专利名称：用于布置器件进行处理的装置和方法
技术领域：
本发明涉及器件的处理，特别是涉及在载体上布置器件和相对于处理系统定位体件以进行处理。
背景技术：
半导体器件，例如球栅阵列BGA(Ball Grid Array)封装件通常尺寸小和被成批地输送和/或处理，以便于提高作业效率。因此，它们常常以阵列的形式装载在载体上进行输送和处理。以阵列形式布置的BGA封装件上完成工艺的实例包括焊膏印刷(solder pasteprinting)、焊球贴附和测试。载体上多个或所有半导体器件同时处理导致了高产量，但是在处理以前需要依次精确定位载体上的器件。器件的不良定位将会直接影响定位以后的处理量。对于细间距器件(finepitch devices)而言，定位能力和精度变得甚至更为重要。
现有技术中使用了几种方法进行定位载体上的半导体器件。在一种孔洞式方法中，使用引导板来相对于器件的端缘定位体件，该引导板具有开设的孔洞以接收半导体器件。在专利号为5,688,127、发明名称为“用于测试多个处理器上的球栅阵列(BGA)器件的通用接触器系统和实现方法”的美国专利描述了一种孔洞式方法，其中引导板具有用于接收BGA封装件的孔洞以进行定位。该孔洞的开设尺寸从器件的入口点到孔洞的内部逐渐变小。BGA封装件由该变窄的开口引导，并在内部和孔洞的内壁对齐定位。
该方法存在的问题是BGA封装件和孔洞的内壁之间必须存在间隙(clearance)以避免器件堵塞。同样也应该增添额外的间隙，以容纳不同BGA封装件源自先前的切割工序的尺寸上的任何变化。BGA封装件和孔洞之间的合成总间隙可能导致不良的定位。而且，孔洞内壁和BGA封装件之间引导时的相互作用可能引起封装件潜在的倾斜或偏置，尤其如果初始错位很大的时候。
另外，在一种针式方法中，使用两个或多个针来相对于载体定位半导体器件，器件和载体均形成有孔以便于这些针穿越进行定位。在专利号为6,338,297、发明名称为“用于丝网印刷的精确和快速定位机构”和专利出版号为2003/042626A1、发明名称为“球栅阵列(BGA)的定位方法、测试方法、定位装置和半导体器件组件”的美国专利中描述了这种相对于载体定位半导体器件的针式方法。根据该针式方法，每个半导体器件上形成有两个或多个孔，同时在每个半导体器件的着陆位置载体具有同样形状的孔。随着针穿过半导体器件和载体两者的孔以帮助定位，该半导体器件和载体上的孔被预定位。
该方法的一个缺点是孔洞必须形成于半导体器件中，这减少了放置输入/输出连接的可用区域。同时，在使用真空吸力拾取和放置操作的过程中，该孔洞也减少了吸附罩拾取器件的可用区域。另外一个缺点是除非针和半导体器件与载体两者的孔具有最小的间隙，否则不能够实现精确的定位。然而，即使一切皆有可能，如果针和孔具有类似的尺寸以便于它们紧密地配合，使用自动化装置定位多个半导体器件和载体变得非常困难。这可能需要不适合于高产量的人工定位。即使使用了自动化装置，针进入没有完成定位的半导体器件中相对应的孔的冲击可能引起潜在的倾斜和偏置。
在半导体器件于待支撑表面上密集装配有表面元件，例如表面安装技术(Surface-Mount Technology)SMT类型元件的情形下，为这些器件提供足够的支撑存在额外的困难。如果易碎的表面元件被强行偏置在一支撑结构上，它们可能被损坏。由于这需要避免该支撑结构和位于支撑表面的表面元件的直接接触，所以用于固定半导体器件的装置，如真空吸力的使用会有困难，因为其上几乎没有表面区域来施加真空压力。因此，真空吸力将会相对地更加软弱无能，当处理头如粘性焊剂转换针(sticky flux transfer pins)和被处理的器件表面接触时，这将会导致无意思的拾取或失位(dislodgement)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定位装置和方法，以寻求克服前述现有技术中的至少一部分缺点。本发明相关的目的是提供一种用于高效布置和定位包含有表面元件的半导体器件的装置和方法，以便于有限的表面面积可用于由支撑器件的结构接触。
因此，一方面，本发明提供一种布置来处理半导体器件的装置，该半导体器件的表面上具有表面元件，该装置包括器件支撑体，其包含有一组用于和半导体器件的表面相接触的凸伸部，以在一平面上支撑半导体器件，该凸伸部被布置和定位以便于它们避免和表面上的表面元件相接触；以及夹持设备，其具有第一组夹具和第二组夹具，该第一组夹具被配置来沿着第一轴线握紧半导体器件，该第二组夹具被配置来沿着垂直于该第一轴线的第二轴线握紧半导体器件，藉此将支撑于该平面上的半导体器件握紧。
第二方面，本发明提供一种使用如权利要求1所述装置布置半导体器件的方法，该方法包含有以下步骤移动每组夹具中的参考夹具以在各个轴线上提供参考引导；移动第一组夹具中的握紧夹具，以沿着第一轴线抵靠于参考夹具夹持半导体器件；移动第一组夹具中的握紧夹具，以释放半导体器件；移动第二组夹具中的握紧夹具，以沿着第二轴线抵靠于参考夹具夹持半导体器件；以及此后，移动第一组夹具中的握紧夹具，以夹持半导体器件，藉此以安全地定位和固定半导体器件。
第三方面，本发明提供一种布置来处理多个半导体器件的装置，该半导体器件的表面上具有表面元件，该装置包括多个器件支撑体，每个器件支撑体包含有一组用于和半导体器件的表面相接触的凸伸部，以在一平面上支撑半导体器件，该凸伸部被布置和定位以便于它们避免和表面上的表面元件相接触；以及多个夹持设备，每个夹持设备具有第一组夹具和第二组夹具，该第一组夹具被配置来沿着第一轴线握紧半导体器件，该第二组夹具被配置来沿着垂直于该第一轴线的第二轴线握紧半导体器件，藉此将支撑于该平面上的半导体器件握紧；以及载体，其用于安装所述的多个夹持设备和器件支撑体。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
根据本发明所述的布置器件进行处理的装置和方法的实例现将参考附图加以描述，其中图1A和图1B所示分别为半导体器件的顶面和后面的示意图，该半导体器件在其后面紧密装配有表面元件。
图2A和图2B是根据本发明第一较佳实施例所述的装置的立体示意图。
图3是器件支撑体的立体示意图，该器件支撑体包含有支撑半导体器件的小型凸伸固定部(protruding islands)。
图4是根据本发明第二较佳实施例所述的装置的立体示意图，该装置包含有改变后的夹持块以夹持器件。
图5A和图5B分别为图4中所示的夹持块在打开和闭合位置的剖视示意图。
图6A和图6B分别为器件由夹持块夹持之前和之后座设于器件支撑体上的立体示意图。
图7是根据本发明另一较佳实施例所述的包含有多个用于同时定位多个半导体器件的装置的载体的立体示意图。
图8是由四个夹具夹持的半导体器件的正视图，每个夹具包含有单独的夹持臂。
图9所示为使用本发明所述装置来定位体件的较佳夹持流程示意图。
具体实施例方式
图1A和图1B所示分别为半导体器件10的顶面和后面的示意图，该半导体器件在后面紧密装配有表面元件12。图1A表明了准备经历后续的处理，例如焊膏印刷或焊球放置的BGA器件10。在这种定位中，上表面被用来进行处理，例如通过在顶面或被处理表面接收焊膏或者焊球。
现参考图1B所示，器件10的后面被用来支撑，半导体器件10在该表面上紧密装配有表面元件12(例如SMT元件)。在器件10的处理过程中，后面或支撑表面将被一支撑结构接触和支撑。由于该支撑结构不应该被允许来在表面元件12上施加任何力以避免损坏它们，这将导致在半导体器件10的支撑表面上的很有限的区域由定位装置访问到达。因此，使用现有的装置和方法来可靠地固定和定位使用这种支撑表面的器件是困难的。
图2A和图2B是根据本发明第一较佳实施例所述的装置的立体示意图。该装置通常包括以夹持块34形式存在的夹持设备，以握紧半导体器件10和布置它进行处理。四组夹具16、18、20、22被装配在和器件10的四边相对应的夹持块34的四边，藉此握紧半导体器件。第一组夹具16、20被配置来沿着第一轴线(例如X轴)握紧半导体器件10，而第二组夹具被配置来沿着第二轴线(例如Y轴)握紧半导体器件10。每个夹具可包括一个或多个夹持臂以握紧半导体器件10。在这个描述的实例中，每个夹具包含有设置于夹持块34每边的两个夹持臂。每个夹具16、18、20、22具有驱动机构以控制夹具的打开和闭合。半导体器件10座设在大体位于四组夹具中央的器件支撑体14上。
第一、第二组夹具中的每组夹具包括参考夹具(reference clamp)16、18，该参考夹具可调节来提供参考引导端缘，以各自沿着X、Y轴定位半导体器件10。参考夹具之一16在X轴上设置，而另一个参考夹具18在Y轴上设置。它们被提供有和参考夹具16、18相耦接的可调的定位体(stoppers)24、26，以在其行程的末端控制夹具的停止位置和提供参考引导端缘进行器件定位。随着适当调整停止位置，这两组参考夹具16、18为半导体器件10在X、Y和θ方向上的定位提供了X、Y参考引导端缘。和每个参考夹具16、18相对的是握紧夹具，其可能是精确夹具(précisor clamps)20、22的形式。它们被操作来和参考夹具16、18配合以分别沿着X、Y轴夹持半导体器件10。精确夹具20、22较合适地不需要定位体。
随着四组夹具16、18、20、22被驱动来握紧每个半导体器件10，该器件10大体座设于器件支撑体14的中央。当驱动力27、28、29、30引起四组夹具关闭时，半导体器件10将会和X、Y方向上的参考夹具16、18对齐定位。包括对齐定位半导体器件10之外，夹具16、18、20、22同时还被配置来使用足够的夹持力握紧半导体器件10，以防止后续的器件处理期间半导体器件10的失位。
图3是器件支撑体14的立体示意图，器件支撑体包含有凸伸部，如小型凸伸固定部(protruding islands)32，以在不影响形成于器件10的支撑表面上的表面元件12的情况下支撑半导体器件10。固定部32最好凸伸，并被布置和定位在器件10的支撑表面上的如此区域，该区域上固定部避免和表面元件12相接触。以这种方式，器件10在不影响表面元件12的空间内被支撑。表面元件12的不同布置形式因此可能需要凸伸固定部32的不同布置形式，而器件支撑体14被相应地构造。
器件支撑体14被提供在夹持块34的大体中央位置。因此，在不影响支撑表面上的表面元件12的情况下，半导体器件10能被支撑和设置在纵向的Z平面上。值得推荐的是，控制半导体器件10的纵向的水平面，以便于夹具16、18、20、22在低于器件10的顶面或处理表面的水平面上握紧器件10，较合适地是低于该处理表面大约为器件10厚度的1/4，但是仍然足够高以确保安全的夹持。这样保证器件的上表面上方的水平面对其他处理加工而言到达访问是自由的，并且同时夹持是足够高的以为器件安全夹持提供稳定的夹持环境。
图4是根据本发明第二较佳实施例所述的装置的立体示意图，该装置包含有改变后的夹持块34以夹持器件10。在本实施例中，夹具16、18、20、22中的每个夹具在夹具驱动期间由旋转轴38所支撑和围绕该旋转轴旋转(参见图5A)。设置于夹持块34底部的驱动机构36被操作来通过围绕旋转轴38转动夹具来驱动夹持动作。但是，仍然需要理解的是，其他的机构，例如带有推动夹具的推顶器的线性引导系统，同样也能被使用来控制夹持动作。
一组X方向的夹具16和一组Y方向上的夹具18(参考夹具)安装于夹持块34上，它们装配有可调的定位体24、26。当驱动机构36推动参考夹具16、18的底部抵靠于定位体24、26时，参考夹具16、18的上部闭合和停止于一位置处，该位置能由定位体24、26所调整。因此，对于半导体器件在X和Y方向上定位而言，它能够提供参考引导端缘。
图5A和图5B分别为图4中所示的夹持块在打开和闭合位置的剖视示意图。该夹持块34使用气缸(air cylinder)40作为驱动夹具的装置。将可调的定位体24、26提供给参考夹具16、18以控制参考夹具的移动范围。
图5B所示为气缸40推顶参考夹具16以偏置抵靠定位体24而控制参考夹具16的停止位置的示意图。这将为半导体器件10提供参考引导端缘。
精确夹具20、22设置于器件10上和参考夹具16、18相对的一侧。不同于参考夹具16，精确夹具20、22较合适地没有提供可调的定位体。当驱动机构36推顶精确夹具20时，该精确夹具20抵靠另一侧的参考端缘偏置半导体器件10，并去除参考夹具16和器件端缘之间(之内)的任何初始间隙。这将半导体器件10随着夹持块34中的X和Y方向的参考夹具16、18对齐定位。同时，半导体器件10也被夹具16、18、20、22握紧定位，以抵挡后续的处理期间可能遭受的提升力。
虽然在夹持块34中，能够使用不同类型的驱动机构来驱动夹具，但是对于夹具16、18、20、22，气缸40来驱使驱动机构36是优选的。一方面，通过使用气缸40作为驱动机构，通过控制通往气缸40的气流速率来适度地调节夹持速度，夹具握紧动作能被轻易的控制。这能够避免对半导体器件10的突然而强大的夹具冲击，该冲击可能引起器件蹦出夹持块34。另一方面，通过控制通往气缸40的气体供应压力，同样也能够轻易地控制夹具的握紧力。各个夹具的夹持冲击和握紧力的独立控制能使定位处理非常容易，其将表述如下。
电气螺线管(electrical solenoid)是另一个优选的驱动机构。通过改变供应电流，能够控制这种类型的驱动机构的驱动力和速度，其可提供和气缸40相类似的效果。
图6A和图6B分别为器件10被夹持块34夹持之前和之后座设于器件支撑体14上的立体示意图。图6A所示为在夹具16、18、20、22关闭以前半导体器件10座设于器件支撑体14上的示意图。由于半导体器件10和四边侧的夹具16、18、20、22之间(之内)存在间隙，半导体器件10还没有和参考夹具16、18对齐定位。
在图6B中，当夹具闭合时，半导体器件和夹具之间的间隙被去除了。半导体器件10和X、Y方向的参考夹具16、18对齐定位，并同时也被四边侧的夹具16、18、20、22握紧定位以进行后续的处理。
当四组夹具16、18、20、22闭合以握紧座设于器件支撑体14中央的半导体器件10的时候，精确夹具20、22在X和Y方向上抵靠于参考夹具(或/和在参考夹具内)16、18推顶半导体器件10，这样半导体器件10和两个参考夹具16、18对齐定位。同时，夹具20、22提供了一个握紧力以抵抗在后续的工序中(如在针转换工序中BGA器件上的焊剂粘性力)可能遭受的提升力而将半导体器件固定。这提供了一种同时定位和固定半导体器件10的可行方法，即使该半导体器件10的支撑侧装配了表面元件12。
上述的定位方法不局限于定位单个的半导体器件，它也能被用来定位多个器件。图7是根据本发明另一较佳实施例所述的包含有多个用于同时定位多个半导体器件10的夹持块34的载体44的立体示意图。载体44的上表面42上形成有凹部(pockets)的阵列，每个凹部容置有一个半导体器件10。每个凹部在器件的四边设有开口，以便于由夹持块34的夹具访问到达器件的四个端缘，从而定位和握紧半导体器件10。对应于每个槽式凹部(tray pocket)位置的夹持块34阵列被安装于推块中。由于在每个夹持块中通过使用可调的定位体来定位X和Y参考夹具的停止位置，所以在多个器件被夹持在载体44上时，能够同时一起定位多个器件以进行后续的处理。
虽然在介绍中使用了具有一对位于器件10四边之一的夹具的夹持块34，可以理解的是，器件的每边的夹具数目能够减少到一个，以容纳小型SFF(small form factor)半导体器件。图8是由四个夹具夹持的半导体器件10的正视图，这些夹具包含有位于器件10的每边侧的单个夹持臂16’、18’、20’、22’。由于用于访问到达器件10四边的有限的空间，这种形式适合于小型SFF半导体器件10使用。
图9所示为使用本发明所述装置来定位半导体器件10的较佳夹持顺序示意图，以实现器件10的定位。
下述的夹持顺序被提议来帮助实现半导体器件10的定位工序，而不是同时闭合夹持块34中所有的夹具以定位和固定器件10。首先，闭合X和Y方向的参考夹具16、18以向半导体器件10提供引导参考端缘。第二，闭合X方向的精确夹具20以抵靠于X方向的参考夹具16定位半导体器件10。第三，打开X方向的精确夹具20，将半导体器件10和X方向的参考夹具16近距离定位，仅仅余下非常小的空隙。第四，闭合Y方向的精确夹具22，以抵靠于Y方向的参考夹具18定位半导体器件。
在Y方向的精确夹具22闭合期间，半导体器件没有被X方向的精确夹具20所握紧是合适的，其是因为基于摩擦下半导体器件10和X方向上的夹具16、20之间的滑动将会引入对半导体器件10端缘的擦损。即使其对电子元件没有损坏，但是这影响了半导体器件10的表面外观。
最后的步骤是闭合X方向的精确夹具20，以去除半导体器件10和X方向的参考夹具16之间的、在前面的夹持流程中余下的很小的空隙。
由于半导体器件10和X方向的参考夹具16之间的很小的初始空隙，在不引入对半导体器件10的擦损的情况下，X方向的精确夹具20然后能抵靠于X方向的参考夹具16将半导体器件10定位。
值得注意的是，上述的定位方法不需要访问到达半导体器件10的支撑表面的有意义的局部。因此，本发明可以应用于支撑表面大量装配有表面元件12的半导体器件10。本发明除了定位半导体器件10之外，其同时还为半导体器件10提供握紧力，以承受在后续工序中可能遭受的施加于半导体器件10上的拾取力。因此，所提议的夹持流程能实现实质上不存在间隙的免擦损的定位，其提供了更大的准确性。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。
权利要求
1.一种布置来处理半导体器件的装置，该半导体器件的表面上具有表面元件，该装置包括器件支撑体，其包含有一组用于和半导体器件的表面相接触的凸伸部，以在一平面上支撑半导体器件，该凸伸部被布置和定位以便于它们避免和表面上的表面元件相接触；以及夹持设备，其具有第一组夹具和第二组夹具，该第一组夹具被配置来沿着第一轴线握紧半导体器件，该第二组夹具被配置来沿着垂直于该第一轴线的第二轴线握紧半导体器件，藉此将支撑于该平面上的半导体器件握紧。
2.如权利要求1所述的装置，其中，每组夹具包含有可调整的参考夹具，以沿着各自的轴线为半导体器件的定位提供参考引导端缘。
3.如权利要求2所述的装置，该装置还包含有可调的和各个参考夹具相藕接的定位体，以控制参考夹具的端部位置，藉此以调节该参考引导端缘。
4.如权利要求2所述的装置，该装置还包含有和每个参考夹具相对的握紧夹具，该握紧夹具被操作来和该参考夹具一起沿着各自的轴线将半导体器件夹持。
5.如权利要求1所述的装置，其中，该夹具还被配置来使用足够的夹持力握紧半导体器件，以防止半导体器件在处理过程中失位。
6.如权利要求1所述的装置，其中，该夹具被配置来在一个低于半导体器件的处理表面的水平面上握紧半导体器件。
7.如权利要求6所述的装置，其中，该夹具被配置来在该处理表面下方大约为半导体器件厚度的1/4的水平面上握紧半导体器件。
8.如权利要求1所述的装置，该装置包括旋转轴，该夹具安装于该旋转轴上以便于在驱动夹具期间该夹具围绕该旋转轴旋转。
9.如权利要求8所述的装置，该装置包括驱动机构，该驱动机构被控制来驱动夹具围绕旋转轴旋转，以便于握紧该半导体器件。
10.如权利要求9所述的装置，其中，该驱动机构包括气缸。
11.如权利要求9所述的装置，其中，该驱动机构包括电气螺线管。
12.如权利要求1所述的装置，该装置包含有载体，该载体被配置来安装多个夹持设备，以便于在载体上布置多个半导体器件，每个夹持设备被操作来定位和握紧半导体器件。
13.如权利要求12所述的装置，其中，该多个夹持设备被配置来同时布置和握紧所有的半导体器件。
14.如权利要求1所述的装置，其中，每个夹具包括两个夹持臂。
15.如权利要求1所述的装置，其中，该器件支撑体大体设置于夹持设备的中央，以用于支撑该半导体器件。
16.一种使用如权利要求1所述装置布置半导体器件的方法，该方法包含有以下步骤移动每组夹具中的参考夹具以在各个轴线上提供参考引导；移动第一组夹具中的握紧夹具，以沿着第一轴线抵靠于参考夹具夹持半导体器件；移动第一组夹具中的握紧夹具，以释放半导体器件；移动第二组夹具中的握紧夹具，以沿着第二轴线抵靠于参考夹具夹持半导体器件；以及此后，移动第一组夹具中的握紧夹具，以夹持半导体器件，藉此以安全地定位和固定半导体器件。
17.一种布置来处理多个半导体器件的装置，该半导体器件的表面上具有表面元件，该装置包括多个器件支撑体，每个器件支撑体包含有一组用于和半导体器件的表面相接触的凸伸部，以在一平面上支撑半导体器件，该凸伸部被布置和定位以便于它们避免和表面上的表面元件相接触；多个夹持设备，每个夹持设备具有第一组夹具和第二组夹具，该第一组夹具被配置来沿着第一轴线握紧半导体器件，该第二组夹具被配置来沿着垂直于该第一轴线的第二轴线握紧半导体器件，藉此将支撑于该平面上的半导体器件握紧；以及载体，其用于安装所述的多个夹持设备和器件支撑体。
全文摘要
本发明提供一种布置来处理半导体器件的装置，该半导体器件的表面上具有表面元件，该装置包括器件支撑体，其包含有一组用于和半导体器件的表面相接触的凸伸部，以在一平面上支撑半导体器件，该凸伸部被布置和定位以便于它们避免和表面上的表面元件相接触；为了握紧支撑于该平面上的半导体器件，夹持设备，其具有第一组夹具和第二组夹具，该第一组夹具被配置来沿着第一轴线握紧半导体器件，该第二组夹具被配置来沿着垂直于该第一轴线的第二轴线握紧半导体器件。
文档编号H01L21/687GK1983549SQ20061016119
公开日2007年6月20日 申请日期2006年12月11日 优先权日2005年12月12日
发明者郑志华, 邓海旋, 麦添伟, 陈思乐 申请人:先进自动器材有限公司