一种倒装芯片贴合装置及加工方法与流程

1.本发明涉及微纳加工技术领域，尤其是涉及一种倒装芯片贴合装置及加工方法。


背景技术：

2.目前，二维材料电学研究所需的电子器件的加工，例如倒装芯片的微区贴装，多数采用传统的微纳加工办法，其加工过程需要经过匀胶、曝光、显影。由于二维材料自身的表面敏感性，传统的微纳加工办法，易导致器件被污染变性，难以保存二维材料的本征特性。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种倒装芯片贴合装置，能够有效避免加工过程中芯片易被污染的问题。
4.本发明还提出一种加工方法，能够实现倒装芯片的微区贴装。
5.本发明第一方面实施例提供了一种倒装芯片贴合装置，包括：
6.承载机构，包括载台，所述载台具有用于固定待贴装的第一衬底的工作面；
7.贴装机构，包括取料头和移载机构，所述取料头用于持取附待贴装的第二衬底，所述移载机构用于驱使所述取料头移动至第一位置以使所述取料头与所述工作面对齐，所述移载机构还用于驱使所述取料头沿垂直于所述工作面的方向移动，以将所述第二衬底按压至所述第一衬底上；
8.对位机构，包括移动臂、同轴显微镜和成像显示模块，所述成像显示模块用于显示所述同轴显微镜的成像，所述同轴显微镜连接于所述移动臂且轴线垂直于所述工作面，所述移动臂用于将所述同轴显微镜移动至第二位置，所述第二位置位于所述取料头和所述工作面之间，并配置为：当所述同轴显微镜位于所述第二位置，所述工作面上的第一衬底位于所述同轴显微镜的一个焦距的位置，且所述第一位置的所述取料头上的第二衬底位于所述同轴显微镜的另一个焦距的位置。
9.本发明实施例的倒装芯片贴合装置至少具有如下有益效果：位于第一位置的取料头对齐于工作面，位于第二位置的同轴显微镜对齐于共工作面，且工作面上的第一衬底和取料头上的第二衬底能够分别位于同轴显微镜的两个焦距位置，因此能直接将待贴装样品通过同轴显微镜实现精准对齐，从而按压点胶实现芯片微区贴装，与传统的微纳加工相比，避免了传统微纳加工过程中样品变性的问题，有效保证产品质量。
10.根据本发明一些实施例的倒装芯片贴合装置，所述承载机构还包括位移平台，所述载台连接于所述位移平台，所述位移平台用于在平行于所述工作面的平面上移动所述载台。
11.根据本发明一些实施例的倒装芯片贴合装置，所述载台具有加热模块，用于加热所述工作面上的所述第一衬底。
12.根据本发明一些实施例的倒装芯片贴合装置，所述加热模块包括加热器和温控仪，所述加热器设置于所述载台的内部，所述加热器能够通电加热，用于加热所述载台以对
所述工作面上的所述第一衬底加热，所述温控仪电连接于所述加热器，用于调节所述加热器的温度。
13.根据本发明一些实施例的倒装芯片贴合装置，所述移载机构包括平移组件和按压组件，所述按压组件连接于所述取料头，用于在垂直于所述工作面的方向移动所述取料头；所述平移组件连接于所述按压组件，用于在平行于所述工作面的平面上移动所述按压组件以使所述取料头到达所述第一位置。
14.根据本发明一些实施例的倒装芯片贴合装置，所述取料头上还连接有压力计，用于检测所述取料头按压所述第二衬底的压力。
15.根据本发明一些实施例的倒装芯片贴合装置，所述取料头包括真空吸嘴，所述真空吸嘴用于吸附所述第二衬底，且所述取料头具有用于连通气源的接口。
16.根据本发明一些实施例的倒装芯片贴合装置，还包括封装机构，包括点胶机和固化灯，点胶机用于对贴合后的第二衬底和第一衬底点胶，固化灯用于照射固化所述第一衬底和第二衬底上的胶。
17.本发明第二方面实施例还提供了一种加工方法，应用于本发明第一方面实施例的倒装芯片贴合装置，用于倒装芯片的加工，所述加工方法包括：
18.准备第一衬底和第二衬底，其中，所述第一衬底预制有电极结构，所述第二衬底贴附有二维材料；
19.将第一衬底固定于所述工作面，使所述取料头获取所述第二衬底，且所述第二衬底贴附有二维材料的一侧背离所述取料头；
20.将所述同轴显微镜移动至所述第二位置，并将所述取料头移动至所述第一位置，使所述第一衬底和所述第二衬底分别位于所述同轴显微镜的两个焦距位置；
21.使所述同轴显微镜从所述第二位置移出，再使所述取料头朝向所述工作面移动，将所述第二衬底贴合至所述第一衬底上；
22.对贴合后的第二衬底和第一衬底点胶封装。
23.根据本发明一些实施例的加工方法，通过所述成像显示模块显示所述同轴显微镜的成像，根据所述成像调节所述工作面和所述取料头的位置，使所述第一衬底和所述第二衬底分别位于所述同轴显微镜的两个焦距位置。
24.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
25.图1为本发明一实施例的倒装芯片贴合装置的示意图；
26.图2为本发明另一实施例的倒装芯片贴合装置的示意图；
27.图3为第二衬底的正面示意图；
28.图4为第二衬底的背面示意图；
29.图5为倒装芯片贴合加工方法的部分过程示意图。
30.附图标记：
31.第一衬底10，电极结构11，第二衬底20，正面21，背面22，二维材料23，标记24；
32.承载机构100，载台120，工作面121，位移平台130，温控仪140；
33.贴装机构200，取料头210，移载机构220，平移组件221，按压组件222，压力计230；
34.对位机构300，移动臂310，同轴显微镜320；
35.点胶机410，固化灯420；
36.机架500，底座510，支架520。
具体实施方式
37.以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
38.在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
40.采用传统的微纳加工办法制备电子器件，其加工过程需要经过匀胶、曝光、显影，二维材料的表面敏感性使得该过程中器件易被污染变性从而难以保存二维材料的本征特性。此外，传统微纳加工过程周期长，效率低，不利于大量材料的研究探索。本发明实施例提供了一种倒装芯片贴装装置及加工方法，能够快速高效实现倒装芯片的微区贴装，同时也可以制作二维材料器件，不仅避免了传统微纳加工过程样品易被污染和效率低的不足，而且操作简单，成功率高，有助于推动该研究领域的快速发展。
41.图1为本发明一实施例的倒装芯片贴合装置的示意图，图2为本发明另一实施例的倒装芯片贴合装置的示意图，参考图1，本发明第一方面实施例提供了一种倒装芯片贴合装置，包括承载机构100、贴装机构200和对位机构300，其中，承载机构100包括载台120，载台120具有用于固定待贴装的第一衬底的工作面121。贴装机构200包括取料头210和移载机构220，取料头210用于持取附待贴装的第二衬底，移载机构220用于驱使取料头210移动至第一位置以使取料头210与工作面121对齐，移载机构220还用于驱使位于第一位置的取料头210沿垂直于工作面121的方向移动，从而能够将第二衬底按压至第一衬底上。
42.对位机构300包括移动臂310、同轴显微镜320和成像显示模块，同轴显微镜320连接于移动臂310且轴线垂直于工作面121，移动臂310用于将同轴显微镜320移动至第二位置。第二位置位于取料头210和工作面121之间，并且第二位置配置为：当同轴显微镜320位于该第二位置，工作面121上的第一衬底位于同轴显微镜320的一个焦距的位置，且第一位置的取料头210上的第二衬底位于同轴显微镜320的另一个焦距的位置。可采用常规的显微
镜成像系统，通过成像显示模块对显示同轴显微镜320可视成像，以便将第一衬底和第二衬底调至同轴显微镜320的两个焦距处，从而实现同轴对齐。
43.本实施例中，由移动臂310将同轴显微镜320移动第二位置，由移载机构220将取料头210移动到第一位置，可通过参考成像显示模块的成像进行位置精准度的调节，实现第一衬底和第二衬底的精准对位。因此，能直接将待贴装样品通过同轴显微镜320实现精准对齐，从而按压贴合，后续点胶封装，实现芯片微区贴装，与传统的微纳加工相比，避免了传统微纳加工过程中曝光、显影等加工过程导致样品变性的问题，有效保证产品质量。
44.在一些实施例的倒装芯片贴合装置中，承载机构100还包括位移平台130，载台120连接于位移平台130，位移平台130用于在平行于工作面121的平面上移动载台120，因此，也可以通过调节载台120的位置，调整第一衬底相对于同轴显微镜320的位置，以便将第一衬底对准于同轴显微镜320的一个焦距位置。由此，可以通过限定移动臂310的两个状态使同轴显微镜320位于所设定的位置，例如：移动臂310在第一状态时能够将同轴显微镜320移动至第二位置，移动臂310在第二状态时能够将同轴显微镜320移出第二位置以避免干涉取料头210的移动。移动臂310可以采用伸缩气缸，通过预设气缸的行程限定第一状态时同轴显微镜320的位置。同轴显微镜320连接于气缸的推杆，气缸推杆伸出设定行程时为第一状态，此时同轴显微镜320的位置处于第二位置，气缸推杆缩回时为第二状态，此时同轴显微镜320离开第二位置，气缸按设定行程进行伸缩即可实现同轴显微镜320的伸出和收回，调控方式直接且简单。因此，本实施例的倒装芯片贴合装置可以以同轴显微镜320的位置为基准调节取料头210和载台120的位置，能够快速、精确地将第一衬底和第二衬底对齐，以便贴装，机构操作简单、快捷，能够有效提高贴装效率。
45.加工时，可以先使移动臂310到达第一状态以将同轴显微镜320移动至第二位置，再通过位移平台130调整载台120的位置，以使工作面121上的第一衬底与同轴显微镜320对齐并位于同轴显微镜320朝向工作面121一端的焦距位置。同时，可通过移载机构220调整取料头210的位置，以使取料头210上的第二衬底对齐于同轴显微镜320并位于同轴显微镜320朝向取料头210一端的焦距位置，由此取料头210到达第一位置。其中，位移平台130用于在平行于工作面121的平面调整载台120的位置，可以采用常规的两轴平台。载台120和取料头210的位置可以参考显微镜成像进行调整，由此实现第一衬底和第二衬底的精确对齐。再使移动臂310移动至第二状态，以将同轴显微镜320移出第二位置，然后通过移载机构220带动取料头210沿垂直于工作面121的方向朝向工作面121移动至能够将第二衬底以对齐后的位置按压至第一衬底上，以便点胶封装。
46.当然，在一些其他的实施例中，可以设置固定位置的载台120，通过移动臂310调节同轴显微镜320相对于载台120的位置以使同轴显微镜320对齐于工作面121，并使工作面121上的第一衬底位于同轴显微镜320朝向工作面121一侧的焦距上，此时同轴显微镜320位于第二位置。然后通过移载机构220调节取料头210的位置使其对齐于同轴显微镜320并且取料头210上的第一衬底位于同轴显微镜320朝向取料头210一侧的焦距上，此时取料头210位于第一位置。与上述实施例同理，将同轴显微镜320移出第二位置后，通过移载机构220带动取料头210沿垂直于工作面121的方向朝向工作面121移动至能够将第二衬底以对齐后的位置按压至第一衬底上，以便点胶封装。
47.在一些实施例中，载台120具有加热模块，用于加热工作面121上的第一衬底，以除
去第一衬底表面吸附的水汽等，以免影响封装的牢固性。具体的加热温度和持续时间可根据实际需求合理配置。其中，加热模块包括加热器和温控仪140，加热器可采用陶瓷加热片等常规的能够通电加热的器件，加热器内置于载台120的内部，用于加热载台120以对工作面121上的第一衬底加热。温控仪140电连接于加热器，用于调节加热器的温度，由此，能够设置加热温度和加热时间，以高效地满足加工需求，有助于倒装芯片的快速贴装。
48.上述实施例中，移载机构220可包括平移组件221和按压组件222，按压组件222连接于取料头210，用于在垂直于工作面121的方向移动取料头210，可以采用常规的直线运动机构，例如将取料头210连接于滑块，通过步进电机驱使滑块移动的实现直线运动，步进电机的轴向垂直于工作面121设置，由此驱动滑块及取料头210在垂直于工作面121的方向移动，保证按压过程第二衬底沿直线运动，避免位置偏移。平移组件221连接于按压组件222，用于在平行于工作面121的平面上移动按压组件222以使取料头210到达第一位置，同理，平移组件221也可以采用常规的直线运动机构，实现取料头210的准确、快速移动，并且机构简单高效。
49.在一些实施例中，取料头210上还连接有压力计230，用于检测取料头210按压第二衬底的压力，以免压力过大而损坏器件。可以在按压组件222上先连接压力计230，再将取料头210连接于压力计230上，采用电子压力计230可以实施检测压力，并准确控制按压过程施加的压力，有助于获取合适的贴合压力，从而提高贴合质量。
50.取料头210可以采用真空吸附的方式获取第二衬底，例如，取料头210包括真空吸嘴，且具有用于连通气源的接口，真空吸嘴通过管线连接接口，从而接通于气源，因此能够在真空吸嘴内形成真空以吸附第二衬底，通过真空吸附能够保证获取第二衬底并能够避免对第二衬底的损伤。
51.在一些实施例的倒装芯片贴合装置中，还包封装机构，图2为本发明另一实施例的倒装芯片贴合装置的示意图，参考图2，本实施例与在上述实施例的基础上，增加了封装机构，其中，封装机构包括点胶机410，点胶机410用于对贴合后的第二衬底和第一衬底点胶，点胶机410为工业生产常用的装置，能够通过点胶头出胶，并能够通过预设方式控制点胶头的运动路径，从而实现所需位置的点胶。为加速胶液的固化，封装机构还可以设置固化灯420，用于照射第一衬底和第二衬底上的胶以加速固化。本实施例中，点胶机410可以通过点胶头对第一衬底和第二衬底贴合的边缘点紫外固化胶，紫外灯作为常用的固化灯420，能够对紫外固化胶具有较好的固化效果，因此，可以选用常规的紫外灯作为本装置的固化灯420。
52.参考图1和图2，在上述实施例的倒装芯片贴合装置中，可设置用于安装各机构的机架500，承载机构100、贴装机构200和对位机构300可以分别安装于机架500的设定位置。具体来说，机架500包括底座510和支架520，支架520自底座510的表面向上延伸，承载机构100可以设置于底座510上，贴装机构200连接于支架520并位于载台120的上方，对位机构300连接于支架520并位于取料头210和载台120之间，同轴显微镜320沿上下方向形成上下同轴的结构以便对齐位于下方的第一衬底和位于上方的第二衬底，由此形成纵向布局的倒装芯片贴合装置，从而节省横空间的占用。另外一些实施例中，点胶机410和固化灯420也可以安装于机架500上的设定位置，形成装配式的倒装芯片贴合装置整机，以便于接线连接和整体调控。
53.本发明实施例的倒装芯片贴合装置还设置有控制器(未图示)，用于贴合过程的操作控制，采用工业控制应用中常见的可编程逻辑控制器(plc)即可实现。可编程逻辑控制器采用可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程，是在工业环境下广泛应用的数字运算操作电子系统。具体的控制流程在此不做赘述。
54.由上述可知，利用同轴显微镜320同时观测待贴合的第一衬底和具有解理好的二维材料的第二衬底，再调节两衬底的位置使二者精确重合对齐，从而能够实现倒装芯片的微区贴装，避免了采用传统的微纳加工过程样品易被污染和效率低的问题。并且该装置操作简单，贴装效率高，适合大量材料的器件加工，将快速推进二维材料的研究。
55.图3为第二衬底的正面示意图，图4为第二衬底的背面示意图，图5为倒装芯片贴合加工方法的部分过程示意图，参考图3至图5，本发明第二方面实施例还提供了一种加工方法，用于倒装芯片的贴装加工，该加工方法应用于本发明第一方面实施例的倒装芯片贴合装置，其加工方法包括：
56.准备第一衬底10和第二衬底20，其中，第一衬底10预制有电极结构11，第二衬底20贴附有二维材料23；
57.将第一衬底10固定于工作面121，使取料头210获取第二衬底20，且第二衬底20贴附有二维材料23的一侧背离取料头210；
58.将同轴显微镜320移动至第二位置，并将取料头210移动至第一位置，使第一衬底10和第二衬底20分别位于同轴显微镜320的两个焦距位置；
59.使同轴显微镜320从第二位置移出，再使取料头210朝向工作面121移动，将第二衬底20贴合至第一衬底10上；
60.对贴合后的第二衬底20和第一衬底10点胶封装。完成一个芯片的贴合封装。
61.在上述方法中，第一衬底10和第二衬底20为预制样品，本发明的方法是对第一衬底10和第二衬底20的贴装提出的加工方法，因此，第一衬底10和第二衬底20的制备方法在此不做赘述。其中，二维材料23贴附于第二衬底20前，先清洗干净第二衬底20，随后利用胶带将二维材料23解理并贴于干净的第二衬底20的正面21上，而后分开衬底和胶带，从而获取贴附有二维材料23的第二衬底20。
62.在取料头210获取附有二维材料23的第二衬底20前先行预加工：将附有解理好二维材料23的第二衬底20悬空固定在倒置的激光加工显微镜上，在该第二衬底20的背面22(即未贴附二维材料23的一面)，用激光加工勾勒出样品的形貌，并在对应于二维材料23的背面22用激光划出标记24(例如十字记号)，以便取料头210对齐。
63.将做好标记24的第二衬底20转移固定到倒装芯片贴合装置的取料头210上，以采用真空吸嘴作为取料头210的实施方式为例，第二衬底20的背面22的十字标记24正对吸嘴的中心由此可以吸附第二衬底20的对应于贴附有二维材料23的位置，从而便于按压贴合，有效避免二维材料23位置偏离所需位置，有助于提高贴合的效率和精度。
64.可在载台120设置加热器，将预第一衬底10固定到载台120的工作面121上后，可利用温控仪140对载台120加热，以加热工作面121上的第一衬底10，除去第一衬底10表面吸附的水汽等，可以设定加热温度为120
°
，加热持续时间约10分钟，而后自然降温冷却。
65.上述方法中，调节第一衬底10和第二衬底20的位置时，通过成像显示模块显示同
轴显微镜320的成像，并根据成像调节工作面121和取料头210的位置，使第一衬底10和第二衬底20分别位于同轴显微镜320的两个焦距位置，从而使待贴合的第一衬底10与具有解理好的二维材料23的第二衬底20精确重合对齐。
66.可在按压组件222上连接电子压力计230，并将取料头210连接于电子压力计230，在将第二衬底20贴合至第一衬底10上时，通过电子压力可以获取按压压力，从而准确控制按压过程施加的压力。
67.上述方法中，点胶封装时通过点胶机410在两块贴合好的衬底边缘滴好紫外固化胶，并利用紫外灯照射固化胶，使其固定，完成倒装芯片的贴装。紫外灯的照射时间可根据紫外胶的固化所需时间合理设置，此过程中，按压组件222保持按压状态，直至完成固化时间后按压组件222收回取料头210，并将贴装完成的器件从工作面121上移出，以便进行下一样品的贴合加工。
68.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。