用于固定衬底的设备和用于减少衬底中的翘曲的设备的制作方法

本专利申请要求提交于2015年9月15日的美国临时专利申请No.62/218,735的权益，并且该专利申请的公开内容全文以引用的方式并入本文。然而，当本公开与任何引用的专利申请冲突时，本公开应当被赋予优先权。

技术领域

本申请涉及微电子制造和封装，更具体地涉及引线接合。

背景技术：

引线接合是微电子制造和封装行业常用的互连技术。更具体地讲，引线接合器(也称为引线接合机)在要电互连的相应位置之间形成引线互连，例如，用以将半导体器件的焊盘连接至引线框架或载体。引线接合机还可用于形成导电凸块(在与引线环的连接当中可以采用，也可以不采用所述凸块)。

引线接合器的超声系统包括超声发生器和换能器。发生器在给定频率下向换能器提供电能。换能器通常包括驱动器，，例如，压电元件(例如，压电晶体、压电陶瓷等)的叠堆。将电能施加于驱动器，驱动器将电能转化为机械能。机械能传输到焊接工具尖端，该焊接工具尖端以所施加的电能对应的振幅振荡。

常规引线接合工艺涉及以下步骤：(1)将引线设置为与焊盘接触，并且将焊接工具放置到引线上面；(2)焊接工具对引线施加压力，迫使引线紧靠焊盘；(3)超声发生器将高频功率信号施加于换能器，换能器将该信号转换为超声波振动，从而使焊接工具在焊盘的平面内振荡；(4)引线和焊盘之间的摩擦被克服，并且引线刮擦焊盘的表面，从而导致引线和/或焊盘的局部软化和塑性流动；(5)在刮擦几毫秒后，切断换能器的电源，这使焊接工具和引线的运动停止，并且允许在引线和焊盘之间形成焊接；以及(6)提起焊接工具，使之离开目前接合的引线。

某些因素可导致接合存在缺陷。例如，如果焊盘或引线不干净，换能器可能通电时间太长(可导致材料过热或衬底断裂)，或可能存在衬底不对齐或弯曲，则不能适当地形成接合。衬底弯曲可导致焊接工具尖端的振荡振幅减小，衬底弯曲的原因可能在于衬底层之间的热失配所导致的翘曲。衬底翘曲时形成的气隙可使超声波振动分散于整个衬底和气隙，这减少了引线焊接工具尖端的摩擦力，降低了压力接合强度和/或促使不适当的接合发生。因此，引线可能从焊盘或衬底的表面剥离。诸如半导体芯片、集成电路(IC)、电阻器、晶体管、电容器等的电组件和衬底之间的不当或错误电连接可导致发生所述错误连接的装置或设备的功能故障。

技术实现要素：

本实用新型技术的各种实施例可包括用于改善接合的方法和设备，并且可与被构造成支撑衬底的主平台相结合进行操作。可移动构件在旋转到第一位置时可允许衬底被置于主平台上，并且在旋转到第二位置时可将力施加于衬底的朝上表面上的预定区域。

本实用新型的一个方面的目的是提供用于固定衬底的设备或用于减少衬底中的翘曲的设备。

本实用新型涉及一种用于固定衬底的设备，其特征在于，包括：被构造成支撑所述衬底的主平台；置于所述主平台之上并且可在第一位置和第二位置之间旋转的多个可移动构件，其中每个可移动构件：在旋转到所述第一位置时允许将所述衬底置于所述主平台上；并且在旋转到所述第二位置时将力施加于所述衬底的朝上表面上的预定区域。

优选地，所述用于固定衬底的设备其特征在于：来自所述多个可移动构件的第一可移动构件在旋转到所述第二位置时将第一力施加于所述衬底的朝上表面的第一表面区域；并且来自所述多个可移动构件的第二可移动构件在旋转到所述第二位置时将第二力施加于所述衬底的所述朝上表面的第二表面区域。

优选地，所述用于固定衬底的设备其特征在于，所述第一表面区域包括充分靠近并且包括所述衬底的中心线的区域。

优选地，所述用于固定衬底的设备其特征在于，所述第二表面区域包括沿所述衬底的边缘部分的区域。

优选地，所述用于固定衬底的设备其特征在于，来自所述多个可移动构件的第一可移动构件在第一预定时间固定所述衬底，并且来自所述多个可移动构件的第二可移动构件在第二预定时间固定所述衬底。

优选地，所述用于固定衬底的设备其特征在于，所述主平台包括：沿所述主平台设置的多个开口；以及与所述开口连通的真空源。

优选地，所述用于固定衬底的设备其特征在于，所述开口以行模式布置。

优选地，所述用于固定衬底的设备其特征在于，所述多个可移动构件中的至少两个基本上彼此偏心布置。

优选地，所述用于固定衬底的设备其特征在于，每个可移动构件联接到弹簧偏置的铰链。

本实用新型涉及一种用于减少衬底中的翘曲的设备，其特征在于，包括：被构造成支撑所述衬底并且包括多个开口的台；被构造成允许通过所述多个开口将真空压力施加于所述衬底的朝下表面的真空源；平行于所述台的第一侧面延伸的第一轴；置于所述平台之上、可枢转地联接到所述第一轴并且可在第一位置和第二位置之间旋转的第一旋转构件；平行于所述台的第二侧面延伸的第二轴；置于所述台之上、可枢转地联接到所述第二轴并且可在所述第一位置和所述第二位置之间旋转的第二旋转构件；并且

其中所述第一旋转构件在第一预定时间将第一弹簧力施加于所述衬底的第一朝上表面区域，并且所述第二旋转构件在第二预定时间将第二弹簧力施加于所述衬底的第二朝上表面区域。

本实用新型的一个方面的技术效果在于所提供的设备固定衬底或减少了衬底中的翘曲。

附图说明

当结合以下示例性附图考虑时，可通过参照具体实施方式而得到对本实用新型技术的更完整的理解。在以下附图中，通篇以类似附图标记指代各附图当中的类似元件和步骤。

图1代表性地示出了根据本实用新型技术的示例性实施方案的设备的顶视图；

图2A-图2B代表性地示出了根据本实用新型技术的示例性实施方案的设备的横截面；

图3代表性地示出了根据本实用新型技术的示例性实施方案的衬底的接触区域；

图4A-图4C代表性地示出了根据本实用新型技术的示例性实施方案的多个可移动构件的旋转顺序；

图5A-图5J代表性地示出了利用根据本实用新型技术的示例性实施方案的设备的引线接合方法；

图6代表性地示出了翘曲衬底上的引线接合。

图7代表性地示出了根据本实用新型技术的示例性实施方案的引线接合；

图8A-图8B代表性示出了根据本实用新型技术的示例性实施方案的在水平衬底上的引线接合；并且

图9代表性地示出了所述多个可移动构件的替代构造。

具体实施方式

本实用新型技术可在功能块组件和各种加工步骤方面进行描述。这样的功能块可通过被构造成执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的组件实现。例如，本实用新型技术可采用各种处理器、控制器、计时装置、真空源、平台、可移动构件等等，它们可执行各种各样的功能。此外，本实用新型技术可结合半导体器件加工或制造中的任何适当步骤实施，并且所述设备和方法仅为所述技术的示例性应用。另外，本实用新型技术可采用任何数量的常规技术进行移动致动，将力施加于设备的元件以及对设置在设备上的元件施加压力。

根据本实用新型技术的各种方面的用于改善引线接合的方法和设备可与任何合适的半导体或微电子制造工艺协同工作。本实用新型技术的各种代表性实施方式可应用于任何适当的衬底。

参见图6和图7，引线接合设备100和工艺可利用包括引线焊接工具600和引线夹620的引线接合机625。引线焊接工具600可基于换能器(未示出)产生的电能以预定频率振荡并产生超声波振动。

现在参见图1和图2，在本实用新型技术的示例性实施方案中，引线接合设备100可包括台105和多个可移动构件110。台105和可移动构件110可接纳并固定衬底200，以提供稳定并且平坦的表面，将在该表面上建立电连接，例如，引线接合或芯片接合。

台105可在接合操作期间支撑衬底200。台105可包括用于支撑衬底200的任何合适的装置或系统。例如，在一个实施方案中，台105可包括主平台115，该主平台包括接纳和支撑衬底200的平坦平面。台105还可包括被设置为靠近主平台115且与该主平台115间隔距离D以进一步支撑衬底200的辅助平台135。在一个实施方案中，辅助平台135也可用作衬底200的运输轨。在该实施方案中，运输臂(未示出)可利用主平台115和辅助平台135之间的空间使衬底200跨越主平台115移动。在其他实施方案中，台105可包括一个连续的支撑表面。

台105还可包括用以加热衬底200的热源。例如，在包含金材料的应用中，衬底200和设置在衬底200中的电组件可受益于被加热到预定温度，以实现电组件之间的所需接合。然而，在各种实施方案中，实现所需接合不一定需要热源，例如，如果引线615(图6)包含铝并且/或者如果接合表面710(图7)包含镍的话，因为这些金属具有可延展特性。

在各种实施方案中，台105可具有任何尺寸和形状，并且可由适用于设备100的具体应用的任何材料制造。

在本实用新型示例性实施方案中，台105可(例如)通过开口120施加真空压力。开口120可具有任何合适的形状或尺寸，并且可根据具体应用加以构造。开口120可放置和定位于台105上，使得开口120与衬底200上的预定区域对齐。例如，现在参见图2，衬底200可包括器件区域530，并且开口120可被安放为与器件区域530的中心对齐。在操作中，真空源可将真空压力施加于衬底200的朝下表面235，以在衬底200上建立压力，从而改善衬底200和台105的主平台115之间的接触。

参见图2A-图2B，每个可移动构件110可包括可延伸臂205和接触部分210。可移动构件可啮合衬底200，以保持衬底在台105上的位置。例如，可延伸臂205可以可枢转地联接到轴240，从而允许可延伸臂205围绕轴240旋转角度θ。可移动构件110可在至少两个位置之间旋转。例如，可移动构件110可具有第一位置225和第二位置230，其中第一位置225可通过角度θ定义，并且第二位置230可被定义为具有角度θ’，该角度允许接触部分210与衬底200接触。

现在参见图2A和图3，可移动构件110可具有不同的长度，使得可移动构件110中的至少一个可接触衬底200的第一表面区域300，而另一可移动构件110则可接触第二表面区域310。例如，第一表面区域300可包括沿衬底200的朝上表面245的中心线305设置的区域。另外，第二表面区域310可包括在衬底200的朝上表面245上沿至少一个边缘部分315设置的区域。在各种实施方案中，多个可移动构件中的至少两个基本上彼此偏心布置。例如，如图1和图5C所示，可移动构件110(a)、110(d)以交错模式布置。在各种实施方案中，可将可移动构件110隔开，使得当可移动构件110处于第二位置230时，使所需区域保持露出。可实施任何数量的接触构造，以提供适于具体应用或衬底布局的所需接触位置。

在一个实施方案中，每个可移动构件110可从接触部分210朝衬底200的朝上表面245施加向下的力F。例如，可延伸臂205可联接到铰链250，并且(例如)通过电机、弹簧、活塞、圆筒和杆系统等受到致动或以其他方式被朝向衬底200偏置。在一个实施方案中，可移动构件可联接到弹簧偏置的铰链。向下力F可帮助校平衬底200并且/或者将衬底200固定到台105。在一个实施方案中，由可移动构件110中的每个施加的向下力可具有相同的值，但(例如)基于衬底材料、器件布局或具体应用，每个可移动构件所施加的向下力可以是不同的或变化的。

再次参见图1，可移动构件110可设置在台105的多个侧面上。例如，可移动构件110中的一个或多个可沿台的第一侧面125设置，而其余的可移动构件110可沿台105的相对的第二侧面130设置。在一个示例性实施方案中，可移动构件中的三个110a、110b、110c可设置在台105的第一侧面125上，而其余的可移动构件110d可设置在平台105的第二侧面130上。

现在参见图1和图3，在示例性实施方案中，多个可移动构件110(图1)可被构造成接触台105的多个区域或台105上的物体，例如衬底200。可移动构件110(图1)可包括不同长度的可延伸臂205，使得可移动构件110中的至少一个可接触衬底200的第一表面区域300，并且另一个可移动构件110(图1)可接触第二表面区域310。例如，第一表面区域300可包括沿衬底200的朝上表面245的中心线305设置的区域。另外，第二表面区域310可包括在衬底200的朝上表面245上沿至少一个边缘部分315设置的区域。可实施任何数量的接触构造，以提供适于具体应用或衬底布局的所需接触位置。

现在参见图4A-图4C，在本实用新型技术的示例性实施方案中，可移动构件110可在第一位置225和第二位置230之间旋转。在该示例性实施方案中，可移动构件110可电连接到计时单元(未示出)，例如，控制器或处理器，其按照任何合适的间隔、预定时间、顺序等旋转可移动构件110。例如，第一可移动构件110a可在第一预定时间从第一位置225旋转到第二位置230，并且第二可移动构件110b可在第二预定时间从第一位置225旋转到第二位置230。

可移动构件110开始可处于第一位置225上，以允许将衬底200放置到台105上。一旦将衬底200放置在台105上，可移动构件110中的至少一个即可从第一位置225旋转到第二位置230，从而接触衬底200并向其施加向下力F。另一个可移动构件110也可从第一位置225旋转到第二位置230。例如，第一可移动构件110a和第三可移动构件110c可在第一预定时间共同从第一位置225旋转到第二位置230，并且第二可移动构件110b和第四可移动构件110d可在第二预定时间共同从第一位置225旋转到第二位置230。

其中可移动构件110旋转的顺序可根据任何合适的标准确定，例如，衬底材料、接合的类型、衬底布局、具体应用等。可选择上文描述的旋转顺序(其中第一可移动构件110a和第三可移动构件110c在第一预定时间接触衬底，并且其中第二可移动构件110b和第四可移动构件110d在第二预定时间接触)在操作期间减少衬底200的翘曲和衬底200与台105之间的气隙405，而不破坏衬底200。在各种实施方案中，可通过利用多个可移动构件110校平衬底200，使其与台105的接纳表面400齐平，如上文所述。

现在参见图5A-图5J、图6、图8和图9，可移动构件110可布置为使得可移动构件110在引线接合工艺期间不干扰引线接合机625。在示例性实施方案中，引线接合机625可在器件区域530内旋转，例如如图8A-图8B所示，也可沿两个方向移动，诸如X方向和Y方向。在各种示例性实施方案中，可移动构件110中的至少两个可在第一表面区域300内接触，该第一表面区域充分靠近相邻的器件区域530，例如如图8A和图5A-图5J所示。该布置可允许引线接合机625在器件区域530内自由移动和旋转，而不受可移动构件110的干扰。

相反，可移动构件110的替代布置可能干扰引线接合机625，从而导致器件区域530减小，例如图8B和图9示出的布置，其中器件区域530可具有小于图5A-图5J示出的器件区域530的长度L的长度L’。

在各种实施方案中，根据本实用新型的各种方面的方法和设备可校平衬底200，使其与接纳表面400齐平(图4B-图4C)，这允许超声波被聚焦到引线焊接工具600的尖端610处，倾向于提高引线焊接工具600和引线615之间的摩擦力，并且可改善与焊盘705的接合。设备100也可用于裸片接合工艺，例如，倒装片接合，以提供平坦并且更稳定的衬底，如上文所述。

在操作中，现在参见图5A-图5J，设备100可提供台105和处于第一位置225的可移动构件110。衬底200可被转移到台105上(S501)，并且可移动构件110中的至少两个，例如，第一可移动构件110a和第三可移动构件110c可旋转到第二位置230，并且接触至少包括衬底200的中心线305的第一表面区域300(S502)。其余的可移动构件110，例如，第二可移动构件110b和第四可移动构件110d可旋转到第二位置230。在本实用新型实施方案中，其余的可移动构件110接触至少包括充分靠近衬底200的边缘部分315的区域的第二表面区域310(S503)。

所述设备和方法可在预定器件区域530(例如1A和1B)内执行引线接合(S504)，其中该器件区域530可具有长度L和宽度W。在预定器件区域530的引线接合完成后，可移动构件110可共同回到第一位置225(S505)。可沿衬底200的长向对衬底200重新安放，使得设备100可在另一个器件区域530(例如2A和2B)上执行引线接合(S506)。另外，可移动构件110以上述方式定时旋转到第二位置225，并且进行引线接合(S507-S510)。可继续步骤S501至S506，直到所有器件区域530均接受了引线接合为止(S510)。

在一个实施方案中，用于固定衬底的设备可包括被构造成支撑衬底的主平台、置于主平台之上并且可在第一位置和第二位置之间旋转的多个可移动构件。每个可移动构件在旋转到第一位置时可允许衬底被置于主平台上，并且每个可移动构件在旋转到第二位置时可将力施加于衬底的朝上表面上的预定区域。来自所述多个可移动构件的第一可移动构件在旋转到第二位置时可将第一力施加于衬底的朝上表面的第一表面区域，并且来自所述多个可移动构件的第二可移动构件在旋转到第二位置时可将第二力施加于衬底的朝上表面的第二表面区域。衬底的第一表面区域可包括基充分靠近并且包括衬底中心线的区域，并且衬底的第二表面区域可包括沿衬底的边缘部分的区域。来自所述多个可移动构件的第一可移动构件可在第一预定时间固定衬底，并且来自所述多个可移动构件的第二可移动构件可在第二预定时间固定衬底。主平台可包括沿主平台设置的多个开口，以及与所述开口连通的真空源。所述开口可以行模式布置。所述多个可移动构件中的至少两个可基本上彼此偏心布置。每个可移动构件可联接到弹簧偏置的铰链。

在替代实施方案中，用于减少衬底中的翘曲的设备可包括被构造成支撑衬底并且包括多个开口的台；被构造成允许通过所述多个开口将真空压力施加于衬底的朝下表面的真空源；平行于所述台的第一侧面延伸的第一轴；置于所述台之上、可枢转地联接到第一轴并且可在第一位置和第二位置之间旋转的第一旋转构件；平行于所述台的第二侧面延伸的第二轴；置于所述台之上、可枢转地联接到第二轴并且可在第一位置和第二位置之间旋转的第二旋转构件；并且其中第一旋转构件在第一预定时间将第一弹簧力施加于衬底的第一朝上表面区域，并且第二旋转构件在第二预定时间将第二弹簧力施加于衬底的第二朝上表面区域。第二表面区域可包括充分靠近衬底的边缘部分的区域，并且第一表面区域可包括充分靠近并且包括衬底中心线的区域。

在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本实用新型技术的范围。实际上，为简洁起见，方法和系统的常规制造、连接、制备和其他功能方面未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。多个替代的或另外的功能关系或物理连接可存在于实际系统中。

已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离本实用新型技术的范围的情况下作出各种修改和变化。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本实用新型技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施例及其法定等价形式，而不是仅通过上述具体例子确定所述技术的范围。例如，除非另外明确说明，否则可以任何顺序执行任何方法或工艺实施例中列举的步骤，并且不限于具体例子中提供的明确顺序。另外，任何设备实施例中列举的组件和/或元件可以多种排列组装或者进行操作配置，以产生与本实用新型技术基本上相同的结果，因此不限于具体例子中阐述的具体配置。

上文已经针对具体实施例描述了有益效果、其他优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。

术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排他性的包括，使得包括一系列要素的工艺、方法、制品、组合物或设备不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类工艺、方法、制品、组合物或设备固有的其他要素。除了未具体引用的那些，本实用新型技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或组件的其他组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其他方式特别适于具体环境、制造说明、设计参数或其他操作要求。

上文已结合示例性实施例描述了本实用新型技术。然而，可在不脱离本实用新型技术的范围的情况下对示例性实施例作出变化和修改。这些和其他变化或修改旨在包括在本实用新型技术的范围内，如以下权利要求所述。