TWI614079B - 接合機加熱冷卻裝置及其製作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種接合機加熱冷卻裝置及其製作方法，屬於微機電系統製造領域。一種接合機加熱冷卻裝置包括加熱絲底板、冷卻管底板、加熱絲、冷卻管及焊接層，所述加熱絲和冷卻管分別焊接在加熱絲底板和冷卻管底板的焊接槽內，並藉由焊接層均勻焊接在一起，所述加熱絲與外部加熱裝置連接，所述冷卻管與外部冷卻裝置連接。採用上述技術方案，將加熱絲和冷卻管集成為一個元件，並藉由焊接層均勻焊接在一起，減小了整體的厚度，減小了傳熱路徑長度，冷卻效率得到提高，接合時需要的真空腔體空間相對減小，降低了真空泵的負荷，也節省了真空泵抽真空的時間。同時，改進了零件外表面的平面度，壓力均勻性效果更好，提高了接合精準度。

Description

接合機加熱冷卻裝置及其製作方法
本發明涉及一種接合機，特別涉及一種接合機加熱冷卻裝置及其製作方法，屬於微機電系統(MEMS)製造領域。
晶圓接合技術可以將不同材料的晶圓結合在一起，晶圓接合是半導體元件三維加工的一個重要的製程。晶圓接合的主要製程步驟包括晶圓表面的處理(清洗、啟動)，晶圓的對準以及最終的晶圓接合。藉由這些製程步驟，獨立的單張晶圓被對準，然後接合在一起，實現其三維結構。接合不僅是微系統技術中的封裝技術，而且也是三維元件製造中的一個有機組成部分，在元件製造的前製程和後製程中均有應用。接合機需要在兩個可以加熱的平板之間放入待接合材料，然後施加壓力、溫度、電壓等外部條件，藉由凡德瓦力、分子力甚至原子力將材料接合在一起。因此，由該兩個平板向待接合材料施加的壓力和溫度是接合機的兩個重要指標。
習知技術提供的接合機使用一定厚度的主體板，在主體板相對的兩個圓面分別開槽後將加熱絲和冷卻管焊接在相應的槽內，最後再進行銑焊接面的方式來確保平面度。這樣的製程在加熱後其平面度只有未開槽的那部分保持一致，開槽部分壓力均勻性很差，影響到其平面度的高低。考慮到兩面開槽後主體板的承受力，為了防止變形，需要增加主體板的厚度，這樣不利於加熱和冷卻，且在接合時需要的真空腔體 空間相對較大，增加了真空泵的負荷。
另外，一般的焊接製程在焊接完成後(例如前述加熱絲和冷卻管焊接在槽內之後)會出現空氣未排淨的現象，在零件測量過程中無法發現這樣的問題，但是在使用過程中由於主體板記憶體在空氣，受熱後空氣會膨脹，引起主體板平面度不均勻的現象，嚴重會導致矽片碎裂。
本發明所要解決的技術問題是提供一種加熱和冷卻速度快、平面度均勻的接合機加熱冷卻裝置。另外還提供一種可以完全去除焊接面中空氣的接合機加熱冷卻裝置的製作方法。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案予以實現：一種接合機加熱冷卻裝置，包括加熱絲底板、冷卻管底板、加熱絲、冷卻管及焊接層，所述加熱絲和冷卻管分別焊接在加熱絲底板和冷卻管底板的焊接槽內，並藉由焊接層將所述加熱絲和冷卻管均勻焊接在一起，所述加熱絲用於與外部加熱裝置連接，所述冷卻管用於與外部冷卻裝置連接。
較佳地，所述外部加熱裝置為電熱器。
較佳地，所述外部冷卻裝置中冷卻物質為冷卻劑。
較佳地，所述加熱絲和/或冷卻管為均勻螺旋結構。
較佳地，所述焊接層材料為真空焊劑。
較佳地，所述真空焊劑為鎳基材料。
較佳地，所述接合機加熱冷卻裝置的厚度為22mm~25mm。
與習知技術相比，採用上述技術方案，將加熱絲和冷卻管集成在一個元件內，並藉由焊接層均勻焊接在一起，減小了整體的厚度，減小了傳熱路徑長度，增大了有效冷卻面積，冷卻效率得到提高，縮短了製程時間，提高了產率；接合時需要的真空腔體空間相對減小，降低了真空泵的負荷，也節省了真空泵抽真空的時間。同時，由於加熱絲底板和冷卻管底板僅有一面開槽，且開槽的一面相互焊接在一起，藉由未開槽的一面與待焊接材料接觸，改進了零件外表面的平面度，壓力均勻性效果更好，提高了接合精準度。
為了實現上述目的，本發明還包括一種上述接合機加熱冷卻裝置的製作方法，步驟包括：步驟1、將加熱絲、冷卻管分別放置到加熱絲底板和冷卻管底板的焊接槽內，焊接固定；步驟2、在加熱絲焊接面和冷卻管焊接面之間填充真空焊劑，將兩個焊接面的外圈焊接並留有小孔；步驟3、在真空設備中進行加熱使真空焊劑熔化，同時對真空設備抽真空，壓合使真空焊劑均勻覆蓋到加熱絲和冷卻管之間，去淨兩個焊接面之間的空氣，然後將所述小孔完全焊接封閉；步驟4、對接合機加熱冷卻裝置的上下兩個表面進行精密加工。
較佳地，步驟1中採用氬弧焊將加熱絲點焊固定在加熱絲底板的焊接槽內，採用氬弧焊將冷卻管點焊固定在冷卻管底板的焊接槽 內。
較佳地較佳地，步驟2中採用氬弧焊將兩個焊接面的外圈焊接。
較佳地，步驟2中所述小孔為2個。
較佳地，步驟3中加熱溫度為1000~1040℃。
較佳地，步驟3中加熱時間為0.5小時。
較佳地，步驟3中藉由壓合使真空焊劑均勻覆蓋到加熱絲和冷卻管之間的步驟中，多餘的真空焊劑從所述小孔中溢出。
較佳地，步驟4中採用銑床對接合機加熱冷卻裝置的上下兩個表面進行精密加工。
較佳地，所述真空焊劑為鎳基材料。
與習知技術相比，採用上述技術方案，在加熱絲和冷卻管之間填充真空焊劑，在真空環境中加熱，藉由壓合使真空焊劑均勻覆蓋到加熱絲和冷卻管之間，並能夠排盡兩者之間的空氣，防止後續接合加熱過程中氣體膨脹引起設備爆裂或平面度不均勻的現象。焊接完成後，再對上下兩個表面進行精密加工，以保證平面度能達到更高的要求。
1‧‧‧加熱絲底板
2‧‧‧冷卻管底板
3‧‧‧冷卻管介面
4‧‧‧加熱器介面
5‧‧‧加熱絲
6‧‧‧冷卻管
第1圖是本發明一具體實施方式中接合機加熱冷卻裝置的結構示意圖。
第2圖是本發明一具體實施方式中加熱絲的結構示意圖。
下面結合圖式對本發明作進一步詳細說明。
第1圖示出了本發明接合機加熱冷卻裝置的一種實施方式。一種接合機加熱冷卻裝置，包括加熱絲底板1、冷卻管底板2、加熱絲5、冷卻管6及焊接層，所述加熱絲5和冷卻管6分別焊接在加熱絲底板1和冷卻管底板2的焊接槽內，並藉由焊接層將所述加熱絲5和冷卻管6均勻焊接在一起，所述加熱絲5與外部加熱裝置藉由加熱器介面4連接，所述冷卻管6與外部冷卻裝置藉由冷卻管介面3連接。所述外部加熱裝置為電熱器。所述外部冷卻裝置中冷卻物質為冷卻劑。所述加熱絲5和冷卻管6為均勻螺旋結構。所述焊接層材料為真空焊劑。所述真空焊劑為鎳基材料。所述接合機加熱冷卻裝置的厚度為22mm~25mm。
採用上述技術方案，將加熱絲5和冷卻管6集成為一個元件，並藉由焊接層均勻焊接在一起，減小了整體的厚度，減小了傳熱路徑長度，增大了有效冷卻面積，冷卻效率得到提高，縮短了製程時間，提高了產率；接合時需要的真空腔體空間相對減小，降低了真空泵的負荷，也節省了真空泵抽真空的時間。
第2圖示出了本發明接合機加熱冷卻裝置加熱絲的一種實施方式。所述加熱絲5和/或冷卻管6為均勻螺旋結構。採用這種結構，可以均勻地傳導熱量，使加熱絲底板1和冷卻管底板2的溫度更加均勻，有利於提高接合的精準度。
在實際使用中，將一個製作好的上述接合機加熱冷卻裝置的冷卻管底板2連接在接合機的控制管上，在控制管的作用下進行移動和施加壓力。將另一個製作好的上述接合機加熱冷卻裝置的冷卻管底板2連接在接合機的底座上。藉由接合機的夾具將對位完成的兩個晶圓放置 到下面的接合機加熱冷卻裝置的加熱絲底板1的板面上。在抽真空環境下，藉由接合機控制移動上面的接合機加熱冷卻裝置，使其加熱絲底板1的板面對晶圓進行施加壓力，控制外部電熱器進行加熱，與電熱器相連接的加熱絲5將熱量傳導給上、下加熱絲底板1，控制上、下加熱絲底板1同時對晶圓加熱，進行接合過程。接合完成後，移走晶圓，開啟冷卻管6中的冷卻劑，使加熱絲底板1快速冷卻，縮短製程時間，提高了產率。
結合第1圖至第2圖所示，本發明還提供一種上述接合機加熱冷卻裝置的製作方法，包括：
步驟1、將加熱絲5、冷卻管6分別放置到加熱絲底板1和冷卻管底板2的焊接槽內，焊接固定；進一步的，使用氬弧焊分別將加熱絲5和冷卻管6點焊固定在加熱絲底板1和冷卻管底板2的焊接槽內。
步驟2、在加熱絲焊接面和冷卻管焊接面之間填充真空焊劑，使用氬弧焊將兩個焊接面的外圈焊接並留有小孔；具體地，所述真空焊劑採用鎳基材料。
步驟3、在真空設備中進行加熱使真空焊劑熔化，同時對真空設備抽真空，壓合使真空焊劑均勻覆蓋到加熱絲5和冷卻管6之間，去淨兩個焊接面之間的空氣，然後將所述小孔完全焊接封閉；進一步的，該真空設備中的氣壓為0.01pa~0.001pa，加熱溫度為1000~1040℃，加熱時間為0.5小時，該條件下可以使真空焊劑完全熔化，當然，在進行上述步驟的同時，對真空設備抽真空，以確保空氣被完全祛除。較佳的，在壓合過程中，多餘的真空焊劑從所述小孔中溢出。當壓合完成，空氣完全排出後，採用氬弧焊將所述小孔完全焊接封閉。
步驟4、對接合機加熱冷卻裝置的上下兩個表面進行精密加工。進一步的，採用銑床對接合機加熱冷卻裝置的上下兩個表面進行精密加工，以保證接合機加熱冷卻裝置的上下兩個表面的平面度能達到0.01mm。
作為優選，所述小孔的數目為兩個，分別位於加熱絲5和冷卻管6的焊接面外圈的兩側。
下面為本發明上述接合機加熱冷卻裝置的製作方法的一個具體操作方式：首先將加熱絲5、冷卻管6分別放置到加熱絲底板1和冷卻管底板2的焊接槽內，使用氬弧焊分別將加熱絲5和冷卻管6點焊固定在加熱絲底板1和冷卻管底板2的焊接槽內。然後在加熱絲焊接面和冷卻管焊接面之間填充鎳基材料焊劑，將兩個焊接面的外圈採用氬弧焊焊接並分別在兩側留有一個小孔。然後放置到真空設備中，在真空設備中進行抽真空至0.01pa，然後再進行1040℃高溫加熱0.5小時，使真空焊劑熔化，同時進行抽真空，去除空氣，再藉由壓合使真空焊劑均勻覆蓋到加熱絲和冷卻管之間，去淨兩個焊接面的空氣，多餘的真空焊劑從所述小孔中溢出。然後採用氬弧焊將所述小孔完全焊接封閉。焊接完成後，採用銑床對接合機加熱冷卻裝置的上下兩個表面進行精密加工，以保證接合機加熱冷卻裝置的上下兩個表面的平面度能達到0.01mm。
本發明藉由在加熱絲5和冷卻管6之間填充真空焊劑，在真空環境中加熱，藉由壓合使真空焊劑均勻覆蓋到加熱絲和冷卻管之間，並排盡兩者之間的空氣，可以防止後續接合加熱過程中氣體膨脹引起設備爆裂或平面度不均勻的現象。焊接完成後，再對上下兩個表面進行精加工，以保證平面度能達到更高的要求。
1‧‧‧加熱絲底板
2‧‧‧冷卻管底板
3‧‧‧冷卻管介面
4‧‧‧加熱器介面
5‧‧‧加熱絲
6‧‧‧冷卻管

Claims (15)

  1. 一種接合機加熱冷卻裝置，其包括一加熱絲底板、一冷卻管底板、一加熱絲、一冷卻管及一焊接層，該加熱絲及該冷卻管分別焊接在該加熱絲底板及該冷卻管底板的一焊接槽內，並藉由該焊接層將該加熱絲及該冷卻管均勻焊接在一起，該加熱絲用於與一外部加熱裝置連接，該冷卻管用於與一外部冷卻裝置連接；其中，該焊接層材料為一真空焊劑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之接合機加熱冷卻裝置，其中，該外部加熱裝置為電熱器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之接合機加熱冷卻裝置，其中，該外部冷卻裝置中冷卻物質為冷卻劑。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之接合機加熱冷卻裝置，其中，該加熱絲及/或該冷卻管為均勻螺旋結構。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之接合機加熱冷卻裝置，其中，該真空焊劑為鎳基材料。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之接合機加熱冷卻裝置，其中，該接合機加熱冷卻裝置的厚度為22mm~25mm。
  7. 一種接合機加熱冷卻裝置的製作方法，其步驟包括：步驟1：將一加熱絲及一冷卻管分別放置到一加熱絲底板及一冷卻管底板的一焊接槽內，焊接固定；步驟2：在該加熱絲焊接面及該冷卻管焊接面之間填充一真空焊劑，將兩個焊接面的外圈焊接並留有小孔； 步驟3：在真空設備中進行加熱使該真空焊劑熔化，同時對真空設備抽真空，壓合使該真空焊劑均勻覆蓋到該加熱絲及該冷卻管之間，除去兩個焊接面之間的空氣，然後將該小孔完全焊接封閉；步驟4：對該接合機加熱冷卻裝置的上下兩個表面進行精密加工。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中，步驟1中採用氬弧焊將該加熱絲點焊固定在該加熱絲底板的焊接槽內，採用氬弧焊將該冷卻管點焊固定在該冷卻管底板的焊接槽內。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中，步驟2中採用氬弧焊將兩個焊接面的外圈焊接。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中，步驟2中該小孔數量為2個。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中，步驟3中加熱溫度為1000~1040℃。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中，步驟3中加熱時間為0.5小時。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中，步驟3中藉由壓合使該真空焊劑均勻覆蓋到該加熱絲及該冷卻管之間的步驟中，多餘的該真空焊劑從該小孔中溢出。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中，步驟4中採用銑床對接合機加熱冷卻裝置的上下兩個表面進行精密加工。
  15. 如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中，該真空焊劑為鎳基材料。
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