【行业应用】倒装键合过程中芯片和基板的倾角测量

芯片倒装键合技术是一种在裸片电极上制备连接凸点，将芯片电极面朝下经钎焊、热压等工艺将凸点和封装基板互连的方法。与引线键合技术相比，倒装键合具有精度高、形成的混合集成芯片占用体积小、I/O密度高、互连线短、引线寄生参数小等优点，因此倒装键合技术已经成为当今芯片封装领域的主流技术之一。

对于现有技术中已经研发的一些倒装键合设备，例如中南大学研制的热超声倒装芯片键合机，其最大凸点数为40，键合压力在5g-2000g的范围内；市场在售的RFID标签封装设备，其所针对的芯片凸点数一般只有2-4个，键合精度为±20μm以内。这些现有产品可以较好地完成凸点较少的芯片倒装键合过程，但对于高密度芯片的封装工艺则很难满足工艺要求。为了实现高密度、高精度的倒装键合（例如，凸点多达5000个，凸点间距低至15μm），必须开发出更高定位精度（±4μm）且适于高密度芯片的新型倒装键合平台设备；而且为了实现这么高的定位精度，需要为设备专门设计及搭载高精度的定位系统，具体包括驱动反馈、视觉校正、激光定位系统等。

此外，在键合工艺之前需要依次对芯片和基板进行平行调整（通常也称之为调平操作）和垂向对准（通常也称之为对准操作），现有技术的键合头大都是以被动调节为主的调平机构，karl suss公司开发出一种FC250倒装键合设备，其在键合头处有一个球面副，可以进行转动，当键合头吸附着芯片压在基板上的时候，若芯片与基板之间不平行，在压力的作用下，球面副会产生转动，最终达到芯片与基板平行。然而，这种被动调平机构要求调平动作与键合动作在同一位置完成，这样在调平过程中芯片会受压，易对芯片造成损伤；另外，在调平中还可能造成对准失效的缺陷。相应地，也需要对倒装键合头进行设计改进，以便在芯片倒装过程中获更高的定位精度和更大的键合压力。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于高密度芯片的倒装键合平台，其中通过对其关键组成元件的结构及其设置方式进行设计，可以较好地实现各种常规尺寸芯片的自动剥离、翻转、拾取、对准、调平以及键合操作，同时具备结构紧凑、便于操控、高精度和大键合力等特点，因而尤其适用于高密度芯片的倒装键合用途。

图1

图1是按照本发明优选实施例所构建的倒装键合平台的整体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的倒装键合平台主要包括作为所有元件安装基础的基座201，以及芯片剥离和翻转单元100、XY向运动单元200、多自由度键合头300和贴装台单元401，通过对以上关键组成部件的设置方式进行设计，能够顺利完成从芯片的剥离、翻转、拾取、对准、调平以及键合等操作，整个过程流程严谨、精度高，能够较好地完成高密度芯片的倒装键合过程。

图2

具体而言，如图2中所示，芯片剥离和翻转单元100包括夹持模块109、顶针模块112、遍历模块和翻转模块104，其中夹持模块109用于装夹承载有大量芯片的晶圆盘；顶针模块112用于将待封装的芯片顶起并促其从蓝膜剥离；遍历模块譬如包括X向支撑双导轨110和Y向支撑双导轨111，用于带动整个晶圆盘在XY方向移动，进而实现顶针模块对晶圆盘上每一个芯片的遍历；翻转模块104用于将所剥离的芯片通过吸嘴吸附翻转一定角度，并送至芯片拾取位置。

重新参照图1，XY向运动单元200布置在芯片剥离和翻转单元100的一侧，并包括分别沿着X轴和Y轴分布的支撑导轨以及各自对应的直线电机驱动部件202和203。该XY向运动单元200的导轨为超精密导轨，并优选配置有分辨率高、热膨胀系数小的殷钢光栅尺作为运动反馈部件，由此利于对芯片贴装过程中作出高精度的定位和调整。多自由度键合头300以悬臂形式安装在XY向运动单元200的支撑导轨上，使得整体布局紧凑高效并可在直线电机驱动部件的驱动下沿着X轴和Y轴方向来回移动，当键合头到达芯片拾取位置时，它将已送至该位置的芯片予以吸附拾取，然后将芯片相对于基板执行XY轴方向上的调平操作以及Z轴方向上的对准操作。贴装台单元401固定安装在XY向运动单元200的一侧，它譬如包括用于基板真空吸附和对贴装位进行加热的贴装台，以及用于为贴装位提供照射光的条形光源等，其主要用途在于吸附基板并与键合头相配合，由此实现芯片与基板之间的相互定位。

图3

考虑到现有技术中的键合头在调平过程中芯片会受压，易对芯片造成损伤，另外在调平中还可能造成对准失效等缺陷，按照本发明的一个优选实施方式，对键合头的结构做出了新的设计。参见图3，该多自由度键合头300包括三个部位即作为所有元件安装基础的安装立板、用于使芯片与基板之间实现Z向对准的对准机构，以及用于使芯片与基板之间实现XY方向相互平行的调平机构。

作为本发明的另一关键改进，在按照本发明的倒装键合平台中还配置有多个视觉定位系统。具体而言，第一视觉定位系统包括布置在芯片剥离和翻转单元附近的下视相机103，并用于对所述顶针模块112中的顶针相对于所述翻转模块104中吸嘴中心的对准状态予以检测；第二视觉定位系统包括布置在芯片剥离和翻转单元附近的观察相机102，并用于对翻转模块104翻转至芯片拾取位置时它的吸嘴相对于键合头300中心的对准状态予以检测。

此外，第三视觉定位包括分别布置在多自由度键合头300和贴装台单元401上的激光位移传感器360、403，它们相互配合并用于对键合头所拾取芯片和基板各自相对于XY平面的倾角进行精确测量及定位；第四视觉定位系统包括布置在多自由度键合头上并由相机351和平面镜352共同组成的飞行视觉模块350，以及布置在贴装台单元上的平面镜404，它们相互配合并用于对键合头所拾取芯片的位置及基板贴装位置进行粗测；第五视觉定位系统包括分别布置在多自由度键合头和贴装头单元上的相机402、390，它们相互配合并用于对键合头所拾取芯片的位置及基板贴装位置执行精测。

下面将进一步具体解释按照本发明的倒装键合平台的工作过程：

首先，在整机能够正常运行之前，需要对整机做好局部的对中调整。具体而言，对于芯片剥离和翻转模块，要利用下视相机103完成顶针模块中的顶针相对于翻转模块104中吸嘴中心的对准；同时利用观察相机102完成翻转模块104翻转到芯片拾取位置（供料工位）时它的吸嘴相对于键合头中心的对准，如此方能保证下面的芯片剥离和吸附、翻转后再拾取能够准确地进行。

接着是芯片的剥离和翻转的具体过程。首先晶圆盘夹持气缸109顶起，将晶圆盘放入夹持模块并完成晶圆盘夹持，机构回零；在X向丝杠螺母副105搭配X向支撑双导轨110以及Y向丝杠螺母副107搭配Y向双导轨111的情况下，分别带动整个晶圆盘夹持机构在XY方向运动，从而实现顶针模块112对晶圆盘每一个芯片的遍历，完成芯片剥离工位的进给过程。当一个芯片刚好处于顶针正上方时，顶针模块112向上运动刺破蓝膜，把芯片顶起并与蓝膜分离，从而完成芯片的剥离过程；之后翻转模块104完成对已剥离芯片的吸附，然后完成翻转动作，到达芯片拾取位，由键合头370在真空负压作用下完成对翻转模块104上芯片的拾取，至此完成芯片的剥离、翻转和拾取过程。

在完成芯片的拾取之后，紧接着就是实现对芯片位姿的调整，并完成键合动作。其具体实现过程如下：

通过安装在键合头上的激光位移传感器360测量贴装台元401上基板贴装位相对于XY平面的倾角，同时用安装其上的精测相机402检测贴装台单元上基板的贴装位位置，并记录以上检测结果；

键合头370从翻转模块104处拾取芯片后，在X向直线电机模组202和Y向直线电机模组203的驱动下，键合头上的相机351与平面镜352组成的飞行视觉模块350配合贴装台单元上的平面镜404实现在运动中粗测键合头370上拾取的芯片位置，并利用旋转马达330初步调整芯片对准；

随后安装在贴装台单元上的激光位移传感器403检测键合头370上拾取的芯片的倾角，结合两位移传感器360和403的初始角度差值，利用调平机构340对芯片做出与贴装台401上贴装位间的平行调整；其调平的具体实现过程如下：音圈电机343动作，从而实现音圈模组341产生平行于电机轴向的位移，继而导致下方动平台342产生绕u轴或者v轴（与u轴垂直）方向的转动，从而实现动平台342倾角的调整，最终使得连接在动平台上的键合头370与贴装台401上基板贴装位平行，保证最后键合压力均匀；

之后芯片经过贴装台单元的精测相机402，精测芯片偏转角度，随后旋转马达330实现对键合头370上的芯片进行精确的对准调整，至此完成芯片的平行调整和垂向对准调整，为最后的键合动作做好了准备；

在X向直线电机模组202和Y向直线电机模组203的驱动下，键合头370到达贴装台单元401上基板贴装位正上方，由精密定位相机390完成键合定位的精密测量，微动键合头到达贴装位，由电机310和模组320配合完成键合头Z向的运动以及最后的键合施压，力传感器380实现对键合力的反馈，从而给电机310的控制输入反馈信号以实现力位控制，完成键合力的均匀可控施加，至此完成芯片的最终键合过程。

原文说明：本文内容节选自网络公开专利（CN103367208A）。