焊接头组件、热压焊接系统及其组装和操作方法技术方案

提供了用于将半导体元件焊接至基板的焊接头组件。焊接头组件包括基座结构、加热器、以及将加热器固定至基座结构的夹持系统。夹持系统包括多个弹性元件，沿着多个轴线约束加热器。

【技术实现步骤摘要】
交叉相关申请本申请要求2015年2月27日递交的美国临时专利申请No.62/121,868的优选权，其全文结合在此引作参考。
本专利技术涉及半导体封装中的电互连的形成，并且更具体地讲涉及改进的热压焊接系统及其操作方法。
技术介绍
在半导体封装工业的特定方面中，半导体元件被焊接至焊接部位。例如，在传统的管芯贴装(也称为管芯焊接)应用中，半导体管芯被焊接至基板的焊接部位(例如，引线框架、堆叠的管芯应用中的另一个管芯、隔块等)。在先进的封装应用中，半导体元件(例如裸半导体管芯、封装好的半导体管芯等)被焊接至基板的焊接部位(例如引线框架、PCB、载体、半导体晶片、BGA基板等)。导电结构(例如导电凸点、导电垫、焊料凸点、导电柱、铜柱等)在半导体元件与焊接部位之间提供电互连。在特定的应用中，这些导电结构可以提供与采用焊线机形成的线圈类似的电互连。在许多应用(例如，半导体元件的热压焊接)中，焊料被包含在导电结构中。在多个这样的处理中，热量被施加至正在被焊接的半导体元件(例如，通过承载焊接工具的焊接头组件中的加热器)。重要的是，热量的施加快速地完成以使得机器产能(例如UPH或单位每小时)处于可接受的级别。这可能是有挑战性的，因为加热器(或加热器的一部分)期望地在不同的时间/部位处于不同的温度(例如在将部件从诸如晶片的源取出的过程中较冷的温度，相反在热压焊接至基板时的较热的温度)。由于加热器的加热和冷却而导致的加热器的无法预测的膨胀和收缩将不期望地影响热压焊接应用中的定位精度。因而，期望的是提供用于热压焊接的改进的结构和方法，以在热压焊接处理的过程中令人期望地维持加热器的相对位置。
技术实现思路
根据本专利技术的示意性实施例，提出了用于将半导体元件焊接至基板的焊接头组件(也称为“焊接头”或者“用于焊接的头”)。焊接头组件包括：基座结构；加热器；以及将加热器固定至基座结构的夹持系统，夹持系统包括沿着多个轴线约束加热器的多个弹性元件。与这种焊接头组件有关的各种示意性细节可以包括：加热器包括接触部，所述接触部在焊接处理的过程中接触半导体元件；焊接头组件包括固定至加热器的工具，所述工具在焊接处理的过程中接触半导体元件；所述加热器由陶瓷材料形成；夹持系统的弹性元件包含这样的材料，该材料具有范围为8至10×10-6每摄氏度的热膨胀系数以及范围为5至10瓦/(米×摄氏度)的导热率；基座结构包括绝缘结构，所述绝缘结构具有范围为6至12×10-6每摄氏度的热膨胀系数以及范围为1至3瓦/(米×摄氏度)的导热率；基座结构限定至少一个真空通道，真空通过所述真空通道被抽取，以便在焊接处理的过程中将所述半导体元件临时地固定至所述加热器；所述基座结构限定至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道被构造成将冷却流体传输至所述加热器；基座结构接收电接触部，所述电接触部为所述加热器供电；所述多个弹性元件包括沿着所述焊接头组件的至少一个大致水平的轴线约束所述加热器的多个元件；所述多个弹性元件包括沿着所述焊接头组件的z轴线约束所述加热器的多个元件；夹持系统包括在所述加热器的相反两侧上布置的两个夹持结构；所述两个夹持结构中的每个夹持结构包括沿着所述焊接头组件的多个轴线约束所述加热器的多个元件之一；所述两个夹持结构中的每个夹持结构包括沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线以及所述焊接头组件的大致垂直的轴线约束所述加热器的多个元件之一；所述两个夹持结构中的每个夹持结构由单件 材料形成；附加的弹性元件被固定至所述两个夹持结构中的每个，并沿着所述焊接头组件的另一大致水平的轴线约束所述加热器；所述多个弹性元件的至少一部分由所述加热器被预加载；所述多个弹性元件的那部分由所述加热器被预加载成，预加载的多个弹性元件的那部分被保持在张紧中；所述多个弹性元件的预加载的那部分沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线布置；所述多个弹性元件的预加载的那部分沿着所述焊接头组件的大致垂直的轴线布置；并且，所述多个弹性元件被构造成沿着所述焊接头组件的多个轴线中的至少一个轴线将所述加热器维持在大致平衡的状态中，以使得在所述加热器上作用的弹性力沿着所述焊接头组件的所述至少一个轴线大致相同。根据本专利技术的另一个示意性实施例，提供了一种热压焊接机。热压焊接机包括：半导体元件供应工位，其包含多个半导体元件；用于保持被构造成接收至少一个半导体元件的基板的焊接工位；以及用于将所述至少一个半导体元件焊接至所述基板的焊接头组件。焊接头组件包含基座结构、加热器、以及用于将所述加热器固定至所述基座结构的夹持系统。夹持系统包含沿着多个轴线约束所述加热器的多个弹性元件。热压焊接机的焊接头组件可以包括之前段落中描述的任何各种示意性的细节。此外，热压焊接机可以包括一个或多个转移工位(例如，见图1中的转移工位170)。根据本专利技术的另一示意性实施例，提供了一种焊接头组件的组装方法。所述方法包括以下步骤：使用夹持系统将加热器固定至基座结构；以及利用所述夹持系统的多个弹性元件沿着所述焊接头组件的多个轴线约束所述加热器。与这种焊接头组件的组装方法有关的各种示意性细节可以包括：所述加热器包括用于在焊接处理的过程中接触半导体元件的接触部；所述方法还包括将工具固定至所述加热器的步骤，其中，所述工具被构造成在焊接处理的过程中接触所述半导体元件；所述加热器由陶瓷材料形成；所述夹持系统的所述多个弹性元件包含钛；所述夹持系统的所述多个弹性元件包含这样的材料，该材料具有范围为8至10(10-6/℃)的热膨胀系数以及范围为5至10(W/m·℃)的导热率；所述基座 结构包含这样的绝缘结构，所述绝缘结构具有范围为6至12(10-6/℃)的热膨胀系数以及范围为1至3(W/m·℃)的导热率；所述基座结构限定至少一个真空通道，真空通过所述真空通道被抽取，以便将所述半导体元件临时地固定至所述加热器；所述基座结构限定至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道被构造成将冷却流体传输至所述加热器；所述基座结构接收电接触部，所述电接触部为所述加热器供电；所述加热器沿着至少一个大致水平的轴线利用相应的多个弹性元件被约束；所述加热器沿着所述焊接头组件的x轴线和y轴线利用相应的多个弹性元件被约束；所述加热器沿着所述焊接头组件的z轴线利用相应的多个弹性元件被约束；所述方法还包括在所述加热器的相反两侧上布置所述夹持系统的两个夹持结构的步骤；所述加热器沿着所述多个轴线使用在所述两个夹持结构的每个中包含的相应的多个弹性元件被约束；所述加热器沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线以及所述焊接头组件的大致垂直的轴线使用在所述两个夹持结构的每个中包含的相应的多个弹性元件被约束；所述两个夹持结构中的每个夹持结构由单件材料形成；所述方法还包括以下步骤：将附加的弹性元件固定至所述两个夹持结构中的每个，以使得所述加热器沿着所述焊接头组件的另一大致水平的轴线被约束；所述方法还包括以下步骤：使用所述基座结构和所述加热器至少之一预加载所述多个弹性元件中的至少一部分；所述方法还包括以下步骤：沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线布置所述多个弹性元件的预加载的那部分；所述方法还包括以下步骤：沿着所述焊接头组件的大致垂直的轴线布置所述多个弹性元件的预加载的那部分；所述方法包括以下步骤：利用所述基座结构和所述加热器至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将半导体元件焊接至基板的焊接头组件，所述焊接头组件包括：基座结构；加热器；以及将所述加热器固定至所述基座结构的夹持系统，所述夹持系统包含多个弹性元件，所述多个弹性元件沿着多个轴线约束所述加热器。

【技术特征摘要】
2015.02.27 US 62/121,8681.一种用于将半导体元件焊接至基板的焊接头组件，所述焊接头组件包括：基座结构；加热器；以及将所述加热器固定至所述基座结构的夹持系统，所述夹持系统包含多个弹性元件，所述多个弹性元件沿着多个轴线约束所述加热器。2.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述加热器包括在焊接处理的过程中接触所述半导体元件的接触部。3.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述焊接头组件包括固定至所述加热器的工具，所述工具在焊接处理的过程中接触所述半导体元件。4.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述加热器由陶瓷材料形成。5.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述夹持系统的弹性元件包含钛。6.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述夹持系统的弹性元件包含这样的材料，该材料具有范围为8至10×10-6每摄氏度的热膨胀系数以及范围为5至10瓦/(米×摄氏度)的导热率。7.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述基座结构包括绝缘结构，所述绝缘结构具有范围为6至12×10-6每摄氏度的热膨胀系数以及范围为1至3瓦/(米×摄氏度)的导热率。8.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述基座结构限定至少一个真空通道，真空通过所述至少一个真空通道被抽取，以便在焊接处理的过程中将所述半导体元件临时地固定至所述加热器。9.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述基座结构限定至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道被构造成将冷却流体传输至所述加热器。10.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述基座结构接收电接触部，所述电接触部为所述加热器供电。11.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件包括沿着所述焊接头组件的至少一个大致水平的轴线约束所述加热器的多个元件。12.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件包括沿着所述焊接头组件的x轴线以及所述焊接头组件的y轴线约束所述加热器的多个元件。13.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件包括沿着所述焊接头组件的z轴线约束所述加热器的多个元件。14.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述夹持系统包括在所述加热器的相反两侧上布置的两个夹持结构。15.根据权利要求14所述的焊接头组件，其特征在于，所述两个夹持结构中的每个夹持结构包括沿着所述焊接头组件的多个轴线约束所述加热器的多个元件之一。16.根据权利要求14所述的焊接头组件，其特征在于，所述两个夹持结构中的每个夹持结构包括沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线以及所述焊接头组件的大致垂直的轴线约束所述加热器的多个元件之一。17.根据权利要求16所述的焊接头组件，其特征在于，所述两个夹持结构中的每个夹持结构由单件材料形成。18.根据权利要求16所述的焊接头组件，其特征在于，附加的弹性元件被固定至所述两个夹持结构中的每个，并沿着所述焊接头组件的另一大致水平的轴线约束所述加热器。19.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件的至少一部分由所述加热器被预加载。20.根据权利要求19所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件的那部分由所述加热器被预加载成，预加载的多个弹性元件的那部分被保持在张紧中。21.根据权利要求19所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件的预加载的那部分沿着所述焊接头组件的大致水平的轴线布置。22.根据权利要求19所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件的预加载的那部分沿着所述焊接头组件的大致垂直的轴线布置。23.根据权利要求1所述的焊接头组件，其特征在于，所述多个弹性元件被构造成沿着所述焊接头组件的多个轴线中的至少一个轴线将所述加热器维持在大致平衡的状态中，以使得在所述加热器上作用的弹性力沿着所述焊接头组件的所述至少一个轴线大致相同。24.根据权利要求23所述的焊接头组件，其特征在于，所述至少一个轴线包括所述焊接头组件的x轴线以及所述焊接头组件的y轴线中的至少之一。25.一种热压焊接机，其包括：半导体元件供应工位，其包含多个半导体元件；用于保持被构造成接收至少一个半导体元件的基板的焊接工位；以及用于将所述至少一个半导体元件焊接至所述基板的焊接头组件，所述焊接头组件包含基座结构、加热器、以及用于将所述加热器固定至所述基座结构的夹持系统，所述夹持系统包含沿着多个轴线约束所述加热器的多个弹性元件。26.一种焊接头组件的组装方法，所述方法包括以下步骤：使用夹持系统将加热器固定至基座结构；以及利用所述夹持系统的多个弹性元件沿着所述焊接头组件的多个轴线约束所述加热器。27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述加热器包括用于在焊接处理的过程中接触半导体元件的接触部。28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将工具固定至所述加热器的步骤，其中，所述工具被构造成在焊接处理的过程中接触所述半导体元件。29.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述加热器由陶瓷材料形成。30.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述夹持系统的所述多个弹性元件包含钛。31.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述夹持系统的所述多个弹性元件包含这样的材料，该材料具有范围为8至10(10-6/℃)的热膨胀系数以及范围为5至10(W/m·℃)的导热率。32.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述基座结构包含这样的绝缘结构，所述绝缘结构具有范围为6至12(10-6/℃)的热膨胀系数以及范围为1至3(W/m·℃)的导热率。33.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述基座结构限定至少一个真空通道，真空通过所述至少一个真空通道被抽取，以便在将所述半导体元件临时地固定至所述加热器。34.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述基座结构限定至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道被构造成将冷却流体传输至所述加热器。35.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述基座结构接收电接触部，所述电接触部为所述加热器供电。36.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述加热器沿着至少一个大致水平的轴线利用相应的多个弹性元件被约束。37.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述加热器沿着所述焊接头组件的x轴线和y轴线利用相应的多个弹性元件被约束。38.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述加热器沿着所述焊接头组件的z轴线利用相应的多个弹性元件被约束。39.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述加热器的相反两侧上布置所述夹持系统的两个夹持结构的步骤。40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，所述加热器沿着所述多个轴线使用在所述两个夹持结构的每个中包含的相应的多个弹性元件被约束。41.根据权利要求39所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·B·瓦塞尔曼，
申请(专利权)人：库利克和索夫工业公司，
类型：发明
国别省市：美国;US