专利名称：小片接合设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种小片接合设备，其利用硬焊填料金属将半导体芯片接合在芯片基底之上。
在半导体集成电路如IC和LSI的制造过程中，需要进行将半导体芯片接合到芯片基底上的小片接合工艺，并且为进行该小片接合，需要使用一种小片接合设备。现有的小片粘合设备具有例如图9中所示的结构。所示出的小片接合设备具有基底座4，用于固持芯片基底2。基底座4包括定位元件6，用于将芯片基底2定位于小片接合工作区当中；和支承元件8，用于在小片接合工作区中支承芯片基底2。定位元件6包括块形元件，定位凹腔10位于定位元件6中心。当进行小片接合时，芯片基底2定位于定位凹腔10之中，所述该支承元件8包括，例如，具有平的顶表面的加热炉，且芯片基底2被置于顶表面上，加热器12设置在支承元件8中。
小片接合设备还具有一个夹头16，用于将半导体芯片14移送到固持在小片接合工作区当中的芯片基底2上。在夹头16中，形成有轴向延伸的通孔18。通孔18与一减压源(未示出)相连接。当来自减压源的压力减小动作作用于半导体芯片14上时，半导体芯片14被夹头16的顶部吸附并支承。在吸附和支承芯片14的同时，夹头16将半导体芯片转移至位于小片接合工作区之中的芯片基底2上。
半导体芯片14通过硬焊填料金属20接合到芯片基底2上。硬焊填料金属20被置于芯片基底2和半导体芯片14之间，并且通过对硬焊填料金属20进行热熔，所述半导体芯片14被接合在芯片基底2上。硬焊填料金属20的热熔是由设置在支承元件8中的加热器12完成的。来自加热器12的导线22与交流电源26经开关24电连接。开关24的打开和关闭，即通与断受控制装置28控制。用于检测硬焊填料金属20的热熔温度的温度传感器30设置在支承元件8的预定位置。来自温度传感器30的检测信号被提供给控制装置28。
在该小片接合设备中，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上根据需要由夹头16放置半导体芯片14。当执行接合操作时，夹头16起到压紧装置的作用，并将半导体芯片14压向芯片基底2。当芯片基底2在该状态下被加热器12所加热时，硬焊填料金属20由来自芯片基底2的热能所热熔，并设置硬焊填料金属，从而将半导体芯片14接合在芯片基底2上。根据来自温度传感器30的检测信号对硬焊填料金属20的温度进行控制。当温度传感器30所检测到的温度低于预定的下限温度时，控制装置28合上(接通)开关24，这样，加热器12被加热以提高硬焊填料金属20的温度。当由温度传感器30检测到的温度高于预定的上限温度时，控制装置28打开(断开)开关24，以便加热器12停止加热以降低硬焊填料金属20的温度。通过由控制装置28以此方式控制加热器12的通或断，硬焊填料金属20的温度被保持在不低于预定下限温度且不高于预定上限温度的预定的温度范围内，从而保证将半导体芯片14通过硬焊填料金属20接合到芯片基底2上。
然而，在如图9所示现有技术小片接合设备中，下述有待解决的问题的产生是与温度传感器30被置于基底座4的支承元件8中的事实相关的。由于芯片基底2在每次小片接合时被置于支承元件8的顶表面上，所以当小片接合重复进行且接合的次数增多时，会产生所述顶表面变得粗糙或有灰尘粘附于顶表面上的问题。当顶表面变得粗糙或是有灰尘粘附在顶表面上时，支承元件8的顶表面与芯片基底2之间的接合被破坏，以致从加热器12至芯片基底2的热传导被破坏。由于这个原因，设置在支承元件8中的温度传感器30检测到的温度与硬焊填料金属20的实际热熔温度之间存在差异，以致于虽然硬焊填料金属20的实际热熔温度低于理想温度，但控制装置28却以为理想温度已经达到并根据这一确定来控制温度。因此，硬焊填充金属20没有被足够热熔化，以致不可能很可靠地将半导体芯片14接合在芯片基底2上。
还有，在此小片接合设备中，由于芯片基底2的侧面被加热，所以芯片基底2的保持较高温度。相反，由于半导体芯片14被夹头16压住，所以半导体芯片14的热被夹头16所吸收，以致半导体芯片14的温度低于芯片基底2的温度。因此，在芯片基底2与支承元件8相接触的底表面和半导体芯片14与夹头16相接触的顶表面之间存在温度差。当该温度差很大时，在芯片基底2和半导体芯片14之间由于热胀系数的不同会产生热变形。所以很难牢固地接合基底2与芯片14。
在未经审查的日本专利JP-A-4-25137(1992)中示出了另一种现有技术，在该现有技术中，当半导体芯片被小片接合在陶瓷封装体中时，半导体芯片被设置在真空夹头中的加热器逐渐加热，同时这一由真空夹头吸附并固定的半导体芯片被传送至封装体，并且半导体芯片被大致加热到封装体具有的温度。通过这样的操作，可以避免当半导体芯片与封装件接触时被突然加热，从而防止了半导体芯片由于被突然加热而受到损坏。
未经审查的日本专利申请公报JP-A-6-45377(1994)示出了另一现有技术，在该现有技术中，为控制半导体芯片由于受热而引起的翘曲变形，在吸附半导体芯片的夹头体中设置了一热电偶和一加热电阻。并且根据由热电偶检测到的温度，由加热电阻加热的夹头体被控制以使其温度被保持在一预定的恒定温度上，从而在进行小片接合时可以控制芯片由于受热而发生的翘曲变形。
未经审查的日本实用新型专利公报JP-U-63-20430(1988)中示出了又一个现有技术，在该现有技术中，一带外护皮的加热器和一温度传感器被嵌入到夹头当中，带护皮的加热器的温度是根据来自温度传感器的温度信息而被控制的，并且在半导体芯片被夹头真空吸附之后，半导体芯片在安装前被预热至适当温度。从而减少了安装时间并且减小了半导体芯片因温度剧烈变化而产生的应力。
在JP-A-4-25137(1992)中示出的现有技术中，在吸附半导体芯片的夹头中设有加热器导线，并且夹头被逐渐加热，在JP-A-6-45377(1994)中示出的现有技术中，在夹头体中设置热电耦和加热电阻。在JP-U-63-20430(1988)中示出的现有技术中，在夹头中设置有带外护皮的加热器和温度传感器。
在现有技术中，半导体芯片靠来自夹头的热被加热，且硬焊填料金属或焊料被热熔以进行小片接合。由于温度传感器被设置在夹头内以检测夹头的温度而不是夹头表面的温度，所以虽然半导体芯片被来自夹头的热量所加热，并且被该夹头端部的端表面吸附，但加热温度是根据上述温度中的夹头内部温度来进行控制的。因此，对焊料或硬焊填料金属的进行热熔化的夹头加热温度的调整不够准确，所以存在这样的情况，即焊料或硬焊填料金属不能被热熔到适当状态，其结果是，半导体芯片接合到芯片基底的可靠性降低。
本发明的一个目的是提供一种小片接合设备，其能够根据需要通过对硬焊填料金属进行热熔来可靠地将半导体芯片接合在芯片基底之上。
本发明的另一个目的是提供一种小片接合设备，其能够减小由于芯片基底和半导体芯片间的温差造成的热变形，从而可靠地将芯片基底与半导体芯片接合在一起。
本发明提供的一种小片接合设备，包括基底座，用于固持芯片基底；压紧装置，用于将半导体芯片压在由基底座固持的基底上；加热装置，用于对置于芯片基底和半导体芯片之间的硬焊填料金属进行热熔；温度传感器，至少设置在压紧装置中，用于检测压紧装置的表面温度；以及控制装置，用于在温度传感器所检测到的温度的基础上控制加热装置的加热操作。
根据本发明，由于温度传感器检测了压紧装置的表面温度，硬焊填料金属的热熔温度在压紧装置侧面被检测，即，在硬焊填料金属与半导体芯片相接触的一侧。与基底座不同，由于压紧装置不易变得粗糙或被灰尘污染，所以通过在压紧装置设置温度传感器，则可以精确地检测出硬焊填料金属的热熔温度。因此，硬焊填料金属的实际热熔温度可以被保持在预定范围内，且半导体芯片能够以较高的可靠性接合在芯片基底上。
在本发明中，最好是加热装置包括至少设置在压紧装置之中的加热器。
根据本发明，由于加热装置被设置在压紧装置当中，所以对硬焊填料金属的加热由压紧装置的一侧完成。如上所述，由于压紧装置不容易象基底方那样变粗糙或被弄脏，所以通过提供带有加热装置的压紧装置，来自加热装置的热可以经半导体芯片可靠地传导到硬焊填料金属。因而，硬焊填料金属可以根据需要被热熔，以使半导体芯位能可靠地接合在芯片基底之上。
在本发明中，最好是加热装置包括一设置在压紧装置中的第一加热器和设置在基底座之中的第二加热器；最好是温度传感器包括设置在压紧装置中的第一温度传感器和设置在基底座中的第二温度传感器，以及最好是控制装置在由第一温度传感器检测到的温度的基础上控制第一加热器的加热操作，并且在由第二温度传感器检测到的温度的基础上控制第二加热器的加热操作。
根据本发明，由于第一加热器和第一温度传感器被设置在压紧装置中，且第二加热器和第二温度传感器被设置在基底座中，所以半导体芯片主要由第一加热器加热而芯片基底主要由第二加热器加热。因此，半导体芯片和芯片基底的温度可以被保持在所需的温度之上，从而减小其间的温差，以便能控制由于温差而产生的热变形。
本发明的特征在于，压紧装置将半导体芯片移送、放置并压紧至芯片基底之上，并将已接合到芯片基底上的半导体芯片连同芯片基底一道移出基底座。
根据本发明，由于夹头同时起到压紧装置的作用，所以小片接合设备的结构可以被简化。
在本发明中，最好是，用于将半导体芯片传送和放置到芯片基底上的装置与压紧装置分开设置。
根据本发明，由于将半导体芯片传送和放置到芯片基底的装置是与压紧装置分开设置的，所以后续的将要进行小片接合的半导体芯片可以被传送到工作区，这与由压紧装置对半导体芯片进行的压紧操作是分开的，并且已完成小片接合的半导体芯片可以连同芯片基底一道自工作区移开。因此，移送/移开操作和热熔操作可以并行完成，这就节省了时间，从而提高了效率。
根据下面结合附图所做的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将会变得更加清楚，其中
图1为剖视图，主要示出了本发明第一实施例的小片接合设备的一部分；图2为流程图，帮助解释图1中的小片接合设备所进行的小片接合操作；图3为剖视图，主要示出了本发明小片接合设备的第二实施例的一部分；图4为流程图，帮助解释图3的小片接合设备的小片接合操作；图5为剖视图，主要示出了本发明小片接合设备第三实施例的一部分；图6为流程图，帮助解释图5所示的小片接合设备的操作；图7A至7C以简单的方式示出了夹头118的操作，图7A示出了半导体芯片116被夹头118吸附前的状态，图7B示出了半导体芯片116由夹头118吸附时的状况，且图7C示出了半导体芯片116已由夹头118移送到小片接合工作区106，位于芯片基底2正上方处时的状况；图8A和8B为简化的视图，帮助解释压紧件182的操作，图8A示出了压紧件182位于较低的起始位置处时状态，且图8B示出了压紧件182正在压紧半导体芯片116时的状态；且图9为剖视图，示出了现有技术小片接合装置的部分结构。
现在参照附图，描述本发明的最佳实施例。
第一实施例图1为一剖视图，主要示出了本发明小片接合设备的第一实施例的相关部分。该小片接合设备具有用于固定芯片基底102的基底座104，例如可以是杆件(stem)或是导引框架。所述基底座104包括用于将芯片基底102定位于小片接合工作区106中的定位元件108，以及在小片接合工作区中用于支承芯片基底102的支承元件110。定位元件108包括块形件，以及横截面与图1平面相垂直的定位凹腔112，该凹腔在图1中从上方看去为一设置在定位元件108中心处的矩形。在图1中从上方看去，定位凹腔112的平面结构为一略大于芯片基底102的矩形，以便与定位于凹腔112中的芯片基底102的结构相一致。当进行小片接合时，随着芯片基底102被嵌入到定位凹腔112中，完成了对芯片基底102的定位。
横截面与图1所在平面相垂直的支承元件110为一矩形，其略小于被小片接合的芯片基底102，并且在图1中从上方看去时，其被设置在定位元件108的定位凹腔112的中心。支承元件110包括具有平的顶表面111的加热炉，顶表面111用于放置芯片。芯片基底102以后面将要描述的方式放置在芯片放置表面上。
构成加热装置的加热器114设置在支承元件110中。加热器114通过支承元件110加热芯片基底102。
小片接合装置还具有一夹头118，用于将被称为“小片(pellet)”的半导体芯片116传送和放置到固定在小片接合工作区106中的芯片基底102上。在夹头118中，形成有一个轴向延伸通孔120。该通孔120与减压源122(例如减压泵)相连。当减压泵工作时，来自减压源122的吸力经通孔120作用到半导体芯片116上，以便使半导体芯片116被吸附并由夹头118的顶部固持。
夹头118在第一位置(未示出)和如图1所示的第二位置之间的横向上可移动。当夹头118被定位于第一位置时，夹头118被设置在拾取区域(未示出)用以吸附和固持待切割的半导体芯片116。当夹头118被移到第二位置时，夹头118被置于小片接合工作区106中，用以将半导体芯片116放到位于基底座104的芯片基片102上。夹头118被保持以便能在上升位置(未示出)和如图1所示的下降位置之间在垂直方向上移动。当夹头118位于第一位置处的下降位置时，夹头118吸附和固持半导体芯片116。当夹头118位于第二位置的下降位置时，夹头118将半导体芯片116放置到芯片基底102上并将半导体芯片116压向基底102。当夹头118位于上升位置时，夹头118在第一位置和第二位置之间移动。
半导体芯片116通过硬焊填料金属124接合到芯片基底102。当半导体芯片116被置于芯片基底102上时，例如金锑箔做为硬焊填料金属被施加到芯片基底102上，并且硬焊填料金属124被设置在芯片基底102与半导体芯片116之间。对硬焊填料金属124的热熔由设在支承件110中的加热器114完成。来自加热器114的导线126经开关128与交流电源130电连接。开关128的打开/关闭，即通/断由控制装置132控制。
在该实施例中，两个传感器134和136被用做温度传感器以检测硬焊填料金属124的热熔温度。第一温度传感器134设置在夹头118的端部附近。第二温度传感器136设置在支承元件110中的预定位置上，具体地说，位于顶表面111附近的位置。第一和第二温度传感器134和136可以是例如热电偶。
第一温度传感器用来测量半导体芯片116的表面温度以便确定由加热器114产生的热是否完全被传输了。第二温度传感器136用于确定加热器114工作是否正常。控制装置132例如是一台微机，并且在来自第一和第二温度传感器134和136的检测信号的基础上控制开关128的打开与关闭，从而控制由加热器114进行的加热操作。
由第一实施例的小片接合设备进行的接合是按图2的流程图所示的步骤来完成的。参见图1和图2，首先，在步骤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的顶表面上。然后，硬焊填料金属124被施加到被固定的芯片基底102上，且半导体芯片116由夹头118放置，其间夹有硬焊金属填料。之后，在步骤2，半导体芯片116由夹头118压紧。在该实施例中，由于在小片接合过程中半导体芯片116靠夹头118压向芯片基底102，所以夹头118也起到压力装置的作用。
加工过程进行到步骤S3，在此确定由第二温度传感器136检测到的温度T2是否在第一加热温度区间之内，例如250℃≤T2≤260℃。在小片接合过程中，加热器114的工作由控制装置132控制。因此，当芯片基底102被置位且半导体芯片116被置于其上并下压时，则用加热器114产生的热进行的对硬焊填料金属124的热熔开始，这样就开始了用小片接合设备进行的小片接合。
当在步骤3中由第二温度传感器136检测到的温度T2处于第一加热温度范围中时，步骤进行到S4，在此确定由第一温度传感器134检测到的温度T1是否处于第二加热温度范围内，例如240℃≤T1≤250℃。当在步骤4，由第一温度传感器134检测到的温度T1位于第二加热温度范围内时，过程前进到步骤S5，在该步骤中，确定预定的加热时间是否已过。步骤S3至S5重复执行，直到预定加热时间用尽。
当预定的加热时间用尽时，加工过程从步骤S5进行到步骤S6完成由小片接合设备完成的小片接合。在步骤S5的加热时间足以使硬焊填料金属被加热器114所热熔。因此，当由第二温度传感器136检测到的温度T2被保持在第一加热温度范围内，且由第一温度传感器135检测到的温度T1被保持在第二加热温度范围内并经过预定加热时间时，硬焊填料金属124被热熔，这样，半导体芯片116可通过硬焊填料金属124牢固地接合在芯片基底102上。
当在步骤S3检测到第二温度传感器136所检测到的温度T2处于第一加热温度范围之外时，加工过程从步骤S3进行至步骤S7。当在步骤S4由第一温度传感器134检测到的温度T1处于第二加热温度范围之外时，加工过程从S4进行到S7。在步骤S7，确定用于小片接合的工作时间是否已经用尽。当工作时间尚未用尽时，加工过程进行到步骤S8，在此由控制装置132控制加热器。在步骤5，工作时间比加热时间略长，并且被设定为使夹头118的端部被加热器114加热后能足以使硬焊填料金属124被熔化的时间长度。
在步骤S8，当由第二温度传感器136检测到的温度T2低于(或高于)第一加热温度范围时，控制装置132关闭(或打开)开关128，以使加热器114进行加热操作(或使加热操作停止)。这样，加热器114的工作就受到控制，以使硬焊填料金属的热熔温度被保持在预定温度范围内。
当由第一温度传感器134检测到的温度T1低于(或高于)第二加热温度范围时，控制装置132关闭(或打开)开关128，以使加热器114进行加热操作(或停止加热操作)。这样，加热器114的工作就受到控制以使硬焊填料金属124的热熔温度被保持在预定的温度范围内。在步骤8中完成控制之后，加工过程转回到步骤S3。
当通过控制加热器114使由第二温度传感器136检测到的温度T2成为第一加热温度范围内的温度时，加工过程进入到步骤S4。当通过控制加热器使由第一温度传感器检测到的温度T1成为第二加热温度范围内的温度时，加工过程进入到步骤S5，这样，步骤S3至S5就被执行了。
当既使对加热器114进行了控制，但由第二温度传感器136检测到的温度T2仍落在第一加热温度范围之外时，或是当既使对加热器114进行控制，但由第一温度传感器134检测到的温度T1仍落在第二加热温度范围之外时加工过程再次进行至步骤S7，在此确定用于小片接合的工作时间是否已经用尽，当工作时间已经用尽时，加工过程进行至步骤S9，在此处确定小片接合设备发生故障，使装置停机。
这样，在第一实施例的小片接合设备中，由于硬焊填料金属124的热熔温度由夹头118中的第一温度传感器134和支承元件110中的第二温度传感器136所探测，并且加热器114根据温度传感器134和136所检测到的温度T1和T2而被控制，所以硬焊填料金属124可以被保持在一预定的热熔温度，以使半导体芯片116可被牢固地接合在芯片基底102上。特别是，由于第一温度传感器134被置于夹头118中，所以硬焊填料金属124的热熔温度可以被精确检测。夹头118的端面119不会因使用而变粗糙，且灰尘也不会附着在顶表面119。因此，来自硬焊填料金属的124的热量可以很好地传递，以使硬焊填料金属124的热熔温度得以被精确检测。
在上述第一实施例中，硬焊填料金属124的热熔温度由设置在夹头118中的第一温度传感器134和设置在支承元件110中的第二温度传感器136检测。然而，不是必须设置两个传感器，硬焊填料金属124的热熔温度可以通过控制加热器114而被精确地保持在预定的温度范围内，对加热器114所进行的控制可以仅根据夹头118中的第一传感器134检测到的温度来完成。
第二实施例图3是一剖视图，主要示出了本发明小片接合设备的第二实施例的有关部分。在图3所示的第二实施例中，与第一实施例中相同的部分以相同的参考标号来表示。
参见图3，在第二实施例中，第一和第二加热器152和154被设置为加热装置，以对夹在芯片基底102和半导体芯片116之间的硬焊填料金属124进行热熔，并且第一和第二温度传感器156和158被做为检测硬焊填料金属124的热熔温度的温度传感器。第一加热器152设置在夹头118的端部。来自第一加热器152的热经夹头118被传至硬焊填料金属124以及半导体芯片116。与第一实施例中相似，第二加热器154设置在支承元件110中，包括一加热炉，并且来自第二加热器154的热量经过支承元件110和芯片基底102传递到硬焊填料金属124。第一加热器152经设置有第一开关160的导线162与交流电源164电连接。第二加热器154经设置有第二开关168的导线170与交流电源172电连接。
第一温度传感器156与第一加热器152相关设置，并且检测由第一加热器152加热的硬焊填料金属124的热熔温度。第二温度传感器158同第二加热器154相关设置，并检测由第二加热器加热得到的硬焊填料金属124的热熔温度。第一温度传感器156设置用来检测夹头118的预热温度，这是为了提高对半导体芯片116的加热效率而采用的，是通过减少芯片基底102与半导体芯片116之间的温度差异来实现的。第二温度传感器158被提供用来确定加热器154是否工作正常。
来自第一和第二温度传感器156和158的检测信号被提供给控制装置132，根据来自传感器156和158的检测信号，控制装置132控制第一和第二开关160和168的打开与关闭。除此之外，第二实施例的小片接合设备的结构与第一实施例当中的大致相同，故不再赘述。
由第二实施例的小片接合设备进行的接合是经过图4中流程图所示的步骤完成的。参考图3和图4，首先，在步骤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的顶表面上，然后，硬焊填料金属124置于芯片基底102之上，并且半导体芯片116被置于硬焊填料金属124之上。然后在步骤S12，半导体芯片116由夹头118压紧。
加工过程进行到步骤S13，在此确定由第二温度传感器158检测到的温度T2位于第一加热温度范围之内，例如，由第二温度传感器158检测到的温度T2是否在范围250℃≤T2≤260℃之间。当在步骤13，由第二温度传感器158检测的温度T2是落在第一加热温度范围之内时，则加工过程进行到步骤S14，在此确定由第一温度传感器156检测到的温度T1是否位于第二加热温度范围之内，例如，由第一温度传感器156检测到的温度T1是否在240℃≤T1≤260℃的范围之内。
在步骤S14当由第一温度传感器156检测到的温度T1是落在第二加热温度范围之内时，则加工过程进行至步骤S15，在此处确定预定的加热时间是否已经用尽。重复执行S13至S15的步骤，直到预定加热时间用尽。当预定加热时间已经用尽时，加工过程从步骤S15进行至步骤S16由小片接合设备完成小片接合。
在步骤S15中所提到的热熔时间是足以使硬焊填料金属被第一和第二加热器152和154所热熔的时间。因此，当由第二温度传感器158检测到的温度T2被保持在第一加热温度范围，且由第一温度传感器156检测到的温度T1被保持在第二加热温度范围并经过一预定的加热时间时，硬焊填料金属124被热熔，以使半导体芯片116被硬焊填料金属124接合在芯片基底102上。
当在步骤S13第二温度传感器158检测到的温度T2位于第一加热温度范围之外时，加工过程从步骤S13进行到S17，在此确定用于进行小片接合的工作时间是否已经用尽。用工作时间尚未用尽时，加工过程进行到步骤S18，在此由控制装置132控制第二加热器154。设定一个比在步骤15处的加热时间更长的时间做为工作时间。在步骤S18，当第二温度传感器158检测到的温度T2低于(或高于)第一加热温度范围，则控制装置132关闭(或打开)第二开关168，以使由第二加热器154进行加热(或停止加热)。这样，从支承元件110经芯片基底102传到硬焊填料金属124的热传导被控制，并且第二加热器154的工作也被控制，以使硬焊填料金属124的热熔温度被保持在预定温度范围内。在步骤S18处进行控制之后，加工过程返回到步骤S13。当在步骤S18通过控制第二加热器154使由第二温度传感器158检测到的温度T2变成第一加热温度范围内的温度时，加工过程进行至步骤S14。这样，步骤S13至S15就被执行。
当即使对第二加热器154进行了控制，但由第二温度传感器158检测到的温度T2仍位于第一加热温度范围之外时，加工过程再进行至步骤S17，在此确定用于执行小片接合的工作时间是否已经用尽。当工作时间已经用尽时，过程进行至步骤S19，在此确定小片接合设备发生故障，并将设备停机。
在步骤S14，当由第一温度传感器156检测到的温度T1位于第二加热温度范围之外时，从步骤S14进行至S20，在此确定用于执行小片焊接的工作时间是否已经用尽。当工作时间尚未用尽时，加工过程进行至步骤S21，在此由控制装置132控制第一加热器152。设定一个比步骤S15处的加热时间长一些的预定时间做为工作时间。在步骤S21处，同在步骤S18处的情况相似，当第一温度传感器156检测到的温度T1低于(或高于)第二加热温度范围时，控制装置132关闭(或打开)第一开关160，以使第一加热器152执行加热(或停止加热)。这样从夹头118经半导体芯片116传导到硬焊填料金属124的热量得以控制，同时第一加热器152的工作也被控制，以使硬焊金属124的热熔温度被保持在预定温度范围。当在步骤S21进行控制之后，加工过程返回到步骤S13，当在步骤S21通过控制第一加热器152使由第一温度传感器156检测到的温度T1为第二加热温度范围内的温度时，加工过程进行到步骤S15。这样，步骤S13至S15被执行。
当既使对第一加热器152实施了控制，但由第一温度传感器156检测的温度T1仍位于第二加热温度范围之外时，加工过程再次进行至步骤S20，在此确定用于小片接合的工作时间是否已经用尽。当工作时间已经用尽时，过程行进至步骤S22，在此确定小片接合设备出现故障，并停止该设备工作。
这样，在第二实施例的小片接合设备中，由于硬焊填料金属124的热熔温度被位于夹头118中的第一温度传感器156和位于支承元件110中的第二温度传感器158所检测，同时第一和第二加热器152和154根据由温度传感器156和158检测到的温度T1和T2被加以控制，与第一实施例中的情况相似，硬焊填料金属124被保持在一预定的热熔温度，以使半导体芯片116可以可靠地接合在芯片基底102上。来自第一加热器152的热主要经夹头118传导到半导体芯片116，并且来自第二加热器154的热经支承元件110传导至芯片基底102，以使硬焊填料金属124被有效热熔。还有，通过这种方式，可以减小芯片基底102与半导体芯片116之间的温差，所以可以控制由于温差而引起的热变形的发生。
图5为一剖视图，主要示出了根据本发明第三实施例的小片接合设备。在第三实施例中，经过特殊设计的压紧元件182，即在小片接合中仅用来将半导体芯片14向下压向放置有硬焊填料金属20的芯片基底的压紧元件182被做为压紧装置来完成小片接合。在第三实施例中，与第二实施例中的元件相对应的元件以与第二实施例中相同的参考标号表示，并且不再赘述。
在第三实施例中，由于第一加热器152和第一温度传感器156设置在用于压紧半导体芯片116的压紧元件182中，并且第二加热器154和第二温度传感器158设置在用于支承芯片基底102的支承元件110中，所以可以获得与第二实施例的情况相类似的效果。在第三实施例中，由于除了用于移送半导体芯片116的夹头之外，还需要用于压住半导体芯片116的压紧元件182，所以设备结构要稍复杂一些。
图6是一流程图，帮助解释在图5中示出的小片接合设备的工作。图7A至7C为以简单方式示出了有关夹头的操作情况的视图。图7A示出了半导体芯片116由夹头118吸附之前的情况。图7B示出了半导体芯片116被夹头118所吸附时的状况。图7C示出了半导体芯片116已被夹头118移送到小片接合工作区106，位于芯片基底102正上方时的情况。
当小片接合操作开始时，如图7A所示，多个排列在贴附板186上，以便在贴附板上的长度方向上均匀间隔开的半导体芯片116中的一个被放置成与移送夹头118与上推尖点119共线。在此情况下，贴附板186及多个半导体芯片116之一被设置在移送夹头118和上推尖点119之间。于是，在步骤ml，半导体芯片116之一被准确地定位在移动夹头118和上推尖点119所共有的轴上。在步骤m2，移送夹头118如图7B所示降低同时上推尖端119上升，以使半导体芯片116从贴附板186向上被推起。被推起的半导体芯片116由移送夹头118的端部的端面真空吸附。
在步骤m3，夹头118在吸附半导体芯片116的同时向上方移动，这样，半导体芯片位于贴附板186的一侧被剥离并向上方分开。之后，在步骤m4，被向上抬到离开贴附板186的位置上的半导体芯片116在被移送夹头118真空吸附的同时在水平方向上移动，并如图7C所示，准确地定位在设置有硬焊填料金属124的芯片基底102的正上方。在此状态下，移动夹头118在步骤5下移，而且在半导体芯片116被放置到位于芯片基底102上的硬焊填料金属124之上后，加工过程进行到步骤n1，在此减压源122松开吸附并且移送夹头118上升以回到图7A所示的返回位置。当在步骤m6，全部半导体芯片116的小片接合均完成时，小片接合完成。当小片接合尚未完成时，重复执行步骤m2至m5。
图8A和8B为经过简化的视图，帮助解释有关压紧元件182的操作，图8示出了当压紧元件182置于较低的起始位置时的状况。图8B示出了压紧元件182正压住半导体芯片116时的情况。当半导体芯片116如上所述被移动夹头118准确地定位在芯片基底102上的硬焊填料金属124上时，压紧元件182在步骤n1开始下降。此时，由于第一加热器152被设置在压紧元件182中且温度由控制装置132控制，所以温度保持恒定。
在步骤n2，这种压紧元件182被下移并压紧放置在芯片基底102之上的半导体芯片116，如图8B所示，在芯片基底102和半导体芯片116之间有硬焊填料金属124，并加热半导体芯片116。此时，由于如图7A至7C所示，在半导体芯片116被移送到芯片基底102之前，芯片基底102和硬焊填料金属124的温度被第二加热器154加热升至一适当的恒定温度，所以，在较短时间内，半导体芯片116就被加热至理想温度且硬焊填料金属124可被完全熔化。例如，可以使用金锑箔做为硬焊填料金属124。所述芯片基底为一金属杆或导柱(lead)。所述半导体芯片例如可以是一平板型元件，具有边长为0.4至1mm，厚度大约0.1至0.2mm的矩形形状，并可例如是一种NPN型晶体管。
对于这样一种需要热熔的硬焊填料金属124，例如5至30秒的预定时间是必要的，并且在这段时间内，如上所述，移送夹头118开始从接合板186上拾取下一个半导体芯片116。当热熔时间用尽且硬焊填料金属124完全熔化时，压紧元件182再次从图8B所示的压紧状态移动至图8A所示的较低的起始位置，并随后回到预定的等待位置。真空吸附了下一个半导体芯片116的移送夹头118定位到图8A中压紧元件182所处位置，接合在芯片基底102上的半导体芯片116连同芯片基底102一道被送至后续工序。之后，一个新的芯片基底102被放置在支承元件110的定位凹腔112上，并且硬焊填料金属124被置于新的芯片基底102上，然后，上述步骤m2至m6被重复执行，并且步骤n1至n4被重复直到在步骤n4完成所有部分的小片接合为止。
这种移送和取出，以及压紧和热熔过程是并行进行的，即，在图6中，从步骤m2至m6的过程X和从步骤n1至n4的过程Y是并行执行的。因此，第一和第二加热器152和154的能量消耗达到最小化，所以可以获得高的生产率。
在第三实施例中，可以省去第一加热器152并使用第二加热器154和热熔硬焊填料金属124。此外，除了第一加热器152外，第二温度传感器158也可被省去。
通过已经描述的本发明小片接合设备的各种实施例，可以理解，本发明不仅仅局限于这些实施例，在不脱离本发明范围的情况下，还可以有多种变化和修改。
权利要求
1．一种小片接合设备，包括基底座，用于固持芯片基底；压紧装置，用于将半导体芯片压紧在由基底座固持的芯片基底上；加热装置，用于对夹在芯片基底和半导体芯片之间的硬焊填料金属进行热熔；温度传感器，至少设置在压紧装置中，用于检测压紧装置的表面温度；以及控制装置，用于在温度传感器所检测到的温度的基础上，控制加热装置的加热操作。
2．如权利要求1所述的小片接合装备，其特征在于，加热装置包括至少设置在压紧装置之中的加热器。
3．如权利要求2所述的小片接合装备，其特征在于，加热装置包括放置在压紧装置中的第一加热器和设置在基底座中的第二加热器；温度传感器包括设置在压紧装置中的第一温度传感器和设置在基底座中的第二温度传感器，以及控制装置，在由第一温度传感器检测到的温度的基础上控制第一加热器的操作，并在由第二温度传感器检测到的温度的基础上控制第二加热器的加热操作。
4．如权利要求1所述的小片接合设备，其特征在于，压紧装置将半导体芯片移送、放置和压紧在芯片基底上，并且将已与芯片基底接合在一起的半导体芯片与芯片基底一同从基底座上移出。
5．如权利要求2所述的小片接合设备，其特征在于，压紧装置将半导体芯片移送、放置和压紧在芯片基底上，并将与同芯片基底相接的半导体芯片与芯片基底一道从基底座上移出。
6．如权利要求3所述的小片接合设备，其特征在于，压紧装置将半导体芯片移送、放置和压紧在芯片基底上，并将已同芯片基底相接合的半导体芯片与芯片基底一道从基底座上移出。
7．根据权利要求1所述的小片接合设备，其特征在于，所述用于将半导体芯片移送、放置在芯片基底上的装置与所述压紧装置分开设置。
8．根据权利要求2所述的小片接合设备，其特征在于，所述用于将半导体芯片移送、放置在芯片基底上的装置与所述压紧装置分开设置。
9．根据权利要求3所述的小片接合设备，其特征在于，所述用于将半导体芯片移送、放置在芯片基底上的装置与所述压紧装置分开设置。
全文摘要
本发明的目的在于根据需要利用对硬焊填料金属的热熔来将半导体芯片接合在芯片基底上。小片接合设备具有用于固持芯片基底的基底座,用于将半导体芯片移送和压紧到芯片基底上的夹头,用于对夹在芯片基底与半导体芯片之间的硬焊填料金属进行热熔的加热器,用于检测硬焊填料金属热熔温度的温度传感器,以及在温度传感器所检测到的温度的基础上对加热器进行控制的控制装置。温度传感器设置在夹头内。
文档编号H01L21/68GK1235371SQ9910660
公开日1999年11月17日 申请日期1999年5月12日 优先权日1998年5月12日
发明者山崎正夫, 山藤辉光 申请人:夏普公司