一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构

本发明涉及芯片倒装键合设备领域，尤其涉及一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构。

背景技术：

1、随着三维集成电路和量子计算封装技术的演进，间距10-30微米的高密度微凸点的晶圆级键合（wafer-to-wafer）及芯片到晶圆键合（die-to-wafer）已成为核心工艺。尤其是针对12英寸（300mm）大尺寸晶圆，键合过程对全场压力均匀性、温度梯度及设备刚度提出了极高要求。

2、现有通用键合装备普遍存在以下行业共性难题：

3、（1）大尺寸晶圆翘曲引发的应力集中与破片问题。大尺寸晶圆在加热或受压时会产生宏观翘曲，现有压头多采用弹簧阵列、分割式气囊等离散弹性补偿方式，或采用硬质网格底座。这类结构无法在全场实现绝对连续的压力分布，在网格隔板或刚性连接处极易产生“华夫饼效应”，导致局部微凸点被压碎、残余应力超过10mpa，进而引发芯片退相干或严重破片。

4、（2）热膨胀位移积累与温度梯度损伤问题。在150～300℃键合过程中，晶圆横向热膨胀位移极大，且金属压头本体在接触瞬间与晶圆间存在较大温度梯度，导致晶圆厚度方向产生极大的温度梯度与不可逆的热剪切应力，严重威胁键合界面的完整性。

5、（3）磁性材料与有机物释放的双重污染问题。以量子芯片为代表的先进工艺对洁净度与电磁环境极为敏感。传统压头普遍含有铁磁性材料，容易产生磁通涡旋干扰；同时常采用橡胶类粘接剂，在高温下会释放小分子有机挥发物，严重缩短器件寿命与量子相干时间。

6、（4）高刚度与高精度力控的物理矛盾问题。先进封装机床要求压头具备极高的宏观结构刚度以抑制振动，但在高刚度结构背景下，提取0.1mn量级的极微小高频动态接触力信号时，极易被机械噪声和热释电漂移淹没，难以实现真实闭环控制，无法满足精密键合力调控需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，以解决现有压头机构无法同时兼顾大尺寸晶圆键合中的全场压力连续均匀性、热膨胀自适应、超净无磁环境兼容以及高刚度下的微小力精准感知的问题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，包括快换法兰接头、微变形力连接件、浮动框、柔性铰链、压头安装座和橡胶弹性体；

4、所述快换法兰接头与浮动框之间通过微变形力连接件连接；所述浮动框内设有容置腔，所述柔性铰链设置于容置腔内，所述压头安装座转动装配于柔性铰链的底部；

5、所述压头安装座内设有气穴，所述压头安装座的一侧设有与气穴连通的接口；所述压头安装座的顶面设有与气穴连通的出气孔；所述压头安装座的底部设有安装腔，所述安装腔的腔底设有多个与气穴连通的微孔；所述橡胶弹性体设置于安装腔中。

6、所述倒装键合用同轴解耦自适应压头机构中，所述微变形力连接件包括若干弹簧片，所述弹簧片的截面呈弓形；若干所述弹簧片沿浮动框的周向间隔分布，所述弹簧片的一端与快换法兰接头连接，所述弹簧片的另一端与浮动框连接。

7、所述倒装键合用同轴解耦自适应压头机构中，所述柔性铰链设有铰链本体、第一铰链臂单元和第二铰链臂单元；所述第一铰链臂单元位于第二铰链臂单元的上方，所述第一铰链臂单元和第二铰链臂单元均包括若干铰链臂，所述铰链臂的一端与铰链本体的侧壁连接，所述铰链臂的另一端与容置腔的内壁连接。

8、所述倒装键合用同轴解耦自适应压头机构中，所述压头安装座内设有芯轴和无氧铜套筒，所述铰链本体设有转轴安装槽，所述芯轴的上端可拆卸连接于转轴安装槽，所述芯轴的下端与压头底座固定连接；所述无氧铜套筒套设于芯轴的外周，并嵌于转轴安装槽中。

9、所述倒装键合用同轴解耦自适应压头机构中，所述压头安装座还包括压电陶瓷晶堆，所述压电陶瓷晶堆套设于芯轴的外周，并设置于芯轴和无氧铜套筒之间，所述压电陶瓷晶堆与外部键合设备电性连接。

10、所述倒装键合用同轴解耦自适应压头机构中，所述压头安装座还包括氧化锆垫块，所述氧化锆垫块套设于压电陶瓷晶堆的外周；所述压电陶瓷晶堆和氧化锆垫块均设置于芯轴和无氧铜套筒之间，所述氧化锆垫块位于压电陶瓷晶堆的下方；所述氧化锆垫块的厚度为2～3mm。

11、所述倒装键合用同轴解耦自适应压头机构中，所述橡胶弹性体包括物料盒和弹性体本体，所述物料盒的中部设有弹性体安装口，所述弹性体本体设置于弹性体安装口，且所述弹性体本体的顶面紧贴于安装腔的腔底；所述物料盒可拆卸安装于安装腔。

12、所述倒装键合用同轴解耦自适应压头机构中，所述安装腔的内壁设有两个弹簧孔，两个所述弹簧孔相对设置；所述弹簧孔内设有弹簧球头柱塞，所述物料盒的外侧壁设有与弹簧球头柱塞的数量和位置相适配的避让凹槽；所述物料盒与压头安装座通过弹簧球头柱塞和避让凹槽实现可拆卸连接。

13、所述倒装键合用同轴解耦自适应压头机构中，所述弹性体本体的底面设有派瑞林共形涂层，所述派瑞林共形涂层的厚度为5～15微米。

14、所述倒装键合用同轴解耦自适应压头机构中，所述安装腔的深度为0.7～1.0mm，所述物料盒的底部与安装腔的口沿平齐，所述弹性体本体凸出安装腔的口沿0.01～0.02mm。

15、本发明中的一个技术方案可以具有以下有益效果：

16、所述倒装键合用同轴解耦自适应压头机构通过压头安装座的安装腔与橡胶弹性体配合，实现接触应力均布，安装腔上的微孔阵列与气穴为橡胶弹性体提供了受热膨胀所需的体积余量，并保证了压力均衡，从而实现对翘曲晶圆的全场微观共形包裹，将全场宏观残余应力降至5mpa以下。

1.一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，其特征在于，包括快换法兰接头、微变形力连接件、浮动框、柔性铰链、压头安装座和橡胶弹性体；

2.根据权利要求1所述的一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，其特征在于，所述微变形力连接件包括若干弹簧片，所述弹簧片的截面呈弓形；若干所述弹簧片沿浮动框的周向间隔分布，所述弹簧片的一端与快换法兰接头连接，所述弹簧片的另一端与浮动框连接。

3.根据权利要求1所述的一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，其特征在于，所述柔性铰链设有铰链本体、第一铰链臂单元和第二铰链臂单元；所述第一铰链臂单元位于第二铰链臂单元的上方，所述第一铰链臂单元和第二铰链臂单元均包括若干铰链臂，所述铰链臂的一端与铰链本体的侧壁连接，所述铰链臂的另一端与容置腔的内壁连接。

4.根据权利要求3所述的一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，其特征在于，所述压头安装座内设有芯轴和无氧铜套筒，所述铰链本体设有转轴安装槽，所述芯轴的上端可拆卸连接于转轴安装槽，所述芯轴的下端与压头底座固定连接；所述无氧铜套筒套设于芯轴的外周，并嵌于转轴安装槽中。

5.根据权利要求3所述的一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，其特征在于，所述压头安装座还包括压电陶瓷晶堆，所述压电陶瓷晶堆套设于芯轴的外周，并设置于芯轴和无氧铜套筒之间，所述压电陶瓷晶堆与外部键合设备电性连接。

6.根据权利要求5所述的一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，其特征在于，所述压头安装座还包括氧化锆垫块，所述氧化锆垫块套设于压电陶瓷晶堆的外周；所述压电陶瓷晶堆和氧化锆垫块均设置于芯轴和无氧铜套筒之间，所述氧化锆垫块位于压电陶瓷晶堆的下方；所述氧化锆垫块的厚度为2～3mm。

7.根据权利要求1所述的一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，其特征在于，所述橡胶弹性体包括物料盒和弹性体本体，所述物料盒的中部设有弹性体安装口，所述弹性体本体设置于弹性体安装口，且所述弹性体本体的顶面紧贴于安装腔的腔底；所述物料盒可拆卸安装于安装腔。

8.根据权利要求7所述的一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，其特征在于，所述安装腔的内壁设有两个弹簧孔，两个所述弹簧孔相对设置；所述弹簧孔内设有弹簧球头柱塞，所述物料盒的外侧壁设有与弹簧球头柱塞的数量和位置相适配的避让凹槽；所述物料盒与压头安装座通过弹簧球头柱塞和避让凹槽实现可拆卸连接。

9.根据权利要求7所述的一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，其特征在于，所述弹性体本体的底面设有派瑞林共形涂层，所述派瑞林共形涂层的厚度为5～15微米。

10.根据权利要求7所述的一种倒装键合用同轴解耦自适应压头机构，其特征在于，所述安装腔的深度为0.7～1.0mm，所述物料盒的底部与安装腔的口沿平齐，所述弹性体本体凸出安装腔的口沿0.01～0.02mm。