一种高精密芯片装片方法及设备与流程

1.本发明涉及半导体封装领域，更具体地，涉及一种半导体芯片装片方法和装片设备。


背景技术：

2.随着全球电子信息技术的发展，集成电路只依靠尺寸微缩的技术已经接近了物理极限，为了解决此难题，传统装片和引线键合的封装工艺已经逐步向2.5d封装和3d封装技术发展，通过芯片在垂直方向的多层堆叠，实现芯片和芯片间的更高密度互连。同时，键合凸点尺寸也越来越小，从倒装芯片的100μm凸点、到三维热压倒装焊的20μm凸点，甚至发展到将来的2μm凸点的混合键合技术。倒装芯片装片精度一般在10μm，热压倒装焊要求3μm，而混合键合的装片精度需要达到亚微米级。因此，对于后封装芯片装片设备的对准精度要求越来越高。同时，装片后的精度检测也是不可或缺的一环，良好的精度检测方法不仅能为装片设备长时间工作提供可靠性保障，也极大地提升生产效率。
3.目前现有的装片设备多数将相机等对准器件设在芯片和基板的中间。专利cn108172541a公开的装片设备，该设备设置水平放置的双向相机和侧面相机，该双向相机由两套ccd和镜头组成并固定在一起，通过工装校准了图像的位置。在装片系统中键合头还未旋转至芯片载台位置时，双向相机拍照获取芯片和基板间的标记点位置，待吸取芯片后，装片系统旋转至90
°
，侧面相机再次检测芯片标记点位置，通过图像算法得到芯片与基板标记点之间的位置补偿值。直至旋转到180
°
时，键合头根据位置补偿值运动到精准装片位置进行装片。由于双向相机会占用较大的z向空间，通常达到几十毫米，故装片时键合头需要旋转较大的角度。由于热变形和运动误差，较大的旋转运动会带来装片偏移，难以获得更精准的装片精度。
4.专利cn108155125a公开了一种芯片装片设备。该设备通过下视相机和上视相机，可同时获取两个画面信息，分别为芯片和基板的位置信息，完成对准。但是对准时分别使用两个相机系统，其中下视相机固定在键合头上，上视相机设在基板载台上，由于是两个不同的相机系统得到的位置信息，对准时会造成不可避免的误差。此外，该设备比国外双向相机方式的z向距离减少了，有利于提高装片精度，但是由于其上视相机设在基板载台上，键合头z向运动高度也只能降低至40mm左右，很难做到毫米级以内，故精度难以进一步提升。


技术实现要素：

5.为解决以上技术问题，本发明提供了一种高精密芯片装片设备。将xy运动平台设在大理石底座上，用于控制基板载台在x和y方向上的移动，基板载台设在xy运动平台上方，是基板和芯片键合的区域，芯片传输机构设在键合运动机构右侧，用于从芯片载台上传输芯片，键合运动机构设在基板载台上方，通过键合运动机构与芯片传输机构配合，将芯片键合在基板上，相机系统设在键合运功机构两侧，配合相机移动系统，可与键合运动机构间隔开，将键合头反射镜与相机系统的物镜部分设在相同高度，获取键合头反射镜的画面信息，
采用宏微两级工作台实现高精度对准，完成键合。
6.具体的技术方案及装置包括：芯片传输机构、基板载台、大理石底座、xy运动平台、键合运动机构和相机系统。
7.所述xy运动平台位于所述大理石底座上方，所述基板载台位于所述xy运动平台上方，通过滑块连接实现基板载台的移动；所述键合运动机构设在所述基板载台上方，所述键合运动机构与所述xy运动平台及所述芯片传输机构相互配合，将芯片传输机构传输的芯片键合在基板载台的基板上；所述键合头反射镜设在所述键合运动机构上，所述键合头反射镜相对于水平方向朝向的所述基板载台倾斜延伸以获取并反射所述芯片和所述基板的画面；所述相机系统设在所述键合运动机构的两侧，分别对立设置，所述相机系统与所述键合头反射镜配合，通过所述键合头反射镜反射的画面获取所述芯片和所述基板的位置。
8.所述芯片传输机构用于传输芯片；
9.所述基板载台用于承载基板；
10.所述大理石底座充当机架的作用，用于固定xy运动平台及相机移动导轨；
11.进一步地，所述芯片传输机构包括：
12.芯片摆臂机构，所述芯片摆臂机构通过电机驱动，与所述的芯片翻转头配合在水平方向上做圆周运动，实现所述芯片传输；
13.芯片翻转头，所述芯片翻转头通过电机驱动，将芯片载台拾取的所述芯片翻转，传输至所述键合头；
14.芯片载台，所述芯片载台用于放置需要键合的芯片。
15.进一步地，所述键合运动机构包括：
16.键合驱动电机，所述键合驱动电机驱动所述键合头竖直方向的键合运动；
17.键合头旋转电机；
18.真空管，所述真空管通过控制真空通断，实现对所述芯片的拾取和放置，所述传输机构输送所述芯片至所述键合头下方时，所述真空管通真空，实现所述芯片拾取，待芯片键合完成后，所述真空管断真空，实现所述芯片放置；
19.键合头反射镜，所述键合头反射镜相对于水平方向倾斜的角度为45
°
，通过反射获取所述芯片和所述基板的位置信息；
20.键合头，所述键合头设在所述键合头反射镜下方，通过键合头通孔设计，可使所述键合头反射镜穿过所述键合头，获取所述芯片和所述基板的位置信息。
21.进一步地，所述芯片通过在背面添加标记点，使位置信息更准确。添加标记点的方法不限于tsv技术，标记点的形状不限于十字形、矩形和圆形。
22.进一步地，所述相机系统包括；
23.相机反射镜，所述相机反射镜相对于所述键合头反射镜平行设置，以获取并反射所述键合头反射镜反射获得的画面；
24.下视相机，所述下视相机与所述相机反射镜配合以通过所述相机反射镜反射的画面获取所述芯片所在位置；
25.相机移动机构，所述相机移动机构设在所述xy运动平台上方，所述相机移动机构与所述相机系统配合，以实现所述相机系统在水平方向移动，通过所述相机移动机构，可调整获得所述键合头反射镜反射的最佳质量的画面。
26.进一步地，所述相机系统分别设在所述键合运动机构两侧，沿所述键合运动机构对称分布。
27.进一步地，xy运动平台包括：
28.xy运动底座，所述xy运动底座通过两层叠加电机和丝杆及导轨的配合实现x和y两个方向的移动，用于所述芯片和所述基板的基础对准；
29.x向压电纳米台，所述x向压电纳米台用于xy运动底座完成基础对准后，实现更高精度的x向对准；
30.y向压电纳米台，所述y向压电纳米台用于xy运动底座完成基础对准后，实现更高精度的y向对准。
31.本发明的上述技术方案有益效果如下：
32.根据本发明实施例的半导体芯片装片设备，通过两侧对称分布相机系统和键合头反射镜的配合，并通过在芯片的背面以及基板上做标记点的方式，相机系统获取了芯片和基板的位置信息，最后通过xy运动底座和压电纳米台的配合，实现芯片的高精度键合。本发明将键合高度降低至微米级，实现了所见即所得的高精密对准精度，将装片精度提升至纳米级别。本发明装片完成后，相机系统通过拍照可以检验装片精度，检验结果即可用来检验精度，也可以用于键合头误差的补偿，从而将装片精度形成闭环监控，获得可靠性生产。本发明的对准补偿通过一次完成，可大大提升生产效率。
附图说明
33.图1为根据本发明实例中高精密芯片装片设备的结构示意图；
34.图2左图为根据本发明实例中高精密芯片装片设备的键合运动机构示意图，右图为键合运动机构与相机系统配合使用时键合头反射镜和相机反射镜的光路示意图；
35.图3为根据本发明实例中高精密芯片装片设备的芯片传输机构的一个工作状态图；
36.图4为根据本发明实例中高精密芯片装片设备的相机成像视图，通过键合头的半圆形通孔，可以看到芯片背面的标记，同时也能看到基板的标记。调整使得δx1＝δx2，δy1＝δy2＝0，完成对准；
37.图5为根据本发明实例中高精密芯片装片设备的xy运动平台示意图。
38.附图标记：
39.xy运动平台1；xy运动底座2；基板载台3；x向压电纳米台4；y向压电纳米台5；基板6；芯片7；芯片定位标记8；基板定位标记9；芯片传输机构10；芯片翻转头11；芯片摆臂机构12；芯片载台13；键合运动机构14；键合头反射镜15；键合头16；键合头旋转电机17；真空管18；键合驱动电机19；相机系统20；下视相机21；相机反射镜22；相机移动机构23；大理石底座24；
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
41.下面结合附图具体描述根据本发明实施例的高精密芯片装片设备。
42.如图1至图5所示，根据本发明实例的高精密芯片装片设备包括xy运动平台1，基板载台3、芯片传输机构10、键合运动机构14、相机系统20、相机移动机构23、大理石底座24。
43.具体而言，xy运动平台1设在大理石底座24上，用于控制基板载台3在x和y方向上的移动，基板载台3设在xy运动平台1上方，用于承载基板6，芯片传输机构10设在键合运动机构14右侧，用于传输芯片7，键合运动机构14设在基板载台3的上方，键合运动机构14与芯片传输机构10配合以将芯片传输机构10传输的芯片7键合在基板6上，相机系统20设在键合运功机构14两侧，配合相机移动系统20，可与键合运动机构14间隔开，相机系统20通过反射键合头反射镜15所获取的画面，实时获取芯片7和基板6的实时位置信息。
44.换而言之，高精密芯片装片设备通过将基板载台3设在xy运动平台1上方，芯片传输机构10设在键合运动机构14右侧间隔开，键合头反射镜15固定键合运动机构14上且与相机系统20中相机反射镜22相对应，相机系统20可以通过键合头反射镜15反射的画面获取芯片7和基板6的位置信息。由于该设备仅使用一套对称的相机系统20，对比其他设备使用双向相机方式，本发明有效提高了对准精度。此外，相机系统20设在基板6上方，键合高度可以达到微米级以内距离的键合。键合高度的下降不仅减小了z向的空间，而且进一步的提升了对准精度。
45.进一步地，xy运动平台1包括：xy运动底座2，x向压电纳米台4和y向压电纳米台5；其中，xy运动底座2通过丝杠导轨的配合与电机的驱动，实现x和y方向的宏观大行程移动，x向压电纳米台4和y向压电纳米台5用于宏观对准后的微对准，通过精密驱动器，保证终端执行器的高精度。xy运动平台1通过采用宏微两级工作台，实现了芯片7和基板6的高精度对准。
46.进一步地，基板载台3设在xy运动平台1上，用于承载基板6和芯片7；
47.具体地，芯片7背面的芯片定位标记8，基板的定位标记9用于获取芯片7和基板6的位置信息。
48.进一步地，芯片传输机构10包括：芯片翻转头11；芯片摆臂机构12；芯片载台13。其中，芯片载台13用于承载待键合的芯片7，芯片摆臂机构12通过电机驱动，配合芯片翻转头11在水平方向上做圆周运动，芯片翻转头11通过将芯片载台13的芯片7拾取并翻转传输至键合头16，实现芯片7的传输；
49.进一步地，键合运动机构14包括；键合头反射镜15；键合头16；键合头旋转电机17；真空管18；键合驱动电机19。其中，键合驱动电机19驱动键合头16只做竖直方向运动，键合头旋转电机17可控制键合头16的微角度旋转，真空管18可控制真空的通断，实现芯片7的拾取和放置，键合头反射镜15相对于水平方向倾斜45
°
，用于获取芯片7和基板6的位置信息，键合头16采用通孔设计，可使键合头反射镜15透过键合头16获取画面信息；
50.具体地，相机系统20包括下视相机21，相机反射镜22和相机移动机构23。其中，相机反射镜22与键合头反射镜15平行放置，且相机反射镜22的中心与键合头反射镜15的中心水平高度相等。相机反射镜22用于反射键合头反射镜15获取的画面信息，相机移动机构23可以在水平方向移动相机系统20，通过下视相机21的成像调整最佳距离，且不会改变相机反射镜22相对于水平方向为45
°
的位置。
51.具体地，芯片定位标记8，基板的定位标记9添加标记点的方法不限于tsv技术，且
标记点的形状不限于十字形、矩形或圆形。
52.下面具体描述根据本发明实例的高精密芯片装片设备的工作过程。
53.首先，如图3所示，芯片传输机构10从芯片载台13上拾取芯片7，通过芯片摆臂机构12和芯片翻转头11的配合，将芯片7传递至键合头16的下方，键合头16下降，并通过真空管18通真空，实现芯片7的拾取。
54.然后，如图2所示，键合运动机构14驱使键合头16拾取芯片7后，芯片传输机构10离开键合区域，下视相机21通过相机反射镜22和键合头反射镜15获取芯片7和基板6的画面信息。
55.最后，如图4和图5所示，通过键合头16通孔设计，可获取芯片定位标记8和基板定位标记9的位置信息，先通过xy运动底座2对位置进行宏观对准，再利用x向压电纳米台4和y向压电纳米台5进行微观对准，期间利用系统软件自动完成，最终使其δx1＝δx2，δy1＝δy2＝0，完成对准并键合。
56.本发明提供的芯片装片设备，因其相机系统20的合理设计，将下视相机21分别置于两侧，无需使用上视相机，键合高度即可降低至微米级，实现了所见即所得的高精密对准精度，将装片精度提升至纳米级别。仅使用一套对称的相机系统20，即可完成对准，无需进行多次对准，极大提升了生产效率。此外，本发明装片完成后，相机系统20通过拍照可以检验装片精度，检验结果即可用来检验精度，也可以用于键合头16误差的补偿，从而将装片精度形成闭环监控，获得可靠性生产。
57.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。