專利名稱：小片接合設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小片接合設(shè)備，其利用硬焊填料金屬將半導(dǎo)體芯片接合在芯片基底之上。
在半導(dǎo)體集成電路如IC和LSI的制造過程中，需要進(jìn)行將半導(dǎo)體芯片接合到芯片基底上的小片接合工藝，并且為進(jìn)行該小片接合，需要使用一種小片接合設(shè)備?，F(xiàn)有的小片粘合設(shè)備具有例如圖9中所示的結(jié)構(gòu)。所示出的小片接合設(shè)備具有基底座4，用于固持芯片基底2?；鬃?包括定位元件6，用于將芯片基底2定位于小片接合工作區(qū)當(dāng)中；和支承元件8，用于在小片接合工作區(qū)中支承芯片基底2。定位元件6包括塊形元件，定位凹腔10位于定位元件6中心。當(dāng)進(jìn)行小片接合時(shí)，芯片基底2定位于定位凹腔10之中，所述該支承元件8包括，例如，具有平的頂表面的加熱爐，且芯片基底2被置于頂表面上，加熱器12設(shè)置在支承元件8中。
小片接合設(shè)備還具有一個(gè)夾頭16，用于將半導(dǎo)體芯片14移送到固持在小片接合工作區(qū)當(dāng)中的芯片基底2上。在夾頭16中，形成有軸向延伸的通孔18。通孔18與一減壓源(未示出)相連接。當(dāng)來自減壓源的壓力減小動(dòng)作作用于半導(dǎo)體芯片14上時(shí)，半導(dǎo)體芯片14被夾頭16的頂部吸附并支承。在吸附和支承芯片14的同時(shí)，夾頭16將半導(dǎo)體芯片轉(zhuǎn)移至位于小片接合工作區(qū)之中的芯片基底2上。
半導(dǎo)體芯片14通過硬焊填料金屬20接合到芯片基底2上。硬焊填料金屬20被置于芯片基底2和半導(dǎo)體芯片14之間，并且通過對(duì)硬焊填料金屬20進(jìn)行熱熔，所述半導(dǎo)體芯片14被接合在芯片基底2上。硬焊填料金屬20的熱熔是由設(shè)置在支承元件8中的加熱器12完成的。來自加熱器12的導(dǎo)線22與交流電源26經(jīng)開關(guān)24電連接。開關(guān)24的打開和關(guān)閉，即通與斷受控制裝置28控制。用于檢測硬焊填料金屬20的熱熔溫度的溫度傳感器30設(shè)置在支承元件8的預(yù)定位置。來自溫度傳感器30的檢測信號(hào)被提供給控制裝置28。
在該小片接合設(shè)備中，芯片基底2需要被放置在基底座4上，在被以此方式固持的芯片基底2上根據(jù)需要由夾頭16放置半導(dǎo)體芯片14。當(dāng)執(zhí)行接合操作時(shí)，夾頭16起到壓緊裝置的作用，并將半導(dǎo)體芯片14壓向芯片基底2。當(dāng)芯片基底2在該狀態(tài)下被加熱器12所加熱時(shí)，硬焊填料金屬20由來自芯片基底2的熱能所熱熔，并設(shè)置硬焊填料金屬，從而將半導(dǎo)體芯片14接合在芯片基底2上。根據(jù)來自溫度傳感器30的檢測信號(hào)對(duì)硬焊填料金屬20的溫度進(jìn)行控制。當(dāng)溫度傳感器30所檢測到的溫度低于預(yù)定的下限溫度時(shí)，控制裝置28合上(接通)開關(guān)24，這樣，加熱器12被加熱以提高硬焊填料金屬20的溫度。當(dāng)由溫度傳感器30檢測到的溫度高于預(yù)定的上限溫度時(shí)，控制裝置28打開(斷開)開關(guān)24，以便加熱器12停止加熱以降低硬焊填料金屬20的溫度。通過由控制裝置28以此方式控制加熱器12的通或斷，硬焊填料金屬20的溫度被保持在不低于預(yù)定下限溫度且不高于預(yù)定上限溫度的預(yù)定的溫度范圍內(nèi)，從而保證將半導(dǎo)體芯片14通過硬焊填料金屬20接合到芯片基底2上。
然而，在如圖9所示現(xiàn)有技術(shù)小片接合設(shè)備中，下述有待解決的問題的產(chǎn)生是與溫度傳感器30被置于基底座4的支承元件8中的事實(shí)相關(guān)的。由于芯片基底2在每次小片接合時(shí)被置于支承元件8的頂表面上，所以當(dāng)小片接合重復(fù)進(jìn)行且接合的次數(shù)增多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生所述頂表面變得粗糙或有灰塵粘附于頂表面上的問題。當(dāng)頂表面變得粗糙或是有灰塵粘附在頂表面上時(shí)，支承元件8的頂表面與芯片基底2之間的接合被破壞，以致從加熱器12至芯片基底2的熱傳導(dǎo)被破壞。由于這個(gè)原因，設(shè)置在支承元件8中的溫度傳感器30檢測到的溫度與硬焊填料金屬20的實(shí)際熱熔溫度之間存在差異，以致于雖然硬焊填料金屬20的實(shí)際熱熔溫度低于理想溫度，但控制裝置28卻以為理想溫度已經(jīng)達(dá)到并根據(jù)這一確定來控制溫度。因此，硬焊填充金屬20沒有被足夠熱熔化，以致不可能很可靠地將半導(dǎo)體芯片14接合在芯片基底2上。
還有，在此小片接合設(shè)備中，由于芯片基底2的側(cè)面被加熱，所以芯片基底2的保持較高溫度。相反，由于半導(dǎo)體芯片14被夾頭16壓住，所以半導(dǎo)體芯片14的熱被夾頭16所吸收，以致半導(dǎo)體芯片14的溫度低于芯片基底2的溫度。因此，在芯片基底2與支承元件8相接觸的底表面和半導(dǎo)體芯片14與夾頭16相接觸的頂表面之間存在溫度差。當(dāng)該溫度差很大時(shí)，在芯片基底2和半導(dǎo)體芯片14之間由于熱脹系數(shù)的不同會(huì)產(chǎn)生熱變形。所以很難牢固地接合基底2與芯片14。
在未經(jīng)審查的日本專利JP-A-4-25137(1992)中示出了另一種現(xiàn)有技術(shù)，在該現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)半導(dǎo)體芯片被小片接合在陶瓷封裝體中時(shí)，半導(dǎo)體芯片被設(shè)置在真空夾頭中的加熱器逐漸加熱，同時(shí)這一由真空夾頭吸附并固定的半導(dǎo)體芯片被傳送至封裝體，并且半導(dǎo)體芯片被大致加熱到封裝體具有的溫度。通過這樣的操作，可以避免當(dāng)半導(dǎo)體芯片與封裝件接觸時(shí)被突然加熱，從而防止了半導(dǎo)體芯片由于被突然加熱而受到損壞。
未經(jīng)審查的日本專利申請(qǐng)公報(bào)JP-A-6-45377(1994)示出了另一現(xiàn)有技術(shù)，在該現(xiàn)有技術(shù)中，為控制半導(dǎo)體芯片由于受熱而引起的翹曲變形，在吸附半導(dǎo)體芯片的夾頭體中設(shè)置了一熱電偶和一加熱電阻。并且根據(jù)由熱電偶檢測到的溫度，由加熱電阻加熱的夾頭體被控制以使其溫度被保持在一預(yù)定的恒定溫度上，從而在進(jìn)行小片接合時(shí)可以控制芯片由于受熱而發(fā)生的翹曲變形。
未經(jīng)審查的日本實(shí)用新型專利公報(bào)JP-U-63-20430(1988)中示出了又一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)，在該現(xiàn)有技術(shù)中，一帶外護(hù)皮的加熱器和一溫度傳感器被嵌入到夾頭當(dāng)中，帶護(hù)皮的加熱器的溫度是根據(jù)來自溫度傳感器的溫度信息而被控制的，并且在半導(dǎo)體芯片被夾頭真空吸附之后，半導(dǎo)體芯片在安裝前被預(yù)熱至適當(dāng)溫度。從而減少了安裝時(shí)間并且減小了半導(dǎo)體芯片因溫度劇烈變化而產(chǎn)生的應(yīng)力。
在JP-A-4-25137(1992)中示出的現(xiàn)有技術(shù)中，在吸附半導(dǎo)體芯片的夾頭中設(shè)有加熱器導(dǎo)線，并且夾頭被逐漸加熱，在JP-A-6-45377(1994)中示出的現(xiàn)有技術(shù)中，在夾頭體中設(shè)置熱電耦和加熱電阻。在JP-U-63-20430(1988)中示出的現(xiàn)有技術(shù)中，在夾頭中設(shè)置有帶外護(hù)皮的加熱器和溫度傳感器。
在現(xiàn)有技術(shù)中，半導(dǎo)體芯片靠來自夾頭的熱被加熱，且硬焊填料金屬或焊料被熱熔以進(jìn)行小片接合。由于溫度傳感器被設(shè)置在夾頭內(nèi)以檢測夾頭的溫度而不是夾頭表面的溫度，所以雖然半導(dǎo)體芯片被來自夾頭的熱量所加熱，并且被該夾頭端部的端表面吸附，但加熱溫度是根據(jù)上述溫度中的夾頭內(nèi)部溫度來進(jìn)行控制的。因此，對(duì)焊料或硬焊填料金屬的進(jìn)行熱熔化的夾頭加熱溫度的調(diào)整不夠準(zhǔn)確，所以存在這樣的情況，即焊料或硬焊填料金屬不能被熱熔到適當(dāng)狀態(tài)，其結(jié)果是，半導(dǎo)體芯片接合到芯片基底的可靠性降低。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種小片接合設(shè)備，其能夠根據(jù)需要通過對(duì)硬焊填料金屬進(jìn)行熱熔來可靠地將半導(dǎo)體芯片接合在芯片基底之上。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種小片接合設(shè)備，其能夠減小由于芯片基底和半導(dǎo)體芯片間的溫差造成的熱變形，從而可靠地將芯片基底與半導(dǎo)體芯片接合在一起。
本發(fā)明提供的一種小片接合設(shè)備，包括基底座，用于固持芯片基底；壓緊裝置，用于將半導(dǎo)體芯片壓在由基底座固持的基底上；加熱裝置，用于對(duì)置于芯片基底和半導(dǎo)體芯片之間的硬焊填料金屬進(jìn)行熱熔；溫度傳感器，至少設(shè)置在壓緊裝置中，用于檢測壓緊裝置的表面溫度；以及控制裝置，用于在溫度傳感器所檢測到的溫度的基礎(chǔ)上控制加熱裝置的加熱操作。
根據(jù)本發(fā)明，由于溫度傳感器檢測了壓緊裝置的表面溫度，硬焊填料金屬的熱熔溫度在壓緊裝置側(cè)面被檢測，即，在硬焊填料金屬與半導(dǎo)體芯片相接觸的一側(cè)。與基底座不同，由于壓緊裝置不易變得粗糙或被灰塵污染，所以通過在壓緊裝置設(shè)置溫度傳感器，則可以精確地檢測出硬焊填料金屬的熱熔溫度。因此，硬焊填料金屬的實(shí)際熱熔溫度可以被保持在預(yù)定范圍內(nèi)，且半導(dǎo)體芯片能夠以較高的可靠性接合在芯片基底上。
在本發(fā)明中，最好是加熱裝置包括至少設(shè)置在壓緊裝置之中的加熱器。
根據(jù)本發(fā)明，由于加熱裝置被設(shè)置在壓緊裝置當(dāng)中，所以對(duì)硬焊填料金屬的加熱由壓緊裝置的一側(cè)完成。如上所述，由于壓緊裝置不容易象基底方那樣變粗糙或被弄臟，所以通過提供帶有加熱裝置的壓緊裝置，來自加熱裝置的熱可以經(jīng)半導(dǎo)體芯片可靠地傳導(dǎo)到硬焊填料金屬。因而，硬焊填料金屬可以根據(jù)需要被熱熔，以使半導(dǎo)體芯位能可靠地接合在芯片基底之上。
在本發(fā)明中，最好是加熱裝置包括一設(shè)置在壓緊裝置中的第一加熱器和設(shè)置在基底座之中的第二加熱器；最好是溫度傳感器包括設(shè)置在壓緊裝置中的第一溫度傳感器和設(shè)置在基底座中的第二溫度傳感器，以及最好是控制裝置在由第一溫度傳感器檢測到的溫度的基礎(chǔ)上控制第一加熱器的加熱操作，并且在由第二溫度傳感器檢測到的溫度的基礎(chǔ)上控制第二加熱器的加熱操作。
根據(jù)本發(fā)明，由于第一加熱器和第一溫度傳感器被設(shè)置在壓緊裝置中，且第二加熱器和第二溫度傳感器被設(shè)置在基底座中，所以半導(dǎo)體芯片主要由第一加熱器加熱而芯片基底主要由第二加熱器加熱。因此，半導(dǎo)體芯片和芯片基底的溫度可以被保持在所需的溫度之上，從而減小其間的溫差，以便能控制由于溫差而產(chǎn)生的熱變形。
本發(fā)明的特征在于，壓緊裝置將半導(dǎo)體芯片移送、放置并壓緊至芯片基底之上，并將已接合到芯片基底上的半導(dǎo)體芯片連同芯片基底一道移出基底座。
根據(jù)本發(fā)明，由于夾頭同時(shí)起到壓緊裝置的作用，所以小片接合設(shè)備的結(jié)構(gòu)可以被簡化。
在本發(fā)明中，最好是，用于將半導(dǎo)體芯片傳送和放置到芯片基底上的裝置與壓緊裝置分開設(shè)置。
根據(jù)本發(fā)明，由于將半導(dǎo)體芯片傳送和放置到芯片基底的裝置是與壓緊裝置分開設(shè)置的，所以后續(xù)的將要進(jìn)行小片接合的半導(dǎo)體芯片可以被傳送到工作區(qū)，這與由壓緊裝置對(duì)半導(dǎo)體芯片進(jìn)行的壓緊操作是分開的，并且已完成小片接合的半導(dǎo)體芯片可以連同芯片基底一道自工作區(qū)移開。因此，移送/移開操作和熱熔操作可以并行完成，這就節(jié)省了時(shí)間，從而提高了效率。
根據(jù)下面結(jié)合附圖所做的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚，其中

圖1為剖視圖，主要示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的小片接合設(shè)備的一部分；圖2為流程圖，幫助解釋圖1中的小片接合設(shè)備所進(jìn)行的小片接合操作；圖3為剖視圖，主要示出了本發(fā)明小片接合設(shè)備的第二實(shí)施例的一部分；圖4為流程圖，幫助解釋圖3的小片接合設(shè)備的小片接合操作；圖5為剖視圖，主要示出了本發(fā)明小片接合設(shè)備第三實(shí)施例的一部分；圖6為流程圖，幫助解釋圖5所示的小片接合設(shè)備的操作；圖7A至7C以簡單的方式示出了夾頭118的操作，圖7A示出了半導(dǎo)體芯片116被夾頭118吸附前的狀態(tài)，圖7B示出了半導(dǎo)體芯片116由夾頭118吸附時(shí)的狀況，且圖7C示出了半導(dǎo)體芯片116已由夾頭118移送到小片接合工作區(qū)106，位于芯片基底2正上方處時(shí)的狀況；圖8A和8B為簡化的視圖，幫助解釋壓緊件182的操作，圖8A示出了壓緊件182位于較低的起始位置處時(shí)狀態(tài)，且圖8B示出了壓緊件182正在壓緊半導(dǎo)體芯片116時(shí)的狀態(tài)；且圖9為剖視圖，示出了現(xiàn)有技術(shù)小片接合裝置的部分結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在參照附圖，描述本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
第一實(shí)施例圖1為一剖視圖，主要示出了本發(fā)明小片接合設(shè)備的第一實(shí)施例的相關(guān)部分。該小片接合設(shè)備具有用于固定芯片基底102的基底座104，例如可以是桿件(stem)或是導(dǎo)引框架。所述基底座104包括用于將芯片基底102定位于小片接合工作區(qū)106中的定位元件108，以及在小片接合工作區(qū)中用于支承芯片基底102的支承元件110。定位元件108包括塊形件，以及橫截面與圖1平面相垂直的定位凹腔112，該凹腔在圖1中從上方看去為一設(shè)置在定位元件108中心處的矩形。在圖1中從上方看去，定位凹腔112的平面結(jié)構(gòu)為一略大于芯片基底102的矩形，以便與定位于凹腔112中的芯片基底102的結(jié)構(gòu)相一致。當(dāng)進(jìn)行小片接合時(shí)，隨著芯片基底102被嵌入到定位凹腔112中，完成了對(duì)芯片基底102的定位。
橫截面與圖1所在平面相垂直的支承元件110為一矩形，其略小于被小片接合的芯片基底102，并且在圖1中從上方看去時(shí)，其被設(shè)置在定位元件108的定位凹腔112的中心。支承元件110包括具有平的頂表面111的加熱爐，頂表面111用于放置芯片。芯片基底102以后面將要描述的方式放置在芯片放置表面上。
構(gòu)成加熱裝置的加熱器114設(shè)置在支承元件110中。加熱器114通過支承元件110加熱芯片基底102。
小片接合裝置還具有一夾頭118，用于將被稱為“小片(pellet)”的半導(dǎo)體芯片116傳送和放置到固定在小片接合工作區(qū)106中的芯片基底102上。在夾頭118中，形成有一個(gè)軸向延伸通孔120。該通孔120與減壓源122(例如減壓泵)相連。當(dāng)減壓泵工作時(shí)，來自減壓源122的吸力經(jīng)通孔120作用到半導(dǎo)體芯片116上，以便使半導(dǎo)體芯片116被吸附并由夾頭118的頂部固持。
夾頭118在第一位置(未示出)和如圖1所示的第二位置之間的橫向上可移動(dòng)。當(dāng)夾頭118被定位于第一位置時(shí)，夾頭118被設(shè)置在拾取區(qū)域(未示出)用以吸附和固持待切割的半導(dǎo)體芯片116。當(dāng)夾頭118被移到第二位置時(shí)，夾頭118被置于小片接合工作區(qū)106中，用以將半導(dǎo)體芯片116放到位于基底座104的芯片基片102上。夾頭118被保持以便能在上升位置(未示出)和如圖1所示的下降位置之間在垂直方向上移動(dòng)。當(dāng)夾頭118位于第一位置處的下降位置時(shí)，夾頭118吸附和固持半導(dǎo)體芯片116。當(dāng)夾頭118位于第二位置的下降位置時(shí)，夾頭118將半導(dǎo)體芯片116放置到芯片基底102上并將半導(dǎo)體芯片116壓向基底102。當(dāng)夾頭118位于上升位置時(shí)，夾頭118在第一位置和第二位置之間移動(dòng)。
半導(dǎo)體芯片116通過硬焊填料金屬124接合到芯片基底102。當(dāng)半導(dǎo)體芯片116被置于芯片基底102上時(shí)，例如金銻箔做為硬焊填料金屬被施加到芯片基底102上，并且硬焊填料金屬124被設(shè)置在芯片基底102與半導(dǎo)體芯片116之間。對(duì)硬焊填料金屬124的熱熔由設(shè)在支承件110中的加熱器114完成。來自加熱器114的導(dǎo)線126經(jīng)開關(guān)128與交流電源130電連接。開關(guān)128的打開/關(guān)閉，即通/斷由控制裝置132控制。
在該實(shí)施例中，兩個(gè)傳感器134和136被用做溫度傳感器以檢測硬焊填料金屬124的熱熔溫度。第一溫度傳感器134設(shè)置在夾頭118的端部附近。第二溫度傳感器136設(shè)置在支承元件110中的預(yù)定位置上，具體地說，位于頂表面111附近的位置。第一和第二溫度傳感器134和136可以是例如熱電偶。
第一溫度傳感器用來測量半導(dǎo)體芯片116的表面溫度以便確定由加熱器114產(chǎn)生的熱是否完全被傳輸了。第二溫度傳感器136用于確定加熱器114工作是否正常。控制裝置132例如是一臺(tái)微機(jī)，并且在來自第一和第二溫度傳感器134和136的檢測信號(hào)的基礎(chǔ)上控制開關(guān)128的打開與關(guān)閉，從而控制由加熱器114進(jìn)行的加熱操作。
由第一實(shí)施例的小片接合設(shè)備進(jìn)行的接合是按圖2的流程圖所示的步驟來完成的。參見圖1和圖2，首先，在步驟S1，芯片基底102被定位在基底座104的定位元件108的定位凹腔112中，并且芯片基底102被放置在支承元件110的頂表面上。然后，硬焊填料金屬124被施加到被固定的芯片基底102上，且半導(dǎo)體芯片116由夾頭118放置，其間夾有硬焊金屬填料。之后，在步驟2，半導(dǎo)體芯片116由夾頭118壓緊。在該實(shí)施例中，由于在小片接合過程中半導(dǎo)體芯片116靠夾頭118壓向芯片基底102，所以夾頭118也起到壓力裝置的作用。
加工過程進(jìn)行到步驟S3，在此確定由第二溫度傳感器136檢測到的溫度T2是否在第一加熱溫度區(qū)間之內(nèi)，例如250℃≤T2≤260℃。在小片接合過程中，加熱器114的工作由控制裝置132控制。因此，當(dāng)芯片基底102被置位且半導(dǎo)體芯片116被置于其上并下壓時(shí)，則用加熱器114產(chǎn)生的熱進(jìn)行的對(duì)硬焊填料金屬124的熱熔開始，這樣就開始了用小片接合設(shè)備進(jìn)行的小片接合。
當(dāng)在步驟3中由第二溫度傳感器136檢測到的溫度T2處于第一加熱溫度范圍中時(shí)，步驟進(jìn)行到S4，在此確定由第一溫度傳感器134檢測到的溫度T1是否處于第二加熱溫度范圍內(nèi)，例如240℃≤T1≤250℃。當(dāng)在步驟4，由第一溫度傳感器134檢測到的溫度T1位于第二加熱溫度范圍內(nèi)時(shí)，過程前進(jìn)到步驟S5，在該步驟中，確定預(yù)定的加熱時(shí)間是否已過。步驟S3至S5重復(fù)執(zhí)行，直到預(yù)定加熱時(shí)間用盡。
當(dāng)預(yù)定的加熱時(shí)間用盡時(shí)，加工過程從步驟S5進(jìn)行到步驟S6完成由小片接合設(shè)備完成的小片接合。在步驟S5的加熱時(shí)間足以使硬焊填料金屬被加熱器114所熱熔。因此，當(dāng)由第二溫度傳感器136檢測到的溫度T2被保持在第一加熱溫度范圍內(nèi)，且由第一溫度傳感器135檢測到的溫度T1被保持在第二加熱溫度范圍內(nèi)并經(jīng)過預(yù)定加熱時(shí)間時(shí)，硬焊填料金屬124被熱熔，這樣，半導(dǎo)體芯片116可通過硬焊填料金屬124牢固地接合在芯片基底102上。
當(dāng)在步驟S3檢測到第二溫度傳感器136所檢測到的溫度T2處于第一加熱溫度范圍之外時(shí)，加工過程從步驟S3進(jìn)行至步驟S7。當(dāng)在步驟S4由第一溫度傳感器134檢測到的溫度T1處于第二加熱溫度范圍之外時(shí)，加工過程從S4進(jìn)行到S7。在步驟S7，確定用于小片接合的工作時(shí)間是否已經(jīng)用盡。當(dāng)工作時(shí)間尚未用盡時(shí)，加工過程進(jìn)行到步驟S8，在此由控制裝置132控制加熱器。在步驟5，工作時(shí)間比加熱時(shí)間略長，并且被設(shè)定為使夾頭118的端部被加熱器114加熱后能足以使硬焊填料金屬124被熔化的時(shí)間長度。
在步驟S8，當(dāng)由第二溫度傳感器136檢測到的溫度T2低于(或高于)第一加熱溫度范圍時(shí)，控制裝置132關(guān)閉(或打開)開關(guān)128，以使加熱器114進(jìn)行加熱操作(或使加熱操作停止)。這樣，加熱器114的工作就受到控制，以使硬焊填料金屬的熱熔溫度被保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。
當(dāng)由第一溫度傳感器134檢測到的溫度T1低于(或高于)第二加熱溫度范圍時(shí)，控制裝置132關(guān)閉(或打開)開關(guān)128，以使加熱器114進(jìn)行加熱操作(或停止加熱操作)。這樣，加熱器114的工作就受到控制以使硬焊填料金屬124的熱熔溫度被保持在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)。在步驟8中完成控制之后，加工過程轉(zhuǎn)回到步驟S3。
當(dāng)通過控制加熱器114使由第二溫度傳感器136檢測到的溫度T2成為第一加熱溫度范圍內(nèi)的溫度時(shí)，加工過程進(jìn)入到步驟S4。當(dāng)通過控制加熱器使由第一溫度傳感器檢測到的溫度T1成為第二加熱溫度范圍內(nèi)的溫度時(shí)，加工過程進(jìn)入到步驟S5，這樣，步驟S3至S5就被執(zhí)行了。
當(dāng)既使對(duì)加熱器114進(jìn)行了控制，但由第二溫度傳感器136檢測到的溫度T2仍落在第一加熱溫度范圍之外時(shí)，或是當(dāng)既使對(duì)加熱器114進(jìn)行控制，但由第一溫度傳感器134檢測到的溫度T1仍落在第二加熱溫度范圍之外時(shí)加工過程再次進(jìn)行至步驟S7，在此確定用于小片接合的工作時(shí)間是否已經(jīng)用盡，當(dāng)工作時(shí)間已經(jīng)用盡時(shí)，加工過程進(jìn)行至步驟S9，在此處確定小片接合設(shè)備發(fā)生故障，使裝置停機(jī)。
這樣，在第一實(shí)施例的小片接合設(shè)備中，由于硬焊填料金屬124的熱熔溫度由夾頭118中的第一溫度傳感器134和支承元件110中的第二溫度傳感器136所探測，并且加熱器114根據(jù)溫度傳感器134和136所檢測到的溫度T1和T2而被控制，所以硬焊填料金屬124可以被保持在一預(yù)定的熱熔溫度，以使半導(dǎo)體芯片116可被牢固地接合在芯片基底102上。特別是，由于第一溫度傳感器134被置于夾頭118中，所以硬焊填料金屬124的熱熔溫度可以被精確檢測。夾頭118的端面119不會(huì)因使用而變粗糙，且灰塵也不會(huì)附著在頂表面119。因此，來自硬焊填料金屬的124的熱量可以很好地傳遞，以使硬焊填料金屬124的熱熔溫度得以被精確檢測。
在上述第一實(shí)施例中，硬焊填料金屬124的熱熔溫度由設(shè)置在夾頭118中的第一溫度傳感器134和設(shè)置在支承元件110中的第二溫度傳感器136檢測。然而，不是必須設(shè)置兩個(gè)傳感器，硬焊填料金屬124的熱熔溫度可以通過控制加熱器114而被精確地保持在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)，對(duì)加熱器114所進(jìn)行的控制可以僅根據(jù)夾頭118中的第一傳感器134檢測到的溫度來完成。
第二實(shí)施例圖3是一剖視圖，主要示出了本發(fā)明小片接合設(shè)備的第二實(shí)施例的有關(guān)部分。在圖3所示的第二實(shí)施例中，與第一實(shí)施例中相同的部分以相同的參考標(biāo)號(hào)來表示。
參見圖3，在第二實(shí)施例中，第一和第二加熱器152和154被設(shè)置為加熱裝置，以對(duì)夾在芯片基底102和半導(dǎo)體芯片116之間的硬焊填料金屬124進(jìn)行熱熔，并且第一和第二溫度傳感器156和158被做為檢測硬焊填料金屬124的熱熔溫度的溫度傳感器。第一加熱器152設(shè)置在夾頭118的端部。來自第一加熱器152的熱經(jīng)夾頭118被傳至硬焊填料金屬124以及半導(dǎo)體芯片116。與第一實(shí)施例中相似，第二加熱器154設(shè)置在支承元件110中，包括一加熱爐，并且來自第二加熱器154的熱量經(jīng)過支承元件110和芯片基底102傳遞到硬焊填料金屬124。第一加熱器152經(jīng)設(shè)置有第一開關(guān)160的導(dǎo)線162與交流電源164電連接。第二加熱器154經(jīng)設(shè)置有第二開關(guān)168的導(dǎo)線170與交流電源172電連接。
第一溫度傳感器156與第一加熱器152相關(guān)設(shè)置，并且檢測由第一加熱器152加熱的硬焊填料金屬124的熱熔溫度。第二溫度傳感器158同第二加熱器154相關(guān)設(shè)置，并檢測由第二加熱器加熱得到的硬焊填料金屬124的熱熔溫度。第一溫度傳感器156設(shè)置用來檢測夾頭118的預(yù)熱溫度，這是為了提高對(duì)半導(dǎo)體芯片116的加熱效率而采用的，是通過減少芯片基底102與半導(dǎo)體芯片116之間的溫度差異來實(shí)現(xiàn)的。第二溫度傳感器158被提供用來確定加熱器154是否工作正常。
來自第一和第二溫度傳感器156和158的檢測信號(hào)被提供給控制裝置132，根據(jù)來自傳感器156和158的檢測信號(hào)，控制裝置132控制第一和第二開關(guān)160和168的打開與關(guān)閉。除此之外，第二實(shí)施例的小片接合設(shè)備的結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例當(dāng)中的大致相同，故不再贅述。
由第二實(shí)施例的小片接合設(shè)備進(jìn)行的接合是經(jīng)過圖4中流程圖所示的步驟完成的。參考圖3和圖4，首先，在步驟S11，芯片基底102被置于定位元件108的定位凹腔112之中，并且芯片基底102放置在支承元件110的頂表面上，然后，硬焊填料金屬124置于芯片基底102之上，并且半導(dǎo)體芯片116被置于硬焊填料金屬124之上。然后在步驟S12，半導(dǎo)體芯片116由夾頭118壓緊。
加工過程進(jìn)行到步驟S13，在此確定由第二溫度傳感器158檢測到的溫度T2位于第一加熱溫度范圍之內(nèi)，例如，由第二溫度傳感器158檢測到的溫度T2是否在范圍250℃≤T2≤260℃之間。當(dāng)在步驟13，由第二溫度傳感器158檢測的溫度T2是落在第一加熱溫度范圍之內(nèi)時(shí)，則加工過程進(jìn)行到步驟S14，在此確定由第一溫度傳感器156檢測到的溫度T1是否位于第二加熱溫度范圍之內(nèi)，例如，由第一溫度傳感器156檢測到的溫度T1是否在240℃≤T1≤260℃的范圍之內(nèi)。
在步驟S14當(dāng)由第一溫度傳感器156檢測到的溫度T1是落在第二加熱溫度范圍之內(nèi)時(shí)，則加工過程進(jìn)行至步驟S15，在此處確定預(yù)定的加熱時(shí)間是否已經(jīng)用盡。重復(fù)執(zhí)行S13至S15的步驟，直到預(yù)定加熱時(shí)間用盡。當(dāng)預(yù)定加熱時(shí)間已經(jīng)用盡時(shí)，加工過程從步驟S15進(jìn)行至步驟S16由小片接合設(shè)備完成小片接合。
在步驟S15中所提到的熱熔時(shí)間是足以使硬焊填料金屬被第一和第二加熱器152和154所熱熔的時(shí)間。因此，當(dāng)由第二溫度傳感器158檢測到的溫度T2被保持在第一加熱溫度范圍，且由第一溫度傳感器156檢測到的溫度T1被保持在第二加熱溫度范圍并經(jīng)過一預(yù)定的加熱時(shí)間時(shí)，硬焊填料金屬124被熱熔，以使半導(dǎo)體芯片116被硬焊填料金屬124接合在芯片基底102上。
當(dāng)在步驟S13第二溫度傳感器158檢測到的溫度T2位于第一加熱溫度范圍之外時(shí)，加工過程從步驟S13進(jìn)行到S17，在此確定用于進(jìn)行小片接合的工作時(shí)間是否已經(jīng)用盡。用工作時(shí)間尚未用盡時(shí)，加工過程進(jìn)行到步驟S18，在此由控制裝置132控制第二加熱器154。設(shè)定一個(gè)比在步驟15處的加熱時(shí)間更長的時(shí)間做為工作時(shí)間。在步驟S18，當(dāng)?shù)诙囟葌鞲衅?58檢測到的溫度T2低于(或高于)第一加熱溫度范圍，則控制裝置132關(guān)閉(或打開)第二開關(guān)168，以使由第二加熱器154進(jìn)行加熱(或停止加熱)。這樣，從支承元件110經(jīng)芯片基底102傳到硬焊填料金屬124的熱傳導(dǎo)被控制，并且第二加熱器154的工作也被控制，以使硬焊填料金屬124的熱熔溫度被保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。在步驟S18處進(jìn)行控制之后，加工過程返回到步驟S13。當(dāng)在步驟S18通過控制第二加熱器154使由第二溫度傳感器158檢測到的溫度T2變成第一加熱溫度范圍內(nèi)的溫度時(shí)，加工過程進(jìn)行至步驟S14。這樣，步驟S13至S15就被執(zhí)行。
當(dāng)即使對(duì)第二加熱器154進(jìn)行了控制，但由第二溫度傳感器158檢測到的溫度T2仍位于第一加熱溫度范圍之外時(shí)，加工過程再進(jìn)行至步驟S17，在此確定用于執(zhí)行小片接合的工作時(shí)間是否已經(jīng)用盡。當(dāng)工作時(shí)間已經(jīng)用盡時(shí)，過程進(jìn)行至步驟S19，在此確定小片接合設(shè)備發(fā)生故障，并將設(shè)備停機(jī)。
在步驟S14，當(dāng)由第一溫度傳感器156檢測到的溫度T1位于第二加熱溫度范圍之外時(shí)，從步驟S14進(jìn)行至S20，在此確定用于執(zhí)行小片焊接的工作時(shí)間是否已經(jīng)用盡。當(dāng)工作時(shí)間尚未用盡時(shí)，加工過程進(jìn)行至步驟S21，在此由控制裝置132控制第一加熱器152。設(shè)定一個(gè)比步驟S15處的加熱時(shí)間長一些的預(yù)定時(shí)間做為工作時(shí)間。在步驟S21處，同在步驟S18處的情況相似，當(dāng)?shù)谝粶囟葌鞲衅?56檢測到的溫度T1低于(或高于)第二加熱溫度范圍時(shí)，控制裝置132關(guān)閉(或打開)第一開關(guān)160，以使第一加熱器152執(zhí)行加熱(或停止加熱)。這樣從夾頭118經(jīng)半導(dǎo)體芯片116傳導(dǎo)到硬焊填料金屬124的熱量得以控制，同時(shí)第一加熱器152的工作也被控制，以使硬焊金屬124的熱熔溫度被保持在預(yù)定溫度范圍。當(dāng)在步驟S21進(jìn)行控制之后，加工過程返回到步驟S13，當(dāng)在步驟S21通過控制第一加熱器152使由第一溫度傳感器156檢測到的溫度T1為第二加熱溫度范圍內(nèi)的溫度時(shí)，加工過程進(jìn)行到步驟S15。這樣，步驟S13至S15被執(zhí)行。
當(dāng)既使對(duì)第一加熱器152實(shí)施了控制，但由第一溫度傳感器156檢測的溫度T1仍位于第二加熱溫度范圍之外時(shí)，加工過程再次進(jìn)行至步驟S20，在此確定用于小片接合的工作時(shí)間是否已經(jīng)用盡。當(dāng)工作時(shí)間已經(jīng)用盡時(shí)，過程行進(jìn)至步驟S22，在此確定小片接合設(shè)備出現(xiàn)故障，并停止該設(shè)備工作。
這樣，在第二實(shí)施例的小片接合設(shè)備中，由于硬焊填料金屬124的熱熔溫度被位于夾頭118中的第一溫度傳感器156和位于支承元件110中的第二溫度傳感器158所檢測，同時(shí)第一和第二加熱器152和154根據(jù)由溫度傳感器156和158檢測到的溫度T1和T2被加以控制，與第一實(shí)施例中的情況相似，硬焊填料金屬124被保持在一預(yù)定的熱熔溫度，以使半導(dǎo)體芯片116可以可靠地接合在芯片基底102上。來自第一加熱器152的熱主要經(jīng)夾頭118傳導(dǎo)到半導(dǎo)體芯片116，并且來自第二加熱器154的熱經(jīng)支承元件110傳導(dǎo)至芯片基底102，以使硬焊填料金屬124被有效熱熔。還有，通過這種方式，可以減小芯片基底102與半導(dǎo)體芯片116之間的溫差，所以可以控制由于溫差而引起的熱變形的發(fā)生。
圖5為一剖視圖，主要示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的小片接合設(shè)備。在第三實(shí)施例中，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的壓緊元件182，即在小片接合中僅用來將半導(dǎo)體芯片14向下壓向放置有硬焊填料金屬20的芯片基底的壓緊元件182被做為壓緊裝置來完成小片接合。在第三實(shí)施例中，與第二實(shí)施例中的元件相對(duì)應(yīng)的元件以與第二實(shí)施例中相同的參考標(biāo)號(hào)表示，并且不再贅述。
在第三實(shí)施例中，由于第一加熱器152和第一溫度傳感器156設(shè)置在用于壓緊半導(dǎo)體芯片116的壓緊元件182中，并且第二加熱器154和第二溫度傳感器158設(shè)置在用于支承芯片基底102的支承元件110中，所以可以獲得與第二實(shí)施例的情況相類似的效果。在第三實(shí)施例中，由于除了用于移送半導(dǎo)體芯片116的夾頭之外，還需要用于壓住半導(dǎo)體芯片116的壓緊元件182，所以設(shè)備結(jié)構(gòu)要稍復(fù)雜一些。
圖6是一流程圖，幫助解釋在圖5中示出的小片接合設(shè)備的工作。圖7A至7C為以簡單方式示出了有關(guān)夾頭的操作情況的視圖。圖7A示出了半導(dǎo)體芯片116由夾頭118吸附之前的情況。圖7B示出了半導(dǎo)體芯片116被夾頭118所吸附時(shí)的狀況。圖7C示出了半導(dǎo)體芯片116已被夾頭118移送到小片接合工作區(qū)106，位于芯片基底102正上方時(shí)的情況。
當(dāng)小片接合操作開始時(shí)，如圖7A所示，多個(gè)排列在貼附板186上，以便在貼附板上的長度方向上均勻間隔開的半導(dǎo)體芯片116中的一個(gè)被放置成與移送夾頭118與上推尖點(diǎn)119共線。在此情況下，貼附板186及多個(gè)半導(dǎo)體芯片116之一被設(shè)置在移送夾頭118和上推尖點(diǎn)119之間。于是，在步驟ml，半導(dǎo)體芯片116之一被準(zhǔn)確地定位在移動(dòng)夾頭118和上推尖點(diǎn)119所共有的軸上。在步驟m2，移送夾頭118如圖7B所示降低同時(shí)上推尖端119上升，以使半導(dǎo)體芯片116從貼附板186向上被推起。被推起的半導(dǎo)體芯片116由移送夾頭118的端部的端面真空吸附。
在步驟m3，夾頭118在吸附半導(dǎo)體芯片116的同時(shí)向上方移動(dòng)，這樣，半導(dǎo)體芯片位于貼附板186的一側(cè)被剝離并向上方分開。之后，在步驟m4，被向上抬到離開貼附板186的位置上的半導(dǎo)體芯片116在被移送夾頭118真空吸附的同時(shí)在水平方向上移動(dòng)，并如圖7C所示，準(zhǔn)確地定位在設(shè)置有硬焊填料金屬124的芯片基底102的正上方。在此狀態(tài)下，移動(dòng)夾頭118在步驟5下移，而且在半導(dǎo)體芯片116被放置到位于芯片基底102上的硬焊填料金屬124之上后，加工過程進(jìn)行到步驟n1，在此減壓源122松開吸附并且移送夾頭118上升以回到圖7A所示的返回位置。當(dāng)在步驟m6，全部半導(dǎo)體芯片116的小片接合均完成時(shí)，小片接合完成。當(dāng)小片接合尚未完成時(shí)，重復(fù)執(zhí)行步驟m2至m5。
圖8A和8B為經(jīng)過簡化的視圖，幫助解釋有關(guān)壓緊元件182的操作，圖8示出了當(dāng)壓緊元件182置于較低的起始位置時(shí)的狀況。圖8B示出了壓緊元件182正壓住半導(dǎo)體芯片116時(shí)的情況。當(dāng)半導(dǎo)體芯片116如上所述被移動(dòng)夾頭118準(zhǔn)確地定位在芯片基底102上的硬焊填料金屬124上時(shí)，壓緊元件182在步驟n1開始下降。此時(shí)，由于第一加熱器152被設(shè)置在壓緊元件182中且溫度由控制裝置132控制，所以溫度保持恒定。
在步驟n2，這種壓緊元件182被下移并壓緊放置在芯片基底102之上的半導(dǎo)體芯片116，如圖8B所示，在芯片基底102和半導(dǎo)體芯片116之間有硬焊填料金屬124，并加熱半導(dǎo)體芯片116。此時(shí)，由于如圖7A至7C所示，在半導(dǎo)體芯片116被移送到芯片基底102之前，芯片基底102和硬焊填料金屬124的溫度被第二加熱器154加熱升至一適當(dāng)?shù)暮愣囟?，所以，在較短時(shí)間內(nèi)，半導(dǎo)體芯片116就被加熱至理想溫度且硬焊填料金屬124可被完全熔化。例如，可以使用金銻箔做為硬焊填料金屬124。所述芯片基底為一金屬桿或?qū)е?lead)。所述半導(dǎo)體芯片例如可以是一平板型元件，具有邊長為0.4至1mm，厚度大約0.1至0.2mm的矩形形狀，并可例如是一種NPN型晶體管。
對(duì)于這樣一種需要熱熔的硬焊填料金屬124，例如5至30秒的預(yù)定時(shí)間是必要的，并且在這段時(shí)間內(nèi)，如上所述，移送夾頭118開始從接合板186上拾取下一個(gè)半導(dǎo)體芯片116。當(dāng)熱熔時(shí)間用盡且硬焊填料金屬124完全熔化時(shí)，壓緊元件182再次從圖8B所示的壓緊狀態(tài)移動(dòng)至圖8A所示的較低的起始位置，并隨后回到預(yù)定的等待位置。真空吸附了下一個(gè)半導(dǎo)體芯片116的移送夾頭118定位到圖8A中壓緊元件182所處位置，接合在芯片基底102上的半導(dǎo)體芯片116連同芯片基底102一道被送至后續(xù)工序。之后，一個(gè)新的芯片基底102被放置在支承元件110的定位凹腔112上，并且硬焊填料金屬124被置于新的芯片基底102上，然后，上述步驟m2至m6被重復(fù)執(zhí)行，并且步驟n1至n4被重復(fù)直到在步驟n4完成所有部分的小片接合為止。
這種移送和取出，以及壓緊和熱熔過程是并行進(jìn)行的，即，在圖6中，從步驟m2至m6的過程X和從步驟n1至n4的過程Y是并行執(zhí)行的。因此，第一和第二加熱器152和154的能量消耗達(dá)到最小化，所以可以獲得高的生產(chǎn)率。
在第三實(shí)施例中，可以省去第一加熱器152并使用第二加熱器154和熱熔硬焊填料金屬124。此外，除了第一加熱器152外，第二溫度傳感器158也可被省去。
通過已經(jīng)描述的本發(fā)明小片接合設(shè)備的各種實(shí)施例，可以理解，本發(fā)明不僅僅局限于這些實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，還可以有多種變化和修改。
權(quán)利要求
1．一種小片接合設(shè)備，包括基底座，用于固持芯片基底；壓緊裝置，用于將半導(dǎo)體芯片壓緊在由基底座固持的芯片基底上；加熱裝置，用于對(duì)夾在芯片基底和半導(dǎo)體芯片之間的硬焊填料金屬進(jìn)行熱熔；溫度傳感器，至少設(shè)置在壓緊裝置中，用于檢測壓緊裝置的表面溫度；以及控制裝置，用于在溫度傳感器所檢測到的溫度的基礎(chǔ)上，控制加熱裝置的加熱操作。
2．如權(quán)利要求1所述的小片接合裝備，其特征在于，加熱裝置包括至少設(shè)置在壓緊裝置之中的加熱器。
3．如權(quán)利要求2所述的小片接合裝備，其特征在于，加熱裝置包括放置在壓緊裝置中的第一加熱器和設(shè)置在基底座中的第二加熱器；溫度傳感器包括設(shè)置在壓緊裝置中的第一溫度傳感器和設(shè)置在基底座中的第二溫度傳感器，以及控制裝置，在由第一溫度傳感器檢測到的溫度的基礎(chǔ)上控制第一加熱器的操作，并在由第二溫度傳感器檢測到的溫度的基礎(chǔ)上控制第二加熱器的加熱操作。
4．如權(quán)利要求1所述的小片接合設(shè)備，其特征在于，壓緊裝置將半導(dǎo)體芯片移送、放置和壓緊在芯片基底上，并且將已與芯片基底接合在一起的半導(dǎo)體芯片與芯片基底一同從基底座上移出。
5．如權(quán)利要求2所述的小片接合設(shè)備，其特征在于，壓緊裝置將半導(dǎo)體芯片移送、放置和壓緊在芯片基底上，并將與同芯片基底相接的半導(dǎo)體芯片與芯片基底一道從基底座上移出。
6．如權(quán)利要求3所述的小片接合設(shè)備，其特征在于，壓緊裝置將半導(dǎo)體芯片移送、放置和壓緊在芯片基底上，并將已同芯片基底相接合的半導(dǎo)體芯片與芯片基底一道從基底座上移出。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的小片接合設(shè)備，其特征在于，所述用于將半導(dǎo)體芯片移送、放置在芯片基底上的裝置與所述壓緊裝置分開設(shè)置。
8．根據(jù)權(quán)利要求2所述的小片接合設(shè)備，其特征在于，所述用于將半導(dǎo)體芯片移送、放置在芯片基底上的裝置與所述壓緊裝置分開設(shè)置。
9．根據(jù)權(quán)利要求3所述的小片接合設(shè)備，其特征在于，所述用于將半導(dǎo)體芯片移送、放置在芯片基底上的裝置與所述壓緊裝置分開設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于根據(jù)需要利用對(duì)硬焊填料金屬的熱熔來將半導(dǎo)體芯片接合在芯片基底上。小片接合設(shè)備具有用于固持芯片基底的基底座,用于將半導(dǎo)體芯片移送和壓緊到芯片基底上的夾頭,用于對(duì)夾在芯片基底與半導(dǎo)體芯片之間的硬焊填料金屬進(jìn)行熱熔的加熱器,用于檢測硬焊填料金屬熱熔溫度的溫度傳感器,以及在溫度傳感器所檢測到的溫度的基礎(chǔ)上對(duì)加熱器進(jìn)行控制的控制裝置。溫度傳感器設(shè)置在夾頭內(nèi)。
文檔編號(hào)H01L21/68GK1235371SQ9910660
公開日1999年11月17日 申請(qǐng)日期1999年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月12日
發(fā)明者山崎正夫, 山藤輝光 申請(qǐng)人:夏普公司