CN107452644A - 分体式芯片载板搬运键合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：包括芯片拾取与分离模块、批量芯片对准及精调模块和芯片批量键合模块；所述芯片拾取与分离模块，用以将芯片自所述载片上分离出，并传至转接载板，所述转接载板将所述芯片分批传至所述批量芯片对准及精调模块；所述批量芯片对准及精调模块，用以针对传输而来的每批芯片，调整其在所述转接载板上的位置，并将所述转接载板移至交接位；所述芯片批量键合模块，用以在所述交接位将所述转接载板取出、移动、并调整到达键合位置，进而将所述转接载板上的芯片键合到基底上，得到基片。

Description

分体式芯片载板搬运键合装置

技术领域

本发明涉及芯片与晶元的键合技术，尤其涉及一种分体式芯片载板搬运键合装置。

背景技术

倒装芯片键合工艺是将芯片与载片连接形成的一种互连形式。由于电子产品朝着轻、薄和小型化的发展趋势，使得芯片键合技术的应用日益增多，将芯片键合工艺与晶圆级封装工艺相结合，能够制作出封装尺寸更小、性能更高的封装形式，另外，如果将芯片键合工艺与TSV(硅通孔)工艺相结合，能够制作出成本和性能更有竞争力的芯片结构。

已知的芯片倒装键合设备，是通过与芯片尺寸大小匹配的吸头将单个芯片从源端拾取后，直接将芯片压合在基底上形成互连。由于整个工艺流程都是串行完成，由于键合时间长，所以产率很低，难以满足量产需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何缩短键合时间，降低产率。

为了解决这一技术问题，本发明提供了一种分体式芯片载板搬运键合装置，包括芯片拾取与分离模块和芯片批量键合模块；

所述芯片拾取与分离模块，用以将芯片自所述载片上分离出，并传至转接载板，所述转接载板通过第二运动台将所述芯片分批传至至交接位；

所述芯片批量键合模块，用以通过第四运动台，在所述交接位将所述转接载板取出、移动、并调整到达键合位置，进而将所述转接载板上的芯片键合到基底上，得到基片；其中

所述交接位为所述第二运动台和所述第四运动台在垂向方向的垂直重叠工位。

可选的，所述芯片拾取与分离模块包括第一运动台、顶针机构、和翻转手，所述第一运动台用以承载传输而来的载片，所述顶针机构用以通过竖直向运动将所述芯片自所述载片上分离出，所述翻转手用以取出被分离出的芯片，并将其传至所述转接载板，且一批芯片被传至一个所述转接载板。

可选的，所述翻转手通过翻转和竖直向运动将芯片传至所述转接载板。

可选的，所述分体式芯片载板搬运键合装置还包括批量芯片对准及精调模块，所述批量芯片对准及精调模块，用以针对传输而来的每批芯片，调整其在所述转接载板上的位置，并将所述转接载板移至交接位

可选的，所述批量芯片对准及精调模块第三运动台和设于所述第三运动台上的第一对准系统和第一精调机构，所述第二运动台部分设置在批量芯片对准及精调模块中，所述第一对准系统用以检测所述芯片在所述转接载板上的位置，所述第三运动台用以依据所述第一对准系统的检测结果，利用其上的所述第一精调机构调整所述芯片在所述转接载板上的位置，所述第二运动台用以装载所述转接载板，且能够将所述转接载板移至所述交接位。

可选的，所述芯片批量键合模块包括第四运动台、取放手、承载台和加压装置，所述取放手用以在所述交接位将所述转接载板取出，所述第四运动台用以驱动所述取放手运动并调整至键合位置，所述承载台用以承载所述基底，所述加压装置用以通过加压所述转接载板将其上的芯片键合于所述基底。

可选的，所述芯片批量键合模块还包括第二对准系统和第三对准系统，所述第二对准系统检测所述转接载板的位置，所述第三对准系统用以检测所述基底位置，所述第四运动台设置在所述芯片批量键合模块中，用以依据所述第二对准系统和第三对准系统的检测结果驱动所述取放手运动并调整至键合位置。

可选的，所述取放手包括夹爪和键合轴，所述夹爪用以抓取所述转接载板，所述夹爪通过所述键合轴连接于所述第四运动台，所述键合轴还用以被所述加压装置下压，进而通过加压所述转接载板将其上的芯片键合于所述基底。

可选的，所述第四运动台包括三自由度平台、电磁刹车，以及柔性铰链或导向轴承，所述取放手通过柔性铰链或导向轴承连接所述三自由度平台，且所述三自由度平台用以驱动所述取放手实现X向、Y向，以及绕Z轴方向三个自由度上的运动，所述电磁刹车设于所述三自由度平台，用以限制所述取放手沿Z向的移动，且当所述取放手未被限制时，被所述加压装置驱动沿Z轴运动，从而使得所述转接载板下压。

可选的，所述的分体式芯片载板搬运键合装置还包括两个物料取放模块，其中之一所述物料取放模块用以将所述载片自载片库取出，并传至所述芯片拾取与分离模块，另一所述物料取放模块用以将所述基片自所述芯片批量键合模块取出，并传至基片库。

可选的，所述物料取放模块包括机械手。

本发明解决的技术问题及效果如下：

1.现有技术采用单个芯片的取放和键合方式，产率无法满足量产需求。业界现有设备键合精度和产率平均水平如下：键合精度±2～3μm，产率约2000个芯片/小时；键合精度±6～7μm，产率约4000～5000个芯片/小时；键合精度±10μm，产率约5000～10000个芯片/小时。

2.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，通过芯片键合载板的导入，使芯片键合载板所在的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。

附图说明

图1和图2是现有技术中键合工艺的示意图；

图3和图4是本发明一可选实施例中分体式芯片载板搬运键合装置的示意图；

图5是本发明一可选实施例中分体式芯片载板搬运键合装置的俯视示意图；

图6是本发明一可选实施例中芯片批量键合模块的示意图；

图7是本发明一可选实施例中Z向的柔性铰链的示意图；

图8是本发明一可选实施例中使用分体式芯片载板搬运键合装置的方法流程。

具体实施方式

以下将结合图1至图7对本发明提供的分体式芯片载板搬运键合装置进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

请参考图1，其所示是倒装芯片接合工艺流程示意图，预接合芯片2以器件面3向上的方式放置在载片1上，采用机械手抓取和翻转的方式将接合芯片2接合到基底4上，L为接合芯片的间距，可根据不同工艺需求调整。

请参考图2，其中，将载片1上的多个芯片2以载板5承载的方式批量键合到基底4上，多个芯片2在载板5上位置被精确放置并吸附，键合过程中芯片2与载板5间被牢固定位，芯片2与芯片2间距被精确保持。单个芯片的串行键合被多个芯片的并行键合取代从而有效提高了设备产率。

请参考图3至图5，本发明提供了一种分体式芯片载板搬运键合装置，包括芯片拾取与分离模块、批量芯片对准及精调模块和芯片批量键合模块；

所述芯片拾取与分离模块，用以将芯片自所述载片上分离出，并传至转接载板，所述转接载板将所述芯片分批传至所述批量芯片对准及精调模块；

所述批量芯片对准及精调模块，用以针对传输而来的每批芯片，调整其在所述转接载板上的位置，并将所述转接载板移至交接位；

所述芯片批量键合模块，用以在所述交接位将所述转接载板取出、移动、并调整到达键合位置，进而将所述转接载板上的芯片键合到基底上，得到基片。

与之相对的，本发明的装置主要包括四个区域，区域一：物料取放区、区域二：芯片拾取及分离区、区域三：批量芯片对准及精调区、区域四：芯片批量键合区。

区域一中的物料通过传输机械手实现与区域二和区域四的运动台进行交接，区域二与区域三通过翻转手实现物料交接，区域三与区域四通过垂向键合作业实现物料交接，使芯片批量键合在基底上。

有关所述芯片拾取与分离模块：

所述芯片拾取与分离模块包括第一运动台110、顶针机构120、和翻转手160，所述第一运动台110用以承载传输而来的载片130，所述顶针机构120用以通过竖直向运动将所述芯片140自所述载片130上分离出，所述翻转手160用以取出被分离出的芯片140，并将其传至所述转接载板210，且一批芯片140被传至一个所述转接载板210。进一步可选方案中，所述翻转手160通过翻转和竖直向运动将芯片140传至所述转接载板210。

具体来说，其中包括一组目标芯片140a…140n、一组位于目标芯片上方的标记150a…150n，承载目标芯片的载片130，用于承载目标芯片的第一运动台110，用于分离芯片的顶针机构120，用于拾取和翻转目标芯片的翻转手160。

有关所述批量芯片对准及精调模块：

所述批量芯片对准及精调模块包括第二运动台220、第三运动台240和设于所述第三运动台240上的第一对准系统230和第一精调机构250，所述第一对准系统230用以检测所述芯片在所述转接载板210上的位置，所述第三运动台240用以依据所述第一对准系统230的检测结果，利用其上的所述第一精调机构250调整所述芯片在所述转接载板210上的位置，所述第二运动台200用以装载所述转接载板210，且能够将所述转接载板210移至所述交接位。

具体来说，其中包括用于临时键合目标芯片的转接载板210，用于移动临时键合目标芯片的转接载板210的第二运动台220，用于测量目标芯片位置的对准系统230，用于Z向调整目标芯片的精调机构250和用于承载对准系统230及精调机构250的第三运动台240。区域三200中第二运动台220与区域四300中取放手350交接转接载板210的交接位，为第二运动台220和所述运动台340在垂向方向的垂直重叠工位，该设计有利于转接载板210交接的凹槽结构，同时第二运动台220上设计有利于转接载板210取放的定位夹紧机构。

有关所述芯片批量键合模块：

所述芯片批量键合模块包括第四运动台340、取放手350、承载台320和加压装置360，所述取放手350用以在所述交接位将所述转接载板210取出，所述第四运动台340用以驱动所述取放手350运动并调整至键合位置，所述承载台320用以承载所述基底370，所述加压装置360用以通过加压所述转接载板210将其上的芯片键合于所述基底。

通过取放手350组件将完成芯片吸附排列的转接载板从内部世界整体抓出，芯片位置保持不变；批量键合时加压装置作用在基底台上的键合力与内部世界隔离，不会对内部世界同步进行的芯片对准及精调产生影响

进一步来说，在本发明可选的实施例中，所述芯片批量键合模块还包括第二对准系统310和第三对准系统330，所述第二对准系统310检测所述转接载板210的位置，所述第三对准系统310用以检测所述基底370位置，所述第四运动台340用以依据所述第二对准系统310和第三对准系统330的检测结果驱动所述取放手350运动并调整至键合位置。

具体来说，其包括用于测量转接载板210位置的对准系统310，用于键合目标芯片的基底370，用于承载基底370的承载台320，用于测量基底370位置的第三对准系统330，用于抓取并搬运转接载板210的取放手350，用于将取放手350组件精确移动至目标位置的第四运动台340，用于将转接载板210上的芯片键合到基底370上的加压装置360。

进一步可选的实施例中，请参考图6和图7，所述取放手350包括夹爪351和键合轴352，所述夹爪351用以抓取所述转接载板210，所述夹爪210通过所述键合轴352连接于所述第四运动台340，所述键合轴352还用以被所述加压装置360下压，进而通过加压所述转接载板210将其上的芯片键合于所述基底370。所述第四运动台340包括三自由度平台341、柔性铰链342和电磁刹车343，所述取放手350通过柔性铰链342连接所述三自由度平台341，且所述三自由度平台341用以驱动所述取放手350实现X向、Y向，以及绕Z轴方向三个自由度上的运动，所述电磁刹车343设于所述三自由度平台341，用以限制所述取放手350沿Z向的移动，且当所述取放手450未被限制时，被所述加压装置360驱动沿Z轴运动，从而使得所述转接载板210下压。

进一步来说，其中包括用于测量转接载板210位置的第二对准系统310，用于键合目标芯片的基底370，用于承载基底370的承载台320，用于测量基底370位置的第三对准系统330，用于抓取并搬运转接载板210的取放手350，用于将取放手350组件精确移动至目标位置的运动台340，用于将转接载板210上的芯片键合到基底370上的加压装置360。其中，取放手350包括夹爪351和键合轴352；夹爪351用于抓取并准确定位转接载板210，键合轴352用于承载转接载板210及传递来自加压装置360的力到基底370以实现芯片的键合。第四运动台340包括X-Y-Rz的三自由度平台341、Z向的柔性铰链342和电磁刹车343；X-Y-Rz的三自由度平台341用于移动转接载板210并实现其相对基底370不同区域的精确定位，通过Z向的柔性铰链342和电磁刹车343协调配合实现取放手350与第四运动台340的解耦，避免二者间力的串扰以消除键合过程对第四运动台340运动精度的不利影响。

请参考图7，并结合图6，本发明所涉及的Z向的柔性铰链342，可以使取放手350相对第四运动台340在Z向存在较大柔性；另外，因为取放手350上下端面、加压装置360的下表面与承载台320的上表面之间存在不平行导致键合时取放手350相对第四运动台340在水平方向产生分力，本发明所涉及的Z向柔性铰链342在水平方向也存在微小的柔性可以消除对第四运动台340运动精度的不利影响，但又不会影响取放手350的定位精度。

本发明另一可选的实施例中，参考图6来理解，取放手350中的键合轴352进一步设计为阶梯轴结构，也可采用导向轴承替代Z向柔性铰链342。首先加压装置360预压紧键合轴352，然后电磁刹车343释放取放手350组件将第四运动台340与取放手350组件分离；最后第四运动台340Z向向上运动，使键合轴352与导向轴承342产生间隙而处于解耦状态。当加压装置360通过取放手350组件将转接载板210上的芯片在基底370上完成键合后，第四运动台340回到原位，电磁刹车343抱紧取放手350组件。开始下一个循环。

可见，芯片批量键合模块处于整机外部世界，批量键合时加压装置作用在基底台上的键合力与内部世界隔离，不会对内部世界同步进行的芯片对准及精调产生影响；通过取放手组件将完成芯片吸附排列的转接载板从内部世界整体抓出，芯片位置保持不变；取放手组件与键合轴间具有解耦机构，当键合轴将取放手组件移动到目标位置后二者解耦，这时加压装置通过取放手组件传递到键合轴的力被解耦机构消除，以保护键合轴精度；键合轴可以通过取放手组件精确移动转接载板到基底上的目标位置；加压装置下表面与基底台上表面的平行度由加工精度保证，与键合轴的结构强度无关，从而保证了批量键合的精度；连接取放手组件与键合轴的Z向柔性铰链在垂向具有较大柔性，在水平向具有极小柔性，并通过电磁刹车实现取放手组件与键合轴的位置保持功能。

本发明可选实施例中，所述的分体式芯片载板搬运键合装置还包括两个物料取放模块，其中之一所述物料取放模块用以将所述载片自载片库取出，并传至所述芯片拾取与分离模块，另一所述物料取放模块用以将所述基片自所述芯片批量键合模块取出，并传至基片库。具体来说，区域一包括：放置载片130的载片库020，抓取并传输载片130的机械手010；放置基底370的基片库040，抓取并传输基底370的机械手030。

使用本发明提供的分体式芯片载板搬运键合装置的工作流程如下：

1、机械手010抓取载片130并传输至交接位，与第一运动台110交接载片130；

2、第一运动台110将载片130上被拾取的目标芯片运动到分离区100预定拾取位置；

3、顶针机构120顶起目标芯片，翻转手160拾取目标芯片，然后将目标芯片翻转180度，使得标记位于目标芯片的下方；

4、第二运动台220水平向运动，翻转手160垂向运动，通过二者匹配运动将多个目标芯片放置到转接载板210上；

5、第二运动台220移动转接载板210至精调区域，第一对准系统230与精调机构250配合实现芯片位置精调，第四运动台240实现第一对准系统230与第一精调机构250的精确移位；

6、取放手350从第二运动台220抓取转接载板210，第二对准系统310和第三对准系统330测量转接载板210与基底370的位置关系；

7、第四运动台340精确移动取放手350组件至键合区域300的键合位置；

8、第四运动台340Z向运动将转接载板210精确放置在基底370上的目标键合位置；

9、电磁刹车343释放取放手350组件，使第四运动台340与取放手350组件处于解耦状态；

10、加压装置360通过取放手350组件将转接载板210上的芯片键合在基底370上的目标键合位置；

11、如上工序重复直到完成整片基底的键合；

12、机械手030抓取基底，传输基底至基片库040。

综上所述，本发明解决的技术问题及效果如下：

1.现有技术采用单个芯片的取放和键合方式，产率无法满足量产需求。业界现有设备键合精度和产率平均水平如下：键合精度±2～3μm，产率约2000个芯片/小时；键合精度±6～7μm，产率约4000～5000个芯片/小时；键合精度±10μm，产率约5000～10000个芯片/小时。

2.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，通过芯片键合载板的导入，使芯片键合载板所在的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。

Claims (11)

1.一种分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：包括芯片拾取与分离模块和芯片批量键合模块；

所述芯片拾取与分离模块，用以将芯片自所述载片上分离出，并传至转接载板，所述转接载板通过第二运动台将所述芯片分批传至至交接位；

所述芯片批量键合模块，用以通过第四运动台，在所述交接位将所述转接载板取出、移动、并调整到达键合位置，进而将所述转接载板上的芯片键合到基底上，得到基片；其中

所述交接位为所述第二运动台和所述第四运动台在垂向方向的垂直重叠工位。

2.如权利要求1所述的分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：所述芯片拾取与分离模块包括第一运动台、顶针机构、和翻转手，所述第一运动台用以承载传输而来的载片，所述顶针机构用以通过竖直向运动将所述芯片自所述载片上分离出，所述翻转手用以取出被分离出的芯片，并将其传至所述转接载板，且一批芯片被传至一个所述转接载板。

3.如权利要求2所述的分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：所述翻转手通过翻转和竖直向运动将芯片传至所述转接载板。

4.如权利要求1所述的分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：所述分体式芯片载板搬运键合装置还包括批量芯片对准及精调模块，所述批量芯片对准及精调模块，用以针对传输而来的每批芯片，调整其在所述转接载板上的位置，并将所述转接载板移至交接位。

5.如权利要求4所述的分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：所述批量芯片对准及精调模块包括第三运动台和设于所述第三运动台上的第一对准系统和第一精调机构，所述第二运动台部分设置在批量芯片对准及精调模块中，所述第一对准系统用以检测所述芯片在所述转接载板上的位置，所述第三运动台用以依据所述第一对准系统的检测结果，利用其上的所述第一精调机构调整所述芯片在所述转接载板上的位置，所述第二运动台用以装载所述转接载板，且能够将所述转接载板移至所述交接位。

6.如权利要求1所述的分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：所述芯片批量键合模块包括取放手、承载台和加压装置，所述取放手用以在所述交接位将所述转接载板取出，所述第四运动台设置在所述芯片批量键合模块中，用以驱动所述取放手运动并调整至键合位置，所述承载台用以承载所述基底，所述加压装置用以通过加压所述转接载板将其上的芯片键合于所述基底。

7.如权利要求6所述的分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：所述芯片批量键合模块还包括第二对准系统和第三对准系统，所述第二对准系统检测所述转接载板的位置，所述第三对准系统用以检测所述基底位置，所述第四运动台用以依据所述第二对准系统和第三对准系统的检测结果驱动所述取放手运动并调整至键合位置。

8.如权利要求6所述的分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：所述取放手包括夹爪和键合轴，所述夹爪用以抓取所述转接载板，所述夹爪通过所述键合轴连接于所述第四运动台，所述键合轴还用以被所述加压装置下压，进而通过加压所述转接载板将其上的芯片键合于所述基底。

9.如权利要求1所述的分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：所述第四运动台包括三自由度平台、电磁刹车，以及柔性铰链或导向轴承，所述取放手通过柔性铰链或导向轴承连接所述三自由度平台，且所述三自由度平台用以驱动所述取放手实现X向、Y向，以及绕Z轴方向三个自由度上的运动，所述电磁刹车设于所述三自由度平台，用以限制所述取放手沿Z向的移动，且当所述取放手未被限制时，被所述加压装置驱动沿Z轴运动，从而使得所述转接载板下压。

10.如权利要求1所述的分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：还包括两个物料取放模块，其中之一所述物料取放模块用以将所述载片自载片库取出，并传至所述芯片拾取与分离模块，另一所述物料取放模块用以将所述基片自所述芯片批量键合模块取出，并传至基片库。

11.如权利要求10所述的分体式芯片载板搬运键合装置，其特征在于：所述物料取放模块包括机械手。