CN107134427B - 芯片键合装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种芯片键合装置，包括第一运动台、第二运动台、吸盘、精调及转移结构、键合台和控制系统。本发明还提供一种芯片键合方法，通过采用吸盘逐个吸附芯片，而后通过精调及转移结构精确调整芯片在其载板上的位置，并将载板上的芯片一次性键合到基底上，实现了芯片的批量接合，有效地提高了倒装芯片接合工艺的效率。本发明采用芯片批量拾取和批量键合方式，平衡了芯片拾取、芯片位置精调和芯片键合的时间，使键合设备在保证键合精度的同时，提高了产率。

Description

芯片键合装置及方法
技术领域
本发明涉及芯片封装技术领域，特别涉及一种芯片键合装置及方法。
背景技术
随着科学技术的发展，电子产品日益朝着轻、薄以及小型化方向发展。由于倒装芯片接合技术具有缩小芯片封装面积以及缩短信号传输路径等诸多优点，因此已经广泛应用于芯片封装领域。
请参考图1，其为现有技术的倒装芯片接合装置进行芯片接合的示意图。如图1所示，现有的倒装芯片接合工艺主要包括以下步骤：首先，提供准备接合的芯片2和基底4，所述芯片2具有器件面3；接着，将所述芯片2以器件面3向上的方式放置在承载台1上；然后，利用第一机械手5抓取所述芯片2并进行翻转；之后，通过所述第一机械手5将所述芯片2交接给第二机械手6，在所述第二机械手6将所述芯片2移动到基底4的上方后，通过CCD图像传感器7将所述芯片2的对位标记与所述基底4的对位标记进行对准；最后，通过所述第二机械手6将所述芯片2下压完成接合。
在上述倒装芯片接合工艺过程中，利用倒装芯片接合装置(flip chip bondingdevice)将芯片2倒置，并将所述芯片2直接接合到基底4上，使得所述芯片2与基底4形成互连结构。然而，由于现有的倒装芯片接合装置一次下压(约30秒)只能接合一颗芯片，整个工艺流程是串行完成的，因此产率非常低，难以满足量产需求。
基此，如何改善现有技术中倒装芯片接合装置的产率低，难以满足量产需求的问题已经成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种芯片键合装置，包括：第一运动台、第二运动台、吸盘、精调及转移结构、键合台和控制系统；
所述第一运动台用于承载并运送芯片组至预定拾取位置；
所述第二运动台用于带动所述吸盘在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片，并将吸取芯片后的吸盘运送放置至所述精调及转移结构；
所述精调及转移结构包括载板，所述载板用于接收所述吸盘上的芯片，所述精调及转移结构实现所述芯片在所述载板上的精确放置，并运送所述载板至基底位置；
所述键合台用于承载所述基底，并使所述基底与所述载板上的所述芯片最终键合；
所述第一运动台、第二运动台、精调及转移结构和键合台由所述控制系统统一控制，均能够实现多自由度运动。
可选的，所述芯片键合装置还包括CCD探测器，所述芯片上设置有芯片标记，所述基底上设置有基底标记，所述CCD探测器用于探测所述芯片标记和所述基底标记，以指导所述控制系统调整所述键合台的位置并实现所述芯片标记和所述基底标记的对准键合。
可选的，所述芯片键合装置还包括顶针机构，所述顶针机构与所述第一运动台连接，用于顶起芯片，以便于所述吸盘在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片。
可选的，所述芯片键合装置还包括载片库和第一机械手，所述载片库靠近所述第一运动台，用于放置承载所述芯片组的载片，所述第一机械手通过所述控制系统将所述载片抓取并运送至所述第一运动台。
可选的，所述芯片键合装置还包括基片库和第二机械手，所述基片库靠近所述键合台，用于放置与所述芯片接合完毕形成的基片，所述第二机械手通过控制系统将所述基片抓取并运送至所述基片库。
可选的，所述第二运动台包括实现水平方向运动的第一运动机构和实现垂直方向运动的第二运动机构，所述吸盘安装于所述第二运动机构中远离所述第一运动机构的一侧。
可选的，所述精调及转移结构还包括芯片精调手、用于支撑所述芯片精调手的固定支架、芯片精调位CCD摄像机和精密运动台；
芯片精调手用于对放于所述载板上的芯片位置进行精确调整；
芯片精调位CCD摄像机用于对精确调整完成后载板上的芯片方位及间距进行检测；
精密运动台用于承载所述载板，并与所述芯片精调手配合以实现芯片的精确放置并将已精确放置芯片的所述载板运送至基底位置。
可选的，所述键合台位于所述基底上方，所述键合台带动所述基底由上往下键合所述载板上的所述芯片。
一种芯片键合方法，包括
第一运动台运送芯片组至预定拾取位置；
第二运动台带动所述吸盘在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片，并将吸取芯片后的吸盘运送放置至所述精调及转移结构；
精调及转移结构通过载板接收所述吸盘上的芯片，将所述芯片在所述载板上精确放置，并运送所述载板至基底位置；以及
承载所述基底的键合台使所述基底与所述载板上的所述芯片最终键合。
可选的，所述吸盘在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片前，与所述第一运动台固定连接的顶针机构依次顶起所述芯片。
可选的，所述芯片上设置有芯片标记，所述基底上设置有基底标记，CCD探测器探测所述芯片标记和所述基底标记，以指导所述控制系统调整所述键合台的位置并实现所述芯片标记和所述基底标记的对准键合。
可选的，所述键合台位于所述基底上方，所述键合台带动所述基底由上往下键合所述载板上的所述芯片。
可选的，在所述第一运动台运送芯片组至预定拾取位置前，还包括：第一机械手将承载所述芯片组的载片从载片库抓取并运送至所述第一运动台。
可选的，所述的芯片键合方法还包括：重复前述步骤，直至载片上的芯片全部键合至所述基底上。
可选的，所述基底与所述载板上的所述芯片最终键合后，还包括第二机械手将与所述芯片接合完毕形成的基片抓取并运送至基片库。
在本发明的芯片键合装置及其方法中，通过采用吸盘逐个吸附芯片，而后通过精调及转移结构精确调整芯片在其载板上的位置，并将载板上的芯片一次性键合到基底上，实现了芯片的批量接合，有效地提高了倒装芯片接合工艺的效率。本发明采用芯片批量拾取和批量键合方式，平衡了芯片拾取、芯片位置精调和芯片键合的时间，使键合设备在保证键合精度的同时，提高了产率。预计键合精度±2μm，产率约20000个芯片/小时。
附图说明
图1为现有技术的倒装芯片接合装置进行芯片接合的结构示意图；
图2为本发明一实施例所述芯片键合装置中精调及转移结构的立体图；
图3-图5为本发明一实施例所述芯片键合方法中不同阶段的结构示意图；
图6为本发明一实施例所述芯片键合装置中顶针机构的结构示意图；
图7为本发明一实施例所述芯片键合装置中按要求布满芯片的基底示意图；
图8为本发明一实施例所述芯片键合方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图3所述，本发明实施例所涉及的芯片键合装置结构包括：第一运动台110、第二运动台206、吸盘208、精调及转移结构207、键合台209和控制系统500；
所述第一运动台110用于承载并运送芯片组至预定拾取位置；
所述第二运动台206用于带动所述吸盘208在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片，并将吸取芯片后的吸盘208运送放置至所述精调及转移结构207；
所述精调及转移结构207包括载板34，所述载板34用于接收所述吸盘208上的芯片，所述精调及转移结构207实现所述芯片在所述载板34上的精确放置，并运送所述载板34至基底210的位置；
所述键合台209用于承载所述基底210，并使所述基底210与所述载板34上的所述芯片最终键合；
所述第一运动台110、第二运动台206、精调及转移结构207和键合台209由所述控制系统500统一控制，均能够实现多自由度运动。
请继续参见图3，在本实施例中，芯片键合装置结构还包括载片库000和第一机械手010，所述载片库000靠近所述第一运动台110，用于放置承载所述芯片组的载片202，所述第一机械手010通过所述控制系统500将载片202抓取并运送至所述第一运动台110。芯片键合装置还包括基片库030和第二机械手040，所述基片库030靠近所述键合台209，用于放置与所述芯片接合完毕形成的基片210，所述第二机械手040通过控制系统500将所述基片210抓取并运送至所述基片库030。
具体而言，每组芯片203包括位于芯片203上方的标记150a….150n。芯片键合装置还包括用于支取芯片203的顶针机构120，所述顶针机构120与所述第一运动台110连接，用于顶起芯片203，以便于所述吸盘208在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片203。如图6所示是芯片剥离的顶针机构120的结构示意图。图中所示芯片剥离顶针机构120具有X-Y运动台51、真空吸附结构52和顶针结构53。其中的X-Y运动台51用于承载真空吸附结构52和顶针结构53。真空吸附结构52上表面包含一定数量的真空吸附孔，用于将分离台上将要顶出的芯片所在位置及周围的蓝膜吸附牢固。顶针结构53用于将分离台上已切割完成的硅片上的单个芯片分离顶出并使芯片与蓝膜胶带的粘附面积和粘附力大大缩小，以便于真空吸盘208顺利拾取芯片。
本设备根据功能又可分为分离区100、精调区域300和键合区域400。分离区100用于芯片的分离，包括运动台110、顶针机构120所在区域；精调区域300用于对芯片203的位置精调和批量转移，包括精调及转移结构207所在区域；键合区域400用于实现芯片203与基底210的键合，即键合台209所在区域。
其中，如图3所示，所述第二运动台206包括实现水平方向运动的第一运动机构2061和实现垂直方向运动的第二运动机构2062，所述吸盘208安装于所述第二运动机构2062中远离所述第一运动机构2061的一侧。吸盘208与第二运动机构2062安装在一起并随第二运动机构2062实现垂直运动，随第一运动机构2061实现水平运动。
控制系统500连接所述第一运动台110、第二运动台206、精调及转移结构207和键合台209。第二机械手040通过控制系统500实现对基片030的抓取与传输。用于承载芯片的第一运动台110通过控制系统500实现多自由度运动，第二运动台206通过控制系统500实现多自由度运动。精调及转移结构207通过控制系统500实现精调和批量转移，键合台209通过控制系统500实现多自由度运动。第二机械手040通过控制系统500实现对基底的抓取与传输。基底430可以是金属材料、半导体材料或有机材料。
在本实施例中，如图3所示，芯片键合装置还包括CCD探测器212，用于探测所述芯片标记150a….150n和所述基底标记，以指导所述控制系统500调整所述键合台209的位置并实现所述芯片标记和所述基底标记的对准键合。
图2是本发明提供的芯片键合装置中精调及转移结构207的立体结构示意图。如图2所示，精调及转移结构207具有芯片精调手31、芯片精调位CCD摄像机32、用于支撑所述芯片精调手31的固定支架33、载板34和精密运动台35。芯片精调手31用于对粗放于芯片键合载板34上的芯片位置进行重新摆放。芯片精调位CCD摄像机32用于对精调完成后的载板34上的芯片方位及间距进行检测。芯片键合载板34用于芯片的阵列摆放和批量键合。精密运动台35用于承载载板34并与芯片精调手31配合，实现芯片的精确放置；同时精密运动台35将已精确放置芯片的所述载板34运送至基底210的位置，即后续工位键合区域400。
本发明还提供一种芯片键合方法，如图8所示，包括
第一运动台运送芯片组至预定拾取位置；
第二运动台带动所述吸盘在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片，并将吸取芯片后的吸盘运送放置至所述精调及转移结构；
精调及转移结构通过载板接收所述吸盘上的芯片，将所述芯片在所述载板上精确放置，并运送所述载板至基底位置；以及
承载所述基底的键合台使所述基底与所述载板上的所述芯片最终键合。
下面详细说明本发明所述的工作过程。
首先参考图3，第一机械手010通过控制系统500从载片库000抓取载片130，然后将载片130放置到第一运动台110上，通过第一运动台110将芯片203运动到预定拾取位置，顶针机构120顶出芯片203；第二运动台206的第一运动机构2061水平方向保持不动，第二运动机构2060垂向运动到拾取工位，吸盘208将单个芯片203吸附拾取，吸盘208向上运动到初始位置。之后，重复上述拾取单个芯片203过程，直至吸盘208上芯片数量及排列方式按照要求拾取完毕。吸盘208上芯片标记302面靠近吸盘208，吸盘208尺寸满足吸附拾取要求芯片203的数量与排列方式。
请参见图4，第二运动台206携带取好芯片204的吸盘208运动到精调区300精调工位，精调及转移结构207对芯片进行精调及批量转移，此时标记位与芯片上方。芯片精调手31对粗放于芯片键合载板34上的芯片位置进行重新摆放，芯片精调位CCD摄像机32对精调完成后的载板34上的芯片方位及间距进行检测，精密运动台35承载载板34并与芯片精调手31配合，实现芯片的精确放置；同时精密运动台35将已精确放置芯片的所述载板34运送至基底210的位置，即后续工位键合区域400。
所述键合台209位于所述基底210的上方，所述键合台209带动所述基底210由上往下键合所述载板34上的所述芯片。如图5所示，精调及转移结构207将精调完毕的芯片批量转移到键合区400工位，精调及批量转移结构207运动到键合台209下方；第一CCD探测器211探测载板34标记位置，第二CCD探测器212探测基底标记位置，根据测量所得的载板34与基底210的相对位置，调整键合台209的姿态，将载板34上所有芯片204一次性键合到基底210上，满足在键合台209上的基底210上的单个芯片203的标记302面朝向基底。其中第一CCD探测器211和第二CCD探测器212相对位置离线标定。
请参见图3，第二运动台206再运动到分离区100，吸盘208吸附拾取芯片另一芯片203，传输到键合台209上基底210，重复运动，直至键合台209上基底210芯片数量及布局满足要求。接着第二机械手040抓取基底210并放置到基片库030中。
最后，按要求布满芯片的基底210图7所示，连接键合台209的基底210上已布满芯片203，而芯片标记302位于紧贴所述基底210一侧。
综上，在本发明的芯片键合装置及其方法中，通过采用吸盘逐个吸附芯片，而后通过精调及转移结构精确调整芯片在其载板上的位置，并将载板上的芯片一次性键合到基底上，实现了芯片的批量接合，有效地提高了倒装芯片接合工艺的效率。本发明采用芯片批量拾取和批量键合方式，平衡了芯片拾取、芯片位置精调和芯片键合的时间；使键合设备在保证键合精度的同时，提高了产率；预计键合精度±2μm，产率约20000个芯片/小时。另外，通过载板的导入，使载板所在的block区域与封装设备的曝光场区域统一起来，节省了后道封装设备的曝光时间。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种芯片键合装置，其特征在于，包括：第一运动台、第二运动台、吸盘、精调及转移结构、键合台和控制系统；
所述第一运动台用于承载并运送芯片组至预定拾取位置；
所述第二运动台用于带动所述吸盘在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片，并将吸取芯片后的吸盘运送放置至所述精调及转移结构；
所述精调及转移结构包括载板，所述载板用于接收所述吸盘上的芯片，所述精调及转移结构实现所述芯片在所述载板上的精确放置，并运送所述载板至基底位置；
所述键合台用于承载所述基底，并使所述基底与所述载板上的所有芯片最终键合；
所述第一运动台、第二运动台、精调及转移结构和键合台由所述控制系统统一控制，均能够实现多自由度运动；
所述精调及转移结构还包括芯片精调手、用于支撑所述芯片精调手的固定支架、芯片精调位CCD摄像机和精密运动台；
芯片精调手用于对放于所述载板上的芯片位置进行精确调整；
芯片精调位CCD摄像机用于对精确调整完成后载板上的芯片方位及间距进行检测；
精密运动台用于承载所述载板，并与所述芯片精调手配合以实现芯片的精确放置并将已精确放置芯片的所述载板运送至基底位置。
2.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，还包括CCD探测器，所述芯片上设置有芯片标记，所述基底上设置有基底标记，所述CCD探测器用于探测所述芯片标记和所述基底标记，以指导所述控制系统调整所述键合台的位置并实现所述芯片标记和所述基底标记的对准键合。
3.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，还包括顶针机构，所述顶针机构与所述第一运动台连接，用于顶起芯片，以便于所述吸盘在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片。
4.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，还包括载片库和第一机械手，所述载片库靠近所述第一运动台，用于放置承载所述芯片组的载片，所述第一机械手通过所述控制系统将所述载片抓取并运送至所述第一运动台。
5.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，还包括基片库和第二机械手，所述基片库靠近所述键合台，用于放置与所述芯片接合完毕形成的基片，所述第二机械手通过控制系统将所述基片抓取并运送至所述基片库。
6.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述第二运动台包括实现水平方向运动的第一运动机构和实现垂直方向运动的第二运动机构，所述吸盘安装于所述第二运动机构中远离所述第一运动机构的一侧。
7.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述键合台位于所述基底上方，所述键合台带动所述基底由上往下键合所述载板上的所述芯片。
8.一种芯片键合方法，其特征在于，包括
第一运动台运送芯片组至预定拾取位置；
第二运动台带动吸盘在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片，并将吸取芯片后的吸盘运送放置至精调及转移结构；
精调及转移结构通过载板接收所述吸盘上的芯片，将所述芯片在所述载板上精确放置，并运送所述载板至基底位置；以及
承载所述基底的键合台使所述基底与所述载板上的所述芯片最终键合；
所述精调及转移结构还包括芯片精调手、用于支撑所述芯片精调手的固定支架、芯片精调位CCD摄像机和精密运动台；
芯片精调手用于对放于所述载板上的芯片位置进行精确调整；
芯片精调位CCD摄像机用于对精确调整完成后载板上的芯片方位及间距进行检测；
精密运动台用于承载所述载板，并与所述芯片精调手配合以实现芯片的精确放置并将已精确放置芯片的所述载板运送至基底位置。
9.如权利要求8所述的芯片键合方法，其特征在于，所述吸盘在所述预定拾取位置依次吸取所述芯片组上的芯片前，与所述第一运动台固定连接的顶针机构依次顶起所述芯片。
10.如权利要求8所述的芯片键合方法，其特征在于，所述芯片上设置有芯片标记，所述基底上设置有基底标记，CCD探测器探测所述芯片标记和所述基底标记，以指导控制系统调整所述键合台的位置并实现所述芯片标记和所述基底标记的对准键合。
11.如权利要求8所述的芯片键合方法，其特征在于，所述键合台位于所述基底上方，所述键合台带动所述基底由上往下键合所述载板上的所述芯片。
12.如权利要求8所述的芯片键合方法，其特征在于，在所述第一运动台运送芯片组至预定拾取位置前，还包括：第一机械手将承载所述芯片组的载片从载片库抓取并运送至所述第一运动台。
13.如权利要求12所述的芯片键合方法，其特征在于，还包括：重复前述步骤，直至载片上的芯片全部键合至所述基底上。
14.如权利要求8所述的芯片键合方法，其特征在于，所述基底与所述载板上的所述芯片最终键合后，还包括第二机械手将与所述芯片接合完毕形成的基片抓取并运送至基片库。
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