CN107665827B - 芯片键合装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芯片键合装置和方法，该芯片键合装置包括：芯片转载单元，用于临时批量承载并保持多个目标芯片，并将所述多个目标芯片键合到基底上；键合台，用于承载基底；注胶单元，用于在键合前对所述基底上的预定键合位置注入光敏胶；光敏胶固化单元，设置在所述键合台内，用于对所述光敏胶进行固化；以及控制系统，所述控制系统控制所述芯片转载单元、键合台、注胶单元以及光敏胶固化单元协调动作。本发明采用光敏胶键合基底和目标芯片，可以解决批量键合中干膜胶对不同厚度芯片与基底键合适应性问题。

Description

芯片键合装置和方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种芯片键合装置和方法。

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，由于能够事先知道芯片的KGD(知道合格芯片)，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三维立体结构。

已知的芯片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，再通过机器对准系统将芯片与基底的对准标记对准，然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，对于下压键合时间长的工艺，产率非常低，难以满足量产需求。为了提高产率，现有技术提出了一种使用干膜胶批量键合方案，具体如图1所示，通过机械手将芯片2批量拾取到转接载板1上，然后通过干膜胶3将芯片2批量键合到基底4上，所述基底4位于基底台5上。由于干膜胶3的硬胶特性，需要较大的键合力才能实现芯片键合。然而由于芯片2间存在厚度差异，不同厚度的芯片2对干膜胶3的键合力不同，因此，在批量键合中使用干膜胶3无法实现不同厚度芯片2与基底4的全部键合。

发明内容

本发明提供一种芯片键合装置和方法，以解决现有技术的批量键合中干胶膜对不同厚度芯片与基底键合适应性问题，

为解决上述技术问题，本发明提供一种芯片键合装置，包括：芯片转载单元，用于临时批量承载并保持多个目标芯片，并将所述多个目标芯片键合到基底上；键合台，用于承载基底；注胶单元，用于在键合前对所述基底上的预定键合位置注入光敏胶；光敏胶固化单元，设置在所述键合台内，用于对所述光敏胶进行固化；以及控制系统，所述控制系统控制所述芯片转载单元、键合台、注胶单元以及光敏胶固化单元协调动作。

作为优选，所述芯片转载单元包括：用于承载目标芯片的第一运动台、设置在所述第一运动台内的顶出机构、用于拾取和翻转目标芯片的翻转手、用于移动和键合目标芯片的转接载板以及驱动所述转接载板移动的第二运动台。

作为优选，所述芯片转载单元还包括：设在第一运动台与键合台之间的芯片对准系统、精调装置和转接载板对准系统。

作为优选，所述基底上方还设置有基底对准系统。

作为优选，所述芯片对准系统、转接载板对准系统以及基底对准系统均包括：宽带光源、照明镜组、分束棱镜、成像前组、成像后组和图像传感器，宽带光源提供的光束经所述照明镜组、分束棱镜和成像前组照射到目标区域上后发生反射，反射光束经成像前组、分束棱镜和成像后组，投射到所述图像传感器上，所述图像传感器对接收到的信号进行处理以获取目标区域的对准位置，其中，所述目标区域为位于目标芯片、转接载板或者基底上的对准标记。

作为优选，所述精调装置包括：支撑机构、安装在所述支撑机构上并与所述控制系统连接的第一垂向运动机构以及位于所述第一垂向运动机构端部的第一吸盘。

作为优选，所述顶出机构包括：安装在所述第一运动台内的水平向运动机构、安装在所述水平向运动机构上的吸附结构以及安装在所述吸附结构上的顶针。

作为优选，所述翻转手包括：翻转电机、与所述控制系统连接的第二垂向运动机构和设在所述第二垂向运动机构一端的第二吸盘，其中，所述翻转电机和所述第二垂向运动机构之间通过连接件固接。

作为优选，所述光敏胶固化单元设置在所述键合台中；且所述键合台上位于所述光敏胶固化单元上方的区域采用透明材料制成。

作为优选，所述光敏胶固化单元为紫外光源，包括：紫外光灯管、围绕所述紫外光灯管设置的第一反射膜、与所述第一反射膜对应设置的导光板、设置在所述导光板底部的第二反射膜以及设置在所述导光板上方的棱镜膜片。

作为优选，所述光敏胶固化单元的照射面积不小于所述基底的面积。

作为优选，所述转接载板的尺寸小于或者等于所述基底的尺寸。

作为优选，所述芯片键合装置还包括：与所述芯片转载单元对应设置的载片库和上料机械手，与所述键合台对应设置的基片库和取料机械手。

作为优选，所述基底采用透明材料制成。

本发明还提供一种芯片键合方法，包括：步骤1：采用芯片转载单元将载片上的目标芯片批量承载并移送至键合区域；步骤2：采用注胶单元对基底上的预定键合位置进行光敏胶注入；步骤3：将目标芯片键合到所述基底上；步骤4：开启光敏胶固化单元，对目标芯片与基底之间的光敏胶进行固化。

作为优选，所述步骤1包括：步骤11：上载片至第一运动台；步骤12：顶出机构顶起载片上的目标芯片，翻转手拾取该目标芯片，并将该目标芯片翻转180°；步骤13：所述翻转手带动目标芯片垂向运动将所述目标芯片临时结合到所述转接载板上。

作为优选，所述步骤1还包括：步骤14：所述第二运动台携转接载板移动至芯片对准系统，芯片对准系统测量目标芯片在转接载板上的位置；步骤15：第二运动台携转接载板移动至精调装置上方，所述精调装置根据步骤14中芯片对准系统的测量数据对目标芯片进行位置调整；步骤16：重复步骤14-15，直至完成目标芯片的精调。

作为优选，所述步骤1还包括：步骤17：第二运动台携转接载板移动至键合台正上方，转接载板对准系统测量所述转接载板的位置，同时，基底对准系统测量键合台的位置；步骤18：第二运动台和第三运动台根据转接载板对准系统和基底对准系统的测量数据，移动转接载板和基底运动至键合位置。

作为优选，所述步骤2具体为：所述注胶单元由控制系统控制，移动至基底上方，根据预设的点胶剂量对基底上各目标芯片的预定键合位置注入光敏胶。

作为优选，还包括步骤5：第二运动台将转接载板传送回原位；步骤6：键合完成后，取料机械手抓取键合完毕的基底，并将基底传输至基片库。

与现有技术相比，本发明采用光敏胶键合基底和目标芯片，可以解决批量键合中干膜胶对不同厚度芯片与基底键合适应性问题。

附图说明

图1为现有技术中使用干膜胶批量键合芯片的键合装置结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式中芯片键合装置的结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式中芯片对准系统的结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式中顶出机构的结构示意图；

图5为本发明一具体实施方式中精调装置的结构示意图；

图6为本发明一具体实施方式中翻转手的结构示意图；

图7为本发明一具体实施方式中光敏胶固化单元的结构示意图；

图8为本发明一具体实施方式中基底的平面示意图；

图9为本发明一具体实施方式中转接载板的结构示意图；

图10为本发明一具体实施方式中芯片键合方法流程图。

图1中：1-转接载板、2-芯片、3-干膜胶、4-基底、5-基底台；

图2-10中：

110-载片库、120-上料机械手；

210-载片、220-目标芯片、221-标记；

300-芯片转载单元、310-第一运动台、

320-顶出机构、321-顶针、322-吸附结构、323-水平向运动机构；

330-翻转手、331-翻转电机、332-连接件、333-第二垂向运动机构、334-第二吸盘；

340-转接载板、350-第二运动台；

360-芯片对准系统、361-宽带光源、362-照明镜组、363-分束棱镜、364-成像前组、365-成像后组、366-图像传感器；

370-精调装置、371-支撑机构、372-第一垂向运动机构、373-第一吸盘；

380-转接载板对准系统、390-基底对准系统；

400-键合台、500-注胶单元、510-光敏胶；

600-光敏胶固化单元、610-紫外光灯管、620-第一反射膜、630-导光板、640-第二反射膜、650-棱镜膜片；

710-取料机械手、720-基片库；

800-控制系统、900-基底。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图2所示，本发明提供一种芯片键合装置，包括：

载片库110，用于放置载片210，所述载片210上承载有目标芯片220；

上料机械手120，用于从载片库110抓取载片210并传输；

芯片转载单元300，用于临时批量承载并保持多个目标芯片220，并将所述多个目标芯片220键合到基底900上，当然，所述多个目标芯片220的厚度不同，每个芯片220上均设置有标记221；

键合台400，用于承载基底900，且所述基底900采用透明材料制成；

注胶单元500，用于在键合前对所述基底900上的预定键合位置注入光敏胶510，所述光敏胶可以为紫外胶；

光敏胶固化单元600，设置在所述键合台400内，用于对所述光敏胶510进行固化；

取料机械手710，用于抓取并传输键合完成的基底900；

基片库720，用于放置键合完毕的基底900；

以及

控制系统800，所述控制系统800控制所述上料机械手120、取料机械手710、芯片转载单元300、键合台400、注胶单元500以及光敏胶固化单元600协调动作。

请继续参照图2，所述芯片转载单元300包括：用于承载目标芯片220的第一运动台310、设置在所述第一运动台310内的顶出机构320、用于拾取和翻转芯片的翻转手330、用于移动和键合目标芯片220的转接载板340、驱动所述转接载板340移动的第二运动台350、用于测量目标芯片220在转接载板340上的位置的芯片对准系统360、用于测量转接载板340位置的转接载板对准系统380、用于调整目标芯片220位置的精调装置370以及用于测量基底900位置的基底对准系统390。

具体地，上料机械手120通过控制系统800控制，从载片库110抓取载片210，然后将载片210放置到第一运动台310上，通过第一运动台310将目标芯片220运送到翻转手330正下方，顶出机构320顶出目标芯片220，翻转手330拾取该目标芯片220，然后将目标芯片220进行180度翻转，翻转手330带着目标芯片220沿Z向运动至转接载板340的临时接合位置，然后目标芯片220通过吸附方式接合到转接载板340上，其中，吸附方式可以是真空吸附、静电吸附等任何有效的可以吸附目标芯片220的吸附方式。此时目标芯片220上的标记221位于目标芯片220的下方。待整片转接载板340的目标芯片220临时接合完毕，第二运动台350将转接载板340运动到芯片对准系统360所在区域内，芯片对准系统360测量位于转接载板340上的目标芯片220位置；然后，第二运动台350将转接载板340运动到精调装置370上方，通过控制系统800控制精调装置370与第二运动台350匹配运动，实现对目标芯片220的位置调整。待转接载板340上的目标芯片220位置调整完毕，第二运动台350将转接载板340运动到基底900正上方，通过转接载板对准系统380和基底对准系统390的测量数据，键合台400进行多自由度运动，使得转接载板340与基底900对准，然后注胶单元500运动到基底900上方，根据点胶剂量对基底900上方各目标芯片220的预定键合位置注入光敏胶510，然后注胶单元500移动至键合区域外，转接载板340将目标芯片220批量键合至基底900上，此时标记221位于目标芯片220和基底900中间，然后开启光敏胶固化单元600对光敏胶510进行固化。键合台400将转接载板340运回，重复上述步骤，直至载片210上所有目标芯片220都键合至基底900上，接着取料机械手710抓取基底900并放置到基片库720中。

需要说明的是，本发明可根据工艺要求提供的目标芯片220尺寸、间隔距离、芯片数量和转接载板340的边距，对目标芯片220在转接载板340上的布局进行规划。本发明也可以包括多个相同的芯片对准系统360同步对转接载板340上的多个目标芯片220进行位置测量，也可以配备多个精调装置370进行位置精调，具体可以根据产率要求、成本要求综合进行优化和配置。

作为优选，所述转接载板340的尺寸小于或者等于所述基底900的尺寸。

请重点参照图3，所述芯片对准系统360、转接载板对准系统380以及基底对准系统390均包括：宽带光源361、照明镜组362、分束棱镜363、成像前组364、成像后组365和图像传感器366。以芯片对准系统360为例，宽带光源361提供的测量光经所述照明镜组362、分束棱镜363和成像前组364照射到目标芯片220下方的标记221，测量光经该标记221反射后，再经成像前组364、分束棱镜363和成像后组365，将目标芯片220上的标记221成像到所述图像传感器366上，图像传感器366输出的图像经过图像处理之后，即可获得标记221的对准位置，进而可以获知目标芯片220的位置。当然，所述转接载板对准系统380和基底对准系统390的工作方式与所述芯片对准系统360完全相同，且所述转接载板340和基底900上均设置有相应的对准标记。

如图4所示，所述顶出机构320包括：安装在所述第一运动台310内的水平向运动机构323、安装在所述水平向运动机构323上的吸附结构322以及安装在所述吸附结构322上的顶针321。具体地，所述吸附结构322随所述水平向运动机构323实现同步的水平向运动，且吸附结构322通过真空吸附的方式将载片210吸附，所述顶针321将所述目标芯片220顶起，等待翻转手330抓取。

如图5所示，所述精调装置370包括：支撑机构371、安装在所述支撑机构371上并与所述控制系统800连接的第一垂向运动机构372以及位于所述第一垂向运动机构372端部的第一吸盘373。具体地，在对所述目标芯片220进行位置调整时，所述第一垂向运动机构372由控制系统800控制，垂向运动至芯片位置处，吸附位于转接载板340下方的目标芯片220；根据芯片对准系统360测量所得的芯片位置，第二运动台350将转接载板340移动到目标芯片220的临时接合位置，第一吸盘373将吸附的目标芯片220再次接合到转接载板340下方，通过第二运动台350水平向运动，再次将目标芯片220运动到芯片对准系统360的对准测量区域内，芯片对准系统360测量目标芯片220的位置，若所测量的芯片位置未达到预订位置，则重复上述步骤，直至芯片接合位置达到预定位置。

如图6所示，所述翻转手330包括：翻转电机331、与所述控制系统800连接的第二垂向运动机构333、用于连接翻转电机331和第二垂向运动机构333的连接件332以及设在所述第二垂向运动机构333一端的第二吸盘334。其中，所述第二吸盘334采用橡胶吸盘且设置在所述第二垂向运动机构的333下方。具体工作时，所述第二垂向运动机构333由控制系统800控制，向下运动至目标芯片220正上方指定位置，翻转电机331将所述第二垂向运动机构333和第二吸盘334进行180度翻转，使得目标芯片220上的标记221处于目标芯片220的下方。进一步的，所述第二吸盘334采用橡胶吸盘或者陶瓷吸盘。

如图8和图9所示，所述注胶单元500用于产生液态光敏胶510于基底900上，光敏胶固化单元600用于将键合目标芯片220与基底900的光敏胶510固化，其中光敏胶固化单元600安装于键合台400中，紫外光单元600的照射面积不小于基底900的面积。光敏胶固化单元600向上照射通过键合台400的区域采用透明材料制备，可透射紫外光。注胶单元500运动到基底900上方，根据注胶剂量对基底900上方各目标芯片220的预定键合位置注入光敏胶510。本实施例中，基底900与转接载板340的尺寸相同，注胶位置与芯片键合位置对应。然后注胶单元500移动至键合区域外，转接载板340将目标芯片220批量键合至基底900上，此时目标芯片220上的标记221位于目标芯片220和基底900中间，然后，开启光敏胶固化单元600对光敏胶510进行固化，直至所有目标芯片220固化完毕。

作为优选，所述光敏胶固化单元600的照射面积不小于所述基底900的面积。具体如图6所示，所述光敏胶固化单元600包括：紫外光灯管610、围绕所述紫外光灯管610设置的第一反射膜620、与所述第一反射膜620对应设置的导光板630、设置在所述导光板630底部的第二反射膜640以及设置在所述导光板630上方的棱镜膜片650。紫外光灯管610发射紫外光，第一反射膜620将该紫外光反射进入导光板630，所述导光板630将紫外光线均匀引导进入棱镜膜片650，棱镜膜片650修正紫外光线方向使其垂直向上。所述第二反射膜640放置于导光板630底部，将自底面漏出的紫外光反射回导光板630中。因此，本发明的光敏胶固化单元600可以提供均匀的面光源，并将光线垂直照射至基底900与目标芯片220之间。

本发明还提供一种芯片键合方法，如图10所示，具体包括以下步骤：

上料机械手120从载片库110中抓取载片210并传输至交接位，与第一运动台310交接载片210，所述载片210上承载有多个厚度不同的目标芯片220，且目标芯片220上设置有标记221；

第一运动台310将载片210连同目标芯片220移送至与转接载板340对应的预定拾取位置处；

顶出机构320顶起目标芯片220，翻转手330拾取目标芯片220，然后将目标芯片220翻转180度，使得标记221位于目标芯片220的下方；

第二运动台350水平向运动，翻转手330垂向运动，将目标芯片220临时接合到转接载板340上；

重复上述操作至整片转接载板340上的目标芯片220都接合完毕；

第二运动台350携带转接载板340至与所述芯片对准系统360对应的对准测量区域；

芯片对准系统360测量目标芯片220在转接载板340上的位置；

第二运动台350携带转接载板340运动至与所述精调装置370对应的精调区域；

精调装置370根据芯片对准系统360测量数据对目标芯片220进行位置调整；

第二运动台350将转接载板340运送回对准测量区域，芯片对准系统360再次测量目标芯片220的位置，直至完成目标芯片220的精调，使其满足临时接合位置精度；

重复上述操作直至完成整个转接载板340的目标芯片220的位置精调；

接着，第二运动台350通过水平向运动将转接载板340运动至与键合台400对应的键合区域；

转接载板对准系统380测量转接载板340下方的对准标记，所述基底对准系统390测量基底900上的对准标记，从而得到转接载板340与基底900的位置关系；

第二运动台350将转接载板340运动至键合位置，键合台400通过垂向运动将基底900运动至键合位置；

接着，注胶单元500运动到基底900上方，根据点胶剂量对基底900上方各目标芯片220的预定键合位置注入光敏胶510；

将转接载板340上所有目标芯片220键合到基底900上；

转接载板340与目标芯片220分离；

光敏胶固化单元600对光敏胶510进行固化；

第二运动台350将转接载板340传送回初始位置；

完成整片基底900的键合；

取料机械手710抓取键合完毕的基底900，将基底900传输至基片库720。

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：

芯片转载单元，用于临时批量承载并保持多个目标芯片，并将所述多个目标芯片键合到基底上，其中所述芯片转载单元包括：用于承载目标芯片的第一运动台、设置在所述第一运动台内的顶出机构、用于拾取和翻转目标芯片的翻转手、用于移动和键合目标芯片的转接载板以及驱动所述转接载板移动的第二运动台，所述芯片转载单元还包括：设在第一运动台与键合台之间的芯片对准系统、精调装置和转接载板对准系统；

键合台，用于承载基底；

注胶单元，用于在键合前对所述基底上的预定键合位置注入光敏胶；

光敏胶固化单元，设置在所述键合台内，用于对所述光敏胶进行固化；以及

控制系统，所述控制系统控制所述芯片转载单元、键合台、注胶单元以及光敏胶固化单元协调动作；

所述基底上方还设置有基底对准系统；

所述芯片对准系统、转接载板对准系统以及基底对准系统均包括：宽带光源、照明镜组、分束棱镜、成像前组、成像后组和图像传感器，宽带光源提供的光束经所述照明镜组、分束棱镜和成像前组照射到目标区域上后发生反射，反射光束经成像前组、分束棱镜和成像后组，投射到所述图像传感器上，所述图像传感器对接收到的信号进行处理以获取目标区域的对准位置，其中，所述目标区域为位于目标芯片、转接载板或者基底上的对准标记。

2.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述精调装置包括：支撑机构、安装在所述支撑机构上并与所述控制系统连接的第一垂向运动机构以及位于所述第一垂向运动机构端部的第一吸盘。

3.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述顶出机构包括：安装在所述第一运动台内的水平向运动机构、安装在所述水平向运动机构上的吸附结构以及安装在所述吸附结构上的顶针。

4.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述翻转手包括：翻转电机、与所述控制系统连接的第二垂向运动机构和设在所述第二垂向运动机构一端的第二吸盘，其中，所述翻转电机和所述第二垂向运动机构之间通过连接件固接。

5.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述转接载板的尺寸小于或者等于所述基底的尺寸。

6.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述光敏胶固化单元为紫外光源，包括：紫外光灯管、围绕所述紫外光灯管设置的第一反射膜、与所述第一反射膜对应设置的导光板、设置在所述导光板底部的第二反射膜以及设置在所述导光板上方的棱镜膜片。

7.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述光敏胶固化单元的照射面积不小于所述基底的面积。

8.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述光敏胶固化单元设置在所述键合台中，且所述键合台上位于所述光敏胶固化单元上方的区域采用透明材料制成。

9.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述芯片键合装置还包括：与所述芯片转载单元对应设置的载片库和上料机械手，与所述键合台对应设置的基片库和取料机械手。

10.如权利要求1所述的芯片键合装置，其特征在于，所述基底采用透明材料制成。

11.一种芯片键合方法，其特征在于，包括：

步骤1：采用芯片转载单元将载片上的目标芯片批量承载并移送至键合区域；

所述步骤1包括：

步骤11：上载片至第一运动台；

步骤12：顶出机构顶起载片上的目标芯片，翻转手拾取该目标芯片，并将该目标芯片翻转180°；

步骤13：所述翻转手带动目标芯片垂向运动将所述目标芯片临时结合到转接载板上；

步骤14：第二运动台携转接载板移动至芯片对准系统，芯片对准系统测量目标芯片在转接载板上的位置；

步骤15：第二运动台携转接载板移动至精调装置上方，所述精调装置根据步骤14中芯片对准系统的测量数据对目标芯片进行位置调整；

步骤16：重复步骤14-15，直至完成目标芯片的精调；

步骤2：采用注胶单元对基底上的预定键合位置进行光敏胶注入；

步骤3：将目标芯片键合到所述基底上；

步骤4：开启光敏胶固化单元，对目标芯片与基底之间的光敏胶进行固化。

12.如权利要求11所述的芯片键合方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

步骤17：第二运动台携转接载板移动至键合台正上方，转接载板对准系统测量所述转接载板的位置，同时，基底对准系统测量键合台的位置；

步骤18：第二运动台和第三运动台根据转接载板对准系统和基底对准系统的测量数据，移动转接载板和基底运动至键合位置。

13.如权利要求11所述的芯片键合方法，其特征在于，所述步骤2具体为：所述注胶单元由控制系统控制，移动至基底上方，根据预设的点胶剂量对基底上各目标芯片的预定键合位置注入光敏胶。

14.如权利要求11所述的芯片键合方法，其特征在于，还包括步骤5：第二运动台将转接载板传送回原位；步骤6：键合完成后，取料机械手抓取键合完毕的基底，并将基底传输至基片库。

Images