CN103367175A - 一种用于芯片倒装的多自由度键合头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于芯片倒装的多自由度键合头，包括安装立板、对准机构和调平机构，其中对准机构包括纵向设置在安装立板上部的Z向模组和横向设置在Z向模组上的支架，并在Z向电机和旋转电机的配合驱动下实现键合头相对于Z轴方向的对准运动；调平机构包括固定设置在支架下侧的上平台、带有吸嘴的下平台和设置在上下平台之间的三个支链结构，其中调平中心链的两端分别通过转动副与上下平台相连，分布在中心链两侧的两个调平侧链各自配备有作为调节动力输入的移动副，且其上下端分布通过多个转动副与上下平台相连。通过本发明，可以较好地实现调平机构与对准机构之间的相互配合，同时具备结构紧凑、便于操控、高刚度和高精度等特点。

Description

一种用于芯片倒装的多自由度键合头

技术领域

本发明属于半导体封装技术领域，更具体地，涉及一种用于芯片倒装的多自由度键合头。

背景技术

芯片倒装（Flip Chip）技术是半导体芯片以凸点阵列结构与基板直接键合互连的一种封装工艺方法。与引线键合等芯片互连技术相比，由于倒装技术由于在尺寸、外观、柔性、可靠性、精度以及成本等方面有很大的优势，因而在近年来正成为高端器件及高密度封装领域中经常采用的封装形式。

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），必须在键合工艺（热声、热压焊等）之前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），相应需要开发出更高定位精度（±4μm）、更大键合压力（400N）的倒装键合设备。如果焊接前芯片和基板不平行，将导致芯片和基板因受力不均而产生变形，从而影响焊接的质量；同样，若焊接前芯片和基板没有对准或对准精度太低，将会极大地影响焊接后的电气特性。因此，具有快速、高精调平和对准功能的多自由度键合头是自动倒装贴片机的关键部件之一，也是其研发难点之一。

现有技术中已经研发的一些倒装键合设备中，大都是以被动调节为主的调平机构。比如karl suss公司开发的FC250倒装键合设备，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，相应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。因此，相关领域中亟需寻找更为完善的倒装键合设备，以便在键合过程中实现芯片与基板之间的高精度调平与对准操作。

发明内容

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芯片倒装的多自由度键合头，其中通过对其关键元件的组成及其设置方式进行设计，可以较好地实现调平机构与对准机构之间的相互配合，避免两种操作之间的相互影响，同时具备结构紧凑、便于操控、高刚度和高精度等特点，因而尤其适用于半导体芯片的倒装键合用途。

按照本发明，提供了一种用于芯片倒装的多自由度键合头，该多自由度键合头包括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，其特征在于：

所述对准机构包括Z向模组、Z向电机、支架和旋转马达，其中Z向模组纵向设置在安装立板的上部，并在Z向电机的驱动下可沿着Z轴方向来回移动；支架横向设置在Z向模组上并随其一同移动，此外，该支架还配备有旋转马达，由此在旋转马达的驱动下可绕着Z轴方向旋转；

所述调平机构包括上平台、下平台以及设置在上下平台之间的三个支链结构也即调平中心链和分别位于该调平中心链两侧的调平左侧链和调平右侧链，其中上平台固定设置在所述支架的下侧，下平台的下端安装有用于拾取/贴放芯片的吸嘴；调平中心链的两端分别通过第一和第二转动副与上下平台相连；调平左侧链的上端通过第三转动副与上平台相连，中部配备有作为调节动力输入环节的移动副，其下端依次通过第四和第五转动副与下平台相连；调平右侧链的上端通过第六转动副与上平台相连，中部配备有作为调节动力输入环节的移动副，其下端依次通过第七和第八转动副与下平台相连；并且对上述八个转动副而言，第一、第三、第四和第六移动副设置为可绕着X轴方向转动，而第二、第五、第七和第八移动副设置为可绕着Y轴方向转动。

作为进一步优选地，所述调平右侧链和调平左侧链中的移动副具备相同的结构：这些移动副各自包括安装板、导轨、音圈电机和U型板，其中音圈电机的上端通过U型板与对应的转动副相连，其下端固定在安装板上且与对应的转动副相连；安装板和U型板之间则通过导轨彼此相连。

作为进一步优选地，所述移动副还包括设置在U型板一侧的光栅尺组件，该光栅尺组件用于实时测量及反馈音圈电机的位置，并通过外接的控制器对音圈电机执行精密位置控制，以此方式实现对移动副的位移控制功能。

作为进一步优选地，所述吸嘴还配备有力传感器，以便实时测量及反馈芯片的键合力。

总体而言，按照本发明的多自由度键合头与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对键合头关键调整部件的设置方式进行设计并将调平机构布置在对准机构的后端，相应可以较好地执行它们之间的相互配合，减小调平和对准两种操作之间的相互影响，避免对芯片的损伤，并有助于提高整体的定位精度；

2、按照本发明所构建的调平机构及其移动副具体结构，其运动性能良好、便于加工和装配，调平过程为主动调平且动态效应好，实践测试表明能够高频响、高精确地执行调平过程；

3、按照本发明的多自由度键合头可以顺利实现贴片过程中对准、调平和键合所需的空间自由度，同时具备整体结构紧凑、便于操控、高刚度和高精度等特点，因而尤其适用于半导体芯片的倒装键合用途。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例所构建的多自由度键合头的整体结构示意图；

图2是图1中所示调平机构的结构示意图；

图3是按照本发明优选实施例所构建的移动副结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

100-吸嘴 200-力传感器 300-调平机构 310-下平台 320-调平支链 330-移动副 331-安装板 332-导轨 333-光栅尺组件 334-U 型板335-音圈电机 336-极限位传感器 340-上平台 350-调平中心链360-移动副 370-调平支链 500-支架 600-Z 向电机 700-Z 向模组800-安装立板 a-第二移动副 b-第八移动副 c-第七移动副 d-第六移动副 e-第一移动副 f-第三移动副 g-第四移动副 h-第五移动副

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明优选实施例所构建的多自由度键合头的整体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的用于芯片倒装的多自由度键合头主要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。

具体而言，对准机构整体呈串联式结构，并包括Z向模组700、Z向电机600、支架500和旋转马达400等，其中Z向模组700譬如通过凹槽纵向设置在安装立板800的上部，并在与之相连的Z向电机600的驱动下可沿着Z轴方向来回移动；支架500横向设置在Z向模组700上向外突出，由此它自身及其安装其上的其他部件一同随着Z向模块沿着Z轴方向上来回移动，此外，该支架500还配备有旋转马达400，由此在旋转马达400的驱动下支架500自身以及安装其上的其他部件可绕着Z轴方向旋转，以此方式执行芯片与基板之间的对准操作。

具体参见图2中所示，调平机构主要包括上平台340、下平台310以及设置在上下平台之间的三个支链结构也即调平中心链350、和分别位于该调平中心链350两侧的调平左侧链和调平右侧链，整体构成了一种并联式主动调平机构。其中，上平台340固定设置在支架500的下侧，下平台310的下端安装有用于拾取/贴放芯片的吸嘴100，这样当支架500在Z向电机600和旋转马达400的驱动下实现Z轴方向的移动和绕着Z轴方向的转动时，相应会带动与之相连的上下平台及其附件一同运动；对于执行调平操作的其他关键部件而言，调平中心链500的两端分别通过第一转动副e和第二转动副a与上下平台相连；位于调平中心链500左侧的调平左侧链的上端通过第三转动副f与上平台340相连，中部配备有作为调节动力输入环节的移动副360，其下端依次通过第四转动副g和第五转动副h（这两个转动副相应构成了一个调平支链370）与下平台310相连；与此相类似地，位于调平中心链500右侧的调平右侧链的上端通过第六转动副d与上平台340相连，中部配备有作为调节动力输入环节的移动副330，其下端依次通过第七转动副c和第八转动副b（这两个转动副相应构成了一个调平支链330）与下平台410相连；此外，对上述八个转动副而言，第一移动副e、第三移动副f、第四移动副g和第六移动副d被设置为可绕着X轴方向转动，而第二移动副a、第五移动副h、第七移动副c和第八移动副b被设置为可绕着Y轴方向转动。

当需要执行调平操作时，由于上平台340与支架500固定相连，故当调平右侧链结构中的移动副330产生位移时，会带动下平台310绕着X轴转动，而不会产生绕Y轴的转动。与此类似地，当调平左侧链结构中的移动副360产生位移时，下平台310会绕着Y轴转动，而不产生绕X轴的转动。两个移动副330和360共同作用，从而可以顺利实现X、Y方向的调平。

按照本发明的一个优选实施方式，如图3中所示，所述移动副330和360具备相同的结构，它们各自包括安装板331、导轨332、音圈电机335和U型板334，其中音圈电机335的上端通过U型板334与对应的转动副（对于移动副330而言，即与第六移动副d相连；而对于移动副360而言，即与第三移动副f相连）相连，音圈电机335的下端则固定在安装板331上且与对应的转动副（对于移动副330而言，即与第七移动副c直接相连；而对于移动副360而言，即与第四移动副g直接相连）相连；安装板331和U型板334之间则通过精密微型的导轨332彼此相连，并可安装有极限位传感器336。此外，为了进一步保证移动副的微小位移的精度，还可以优选在U型板一侧设置有光栅尺组件333，该光栅尺组件譬如由光栅尺、读数头和零位等组成，其用于实时测量及反馈音圈电机335的位置，并通过外接的控制器对音圈电机执行精密位置控制，以此方式实现对移动副的位移控制功能。

按照本发明的另一优选实施方式，所述吸嘴100还可以配备有力传感器200，以便实时测量及反馈芯片的键合力，完成力控功能。

综上所述，按照本发明的多自由键合头可以较好地执行调平机构与对照机构之间的相互配合，避免两种操作之间的相互影响；此外还可以实现倒装贴片过程中对准、调平和键合所需的空间自由度，同时具备结构紧凑、便于操控、实时快速解析、高刚度和高精度等特点，因而尤其适用于半导体芯片的倒装键合用途。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于芯片倒装的多自由度键合头，该多自由度键合头包括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，其特征在于：

所述对准机构包括Z向模组（700）、Z向电机（600）、支架（500）和旋转马达（400），其中Z向模组（700）纵向设置在安装立板（800）的上部，并在Z向电机（600）的驱动下可沿着Z轴方向来回移动；支架（500）横向设置在Z向模组（700）上并随其一同移动，此外，该支架（500）还配备有旋转马达（400），由此在旋转马达（400）的驱动下可绕着Z轴方向旋转；

所述调平机构包括上平台（340）、下平台（310）以及设置在上下平台之间的三个支链结构也即调平中心链（350）和分别位于该调平中心链两侧的调平左侧链和调平右侧链，其中上平台（340）固定设置在所述支架（500）的下侧，下平台（310）的下端安装有用于拾取/贴放芯片的吸嘴（100）；调平中心链（350）的两端分别通过第一和第二转动副（e，a）与上下平台相连；调平左侧链的上端通过第三转动副（f）与上平台相连，中部配备有作为调节动力输入环节的移动副（360），其下端依次通过第四和第五转动副（g，h）与下平台相连；调平右侧链的上端通过第六转动副（d）与上平台相连，中部配备有作为调节动力输入环节的移动副（330），其下端依次通过第七和第八转动副（c，b）与下平台相连；并且对上述八个转动副而言，第一、第三、第四和第六移动副（e,f,g,d）设置为可绕着X轴方向转动，而第二、第五、第七和第八移动副（a,h,c,b）设置为可绕着Y轴方向转动。

2.如权利要求1所述的多自由度键合头，其特征在于，所述调平右侧链和调平左侧链中的移动副（330,360）具备相同的结构：这些移动副各自包括安装板（331）、导轨（332）、音圈电机（335）和U型板（334），其中音圈电机（335）的上端通过U型板（334）与对应的转动副（d，f）相连，其下端固定在安装板（331）上且与对应的转动副（c，g）相连；安装板（331）和U型板（334）之间则通过导轨（332）彼此相连。

3.如权利要求1或2所述的多自由度键合头，其特征在于，所述移动副（330,360）优选还包括设置在U型板一侧的光栅尺组件（333），该光栅尺组件（333）用于实时测量及反馈音圈电机（335）的位置，并通过外接的控制器对音圈电机执行精密位置控制，以此方式实现对移动副的位移控制功能。

4.如权利要求1-3任意一项所述的多自由度键合头，其特征在于，所述吸嘴（100）优选还配备有力传感器（200），以便实时测量及反馈芯片的键合力。

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