CN106373914B - 一种芯片键合装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种芯片键合装置，包括第一工作台、第二工作台、视觉检测反馈模块、芯片传输模块及键合模块。所述视觉检测反馈模块对芯片传输过程中芯片的位置与角度偏差进行补偿；所述芯片传输模块包括：第一芯片抓取单元和第二芯片抓取单元，所述第一芯片抓取单元依据所述芯片检测反馈模块的反馈从所述第一工作台拾取芯片，交接给所述第二芯片抓取单元；所述键合模块包括：键合头、键合头运动机构及键合头吸杆，所述键合头运动机构及键合头吸杆依据所述视觉检测反馈模块的反馈从所述第二芯片抓取单元拾取芯片，并运送至键合位置，所述键合头进行芯片键合。本发明通过视觉检测反馈模块对芯片位置信息的检测与反馈，提升了芯片键合的效率与精度。

Description

一种芯片键合装置

技术领域

本发明涉及半导体器件加工技术领域，尤其涉及一种芯片键合装置。

背景技术

随着全球电子信息技术的迅速发展，消费者需要更小的便携式电子产品，使得先进封装和互连技术正在超越传统技术。先进封装技术把半导体封装和组装技术融为一体以降低产品价格、改进性能、提高密度以及减小产品尺寸，使得倒装芯片半导体封装的市场需求得以迅速增长。倒装芯片封装即是一种先进芯片互连技术，其具有高密度、高性能和轻薄短小的特点，满足智能手机和平板电脑等消费电子产品的发展要求，在PGA、BGA和CSP中都得到了广泛的应用，倒装芯片的互连线非常短，而且I/O引出端分布整个芯片表面，互连过程中可实现自对准，且具有优良的散热性和高生产率，上述诸多优点使倒装芯片技术成为现代电子封装中最具吸引力的技术之一。

倒装芯片键合为倒装芯片封装工艺中的重要步骤，其是将带有凸点的芯片从蓝膜上拾取并翻转180°，使得其焊点图形朝下，通过机器视觉识别对准，利用输片机构将芯片放置到基材上，使芯片与基板通过焊料直接互联。倒装芯片键合机为倒装芯片封装工艺中的关键设备，其决定了倒装芯片封装的精度、效率和可靠性。由于倒装芯片键合为是一种高速高精度加工过程，而键合机运行时会产生各种振动，对芯片键合精度产生很大的影响。另外，随着半导体生产效率进一步提高，晶圆尺寸正朝更大的方向发展，从晶圆上拾取芯片到基材键合位的距离不断增加，使得键合效率大大降低。

现有技术中已开发出多种倒装芯片键合方法与装置。如新加坡ASM公司的周辉星等人申请的国际专利WO2003/058708公开的一种倒装芯片结合器。该装置从蓝膜上拾取芯片，通过翻转交接到键合头上，再通过键合头装片至引线框架上，其翻转机构具有四个吸嘴，键合机构具有八个吸嘴，将翻转、拾取、蘸胶、键合等工艺并行处理，从而提高设备的装片效率，该装置结构复杂，实现难度大。韩美半导体株式会社的郑显权等人申请的专利CN201310173823.X公开了一种倒装芯片焊接装置，该装置采用两套键合机构来提高效率，但由于芯片拾取位和键合位距离远，且基材对准相机安装在运动的键合头上，导致效率和精度都降低。北京中电科电子装备有限公司的唐亮等人申请的专利CN201510124424.3也公开了一种倒装芯片键合设备，该设备引入一种无限循环运动的输片机构，芯片可放置在皮带上实现由晶片台至基料台的高速传输。但是该装置在高速传输时，拾取头、键合头在传输带上放置、拾取芯片时，与传输带接触均为刚性接触，极易造成芯片损坏，增加了坏片率，降低了键合装置的可靠性；同时，该装置采用传送带将芯片由晶圆传送至基料时，各芯片在传送带上的位置无法统一，特别是芯片平放角度与排列位置会有不同大小的偏移，对视觉检测造成了一定困难，导致装片精度下降。

因此，亟待开发一种容易实现的可用于倒装芯片的键合装置，该键合装置需具有高速、高精度和高稳定性，可保证芯片在高速传输时不易被损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种芯片键合装置，通过视觉检测反馈模块对芯片键合过程中芯片的位置信息进行检测与反馈，采用传输模块传输芯片，实现芯片键合过程的高效率、高精度与高可靠性，解决现有技术中芯片键合实现难度大、效率和精度不足以及坏片率高等技术问题。

本发明所提供的技术方案如下：

一种芯片键合装置，包括第一工作台和第二工作台，还包括：

视觉检测反馈模块，所述视觉检测反馈模块对芯片传输过程中所述芯片的位置偏差及角度偏差进行补偿。

芯片传输模块，包括：第一芯片抓取单元和第二芯片抓取单元；所述第一芯片抓取单元依据所述视觉检测反馈模块的反馈从所述第一工作台拾取芯片，交接给所述第二芯片抓取单元。

键合模块，包括：键合头、键合头运动机构及键合头吸杆；所述键合头运动机构及键合头吸杆依据所述视觉检测反馈模块的反馈从所述第二芯片抓取单元拾取芯片，并将其送至键合位置，所述键合头进行芯片键合。

采用上述方案，视觉检测反馈模块对芯片传输过程中所述芯片的位置偏差及角度偏差进行补偿，实现芯片键合过程中芯片位置的检测与反馈，实现芯片键合过程的高效率、高精度与高可靠性。

进一步地，所述视觉检测反馈模块包括第一芯片检测反馈单元、第二芯片检测反馈单元、第三芯片检测反馈单元和第四芯片检测反馈单元，其中：

所述第一芯片检测反馈单元固定于所述第一工作台上方，用于将所述第一工作台上的芯片校准至预定的位置；

所述第二芯片检测反馈单元固定于所述第一芯片抓取单元与所述第二芯片抓取单元交接处上方，用于检测所述第一芯片抓取单元与所述第二芯片抓取单元芯片交接完成后所述芯片的位置信息；

所述第三芯片检测反馈单元固定于所述键合模块上方，用于检测贴片位的位置信息；

所述第四芯片检测反馈单元固定于所述键合位置上方，用于检测所述芯片的键合状态。

进一步地，在所述芯片键合装置中，所述第一芯片抓取单元包括：

Z向驱动电机、电机固定支架、偏心机构、Z向运动导轨、第一芯片抓取单元旋转电机、第一芯片抓取单元连轴座、拾取臂；其中，所述Z向驱动电机与所述Z向运动导轨之间通过所述偏心机构相连，驱动所述Z向运动导轨实现Z向预定区域内往复运动；所述Z向导轨与所述第一芯片抓取单元旋转电机连接，所述第一芯片抓取单元旋转电机通过所述第一芯片抓取单元连轴座带动所述拾取臂旋转并进行Z向运动，实现拾取芯片动作。

进一步地，在所述芯片键合装置中，所述拾取臂包括：

调节弹簧、第一芯片抓取单元真空管道及拾片头；

所述第一芯片抓取单元真空管道与所述拾片头连接，所述Z向驱动电机旋转带动所述拾取臂下降至接触芯片时，所述第一芯片抓取单元真空管道向所述拾片头释放真空，实现芯片吸附，所述Z向驱动电机旋转带动所述拾取臂上升，所述旋转电机带动所述拾取臂旋转180°向所述第二芯片抓取单元交接芯片。

进一步地，在所述芯片键合装置中，所述第二芯片抓取单元包括：

旋转电机座板、芯片传输电机、第二芯片抓取单元连轴座、传输臂；

所述传输臂固定在所述第二芯片抓取单元连轴座上，所述芯片传输电机固定在所述旋转电机座板上与机架相连；所述芯片传输电机通过所述第二芯片抓取单元连轴座带动所述传输臂作周期旋转运动，实现芯片由所述第二芯片抓取单元向所述键合头的传输。

进一步地，在所述芯片键合装置中，所述传输臂包括：

第二芯片抓取单元真空管道和芯片传输头；

所述芯片传输头移至所述拾片头下方，所述拾片头下降，所述第一芯片抓取单元真空管道关闭真空，所述第二芯片抓取单元真空管道释放真空，所述芯片传输头对所述芯片进行吸附。

进一步地，在所述芯片键合装置中，还包括第三芯片抓取单元，所述第三芯片抓取单元包括：

翻转电机、直线电机及翻转头；所述翻转头从所述第一工作台拾取芯片，翻转预定角度，并将所述芯片交接给所述第一芯片抓取单元的拾片头部。

采用上述方案，依据所述第一视觉检测反馈模块的反馈，所述第三芯片抓取单元的翻转头从所述第一工作台拾取芯片，翻转预定角度，并将所述芯片交接给所述第一芯片抓取单元的拾片头部，可以实现倒装芯片键合，进一步提高倒装芯片键合过程的效率、精度及可靠性。

进一步地，在所述芯片键合装置中，所述视觉反馈模块还包括：

第五芯片检测反馈单元，所述第五芯片检测反馈单元设置于键合头下方，用于检测所述芯片键合前的位置信息。

进一步地，在芯片键合装置中，所述第一工作台包括：

承载晶元的晶片平台、第一X向直线运动单元、第一Y向直线运动单元及角度旋转运动单元；调节所述第一X向直线运动单元、所述第一Y向直线运动单元及所述角度旋转运动单元，实现所述第一工作台上的芯片处于预设位置。

进一步地，所述第二工作台包括：

承载基料的基料平台、第二X向直线运动单元、第二Y向直线运动单元及角度旋转运动单元；调节所述第二X向直线运动单元、第二Y向直线运动单元及角度旋转运动单元，实现所述基料平台处于预设位置。

本发明所带来的有益效果如下：

本发明所提供的芯片键合装置，通过视觉检测反馈模块对芯片传输模块与键合模块在芯片传输及键合过程中的位置信息进行反馈，对芯片传输过程中所述芯片的位置偏差及角度偏差进行补偿，实现了芯片键合过程的高效率、高精度与高可靠性，解决现有技术中芯片键合实现难度大、效率和精度不足及坏片率高等技术问题。

附图说明

图1表示本发明实施例提供的芯片键合装置结构示意图俯视图；

图2表示本发明实施例提供的芯片键合装置结构示意图主视图；

图3表示本发明实施例提供的芯片键合装置视觉检测示意图；

图4为本发明实施例提供的芯片键合装置芯片键合示意图；

图5为本发明实施例提供的芯片键合装置第一芯片抓取单元示意图；

图6为本发明实施例提供的芯片键合装置第二芯片抓取单元示意图。

具体实施方式

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。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中芯片键合实现难度大、效率和精度不足以及坏片率高等技术问题，本发明提供一种芯片键合装置，通过视觉检测反馈模块对芯片键合过程中芯片的位置信息的检测与反馈，采用传输模块传输芯片，实现芯片键合过程的高效率、高精度与高可靠性。

如图1和图2所示，本发明提供一种芯片键合装置，包括第一工作台1、第二工作台2、视觉检测反馈模块100、芯片传输模块200、键合模块300组成。其中，芯片传输模块200，包括：第一芯片抓取单元210和第二芯片抓取单元220；键合模块300包括键合头310、键合头运动机构320及键合头吸杆330。第一芯片抓取单元210依据芯片视觉检测反馈模块100的反馈从第一工作台1拾取芯片C，交接给第二芯片抓取单元220；键合头运动机构320及键合头吸杆330依据视觉检测反馈模块100的反馈从第二芯片抓取单元220拾取芯片C，并将其送至键合位置，键合头310进行芯片键合。

进一步地，视觉检测反馈模块100包括第一芯片检测反馈单元110、第二芯片检测反馈单元120、第三芯片检测反馈单元130和第四芯片检测反馈单元140，其中：

第一芯片检测反馈单元110固定于第一工作台1的上方，用于将第一工作台1上的芯片C校准至预定的位置；

第二芯片检测反馈单元120固定于第一芯片抓取单元210与第二芯片抓取单元220的交接处上方，用于检测第一芯片抓取单元210与第二芯片抓取单元220芯片交接完成后芯片C的位置信息；

第三芯片检测反馈单元130固定于键合模块300上方，用于检测贴片位的位置信息；

第四芯片检测反馈单元140固定于键合位置D的上方，用于检测芯片C的键合状态。

进一步地，芯片键合装置还包括第三芯片抓取单元230，所述第三芯片抓取单元230包括：翻转电机231、直线电机232及翻转头233。翻转头233从第一工作台1拾取芯片C，翻转预定角度，并将芯片C交接给第一芯片抓取单元210。

进一步地，视觉反馈模块100还包括：

第五芯片检测反馈单元150，第五芯片检测反馈单体150设置于键合头310下方，用于检测芯片C键合前的位置信息。

如图1和图2所示，第一芯片检测反馈单元110识别第一工作台1上的芯片C，软件程序将第一工作台1上的芯片C的中心调整至第一芯片检测反馈单元110的中心。第三芯片抓取单元230的翻转头233下降至接触芯片C，打开真空，吸附芯片C；翻转头233上升并翻转180°，将芯片C交接给第一芯片抓取单元210。

如图3所示，本发明实施例的视觉检测示意图。第三芯片检测反馈单元130安装在键合头310上靠近基料一侧，第三芯片检测反馈单元130的中心与键合头310中心距离为a1，随键合头310一起运动；第四芯片检测反馈单元140位于第二芯片抓取单元220与键合位D之间，第四芯片检测反馈单元140与理想键合位置D1距离为a1，实际键合时键合位置D2存在偏差，记芯片C的实际键合位置D2与第五芯片检测反馈单元150的距离为a2。键合头310从第二芯片抓取单元220上拾取芯片C后，运动至第五芯片检测反馈单元150上方，对芯片C进行检测，记录芯片C的位置偏差δ1及角度偏差θ1；同时，第三芯片检测反馈单元130对键合位D进行检测，记录键合位D偏差δ2，则键合头310实际运动到键合位D上方距离为a1+δ1+δ2，通过调整键合头310带动键合头310内部的旋转机构旋转角度θ1对芯片C的角度偏差进行矫正。

如图4所示，键合头运动机构320驱动键合头310由第五芯片检测反馈单元150上方运动至键合位D，键合头吸杆330作Z向运动，键合头吸杆330下降至键合位D，并关闭键合头吸杆330上真空管道，实现芯片C的键合。

如图5所示，本发明提供了一种芯片键合装置的第一芯片抓取单元210，包括Z向驱动电机211、电机固定支架212、偏心机构213、Z向运动导轨214、第一芯片抓取单元旋转电机215、第一芯片抓取单元连轴座216、拾取臂217。其中，Z向驱动电机211与Z向运动导轨214之间通过偏心机构213相连，驱动Z向运动导轨214实现Z向预定区域内往复运动；Z向导轨214与第一芯片抓取单元旋转电机215连接，第一芯片抓取单元旋转电机215通过第一芯片抓取单元连轴座216带动拾取臂217旋转并进行Z向运动，实现拾取芯片动作。

进一步地，拾取臂217包括：调节弹簧217a、第一芯片抓取单元真空管道217b及拾片头217c。

第一芯片抓取单元真空管道217b与拾片头217c连接，Z向驱动电机211旋转带动拾取臂217下降至接触芯片C时，第一芯片抓取单元真空管道217b向拾片头217c释放真空，实现芯片C的吸附；Z向驱动电机211旋转带动拾取臂217上升，第一芯片抓取单元旋转电机215带动拾取臂217旋转180°向第二芯片抓取单元220交接芯片C。

如图6所示，本发明提供了一种芯片键合装置的第二芯片抓取机构220，包括芯片传输电机221、旋转电机座板222、第二芯片抓取单元连轴座223、传输臂224。传输臂224固定在第二芯片抓取单元连轴座223上，芯片传输电机221固定在旋转电机座板222上与机架相连。芯片传输电机221通过第二芯片抓取单元连轴座223带动传输臂224作周期旋转运动，实现芯片C由第二芯片抓取单元220向键合头310的传输。

进一步地，传输臂224包括：第二芯片抓取单元真空管道224a和芯片传输头224b；芯片传输头224a移至拾片头217c下方，拾片头217c下降，第一芯片抓取单元真空管道217b关闭真空，第二芯片抓取单元真空管道224a释放真空，芯片传输头224b对芯片C进行吸附。交接芯片完成后，第一芯片抓取单元210再次旋转180°回到第一工作台1上方进行芯片拾取，如此往复。

第二芯片检测反馈单元120和第二芯片抓取单元220之间位置关系的一种实施例为：第二芯片检测反馈单元120位于第二芯片抓取单元220和第一芯片抓取单元210交接芯片C时所在位置的上方。第一芯片抓取单元210将芯片C交接给第二芯片抓取单元220后，第二芯片检测反馈单元120进行检测，获得芯片C的位置与角度信息。芯片传输电机221驱动传输臂224旋转180°，键合头310运动至芯片C的位置上方进行芯片拾取。

第二芯片检测反馈单元120和第二芯片抓取单元220之间位置关系的另一种实施例为，第二芯片检测反馈单元120位于第二芯片抓取单元220从第一芯片抓取单元220拾取芯片C，旋转180°，第二芯片检测反馈单元120对芯片传输头224a上的芯片C进行检测，获得芯片C的位置和角度数据信息。键合头310运动至芯片C的位置上方进行芯片拾取。

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。

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。

Claims (8)

1.一种芯片键合装置，包括第一工作台和第二工作台，其特征在于，还包括：

视觉检测反馈模块，所述视觉检测反馈模块对芯片传输过程中所述芯片的位置偏差及角度偏差进行补偿；

芯片传输模块，包括：第一芯片抓取单元和第二芯片抓取单元；所述第一芯片抓取单元依据所述芯片检测反馈模块的反馈从所述第一工作台拾取芯片，交接给所述第二芯片抓取单元；

键合模块，包括：键合头、键合头运动机构及键合头吸杆；所述键合头运动机构及键合头吸杆依据所述视觉检测反馈模块的反馈从所述第二芯片抓取单元拾取芯片，并将其送至键合位置，所述键合头进行芯片键合；

所述第一芯片抓取单元包括：

Z向驱动电机、电机固定支架、偏心机构、Z向运动导轨、第一芯片抓取单元旋转电机、第一芯片抓取单元连轴座、拾取臂；其中，所述Z向驱动电机与所述Z向运动导轨之间通过所述偏心机构相连，驱动所述Z向运动导轨实现Z向预定区域内往复运动；所述Z向运动导轨与所述第一芯片抓取单元旋转电机连接，所述第一芯片抓取单元旋转电机通过所述第一芯片抓取单元连轴座带动所述拾取臂旋转并进行Z向运动，实现拾取芯片动作；

所述拾取臂包括：

调节弹簧、第一芯片抓取单元真空管道及拾片头；

所述第一芯片抓取单元真空管道与所述拾片头连接，所述Z向驱动电机旋转带动所述拾取臂下降至接触芯片时，所述第一芯片抓取单元真空管道向所述拾片头释放真空，实现芯片吸附，所述Z向驱动电机旋转带动所述拾取臂上升，所述旋转电机带动所述拾取臂旋转180°向所述第二芯片抓取单元交接芯片。

2.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述视觉检测反馈模块包括第一芯片检测反馈单元、第二芯片检测反馈单元、第三芯片检测反馈单元和第四芯片检测反馈单元，其中：

所述第一芯片检测反馈单元固定于所述第一工作台上方，用于将所述第一工作台上的芯片校准至预定的位置；

所述第二芯片检测反馈单元固定于所述第一芯片抓取单元与所述第二芯片抓取单元交接处上方，用于检测所述第一芯片抓取单元与所述第二芯片抓取单元芯片交接完成后所述芯片的位置信息；

所述第三芯片检测反馈单元固定于所述键合模块上方，用于检测贴片位的位置信息；

所述第四芯片检测反馈单元固定于所述键合位置上方，用于检测所述芯片的键合状态。

3.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述第二芯片抓取单元包括：

旋转电机座板、芯片传输电机、第二芯片抓取单元连轴座、传输臂；

所述传输臂固定在所述第二芯片抓取单元连轴座上，所述芯片传输电机固定在所述旋转电机座板上与机架相连；所述芯片传输电机通过所述第二芯片抓取单元连轴座带动所述传输臂作周期旋转运动，实现芯片由所述第二芯片抓取单元向所述键合头的传输。

4.如权利要求3所述的芯片键合装置，其特征在于，所述传输臂包括：

第二芯片抓取单元真空管道和芯片传输头；

所述芯片传输头移至所述拾片头下方，所述拾片头下降，所述第一芯片抓取单元真空管道关闭真空，所述第二芯片抓取单元真空管道释放真空，所述芯片传输头对所述芯片进行吸附。

5.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，还包括第三芯片抓取单元，所述第三芯片抓取单元包括：

翻转电机、直线电机及翻转头；所述翻转头从所述第一工作台拾取芯片，翻转预定角度，并将所述芯片交接给所述第一芯片抓取单元的拾片头部。

6.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述视觉检测反馈模块还包括：

第五芯片检测反馈单元，所述第五芯片检测反馈单元设置于所述键合头下方，用于检测所述芯片键合前的位置信息。

7.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述第一工作台包括：

承载晶元的晶片平台、第一X向直线运动单元、第一Y向直线运动单元及角度旋转运动单元；调节所述第一X向直线运动单元、所述第一Y向直线运动单元及所述角度旋转运动单元，实现所述第一工作台上的芯片处于预设位置。

8.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述第二工作台包括：

承载基料的基料平台、第二X向直线运动单元、第二Y向直线运动单元及角度旋转运动单元；调节所述第二X向直线运动单元、第二Y向直线运动单元及角度旋转运动单元，实现所述基料平台处于预设位置。

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