键合头、芯片键合机和键合方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种键合头、芯片键合机和键合方法。


背景技术：

2.倒装芯片键合机(flip chip bonder,fcb)是倒装芯片生产线中后道封装工序的关键设备，其功能是完成封装内部芯片与基板之间的面阵列凸点互联。倒装芯片是将芯片正面(制作ic电路的面)向下与基板连接的一种封装方式。
3.随着半导体技术的发展，对芯片与基板之间键合的精度要求也随之提高。芯片与基板之间的平行度是影响芯片与基板之间键合精度的重要因素之一。若芯片与基板键合时，两者的平行度误差过大，则不仅影响键合精度，而且会导致键合压力分布不均匀。部分芯片因受力过大而导致损坏，部分芯片因压力过小而影响键合效果。
4.传统技术中，通常通过人工调整的方式调整芯片与基板之间的平行度。但人工调整的方式不仅对调整人员要求高，且调整的精度及效率都比较低。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对如何提高芯片与基板键合时的精度及效率问题，提供一种键合头、芯片键合机和键合方法。
6.一种键合头，所述键合头包括：拾取组件、多个柔性体及多个控制件，所述拾取组件用于拾取芯片，所述柔性体包括第一连接端和第二连接端，多个所述柔性体的所述第一连接端均与所述拾取组件连接，多个所述柔性体的所述第二连接端分别对应地与多个所述控制件连接
7.在其中一个实施例中，所述键合头还包括与所有所述第一连接端连接的第一承载板以及与所有所述第二连接端连接的第二承载板，所述拾取组件设于所述第一承载板上远离所述第一连接端的一侧，所述控制件与所述第二承载板连接用于控制第一承载板与第二承载板之间的距离。
8.在其中一个实施例中，所述控制件包括驱动件、控制轴，所述驱动件与所述控制轴连接用于驱动所述控制轴转动，所述第二承载板上开设有配合孔，所述控制轴穿设于所述配合孔，所述控制轴上设有第一螺纹，所述配合孔的孔壁上设有与所述第一螺纹配合的第二螺纹。
9.在其中一个实施例中，所述键合头还包括多个读数头及多个光栅尺，所有所述读数头均设于所述第二承载板上，所述读数头的数量与所述光栅尺的数量相同，所述读数头一一对应地对着所述光栅尺。
10.在其中一个实施例中，所述拾取组件还包括加热组件，所述加热组件设于所述第一承载板上远离所述柔性体的一侧，所述加热组件与所述芯片连接用于将所述芯片加热至共晶温度。
11.在其中一个实施例中，所述拾取组件还包括隔热件，所述隔热件设于所述加热组
件与所述第一承载板之间。
12.在其中一个实施例中，所述控制件与所述柔性体的数量相同，所述控制件一一对应地与所述第二连接端连接。
13.在其中一个实施例中，所述键合头还包括多个压力传感器，所述压力传感器与所述控制件电性连接，所述压力传感器一一对应地设于所述柔性体上，所述压力传感器用于检测所述第一连接端与所述第二连接端的压力。
14.一种芯片键合机，用于使芯片与基板键合，所述芯片键合机包括：
15.如上述各实施例中任意一项实施例所述的键合头，所述键合头用于拾取所述芯片；
16.驱动装置，与所述键合头连接，所述驱动装置用于驱动所述键合头靠近所述基板，所述驱动装置还能够调整所述键合头的空间位置。
17.一种根据上述实施例所述的芯片键合机的键合方法，所述键合方法包括：
18.所述拾取组件拾取所述芯片；
19.所述驱动装置驱动所述键合头靠近所述基板，直至所述芯片与所述基板接触并保持贴合；
20.通过多个所述控制件分别调整其所对应的所述控制件的所述第一连接端与所述第二连接端之间的距离，直至任意一个所述控制件的所述第一连接端与所述第二连接端之间的压力均相等；
21.所述控制件调整并锁定所述第一连接端与所述第二连接端之间的距离。
22.上述键合头，拾取组件用于拾取芯片。当芯片随键合头运动至与基板键合时，基于基板对芯片的反作用力，柔性体会发生变形。由于柔性体的两端分别与拾取组件及控制件连接，且引起柔性体变形的力由拾取组件传递给柔性体。也就是说，柔性体的最主要变形发生在由第一连接端指向第二连接端的方向上。又由于控制件能够控制第一连接端与第二连接端之间的距离。也就是说，控制件能够控制柔性体的变形量。
23.如上述内容主要用于说明控制件与柔性体之间的控制关系。可以理解的是，由于多个柔性体的第二连接端分别对应的与多个控制件连接，故多个控制件能够分别控制多个柔性体的变形量。
24.如此设置，当芯片以不平行于基板的姿态与基板接触时。由于柔性体用于连接拾取组件，且柔性体具有能够变形的自适应能力。从而，芯片能够基于柔性体自适应能力，与基板保持全面贴合。可以理解的是，此时芯片与基板保持平行。
25.随后，通过控制件调整其所对应的柔性体的变形量，以使基板施加给各个柔性体的反作用力均相同。即，通过调整柔性体的变形量，能够使芯片各个区收到柔性体反作用力的大小相同。则，此时撤销上述反作用力时，芯片也能够与基板保持平行。换言之，通过控制件调整其所对应的柔性体的变形量，能够使芯片与基板分离时，芯片也能够与基板保持平行。
附图说明
26.图1为一实施例提供的芯片键合机的轴侧示意图；
27.图2为图1所示芯片键合机中键合头的轴侧示意图；
28.图3为图2所示键合头中柔性体与第一承载板及第二承载板连接关系的简易剖视示意图；
29.图4为图2中a的局部放大图。
30.附图标记：10、芯片键合机；100、键合头；110、拾取组件；111、加热组件；112、隔热件；120、柔性体；121、第一连接端；122、第二连接端；130、控制件；131、控制轴；132、驱动件；140、固定架；150、第一承载板；160、第二承载板；161、配合孔；170、读数头；200、驱动装置；20、芯片。
具体实施方式
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
33.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
37.参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的芯片键合机的轴侧示意图，本发明一实施例提供了的芯片键合机10用于使芯片20与基板(图未示，下同)键合。芯片键合机10包括
键合头100、驱动装置200。键合头100用于拾取芯片20。驱动装置200与键合头100连接，驱动装置200能够调整键合头100的空间位置，以使芯片20与基板对齐。并且，键合头100还能够提供芯片20与基板键合时所需的压力。
38.具体地，结合图1，驱动装置200通过键合头100驱动芯片20靠近基板的方向参见图1中z轴。即，驱动装置200通过键合头100驱动芯片20沿z轴靠近基板，且驱动装置200能够提供z轴方向的压力以使芯片20与基板键合。
39.进一步的，驱动装置200还能够用于调整芯片20相对基板在x轴、y轴及θ方向上的位置，以确保芯片20沿z轴靠近基板时能够与基板接触。
40.请参阅图2并结合图3，在一个实施例中，键合头100包括固定架140、拾取组件110、多个柔性体120及多个控制件130。拾取组件110用于拾取芯片20。柔性体120包括第一连接端121和第二连接端122。多个柔性体120的第一连接端121均与拾取组件110连接。多个柔性体120的第二连接端122分别对应地与多个控制件130连接。控制件130能够控制第一连接端121与第二连接端122之间的距离。
41.上述键合头100，拾取组件110用于拾取芯片20。当芯片20随键合头100运动至与基板键合时，基于基板对芯片20的反作用力，柔性体120会发生变形。由于柔性体120的两端分别与拾取组件110及控制件130连接，且引起柔性体120变形的力由拾取组件110传递给柔性体120。也就是说，柔性体120的最主要变形发生在由第一连接端121指向第二连接端122的方向上。又由于控制件130能够控制第一连接端121与第二连接端122之间的距离。也就是说，控制件130能够控制柔性体120的变形量。可以理解的是，柔性体120可以沿z轴方向延伸，即柔性体120的延伸方向与驱动装置200驱动芯片20键合的方向相同。
42.如上述内容主要用于说明控制件130与柔性体120之间的控制关系。可以理解的是，由于多个柔性体120的第二连接端122分别对应的与多个控制件130连接，故多个控制件130能够分别控制多个柔性体120的变形量。
43.如此设置，当芯片20以不平行于基板的姿态与基板接触时。由于柔性体120用于连接拾取组件110，且柔性体120具有能够变形的自适应能力。从而，芯片20能够基于柔性体120自适应能力，与基板保持全面贴合。可以理解的是，此时芯片20与基板保持平行。
44.随后，通过控制件130调整其所对应的柔性体120的变形量，以使基板施加给各个柔性体120的反作用力均相同。即，通过调整柔性体120的变形量，能够使芯片20各个区收到柔性体120反作用力的大小相同。则，此时撤销上述反作用力时，芯片20也能够与基板保持平行。换言之，通过控制件130调整其所对应的柔性体120的变形量，能够使芯片20与基板分离时，芯片20也能够与基板保持平行。
45.上述键合头100，由于控制件130调整芯片20与基板平行度时，芯片20与基板保持全面贴合，即此时芯片20与基板完全平行。故由此调节所得到的芯片20与基板之间的平行度精度更高。并且，仅需调整多个柔性体120第一连接端121与第二连接端122的距离，即可使芯片20与基板平行，调节方式更加简单，调节效率更高。
46.应当理解的是，本实施例所述的平行度指的是芯片20与基板上用于与彼此键合的两个面之间平行的程度。即上述两个面夹角越趋近于零，则平行度越好；反之则越不好。
47.请参阅图3及图4，在一个实施例中，键合头100还包括与所有第一连接端121连接的第一承载板150以及与所有第二连接端122连接的第二承载板160。也就是说，所有的柔性
体120均设于第一承载板150与第二承载板160之间。拾取组件110设于第一承载板150上远离第一连接端121的一侧。控制件130与第二承载板160连接用于控制第一承载板150与第二承载板160之间的距离。如此设置，通过第一承载板150与第二承载板160，将所有的柔性体120均设于第一承载板150与第二承载板160之间，能够使键合头100的结构更加紧凑，防止各个柔性体120的变形不受控制。
48.请继续参阅图3及图4，进一步地，控制件130包括驱动件132、控制轴131。驱动件132与控制轴131连接用于驱动控制轴131转动。第二承载板160上开设有配合孔161。控制轴131穿设于配合孔161。控制轴131上设有第一螺纹(图未示，下同)，配合孔161的孔壁上设有与第一螺纹配合的第二螺纹(图未示，下同)。可以理解的是，控制轴131与第二承载板160通过第一螺纹与第二螺纹的连接，从而控制轴131能够控制第二承载板160的位置。换言之，控制轴131转动时能够使第二承载板160向靠近或远离第一承载板150的方向运动。
49.可以理解的是，键合头100包括多个控制件130。则，通过多控制件130的相互配合，能够调整第二承载板160与第一承载板150的间距。结合上述实施例，由于所有柔性体120均设于第一承载板150与第二承载板160之间，则通过调整第一承载板150与第二承载板160之间的间距就能够间接调整各个柔性体120的第一连接端121与第二连接端122之间的距，即调整柔性体120的变形量。
50.进一步地，控制件130的数量与柔性体120的数量相同。控制件130一一对应地与第二连接端122连接。如此，控制件130能够更加有针对性地调节其所对应的柔性体120。具体地，配合孔161的数量可以与柔性体120的数量相同，并且配合孔161的开设位置也分别对应各个第二连接端122所在的位置。如此，各个控制轴131能够有针对性的对柔性体120的变形量进行控制，以便于提高键合头100调整芯片20与基板之间平行度时的精度。
51.多个柔性体120键合均匀的设于第一承载板150与第二承载板160之间。多个控制件130间隔均匀的设于固定架140上。可以理解的是，固定架140通过控制轴131与第二承载板160连接，以便于控制轴131控制第二承载板160的位置。
52.在一个实施例中，键合头100还包括多个压力传感器(图未示，下同)。压力传感器与控制件130电性连接，压力传感器一一对应地设于柔性体120上。压力传感器用于检测第一连接端121与第二连接端122的压力。如此，能够便于控制件130调整各个柔性体120的压力均相等，以便于调整芯片20与基板平行。
53.在其他的实施例中，控制件130还可以为电动推杆。通过电动推杆的输出轴与第二承载板160连接，以直接控制第二承载板160的位置。
54.在一个实施例中，键合头100还包括多个读数头170及多个光栅尺。所有读数头170均设于第二承载板160上。多个读数头170能够随第二承载板160运动。也就是说，当控制件130调整第一承载板150与第二承载板160之间的间距时，多个读数头170能够间接反映第二承载板160的移动。
55.读数头170的数量与光栅尺的数量相同，读数头170一一对应地对着光栅尺。读数头170对着光栅，当读数头170发生位移时，处于不同位置的读数头170所对应的光栅尺上不同的读数。如此，通过多个读数头170以及与多个读数头170所对应的光栅尺，能够准确得到第二承载板160的移动。可以理解的是，读数头170配合光栅尺读数的方式为现有技术，在此不再赘述。
56.在一个实施例中，读数头170的数量可以与控制件130的数量相同，多个读数头170一一对应地设于多个控制件130与第二承载板160的连接处，以直接反映出控制件130控制第二承载板160运动的距离。结合上述实施例具体而言，控制件130可以设于第二承载板160上，且位于配合孔161孔壁的周缘。
57.结合图2，在一个实施例中，控制件130、柔性体120、读数头170及光栅尺(图未示，下同)的数量可以均为四个。4个控制件130间隔均匀地分布于固定架140上；4个柔性体120间隔均匀地分布第一承载板150与第二承载板160之间；4个读数头170间隔均匀地分布于第二承载板160上，4个光栅尺的位置与读数头170的位置相对应，不再赘述。
58.应当理解的是，对于同一型号的芯片20，其相对于基板的倾斜角度相同。如此，当对某一型号的芯片20调平后，通过记录读数头170所读取的数值，则当再次对同一型号芯片20键合时，无需重复进行调皮过程，根据读数头170所读取的数值调整芯片20的位置即可。如此设置，能够避免重复调平，提高键合效率。
59.请继续参阅图2，在一个实施例中，拾取组件110还包括加热组件111。加热组件111设于第一承载板150上远离柔性体120的一侧。加热组件111与芯片20连接用于将芯片20加热至共晶温度。
60.拾取组件110还包括隔热件112。隔热件112设于加热组件111与第一承载板150之间。应当理解的是，隔热件112的用于隔绝或减少热量的传递。由于隔热件112设于加热组件111与第一承载板150之间，故隔热件112能够避免或降低热量自隔热组件传递至柔性体120。如此设置，能够避免热量影响柔性体120的变形伸缩以及弹性恢复。并且，设置隔热件112能够避免热量散失，保证芯片20能够达到共晶温度，降低能耗。
61.在一个实施例中，一种键合方法。键合方法能够适用于各实施例所述的芯片键合机10。键合方法包括：
62.拾取组件110拾取芯片20；
63.驱动装置200驱动键合头100靠近基板，直至芯片20与基板接触并保持贴合；
64.通过多个控制件130分别调整其所对应的控制件130的第一连接端121与第二连接端122之间的距离，直至任意一个控制件130的第一连接端121与第二连接端122之间的压力均相等；
65.控制件130调整并锁定第一连接端121与第二连接端122之间的距离。
66.可以理解的是，在芯片20尚未与基板接触时，柔性体120处于受重力的自然拉伸状态。而当芯片20与基板接触并贴合时，由于受基板的反作用力，柔性体120处于压缩状态。如此，能够通过多个压力传感器以判断芯片20是否与基板接触，以及判断芯片20是否与基板贴合。
67.同时，还可以通过驱动件132判断芯片20是否与基板接触。具体地，驱动件132可以为电机。当柔性体120将来自基板的反作用力传递至驱动件132时，此时驱动件132驱动第二承载板160移动的阻力增大，从而将导致驱动件132的电流增大。如此，多个驱动件132的电流是否发生较大幅度变化，能够判断芯片20是否与基板接触、贴合。
68.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
69.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。