TW201436080A - 具有可加熱和可冷卻抽吸構件的接合頭 - Google Patents

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Abstract

一種用於將半導體晶片安裝在基片上的接合頭(1)，該接合頭包括接合頭本體(2)和形成為單件的抽吸構件(3)。抽吸構件的加熱、冷卻和溫度監控所需的元件全都被集成到抽吸構件(3)中，使得加熱元件和冷卻元件都不由於防止傳熱的表面而與半導體晶片(11)隔離開。接合頭本體(2)僅包含向抽吸構件(3)供應電力和冷卻介質所需的元件。

Description

具有可加熱和可冷卻抽吸構件的接合頭 [優先權申明]
申請人在此請求於2013年1月21日提交的瑞士專利申請No.245/13的優先權，其公開內容在此通過引用而併入本文。
本發明涉及一種具有可加熱和可冷卻抽吸構件的接合頭。
這種接合頭在半導體工業中用於將半導體晶片(稱為模具)以普通方式接合或熱壓接合(TC接合)在基片上。在溫度以及可選的壓力作用下形成連接。
某些接合工藝諸如TC接合在基片上進行接合期間需要加熱和冷卻半導體晶片，即，使用極端的加熱和冷卻速率來操控溫度分佈。這種加熱和冷卻需要時間並且大體確定週期的時間以及因此確定機器的處理量。
從美國專利No.6,821,381可知一種熱壓接合頭，該熱壓接合頭包括由陶瓷製成的抽吸構件，抽吸構件被旋擰到接合頭上。抽吸構件包含被附接在抽吸構 件的凹部中的電阻加熱器。熱電偶被附加地佈置在抽吸構件的外側。抽吸構件的上側包含凹部，使得冷卻通道被形成在接合頭和抽吸構件之間，冷卻通道能夠被供應壓縮空氣以冷卻抽吸構件。壓縮空氣在水準方向上流過冷卻通道並在冷卻通道的端部處到達外部環境。
從WO 2012002300可知一種熱壓接合頭，該熱壓接合頭包括接合頭本體和抽吸構件，接合頭本體具有一體的加熱器和能夠被供應壓縮空氣的冷卻通道，抽吸構件能夠利用真空被保持在接合頭本體上。抽吸構件還包括能夠被供應壓縮空氣的冷卻通道。
使用這種從現有技術可知的接合頭，能夠以100℃/s的加熱速率加熱半導體晶片，並且以50℃/s的冷卻速率冷卻該半導體晶片。
本發明基於改善這種接合頭的目的，即具體是增加抽吸構件的加熱速率和冷卻速率。
1‧‧‧接合頭
2‧‧‧接合頭本體
3‧‧‧抽吸構件
4‧‧‧抽吸構件的底側
5‧‧‧抽吸構件的上側
6‧‧‧接合頭本體的底側
7‧‧‧第一凹部
8‧‧‧第一通道
9‧‧‧凹部
10‧‧‧第二通道
11‧‧‧半導體晶片
12‧‧‧冷卻通道
13‧‧‧入口
14‧‧‧出口
15‧‧‧側壁
16‧‧‧第二凹部
17‧‧‧第三凹部
18‧‧‧第三通道
19‧‧‧第四通道
20‧‧‧電阻加熱器
21‧‧‧溫度感測器
22‧‧‧突起
23‧‧‧第一電接觸區域
2‧‧‧第二電接觸區域
25‧‧‧電接觸元件
被併入並構成本說明書的一部分的附圖圖示了本發明的一個或更多個實施例，並且和詳細描述一起用來解釋發明的原理和實施方式。附圖不按比例。在附圖中：圖1示意性地示出了根據本發明的接合頭的剖面視圖。
圖2示出了抽吸構件的底側。
圖3示出了抽吸構件的上側。
一種半導體安裝設備包括拾取和放置系統，該拾取和放置系統一個接一個地拾取半導體晶片並將它們放置在基片上。該拾取和放置系統包括接合頭1。圖1示意性地示出了接合頭1的理解本發明所必需的部分。接合頭1在與基片表面垂直地延伸的方向上被可移位地安裝在拾取和放置系統上，該方向通常是豎直方向並且在此標示為Z方向。接合頭1包括接合頭本體2以及可加熱和可冷卻的抽吸構件3，抽吸構件3被可拆卸地固定到接合頭本體2。
抽吸構件3具有彼此相對並且相對於彼此平行延伸的底側4和上側5。接合頭本體2具有底側6，抽吸構件3的上側5擱置在底側6上。接合頭本體2的底側6或者抽吸構件3的上側5設有一個或更多個第一凹部7，一個第一通道8或數個第一通道8通向第一凹部7，該槽能夠被供應真空以便抽吸和緊固地保持擱置在底側6上的抽吸構件3。
圖2示出了抽吸構件3的底側4。底側4包括一個(如示出的)或更多個凹部9。接合頭本體2和抽吸構件3包含至少一個第二通道10，第二通道10通向所述的一個或更多個凹部9並且能夠被供應真空以抽吸半導體晶片11。底側4的完全被一個或更多個凹部9覆蓋的表面區域形成用於抽吸半導體晶片11的抽吸區域，而底側4的不被一個或更多個凹部9覆蓋的表面區域允許在加熱半導體晶片11期間的熱量的傳遞或者在冷卻半 導體晶片11期間的熱量的消散。這兩個表面區域的比例就他們的比率而言被確定為，使得一方面能夠以需要的力抽吸半導體晶片11，另一方面半導體晶片11能夠被有效地加熱和冷卻。
抽吸構件3包含一個或更多個冷卻通道12，冷卻通道12各自包括入口13和出口14，入口13和出口14通向側壁15或優選地通向抽吸構件3的上側5。接合頭本體2的底側6形成有一個或更多個第二凹部16以及一個或更多個第三凹部17。接合頭本體2包含一個或若干個第三通道18以及一個或若干個第四通道19，所述一個或若干個第三通道18通向所述一個或更多個第二凹部16，而所述一個或若干個第四通道19通向所述一個或更多個第三凹部17。當抽吸構件3擱置在接合頭本體2的底側6上時，所述一個或更多個凹部16形成一個或更多個連接冷卻通道12的入口13的腔，並且所述一個或更多個凹部17形成一個或更多個連接冷卻通道12的出口14的腔。抽吸構件3因此能夠通過一個或更多個第三通道18供應冷卻介質並且通過一個或更多個第四通道19排出冷卻介質而被冷卻。例如，冷卻介質是壓縮空氣，壓縮空氣被供應到一個或更多個第三通道18，由此其流過冷卻通道12並經由一個或更多個第四通道19被排出到外部環境。一個或更多個第三通道18以及一個或更多個第四通道19也能夠是封閉的冷卻回路的一部分，氣態或液態冷卻介質能夠在該冷卻回路中迴圈。
抽吸構件3還包含被集成在抽吸構件3中的電阻加熱器20和溫度感測器21。溫度感測器21優選地是隨溫度變化的電阻器並且用於測量抽吸構件3的當前溫度。例如，抽吸構件3包含側向突出的突起22，如此處示出的，突起22的上側定位成比抽吸構件3的上側5低並且突起22的底側定位成比抽吸構件3的底側4高。突起22的上側包含兩個第一電接觸區域23和兩個第二電接觸區域24，第一電接觸區域23連接到電阻加熱器20，第二電接觸區域24連接到形成溫度感測器21的隨溫度變化的電阻器。電接觸區域也能夠被集成在抽吸構件3的上側5和/或側壁15中。
圖3以頂視圖示出了抽吸構件3。該圖示出了具有冷卻通道12的入口13和出口14的上側5，以及第一電接觸區域23和第二電接觸區域24。
電接觸元件25諸如接觸銷(如示出的)或支架等被附接到接合頭本體2，該接觸元件優選地被以彈性方式安裝並且被電連接到控制單元，控制單元供應電阻加熱操作需要的以及溫度感測器21操作需要的電流。當抽吸構件3被抽吸到接合頭本體2的底側6時，電接觸元件25與接觸區域23、24接觸，從而建立與電阻加熱器20和溫度感測器21的電連接。
冷卻通道12優選地被直接佈置在抽吸構件3的上側5的下方。電阻加熱器20優選地被佈置在冷卻通道12的下方，但是也能夠被佈置在冷卻通道12的上方，即在冷卻通道12和上側5之間。溫度感測器21優選地 被直接佈置在抽吸構件3的底側4的上方，但是也能夠位於抽吸構件3中的另一個位置處。抽吸構件3由單件燒結陶瓷材料構成。例如，以如下方式生產產品，數層陶瓷材料、電阻加熱器20和溫度感測器21以期望的順序彼此堆疊然後燒結在一起，從而產生形成抽吸構件3的單個陶瓷元件。
根據本發明的接合頭1的特徵在於，抽吸構件3的加熱、冷卻和溫度監控所需的元件全都被集成在抽吸構件3中，並且接合頭本體2僅包括向抽吸構件3供應電力和冷卻介質所需的元件。而且，另一方面，所述元件的佈置和構造以如下方式完成，使得抽吸構件3是扁平的，即，在底側4和上側5之間的距離明顯小於最大寬度B，即在彼此相對的側壁15之間的最大距離(不考慮突起22)。具有一體的電阻加熱器20和一體的溫度感測器21的單件燒結陶瓷材料的抽吸構件3的緊湊佈置一方面導致抽吸構件3的非常低的熱品質，另一方面加熱或冷卻並不由於防止傳熱的表面而與半導體晶片11隔離開，而在電阻加熱器20和/或冷卻通道12被集成在接合頭本體2的情況下，加熱或冷卻由於防止傳熱的表面而與半導體晶片11隔離開。
冷卻通道12優選地被佈置在與抽吸構件3的上表面5平行延伸的僅單個平面中，而不被佈置在以一個平面在另一個平面之上的方式定位的數個平面中。冷卻通道12在該構造中僅形成低的高度，從而獲得抽吸構件3的扁平結構。扁平結構意味著低的整體高度。
在利用壓縮空氣或惰性氣體進行冷卻的實施例的情況下，一個或更多個第四通道19優選地如圖示地在相對於抽吸構件3的底側4傾斜的方向上延伸，並且通向外部環境。因此，一個或更多個第四通道19的出口開口比一個或更多個第四通道19的入口開口更遠離抽吸構件3的底側4。因此，排出的壓縮空氣在向上方向上流出，因此減小了排出的壓縮空氣將已經安裝的、與基片的連接尚未完全穩固的半導體晶片移位元或吹開的可能性，或者對於已經被塗覆粘合劑材料但尚未放置半導體晶片的相鄰基片位置減小粘合劑材料產生漂移的可能性。
因為抽吸構件3被可拆卸地固定到接合頭本體2或利用真空被保持在接合頭本體2上，所以抽吸構件3能夠容易地自動地更換，以便將半導體安裝裝置調整為不同尺寸的半導體晶片。
雖然已經示出和描述了本發明的實施例和應用，但是顯而易見的是，對於受益於本公開的本領域技術人員來說，在不脫離此處的發明構思的情況下，能夠得到比上面提及的更多的變型。因此，除了所附權利要求及其等同物的精神以外，本發明不受限制。
1‧‧‧接合頭
2‧‧‧接合頭本體
3‧‧‧抽吸構件
4‧‧‧抽吸構件的底側
5‧‧‧抽吸構件的上側
6‧‧‧接合頭本體的底側
7‧‧‧第一凹部
8‧‧‧第一通道
9‧‧‧凹部
10‧‧‧第二通道
11‧‧‧半導體晶片
12‧‧‧冷卻通道
13‧‧‧入口
14‧‧‧出口
15‧‧‧側壁
16‧‧‧第二凹部
17‧‧‧第三凹部
18‧‧‧第三通道
19‧‧‧第四通道
20‧‧‧電阻加熱器
21‧‧‧溫度感測器
22‧‧‧突起
23‧‧‧第一電接觸區域
24‧‧‧第二電接觸區域
25‧‧‧電接觸元件

Claims (5)

  1. 一種接合頭(1)，包括：接合頭本體(2)，以及扁平的抽吸構件(3)，所述抽吸構件(3)由單件燒結陶瓷材料構成並具有彼此相對的底側(4)和上側(5)，其中，在所述抽吸構件(3)中：所述底側(4)形成有至少一個凹部(9)，一個或更多個冷卻通道(12)被設置在所述上側(5)的下方，所述冷卻通道包括入口(13)和出口(14)，電阻加熱器(20)被佈置在所述冷卻通道(12)的下方或上方，並且集成有溫度感測器(21)，其中，所述電阻加熱器(20)被連接到第一接觸區域(23)並且所述溫度感測器(21)被連接到第二接觸區域(24)；其中，所述接合頭本體(2)的底側(6)或者所述抽吸構件(3)的上側(5)包括一個或更多個凹部(7)，並且其中，所述接合頭本體(2)包括一個或更多個第一通道(8)，所述一個或更多個第一通道(8)通向所述一個或更多個凹部(7)並且能夠被供應真空用於抽吸所述抽吸構件(3)；其中，所述接合頭本體(2)和所述抽吸構件(3)包括至少一個第二通道(10)，所述至少一個第二通道(10)通向所述抽吸構件(3)的底側(4)中的所述至少一個凹部(9)並且能夠被供應真空用於抽吸半導體晶片(11)；其中，所述接合頭本體(2)包括一個或更多個第三 通道(18)以及一個或更多個第四通道(19)，所述一個或更多個第三通道(18)與所述冷卻通道(12)的所述入口(13)連通，且所述一個或更多個第四通道(19)與所述冷卻通道(12)的所述出口(14)連通；並且其中，接觸元件(25)被附接到所述接合頭本體(2)，當所述抽吸構件(3)被抽吸時，所述接觸元件(25)與所述第一接觸區域(23)或所述第二接觸區域(24)接觸，使得所述抽吸構件(3)能夠被所述電阻加熱器(20)加熱，能夠通過所述第三通道(18)供應冷卻介質並且通過所述第四通道(19)排出冷卻介質而被冷卻，並且使得由所述溫度感測器(21)測量到的溫度能夠被傳遞到控制單元。
  2. 如請求項1之接合頭，其中，所述第四通道(19)在相對於所述抽吸構件(3)的底側(4)傾斜佈置的方向上延伸並且通向外部環境，使得所述第四通道(19)的出口開口比所述第四通道(19)的入口開口更遠離所述抽吸構件(3)的底側(4)。
  3. 如請求項1之接合頭，其中，所述冷卻通道(12)、所述第三通道(18)以及所述第四通道(19)屬於封閉回路。
  4. 如請求項1到3項中任一項所述的接合頭，其中，所述冷卻通道(12)被佈置在與所述抽吸構件(3)的上側(5)平行地延伸的單個平面中。
  5. 如請求項1到4項中的任一項所述的接合頭，其中，所述接觸元件(25)被彈性地安裝在所述接合頭本體(2)上。
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