CN103817688B - 多功能单芯片键合作业手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能单芯片键合作业手，包括作业手爪、显微视觉、XYZ轴运动平台、旋转轴运动平台、支撑体，XYZ轴运动平台为3维坐标运动机构，用于带动显微视觉和作业手抓做3维运动；旋转轴运动平台与XYZ轴运动平台的Z轴相连接，用于带动作业手抓实现旋转运动；作业手爪位于旋转轴运动平台下方，用于实现芯片的抓取；显微视觉与XYZ轴运动平台的Z轴相连接，用于实现芯片位姿捕捉，进而为作业手抓提供芯片位姿信息；支撑体用于支撑所述XYZ轴运动平台。本发明降低了工艺难度和作业人员素质要求，提升了键合整体质量和成品率。

Description

多功能单芯片键合作业手

技术领域

本发明涉及MEMS装配封装技术领域，特别是涉及一种多功能单芯片键合作业手。

背景技术

随着MEMS技术的发展，为满足高性能、多样化、小批量的市场需求，MEMS传感器封装逐渐从晶圆-晶圆级朝晶圆-芯片级、芯片-芯片级方向发展。单一应用当前的阳极键合、粘胶、共晶键合工艺已经逐渐不能满足高性能芯片封装发展的需求，超声、等离子体、激光、UV光等多种能场逐渐与传统的键合方式融合，形成复合键合方式。

当前复合键合是将多个工艺步骤分布在不同设备上完成的，这种在不同设备上分步工艺方法存在如下问题：

第一，需要设备成本高；

第二，工艺难度大，分步工艺转移过程无法精确控制，进而对键合质量和性能增加了不可控因素；

第三，对操作人员技能要求增加，提高了人员成本。

因此，针对上述技术问题，需要提出一种多功能单芯片键合作业手。

发明内容

有鉴于此，本发明将将显微视觉、多自由度关节、键合界面调平关节、真空吸附、键合电极、压力控制机构等功能集成，提供了一种多功能单芯片键合作业手。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种多功能单芯片键合作业手，其包括作业手爪、显微视觉、XYZ轴运动平台、旋转轴运动平台、支撑体，其中：

XYZ轴运动平台为3维坐标运动机构，用于带动显微视觉和作业手爪做3维运动；

旋转轴运动平台与XYZ轴运动平台的Z轴相连接，用于带动作业手爪实现旋转运动；

作业手爪位于旋转轴运动平台下方，用于实现芯片的抓取；

显微视觉与XYZ轴运动平台的Z轴相连接，用于实现芯片位姿捕捉，进而为作业手爪提供芯片位姿信息；

支撑体用于支撑所述XYZ轴运动平台。

作为本发明的进一步改进，所述作业手爪包括连接于旋转轴运动平台上的线性轴承、安装于线性轴承下方的调平机构、以及安装于线性轴承外围的缓冲弹簧和力传感器，所述力传感器上端与旋转轴运动平台连接，力传感器下端与线性轴承连接，线性轴承下端与调平机构连接，用于带动调平机构在力传感器内部上下移动。

作为本发明的进一步改进，所述调平机构包括转接螺母、弹性气管、锁紧螺母、可动气爪、金属气管和球形键合压头，其中：

弹性气管、金属气管和球形键合压头在线性轴承上从上至下安装设置；

可动气爪安装于弹性气管、金属气管和球形键合压头的外围，可动气爪外侧部分设置为圆锥形面；

锁紧螺母安装于可动气爪外围，锁紧螺母具有与可动气爪对应设置的圆锥形孔；

转接螺母上下两端分别与线性轴承和可动气爪固定安装。

作为本发明的进一步改进，所述线性轴承包括内轴和外轴，所述转接螺母上端与线性轴承的内轴固定安装，弹性气管、金属气管和球形键合压头在线性轴承的内轴上从上至下安装设置。

作为本发明的进一步改进，所述可动气爪上端为外螺纹，中间为圆锥型面，内部为圆柱内孔，下端为用于容纳球形键合压头的球形内腔，可动气爪的外表面上设有若干开口缝。

作为本发明的进一步改进，所述开口缝的数量设置为两个或两个以上。

作为本发明的进一步改进，所述球形键合压头内部开有内孔，下方的键合工作面上开有若干吸附小孔。

本发明将显微视觉、多自由度关节、键合界面调平关节、真空吸附、键合电极、压力控制机构等功能集成在作业手上，在同一工位上实现单芯片MEMS传感器与管座或衬底的界面处理、对准、调平和封装作业，降低了工艺难度和作业人员素质要求，提升了键合整体质量和成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本发明一具体实施方式中多功能单芯片键合作业手的立体结构示意图，图1b为图1a中的局部放大示意图；

图2a、2b分别为本发明一具体实施方式中作业手爪的侧视结构示意图和剖视结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式中调平机构的剖视结构示意图；

图4a、4b分别为本发明一具体实施方式中可动气爪的侧视结构示意图和仰视结构示意图；

图5为本发明一具体实施方式中球形键合压头的立体结构示意图；

图6为本发明一具体实施方式中芯片-芯片键合的工艺流程图；

图7为本发明另一具体实施方式中芯片-晶圆键合的工艺流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种多功能单芯片键合作业手，该作业手将显微视觉、多自由度关节、键合界面调平关节、真空吸附、键合电极、压力控制机构等功能进行有机集成，利用该作业手可完成芯片级键合过程中的芯片搬运、对准、调平、压力控制、键合等作业，用以解决单芯片键合封装过程中的多环节处理问题。

参图1a、1b所示，在本发明的一具体实施方式中，多功能单芯片键合作业手包括作业手爪10、显微视觉20、XYZ轴运动平台30、旋转轴运动平台40、支撑体50，其中：

XYZ轴运动平台30为3维坐标运动机构，包括X轴运动平台31、Y轴运动平台32、以及Z轴运动平台33，分别用于带动显微视觉和作业手爪做3维运动；

旋转轴运动平台40与XYZ轴运动平台30的Z轴相连接，用于带动作业手爪10实现旋转运动；

作业手爪10位于旋转轴运动平台40下方，用于实现芯片的抓取；

显微视觉20与XYZ轴运动平台30的Z轴相连接，用于实现芯片位姿捕捉，进而为作业手爪提供芯片位姿信息；

支撑体50用于支撑所述XYZ轴运动平台30。

参图2a、2b所示，作业手爪10包括连接于旋转轴运动平台上的线性轴承11、安装于线性轴承下方的调平机构12、以及安装于线性轴承外围的缓冲弹簧13和力传感器14，力传感器14上端圆台与旋转轴运动平台40的内孔连接，力传感器14下端与线性轴承11连接，线性轴承11下端与调平机构12连接，线性轴承11用于带动调平机构12在力传感器14内部上下移动。线性轴承包括内轴和外轴，线性轴承14的内轴下端外表面穿有缓冲弹簧13，当线性轴承14的内轴向下运动时，缓冲弹簧13受力，缓冲下降速度与力。

参图3所示，调平机构12包括转接螺母121、弹性气管122、锁紧螺母123、可动气爪124、金属气管125和球形键合压头126，其中：

弹性气管122、金属气管125和球形键合压头126在线性轴承11上从上至下安装设置；

可动气爪124安装于弹性气管122、金属气管125和球形键合压头126的外围，可动气爪外侧部分设置为圆锥形面；

锁紧螺母123安装于可动气爪124外围，锁紧螺母具有与可动气爪对应设置的圆锥形孔，与可动气爪外表面圆锥形面配合，上端为内螺纹，工作中其内螺纹与可动气爪外螺纹连接，当锁紧螺母向下旋转时，其圆锥形孔压紧可动气爪，使可动气爪有指向轴心的力；

转接螺母121上下两端通过内螺纹分别与线性轴承11内轴和可动气爪124外螺纹固定安装。

参图4a、4b所示，可动气爪124上端为外螺纹1241，中间为圆锥型面1242，内部为圆柱内孔1243，下端为用于容纳球形键合压头的球形内腔1244，可动气爪的外表面上设有若干开口缝1245，优选地，本实施方式中开口缝的数量设置为4个。

可动气爪工作时锁紧螺母向下运动，圆锥形面压紧可动气爪圆锥形面，可实现可动气爪的加紧，因此将球形键合压头锁紧。调节时松开锁紧螺母，整个作业手运动到另一键合面上并轻压，保证两键合面完全压实、平行，然后再锁紧锁紧螺母，将球形键合压头的位姿固定在可动气爪球形腔体内，从而完成调平功能。

参图5所示，球形键合压头126内部开有内孔1261，下方的键合工作面上开有若干吸附小孔1262。搬运工作中，通过管路实现球形键合压头对微纳器件的吸附操作，键合作业时，通过XYZ轴运动平台、旋转轴运动平台和力传感器对键合面施加压力。

本发明多功能单芯片键合作业手可实现芯片-芯片阳极键合、芯片-晶圆阳极键合、芯片-芯片粘胶键合、芯片-晶圆粘胶键合、芯片-芯片热压键合、芯片-晶圆热压键合等多种键合方法与等离子表面处理技术的复合。

参图6所示，本发明一具体实施方式中，芯片-芯片键合具体工艺流程如下：

1、功能参数设置，设置作业手的运动速度、力、视觉调准、键合面调平、位置关系参数、键合参数等。

2、通过显微视觉记录A芯片位姿；

3、作业手拾取A芯片，放置到工艺平台上，并装夹固定好。

4、通过显微视觉记录B芯片位姿；

5、作业手拾取B芯片；

6、Z轴运动调整高度进行等离子体表面处理；

7、4轴运动并根据A芯片位姿调整B芯片位姿；

8、Z轴运动完成A芯片B-芯片键合；

9、下料。

参图7所示，本发明另一具体实施方式中，芯片-晶圆键合具体工艺流程如下：

1、功能参数设置，设置作业手的运动速度、力、视觉调准、键合面调平、位置关系参数、键合参数等。

2、通过显微视觉记录晶圆位姿；

3、通过显微视觉记录芯片位姿；

4、作业手拾取芯片；

5、Z轴运动调整高度进行等离子体表面处理；

6、4轴运动并根据晶圆位姿调整芯片位姿；

7、Z轴运动完成键合；

8、下料。

由以上技术方案可以看出，本发明多功能单芯片键合作业手基于集成化思想，将显微视觉、多自由度关节、键合界面调平关节、真空吸附、键合电极、压力控制机构等功能集成在作业手上，在同一工位上实现单芯片MEMS传感器与管座或衬底的界面处理、对准、调平和封装作业，降低了工艺难度和作业人员素质要求，提升了键合整体质量和成品率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种多功能单芯片键合作业手，其特征在于，其包括作业手爪、显微视觉、XYZ轴运动平台、旋转轴运动平台、支撑体，其中：

XYZ轴运动平台为3维坐标运动机构，用于带动显微视觉和作业手爪做3维运动；

旋转轴运动平台与XYZ轴运动平台的Z轴相连接，用于带动作业手爪实现旋转运动；

作业手爪位于旋转轴运动平台下方，用于实现芯片的抓取，其中，所述作业手爪包括连接于旋转轴运动平台上的线性轴承、安装于线性轴承下方的调平机构、以及安装于线性轴承外围的缓冲弹簧和力传感器，所述力传感器上端与旋转轴运动平台连接，力传感器下端与线性轴承连接，线性轴承下端与调平机构连接，用于带动调平机构在力传感器内部上下移动；

显微视觉与XYZ轴运动平台的Z轴相连接，用于实现芯片位姿捕捉，进而为作业手爪提供芯片位姿信息；

支撑体用于支撑所述XYZ轴运动平台。

2.根据权利要求1所述的多功能单芯片键合作业手，其特征在于，所述调平机构包括转接螺母、弹性气管、锁紧螺母、可动气爪、金属气管和球形键合压头，其中：

弹性气管、金属气管和球形键合压头在线性轴承上从上至下安装设置；

可动气爪安装于弹性气管、金属气管和球形键合压头的外围，可动气爪外侧部分设置为圆锥形面；

锁紧螺母安装于可动气爪外围，锁紧螺母具有与可动气爪对应设置的圆锥形孔；

转接螺母上下两端分别与线性轴承和可动气爪固定安装。

3.根据权利要求2所述的多功能单芯片键合作业手，其特征在于，所述线性轴承包括内轴和外轴，所述转接螺母上端与线性轴承的内轴固定安装，弹性气管、金属气管和球形键合压头在线性轴承的内轴上从上至下安装设置。

4.根据权利要求2所述的多功能单芯片键合作业手，其特征在于，所述可动气爪上端为外螺纹，中间为圆锥型面，内部为圆柱内孔，下端为用于容纳球形键合压头的球形内腔，可动气爪的外表面上设有若干开口缝。

5.根据权利要求4所述的多功能单芯片键合作业手，其特征在于，所述开口缝的数量设置为两个或两个以上。

6.根据权利要求2所述的多功能单芯片键合作业手，其特征在于，所述球形键合压头内部开有内孔，下方的键合工作面上开有若干吸附小孔。