더(100)는 상부 본드 헤드(104)(예를 들면, z-축 및 y-축을 따라 운동 시스템(102)에 의해 구동되는) 및 하부 본드 헤드(106)를 구비하는 본드 헤드 어셈블리(100a)를 포함한다. 하부 본드 헤드(106)는 상부 본드 헤드(104)에 연결된다. 이와 같이, 상부 본드 헤드(104)의 다양한 운동들은 하부 본드 헤드(106)의 상응하는 운동들을 가져올 것이다. 이와 같은 운동들은, 예를 들면, 운동 시스템(102) 및/또는 세타(theta) 축(150)(도시되지 않은 대응되는 운동 시스템들 가짐)에 대한 회전 운동, 또는 또 다른 운동 시스템(도시되지 않음)에 의해 제공될 수 있다. 하부 본드 헤드(106)는 베이스 구조(base structure)(106a)(바람직하게는 상기 공정의 냉각 단계 동안에 히터(106b)를 냉각하기 위한 유체를 수용하기 위해 냉각 채널들을 포함한다), 히터(106b), 그리고 본딩 툴(106c)을 포함한다. 해당 기술 분야의 숙련자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 히터(106b)는 반도체 요소(도 1에는 도시되지 않음)를 운반하고 접합시키도록 구성되는 가열된 본드 툴이 될 수 있으며, 이와 같이 별도의 본딩 툴(106c)이 생략될 수 있다. 즉, 히터 및 본드/본딩 툴이라는 용어들은 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 단일 구성 요소(도 3a에 도시된 예시적인 실시예에 나타낸 바와 같이)로 통합될 수 있거나, 다중의 분리된 구성 요소들(도 1, 도 3b-도 3c에 도시된 예시적인 실시예들에 나타낸 바와 같이)이 될 수 있다. 히터/본딩 툴(106b/106c)은 본딩 스테이션(bonding station)(180)에서 반도체 요소를 기판에 접합시킨다. 직접 전송 및 배치 실시예에 있어서, 히터/본딩 툴(106b/106c)은 공급 스테이션(supply station)(160)(예를 들면, 반도체 웨이퍼 또는 반도체 요소들을 제공하는 다른 구조물)으로부터 반도체 요소를 전송할 수 있고, 본딩 스테이션(180)에서 상기 요소를 기판에 접합시킨다. 이송 스테이션(transfer station)(다중의 이송들이 일어날 경우에는 또는 복수의 이송 스테이션들)을 사용하는 실시예에 있어서, 픽 툴(pick tool)(예를 들면, 도시되지는 않지만, 이송 스테이션(170) 내에 포함된다)은 반도체 요소를 공급 스테이션(160)으로부터 전송하고, 상기 반도체 요소는 상기 픽 툴로부터 히터/본딩 툴(106b/106c)로 이송되며(여기서 이와 같은 이송은 상기 반도체 요소의 플리핑(flipping)을 수반할 수 있다), 이후에 상기 요소는 본딩 스테이션(180)에서 기판에 접합된다.
도 2a는 반도체 요소(260)(예를 들면, 반도체 다이)를 운반하는 본딩 툴(106c)(하부 본드 헤드(106)에 포함됨)을 구비하는 열압착 본더(100)를 예시한다. 상부 도전성 구조들(262a, 262b)(예를 들면, 각기 구리 필라들(pillars)과 같은 각각의 도전성 필라들(264a, 264b) 및 대응되는 솔더 콘택 부분들(266a, 266b)을 포함하는)은 반도체 요소(260) 상에 제공된다. 본딩 툴(106c)은 상부 도전성 구조들(262a, 262b)이 기판(256)의 본딩 위치(256a)(이해될 수 있는 바와 같이, 기판은 복수의 반도체 요소들을 수용하도록 구성되는 복수의 본딩 위치들을 포함할 수 있다) 상의 하부 도전성 구조들(258a, 258b)과 접촉되도록 낮아진다. 도 2a에 도시된 예에서, 기판(256)은 본딩 스테이션(180)에 의해 지지되며, 여기서 본딩 스테이션(180)은 본드 스테이지(180b) 상의 지지 구조(180a)(예를 들면, 특정 용도 부품)를 포함한다. 도 2b에 있어서, 열압착 본딩 공정에 걸쳐, 솔더 콘택 부분들(266a, 266b)은 연화되고, 이후에 솔더 계면들(266a1, 266b1)로 다시 고체화되어, 도전성 구조들/필라들(264a, 264b)의 하나들과 각각의 하부 도전성 구조들(258a, 258b) 사이에 연구적인 도전성 연결이 제공된다. 비록 도 2a-도 2b는 두 쌍의 도전성 구조들(쌍(262a, 258a) 및 쌍(262b, 258b))만을 도시하지만, 이는 물론 설명의 편의를 위한 간단한 예이다. 실제로, 임의의 숫자의 도전성 구조들의 쌍들(예를 들면, 수십의 도전성 구조 쌍들, 수백의 도전성 구조 쌍들 등)이 제공될 수 있다.
도 3a는 예시적인 하부 본드 헤드(106)(도 1 및 도 2a-도 2b의 하부 본드 헤드(106)와 같은)의 세부 사항들을 나타낸다. 하부 본드 헤드(106)는 통합된 히터/본딩 툴(106b/106c)을 포함하는 예이다. 히터/본딩 툴(106b/106c)은 상기 열압착 본딩 공정 동안에 반도체 요소에 접촉되도록 구성되는 융기 부분(106d)(예를 들면, 메사(mesa) 또는 돌출부)을 포함한다. 진공 홀(AA)은 상기 본딩 위치까지의 이동 동안에 이를 통해 진공이 상기 반도체 요소를 고정시키는 데 사용될 수 있는 히터/본딩 툴(106b/106c) 내에 도시된다. 하부 본딩 헤드(106)는 또한 히터/본딩 툴(106b/106c)을 고정(제한)하기 위한 홀딩 구조(holding structure)(106a)를 포함한다. 홀딩 구조(106a)는 절연성 몸체 부분이 될 수 있는 베이스 구조(106a1)를 포함한다. 이와 같이, 베이스 구조(106a1)는 절연성 몸체 부분(106a1)으로 언급될 수 있다). 베이스 구조(106a1)는 상기 히터로 냉각 유체를 전송하도록 구성되는 적어도 하나의 냉각 채널을 정의한다. 홀딩 구조(106a)는 또한 히터/본딩 툴(106b/106c)을 절연성 몸체 부분(106a1)에 고정하기 위한 두 세트의 클램핑 구조들(106a2)(절연성 몸체 부분(106a1)의 대향하는 측부들 상에 위치함)을 포함한다. 클램핑 구조들(106a2)은 각기 복수의 탄성 요소들(예를 들면, 그 탄성의 성질들 등을 잃지 않고 온도 변화들과 같은 상기 열압착 공정 변수들을 다룰 수 있는 티타늄 또는 이의 합금으로 형성된 플렉셔들(flexures))을 포함한다. 도 3a에 도시된 실시예에 있어서, 각 클램핑 구조(106a2)는 (1) 두 탄성 요소들(106a2')(측부 탄성 요소들) 및 플렉셔들(106a2'')(상부 탄성 요소)(여기서는 모두 세 탄성 요소들(106a2', 106a2', 106a2'')이 단일 편(single piece)의 물질로 형성될 수 있다)을 포함하는 구조, 그리고 (2) 탄성 백킹 플레이트(backing plate)(106a2''')를 포함한다. 집합적으로, 상기 두 백킹 플레이트들(106a2''')은 상기 x-축을 따른 탄성 제한을 제공한다(예를 들면, 상기 히터가 확대되고 수축되면서). 상기 두 쌍의 탄성 요소들(106a2')(4개의 탄성 요소들)은 총괄적으로 상기 y-축을 따라 탄성 제한을 제공한다(예를 들면, 상기 히터가 확대되고 수축되면서). 총괄적으로, 상기 두 탄성 요소들(106a2'')은 상기 z-축을 따라 탄성 제한을 제공한다(예를 들면, 상기 히터가 확대되고 수축되면서). 예를 들면, 상기 두 탄성 요소들(106a2'') 각각은 상기 z-축을 따라 이와 같은 탄성 제한을 제공하도록 상기 티타늄 구조 내에 복수의 그루브들(grooves)을 정의한다.
상기 두 클램핑 구조들(106a2)의 사용을 통해, 각각의 상기 x, y 및 z-축들을 따라 상기 히터에 대한 탄성 제한이 제공되며, 이에 따라 상기 히터가 그 냉각(최초 위치)에 대하여 실질적으로 중심을 두고 팽창(및 수축)되게 한다.
도 3b-도 3c는 서로 구분되는 히터(106b') 및 본딩 툴(106c')을 포함하는 예시적인 구성으로 하부 본드 헤드(106')(여기서 하부 본드 헤드(106')는 도 1 및 도 2a-도 2b의 하부 본드 헤드(106)를 대체할 수 있다)를 도시한다. 도 3b에 있어서, 상기 본딩 툴(106c')은 히터(106b')에 체결되며, 여기서 진공 채널(106b1)(예를 들면, 도 3c에 도시된 바와 같이 립(lip), 그루브, 리세스(recess) 등)이 진공 개구(106b2)로부터 진공으로 제공된다. 도 3c는 예시를 위해 히터(1060b')로부터 제거된 본딩 툴(106c')을 도시한다. 베이스 구조(106a1)는 도 3f에서와 같이 진공 채널을 정의하는 점을 제외하면 도 3a의 베이스 구조(106a1)와 유사하다. 그렇지 않으면, 도 3b-도 3c의 요소들(상기 클램핑 구조(106a2)를 포함하여)이 도 3a의 경우와 동일하다.
도 3d는 히터(106b')를 가열하는(및 온도 센서 피드백 신호들과 같은 다른 전기적 신호들을 운반하는) 전기를 제공하는 히터(106b') 및 본딩 툴(106c')(명확성을 위해 하부 본드 헤드(106')의 나머지가 제거되지만, 전기적 콘택들/연결들(110)(PCB(112)에 연결됨)은 도시됨)을 예시한다.
도 3e는 단일 구조로 통합된 히터/툴을 구비하는 예를 도시한다. 베이스 구조(106a1)는 냉각 단계 동안에 히터(106b/106c)(히터(106b/106c)의 융기 부분(106d)을 포함하여)를 냉각하기 위해 냉각 유체를 수용하고 분배하기 위한 복수의 채널들을 정의한다. 도 3e는 예시적인 냉각 유체 경로들을 도시한다. 이들 냉각 경로들이 도시된 경우들로부터 상당히 변화될 수 있는 점이 이해될 것이다. 비록 상기 냉각 경로들이 히터/툴(106b/106c)의 일부를 포함하는 것으로 도시되지만, 베이스 구조(106a1) 내에 전체적으로 포함될 수 있는 점이 이해될 것이며, 여기서 상기 냉각은 베이스 구조(106a1)와 히터/툴(106b/106c) 사이의 콘택을 통해 제공된다.
도 3f는 별도의 구조들로 제공되는 히터 및 툴을 구비하는 예를 도시한다. 도 3e에서와 같이, 베이스 구조(106a1')는 냉각 단계 동안에 히터(106b')를 냉각하기 위해 냉각 유체를 수용하고 분배하기 위한 복수의 채널들을 정의한다. 도 3f는 예시적인 냉각 유체 경로들을 도시한다. 도 3f는 또한 진공을 이용하여 툴(106c')(융기 부분(106d)을 포함하여)을 히터(106b')에 고정하기 위한 툴 진공 채널을 예시한다. 비록 상기 냉각 경로들이 히터(106b')의 일부를 포함하는 것으로 도시되지만, 베이스 구조(106a1') 내에 전체적으로 포함될 수 있는 점이 이해될 것이며, 여기서 상기 냉각은 베이스 구조(106a1')와 히터(106b') 사이의 콘택을 통해 제공된다.
도 4a는 저온 상태(cold state)(400a) 및 팽창된 고온 상태(hot state)(400b)에 있는 히터를 포함하는 열압착 본더의 일부들의 오버헤드 블록도이며, 여기서 도 4a-도 4b의 교시들이 본 발명에 따라 임의의 히터(예를 들면, 히터/툴(106b/106c), 히터(106b') 등)에 적용될 수 있다. 상기 저온 히터(400a) 및 상기 고온 히터(400b)의 중심점들 "C"가 일치하며, 이에 따라 도 4a는 상기 중심점의 이동이 없는 이상적인 히터 팽창을 도시한다. 따라서, 상기 가열 공정 동안에 팽창되면서 상기 저온 히터(400a)의 네 코너들에 각기 가해지는 응력들(도 4a에 4개의 화살표들로 나타냄)은 실질적으로 동일하다. 그러나, 도 4b에 도시된 바와 같이, 저온 히터(400a)가 가열될 때, 이는 불균등하게 팽창할 수 있으므로, 상기 고온 히터(400b)의 중심점 "C2"가 상기 저온 히터(400a)의 중심점 "C1"로부터 멀어지게 이동한다. 따라서, 상기 가열 공정 동안에 팽창되면서 상기 저온 히터(400a)의 각 코너에 가해지는 응력이 동일하지 않다. 상기 고온 히터(400b)의 이러한 불균등한 팽창은 또한 고온 히터(400b)에 의해 운반되는(또는 상기 히터와 통합된) 본딩 툴을 이동시키며, 이에 따라 상기 툴에 의해 고정되는 임의의 반도체 요소를 이동시킨다. 이는 상기 반도체 요소가 접합될 수 있는 워크피스에 관한 상기 반도체 요소의 허용 가능하지 않은 이동의 결과로 되고, 접합된 반도체 어셈블리 내에 치명적인 결함을 가져올 수 있다.
도 5a는 경질의 절연 구조(106a1') 및 히터(106b')의 각 측부 상에 클램핑 구조들(106a2)(다양한 클램핑 요소들을 포함하여)을 포함하는 도 3b-도 3c에 도시된 하부 본드 헤드(106')를 구비하는 것과 같은 열압착 본더(100)(예를 들면, 열압착 플립 칩 본딩 장치)의 일부들의 블록도를 예시한다. 히터(106b')는 저온이고, (저온)본드 툴(106c')을 운반하며, 이는 결국 기판(도시되지 않음)에 대한 접합을 위해 반도체 요소(도시되지 않음)를 운반할 수 있다. 도 5c는 경질의 절연 구조(106a1) 및 히터(106b')를 체결하고/클램핑하기 이전에 클램프되지 않고, 로드되지 않은 상태에 있는 클램핑 구조(106a2)를 예시한다. 각 클램핑 요소 구조(106a2)의 일 단부/부분 "AA"는 고정된 표면(예를 들면, 본드 헤드 어셈블리의 일부)에 의해 운반되고, 스프링 구조로 도 5c에 나타낸 탄성 부분 "BB"에 의해 상기 클램핑 구조(106a2)의 대향하는 단부 "CC"로부터 이격된다. 각 클램핑 구조(106a2)의 상기 대향하는 단부 "CC"는 히터(106b')의 하부 단부를 결속하도록 구성되는 L자의 형상을 가진다. 상기 클램핑 구조들(106a2)이 상기 절연 구조(106a1) 및 상기 저온 히터(106b')(도 5d에서와 같이 프리로드된 상태)에 체결될 때, 탄성 부분 "BB"는 도 5d에 양방향 화살표(BB' 참조)로 나타낸 바와 같이 상기 클램핑 구조들(106a2)을 인장/로드시키도록 늘어나므로, 상기 탄성 위치가 인장 하에 놓인다. 상기 클램핑 구조들(106a2)의 로딩은 상대적으로 큰 힘을 생성한다.
도 5b는 X, Y 및 Z 방향들(범례 참조)로 팽창하도록 가열되었던 히터(106b')를 예시한다. 히터(106b')의 이러한 팽창은 상기 로드된 클램핑 시스템(상기 한 쌍의 클램핑 구조들(106a2)을 포함하는)에 의해 막히고, 다른 로드된 클램핑 요소들을 생성한다. 상기 히터(106b')의 가열에 의해 발생되는 힘의 증가는 프리-로드된 힘(도 5d에서)보다 작다. 도 5d에 있어서, 상기 프리-로드된 변위(상기 z-축을 따른)는 도 5e에서의 가열 때문에 추가적인 z-축 변위에 비하여 크다. 클램핑 시스템(상기 클램핑 구조들(106a2)을 포함하는)의 구성은 상기 저온 히터(106b')의 중심에 대해 상기 고온 히터(106b')(상기 가열된 툴을 운반하는)의 중심을 실질적으로 유지한다.
도 5f는 도 5a의 저면도(상기 툴이 제거된)이다. 프리-로드된 클램핑 구조들(106a2)은 상기 저온 히터(106b')의 대향하는 측부들을 따라 팽창하며, 여기서 백킹 플레이트들(106a2''')(도 5a-도 5e에는 간편성을 위해 도시되지 않지만, 도 3a-도 3c 참조)은 상기 로딩된 클램핑 구조들(106a2)의 대향하는 측부들 상부에 놓인다. 백킹 플레이트들(106a2''')은 상기 x-축을 따라 탄성 제한을 제공하는 데 기여한다. 상기 로딩된 클램핑 구조들(106a2)은 하부 표면(상기 본드 헤드 어셈블리의 일부와 같은 고정된 표면에 대향하는 상기 히터(106b')의 상부 표면과 함께)을 따라 상기 히터(106b')를 체결하고 유지하도록 돌기들을 포함한다.
해당 기술 분야의 숙련자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 도 5a-도 5f의 교시들은 본 발명의 임의의 실시예에 적용될 수 있다. 예를 들면, 클램핑 구조들(106a2)은 다른 도면들 등에 도시된 경우들과 동일할 수 있다.
도 6a-도 6c는 저온 히터(600)(도 6a), 상기 저온 히터(600)의 가열(도 6b) 및 고온 히터(600)(도 6c)의 하향식 블록도들이며, 여기서 도 6a-도 6c의 교시들이 본 발명에 따라 임의의 히터(예를 들면, 히터/툴(106b/106c), 히터(106b') 등)에 적용될 수 있다. 상기 클램핑 구조들/요소들/백 플레이트들의 탄성 요소들은 스프링 부재 쌍들 Ky1, Ky3; Ky2, Ky4/Kx1, Kx3; 및 Kx2, Kx4로 단순화되지만, 다른 클램핑 시스템(예를 들면, 앞서 도시되고 설명된 클램핑 구조들(106a2)과 같은)이 도 6a-도 6c에 도시된 스프링 부재의 기능을 제공할 수 있는 점이 이해될 것이다. 도 6a는 동일한 인장/압축의 스프링 부재 쌍들 Ky1, Ky3; Ky2, Ky4/Kx1, Kx3; 및 Kx2, Kx4를 갖는 저온 히터(600)를 예시한다. 도 6b는 가열되는 공정 동안에 상기 히터(600)를 예시한다. 도시된 바와 같이, 상기 히터(600)는 스프링들 Kx3, Kx4: 우측을 향하여 압축되는 스프링들 Kx3, Kx4; 신장되는 스프링들 Kx1, Kx2; 및 구부러지는 스프링들 Ky1, Ky2; Ky3, Ky4를 향해 도 6a-도 6c와 관련하여 우측으로 팽창된다. 탄성 부재들/스프링들은 모든 탄성 부재들/스프링들에서 인장/압축/굽힘의 균형을 이루려는 경향이 있다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 불균등하게 팽창된 고온 히터(600)의 중심 "C"는 상기 저온 히터(600)의 중심 "C"(도 6a에서)와 동일한 상대 위치로 복귀한다(유지될 수 있다). 이는 상기 히터(600)에 의해 운반되는(또는 상기 히터와 통합되는) 본딩 툴 및 상기 본딩 툴에 의해 유지되는 임의의 반도체 요소가 실질적으로 중심을 가지고 남게 되는 점을 보장한다.
비록 본 발명이 특정한 축들을 따라 상기 히터를 탄성적으로 제한하기 위한 클램핑 시스템들/구조들(및 관련된 탄성 요소들)의 특정한 예들을 제공하지만, 이들 예들이 제한적이지 않은 점이 이해될 것이다. 즉, 본 발명의 범주 내에서 다양한 변화들이 상기 클램핑 구조들의 구성(어떻게 탄성적인 제한이 각각의 상기 x, y 및 z-축들을 따라 제공되는 가를 포함하여)에 대해 이루어질 수 있다. 특정 예로서, 상기 x-축을 따른 탄성 제한을 위해 제공되는 상기 백킹 플레이트는 백킹 플레이트가 없는 다른 방식으로, 예를 들면, 상기 클램핑 요소들 내로 통합되는 다른 스프링 기능을 통해 구현될 수 있다.
비록 본 발명의 특정 측면들이 특정한 운동 축들로 예시되었지만, 이들은 사실상 예시적인 점이 이해될 것이다.
비록 본 발명이 여기서 특정 실시예들을 참조하여 예시되고 설명되었지만, 본 발명이 도시된 세부 사항들에 한정되게 의도되는 것은 아니다. 오히려, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 특허청구범위의 균등물의 범주와 범위 내에서 상기 세부 사항들에 수행될 수 있다.
100：열압착 본더
100a：본드 헤드 어셈블리
102：운동 시스템
104：상부 본드 헤드
106：하부 본드 헤드
106a：베이스 구조
106b：히터
106c：본딩 툴
106a1：베이스 구조
106a2：클램핑 구조
106a2'：탄성 요소
150：축
160：공급 스테이션
170：이송 스테이션
180：본딩 스테이션
180a：지지 구조
180b：본드 스테이지
256：기판
256a：본딩 위치
258a, 258b：하부 도전성 구조물
260：반도체 요소
262a, 262b：상부 도전성 구조물
264a, 264b：도전성 필라
266a, 266b：콘택 부분

Claims (79)

  1. 반도체 요소(semiconductor element)를 기판에 접합시키기 위한 본드 헤드 어셈블리(bond head assembly)에 있어서,
    베이스 구조;
    히터; 및
    상기 히터를 상기 베이스 구조에 고정시키는 클램핑 시스템(clamping system)을 포함하며, 상기 클램핑 시스템은 복수의 축들을 따라 상기 히터를 제한하는 복수의 탄성 요소들(elastic elements)을 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 히터는 본딩 공정 동안에 상기 반도체 요소에 접촉되는 콘택 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 본드 헤드 어셈블리는 상기 히터에 고정되는 툴(tool)을 포함하며, 상기 툴은 본딩 공정 동안에 상기 반도체 요소에 접촉되는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 히터는 세라믹 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 클램핑 시스템의 탄성 요소들은 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 클램핑 시스템의 탄성 요소들은 섭씨 도당 8－10×10-6 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 5－10Watts/(미터×섭씨 도) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 섭씨 도당 6－12×10-6 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 1－3Watts/(미터×섭씨 도) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 절연 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 본딩 공정 동안에 상기 반도체 요소를 상기 히터에 일시적으로 고정시키기 위해 진공이 인출되는 적어도 하나의 진공 채널을 정의하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 상기 히터에 냉각 유체를 전송하도록 구성되는 적어도 하나의 냉각 채널을 정의하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 전기 에너지를 상기 히터로 이끄는 전기적 콘택들을 수용하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들은 히터 상기 본드 헤드 어셈블리의 적어도 하나의 실질적으로 수평한 축을 따라 상기 히터를 제한하는 복수의 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들은 상기 본드 헤드 어셈블리의 x-축 및 상기 본드 헤드 어셈블리의 y-축을 따라 상기 히터를 제한하는 복수의 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들은 상기 본드 헤드 어셈블리의 z-축을 따라 상기 히터를 제한하는 복수의 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 클램핑 시스템은 상기 히터의 대향하는 측부들 상에 배열되는 두 클램핑 구조들을 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  15. 제 14 항에 있어서, 각각의 상기 두 클램핑 구조들은 상기 본드 헤드 어셈블리의 복수의 축들을 따라 상기 히터를 제한하는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  16. 제 14 항에 있어서, 각각의 상기 두 클램핑 구조들은 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축 및 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 상기 히터를 제한하는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  17. 제 16 항에 있어서, 각각의 상기 두 클램핑 구조들은 단일 편(unitary piece)의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  18. 제 16 항에 있어서, 다른 탄성 요소가 각각의 상기 두 클램핑 구조들에 고정되며, 상기 본드 헤드 어셈블리의 다른 실질적으로 수평한 축을 따라 상기 히터를 제한하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들의 적어도 일부는 상기 히터로 프리로드(preload)되는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들의 일부는 상기 히터로 프리로드되어, 상기 프리로드된 복수의 탄성 요소들의 일부가 인장(tension)을 유지하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분은 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분은 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들은 상기 히터를 상기 본드 헤드 어셈블리의 복수의 축들의 적어도 하나를 따라 실질적으로 균형이 유지된 상태로 유지하도록 구성되어, 상기 히터에 작용하는 탄성력이 상기 본드 헤드 어셈블리의 상기 적어도 하나의 축을 따라 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 축은 상기 본드 헤드 어셈블리의 x-축 및 상기 본드 헤드 어셈블리의 y-축의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 본드 헤드 어셈블리.
  25. 복수의 반도체 요소들을 포함하는 반도체 요소 공급 스테이션;
    상기 반도체 요소들의 적어도 하나를 수용하도록 구성되는 기판을 고정하기 위한 본딩 스테이션(bonding station); 및
    상기 적어도 하나의 반도체 요소를 상기 기판에 접합시키기 위한 본드 헤드 어셈블리를 포함하며, 상기 본드 헤드 어셈블리는 베이스 구조, 히터 및 상기 히터를 상기 베이스 구조에 고정하기 위한 클램핑 시스템을 포함하고, 상기 클램핑 시스템은 복수의 축들을 따라 상기 히터를 제한하는 복수의 탄성 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열압착 본더.
  26. 본드 헤드 어셈블리를 조립하는 방법에 있어서,
    클램핑 시스템을 사용하여 히터를 베이스 구조에 고정하는 단계; 및
    상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들로 상기 본드 헤드 어셈블리의 복수의 축들을 따라 상기 히터를 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 히터는 본딩 공정 동안에 반도체 요소에 접촉되기 위한 콘택 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 26 항에 있어서, 툴을 상기 히터에 고정하는 단계를 더 포함하며, 상기 툴은 본딩 공정 동안에 상기 반도체 요소에 접촉되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 26 항에 있어서, 상기 히터는 세라믹 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 26 항에 있어서, 상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들은 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 26 항에 있어서, 상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들은 8－10(10-6/℃) 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 5－10(W/mㆍ℃) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 26 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 6－12(10-6/℃) 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 1－3(W/mㆍ℃) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 절연 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 26 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 반도체 요소를 상기 히터에 일시적으로 고정하기 위해 진공이 인출되는 적어도 하나의 진공 채널을 정의하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 26 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 상기 히터에 냉각 유체를 전송하도록 구성되는 적어도 하나의 냉각 채널을 정의하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 26 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 전기 에너지를 상기 히터로 이끌기 위한 전기적 콘택들을 수용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 26 항에 있어서, 상기 히터는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들로 적어도 하나의 실질적으로 수평한 축을 따라 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 26 항에 있어서, 상기 히터는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들로 상기 본드 헤드 어셈블리의 x-축 및 y-축을 따라 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 26 항에 있어서, 상기 히터는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들로 상기 본드 헤드 어셈블리의 z-축을 따라 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 26 항에 있어서, 상기 클램핑 시스템의 두 클램핑 구조들을 상기 히터의 대향하는 측부들 상에 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제 39 항에 있어서, 상기 히터는 각각의 상기 두 클램핑 구조들에 포함되는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들을 사용하여 상기 복수의 축들을 따라 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제 39 항에 있어서, 상기 히터는 각각의 상기 두 클램핑 구조들의 상기 복수의 탄성 요소들의 일부를 사용하여 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축 및 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제 41 항에 있어서, 각각의 상기 두 클램핑 구조들은 단일 편의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제 41 항에 있어서, 상기 히터가 상기 본드 헤드 어셈블리의 다른 실질적으로 수평한 축을 따라 제한되도록 다른 탄성 요소를 각각의 상기 두 클램핑 구조들에 고정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제 26 항에 있어서, 상기 베이스 구조 및 상기 히터의 적어도 하나를 사용하여 상기 복수의 탄성 요소들의 적어도 일부를 프리로딩시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제 44 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분을 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축을 따라 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제 44 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분을 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제 26 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들의 적어도 일부를 상기 베이스 구조 및 상기 히터의 적어도 하나와 프리로딩시키는 단계를 더 포함하여, 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로딩된 부분이 인장을 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제 26 항에 있어서, 상기 히터가 상기 복수의 축들의 적어도 하나를 따라 실질적으로 균형이 유지된 상태를 유지하도록 상기 복수의 탄성 요소들을 구성하는 단계를 더 포함하여, 상기 히터에 작용하는 탄성력이 상기 복수의 축들의 상기 적어도 하나를 따라 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제 48 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 축은 상기 본드 헤드 어셈블리의 x축 및 y-축의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 열압착 본딩 장치의 본드 헤드 어셈블리를 동작시키는 방법에 있어서,
    클램핑 시스템을 사용하여 히터를 베이스 구조에 고정시키는 단계를 포함하며, 상기 클램핑 시스템은 복수의 축들을 따라 상기 히터를 제한하는 복수의 탄성 요소들을 포함하고;
    열압착 본딩 공정과 관련하여 상기 히터를 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 히터를 가열하여, 적어도 하나의 실질적으로 수평한 축으로 상기 히터를 팽창시키는 단계; 및
    상기 복수의 탄성 요소들을 사용하여 상기 적어도 하나의 실질적으로 수평한 축을 따라 상기 히터를 제한하여 상기 팽창된 히터를 상기 본드 헤드 어셈블리에 대한 위치에 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 제 51 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 실질적으로 수평한 축은 상기 열압착 본딩 장치의 x-축 및 y-축을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제 52 항에 있어서, 상기 히터를 상기 베이스 구조에 고정하는 단계는 상기 탄성 요소들의 일부로 상기 열압착 본딩 장치의 상기 x-축 및 상기 y-축을 따라 상기 히터를 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제 53 항에 있어서, 상기 x-축 및 상기 y-축의 적어도 하나로 상기 히터의 팽창은 상기 x-축 및 상기 y-축의 상기 적어도 하나를 따라 상기 탄성 요소들의 일부에 탄성 굽힘(elastic bending)의 실질적인 균등화를 가져오는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제 54 항에 있어서, 상기 열압착 본딩 장치의 상기 x-축 및 상기 y-축을 따른 상기 히터의 중심의 위치는 상기 히터의 동작 동안에 실질적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 제 51 항에 있어서, 상기 클램핑 시스템을 사용하여 상기 히터와 상기 베이스 구조 사이에 콘택을 유지하면서 상기 히터를 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 제 56 항에 있어서, 상기 히터와 상기 베이스 구조 사이의 상기 콘택은 상기 열압착 본딩 장치의 z-축을 따라 상기 복수의 탄성 요소들의 일부를 프리로딩시켜 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  58. 제 50 항에 있어서, 상기 히터는 상기 열압착 본딩 공정 동안에 반도체 요소에 접촉되기 위한 콘택 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  59. 제 50 항에 있어서, 툴을 상기 히터에 고정하는 단계를 더 포함하며, 상기 툴은 상기 열압착 본딩 공정 동안에 상기 반도체 요소에 접촉되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  60. 제 50 항에 있어서, 상기 히터는 세라믹 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  61. 제 50 항에 있어서, 상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들은 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  62. 제 50 항에 있어서, 상기 클램핑 시스템의 복수의 탄성 요소들은 8－10(10-6/℃) 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 5－10(W/mㆍ℃) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  63. 제 50 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 6－12(10-6/℃) 사이의 범위 내의 열팽창 계수 및 1－3(W/mㆍ℃) 사이의 범위 내의 열전도율을 갖는 절연 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  64. 제 50 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 반도체 요소를 상기 히터에 일시적으로 고정하기 위해 진공이 인출되는 적어도 하나의 진공 채널을 정의하는 것을 특징으로 하는 방법.
  65. 제 50 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 상기 히터에 냉각 유체를 전송하도록 구성되는 적어도 하나의 냉각 채널을 정의하는 것을 특징으로 하는 방법.
  66. 제 50 항에 있어서, 상기 베이스 구조는 전기 에너지를 상기 히터로 이끌기 위한 전기적 콘택들을 수용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  67. 제 50 항에 있어서, 상기 히터는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들로 상기 본드 헤드 어셈블리의 x-축 및 y-축을 따라 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  68. 제 50 항에 있어서, 상기 히터는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들로 상기 본드 헤드 어셈블리의 z-축을 따라 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  69. 제 50 항에 있어서, 상기 히터의 대향하는 측부들 상에 상기 클램핑 시스템의 두 클램핑 구조들을 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  70. 제 69 항에 있어서, 상기 히터는 각각의 상기 두 클램핑 구조들 내에 포함되는 상기 복수의 탄성 요소들의 일부들을 사용하여 상기 복수의 축들을 따라 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  71. 제 69 항에 있어서, 상기 히터는 각각의 상기 두 클램핑 구조들의 상기 복수의 탄성 요소들의 일부를 사용하여 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축 및 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 제한되는 것을 특징으로 하는 방법.
  72. 제 71 항에 있어서, 각각의 상기 두 클램핑 구조들은 단일 편의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  73. 제 71 항에 있어서, 상기 히터가 상기 본드 헤드 어셈블리의 또 다른 실질적으로 수평한 축을 따라 제한되도록 다른 탄성 요소를 각각의 상기 두 클램핑 구조들에 고정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  74. 제 50 항에 있어서, 상기 베이스 구조와 상기 히터의 적어도 하나를 사용하여 상기 복수의 탄성 요소들의 적어도 일부를 프리로딩시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  75. 제 74 항에 있어서, 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수평한 축을 따라 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분을 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  76. 제 74 항에 있어서, 상기 본드 헤드 어셈블리의 실질적으로 수직한 축을 따라 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분을 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  77. 제 50 항에 있어서, 상기 복수의 탄성 요소들의 적어도 일부를 상기 베이스 구조 및 상기 히터의 적어도 하나로 프리로딩시키는 단계를 더 포함하여, 상기 복수의 탄성 요소들의 프리로드된 부분이 인장을 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  78. 제 50 항에 있어서, 상기 히터가 상기 복수의 축들의 적어도 하나를 따라 실질적으로 균형이 유지된 상태를 유지하도록 상기 복수의 탄성 요소들을 구성하는 단계를 더 포함하여, 상기 히터에 작용하는 탄성력이 상기 복수의 축들의 상기 적어도 하나를 따라 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  79. 제 78 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 축은 상기 본드 헤드 어셈블리의 x-축 및 y-축의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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