CN1819136A - 用于定位载体上器件的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于定位放置于载体上的多个半导体器件的装置和方法。定位引导体,工作时其相邻于每个器件设置,并被布置成和每个半导体器件的期望定位相一致。对于定位而言,该半导体器件由定位设备所固定,其包含有多个固定器,每个固定器被设置来产生力以固定半导体器件;驱动机构也被提供来有效移动该定位设备和固定器,以抵靠于该定位引导体偏置该半导体器件,而定向该半导体器件直到它们和所述的定位引导体对齐定位。

Description

用于定位载体上器件的装置和方法
技术领域
本发明涉及载体上半导体器件的置放,以实现不同的目的例如传送(transportation)或处理,尤其是涉及在所述载体上该半导体器件的对齐定位(alignment)。
背景技术
半导体器件如球式格栅阵列(Ball Grid Array:BGA)封装件通常为小尺寸,且进行批量传送和/或处理,以便于提高作业效率。因此其常常以阵列形式被装载在载体上,以进行传送和处理。在以阵列形式布置的BGA封装件上所完成的工序的实例包括:焊膏印刷(solderpaste printing),焊球贴附和测试。载体中几个或全部半导体器件的同时处理获得高产量,但是接着这样需要在处理之前对载体中的器件进行精确的对齐定位。器件的不良定位将直接影响定位后的处理产量。对于微间距器件(fine pitch devices)定位的能力和准确度尤其变得更加重要。
现有技术中各种不同的方法被用来定位载体上的半导体器件。在一种凹洞式(cavity)方法中,带有凹洞的引导盘被用来相对于半导体器件的边缘定位该半导体器件,凹洞被开设来接收半导体器件。在专利号为5,688,127、发明名称为“用于在多个处理器上测试球式格栅阵列(BGA)器件的普通接触器系统和相应的方法”的美国专利中,其描述了一种凹洞式方法,其中引导盘具有用来接收BGA封装件的凹洞以进行定位。该凹洞的开口大小从器件的入口点到该凹洞的内部逐渐减小。BGA封装件由变窄的开口所引导,并在内部同该凹洞的内壁对齐定位。
该方法存在的问题是:在BGA封装件和凹洞的内壁之间必须存在间隙以避免对器件的阻塞干扰。同时,额外的间隙应该被补充来容纳先前的分割工序所导致的不同BGA封装件尺寸的任何变化。位于BGA封装件和凹洞之间的合成间隙可能导致不良的定位。而且,凹洞的内壁和BGA封装件之间引导的相互作用可能引起封装件的潜在倾斜(potential tilting)或错位(dislocation),尤其如果是初始未对准(misalignment)很大时。
另外,在一种针式(pin)方法中,两个或多个针被用来相对于载体定位半导体器件,其使用形成于器件和载体上的开口以便于针穿越进行定位。该相对于载体定位半导体器件的针式方法记载在专利申请号为6,338,297、发明名称为“用于模版印刷(stencil printing)的精确和快速的定位机构”和专利公开号为2003/042626A1、发明名称为“球式格栅阵列(BGA)定位的方法,测试方法、定位装置和半导体器件组件”的美国专利中。按照该针式方法,两个或多个开口形成于每个半导体器件中,而载体在每个半导体器件的安装着陆处具有相同式样的开口。该半导体器件和载体中的开口被预先定位,同时针穿越两个部件的开口以有助于定位。
该方法具有的缺点是空洞必须形成于半导体器件中,其减少了放置输入/输出连接的可用区域。同样,该空洞减少了在使用真空吸力拾取-放置操作中吸盘(suction cup)拾取器件的可用区域。另一个缺点是除非在半导体器件和载体中的针和开口具有最小的间隙,否则不能实现精确的定位。如果针和开口的尺寸类似以致于它们紧密配合,否则使用自动装置随着载体定位多个半导体器件变得很困难。这可能需要人工定位,人工定位对于高产量(high volume production)而言是不适宜的。即使能够使用自动装置,没有被对齐(unaligned)的半导体器件的针在相应开口中的冲击(striking)可能引起潜在倾斜或错位。
发明内容
因此,本发明的目的在于通过提供一种用于定位载体上半导体器件的装置和方法,其克服了现有技术的上述不足。
于是,本发明一方面提供一种用于定位放置于载体上的多个半导体器件的装置,其包含有:定位引导体,工作时其相邻于每个器件设置,并被布置成和每个半导体器件的期望定位相一致;定位设备,其包含有多个固定器,每个固定器被设置来产生力以固定半导体器件;以及驱动机构,其有效移动该定位设备和固定器,以抵靠于该定位引导体偏置该半导体器件,而定向该半导体器件直到它们和所述的定位引导体对齐定位。
本发明另一方面提供一种用于定位放置于载体上的多个半导体器件的方法,其包含有:相邻于每个器件设置定位引导体,该定位引导体被布置成和每个半导体器件的期望定位相一致;利用来自固定器的力固定每个半导体器件,多个固定器包含于定位设备中;以及使用驱动机构移动该定位设备和固定器,以抵靠于该定位引导体偏置该半导体器件,而定向该半导体器件直到它们和所述的定位引导体对齐定位。
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。
附图说明
根据本发明所述的用于定位半导体器件的装置和方法的较佳实施例现将参考附图加以描述,其中:
图1是根据本发明第一较佳实施例一种推块(push block)的立体示意图,其在该推块上安装有柔性吸盘(flexible suction cups)以定位半导体器件;
图2是一种载体的立体示意图,该载体包含有参考端缘(referenceedges)以在载体上执行器件定位;
图3是上夹体(top clamp)上表面的立体示意图,其包含有多个安装于该上夹体上的预定位的引导端缘;
图4是上夹体下侧的立体示意图,其被用来连接载体的上表面;
图5是安装在载体和推块上的上夹体的平面示意图;
图6A-D是根据本发明第一较佳实施例一种用于定位载体中半导体器件的方法的操作流程图;
图7A-B所示是完成定位半导体器件的推块的柔性吸盘的俯视和侧视示意图;
图8是包含有夹具(grippers)的载体的立体示意图;
图9A-D是一种用于定位包含有夹具的载体中半导体器件的方法的操作流程图;
图10是根据本发明第二较佳实施例一种推块的立体示意图,其具有安装于该推块上的刚性吸附环(rigid suction rings),以进行半导体器件的定位;以及
图11A-B所示是完成定位半导体器件的推块的刚性吸附环的俯视和侧视示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明第一较佳实施例,一种定位设备,如推块(pushblock)12的立体示意图,在该推块12上安装有包含弹性固定表面的固定器(holders),如以弹性和柔性吸盘(suction cups)13的形式,以定位半导体器件2;每个固定器被配置来产生固定半导体器件2的力。在定位过程中,该推块12能分别通过驱动机构,如以X驱动机构14和Y驱动机构15的形式,沿着X和Y方向被移动。
根据本发明所述的实施例,柔性吸盘13阵列被装配在能够沿着X和Y方向移动的推块12上。当推块12通过提升器(未示)向上移动到和该器件2相接触时,每个半导体器件2将被吸盘13固定。当推块12向上移动时,吸盘的真空应该被激活,以便于在吸盘13和器件2接触之时防止器件2从其载体上的位置错位。柔性吸盘13的柔和进一步减小了器件2错位的可能性。
图2是一种载体1的立体示意图,该载体包含有定位引导体(alignment guides),如以参考端缘17的形式,以在载体1上执行器件定位。至少一个袋体(pocket)3形成于载体1中,每个袋体3被用来容纳一个半导体器件2。每个袋体3具有中央开口,以便于柔性吸盘13从载体1的底部延伸穿越载体1并固定半导体器件2。半导体器件2支撑于袋体3的支撑表面4上,并通过凸出该支撑表面4的参考端缘17限制在袋体3内。
该参考端缘17使用严密的尺寸公差控制(dimensional tolerancecontrol)制作于该载体1上。每个袋体3形成有用于定位每个器件2的两个参考端缘17,其中一个用来在X方向定位,另一个用来在Y方向定位。该参考端缘17包括引导端缘或末端(points),其具有精确的尺寸控制,并自然成为载体1的组成部分。另外,参考引导体也能通过装配有预定位的引导端缘或末端的夹板(clamping plate)或上夹体所提供。
图3是夹板,如上夹体18的上表面的立体示意图,其包含有多个安装于该上夹体18上的预定位的引导端缘19、20。当上夹体18被放置在载体上时,每个载体袋体3被提供有两个引导端缘19、20,其中一个引导端缘19负责在X方向定位器件,而另一个引导端缘20负责在Y方向定位器件。
图4是上夹体18下侧的立体示意图,其被用来连接载体1的上表面。一些载体,如塑料JEDEC盘(JEDEC trays)在炉体中经历重复的回流处理之后可能具有大的热变形(warpage),这对于器件越过载体1而言将产生不均一的高度。其结果是:由于载体的热变形,吸盘13可能不能到达部分较高的器件2。同时,如果提升推块12的高度以适应上述器件2的高度,那么由于在袋体3中额外的超越行程(over-travel),在正常高度处和袋体3相吻合的吸盘13可能引起器件2与袋体3错位。因此,在定位之前,建议设置一个夹持机构来施加一个水平力(leveling force)于该载体1上。
使得载体1平整(flatten)或水平(level)的方法如下所述。柔性停止器(flexible stoppers)21,例如空气气缸柱(air cylinder rods),被装配在上夹体18上。随着载体1停在传送器轨道22上,上夹体18被降低,同时柔性停止器21从顶部压靠载体1,并抵靠于该传送器轨道22使其平整。刚性针(rigid pins)16装配于推块12上,最好是在柔性停止器21附近的位置。图5是安装在载体1和推块12上方的上夹体18的平面示意图。当推块12向上移动时,刚性针16从底部和载体1形成接触,并从传送器轨道平面提升载体1到一规定高度的平面,同时与之共面,以便于器件定位和后续处理。其一个优点是:当停止器21和上夹体18、推块12相接触时,停止器21的柔软性为载体1提供了缓冲,从而避免了器件2由于冲击蹦离袋体3。另一个优点是:其在从传送器轨道高度提升到规定水平以进行定位和处理的过程中,使得载体1保持在一个平整状态。
图6A-D是根据本发明第一较佳实施例一种用于定位载体1中半导体器件2的方法的操作流程图。在图6A中,载体1上的半导体器件2被传送到推块12上方的一个位置处,并被放置在传送器轨道22上。
在图6B中,具有柔性停止器21、引导端缘19,20的上夹体18被降低,以抵靠于传送器轨道22使载体1平整。当和上夹体18相接触时,停止器21的柔软性为载体1提供了缓冲,从而防止器件2蹦离载体袋体3。
在图6C中,随着吸盘13真空开启,通过提升器(未示)向上移动推块12,以通过刚性针16将载体1从传送器轨道22朝向上夹体18向上提升到预定水平。由于上夹体18上停止器21的柔软性,在载体1提升期间载体1能够总是保持平整。同时,半导体器件2通过吸盘13抵靠载体1的支撑表面4固定。在传送器轨道22和载体1之间存在间隙(clearance)23。
在图6D中,推块12通过沿着X和Y方向定位的驱动机构14、15分别沿着X和Y方向移动(Y方向未示),以致于半导体器件2抵靠于上夹体18上的引导端缘19、20被推块偏置和被吸盘13拉拽以进行定位。半导体器件被偏置和定向(orientated),直到它们和引导端缘19、20相对齐定位。相应地,半导体器件2被基本上被布置在载体1上的一个平面内,驱动机构14、15沿着基本平行于半导体器件2被布置的平面的另一平面有效移动推块12和吸盘13。通过控制吸盘的真空度到一个大约的水平,以减少器件2和载体1的支撑表面4之间进行定位的滑动摩擦力,而很容易移动半导体器件2。
一旦半导体器件2和参考端缘17对齐定位,吸盘的真空度被设定到很高的水平,以防止后续处理中半导体器件2的错位。较合适地,上夹体18包含有和载体1上器件2的位置相对应的开口,在上夹体18连接到载体1之后,能够藉此穿越上夹体18到达器件2。
图7A-B所示是完成定位半导体器件2的推块12的柔性吸盘13的俯视和侧视示意图。
图7A显示了在定位之前袋体3中的器件2。在引导端缘19、20和半导体器件2之间存在间隙24。在定位半导体器件2之前,吸盘13的真空压力被控制到一个大约的水平,以减少器件2和载体1的支撑表面4之间的滑动摩擦。当推块12沿着X和Y方向朝向参考端缘17移动时,随着足够小的滑动摩擦,通过真空吸盘13所固定的半导体器件2也将抵靠于参考端缘17移动以进行定位。
在图7B中,当推块12沿着X和Y方向移动时,由吸盘13所固定的器件2抵靠上夹体18上的引导端缘19、20移动。由于吸盘13的柔软属性,它们能改变图中所示的形状,因此去除了器件2和参考端缘17之间的原始错位,以实现所需的对齐定位。
在定位之后,吸盘13的真空压力能够被控制来牢固地固定该器件2于定位位置,以便在后续处理中防止器件2错位。
吸盘13最好包括抗静电橡胶(antistatic rubber)材料,以避免由于静电放电(electrostatic discharge)而使半导体器件2损坏。
上述的定位方法尤其适合于具有低光滑度引导部分(low profileguiding features)的载体袋体3。由于器件2不会从载体袋体3的支撑表面4上被抬起,所以基于低光滑度引导部分特征,其不会引起器件2蹦离袋体3。一旦器件被向上提升超越引导部分(guiding features),器件2将会很难回到袋体3中。
同时,这种方法能被改动来处理带有夹具(grippers)以有助于器件定位的载体。图8是包含有夹具26的载体1的立体示意图。这种类型的载体在每个载体袋体3中具有带夹具手柄27的夹具26和内置的参考端缘17。该夹具26被设置成朝向器件2偏置,并且首先朝向袋体3的参考端缘17中的一个推抵器件,这样器件边缘之一自我对齐定位(self-aligned)。通过推抵夹具手柄27,该夹具26将被打开以释放器件2免于夹持,而在松开夹具手柄27之后夹具26通过其固有的回复力回复到夹持状态。
为了定位带有夹具26的载体1中器件2的其他边缘,夹具推抵器(未示)可以和推块12集成在一起。该夹具推抵器可由例如空气气缸所驱动,以打开夹具26。首先由上夹体18和推块12使得载体1平整,同时在每个袋体1中由吸盘13固定器件2。然后,夹具推抵器推动夹具手柄27以从夹持夹具26中释放器件2。由于没有来自夹具26的夹持力,当推块12移动时,器件2自由地和袋体的其他参考端缘17相对齐定位。最后,夹具推抵器松开夹具手柄27以使得夹具26自我回复到其夹持状态,以将器件2和袋体3前述的参考端缘17自我对齐定位。以此方式,器件2的两个端缘均对齐定位。
图9A-D是一种用于定位包含有夹具26的载体1中半导体器件2的方法的操作流程图。
在图9A中,在载体袋体中器件2由夹具26所夹持。参考端缘17和器件2之间存在间隙28。在图9B中,通过推抵夹具手柄27使夹具推抵器(未示)打开袋体3中的夹具26,以使器件2免于夹持。这样在夹具26和器件2之间产生了间隙29。在图9C中,推块12在X方向移动,这样吸盘13在相同的方向拉动器件2,以使器件2和袋体3的X方向参考端缘17相对齐定位。在图9D中,夹具推抵器松开夹具手柄27。夹具26自我回复到其夹持状态,以将器件2和袋体3的Y方向参考端缘17自我对齐定位,同时器件2的左侧端缘通过由柔性吸盘13引入的回复力仍然和载体的左侧引导端缘保持紧密接触。
图10是根据本发明第二较佳实施例一种推块12的立体示意图,其具有安装于该推块12上的刚性吸附环(rigid suction rings)30,以进行半导体器件2的定位。
如上所述,对于器件2的定位和对于后续处理,如屏幕打印而言,载体支撑表面4的高度得到良好控制是关键的。但是某些种类的载体,尤其是塑料载体,由于制造工序的限制或对于良好的载体尺寸控制所引起的高额制造成本,可能不会给不同的载体支撑表面4提供所需的一致的高度。
为了处理这种类型的载体,本发明存在另一种实施例,其吸盘由包含有刚性固定表面的固定器所替代,最好是以刚性封闭吸附环30的形式。每个刚性固定表面或环30加工时带有中央空洞,以从其底侧向器件2提供吸力。随着刚性吸附环30的真空开启,推块12向上移动。刚性吸附环30向上提升器件2到位于载体1的器件支撑表面4上方的一高度处,而器件2仍然由载体袋体3的引导部分所限制。每个刚性吸附环30上表面的高度被良好控制,以为每个器件2提供均一的高度。
在定位半导体器件2之前,刚性吸附环30的真空压力被控制在一个大约的水平,以减小器件2和吸附环30之间的滑动摩擦。当推块12在X和Y方向上向参考端缘17移动时,由吸附环所固定的半导体器件2同样也抵靠于参考端缘17移动以进行定位。由于足够低的滑动摩擦,没有定位的器件2能够相对于刚性吸附环30滑动和定位,以去除任何相对于参考端缘17的初始错位。结果是载体1中所有器件2同时对齐定位。同样,当器件2被支撑于刚性吸附环30的上表面时,器件2的高度能被良好的控制。
参考端缘能够由载体1或者由上夹体18所提供。对于后者,引导端缘19、20的较低部位向外倾斜,以便于当器件2被提升到由引导端缘19、20所规定的边界内进行后续的定位动作时,减少器件2倾斜的可能性。
图11A-B所示是完成定位半导体器件1的推块12的刚性吸附环30的俯视和侧视示意图。
图11A显示了定位之前的器件2。该半导体器件2从载体支撑表面4处被提升,并支撑于刚性吸附环30的上表面,因此其高度可以由刚性吸附环30精确控制。虽然器件2的高度不受载体1不良的尺寸控制所影响,但是其仍然由袋体3所引导。在引导端缘19、20和器件2之间存在间隙24,在传送器轨道22和载体1之间存在间隙25,在器件2和载体1之间存在间隙31。
图11B显示了和参考端缘19、20对齐定位的器件2。刚性环30的真空级别被控制到一个大致的水平,以便于获得一个足够小的滑动摩擦。当推块12沿着X和Y方向移动时,这使得半导体器件2在刚性吸附环30的上表面上方滑动成为可能,并因此和上夹体18上的引导端缘19、20对齐定位。这样,半导体器件2被基本设置在刚性吸附环30而不是载体1所在的平面,并且驱动机构14、15有效沿着大体平行于半导体器件2被设置的平面的另一平面使得推块12和刚性吸附环30有效移动。
在定位之后,吸附环30的真空压力能被控制以紧紧的固定该器件2在定位位置。
类似于本发明的第一实施例,和现有技术的方法相比,吸附环方法在定位期间引起器件倾斜或错位方面具有较低得多的风险。同样,该吸附环方法的真空度能够被用来检测半导体器件的倾斜。
虽然吸附环能包括各种不同类型的材料,但是使用具有上表面硬化的金属材料是适宜的,以消除产生的任何静电和为器件在其上滑动提供耐用的上表面。
值得欣赏的是,本发明较佳实施例提供了更加精确的方法,以当它们尽力使得器件和参考端缘之间的间隙最小,或者实际上排除需要这种间隙时对齐定位多个半导体器件。同时它们也不需要特殊的形成于半导体器件上的定位部件,如孔洞。
本发明较佳实施例在定位部件,如针或参考端缘,和半导体器件之间没有包括任何纵向引导作用。因此,由定位所引起的器件倾斜或错位的危险得以减少。而且,该结构设计简单和成本效果合算。针对载体上的每个半导体器件,存在多个柔性吸盘或刚性环安装于单个定位平台上,取代设置单独的定位机构,以实现所有器件的准确定位。
而且,由于载体中的所有器件能够被同时一起对齐定位,该定位方法快速,同时该定位方法能容易地被自动装置所使用,而这样使得它们适合于高容量的生产。第一实施例通过使用装配于推块上的柔性吸盘,进一步能处理具有针对器件光滑度低的引导部分的载体。第二实施例通过使用位于推块上且具有尺寸高度控制的刚性吸附环,进一步能处理载体,而对于该载体,载体袋体内的器件支撑表面具有不良的尺寸高度控制。为了使得载体的热变形最小,本发明的较佳实施例同时也具有优点:能使载体的任何热变形平整和平坦,以便更精确地定位器件。
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。

Claims (25)

1、一种用于定位放置于载体上的多个半导体器件的装置,其包含有:
定位引导体,工作时其相邻于每个器件设置,并被布置成和每个半导体器件的期望定位相一致;
定位设备,其包含有多个固定器,每个固定器被设置来产生力以固定半导体器件;以及
驱动机构,其有效移动该定位设备和固定器,以抵靠于该定位引导体偏置该半导体器件,而定向该半导体器件直到它们和所述的定位引导体对齐定位。
2、如权利要求1所述的装置,其中该多个半导体器件被基本布置在一个平面上,而该驱动机构是沿着基本平行于该设置半导体器件的平面的另一平面有效移动该定位设备和固定器。
3、如权利要求1所述的装置,该装置包括形成于载体上的开口,以便于固定器延伸穿越该载体而固定该半导体器件。
4、如权利要求1所述的装置,其中该固定器通过真空吸力有效固定该半导体器件。
5、如权利要求4所述的装置,其中该固定器包含有弹性固定表面。
6、如权利要求5所述的装置,其中该弹性固定表面是由抗静电的橡胶材料制成。
7、如权利要求4所述的装置,其中该固定器包含有带中央孔洞的刚性固定表面。
8、如权利要求7所述的装置,其中该刚性固定表面是由金属材料制成,并且每个刚性固定表面具有硬化的上表面。
9、如权利要求7所述的装置,其中该刚性固定表面具有相互共面的上表面。
10、如权利要求1所述的装置,其中该定位引导体包括至少两个形成于载体上的参考端缘,以至少在两个方向定位半导体器件。
11、如权利要求1所述的装置,该装置包含有夹板,其设置于该载体上,并有效施加水平力以使该载体平整。
12、如权利要求11所述的装置,其中该夹板包含有和载体上半导体器件的位置相应的开口,在连接该夹板到载体之后,通过该夹板藉此到达半导体器件。
13、如权利要求11所述的装置,该装置包含有柔性停止器,其和该夹板相连,以联结载体和施加水平力。
14、如权利要求11所述的装置,其中该定位引导体包括至少两个装配于该夹板上的引导端缘,以至少在两个方向定位半导体器件。
15、如权利要求1所述的装置,该装置包含有和载体相连的夹具,其在半导体器件的至少一侧朝向至少一个定位引导体有效接触和施加力,并可移动离开该半导体器件以释放该器件。
16、如权利要求1所述的装置,该装置包含有和定位设备相连的刚性针,以在固定器固定半导体器件时支撑该载体。
17、一种用于定位放置于载体上的多个半导体器件的方法,其包含有:
相邻于每个器件设置定位引导体,该定位引导体被布置成和每个半导体器件的期望定位相一致;
利用来自固定器的力固定每个半导体器件,多个固定器包含于定位设备中;以及
使用驱动机构移动该定位设备和固定器,以抵靠于该定位引导体偏置该半导体器件,而定向该半导体器件直到它们和所述的定位引导体对齐定位。
18、如权利要求17所述的方法,其中该多个半导体器件被基本布置在一个平面上,而该驱动机构是沿着基本平行于该设置半导体器件的平面的另一平面有效移动该定位设备和固定器。
19、如权利要求17所述的方法,其中该固定器产生真空吸力以固定该半导体器件。
20、如权利要求19所述的方法,其中该固定器包含有弹性固定表面。
21、如权利要求19所述的方法,其中该固定器包含有带中央孔洞的刚性固定表面。
22、如权利要求17所述的方法,其中该定位引导体包括至少两个形成于载体上的参考端缘,以至少在两个方向定位半导体器件。
23、如权利要求17所述的方法,该方法包含有下述步骤:
在该载体上设置有夹板,以施加水平力而使该载体平整。
24、如权利要求23所述的方法,其中该定位引导体包括至少两个装配于该夹板上的引导端缘,以至少在两个方向定位半导体器件。
25、如权利要求17所述的方法,该方法包含有下述步骤:
在半导体器件的至少一侧朝向至少一个定位引导体施加力,以抵靠于所述定位引导体定位该半导体器件,并在移动该定位设备和固定器以抵靠于该定位引导体偏置该半导体器件以前,将该半导体器件解除该力。
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