TWI798977B - 焊接頭和具有該焊接頭的焊接裝置 - Google Patents

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Abstract

焊接頭包括：底座塊；空氣塊，設置於底座塊的上部；以及加熱塊，設置於空氣塊的上部，並且被設置成產生熱以加熱晶片；空氣塊使用空氣作為介質，在抑制從加熱塊中產生的熱傳遞至底座塊的同時冷卻所述加熱塊。

Description

焊接頭和具有該焊接頭的焊接裝置
本發明的實施例關於一種焊接頭和具有該焊接頭的焊接裝置。更詳細而言，本發明的實施例關於一種能夠拾取晶片並將所述晶片焊接於基板的焊接頭和包括所述焊接頭的焊接裝置。
近來，為了回應對包括半導體封裝在內的電子元件小型化的需求，開發了一種通過層疊多個電子元件來形成層疊晶片封裝的技術。
所述層疊晶片封裝是晶片層疊在基板上的半導體封裝。所述層疊晶片封裝通過在所述晶片和所述基板層疊的狀態下對其施加熱和壓力的焊接製程形成。焊接裝置用於執行所述焊接製程。
所述焊接裝置利用卡盤結構物來支撐所述基板，利用焊接頭來將所述晶片放置在所述基板上，並將熱和壓力施加於所述晶片。具體地，所述焊接頭在將所述晶片和所述基板的上表面緊密接觸的狀態下，通過加熱所述晶片來融化設置在所述晶片下表面的凸塊，然後再次冷卻，以將所述晶片焊接於所述基板。
通常，所述焊接頭包括：加熱塊；底座塊；以及陶瓷構件，介於所述加熱塊和底座塊之間。
所述加熱塊由具有自身電阻的碳化矽或者嵌入有高熔點金屬(鎢、鉬)發熱體的諸如氮化鋁的導熱性優異的物質製成。另一方面，所述陶瓷構件由如氧化鋁(Al2O3)的導熱性相對低於加熱塊的物質製成。
所述陶瓷構件由如氧化鋁(Al2O3)的導熱性相對低的物質製成。因此，所述陶瓷構件抑制在所述加熱塊中產生的熱傳遞到所述底座塊。從而所述焊接頭能夠實現相對快的加熱速度。然而，由於由氧化鋁製成的所述陶瓷構 件具有28至32W/(m．K)的熱導率，因此，所述陶瓷構件在抑制從所述加熱塊中產生的熱傳遞到所述底座塊方面存在限制。
另外，所述陶瓷構件能夠在其中保持熱量。即由於由所述氧化鋁製成的陶瓷構件具有相對低的熱擴散率，因此所述陶瓷構件可以具有相對高的比熱。
也就是說，雖然所述陶瓷構件不易將從所述加熱塊產生的熱傳遞至底座塊，但是可以將未擴散的熱保留在所述陶瓷構件的內部。因此，當執行融化設置在晶片下表面的凸塊後再次冷卻的焊接製程時，所述陶瓷構件保留的熱導致所述焊接裝置難以快速冷卻所述凸塊。
此外，在將各凸塊之間具有微細間距的晶片焊接於基板的情況下，需要精確地控制臨近焊料的熔點的溫度。因此，在焊料過熱的情況下，可能會發生晶片和基板之間錯位的現象。
所述焊接裝置需要使連接晶片和基板之間的電信號的焊球或者緩衝器(bumper)保持目標形狀並確保電穩定的接合性。因此，所述焊接裝置需要同時實現相對快的加熱速度和冷卻速度。
本發明的實施例提供一種能夠實現相對優異的加熱速度和冷卻速度的焊接頭。
本發明的實施例提供一種具有所述焊接頭的焊接裝置。
本發明的實施例的焊接頭包括：底座塊；空氣塊，設置在所述底座塊的上部；以及加熱塊，設置在所述空氣塊的上部，並產生熱以加熱晶片，所述空氣塊使用空氣作為介質，在抑制從所述加熱塊中產生的熱傳遞至所述底座塊的同時冷卻所述加熱塊。
在本發明的一實施例中，所述空氣塊利用上升氣流來冷卻所述加熱塊，所述上升氣流是所述空氣從所述空氣塊的下部朝向所述加熱塊的下表面上升的氣流。
在本發明的一實施例中，所述空氣塊包括：主體，設置在所述底座塊，以及柱體，從所述主體向上延伸，並且支撐所述加熱塊，使得所述加熱塊與所述主體的下表面相隔；所述主體包括流入部和排出部，所述流入部可以包括流入口以及與所述流入口連通的流入通道。
其中，所述排出部可以包括：流出口；排出通道，使所述流入部與所述流出口相互連通。
其中，所述流出口和所述加熱塊下表面之間的間距可以在4至12mm的範圍內。另外，所述排出通道可以具有5至15mm的直徑。並且所述流入通道和排出通道的直徑比可以為1：1至1：1.5。所述流入部與排出部可以以“L”字形狀相互連通。另外，可以提供至少一對所述流入部和排出部。或者，可以提供2對以上的所述流入部與排出部，每一對可以等間距設置。
一方面，所述主體可以由不鏽鋼(SUS)或者不變剛(Invar)材料製成。
並且，所述柱體分別可以包括下述結構中的一種：真空管線，以向位於所述加熱塊上部的結構物傳遞真空力的方式形成於所述柱體內部；以及配線，用於向所述加熱塊傳遞電力。
另一方面，所述空氣塊還可以包括：連接桿，連接各個所述柱體；以及法蘭，從所述連接桿呈放射狀延伸，並且引導所述空氣的流動。
本發明的實施例的焊接頭包括：空氣塊，以及加熱塊，設置在所述空氣塊的上部，並且被設置成產生熱以加熱晶片；所述空氣塊使用空氣作為介質，在抑制從所述加熱塊中產生的熱傳遞至所述空氣塊的下部的同時，以100℃/sec以上的冷卻速度冷卻所述加熱塊。
在本發明的一實施例中，所述加熱塊包括發熱體，所述發熱體內置 於所述加熱塊的內部，並且通過從外部接入的電源發熱。
在本發明的一實施例中，所述加熱塊包括：發熱體，被設置在所述加熱塊的內部；蓋部，被設置成包圍整個所述發熱體，並且由氮化鋁製成。
在本發明的一實施例中，所述加熱塊的下表面中的暴露區域大於非暴露區域。
在本發明的一實施例中，所述加熱塊可以包括：第一表面，具有0.5Ra以下的表面粗糙度，並且支撐所述晶片；第二表面，面向所述第一表面，並且經過噴砂處理(Blast treatment)。
在本發明的一實施例中，還可包括吸附板，所述吸附板被設置在所述加熱塊上，並且被設置成吸附所述晶片，所述加熱塊包括第一真空管線和第二真空管線，分別形成為沿垂直方向貫通所述加熱塊，並且提供真空力以分別吸附所述晶片和所述吸附板，所述吸附板可以包括真空孔，與所述第二真空管線連通並且被設置成能夠向所述晶片提供真空力。
在本發明的一實施例中，所述空氣塊可以不是陶瓷材料。
本發明的實施例的焊接裝置包括：卡盤結構物，用於支撐基板，以及焊接頭，可移動地設置在所述卡盤結構物的上方，並且將晶片焊接於所述基板；所述焊接頭包括：底座塊，空氣塊，設置在所述底座塊的上部，以及加熱塊，設置在所述空氣塊的上部，並且被設置成產生熱以加熱晶片；所述空氣塊使用空氣作為介質，在抑制從所述加熱塊中產生的熱傳遞至所述底座塊的同時冷卻所述加熱塊。
本發明的焊接頭可在所述底座塊和所述加熱塊之間具有空氣塊，所述空氣塊使用空氣作為介質來使加熱塊和底座塊熱絕緣，並冷卻加熱塊。所述空氣塊能夠抑制用於加熱所述晶片的熱傳遞至所述底座塊。另外，可以利用從外部供給的空氣來迅速地冷卻所述加熱塊。可以迅速地加熱和冷卻所述晶片和 所述基板之間的凸塊。
本發明的焊接裝置能夠利用所述焊接頭和卡盤結構物來將所述晶片穩定地焊接於所述基板。
10:晶片
20:基板
100:焊接頭
110:底座塊
120:空氣塊
121:主體
122:流入部
122a:流入口
122b:流入通道
124:排出部
124a:流出口
124b:排出通道
126:柱體
126a:第二真空管線
126b:配線
126c:流出口
128:法蘭
130:加熱塊
131:第一表面
132:發熱體
133:第二表面
134:第一真空管線
135:蓋部
136:第二真空管線
140:吸附板
142:真空孔
150:冷卻管線
200:卡盤結構物
210:加熱盤
212:發熱體
214:第三真空管線
215:第四真空管線
216:定位銷
218:槽
220:卡盤板
222:第五真空管線
222a:真空槽
222b:真空孔
223:真空槽
224:容納槽
226:槽
230:引導環
232:掛接棱
240:夾具
242:連結螺絲
250:電力電纜
260:溫度感測器
300:焊接裝置
Din:流入通道的直徑
Dout:排出通道的直徑
圖1是用於說明本發明的一實施例的焊接頭的剖視圖。
圖2是用於說明圖1所示的空氣塊的俯視圖。
圖3是用於說明圖1所示的空氣塊的主視圖。
圖4a是用於說明圖1所示的加熱塊的俯視圖。
圖4b是用於說明圖1所示的加熱塊的剖視圖。
圖5a和圖5b是示出冷卻時間的曲線圖。
圖6是用於說明本發明的一實施例的焊接裝置的結構圖。
圖7是圖6所示的卡盤結構物的俯視圖。
圖8是用於說明圖6所示的卡盤板的俯視圖。
圖9是用於說明圖6所示的卡盤板的仰視圖。
圖10是放大圖6所示的A部分的放大剖視圖。
以下，將參照圖式詳細說明本發明的實施例。本發明可以施加多樣的改變，可以具有多種形式，在圖式中例示性圖示特定實施例，在本文中進行詳細說明。然而，這並不旨在將本發明限制於特定的公開形式，而應理解為包括本發明的思想和技術範圍內的所有變更、等同物以及替代物。在說明各個圖式的同時，針對類似的構成要素，使用了類似的元件符號。在圖式中，為了本發明的明確性，結構物的尺寸比實際放大示出。
第一、第二等術語可以用於說明各種構成要素，所述構成要素不得由所述術語所限定。所述術語僅用於將一個構成要素區別於其他構成要素的目的。例如，在不超出本發明的權利要求範圍的同時第一構成要素可以被命名為 第二構成要素，類似地，第二構成要素也可以被命名為第一構成要素。
本發明中所使用的術語僅用於說明特定的實施例，而不旨在限制本發明。只要未在上下文中明確表示不同，則單數表述包括複數表述。在本發明中，“包括”或者“具有”等術語應理解為指定說明書中記載的特徵、數位、步驟、動作、構成要素、部件或者它們的組合的存在，而不預先排除一個或者其以上的其他特徵或者數位、步驟、動作、構成要素、部件或者它們的組合的存在或者附加可能性。
除非另有定義，包括技術性或者科學性術語在內，在此使用的所有術語具有與本發明所屬技術領域的普通技術人員所通常理解的含義相同的含義。在通常使用的字典中有所定義的術語應被解釋為具有與相關技術的上下文中的含義相同的含義，除非未在本發明中明確定義，不得解釋為理想性的，過於形式上的含義。
圖1是用於說明本發明的一實施例的焊接頭的剖視圖。圖2是用於說明圖1所示的空氣塊的俯視圖。圖3是用於說明圖1所示的空氣塊的主視圖。
參照圖1至圖3，本發明的一實施例的焊接頭100相當於一種單元，通過拾取晶片10，將所述晶片10轉移到基板上，並將晶片焊接於所述基板。
所述焊接頭100包括：底座塊110、空氣塊120以及加熱塊130。雖然未示出，但是為了轉移晶片10，焊接頭100可以設置成可以進行水平移動、升降移動、旋轉、翻轉等。
所述底座塊110由金屬材料製成。作為所述金屬材料的示例，可以列舉不鏽鋼。所述底座塊110與驅動部(未圖示)機械連接從而能夠移送所述晶片10。
所述空氣塊120設置在所述底座塊110上。所述空氣塊使用空氣作為介質來抑制從所述加熱塊130產生的熱傳遞到底座塊110或者冷卻加熱塊130。
所述加熱塊130設置在所述空氣塊120的上部。所述加熱塊130通過 產生熱來加熱晶片10。
更詳細地，空氣塊120通過使用空氣作為介質來抑制向底座塊110的熱傳遞或者冷卻加熱塊130。
即所述空氣在1個大氣壓，293K(=20℃)的狀態下具有0.025W/(m．K)的非常低的熱導率。作為比較，通常使用的作為陶瓷構件的材料的氧化鋁(Al2O3)物質具有28至32W/(m．K)的熱導率。因此，與由氧化鋁(Al2O3)物質製成的陶瓷塊相比，本發明的實施例的使用所述空氣作為介質的空氣塊120可以具有優異的隔熱效率，即可阻隔約1100倍至1280倍的從所述加熱塊130產生的熱量。
另一方面，空氣塊120可以使用流向所述加熱塊130的諸如空氣、惰性氣體等的冷卻流體來冷卻所述加熱塊。
所述空氣相當於通常的製程設備所提供的製程空氣。例如，可以在室溫(room temperature；RT)的溫度下以120L/min.的流量和0.5MPa的壓力提供所述空氣。
這時，所述空氣塊120可以使用上升氣流來冷卻所述加熱塊130，所述上升氣流是所述空氣從所述空氣塊120的下部朝所述加熱塊130的下表面上升的氣流。由於上升氣流的空氣與所述加熱塊130的下表面碰撞後沿徑向擴散，因此能夠有效地冷卻所述加熱塊130下表面的整個區域。
結果，所述空氣塊120能夠在抑制從所述加熱塊130中產生的熱傳遞至所述底座塊110的同時冷卻所述加熱塊130。
在本發明的一實施例中，所述空氣塊120包括：主體121；以及柱體126，形成有流入部122和排出部124。
所述主體121設置在所述底座塊110上。即所述主體121可以位於所述底座塊110的上表面上。
所述主體121可以由SUS或者Invar材料制成。由此，所述主體121 具有相對低的熱膨脹係數，因此，所述主體121能夠抑制在高溫晶片焊接製程中產生的熱導致的變形。
所述柱體126從所述主體121向上延伸。例如，所述柱體126從所述主體121外廓部的4個邊緣延伸。所述柱體126可以都具有相同的垂直高度。因此，所述柱體126與所述加熱塊130的下表面接觸。由此，所述柱體126能夠支撐所述加熱塊130，使得所述加熱塊130和所述主體121的下表面隔開間隔。
另外，所述柱體126可以以等間距排列。另外，所述柱體126可以以主體121為中心等角度排列。另一方面，所述柱體126可以根據所述加熱塊130的形狀或者所述加熱塊130的排列角度等以任意高度和間隔排列。
空氣可以在所述主體121和所述加熱塊130之間形成的空間中流動。由此，所述空氣塊120能夠通過使用空氣作為介質來使得相鄰的底座塊110與所述加熱塊130熱絕緣，並冷卻加熱塊130。
在所述晶片焊接製程中，可以對所述加熱塊130施加最大150N的負荷。這時，所述柱體126設置有多個，例如2個以上，從而所述空氣塊120能夠支撐施加到所述加熱塊130的負荷。
所述主體121包括相互連通以提供空氣流動的流動路徑的流入部122和排出部124。
所述流入部122可以形成在所述主體121的一側。所述流入部122提供流動路徑以使空氣流入所述主體121的內部。所述流入部122包括：流入口122a；流入通道122b，與所述流入口122a連通並且沿水平方向延伸。即所述流入部122可以具有沿水平方向延伸的形狀。然而，所述流入通道122b不一定限於沿水平方向延伸，還可以相對於主體121的上表面傾斜延伸。
所述排出部124可以形成在所述主體121的中心部。所述排出部124提供流動路徑以將空氣排放到所述主體121的外部。所述排出部124包括：流出口124a；排出通道124b，與所述流出口124a連通並且沿垂直方向或者傾斜方向延 伸。所述排出通道124b使所述流入通道122b的端部和所述流出口124a相互連通。
所述排出部124形成在主體121的中心部，因此，從排出部124排出的空氣可以向所述加熱塊130的中心部上升後，從所述加熱塊130下表面的中心部呈輻射狀擴散。從而可以提高對所述加熱塊130的冷卻效率。
另一方面，所述流入部122和排出部124可以以“L”字形狀連通。因此，冷卻空氣流動時受到的流體阻力減少，進而所述流入部122和排出部124可以使冷卻空氣從外部流入到所述主體121的內部，再將流入的空氣從主體121的中心部向上排出。
另外，所述排出通道124b可以具有3至15mm的直徑。在所述排出通道124b具有小於3mm的直徑的情況下，冷卻空氣的流動不順暢，而在所述排出通道124b具有大於15mm的直徑的情況下，經由排出通道124b並從流出口124a排出的空氣的排出壓力過度減少，導致所述加熱塊130的冷卻效率降低。
另一方面，排出通道124b與所述流入通道122b的直徑比(Dout/Din)可以是1：1至1：1.5。由此，從所述流入口122a流入並經由所述流入通道122b和排出通道124b的冷卻空氣可以更加順暢地流動。
在本發明的一實施例中，提供至少一對所述流入部122和排出部124。例如，可以提供2對或者更多對所述流入部122和排出部124，並且每對可以等間距設置。
尤其，在所述主體121的中心部將所述晶片10形成為用作真空力傳遞的第一真空管線134的情況下，兩對所述流入部122和排出部124可以以所述第一真空管線134為中心被設置成相互對應。由此，從形成在主體121兩側的流入部122流入的冷卻空氣，可以通過排出部124以進一步增加的流量均勻地分佈於所述加熱塊130的整個下表面。
參照圖2，4個所述柱體126可以設置於所述主體121的4個邊緣部分。這時，一對所述柱體126可以包括第二真空管線126a，形成在所述柱體126 的內部以將真空力傳遞至位於所述加熱塊130上部的結構物。另一方面，形成有第二真空管線126a的柱體126可以被設置成相互對置。作為所述結構物的示例，可以列舉可更換地設置在所述加熱塊的上部的吸附板140。因此，可以使用通過所述第二真空管線126a提供的真空力來將所述吸附板140固定於加熱塊130的上表面。
另一方面，所述柱體126中的另一對可以包括向所述加熱塊130傳遞電力的配線126b。形成有所述配線126b的各個柱體126可以被設置成相互對置。因此，所述配線126b可以通過將電力傳遞至包括在所述加熱塊130的發熱體132(參照圖4b)來驅動所述發熱體132，使得所述發熱體132發熱。
參照圖3，所述空氣塊120還包括連接桿127和法蘭128。
所述連接桿127連接各個所述柱體126。所述連接桿127連接各個所述柱體126，從而空氣塊120能夠確保相對於施加到所述空氣塊120的負荷的更高的耐久性。
另一方面，所述法蘭128從所述連接桿127呈輻射狀延伸。所述法蘭128可以具有傾斜的扇形形狀。所述法蘭128能夠引導所述空氣的流動。例如，法蘭128能夠引導向下方流動的冷卻空氣使其不向焊接頭100的方向流動。
參照圖4a和圖4b，所述加熱塊130包括發熱體132和蓋部135。
所述發熱體132內置在加熱塊130的內部。所述發熱體132藉助於從外部接入的電源發熱。例如，通過所述柱體126中的配線126b供給的電源施加到所述發熱體132。從而發熱體132被驅動以產生熱。
所述蓋部135被設置成包圍整個所述發熱體132。所述蓋部135可以由氮化鋁製成。所述氮化鋁物質可以具有約170W/m．k以上的熱導率。由此，所述發熱體132產生的熱可以藉助所述蓋部135有效地傳遞至所述晶片10。
所述加熱塊130具有第一真空管線134和第二真空管線136，所述第一真空管線134和第二真空管線136延伸至上表面以提供真空力。
所述第一真空管線134和所述第二真空管線136不相互連接，並且分別提供所述真空力。
例如，所述第一真空管線134貫通所述加熱塊130的中央部分的上部和下部。
所述第二真空管線136貫通所述加熱塊130的邊緣部分的上部和下部。所述第二真空管線136尤其可以與蓋部135連接，所述蓋部135以一定長度形成於所述加熱塊130的上表面。因此，相對於位於所述加熱塊130上部的結構物，藉助所述第二真空管線136提供的真空力可以在更寬的區域起作用。
作為一個示例，所述第一真空管線134和所述第二真空管線136可以延伸到所述底座塊110。作為另一個示例，所述第二真空管線136可以不延伸到所述底座塊110，並且與流出口126c連通，所述流出口126c形成在包括於所述空氣塊120的柱體126(參照圖3)。
在本發明的一實施例中，所述加熱塊130的下表面可以具有比非暴露區域大的暴露區域。由此，位於所述加熱塊130和底座塊110之間的空氣塊120的空氣能夠抑制在所述加熱塊130中產生的熱傳遞至底座塊110。進而，具有所述流入部122和排出部124的空氣塊120提供的冷卻空氣與所述加熱塊130下表面的暴露區域接觸，能夠更有效地冷卻所述加熱塊130。例如，相對於所述下表面，所述暴露區域可以為60%以上。
在本發明的一實施例中，所述加熱塊130可以具有0.5Ra以下的表面粗糙度，並且可以包括：第一表面131，支撐所述晶片；以及第二表面133，面向所述第一表面131，且經噴砂處理。即隨著所述第一表面131具有相對低的表面粗糙度，可以抑制真空力從所述加熱塊130洩漏到位於所述加熱塊130的上表面的結構物。另一方面，由於所述第二表面133經噴砂處理，因此，所述第二表面133與所述冷卻空氣的接觸面積增加。由此，可以使用所述冷卻空氣來更加迅速地冷卻所述加熱塊130。
現有的空氣塊由諸如Al2O3材料的陶瓷材料製成，而包括在所述空氣塊120的主體121可以由SUS或者Invar材料製成。由於包括所述主體121的空氣塊120由具有相對低的熱膨脹係數的材料製成，因此，可以防止空氣塊120在高溫焊接製程中變形。
另外，在Al2O3材料的陶瓷塊位於加熱塊130和底座塊110之間的情況下，在加熱塊130中產生的熱可以在陶瓷塊內保留一定的時間。在這種情況下，由於保留在所述陶瓷塊內的熱影響所述加熱塊130，因此，難以將所述加熱塊130升溫或者冷卻至所期望的溫度。為了解決這個問題，需要很長的冷卻時間來冷卻陶瓷塊。
相反，由於空氣塊120在支撐所述加熱塊130的同時將所述加熱塊130和底座塊110間隔開，因此，從外部供給的冷卻空氣可以在所述加熱塊130和底座塊110之間的分隔空間中順暢地流動。結果，對所述加熱塊130的冷卻速度可以增加。
所述吸附板140設置在所述加熱塊130。所述吸附板140通過所述第二真空管線136的真空力固定在所述加熱塊130的上表面。可以通過所述第二真空管線136來提供真空力或者通過解除所述真空力來更換所述吸附板140。因此，在所述吸附板140損傷或者被污染的情況下，可以通過僅選擇性地更換所述吸附板140來輕鬆地解決所述吸附板140損傷或者受到污染的問題。
另外，所述吸附板140具有真空孔142。所述真空孔142與所述加熱塊130的所述第一真空管線134連接。因此，可以以通過所述第一真空管線134提供的真空力使位於所述吸附板140上的所述晶片10固定。
可以在利用所述吸附板140固定所述晶片10的狀態下，通過移動焊接頭100來將所述晶片10層疊在基板上。另外，可以利用所述吸附板140向所述基板加壓所述晶片10。
形成在所述空氣塊120的流入部122和排出部124能夠利用空氣冷卻 所述加熱塊130來冷卻所述晶片10。隨著所述晶片10被冷卻，所述晶片10的凸塊被冷卻，從而可以形成焊料。這時，具有所述流入部122和排出部124的空氣塊120能夠在3秒內將加熱塊130的溫度從約400℃冷卻至約100℃。
所述焊接頭100還可以包括溫度感測器(未圖示)。所述溫度感測器設置在所述加熱塊130的內部，並且檢測所述加熱塊130的溫度。可以根據所述溫度感測器的檢測結果，控制提供給所述發熱體132的電源的開/關，以及所述冷卻管線150的冷卻流體的噴射，還有製冷劑的溫度和循環。另一方面，所述溫度感測器可以設置在定義所述加熱塊130的表面中的面向與所述吸附板140接觸的第一表面的第二表面或者可以設置在所述吸附板140。
所述焊接頭100在轉移所述晶片10使得所述晶片10與所述基板緊貼的狀態下，利用所述加熱塊130加熱所述晶片10，以熔融所述晶片10的凸塊。之後，所述焊接頭100使用來自所述空氣塊120的冷卻空氣並經由所述加熱塊130來冷卻晶片10。由此，執行將所述晶片10焊接於所述基板的焊接製程。由於所述焊接頭100能夠快速加熱和冷卻所述晶片10，因此可以在所述基板和所述晶片10之間形成品質優異且形狀良好的焊料。
圖5a和圖5b是示出冷卻時間的曲線圖。
圖5a和圖5b示出執行了包括以下步驟的溫度循環試驗：將加熱塊的溫度從100℃升高到450℃的升溫步驟；將溫度保持5秒的保持步驟；以及將溫度再次從450℃冷卻至100℃的冷卻步驟。這時，在所述冷卻步驟中，將溫度從450℃冷卻到100℃所需的時間被定義為冷卻時間。
圖5a示出根據包括在空氣塊中的流出口的端部以及加熱塊下表面之間的間距的變化的冷卻時間。
參照圖5a，當所述間距在4至12mm的範圍內時，可以確認需要3秒以內的冷卻時間。在所述間距大於12mm的情況下，從所述流出口噴射的空氣不能有效地到達所述加熱塊的下表面，因此冷卻時間超過3秒。另一方面，在所述 間距小於4mm的情況下，可以確認由於從所述加熱塊產生的熱的輻射現象導致靠近所述流出口的空氣被加熱，因此冷卻時間超過3秒。由此，所述加熱塊可以以100℃/sec以上的冷卻速度被冷卻。
圖5b示出根據包括在空氣塊中的排出通道的直徑的變化的冷卻時間。
參照圖5b，當形成在所述空氣塊的流入通道具有3mm以上的直徑時，可以確認需要10秒以內的冷卻時間。在所述直徑小於3mm的情況下，可以確認隨冷卻時間超過10秒冷卻效率減少。
圖6是用於說明本發明的一實施例的焊接裝置的結構圖。圖7是圖6所示的卡盤結構物的俯視圖。圖8是用於說明圖6所示的卡盤板的俯視圖。圖9是用於說明圖6所示的卡盤板的仰視圖。圖10是放大圖6所示的A部分的放大剖視圖。
參照圖6至圖10，焊接裝置300包括焊接頭100和卡盤結構物200。
所述焊接頭100用於將晶片10轉移到卡盤結構物200上並將所述晶片10焊接在基板20上，所述焊接頭包括底座塊110、空氣塊120、加熱塊130以及所述吸附板140。雖然未示出，但是所述焊接頭100為了移送所述晶片10，可以被設置成可以實現水平移動、上下移動、旋轉、翻轉等。
由於對所述焊接頭100的具體說明與圖1至圖4b所示的所述焊接頭100實質上相同，因此將省略對所述焊接頭100的說明。
另外，在所述焊接頭100中，為了焊接所述晶片10和基板20，所述吸附板140可以被設置成朝向下方。
所述卡盤結構物200支撐所述基板20。這時，所述基板20上可以形成有電路圖案。
所述卡盤結構物200包括：加熱盤210、卡盤板220、引導環230、夾具240、電力電纜250以及溫度感測器260。
所述加熱盤210具有大致圓盤形狀，並且內置有發熱體212，所述發熱體212藉助從外部接入的電源發熱。
所述發熱體212可以被設置成在所述加熱盤210的內表面形成一定的圖案。作為所述發熱體212的示例，可以列舉電極層、加熱線圈等。
所述加熱盤210具有延伸至上表面的第三真空管線214和第四真空管線215。所述第三真空管線214和所述第四真空管線215可以分別從所述加熱盤210的下表面或者側表面延伸到所述上表面。所述第三真空管線214和所述第四真空管線215不相互連接。所述第三真空管線214與真空泵(未圖示)連接，並且提供用於吸附所述基板20的真空力。所述第四真空管線215與真空泵(未圖示)連接，並且提供用於吸附所述卡盤板220的真空力。
所述加熱盤210在上表面具有定位銷216。所述定位銷216用於對所述加熱盤210的所述卡盤板220進行排列，可以設置多個。所述定位銷216可以設置在所述加熱盤210上表面的邊緣。
另外，所述加熱盤210具有沿上表面邊緣形成的槽218。所述槽218可以用於固定所述引導環230。
所述卡盤板220具有大致圓盤形狀，並且放置在所述加熱盤210上。所述卡盤板220在上表面上支撐所述基板20。
所述卡盤板220具有與所述第三真空管線214連接的所述第五真空管線222以吸附所述基板20。
所述第五真空管線222具有真空槽222a和多個真空孔222b。
所述真空槽222a形成在所述卡盤板220的下表面。例如，所述真空槽222a可以具有以所述卡盤板220的下表面的中心為基準的同心圓形狀的槽和呈輻射狀延伸的槽結合的形狀，或者圓形槽形狀。這時，為了防止所述真空力的洩漏，所述真空槽222a不延伸至所述卡盤板220下表面的邊緣。
當所述卡盤板220被放置在所述加熱盤210上時，所述真空槽222a 受所述加熱盤210的上表面的限制，因此能夠形成空間。另外，所述真空槽222a與所述第三真空管線214連接。
所述真空孔222b貫通所述卡盤板220，從形成有所述真空槽222a的下表面延伸至所述卡盤板220的上表面。各個所述真空孔222b被排列成相互隔開。例如，可以以同心圓形狀或者放射形狀排列所述真空孔222b。
因此，所述第五真空管線222與所述第三真空管線214連接，並且能夠通過所述第三真空管線214提供的真空力來吸附所述基板20。
另一方面，位於所述卡盤板220最外側的各個所述真空孔222b之間的間距，可以設置成比位於所述最外側的內側的各個所述真空孔222b之間的間距相對窄。具體地，位於所述最外側的各個所述真空孔222b之間的角度可以是位於所述最外側的內側的各個所述真空孔222b之間的角度的一半。例如，位於所述最外側的各個所述真空孔222b之間的角度可以為約15度，位於比所述最外側靠內側的各個所述真空孔222b之間的角度可以為約30度。
因此，即使是在所述卡盤板220的邊緣，通過真空孔222b的真空力也可以穩定地提供。因此，即使在所述卡盤板220的邊緣，所述基板20也可以與所述卡盤板220緊密接觸，並防止所述基板20被抬起。
另外，為了真空吸附在所述加熱盤210，所述卡盤板220在下表面具有設置成與所述第四真空管線215連接的真空槽223。
所述真空槽223形成在所述卡盤板220的下表面。例如，所述真空槽223可以具有以所述卡盤板220下表面的中心為基準的同心圓形狀的槽和呈輻射狀延伸的槽結合的形狀，或者圓形槽形狀。這時，為了防止所述真空力洩漏，所述真空槽223不延伸至所述卡盤板220下表面的邊緣。另外，如圖5a和圖5b所示，所述真空槽223可以形成為不與所述第五真空管線222相互連接。
當所述卡盤板220被放置在所述加熱盤210上時，所述真空槽223受所述加熱盤210的上表面的限制，因此能夠形成空間。另外，所述真空槽223與 所述第四真空管線215連接。
所述真空槽223與所述第四真空管線215連接，利用通過所述第四真空管線215提供的真空力，所述卡盤板220可以與所述加熱盤210緊密接觸並固定在所述熱盤210上。因此，能夠最小化所述卡盤板220的扭曲或彎曲，平坦地支撐所述卡盤板220上的所述基板20。
所述加熱盤210和所述卡盤板220可以通過藉助所述第四真空管線215和所述真空槽223提供的所述真空力保持緊密接觸的狀態。因此，不需要用於緊固所述加熱盤210和所述卡盤板220的另設的緊固部件。
另外，可以通過釋放藉助所述第三真空管線214和所述第四真空管線215提供的所述真空力來分離和更換所述加熱盤210和所述卡盤板220。因此，可以迅速地執行所述卡盤結構物200的維護。
另一方面，在所述加熱盤210的上表面和所述卡盤板220的下表面分別具有超過約10μm的平坦度的情況下，所述加熱盤210與所述卡盤板220之間可以存在微細的間隔。因此，通過所述加熱盤210與所述卡盤板220之間的間隔，所述真空力可能洩漏。
所述加熱盤210的上表面和所述卡盤板220的下表面分別具有約10μm以下的平坦度，較佳地，7μm以下的平坦度。在這種情況下，所述加熱盤210和所述卡盤板220可以緊密接觸，並且能夠防止所述真空力通過所述加熱盤210和所述卡盤板220之間的間隔洩漏。
所述卡盤板220將在所述加熱盤210中產生的熱傳遞至所述基板20。這時，所述基板20可以保持約140至150℃的溫度，以易於實現使晶片(未圖示)和所述基板20的焊接。
所述加熱盤210可以由陶瓷材料製成。作為所述陶瓷材料的示例，可以列舉氮化鋁(AlN)。所述氮化鋁具有高的熱導率，因此在所述發熱體212中產生的熱可以均勻地傳遞至所述加熱盤210。另外，所述加熱盤210能夠通過 使所述卡盤板220的溫度分佈變得均勻來均勻地加熱所述基板20。
所述卡盤板220可以通過在陶瓷材料中添加鈦來製成。例如，在所述卡盤板220中，所述氧化鋁(Al2O3)中可以添加有鈦。在所述氧化鋁(Al2O3)中被添加鈦的情況下，所述卡盤板220的熱導率可以進一步降低。
在所述卡盤板220中，在相對於所述氧化鋁100重量份添加小於約10重量份的所述鈦的情況下，所述卡盤板220的孔隙率的增長甚微，並且所述卡盤板220的熱導率可以與高純氧化鋁相近。
在所述卡盤板220中，在相對於所述氧化鋁100重量份添加超過約20重量份的所述鈦的情況下，所述卡盤板220的孔隙率過度增長，從而熱導率大幅下降。並且，所述卡盤板220的燒結密度減少從而所述卡盤板220的強度降低，並且真空力可以通過所述卡盤板220的氣孔損失。
在所述卡盤板220中，在相對於所述氧化鋁100重量份添加約10至20重量份的所述鈦的情況下，所述卡盤板220的孔隙率增長至通過所述卡盤板220的氣孔的真空力幾乎不損失的程度，並且所述卡盤板220的熱導率也降低。這時，為了不使所述卡盤板220的強度降低，所述卡盤板220的燒結密度可以低於燒結密度約3.9g/cm3的高純氧化鋁的燒結密度，即約3.5至3.7g/cm3。在所述卡盤板220的燒結密度為約3.5g/cm3的情況下，所述卡盤板220的強度低，存在損壞的風險。由於所述卡盤板220不是高純氧化鋁，因此，所述卡盤板220的燒結密度難以超過約3.7g/cm3。
因此，所述卡盤板220可以通過添加相對於所述氧化鋁100重量份的約10至20重量份的鈦來製成。
在所述卡盤板220的熱導率小於約5W/m．k的情況下，所述卡盤板220的熱導率相對而言低。因此，在所述加熱盤210中產生的熱可能無法充分傳遞至所述基板20，或者可能需要大量的時間來將在所述加熱盤210中產生的熱傳遞至所述基板20。然而，即使焊接頭為了熱壓縮所述基板20和所述晶片以約450 度的高溫焊接所述晶片時，也能夠防止所述卡盤板220急劇加熱。
在所述卡盤板220的熱導率超過約20W/m．k的情況下，所述卡盤板220的熱導率相對而言高。因此，在所述加熱盤210中產生的熱過度傳遞至所述基板20，從而可以容易地碾碎所述基板20和所述晶片之間的凸塊。另外，在所述焊接頭以450度的高溫熱壓縮所述基板20和所述晶片的情況下，所述卡盤板220被迅速加熱，從而可以更加容易地碾碎所述基板20和所述晶片之間的凸塊。
在所述卡盤板220的熱導率為約5至20W/m．k的情況下，所述卡盤板220能夠將在加熱盤210中產生的熱適當地傳遞至所述基板20，以使所述凸塊不被碾碎。另外，即使為了焊接所述晶片焊接頭以約450℃的高溫熱壓縮所述基板20和所述晶片時，也能夠防止所述卡盤板220急劇加熱。因此，能夠防止所述基板20和所述晶片之間的凸塊被碾碎。
因此，即使為了焊接所述基板20和所述晶片而始終對所述基板20進行預熱時，也能夠防止所述基板20和所述晶片之間的凸塊被碾碎的現象。因此，能夠防止所述基板20和所述晶片之間的焊接缺陷。
另一方面，所述卡盤板220可以僅由熱導率比所述氮化鋁低的氧化鋁(Al2O3)製成。
所述卡盤板220具有用於容納定位銷216的容納槽224。容納槽224可以形成在與所述加熱盤210的定位銷216對應的位置。例如，容納槽224也可以被設置在所述卡盤板220的邊緣。
當所述卡盤板220放置在所述加熱盤210的上表面時，所述加熱盤210的定位銷216可以插入所述卡盤板220的容納槽224。因此，所述加熱盤210和所述卡盤板220可以準確地定位。
雖然在上文中說明了所述加熱盤210上設置有定位銷216且容納槽224形成在所述卡盤板220，但是容納槽還可以形成在所述加熱盤210且定位銷可以設置在所述卡盤板220。
另外，所述卡盤板220具有沿上表面的邊緣形成的槽226。槽226可 以用於安放所述夾具240。
所述引導環230掛接於沿所述加熱盤210上表面的邊緣形成的槽218，並且引導所述加熱盤210的外周。
具體地，所述引導環230具有掛接棱232，掛接棱232掛接於槽218，從而所述引導環230安裝於所述加熱盤210。
另一方面，所述引導環230的上表面和所述加熱盤210的上表面可以位於同一高度。在這種情況下，可以在所述引導環230安裝在所述加熱盤210的狀態下將所述卡盤板220容易地安放於所述加熱盤210的上表面。
另外，在所述引導環230的上表面比所述加熱盤210的上表面高的情況下，將所述卡盤板220安放在所述加熱盤210的上表面時，可以將所述引導環230用作定位基準。
所述夾具240以覆蓋所述卡盤板220上表面的邊緣的狀態固定在引導環。所述夾具240可以通過連結螺絲242固定在所述引導環230。
作為一個示例，可具備多個所述夾具240，以局部覆蓋所述卡盤板220上表面的邊緣。作為另一個示例，所述夾具240也可以具有大致環形狀，並且整體覆蓋所述卡盤板220上表面的邊緣。
由於所述夾具240以覆蓋所述卡盤板220上表面的邊緣的狀態固定在所述引導環230，因此，所述夾具240能夠向下方加壓所述卡盤板220。因此，所述夾具240能夠使所述卡盤板220與所述加熱盤210緊密接觸。
所述夾具240具有掛接棱244，並且掛接棱244可置於所述卡盤板220的槽226。因此，可以使所述夾具240的上表面和所述卡盤板220的上表面位於相同的高度。因此，可以以沒有所述夾具240干擾的方式將所述基板20穩定地轉移到所述卡盤板220的上表面時安放所述基板20。
所述引導環230和所述夾具240可以由熱導率小於所述加熱盤210的材料製成。例如，所述引導環230和所述夾具240可以由氧化鋁(Al2O3)材料製 成。另外，所述引導環230和所述夾具240可以由與所述卡盤板220相同的材料製成。
由於所述引導環230和所述夾具240的熱導率小於所述加熱盤210的熱導率，因此，所述引導環230和所述夾具240能夠防止由於所述加熱盤210的側表面引起的熱量損失。
所述電力電纜250延伸至所述加熱盤210的內部，以與所述發熱體212連接，並且提供所述發熱體212發熱所需的電源。
所述溫度感測器260從外部延伸至所述加熱盤210的內部，並且測量被所述發熱體212加熱的所述加熱盤210的溫度。可以利用在所述溫度感測器260中測量的溫度來控制所述發熱體212的溫度。可以通過控制所述發熱體212的溫度來調整所述加熱盤210的溫度。
作為所述溫度感測器260的示例，可以列舉熱電偶。
所述卡盤結構物200通過所述卡盤板220將在所述加熱盤210中產生的熱傳遞至所述基板20。所述基板20可以藉助所述卡盤板220傳遞的熱始終被加熱到一定的溫度。因此，可以將所述晶片10有效地焊接至所述基板20。
在所述焊接裝置300利用所述卡盤結構物200固定所述基板20且加熱到一定溫度的狀態下，用所述焊接頭100迅速執行所述晶片10的加熱和冷卻，以將所述晶片10焊接至所述基板20。因此，可以在所述晶片10和所述基板20之間形成品質優異且形狀良好的焊料。另外，可以提高利用所述焊接裝置300將所述晶片10焊接於所述基板20的製程的效率性。
[工業實用性]
如上所述，本發明的實施例的焊接頭和焊接裝置在基板被加熱到一定溫度的狀態下迅速加熱和冷卻晶片，因此，能夠迅速且穩定地焊接所述基板和所述晶片。因此，可以提高使用所述焊接裝置的焊接製程的效率和生產率。
雖然在上文中參照本發明的較佳實施例進行了說明，但是所屬技術 領域的普通技術人員可以理解，在不超出申請專利範圍中記載的本發明的思想和領域的範圍內，可以對本發明進行各種修改和變更。
10:晶片
100:焊接頭
110:底座塊
120:空氣塊
121:主體
122:流入部
122a:流入口
122b:流入通道
124:排出部
124a:流出口
124b:排出通道
126:柱體
126a:第二真空管線
130:加熱塊
132:發熱體
134:第一真空管線
135:蓋部
136:第二真空管線
140:吸附板
142:真空孔
Din:流入通道的直徑
Dout:排出通道的直徑

Claims (20)

  1. 一種焊接頭，包括：底座塊；空氣塊，設置在所述底座塊的上部；以及加熱塊，設置在所述空氣塊的上部，並產生熱以加熱晶片，所述空氣塊使用空氣作為介質，在抑制從所述加熱塊中產生的熱傳遞至所述底座塊的同時冷卻所述加熱塊，所述空氣塊包括：主體，設置在所述底座塊；以及柱體，從所述主體向上方延伸，並且支撐所述加熱塊，使得所述加熱塊與所述主體的下表面相隔，所述主體包括流入部和排出部，所述流入部包括：流入口；以及流入通道，與所述流入口連通。
  2. 如請求項1所述之焊接頭，其中，所述空氣塊利用上升氣流來冷卻所述加熱塊，所述上升氣流是空氣從所述空氣塊的下部朝向所述加熱塊的下表面上升的氣流。
  3. 如請求項1所述之焊接頭，其中，所述排出部包括：流出口；以及排出通道，使所述流入部和所述流出口相互連通。
  4. 如請求項3所述之焊接頭，其中，所述流出口和所述加熱塊的下表面之間的間距在4至12mm的範圍內。
  5. 如請求項3所述之焊接頭，其中，所述排出通道具有5至15mm 的直徑。
  6. 如請求項3所述之焊接頭，其中，所述流入通道與所述排出通道的直徑比為1：1至1：1.5。
  7. 如請求項3所述之焊接頭，其中，所述流入部和所述排出部以L字形狀連通。
  8. 如請求項3所述之焊接頭，其中，至少提供一對所述流入部和所述排出部。
  9. 如請求項3所述之焊接頭，其中，至少提供2對以上的所述流入部和所述排出部，每一對等間距設置。
  10. 如請求項1所述之焊接頭，其中，所述主體由不鏽鋼(SUS)或者不變剛(Invar)材料製成。
  11. 如請求項1所述之焊接頭，其中，所述柱體包括下述結構中的一種：真空管線，以向位於所述加熱塊上部的結構物傳遞真空力的方式形成在所述柱體內部；以及配線，用於向所述加熱塊傳遞電力。
  12. 如請求項1所述之焊接頭，其中，所述空氣塊還包括：連接桿，連接各個所述柱體；以及法蘭，從所述連接桿呈放射狀延伸，並且引導空氣的流動。
  13. 如請求項1所述之焊接頭，其中，所述空氣塊使用空氣作為介質，在抑制從所述加熱塊中產生的熱傳遞至所述空氣塊的下部的同時，以100℃/sec以上的冷卻速度冷卻所述加熱塊。
  14. 如請求項1所述之焊接頭，其中，所述加熱塊包括發熱體，所述發熱體內置於所述加熱塊的內部，並且通過從外部接入的電源發熱。
  15. 如請求項1所述之焊接頭，其中，所述加熱塊包括： 發熱體，被設置在所述加熱塊的內部；以及蓋部，被設置成包圍整個所述發熱體，並且由氮化鋁製成。
  16. 如請求項1所述之焊接頭，其中，在所述加熱塊的下表面中，具有比非暴露區域大的暴露區域。
  17. 如請求項1所述之焊接頭，其中，所述加熱塊包括：第一表面，具有0.5Ra以下的表面粗糙度，並且支撐所述晶片；以及第二表面，面向所述第一表面，並且經過噴砂處理。
  18. 如請求項1所述之焊接頭，其還包括吸附板，被設置在所述加熱塊上，並且被設置成吸附所述晶片，所述加熱塊包括第一真空管線和第二真空管線，所述第一真空管線和所述第二真空管線分別形成為沿垂直方向貫通所述加熱塊，並且提供真空力以分別吸附所述晶片和所述吸附板，所述吸附板包括真空孔，與所述第一真空管線連通並且被設置成向所述晶片提供真空力。
  19. 如請求項1所述之焊接頭，其中，所述加熱塊由陶瓷材料製成，所述空氣塊由金屬材料製成。
  20. 一種焊接裝置，包括：卡盤結構物，用於支撐基板；以及焊接頭，可移動地設置在所述卡盤結構物的上方，並且將晶片焊接在所述基板；所述焊接頭包括：底座塊；空氣塊，設置於所述底座塊的上部；以及加熱塊，設置於所述空氣塊的上部，並且被設置成產生熱以加熱晶片；所述空氣塊被設置成使用空氣作為介質，在抑制從所述加熱塊中產生的熱傳 遞至所述底座塊的同時冷卻所述加熱塊，所述空氣塊包括：主體，設置在所述底座塊；以及柱體，從所述主體向上方延伸，並且支撐所述加熱塊，使得所述加熱塊與所述主體的下表面相隔，所述主體包括流入部和排出部，所述流入部包括：流入口；以及流入通道，與所述流入口連通。
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