具有改进夹具的半导体键合设备及其封装方法
【专利摘要】本发明提供一种具有改进夹具的半导体键合设备及其封装方法，其中该夹具包括基座以及安装于基座上的压爪，其中所述压爪包括将压爪固定于基座上的固定部、若干金属杆以及将若干金属杆一一相连的若干铰链，所述若干金属杆中其中一个固持于所述固定部上，调节所述铰链可调节压爪的位置及高度。本发明的压爪结构较小，可以减少键合排线的困扰。同时，使用可调节高度、方向的设计，可以延长一套压爪的使用寿命，降低成本。
【专利说明】具有改进夹具的半导体键合设备及其封装方法
【【技术领域】】
[0001]本发明是关于半导体封装领域，特别是关于功率模块的封装夹具的改进及其方法。
【【背景技术】】
[0002]半导体分立器件中的智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM模块)，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。
[0003]IPM模块的封装工艺一般是通过芯片键合工艺将多个不同的芯片模块键合在框架上，并分别通过金线和铝线键合连接实现产品电路功能，最后通过塑封和切筋以及管脚成形完成广品。
[0004]其中在将多个不同的芯片模块键合在框架上时，是通过一种夹具夹住芯片及框架，通过加热的方式将芯片键合到框架上。中国专利申请第201020598831.0号即揭示了这样一种夹具，如图1所示，早期的夹具通常只包括压块100和加热块200两部分，仅靠压块100和加热块200的夹合作用无法使框架载片台300紧贴于加热块200上，如图2所示，中国专利申请第201020598831.0号提出一种具有弹性压爪400的夹具，通过增加活动的压爪400，使框架载片台300压紧在加热块200表面。
[0005]IPM模块在芯片模块键合在框架上之后还需要通过引线键合实现产品的电路功能，然而现有的这种夹具，压爪的体积较大，占用键合区域多，给键合引线早成较多困扰，同一线径，由于夹具的空间限制，无法`在一个焊头工位上完成键合。现有的产品需要用两个焊头完成所有引线的键合。
[0006]另外，现有的这种压爪虽然可以上下调节高度，但压爪不能左右调节，而且压爪磨损之后必须整体更换,成本较高。
[0007]因此，有必要对现有的IPM模块封装的夹具进行改进，以克服现有技术的前述缺陷。
【
【发明内容】
】
[0008]本发明的目的在于提供一种半导体封装夹具。
[0009]本发明的另一目的在于提供一种具有改进半导体封装夹具的半导体封装键合设备。`
[0010]本发明的再一目的在于提供一种采用改进的半导体封装夹具的半导体封装方法。
[0011]为达成前述目的，本发明一种半导体封装夹具，其包括基座以及固定于基座上的压爪，其中所述压爪包括将压爪固定于基座上的固定部、若干金属杆以及将若干金属杆一一相连的若干铰链，所述若干金属杆中其中一个固持于所述固定部上，调节所述铰链可调节压爪的位置及高度。
[0012]根据本发明的一个实施例，所述金属杆比所述铰链多一个。
[0013]根据本发明的一个实施例，所述铰链为球形，其包括上段的半球形金属杆安装部、中段的圆饼形连接部以及下段的半球形金属杆安装部。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述上、下段的半球形金属杆安装部内均设有自球形顶部贯穿整个半球形金属杆安装部的收容孔。
[0015]根据本发明的一个实施例，所述圆饼形连接部设有贯穿整个圆饼形连接部并分别向上、下延伸的轴，所述轴的上下两端分别收容于所述上、下段的半球形金属杆安装部的收容孔内，所述上、下段的半球形金属杆安装部均可以圆饼形连接部的轴进行顺时针或逆时针旋转。
[0016]根据本发明的一个实施例，所述轴的两端分别设有一固持设备，当调节好上、下段的半球形金属杆安装部与圆饼形连接部的位置关系时，可通过固持设备将上、下段的半球形金属杆安装部与圆饼形连接部固定在一起。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述半球形金属杆安装部上设有一个垂直于所述收容孔的卡持槽，所述金属杆卡持于所述卡持槽内而固定于所述半球形金属杆安装部上。
[0018]根据本发明的一个实施例，所述卡持槽的截面为圆形、方形或三角形，所述金属杆的截面对应的也为圆形、方形或三角形。
[0019]为达成前述另一目的，本发明一种半导体芯片键合设备，其包括前述半导体封装夹具及底座，所述夹具位于底座的上方，所述底座包括基底和底板；封装键合时，将芯片模块安置于底座的底板上，所述压爪抵压在芯片模块的上表面将芯片模块固定于所述底上。
[0020]为达成前述再一目的，本发明一种半导体封装方法，其包括:
[0021]通过芯片键合工艺将多个不同的芯片模块键合在框架上，通过键合设备将芯片模块键合在框架上，所述键合设备包括前述半导体封装夹具及底座，所述夹具位于底座的上方，所述底座包括基底和底板，封装键合时，将芯片模块安置于所述底座的底板上，所述压爪压住芯片模块的上表面将芯片模块固定于所述底座上；
[0022]通过金线或铝线键合将芯片模块中的电路连接点相互进行连接，实现产品的电路功能；
[0023]通过塑封和切筋以及管脚成形完成产品。
[0024]与现有技术相比，由于本发明的压爪是由铰链连接的金属杆组成，其面积较小，可以减少键合引线的困扰。同时，使用可调节高度、方向的设计，当各压爪长时间使用出现高度不一致时，可以通过调节出现问题的的压爪的高度来调整整个压爪的共面度，可以延长一套压爪的使用寿命， 而当压爪出现磨损时，只需要更换磨损的金属杆即可，能够有效降低成本。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0025]图1是现有的夹具的结构示意图。
[0026]图2是现有的另一种夹具的结构示意图。
[0027]图3是本发明的半导体芯片封装工艺的流程图。[0028]图4是本发明的半导体芯片封装设备的结构示意图。
[0029]图5是本发明的半导体芯片封装设备的夹具的结构示意图
[0030]图6a是本发明的半导体芯片封装设备的夹具的铰链的结构示意图。
[0031]图6b是本发明的半导体芯片封装设备的夹具的铰链的上半部插置一个金属杆并旋转之后的部分分解结构示意图。
[0032]图7a是本发明的夹具的铰链的金属杆安装部的主视图。
[0033]图7b是本发明的夹具的铰链的金属杆安装部以及一个金属杆的俯视图。
[0034]图8a是本发明的夹具的铰链的圆饼形连接部的主视图。
[0035]图Sb是本发明的夹具的铰链的圆饼形连接部的俯视图。
[0036]图9a和图9b是本发明的夹具的金属杆安装部可以旋转的示意图。
【【具体实施方式】】
[0037]此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0038]半导体芯片的封装方式，根据其芯片的结构及要求不同，可以有各种各样的封装方式。其中有一种芯片，内部会集`成许多逻辑、控制、检测和保护电路等等单独的功能电路，这些单独的功能电路本身构成一块块小的芯片，将这些小的芯片集成封装起来会构成一个能够实现更高级功能的芯片。例如半导体分立器件中的智能功率模块(Intelligent PowerModule，简称IPM模块)，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路等。这类芯片的封装工艺一般是通过芯片键合工艺将多个不同的芯片模块(即前述)键合在框架上，并分别通过金线和铝线键合连接实现产品电路功能，最后通过塑封和切筋以及管脚成形完成产品。
[0039]以下仅以IPM芯片为例对这种芯片的封装进行说明，但本发明的封装工艺并非限定于IPM芯片，可以应用于具有类似结构需要采用同样封装设备的其他芯片。
[0040]请参阅图3所示，本发明的芯片封装方法包括:
[0041]步骤S1:通过芯片键合工艺将多个不同的芯片模块键合在框架上。其中在将芯片模块键合在框架上时会采用一种夹持工具夹持住芯片模块及框架，然后通过加热或其他方式将芯片模块键合到框架上。
[0042]步骤S2:分别通过金线或铝线键合将芯片模块中的电路连接点相互进行连接，实现产品的电路功能。关于引线键合的具体工艺以及设备，可以采用现有的引线键合工艺，本发明不再具体详细说明。
[0043]步骤S3:通过塑封和切筋以及管脚成形完成产品。关于塑封、切筋以及管脚成形的具体工艺以及设备，可以采用现有的工艺和设备，因此本发明也不再具体详细说明。
[0044]请参阅图4所示，其显示本发明的芯片封装过程中所使用的键合设备的结构示意图。如图4中所示，本发明的半导体封装键合设备10，基本的结构包括上方的夹具I和下方的底座2，其中夹具I包括基座11以及固定于基座11上的压爪12，底座2包括基底21和底板22，所述芯片模块3包括晶片31和基板32。在封装键合过程中，芯片模块3放置在底座2的底板22上，压爪12压住芯片模块3的上表面，使芯片模块3的晶片31与基板32紧密接触，通过底座2加热将芯片模块的晶片31键合至基板32上。
[0045]请参阅图5所示，其显示本发明的半导体封装键合设备10的夹具I的俯视图，如图5所示，本发明的半导体封装键合设备10的夹具I包括基座11及固定于基座11上的压爪12，所述基座11为矩形框形，其左右两个边框分别固定多个压爪12。
[0046]请继续参阅图4及图5所示，本发明的半导体封装夹具I的压爪12包括压爪本体120以及将压爪本体120固定于压爪基座11上的固定部123，其中所述压爪本体120包括若干圆柱形金属杆121以及将若干圆柱形金属杆121 相连的若干铰链122,压爪12的其中一个金属杆121固持于所述固定部123上。其中金属杆121的长度以及数量可以根据实际的欲封装的芯片进行设置，不同的芯片需要的金属杆121的长度及数量可能不同，所述铰链122的数量比金属杆121的数量少I个。而连接金属杆121的铰链122在没有固定之前是活动的，可以预先调整金属杆121的位置，当金属杆121的位置达到预定要求位置时再固定住铰链122，这样就可以预先调整整个压爪12的位置和高度。
[0047]请参阅图6a所示,在本发明的一个实施例中，所述铰链122为球形铰链。如图6中所示，所述球形铰链122是由上中下三段组成的一个球形，其包括上段的半球形金属杆安装部1221，中段的圆饼形连接部1224以及下段的半球形金属杆安装部1221。所述上、下段的半球形金属杆安装部1221内均设有自球形顶部贯穿整个半球形金属杆安装部1221的收容孔1222，所述圆饼形连接部1224设有贯穿整个圆饼形连接部1224并分别向上、下延伸的轴1225，所述轴1225的上下两端分别卡持于所述上、下段的半球形金属杆安装部1221的收容孔1222内，所述轴1225与所述收容孔1222之间具有摩擦力。所述上、下段的半球形金属杆安装部1221均可以圆饼形连接部1224的轴1225进行顺时针或逆时针进行旋转。所述轴1225的两端分别设有一固持设备(未图示)，当调节好上、下段的半球形金属杆安装部1221与圆饼形连接部1224的位置关系时，可通过固持设备将上、下段的半球形金属杆安装部1221与圆饼形连接部1224固定在一起。
[0048]请参阅图7a和图7b所示，其显示本发明的半导体封装装置的球形铰链的上段和下段的半球形金属杆安装部1221结构示意图。因为整个球形铰链122的上段和下段的半球形金属杆安装部的结构相同，此处仅对其中一个金属杆安装部1221进行说明。其中图7a为半球形金属杆安装部1221的主视图，图7b为半球形金属杆安装部1221的俯视图，如图7a和图7b所示，本发明的球形铰链122的金属杆安装部1221为一个球形水平削去三分之二后剩余的半球形，靠近半球形底面边缘处形成一个垂直于所述收容孔1222的卡持槽1223，所述卡持槽1223的横截面为圆形。所述金属杆121卡持于所述卡持槽1223内，所述金属杆121的横截面也是圆形，所述金属杆121的横截面略大于卡持槽1223的横截面，故，所述金属杆121固定于所述半球形金属杆安装部1221上。在其他实施例中，所述卡持槽1223的横截面也可以是方形、三角形或其他形状，对应的金属杆的截面也可以是方形、三角形或其他形状，以能固定金属杆121为宜。图7a和图7b中所示的通过卡持槽1223固定金属杆121只是本发明的其中一个具体实施例，在其他实施例中也可以通过焊接或一体成型等方案将金属杆121固定在在半球形金属杆安装部1221上。
[0049]请参阅图8a和图Sb所示，其显示本发明的半导体封装装置的球形铰链122的中段圆饼形连接部1224的结构示意图，其中图8a为圆饼形连接部1224的主视图，图Sb为圆饼形连接部1224的俯视图。如图8a和图8b所示，本发明的圆饼形连接部1224为一个球形削去上段三分之一和下段三分之一之后剩余的中间部分，其中在圆饼形连接部1224的圆形中心分别向上、向下延伸形成一个直径略小于半球形金属杆固定部的收容孔1222的轴 1225。
[0050]请参阅图9a和图9b所示，在未用固持设备将上下段的金属杆安装部1221与中段的圆饼形连接部1224固定时，上下段的金属杆安装部1221是可以绕连接部1224的轴1225进行旋转的，通过这样的旋转可以调整金属杆121的位置，调整完之后通过固持设备再将上下段的金属杆安装部1221与中段的圆饼形连接部1224固定。这样通过调整金属杆121的位置即可调整整个压爪12的位置和高度。
[0051]请结合图4所示，通过芯片键合工艺将多个不同的芯片模块键合在框架上的步骤中，是采用本发明的夹持工具夹持住芯片模块3及框架4，而本发明的夹具2的压爪12是由多个球形铰链122连接的金属杆121组成。通过旋转球形铰链122的金属杆安装部1221，调整金属杆121的位置，能够预先调整封装夹具的压爪12的位置，使得压爪12能够紧密压住芯片模块的晶片及基板。而如果长时间压爪出现磨损，则只需要更换其中的一个金属杆即可，能够节省成本。
[0052]以上只是本发明的一个具体实施例，在其他实施例中所述铰链的形状也可以并不是球形而是其他任何形式的铰链，本发明的技术方案只要通过铰链连接若干个金属杆的方式形成压爪，而铰链是活动可调节的，这样金属杆的位置和高度预先可调的即可。
[0053]本发明的压爪是由铰链连接的金属杆组成，其面积较小，可以减少键合引线的困扰。同时，使用可调节高度、方向的设计，当各压爪长时间使用出现高度不一致时，可以通过调节出现问题的的压爪的高度来调整整个压爪的共面度，可以延长一套压爪的使用寿命，而当压爪出现磨损时，只需要更换磨损的金属杆即可，能够有效降低成本。
[0054]上述说明已经充分揭露了本发明的【具体实施方式】。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的【具体实施方式】所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述【具体实施方式】。
【权利要求】
1.一种半导体封装夹具，其特征在于:所述夹具包括基座以及固定于基座上的压爪，所述压爪包括将压爪固定于基座上的固定部、若干金属杆以及将若干金属杆 相连的若干铰链，所述若干金属杆中其中一个固持于所述固定部上，调节所述铰链可调节压爪的位置及高度。
2.如权利要求1所述的半导体封装夹具，其特征在于:所述金属杆比所述铰链多一个。
3.如权利要求1所述的半导体封装夹具，其特征在于:所述铰链为球形，其包括上段的半球形金属杆安装部、中段的圆饼形连接部以及下段的半球形金属杆安装部。
4.如权利要求3所述的半导体封装夹具，其特征在于:所述上、下段的半球形金属杆安装部内均设有自球形顶部贯穿整个半球形金属杆安装部的收容孔。
5.如权利要求4所述的半导体封装夹具，其特征在于:所述圆饼形连接部设有贯穿整个圆饼形连接部并分别向上、下延伸的轴，所述轴的上下两端分别收容于所述上、下段的半球形金属杆安装部的收容孔内，所述上、下段的半球形金属杆安装部均可以圆饼形连接部的轴进行顺时针或逆时针旋转。
6.如权利要求5所述的半导体封装夹具，其特征在于:所述轴的两端分别设有一固持设备，当调节好上、下段的半球形金属杆安装部与圆饼形连接部的位置关系时，可通过固持设备将上、下段的半球形金属杆安装部与圆饼形连接部固定在一起。
7.如权利要求6所述的半导体封装夹具，其特征在于:所述半球形金属杆安装部上设有一个垂直于所述收容孔的卡持槽，所述金属杆卡持于所述卡持槽内而固定于所述半球形金属杆安装部上。
8.如权利要求7所述的半导体封装夹具，其特征在于:所述卡持槽的截面为圆形、方形或三角形，所述金属杆的截面对应的也为圆形、方形或三角形。
9.一种半导体芯片键合设备，其特征在于，其包括如权利要求1-8中任意一项所述的半导体封装夹具及底座，所述夹具位于底座的上方，所述底座包括基底和底板；封装键合时，将芯片模块安置于底座的底板上，所述压爪抵压在芯片模块的上表面将芯片模块固定于所述底上。
10.一种半导体封装方法，其包括: 通过芯片键合工艺将多个不同的芯片模块键合在框架上，通过键合设备将芯片模块键合在框架上，所述键合设备包括如权利要求1-8中任意一项所述的半导体封装夹具及底座，所述夹具位于底座的上方，所述底座包括基底和底板，封装键合时，将芯片模块安置于所述底座的底板上，所述压爪压住芯片模块的上表面将芯片模块固定于所述底座上； 通过金线或铝线键合将芯片模块中的电路连接点相互进行连接，实现产品的电路功倉泛; 通过塑封和切筋以及管脚成形完成产品。
【文档编号】H01L21/603GK103681439SQ201210321721
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月4日 优先权日:2012年9月4日
【发明者】吴俊 , 刘晓明, 龚平, 魏元华, 杨文波, 高晓宇 申请人:无锡华润安盛科技有限公司