專利名稱：線式和帶式接合操作中半導(dǎo)體器件的支撐結(jié)構(gòu)和夾持系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及線式接合機和帶式接合機,更具體地，涉及與線式接合操作和帶式接合操作相關(guān)的用于支撐半導(dǎo)體器件的改進的支撐結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體器件的處理和封裝過程中，線式接合技術(shù)和帶式接合技術(shù)通常被用于在封裝內(nèi)的位置之間(例如半導(dǎo)體管芯的管芯焊盤與引線框的引線之間)提供電互連。例如線 式接合機(或帶式接合機)被用于形成待電互連的各個位置之間的線環(huán)路(或者帶式互連)。形成互連的示例性方法包括球形接合、楔形接合以及帶式接合。示例性楔形接合或者帶式接合順序包括(1)在半導(dǎo)體管芯的管芯焊盤上形成第一楔形/帶式接合件；(2)在管芯焊盤與引線框的引線之間將引線/帶的長度以期望的形狀延展；(3)在引線框的引線上形成第二楔形/帶式接合件；以及(4)切斷線/帶以完成線/帶環(huán)路。在(a)線/帶材料的各個部分與(b)各個接合位置(例如管芯焊盤、引線等)之間形成接合件的過程中，除此之外，可以使用的不同類型的接合能例如包括超聲能、熱超聲能、熱壓縮能。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，對低成本的小型器件的全球市場需求不斷增長。一種示例性成本消減策略包括，在器件中使用較少的材料，例如在支撐半導(dǎo)體管芯的引線框支撐結(jié)構(gòu)中使用較少的銅材。這種策略往往導(dǎo)致在制造過程中產(chǎn)生支撐半導(dǎo)體管芯的高度密集的引線框(并且被用于運送半導(dǎo)體管芯)。高度密集的引線框?qū)S多行和許多列半導(dǎo)體管芯以及其它部件，其中通過將部分(諸如小且薄的連接桿)連接而將引線框部連接到引線框陣列。引線框部件的密度和小尺寸使得在超聲線式接合過程或帶式接合過程中對半導(dǎo)體器件的部分(包括引線框部、管芯部等)適當(dāng)?shù)丶s束變得十分困難。夾持裝置(例如指夾)通常被用于在接合操作中將引線框緊固到支撐結(jié)構(gòu)(定位在引線框之下)?？上В^差的夾持(可能由部件的密度和布置造成)往往導(dǎo)致不可靠的工藝和低質(zhì)量的接合部件。例如由于接合過程(如超聲接合過程)是高度動態(tài)的，尤其是對于大的線式接合和帶式接合來說，所以被接合的器件(包括引線框)可以在振幅與用于形成線/帶接合件的接合工具的最高速度類似的高速下被驅(qū)動。在這種情況下，接合工具與半導(dǎo)體器件之間的相對位移會減少。圖IA是支撐多個半導(dǎo)體管芯102的引線框帶100的俯視圖。圖IB是圖IA中的圓形部分“1B”的詳細視圖，并示出了在引線框100的散熱部101上的示例性半導(dǎo)體管芯102。引線框100還包括:源引線104 ;引線104a、104b、104c ;柵極引線104d以及連接桿108。在引線框100的不同部分之間限定有開口 106。期望在管芯102 (例如管芯焊盤，未示出)上的傳導(dǎo)位置與相應(yīng)的相鄰引線104之間接合線或帶。圖2A-2D示出了用于在接合操作過程中將支撐多個半導(dǎo)體管芯202的另一引線框200緊固的傳統(tǒng)方式。圖2A示出了位于引線框200上方的器件夾持裝置220，其中器件夾持裝置220包括柔性夾指212，在接合操作過程中，柔性夾指212將器件夾持裝置220的開口 220a內(nèi)的引線框200的部分按壓于下部支撐結(jié)構(gòu)214(例如砧214)。圖2B是圖2A中的圓形部分“2B”的詳細視圖，示出了夾指212按壓引線框200的部分。半導(dǎo)體管芯202被緊固到引線框200的散熱部201。引線框200還包括源引線204 ;引線204a、204b、204c ;柵極引線204d以及連接桿208。在引線框200的不同部分之間限定有開口 206。圖2C是沿圖2B中的線“2C-2C”所取的橫截面圖，圖2D是圖2C中的圓形部分“2D”處的圖2C的詳細視圖，圖2D示出了按壓在最接近管芯202的引線204上的夾指212的細節(jié)(其中打點的部分為引線框200的部分，例如引線204/連接桿208)。在該設(shè)計中，通過器件夾持裝置220對引線框200的約束依賴于由夾指212的彎曲產(chǎn)生的正交力而引起的夾持所提供的、引線框200對砧214的摩擦耦合。在許多應(yīng)用中，這種摩擦耦合不足以適當(dāng)?shù)丶s束引線框200，因而往往產(chǎn)生了較差的接合。因此，需要提供用于線式接合和帶式接合應(yīng)用的改進的夾持系統(tǒng)
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式，提供了在接合操作過程中用于支撐半導(dǎo)體器件的支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)包括主體部，所述主體部具有上表面，上表面被配置為在接合操作過程中支撐半導(dǎo)體器件，所述上表面限定有約束元件，所述約束元件用于在所述接合操作過程中約束所述半導(dǎo)體器件的至少一部分。根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施方式，提供了在接合操作過程中用于緊固半導(dǎo)體器件的夾持系統(tǒng)。夾持系統(tǒng)包括器件夾持裝置，所述器件夾持裝置包括主體部，所述主體部包括下表面，下表面被配置為在接合操作過程中與半導(dǎo)體器件接觸。所述下表面限定約束元件，所述約束元件用于在所述接合操作過程中對所述半導(dǎo)體器件的至少一部分進行約束。本發(fā)明還可被視為線式和/或帶式接合系統(tǒng)或機器。除了諸如接合工具、支承接合工具的超聲換能器、向用于接合的接合工具供給線/帶的線/帶供給部、支承超聲換能器的接合頭組件、用于在接合操作過程中傳輸(由引線框支承的)半導(dǎo)體器件的材料處理系統(tǒng)的其它元件之外，這種系統(tǒng)/機器還可包括如本文所描述的支撐結(jié)構(gòu)和/或夾持系統(tǒng)。本發(fā)明還可被視為在線式/帶式接合操作過程中緊固(例如包括引線框的)半導(dǎo)體器件的方法，或者作為進行線式/帶式接合操作的方法，該方法包括利用本文所公開的結(jié)構(gòu)和技術(shù)來緊固半導(dǎo)體器件的步驟。這些方法的其它步驟也可以在本文中參照創(chuàng)造性結(jié)構(gòu)來描述。


通過連同附圖一同閱讀以下的詳細描述可以更好地理解本發(fā)明。應(yīng)該強調(diào)，根據(jù)慣例，附圖的各種特征不必成比例。相反，出于清楚的目的，各種特征的尺寸任意地擴大或者減小。在附圖中包括圖1A-1B是支撐與功率半導(dǎo)體封裝相關(guān)的半導(dǎo)體管芯的引線框的俯視框圖；圖2A-2D是在接合操作過程中被用于約束功率半導(dǎo)體器件的傳統(tǒng)夾持系統(tǒng)的俯視和側(cè)視圖；圖3A-3D是依照本發(fā)明的示例性實施方式的夾持系統(tǒng)的俯視和側(cè)視圖；圖4A-4C是用于示出帶式接合形變的半導(dǎo)體封裝的一部分的側(cè)視框圖；圖5是用于示出帶式接合件的應(yīng)力測試的半導(dǎo)體封裝的一部分的側(cè)視框圖；圖6A-6F是依照本發(fā)明的示例性實施方式的、用于支撐半導(dǎo)體器件的支撐結(jié)構(gòu)的各種框圖；圖7A-7D是依照本發(fā)明的示例性實施方式的、用于支撐半導(dǎo)體器件的另一支撐結(jié)構(gòu)的各種框圖；圖8A-8D是依照本發(fā)明的示例性實施方式的、用于支撐半導(dǎo)體器件的又一支撐結(jié) 構(gòu)的各種框圖；圖9A-9D是示出依照本發(fā)明的示例性實施方式的、用于支撐半導(dǎo)體器件的又一支撐結(jié)構(gòu)的框圖；圖10A-10D是示出依照本發(fā)明的示例性實施方式的、用于支撐半導(dǎo)體器件的又一支撐結(jié)構(gòu)的框圖；圖11A-11D是示出依照本發(fā)明的示例性實施方式的、用于支撐半導(dǎo)體器件的又一支撐結(jié)構(gòu)的框圖；以及圖12A-12B是依照本發(fā)明的示例性實施方式的另一支撐結(jié)構(gòu)和器件夾持裝置的框圖。
具體實施例方式依照本發(fā)明的某些示例性實施方式，提供了在接合操作過程中用于支撐半導(dǎo)體器件的支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)(可被設(shè)置成砧或者其它結(jié)構(gòu)的形式)可包括上表面，上表面限定在接合操作過程中用于約束至少一部分半導(dǎo)體器件的約束元件。例如約束元件可包括凸起部(例如在支撐結(jié)構(gòu)的表面上凸起的壁)，該凸起部至少部分地包圍半導(dǎo)體器件的一部分，其中，所述半導(dǎo)體器件的一部分可以是引線框的引線或者其它部分(例如連接桿、散熱部、管芯片等)。如本文所使用的，用語“主體部”指的是其上設(shè)有(或者集成有)約束元件的任何結(jié)構(gòu)。這種主體部的示例包括頂層342 (在圖3A-3D中)、支撐結(jié)構(gòu)640 (在圖6A-6F中)、頂層742 (在圖Ik-IC中)、支撐結(jié)構(gòu)740，(在圖7D中)、支撐結(jié)構(gòu)840 (在圖8A-8D中)、頂層942(在圖9A-9B中)、頂層部分942a、942b (在圖9C-9D中)、頂層1042 (在圖IOA-1OB中)、頂層部分1142a、1142b (在圖IIA-IIB中)以及器件夾持裝置1220 (在圖12A-12B中)。在某些示例性實施方式中，支撐結(jié)構(gòu)采取砧或類似物的形式并在其上表面上包括幾何體(例如包括約束元件(諸如包括限定凹部的壁的楔形結(jié)構(gòu)等)的幾何體，)，該幾何體被配置為與半導(dǎo)體器件的引線框的一部分緊密配合。通過與約束元件緊密配合的引線框的部分(例如引線、連接桿、散熱部、管芯片等)，引線框(或者器件結(jié)構(gòu))通過接合工具在超聲激勵過程中自由地和/或無法預(yù)知地振動的可能性顯著減少了。在這種示例性設(shè)計中，在接合操作過程中(具有約束幾何體的)支撐結(jié)構(gòu)位于引線框之下。器件夾持裝置(例如包括夾指、窗口夾持裝置等的器件夾持裝置)施加壓力和/或向下作用力，從而將引線框朝向支撐結(jié)構(gòu)向下推動。這種夾持系統(tǒng)迫使引線框的期望部分與支撐結(jié)構(gòu)的約束幾何體緊密配合。例如圖3A是示出器件夾持裝置320 (限定開口 320a)的俯視圖，器件夾持裝置320包括夾指312，夾指312被配置成在接合操作過程中將接近管芯302的、引線框300的某些部分向下按壓抵靠在支撐結(jié)構(gòu)314上(例如砧314)。圖3B是在圖3A中的圓形部分“3B”處的詳細視圖，其示出了夾指312按壓引線框300的部分。半導(dǎo)體管芯302 (例如功率半導(dǎo)體管芯與引線框300的對應(yīng)部分一同被視為功率半導(dǎo)體器件)被緊固至引線框300的散熱部301。引線框300還包括:源引線304 ;引線304a、304b、304c ；柵極引線304d以及連接桿308。在引線框300的不同部分之間限定有開口 306。楔形約束元件334部分包圍被夾指312壓下的源引線304 (例如參見圖3C-3D)。圖3C是穿過管芯302沿線“3C-3C”所取的圖3B的橫截面圖(其中打點的部分為引線框300的一部分，該部分在由支撐結(jié)構(gòu)340支撐的情況下通過夾指312被按壓使其大致上接近管芯302)。與圖3C類似，圖3D提供的詳細視圖(在圖3C中的圓形部分“3D”)示出了按壓在引線框300的一部分上(例如源引線304)的夾指312的一部分。這種用于引線框300的支撐結(jié)構(gòu)340包括基底314、中間粘接層330以及具有上表面332的上層342。在圖示中，上層342包括具有楔
形形狀的約束元件334。楔形的約束元件334包括壁336，壁336限定凹部362。元件334將源引線304引導(dǎo)至凹部362，并且在接合操作過程中約束源引線304。應(yīng)該注意，約束元件334可以通過標記為“間隙(gap)”的間隙(例如參見圖3D)與引線框300的相鄰部分分隔開，以考慮設(shè)計中的偏差。在一個實施例中，支撐結(jié)構(gòu)340 (或者本發(fā)明的任何支撐結(jié)構(gòu)或夾持系統(tǒng))可部分或全部由諸如陶瓷材料(例如技術(shù)工程陶瓷)的絕緣材料形成。除此之外，陶瓷材料的示例包括高比例的氧化鋁(例如> 96%的氧化鋁)、氧化鋯增韌氧化鋁、碳化硅、氮化硅、部分穩(wěn)定的氧化鋯諸如含氧化釔的四方氧化鋯多晶體(Y-TZP )和含鎂的部分穩(wěn)定的氧化鋯。因為這些材料在超聲波沖刷下具有低磨損率以及它們的高斷裂韌性(K (Ic))，所以這些材料均可用于支撐結(jié)構(gòu)340?？捎糜谛纬芍谓Y(jié)構(gòu)340 (或者本發(fā)明的任何支撐結(jié)構(gòu)或夾持系統(tǒng))的非陶瓷材料或混合陶瓷材料包括金屬陶瓷諸如與鈷結(jié)合的碳化鎢(WC)以及碳化硅晶須增強陶瓷復(fù)合材料。這些材料還展示了高斷裂韌性以及撓曲強度，并且對超聲波沖刷具有相對高的耐磨性。本發(fā)明的支撐結(jié)構(gòu)或夾持系統(tǒng)的材料的斷裂韌性(K (Ic))的示例性范圍為大于4Mpa m1/2 ;大于8Mpa m1/2 ;大于12Mpa m1/2 ;大于15Mpa m1/2。本發(fā)明的支撐結(jié)構(gòu)或夾持系統(tǒng)的材料的撓曲強度的示例性范圍為大于300MPa ;大于600MPa ;大于900MPa ;大于1200MPa以及大于1500MPa。諸如金屬的其它材料也可用于支撐結(jié)構(gòu)340 (或者本發(fā)明的任何支撐結(jié)構(gòu)或夾持系統(tǒng))。諸如碳鋼的金屬展示了高機械強度以及對超聲波沖刷的相對高的耐磨性。例如合金440C不銹鋼或者D7工具鋼可作為合適的金屬。例如楔形約束元件334 (或者其它約束元件)可以作為單件添加到支撐結(jié)構(gòu)340，或者可以機械加工(或者以其它方式形成)到支撐結(jié)構(gòu)340的上表面332中。當(dāng)與引線框300 (由支撐結(jié)構(gòu)340支撐)接觸時，器件夾持裝置320的夾指312使引線框300的部分(例如源引線304或者其它引線、連接桿308等)位于支撐結(jié)構(gòu)340的約束元件334 (例如楔形約束元件334)中。如下文中將更詳細地闡述，支撐結(jié)構(gòu)340可以由單獨的單件式材料形成，或者通過將多件緊固在一起來形成。例如限定一個或多個約束元件334(需要或者無需粘接層330)的、包括上表面332的陶瓷件(例如Y-TZP陶瓷或其它)可以緊固到基底314，基底314由較便宜的基底材料(例如金屬)構(gòu)成以安裝到線式接合機內(nèi)，從而最小化所使用的昂貴陶瓷材料量?，F(xiàn)在將對示例性的夾持過程進行描述。半導(dǎo)體器件(例如包括多個管芯302的引線框300)通過線式接合機的運送系統(tǒng)(例如材料轉(zhuǎn)運系統(tǒng))被引導(dǎo)到夾持位置內(nèi)(例如參見圖3A)。然后，支撐結(jié)構(gòu)(例如包括具有約束元件334的上表面332的砧314)被升起至與引線框300的下表面基本齊平(例如利用凸輪系統(tǒng)或者其它系統(tǒng))。然后，包括夾指312的器件夾持裝置320被降至引線框的上表面(例如利用凸輪系統(tǒng)或者其它系統(tǒng))。夾指312因而被迫向下并被彎曲，以產(chǎn)生使引線框300緊固抵靠至支撐結(jié)構(gòu)340的夾持作用力，夾指312可以將引線框的某些部分(例如源引線304、其它引線、連接桿308、散熱部、管芯片等)推進支撐結(jié)構(gòu)340 (例如砧340)的約束元件(例如元件334)內(nèi)(例如參見圖3B-3D)。由于存在部分偏差，弓丨線框元件(例如引線304)可以不與約束元件對準。例如當(dāng)夾指向下行進時，引線框結(jié)構(gòu)的給定部分可以與約束元件/楔形元件的一個壁/面接觸。這 個壁/面的角度可以迫使引線框元件在來自夾指的負載的作用下稍彎曲，從而將引線框部分基本置于約束元件/楔形元件的中心。根據(jù)本發(fā)明的某些示例性實施方式，與約束元件作為位于器件夾持裝置之下的支撐結(jié)構(gòu)的一部分相反(例如參見圖3A-3D)，約束元件可放置在引線框之上(例如與器件夾持裝置等相連)(例如參見隨后討論的圖12A-12B)。在這種情況下，引線框的支撐結(jié)構(gòu)可以升起，迫使弓I線框結(jié)構(gòu)的部分由上部結(jié)構(gòu)中的約束元件/幾何體接納(例如圖12A-12B中的器件夾持裝置1220)。在這種設(shè)計的一種實現(xiàn)方案中，上部結(jié)構(gòu)可由單件式材料形成，其中約束元件形成在器件夾持裝置的下表面中。可選地，器件夾持裝置(或者其它下部結(jié)構(gòu))可以通過多件材料形成，其中下表面由包括約束元件的材料形成。在這種結(jié)構(gòu)中，位于引線框之下的支撐結(jié)構(gòu)可包括位于基底材料頂部上的可塑材料，其中，在可塑材料的頂部上具有薄/柔性金屬層/板(例如不銹鋼)。由此，不銹鋼板可以具有被機械加工(或者以其它方式形成)到其上表面中的結(jié)構(gòu)以與引線框的可以與其下表面的主要基準點偏離的相應(yīng)部分接觸。該結(jié)構(gòu)可以被推進引線框內(nèi)，從而迫使期望區(qū)域與器件夾持裝置中的約束元件緊密配合。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，本文所描述的新型支撐結(jié)構(gòu)和器件夾持裝置可以更少地依賴于夾指或者其它類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以約束將經(jīng)受超聲接合的引線框部件。例如，夾指可被用于將引線框的相應(yīng)部分放置在對應(yīng)的約束元件內(nèi)(例如支撐結(jié)構(gòu)/砧340的楔形元件334)。期望的是，約束元件至少在應(yīng)用超聲能的方向上(即，在接合工具沖刷的方向上)“約束(constrain)”引線框的相關(guān)部分。當(dāng)然，約束元件可以在期望的若干方向上約束引線框的部分。通過在支撐結(jié)構(gòu)中(或者在如圖12A-12B所示的器件夾持裝置1220中)提供約束元件，提供了更穩(wěn)健的接合過程，該過程在某種程度上不依賴于夾指設(shè)計以及夾指所施加的作用力。這在某些不能提供夾指的情況中尤其有利。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可理解，接合操作中的各種位置(例如接合位置、接合工具位置、其它器具位置等)需要足夠的空隙，以使得接合操作可以適當(dāng)?shù)剡M行。因此，在這些區(qū)域中可以不提供夾指或者類似的夾持結(jié)構(gòu)。依照本發(fā)明，半導(dǎo)體器件(例如引線框300的相關(guān)部分)的局部約束元件可能直接位于接合件的區(qū)域下方，也可能位于接合工具需要的空隙區(qū)域中。這對于器件中的大部分區(qū)域無需被夾持的某些小器件尤其有利，從而為已接合的線/帶提供空隙和位置。依照本發(fā)明，進行了試驗來對利用傳統(tǒng)夾持結(jié)構(gòu)與利用根據(jù)本發(fā)明的某些支撐結(jié)構(gòu)的某些過程變量進行比較。所測試的變量包括(1)線/帶形變，以及(2)已接合的線/帶的應(yīng)力強度。通過改變兩種系統(tǒng)的在一系列位置上的夾持作用力，同時保持所有其它過程參數(shù)不變來進行試驗。然后，測量(I)線/帶形變，以及(2)已接合的線/帶的應(yīng)力強度，以估測傳統(tǒng)的夾持系統(tǒng)和創(chuàng)造性的夾持系統(tǒng)對于變化的敏感度。圖4A-4C示出了執(zhí)行的形變測量，其中，這種帶式接合過程的形變被限定為在接合件458(例如參見圖4C)的形變過程中工具452的齒部橫穿至帶狀材料450中的距離456。圖4B是當(dāng)接合工具452首先接觸帶狀材料450時在圓形部分“4B”處的圖4A的詳細視圖。圖4C是與圖4B類似的視圖，但示出工具452的齒部穿過接合件458的形變之后的情況，其 中工具452的齒部穿過接合件458的距離為距離456。圖5示出了應(yīng)力測試，其中應(yīng)力工具554以方向556被拖拉/移動通過帶狀材料550的接合表面568。測量因此產(chǎn)生的力，并且使用該力產(chǎn)生作用力和位移的示圖。與作用力和位移過程變量相關(guān)，傳統(tǒng)的夾持系統(tǒng)(例如參見圖2A-2D，其中支撐結(jié)構(gòu)為標準砧)展示出形變值的不一致性，以及高度依賴于夾持作用力的低應(yīng)力測試值。相反地，創(chuàng)造性的系統(tǒng)(例如參見圖3A-3D，利用具有楔形約束元件334的支撐結(jié)構(gòu)340)展示出更一致且受控的形變值，以及基本獨立于所施加的夾持作用力的提高的應(yīng)力測試值。圖6A-6F示出了支撐結(jié)構(gòu)640，其用于在進行與接合操作有關(guān)的操作中支撐半導(dǎo)體器件(例如引線框300的一部分以及關(guān)聯(lián)的半導(dǎo)體管芯)。圖6A是具有五個約束元件634的支撐結(jié)構(gòu)640的俯視圖(應(yīng)注意，5個約束元件634與圖3A中示出的5個器件的引線框300匹配)。圖6B是在圖6A中的圓形“6E”處的支撐結(jié)構(gòu)640的端部的立體圖。更具體地，圖6B示出了在上表面632上凸起的約束元件634，其中元件634包括壁664和三個引導(dǎo)件660(它們之間存在間隙660a)，壁664和三個引導(dǎo)件660共同限定凹部662。凹部662被配置為接納引線框的一部分(例如引線框的源引線)，而引導(dǎo)件660之間的間隙660a被配置為接納引線框的相鄰部分。由此，在線式/帶式接合過程中引線框至少部分被限制移動。更具體地，引線框可以沿方向“A”受到間隙660a內(nèi)所接納的部分的約束，和/或可以在垂直于方向“A”的方向上受到壁664和引導(dǎo)件660的約束。例如這些方向之一(例如方向“A”或者垂直于方向“A”的方向)可被配置成接合工具的尖部的超聲沖刷方向。圖6C是不例性半導(dǎo)體器件的立體圖，該半導(dǎo)體器件包括被配置成由約束元件634接納的引線框的一部分。半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體管芯602，半導(dǎo)體管芯602緊固到引線框600的散熱部601。引線框600還包括源引線604 ;引線604a、604b、604c ;柵極引線604d以及連接桿608。凹部662配置為接納源引線604。每條引線604b和604c中的一部分均配置為接納在引導(dǎo)件660的間隙660a內(nèi)。圖6D是沿線“6D-6D”所取的、圖6C中的引線框的一部分的橫截面圖。圖6D示出了引線框已被處理(例如蝕刻)成低于源引線604，以使得源引線具有深度dl，深度dl小于引線604b (和引線框的其它部分)的深度d2。圖6E是圖6A的圓形“6E”的詳細視圖，圖6F是沿圖6A中的線“6F-6F”所取的詳細視圖，其中圖6F示出引導(dǎo)件660、凹部662以及約束元件634的壁664。在圖6A-6F中，支撐結(jié)構(gòu)640的剩余部分沒有被示出并且可以為任何類型的結(jié)構(gòu)。在圖7A中，支撐結(jié)構(gòu)740包括基底714、位于基底714的頂部上的粘接層730以及位于粘接層730的頂部上的頂層742 (限定上表面732)。圖7B是圖7A的端視圖，圖7C是圖7B在圓形“7C”處的詳細視圖，其中，圖7C示出部分約束元件734的引導(dǎo)件760。頂層742包括上表面732，并且頂層742與圖6A-6B和圖6E-6F中示出的支撐結(jié)構(gòu)640基本相同，因而本文省略對其的詳細討論。如上所述，圖7A-7C中示出的支撐結(jié)構(gòu)740的材料可以改變。例如基底714可以由相對便宜的材料形成(例如金屬諸如不銹鋼)，層730可以由可塑材料或者膠粘劑(諸如氰基丙烯酸酯膠粘劑)或者銅焊化合物(諸如三金屬銅)形成。此夕卜，頂層742可以利用固定件(例如螺釘)或者夾持板機械固定至基底714，在這種情況下可以省略粘接層730。頂層742/支撐結(jié)構(gòu)740 (S卩，圖6A-6B和圖6E-6F中示出的支撐結(jié)構(gòu)640)可以由絕緣材料例如陶瓷材料形成。除了其它材料之外，這種材料的示例是之前所描述的Y-TZP陶瓷。約束元件734 (包括在其間限定凹部762的壁764和引導(dǎo)件760，以及引導(dǎo)件760之間的間隙760a)可以由包括頂層742的單件材料形成，或者可以為緊固至頂層742的不同結(jié)構(gòu)。相反地，圖7D示出了一件式支撐結(jié)構(gòu)740’，其中該結(jié)構(gòu)由單件式材料形成/機械加工形成，例如，除此之外，諸如上述Y-TZP的陶瓷材料。結(jié)構(gòu)740’包括位于上表面732’上的約束元件734’(包括在其間限定凹部762’的壁764’和引導(dǎo)件760’，以及引導(dǎo)件760’之間的間隙760a’)，其中，元件734’與以上參照圖7A-7C所描述的元件734基本 類似。 圖8A-8D示出了限定上表面832的另一支撐結(jié)構(gòu)840。圖8B是圖8A中的圓形“8C”的立體圖；圖8C是在圓形“8C”處的圖8A的詳細視圖；圖8D是沿線“8D-8D”所取的圖8A的橫截面圖。在圖8A-8D中示出的結(jié)構(gòu)840包括約束元件834，約束元件834被配置為接納從一般引線框陣列面“偏離”的引線框的一部分。也就是說，引線框可以被蝕刻(或者以其它方式處理)以使得某些部分與引線/引線框的相鄰部分偏離或位于該相鄰部分之上(或者在某些應(yīng)用中位于該相鄰部分之下)。圖8A-8D中的支撐結(jié)構(gòu)840被配置成使引線框的引線的這些偏離部分接納在約束元件834中。提供凹口 890以允許空隙供引線框的其它部分(例如與圖6C-6D中的604a、604以及604c類似的引線)自由地彎曲，例如不會干擾引線框的部分(例如與圖6C-6D中的引線604類似的源引線)適當(dāng)?shù)胤胖迷诩s束元件834中。另外，約束元件834 (具有限定凹部862的壁864，例如參見圖8D)和引導(dǎo)件860 (其間具有間隙860a)的功能與圖6A-6F中描述的相似結(jié)構(gòu)類似。圖9A-9B示出了與圖3D中所示的結(jié)構(gòu)340類似的支撐結(jié)構(gòu)940。在圖9A中，半導(dǎo)體器件包括引線框900 (此處為了清楚，沒有示出在引線框900上的半導(dǎo)體管芯)，其中引線框900還未被夾持到支撐結(jié)構(gòu)940。支撐結(jié)構(gòu)940包括基底914 (例如由金屬成分構(gòu)成)、可塑層930 (例如粘彈性聚合物)以及頂層942。頂層942包括約束元件934 (例如具有限定凹部962的壁936的楔形元件934)，約束元件934被配置為接納引線框900的引線904。圖9B示出了應(yīng)用夾持作用力將引線904夾持到層942的約束元件934中。當(dāng)引線904與約束元件934的傾斜壁936接觸時，通過層942的移動，所產(chǎn)生的、作用于可塑層930’上的應(yīng)力使層942的約束元件934與(引線框900的)引線904有效地“自對準”。圖9C-9D示出了包括兩個單獨的約束元件934a、934b的支撐結(jié)構(gòu)940，約束元件934a,934b包含(也可能并入)至相應(yīng)的頂層部分942a、942b，其中元件934a、934b中的每個被配置為將引線框900的單獨的引線904a、904b接納在相應(yīng)的凹部962a、962b內(nèi)。引線框900還包括散熱部900a、900b，散熱部900a、900b用于支撐相應(yīng)的半導(dǎo)體管芯902a、902b?？伤軐硬糠?30a、930b被設(shè)置在基底914與相應(yīng)的頂層部分942a、942b之間。間隙992設(shè)在成對的相鄰的部分930a、932a與930b、932b之間。在圖9C中，還未施加夾持作用力。在圖9D中，已對弓I線框900的部分施加夾持作用力，從而將引線904a、904b夾持到相應(yīng)的約束元件934a、934b中(此處元件934a、934b包括各自的壁936a、936b以限定各自的凹部962a、962b)。夾持作用力在可塑層部分930a、930b產(chǎn)生應(yīng)力(本文中可塑層部分930a、930b被示出為彎曲的可塑層部分930a’、930b’)，從而使間隙992’形變并允許頂層部分942a和942b相對于引線框部分904a和904b對準至適當(dāng)位置。此外，圖9C-9D中示出的實施例用于闡明本文中描述的支撐結(jié)構(gòu)(以及諸如器件夾持裝置、窗口夾持裝置等的夾持系統(tǒng))可用于根據(jù)需要同時與多個半導(dǎo)體管芯連接。在圖9C中，獨立的可塑部930a、930b被設(shè)在半導(dǎo)體管芯902a、902b中的每一個之下。這些單獨的可塑部930a、930b (以及各個單獨的頂層942a、942b)允許每個約束元件934a、934b的獨立運動。當(dāng)然，雖然可塑層仍在應(yīng)力作用中保持足夠的柔性，以允許約束元件與各個引線框部分單獨對準，但是可以為多個約束元件提供單個可塑層(例如在包括單獨的約束元件934a、934b的單獨頂層942a、942b的下方)。
圖10A-10B與圖9A-9B基本類似，但圖9A-9B中的可塑層930由彈簧結(jié)構(gòu)1096代替。雖然彈簧結(jié)構(gòu)1096被示出為具有特定的形狀/尺寸，但是其將代表任何類型的彈簧結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)1040包括基底1014、頂層1042以及設(shè)置在它們之間的彈簧結(jié)構(gòu)1096。頂層1042包括(或者可以結(jié)合有)約束元件1034。元件1034包括限定凹部1062的壁1036，凹部1062被配置為接納引線框1000的引線1004(此處為了清楚，沒有示出在引線框1000上的半導(dǎo)體管芯)。在圖IOA中，還未施加夾持作用力。在圖IOB中，已對引線框1000施加夾持作用力，由此將引線1004固定在約束元件1034的凹部1062內(nèi)。圖IOB示出了應(yīng)力作用于彈簧結(jié)構(gòu)1096的效果，以在引線1004落入凹部1062中之后產(chǎn)生彎曲的彈簧結(jié)構(gòu)1096’。該概念的示例性變化包括根據(jù)應(yīng)用的需要，(I)將多個單獨的彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)在支撐單個半導(dǎo)體管芯的引線框部分下方；(2)將單個彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)在支撐單個半導(dǎo)體管芯的引線框部分下方；以及(3)將單個彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)在支撐多個半導(dǎo)體管芯的引線框部分下方。圖11A-11B與圖9A-9B基本類似，但是頂層被設(shè)為由間隙1196 (其可在應(yīng)力作用下伸展開)隔開的頂層部分1142a、1142b，以便接納各種尺寸/偏差的引線1104。除了前綴“9”已被前綴“II”替代之外(例如圖9A中的元件914對應(yīng)于圖IlA中的元件1114)，圖IIA-IIB中的剩余參考標號均對應(yīng)于圖9A-9B中的參考標號。圖IlB示出了施加的夾持作用力的效果，包括(1)將引線1104放置在凹部1162中；(2)將頂層部分1142a、1142b伸展開以限定加寬的間隙1196’ ；以及(3)對可塑層1130 (這里被標記為完全的可塑層1130’)施加應(yīng)力。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的約束元件可以應(yīng)用到夾持系統(tǒng)(例如諸如窗口夾持裝置等的器件夾持裝置)。圖12A-12B示出了這種系統(tǒng)的實施例。更具體地，約束元件1234設(shè)在器件夾持裝置1220上(此處，約束元件1234可以整體形成為器件夾持裝置1220的一部分，或者約束元件1234可以固定到器件夾持裝置1220的主體部的下表面上，等等)。約束元件1234包括壁1236，壁1236在其間限定凹部1262，凹部1262被配置為例如接受引線框1200的引線1204。支撐結(jié)構(gòu)1240包括基底1214 (例如金屬的)、可塑墊/層1230 (例如由粘彈性聚合物形成)以及頂層1242 (例如薄金屬柔性耐磨墊)，支撐結(jié)構(gòu)1240可以限定期望用于與引線框1200的各個部分匹配的元件(未示出)，以提供夾持作用下的期望壓力。在圖12B中，支撐結(jié)構(gòu)1240已被升起，以使得引線1204將自身與楔形約束元件1234的凹部1262對齊。在夾持壓力施加到支撐結(jié)構(gòu)1240與器件夾持裝置1220之間后(例如通過元件1240、1220中的任意一個，或者通過元件1240和1220)，可塑層1230在應(yīng)力作用下變得彎曲(標記為彎曲的可塑層1230’)。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明的具有約束元件的器件夾持裝置可以表現(xiàn)出若干配置中的任意一種(例如位于單個器件夾持裝置上的多個約束元件、具有不同形狀/尺寸的約束元件、具有在圖3A-3D、圖6A-6F、圖7A-7D、圖8A-8D、圖9A-9D、圖10A-10B以及圖11A-11B中描述的結(jié)構(gòu)(諸如引導(dǎo)件、凹槽、間隙等)中的任一種結(jié)構(gòu)的約束元件)。如本文所描述的，支撐結(jié)構(gòu)或夾持系統(tǒng)上的約束元件可包括限定凹部的壁，凹部被配置為接納半導(dǎo)體器件的一部分(例如支撐半導(dǎo)體管芯的引線框的引線)。這種壁在本文中主要示出為向下和向內(nèi)傾斜，以限定楔形約束元件。然而，本發(fā)明并不限于此。這種壁可以具有任何期望的形狀/配置，例如筆直的壁(例如與支撐結(jié)構(gòu)或器件夾持裝置的表面垂 直)、彎曲的壁、階梯狀的壁等。另外，限定約束元件的一個邊緣的壁可以與限定約束元件的另一邊緣的壁顯著不同。例如圖8A-8D示出了限定約束元件834的一個邊緣的彎曲的壁862，而引導(dǎo)件860是限定約束元件834的相對邊緣的壁。因此，應(yīng)該清楚的是，可以采用若干個壁配置中的任意一種。雖然主要通過描述用于支撐結(jié)構(gòu)和器件夾持裝置的特定形狀和材料來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此。本發(fā)明的教導(dǎo)可以適用于若干不同的應(yīng)用。例如半導(dǎo)體器件(包括引線框)可以明顯地改變，正因為如此，約束元件的配置也可以改變。此外，本發(fā)明可適用于完全不包括引線框的器件。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所領(lǐng)會的，由約束元件約束的半導(dǎo)體器件的部分(例如引線框的引線)可以以受約束的方式進行改變。例如圖3C-3D示出了受到約束元件334 “約束”的源引線304。應(yīng)該注意，源引線304的下表面沒有抵靠在凹部362的下表面上。也就是說，即使源引線304期望地受到約束，也存在間隙。相反地，圖9B、圖10B、圖IlB以及圖12B示出了在夾持之后，每個引線(即，引線904、1004、1104以及1204)的下表面抵靠各個凹部的下表面。因此，應(yīng)該清楚，半導(dǎo)體器件的一部分(例如引線框的引線)可以受到約束元件的約束，即使其沒有完全位于由約束元件限定的凹部等的下表面上。雖然在本文中參照特定的實施方式示出和描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于示出的細節(jié)。相反，可以在權(quán)利要求的等同物的精神和范圍內(nèi)在細節(jié)上進行各種修改而不偏離本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.在接合操作過程中支撐半導(dǎo)體器件的支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)包括 主體部，所述主體部具有上表面，所述上表面被配置為在接合操作過程中支撐半導(dǎo)體器件，所述上表面限定有約束元件，所述約束元件用于在所述接合操作過程中對所述半導(dǎo)體器件的至少一部分進行約束。
2.如權(quán)利要求I所述的支撐結(jié)構(gòu)，還包括基底部，其中，在所述接合操作過程中所述主體部被緊固至所述基底部。
3.如權(quán)利要求2所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述基底部由第一材料形成，所述主體部由第二材料形成，所述第二材料與所述第一材料不同。
4.如權(quán)利要求3所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述基底部由金屬材料形成，所述主體部由絕緣材料形成。
5.如權(quán)利要求3所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述主體部由陶瓷材料形成。
6.如權(quán)利要求3所述的支撐結(jié)構(gòu)，還包括可塑層，所述可塑層位于所述主體部與所述基底部之間。
7.如權(quán)利要求2所述的支撐結(jié)構(gòu)，還包括可塑層，所述可塑層位于所述主體部與所述基底部之間。
8.如權(quán)利要求I所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述約束元件包括由所述上表面限定的凸起部，從而在所述接合操作過程中對所述半導(dǎo)體器件的一部分進行約束。
9.如權(quán)利要求8所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述凸起部包括基本平行的凸起元件，從而在所述接合操作過程中對所述半導(dǎo)體器件的一部分進行約束。
10.如權(quán)利要求8所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述凸起部限定凹部，從而在所述接合操作過程中對所述半導(dǎo)體器件的一部分進行約束。
11.如權(quán)利要求8所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述凸起部包括多個壁部，以在所述接合操作過程中至少部分包圍所述半導(dǎo)體器件的一部分并進而對其進行約束。
12.如權(quán)利要求8所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體器件包括引線框，其中，由所述凸起元件約束的所述半導(dǎo)體器件的一部分包括所述引線框的一部分。
13.如權(quán)利要求12所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，由所述凸起元件約束的所述引線框的一部分包括所述引線框的引線、連接桿、散熱部以及管芯片中的至少之一。
14.如權(quán)利要求I所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述半導(dǎo)體器件包括引線框，其中，在所述接合操作過程中由所述約束元件約束的所述半導(dǎo)體器件的一部分包括所述引線框的一部分。
15.如權(quán)利要求14所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，由所述約束元件約束的所述引線框的一部分包括所述引線框的引線和連接桿中的至少之一。
16.如權(quán)利要求I所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述約束元件被配置為在至少一個方向上對所述半導(dǎo)體器件的一部分進行約束。
17.如權(quán)利要求16所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個方向為水平方向。
18.如權(quán)利要求16所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個方向包括線式接合機的接合工具移動以進行超聲波沖刷的方向。
19.如權(quán)利要求16所述的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個方向包括至少兩個方向。
20.用于在接合操作過程中緊固半導(dǎo)體器件的夾持系統(tǒng)，所述夾持系統(tǒng)包括 器件夾持裝置，所述器件夾持裝置包括主體部，所述主體部包括下表面，所述下表面被配置為在接合操作過程中與所述半導(dǎo)體器件接觸，所述下表面限定有約束元件，所述約束元件用于在所述接合操作過程中對所述半導(dǎo)體器件的至少一部分進行約束。
21.如權(quán)利要求20所述的夾持系統(tǒng)，其中，包括所述下表面的所述主體部由單件式材料形成。
22.如權(quán)利要求20所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述下表面與所述主體部的剩余部分分隔，并且緊固至所述主體部的所述剩余部分。
23.如權(quán)利要求20所述的夾持系統(tǒng)，還包括支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)用于在所述接合操作過程中從下方支撐所述半導(dǎo)體器件。
24.如權(quán)利要求23所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)包括可塑層。
25.如權(quán)利要求24所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)包括頂層，所述頂層被配置為與所述半導(dǎo)體器件接觸，所述可塑層位于所述頂層之下。
26.如權(quán)利要求25所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)包括基底，所述可塑層定位于所述基底與所述頂層之間。
27.如權(quán)利要求20所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述約束元件包括由所述下表面限定的凸起部，從而在所述接合操作過程中所述半導(dǎo)體器件的一部分進行約束。
28.如權(quán)利要求27所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述凸起部包括基本平行的凸起元件，從而在所述接合操作過程中對所述半導(dǎo)體器件的一部分進行約束。
29.如權(quán)利要求27所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述凸起部限定凹部，從而在所述接合操作過程中對所述半導(dǎo)體器件的一部分進行約束。
30.如權(quán)利要求27所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述凸起部包括多個壁部，以在所述接合操作過程中至少部分包圍所述半導(dǎo)體器件的一部分并進而對其進行約束。
31.如權(quán)利要求27所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述半導(dǎo)體器件包括引線框，其中，由所述凸起元件約束的所述半導(dǎo)體器件的一部分包括所述引線框的一部分。
32.如權(quán)利要求31所述的夾持系統(tǒng)，其中，由所述凸起元件約束的所述引線框的一部分包括所述引線框的引線、連接桿、散熱部以及管芯片中的至少之一。
33.如權(quán)利要求20所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述半導(dǎo)體器件包括引線框，其中，在所述接合操作過程中由所述約束元件約束的所述半導(dǎo)體器件的一部分包括所述引線框的一部分。
34.如權(quán)利要求33所述的夾持系統(tǒng)，其中，由所述約束元件約束的所述引線框的一部分包括所述引線框的引線和連接桿中的至少之一。
35.如權(quán)利要求20所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述約束元件被配置為在至少一個方向上對所述半導(dǎo)體器件的一部分進行約束。
36.如權(quán)利要求35所述的夾持系統(tǒng),其中,所述至少一個方向為水平方向。
37.如權(quán)利要求35所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述至少一個方向包括線式接合機的接合工具移動以進行超聲波沖刷的方向。
38.如權(quán)利要求35所述的夾持系統(tǒng)，其中，所述至少一個方向包括至少兩個方向。
全文摘要
提供了在接合操作過程中用于支撐半導(dǎo)體器件的支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)包括具有上表面的主體部，該上表面配置為在接合操作過程中支撐半導(dǎo)體器件。上表面限定有約束元件，約束元件在接合操作過程中用于對半導(dǎo)體器件的至少一部分進行約束。
文檔編號H01L21/60GK102770950SQ201080055003
公開日2012年11月7日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者喬納森·邁克爾·比亞斯 申請人:奧瑟戴尼電子公司