CN104701222B - 一种面阵凸点植球工艺的补球装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面阵凸点植球工艺的补球装置及方法，补球装置包括放置并定位晶圆(100)的晶圆搭载运动单元(1)，补球搭载运动单元(2)，以及固连在补球搭载运动单元(2)上的视觉CCD单元(70)、点胶单元(80)、锡球除去单元(50)和锡球植放单元(60)，设置在补球搭载运动单元(2)一侧的锡球供给单元(40)、供胶单元(10)、废球收集单元(30)和清洗单元(20)，晶圆搭载运动单元(1)沿Y向移动和Z向升降，补球搭载运动单元(2)沿X向、Y向及Z向移动，并绕Z向转动。与现有技术相比，本发明能够确保植球质量、提高植球效率的面阵凸点植球工艺。
Description
技术领域
本发明涉及植球领域，尤其是涉及一种面阵凸点植球工艺的补球装置及方法。
背景技术
BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip Size Package)和WLP(Wafer Level Package)等面阵凸点封装工艺是市场上主流的封装形式。凸点制造的方法有多种，主要有电镀工艺法、丝网印刷工艺法和植球工艺法。植球工艺法因其低成本、高性能且与SMT(SurfaceMount Technology)兼容性好的优势，被广泛应用于面阵凸点先进封装工艺中。被植球的产品可能出现少球、多球、链球和球偏移等缺陷是植球法突出的缺点。目前，这些缺陷的修复依靠人借助高倍放大镜和真空吸附笔手动完成，效率低下，基板、晶圆等载体存在极大的损坏甚至碎片风险。
人工手动补球有以下不可避免的缺点：
1-人工手动补球，生产效率低，影响产能。
2-人与基板、晶圆等载体直接接触，易污染产品，产品被污染使得产品的质量严重下降。
3-人与基板、晶圆等载体反复接触，特别是晶圆碎片的风险大大增加，一旦发生碎片，代价和损失极高。
4-人手持吸附笔补球，易误动作，破坏原本已植好球的基板、晶圆等载体，造成植球产品重新返工，浪费工时。
5-IC小型化趋势加剧，基板、晶圆等载体所需植球工艺的球径越来越小、球间距越来越细，人手工补球难度越来越大，达到150微米以下球径的情况，人工几乎无法完成。
中国专利CN103730442A公开了带焊球面阵列四边无引脚封装体堆叠封装件及制备方法，包括设有多个凹坑的裸铜框架，正面倒装有带凸点IC芯片，芯片凸点与凹坑之间的填充下填料，裸铜框架上有第一凹槽，第一凹槽两侧形成互不相连的两个引脚；塑封有带凸点的IC芯片，所有引脚下面均有与该引脚相连的连接层，各连接层表面均有锡焊球；第一塑封体上粘有两层IC芯片，该两层IC芯片通过键合线相连接，并通过键合线分别与引脚相连；第二次塑封。但是该专利无法实现补球操作。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种确保植球质量、提高植球效率的面阵凸点植球工艺的补球装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面阵凸点植球工艺的补球装置，包括
放置并定位晶圆的晶圆搭载运动单元，
补球搭载运动单元，以及固连在补球搭载运动单元上的视觉CCD单元、点胶单元、锡球除去单元和锡球植放单元，
设置在补球搭载运动单元一侧的锡球供给单元、供胶单元、废球收集单元和清洗单元，
所述的晶圆搭载运动单元沿Y向移动和Z向升降，
所述的补球搭载运动单元沿X向、Y向及Z向移动，并绕Z向转动。
所述的视觉CCD单元由相机和光源组成，经相机安装板固定在补球搭载运动单元上。
所述的晶圆划分为数个区域，各区域的范围根据相机视野的大小而定
所述的锡球除去单元由自下而上依次连接的锡球除去吸嘴、锡球除去真空管和第一直线轴承组成。
所述的锡球植放单元由自下而上依次连接的锡球植放吸嘴、锡球植放真空管、第二直线轴承以及与视觉CCD单元连接的第一气动滑台组成。
所述的点胶单元由自下而上依次连接的点胶针、连接轴、第三直线轴承和第二气动滑台组成。
所述的供胶单元由供胶盒以及设置在供胶盒内的刮刀、千分尺和位于下方的电机组成；
所述的清洗单元包括相互连接的加热板、加热器和温度传感器；
所述的废球收集单元由导向管和废球收集盒组成；
所述的锡球供给单元由供球板和供球料盒组成。
一种面阵凸点植球工艺的补球方法，采用以下步骤：
(1)启动补球装置，进行产品登陆，确定生产的产品是晶圆、基板或芯片；
(2)根据产品规格，对所需生产的产品进行区域划分；
(3)开启光源，补球搭载运动单元搭载视觉CCD单元对晶圆各个区域进行拍照扫描，拍照扫描完成后关闭光源；
(4)补球装置通过图像处理技术自动缺陷识别，对存在缺陷的区域进行统计，反馈给PLC缺陷区域的少球、多球、链球和球偏移的位置信息和数量；
(5)针对不同的缺陷，补球装置进行缺陷处理；
(6)补球装置完成全部的缺陷处理后，补球搭载运动单元搭载视觉CCD单元对晶圆各个区域进行拍照检测，检测合格，补球过程结束，检测不合格，返回步骤(4)。
发生少球时，采取锡球补上处理方式，
发生多球和链球时，采取锡球除去处理方式，
发生球偏移时，采取先锡球除去再锡球补上处理方式。
所述的锡球补上采用以下流程：
供胶单元的电机驱动刮刀运动，使供胶盒胶面平整,胶的厚度通过千分尺调整；
补球搭载运动单元搭载点胶单元运动到供胶单元上方，第二气动滑台动作，第三直线轴承导向，带动连接轴和点胶针在供胶盒处蘸胶；
补球搭载运动单元搭载点胶单元运动到待点胶位置，在晶圆上点胶，第二气动滑台复位；
补球搭载运动单元搭载锡球植放单元运动到锡球供给单元上方，第一气动滑台动作，第二直线轴承导向，抽真空开启，空气从锡球植放真空管抽出，锡球植放吸嘴垂直插入锡球供给口；
锡球供给单元开启压空，供球料盒由于气流运动，使得锡球呈沸腾状，锡球飞向供球板，于锡球供给口处被锡球植放吸嘴吸附；
补球搭载运动单元搭载着锡球植放单元运动到待补球位置，破真空开启，在晶圆上植球，第一气动滑台复位；
所述的锡球除去采用以下流程：
补球搭载运动单元搭载锡球除去单元运动到待除球位置，第一直线轴承导向，锡球除去单元开启真空，空气从锡球除去真空管抽出，锡球除去吸嘴在晶圆上吸取一个锡球；
补球搭载运动单元搭载锡球除去单元运动到废球收集单元上方，锡球除去吸嘴插入废球投掷口，破真空开启，锡球从导向管掉落至废球收集盒。
补球设备反复处理缺陷，由于胶的粘性和吸水性，点胶单元的点胶针需要定时清洗。清洗单元的加热器给加热板加热，到达指定温度后，由温度传感器反馈PLC，停止加热。补球搭载运动单元搭载着点胶单元运动到清洗单元上方，第二气动滑台动作，第三直线轴承导向，带动连接轴和点胶针于加热板处清洗点胶针。清洗完成，第二气动滑台复位。
晶圆可以是6inch、8inch和12inch尺寸规格，锡球球径为60μm～1000μm。本发明的补球系统不仅可以对晶圆进行单个锡球补球作业，还可以对晶圆上的链球、多球、球偏移等缺陷进行识别并处理。
本发明的补球方法不仅对晶圆植球工艺后补球适用，对芯片和基板植球工艺后补球也同样适用。
本发明的补球方法不仅对球形的锡球适用，还对圆柱形的锡柱同样适用。球形锡球采用气动供给，圆柱形锡柱可以采用振盘供给，每次供给一个锡柱。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1-本发明实现了球径小于150微米的超小球的植球补球工艺，确保植球质量。
2-本发明实现基板、晶圆等载体缺陷识别和补球自动化，效率高。
3-本发明补球完成后，对晶圆等产品进行拍照检测，保证产品零缺陷，提高了产品质量。
4-本发明极大地降低了晶圆等产品碎片的风险，降低了人的劳动强度和难度。
附图说明
图1为补球装置的结构示意图；
图2为晶圆区域划分示意图；
图3为晶圆缺陷示意图；
图4为锡球补上示意图；
图5为锡球除去示意图；
图6为视觉CCD单元、锡球除去单元、锡球植放单元和点胶单元的结构示意图；
图7为供球单元、供胶单元、清洗单元和废球收集单元的结构示意图；
图8为基板缺陷示意图；
图9为芯片缺陷示意图；
图10为锡球和锡柱的结构示意图；
图11为补球方法的工艺流程图。
图中，1-晶圆搭载运动单元、2-补球搭载运动单元、3-锡球、4-锡柱、10-供胶单元、11-刮刀、12-供胶盒、13-千分尺、14-电机、20-清洗单元、21-加热板、22-加热器、23-温度传感器、30-废球收集单元、31-导向管、32-废球收集盒、40-锡球供给单元、41-供球板、42-供球料盒、50-锡球除去单元、51-锡球除去吸嘴、52-锡球除去真空管、53-第一直线轴承、60-锡球植放单元、61-锡球植放吸嘴、62-锡球植放真空管、63-第二直线轴承、64-第一气动滑台、70-视觉CCD单元、71-相机、72-光源、73-相机安装板、80-点胶单元、81-点胶针、82-连接轴、83-第三直线轴承、84-第二气动滑台、100-晶圆、101-晶圆第一区域、102-晶圆第二区域、104-晶圆第四区域、105-晶圆第五区域、108-晶圆第八区域、109-晶圆第九区域、114-晶圆第十四区域、116-晶圆第十六区域、121-少球、122-多球、123-链球、124-球偏移、130-锡球补上、140-锡球除去、200-基板、201-基板第一区域、202-基板第二区域、204-基板第四区域、205-基板第五区域、207-基板第七区域、208-基板第八区域、300-芯片、301-芯片区域、311-废球投掷口、411-锡球供给口、500-补球流程、510-产品登陆、520-区域划分、530-拍照扫描、540-缺陷识别、550-缺陷处理、560-拍照检测。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
为了方便介绍本发明的补球方法，以晶圆载体为对象进行。本方法可以对晶圆进行单个锡球补球作业，晶圆可以是6inch、8inch和12inch尺寸规格，锡球球径为60μm～1000μm。本发明的补球系统不仅可以对晶圆进行单个锡球补球作业，还可以对晶圆上的链球、多球、球偏移等缺陷进行识别并处理。
如图1所示，本发明的补球装置主要由视觉CCD单元70、锡球供给单元40、供胶单元10、点胶单元80、废球收集单元30、锡球除去单元50、锡球植放单元60和清洗单元20等组成。晶圆搭载运动单元1上放置和定位晶圆100，视觉CCD单元70、点胶单元80、锡球除去单元50和锡球植放单元60固连于补球搭载运动单元2上，随着补球搭载运动单元2运动。晶圆搭载运动单元1可作Y向移动和Z向升降。补球搭载运动单元2可以作X向、Y向、Z向移动，还可以绕Z轴作θ向转动。其中补球搭载运动单元2在图1中表示为一个SCARA型工业机器人，实际上该机构也可以使用自行搭建的XYZ运动平台等其他形式，不影响该机构的作用。
上述组合单元的结构分别如图6、7所示。视觉CCD单元70主要由相机71和光源72等组成，由相机安装板73固定在补球搭载运动单元2上；锡球除去单元50主要由锡球除去吸嘴51、锡球除去真空管52和第一直线轴承53等组成；锡球植放单元60主要由锡球植放吸嘴61、锡球植放真空管62、第二直线轴承63和第一气动滑台64等组成；点胶单元80主要由点胶针81、连接轴82、第三直线轴承83和第二气动滑台84等组成。供胶单元10主要由刮刀11、供胶盒12、千分尺13和电机14等组成；清洗单元20主要由加热板21、加热器22和温度传感器23等组成；废球收集单元30主要由导向管31和废球收集盒32等组成；锡球供给单元40主要由供球板41和供球料盒42等组成。
晶圆划分为若干区域，区域划分根据视觉CCD单元70的相机71视野的大小而定，本示例中晶圆划分为16个区域，如图2所示。分别为晶圆第一区域101、晶圆第二区域102、晶圆第四区域104、晶圆第五区域105、晶圆第八区域108、晶圆第九区域109、晶圆第十四区域114、晶圆第十六区域116等。
经植球机设备植过球的晶圆可能出现以下缺陷：少球121、多球122、链球123和球偏移124等，如图3所示。少球121是指晶圆上原本应该植球的位置上并没有锡球3，本示例中晶圆100第二区域102上少一个锡球3。多球122是指晶圆上原本不应该植球的位置上有锡球3，本示例中晶圆100的晶圆第八区域108上多一个锡球3。链球123是指晶圆上多了一个锡球，并且锡球与应该植球位置上的锡球相连，本示例中晶圆100的晶圆第九区域109出现链球现象。球偏移124是指晶圆上原本应该植球的位置上植上了球，但锡球偏离正确位置，本示例中晶圆100的晶圆第十四区域114出现球偏移现象。以上所述的缺陷可能同时出现在一个区域或多个区域，一个区域可能没有缺陷或者有多个缺陷或者出现若干个同一种缺陷，这些缺陷是随机的，具有不确定性。
如图4所示，对于少球121缺陷，采取锡球补上130处理方式。如图5所示，对于多球122和链球123缺陷，采取锡球除去140处理方式。对于球偏移124缺陷，采取先锡球除去140再锡球补上130处理方式。
锡球补上130流程：补球搭载运动单元2搭载着点胶单元80运动到供胶单元10并蘸胶，补球搭载运动单元2搭载着点胶单元80运动到指定位置，在晶圆上点胶；补球搭载运动单元2搭载着锡球植放单元60运动到锡球供给单元40并吸取一个锡球3，补球搭载运动单元2搭载着锡球植放单元60运动到指定位置，在晶圆上植球。
锡球除去140流程：补球搭载运动单元2搭载着锡球除去单元50运动到指定位置，在晶圆上吸取一个多余锡球；补球搭载运动单元2搭载着锡球除去单元50运动到废球收集单元30，放置锡球于废球收集盒32。
本发明的补球方法不仅对晶圆植球工艺后补球适用，对芯片和基板植球工艺后补球也同样适用。如图8所示，基板200被划分为八个区域，分别为基板第一区域201、基板第二区域202、基板第四区域204、基板第五区域205、基板第七区域207、基板第八区域208等。在基板第二区域202有多球122缺陷、基板第五区域205有少球121缺陷、基板第七区域207有链球123缺陷、基板第八区域208有球偏移124缺陷。如图9所示，芯片尺寸较小，无需划分区域，可以把整块芯片300定义为一个区域即芯片区域301，在图示示例中，芯片存在少球121缺陷。
本发明的补球方法不仅对球形的锡球3适用，还对圆柱形的锡柱4同样适用。锡球3和锡柱4的结构如图10所示，球形锡球采用气动供给，圆柱形锡柱可以采用振盘供给，每次供给一个锡柱。
如图11所示，补球流程500主要有以下几个步骤：
补球设备启动前，应对锡球供给单元40的供球料盒42补充锡球3，供胶单元10的供胶盒12补充胶。待补球的晶圆100放置到晶圆搭载运动单元1。
第一步，操作人员开机上电，补球设备启动，进行产品登陆510，确定生产的产品是晶圆100、基板200或者芯片300。生产产品的尺寸随即确定，以晶圆为例，如6寸晶圆、8寸晶圆或12寸晶圆。
第二步，根据操作人员所选择的产品规格，对所需生产的产品进行区域划分520。如本示例中，晶圆300被划分为十六个区域。区域划分的数量和大小由晶圆300的尺寸和相机71的视野决定。
第三步，光源72开启，补球搭载运动单元2搭载着视觉CCD单元70对晶圆各个区域进行拍照扫描530。拍照扫描530完成，光源72关闭。
第四步，补球设备通过图像处理技术自动缺陷识别540，对存在缺陷的区域进行统计，反馈给PLC缺陷区域的少球121、多球122、链球123和球偏移124的位置信息和数量。
第五步，针对不同的缺陷，补球设备进行缺陷处理550。
对于少球121缺陷，采取锡球补上130处理方式，如图4所示。对于多球122和链球123缺陷，采取锡球除去140处理方式，如图5所示。对于球偏移124缺陷，采取先锡球除去140再锡球补上130处理方式。
锡球补上130流程：供胶单元10的电机14驱动刮刀11运动，使供胶盒12胶面平整。胶的厚度通过千分尺13调整。补球搭载运动单元2搭载着点胶单元80运动到供胶单元10上方，第二气动滑台84动作，第三直线轴承83导向，带动连接轴82和点胶针81于供胶盒12处蘸胶。补球搭载运动单元2搭载着点胶单元80运动到待点胶位置，在晶圆100上点胶，第二气动滑台84复位；补球搭载运动单元2搭载着锡球植放单元60运动到锡球供给单元40上方，第一气动滑台64动作，第二直线轴承63导向，抽真空开启，空气从锡球植放真空管62抽出，锡球植放吸嘴61垂直插入锡球供给口411，锡球供给单元40开启压空，供球料盒42由于气流运动，使得锡球3呈沸腾状，锡球3飞向供球板41，于锡球供给口411处被锡球植放吸嘴61吸附。锡球供给口411一次只允许一个锡球通过。补球搭载运动单元2搭载着锡球植放单元60运动到待补球位置，破真空开启，在晶圆100上植球，第一气动滑台64复位。
锡球除去140流程：补球搭载运动单元2搭载着锡球除去单元50运动到待除球位置，第一直线轴承53导向，锡球除去单元50开启真空，空气从锡球除去真空管52抽出，锡球除去吸嘴51在晶圆100上吸取一个锡球3；补球搭载运动单元2搭载着锡球除去单元50运动到废球收集单元30上方，锡球除去吸嘴51插入废球投掷口311，破真空开启，锡球3从导向管31掉落至废球收集盒32。
补球设备反复处理缺陷，由于胶的粘性和吸水性，点胶单元80的点胶针81需要定时清洗。清洗单元20的加热器22给加热板21加热，到达指定温度后，由温度传感器23反馈PLC，停止加热。补球搭载运动单元2搭载着点胶单元80运动到清洗单元20上方，第二气动滑台84动作，第三直线轴承83导向，带动连接轴82和点胶针81于加热板21处清洗点胶针81。清洗完成，第二气动滑台84复位。
第六步，补球设备完成全部的缺陷处理550后，补球搭载运动单元2搭载着视觉CCD单元70对晶圆各个区域拍照检测560。检测合格，补球过程结束。检测不合格，返回第四步。
Claims (7)
1.一种面阵凸点植球工艺的补球装置，其特征在于，该装置包括
放置并定位晶圆(100)的晶圆搭载运动单元(1)，
补球搭载运动单元(2)，以及固连在补球搭载运动单元(2)上的视觉CCD单元(70)、点胶单元(80)、锡球除去单元(50)和锡球植放单元(60)，
设置在补球搭载运动单元(2)一侧的锡球供给单元(40)、供胶单元(10)、废球收集单元(30)和清洗单元(20)，
所述的晶圆搭载运动单元(1)沿Y向移动和Z向升降，
所述的补球搭载运动单元(2)沿X向、Y向及Z向移动，并绕Z向转动；
应用补球装置进行补球，采用以下步骤：
(1)启动补球装置，进行产品登陆，确定生产的产品是晶圆、基板或芯片；
(2)根据产品规格，对所需生产的产品进行区域划分；
(3)开启光源(72)，补球搭载运动单元(2)搭载视觉CCD单元(70)对晶圆各个区域进行拍照扫描，拍照扫描完成后关闭光源(72)；
(4)补球装置通过图像处理技术自动缺陷识别，对存在缺陷的区域进行统计，反馈给PLC缺陷区域的少球、多球、链球和球偏移的位置信息和数量；
(5)针对不同的缺陷，补球装置进行缺陷处理；
(6)补球装置完成全部的缺陷处理后，补球搭载运动单元(2)搭载视觉CCD单元(70)对晶圆各个区域进行拍照检测，检测合格，补球过程结束，检测不合格，返回步骤(4)；
发生少球时，采取锡球补上处理方式，发生多球和链球时，采取锡球除去处理方式，发生球偏移时，采取先锡球除去再锡球补上处理方式；
所述的锡球补上采用以下流程：
供胶单元(10)的电机(14)驱动刮刀(11)运动，使供胶盒(12)胶面平整,胶的厚度通过千分尺(13)调整；
补球搭载运动单元(2)搭载点胶单元(80)运动到供胶单元(10)上方，第二气动滑台(84)动作，第三直线轴承(83)导向，带动连接轴(82)和点胶针(81)在供胶盒(12)处蘸胶；
补球搭载运动单元(2)搭载点胶单元(80)运动到待点胶位置，在晶圆(100)上点胶，第二气动滑台(84)复位；
补球搭载运动单元(2)搭载锡球植放单元(60)运动到锡球供给单元(40)上方，第一气动滑台(64)动作，第二直线轴承(63)导向，抽真空开启，空气从锡球植放真空管(62)抽出，锡球植放吸嘴(61)垂直插入锡球供给口(411)；
锡球供给单元(40)开启压空，供球料盒(42)由于气流运动，使得锡球呈沸腾状，锡球飞向供球板(41)，于锡球供给口(411)处被锡球植放吸嘴(61)吸附；
补球搭载运动单元(2)搭载着锡球植放单元(60)运动到待补球位置，破真空开启，在晶圆(100)上植球，第一气动滑台(64)复位；
所述的锡球除去采用以下流程：
补球搭载运动单元(2)搭载锡球除去单元(50)运动到待除球位置，第一直线轴承(53)导向，锡球除去单元(50)开启真空，空气从锡球除去真空管(52)抽出，锡球除去吸嘴(51)在晶圆(100)上吸取一个锡球；
补球搭载运动单元(2)搭载锡球除去单元(50)运动到废球收集单元(30)上方，锡球除去吸嘴(51)插入废球投掷口(311)，破真空开启，锡球从导向管(31)掉落至废球收集盒(32)。
2.根据权利要求1所述的一种面阵凸点植球工艺的补球装置，其特征在于，所述的视觉CCD单元(70)由相机(71)和光源(72)组成，经相机安装板(73)固定在补球搭载运动单元(2)上。
3.根据权利要求2所述的一种面阵凸点植球工艺的补球装置，其特征在于，所述的晶圆(100)划分为数个区域，各区域的范围根据相机(71)视野的大小而定。
4.根据权利要求1所述的一种面阵凸点植球工艺的补球装置，其特征在于，所述的锡球除去单元(50)由自下而上依次连接的锡球除去吸嘴(51)、锡球除去真空管(52)和第一直线轴承(53)组成。
5.根据权利要求1所述的一种面阵凸点植球工艺的补球装置，其特征在于，所述的锡球植放单元(60)由自下而上依次连接的锡球植放吸嘴(61)、锡球植放真空管(62)、第二直线轴承(63)以及与视觉CCD单元(70)连接的第一气动滑台(64)组成。
6.根据权利要求1所述的一种面阵凸点植球工艺的补球装置，其特征在于，所述的点胶单元(80)由自下而上依次连接的点胶针(81)、连接轴(82)、第三直线轴承(83)和第二气动滑台(84)组成。
7.根据权利要求1所述的一种面阵凸点植球工艺的补球装置，其特征在于，所述的供胶单元(10)由供胶盒(12)以及设置在供胶盒(12)内的刮刀(11)、千分尺(13)和位于下方的电机(14)组成；
所述的清洗单元(20)包括相互连接的加热板(21)、加热器(22)和温度传感器(23)；
所述的废球收集单元(30)由导向管(31)和废球收集盒(32)组成；
所述的锡球供给单元(40)由供球板(41)和供球料盒(42)组成。
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