CN110854045A - 利用准直光路调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用准直光路调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的方法，解决了现有键合设备在键合前通过自适应调整芯片吸盘与基板吸盘之间的平行度存在调整不到位导致键合产品质量低和废品率高的问题。本发明通过双准直成像光路对同一靶标在准直成像相机中进行成像；在该成像光路中除带反射镜面的芯片吸盘的反射镜和带反射镜面的基板吸盘的反射镜之外，各棱镜均处于预先设定好的光学系统中，各棱镜的位置和角度均恒定不变，仅调整带反射镜面的芯片吸盘的反射镜，就会改变靶标生成图像A的位置，因此通过调整带反射镜面的芯片吸盘的位置，即可实现芯片吸盘与基板吸盘之间的平行度的调节；实现了芯片吸盘与基板吸盘平行度的大幅度提高。

Description

利用准直光路调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的方法

技术领域

本发明涉及一种大规模集成电路器件制造设备，特别涉及一种用于芯片倒装的键合工艺设备中的利用准直光路调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的方法。

背景技术

芯片倒装焊接设备主要用于大规模集成电路器件制造的倒装焊接工艺，完成芯片与基板的直接互连键合，使封装具有更优越的高频、低延迟、低串扰的电路特性，能有效提高电路、部件或系统的组装互连的可靠性；倒装焊接设备主要有三部分组成：第一部分是设置在大理石基准平台上的电路基板放置台，电路基板放置台可沿X方向的位置调整、沿Y方向的位置调整、沿与X方向和Y方向所组成的平面垂直的θ轴旋转调整；第二部分是设置在大理石基准平台正上方的Z向升降臂机构，在Z向升降臂机构的下端设置有俯仰和偏摆平台，在俯仰和偏摆平台上设置有芯片吸盘，Z向升降臂机构的主要功能是通过下压实现芯片与基板的键合，在键合前，通过俯仰和偏摆的调整实现芯片吸盘与基板吸盘的调平；第三部分是光学系统，光学系统是设置在读出电路基板放置台与Z向升降臂机构之间的，该光学系统主要承担芯片与基板是否对位到位，以及芯片与基板键合的平行度检测；被键合的读出电路基板是放置在XYθ定位平台上的，被键合的芯片是吸附在俯仰和偏摆平台上的，通过调整控制XYθ定位平台的位置，使键合芯片与读出电路基板对位到位，通过调整俯仰和偏摆平台，使读出电路基板与被键合的芯片满足键合的平行度要求，当对位和平行度调整完毕后，Z向升降臂下压，将被键合的芯片与读出电路基板压接键合在一起，从而完成芯片的倒装键合工艺过程。

现有的键合工艺设备设置有光学系统，在光学系统中分别设置有显微系统和激光系统；通过光学系统中的激光系统，对被键合芯片的吸附吸盘与放置读出电路基板的吸盘的平行度进行测定，根据两吸盘的平行度测定结果，通过调整俯仰偏摆平台，使两吸盘的平行度达到设计的键合平行度的要求；然后，将预键合芯片吸附到芯片吸附吸盘上，将读出电路基板放置到带有反射镜面的读出电路基板吸盘上，启动显微系统，将被吸附在芯片吸附吸盘上的芯片与吸附在基板吸盘上的读出电路基板进行对位，对位完成后，再将Z向升降臂下压，将芯片与读出电路基板通过压接，键合在一起；现有的光学系统，仅仅是完成了芯片吸附吸盘与读出电路基板吸盘的平行度检测和调整，而不是对对被键合的芯片与读出电路基板两键合体的平行度测定与调整，存在芯片与基板键合时，两键合体之间的平行度不能保证符合设计要求的问题，直接影响到了键合完成后电路板的工作性能；另外，现有设备的光学系统中的激光系统和显微系统是分别独立设置的，存在光学系统占用空间大的缺陷。

现场操作步骤是：读出电路基板是放置在下方的XYθ定位平台上的，被键合的芯片是被吸附在上方的俯仰偏摆平台上的，先进行芯片与基板的准确对位；然后，通过控制XYθ定位平台和俯仰偏摆平台，使读出电路基板与被键合的芯片平行，最后，Z向升降臂将俯仰偏摆平台下压，将被键合的芯片与读出电路基板，通过压接键合在一起，从而完成芯片的倒装键合工艺；现有的调平手段是通过自适应方式进行两吸盘的平行度调整的，即预先将芯片吸盘下压到基板吸盘上进行找平设定，根据找平设定的记忆，来完成两吸盘的平行度调整，这种仅靠记忆支撑的调平方式，经常造成两吸盘平行度在未达到设计要求的情况下进行了器件的键合，导致键合产品质量低，废品率高。

发明内容

本发明提供了一种利用准直光路调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的方法，解决了现有键合设备在键合前通过自适应调整芯片吸盘与基板吸盘之间的平行度存在调整不到位导致键合产品质量低和废品率高的技术问题。

本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：

一种用于芯片倒装的键合工艺设备，包括大理石基准平台，在大理石基准平台上设置有Y向移动导轨安装基座，在Y向移动导轨安装基座上安装有定位平台Y向移动平台导轨，在定位平台Y向移动平台导轨上设置由定位平台Y向移动滑块，在定位平台Y向移动滑块的顶端面上设置有定位平台X向移动导轨，在定位平台X向移动导轨上设置有定位平台X向移动滑块，定位平台X向移动滑块是通过其后侧端底面活动设置在定位平台X向移动导轨上的，在定位平台X向移动滑块的前侧端底面上设置有气浮支撑垫，气浮支撑垫活动设置在大理石基准平台的顶面上，在定位平台X向移动滑块的顶端面上分别设置有θ旋转平台和旋转驱动电机，在θ旋转平台的顶面上设置有读出电路基板放置台，在读出电路基板放置台上设置有带反射镜面的基板吸盘，在带反射镜面的基板吸盘上放置有读出电路基板，在读出电路基板上设置有基板平行度调整标记点；在θ旋转平台的正上方设置有Z向升降臂，在Z向升降臂的底端分别设置有俯仰偏摆调整电机和俯仰偏摆调整平台，在俯仰偏摆调整平台的下底面上固定设置有芯片吸附台，在芯片吸附台的下底面上吸附有带反射镜面的芯片吸盘，在带反射镜面的芯片吸盘的下底面吸附有芯片，在芯片的下底面上设置有芯片平行度调整标记点；在读出电路基板放置台与Z向升降臂之间活动设置有光学系统的XY方向移动平台，在光学系统XY方向移动平台上吊接有光学系统操作箱。

在光学系统操作箱中设置有对芯片吸附吸盘与读出电路基板吸盘进行调平的准直光路，该准直光路是由红色LED点光源、蓝色LED点光源、半透半反反射镜、准直物镜、反射镜、靶标图像生成板、滤光片、带反射镜面的基板吸盘、带反射镜面的芯片吸盘和准直成像相机组成的，红色LED点光源的光线照射靶标图像生成板所生成的图标是经过带反射镜面的芯片吸盘反射后，在准直成像相机中，生成有芯片吸盘位置状态图像A，蓝色LED点光源的光线照射靶标图像生成板所生成的图标是经过带反射镜面的基板吸盘反射后，在准直成像相机中，生成有基板吸盘位置状态图像B。

一种用于芯片倒装的键合方法，其特征在于以下步骤：在光学系统操作箱中设置有芯片与基板对位的显微光路，显微光路是由半透半反反射镜、准直物镜、反射镜、聚焦物镜、五角棱镜和带光源的显微成像相机组成的；带光源的显微成像相机中的光源光线照射到芯片上的标记点处的反射面上，反射后的光线，将芯片标记点图像C成像在显微成像相机中；与此同时，带光源的显微成像相机中的光源光线照射到基板上标记点处的反射面上，反射后的光线，将基板标记点图像D成像在显微成像相机中，若芯片标记点图像C与基板标记点图像D不重合，则调整读出电路基板放置台，直到芯片标记点图像C与基板标记点图像D重合为止，从而完成芯片与读出电路基板的对位工作。

一种调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的准直光路结构，包括光学系统操作箱、带反射镜面的芯片吸盘和带反射镜面的基板吸盘，在光学系统操作箱中设置有红色LED点光源，在红色LED点光源的右侧设置有第一半透半反反射镜，在第一半透半反反射镜右侧设置有第一准直物镜，在第一准直物镜右侧设置有靶标图像生成板，在靶标图像生成板右侧设置有与水平面成45°角的第一反射镜，在第一反射镜的正下方设置有第二半透半反反射镜，在第二半透半反反射镜的右侧设置有与水平面成135°角的第二反射镜，在第二反射镜正上方设置有第一滤光片，在第一滤光片的正上方设置有带反射镜面的芯片吸盘，在第二半透半反反射镜的左侧设置有与水平面成135°角的第三反射镜，在第三反射镜的正下方设置有与水平面成135°角的第四反射镜，在第四反射镜的左侧设置有第二准直物镜，在第二准直物镜的左侧设置有准直成像相机；在第一半透半反反射镜正下方设置有蓝色LED点光源，在第二半透半反反射镜正下放设置有与水平面成45°角的第五反射镜，在第五反射镜的右侧设置有与水平面成45°角的第六反射镜，在第六反射镜的正下方设置有第二滤光片，在第二滤光片正下方设置有带反射镜面的基板吸盘。

在准直成像相机中分别生成有靶标图像经带反射镜面的芯片吸盘反射后的靶标生成图像A和靶标图像经带反射镜面的基板吸盘反射后的靶标生成图像B。

一种利用准直光路调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的方法，其特征在于以下步骤：

红色LED点光源发出的红色光线依次经过第一半透半反反射镜透射、第一准直物镜透射后，在靶标图像生成板上形成有靶标图像红色光线，所形成的靶标图像红色光线依次经过第一反射镜反射、第二半透半反反射镜反射、第二反射镜反射，并经第一滤光片滤光后，照射到带反射镜面的芯片吸盘的反射镜面上，经反射镜面反射后，依次通过第一滤光片滤光、第二反射镜反射、第二半透半反反射镜透射、第三反射镜反射、第四反射镜反射和第二准直物镜透射后在准直成像相机中生成有靶标图像经带反射镜面的芯片吸盘反射后的靶标生成图像A；

蓝色LED点光源发出的蓝色光线依次经过第一半透半反反射镜反射、第一准直物镜透射后，在靶标图像生成板上形成靶标图像蓝色光线，所形成的靶标图像蓝色光线依次经第一反射镜反射、第二半透半反反射镜透射、第五反射镜反射、第六反射镜反射，并经第二滤光片滤光后，照射到带反射镜面的基板吸盘的反射镜面上，经基板吸盘的反射镜面反射后，依次通过第二滤光片滤光、第六反射镜反射、第五反射镜反射、第二半透半反反射镜反射、第三反射镜反射、第四反射镜反射和第二准直物镜透射后，在准直成像相机中生成靶标图像经带反射镜面的基板吸盘反射后的靶标生成图像B；

靶标生成图像A与靶标生成图像B若不重合，调整俯仰偏摆调整平台，改变带反射镜面的芯片吸盘的姿态，直至靶标图像经带反射镜面的芯片吸盘反射后的靶标生成图像A与靶标图像经带反射镜面的基板吸盘反射后的靶标生成图像B重合，完成芯片吸盘与基板吸盘平行度的调整操作。

本发明通过双准直成像光路对同一靶标在准直成像相机中进行成像；在该成像光路中除带反射镜面的芯片吸盘的反射镜和带反射镜面的基板吸盘的反射镜之外，各棱镜均处于预先设定好的光学系统中，各棱镜的位置和角度均恒定不变，在带反射镜面的基板吸盘的水平位置不变的情况下，仅调整带反射镜面的芯片吸盘的反射镜，就会改变靶标生成图像A 的位置，因此通过调整带反射镜面的芯片吸盘的位置，即可实现芯片吸盘与基板吸盘之间的平行度的调节；特别是对于双准直成像光路来说，比较容易获取靶标生成图像A与靶标生成图像B的重合度的成像数值，通过两个成像数值差异度的控制，实现了芯片吸盘与基板吸盘平行度的大幅度提高。

附图说明

图1是本发明的调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的准直光路结构图；

图2是本发明的用于芯片倒装的键合工艺设备的总体结构示意图；

图3是本发明的大理石基准平台21上的XYθ平台的结构示意图；

图4是本发明的光学系统操作平台的结构示意图；

图5是本发明的Z向升降臂机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种用于芯片倒装的键合工艺设备，包括大理石基准平台21，在大理石基准平台21上设置有Y向移动导轨安装基座9，在Y向移动导轨安装基座9上安装有定位平台Y向移动平台导轨8，在定位平台Y向移动平台导轨8上设置由定位平台Y向移动滑块7，在定位平台Y向移动滑块7的顶端面上设置有定位平台X向移动导轨6，在定位平台X向移动导轨6上设置有定位平台X向移动滑块22，定位平台X向移动滑块22是通过其后侧端底面活动设置在定位平台X向移动导轨6上的，在定位平台X向移动滑块22的前侧端底面上设置有气浮支撑垫10，气浮支撑垫10活动设置在大理石基准平台21的顶面上，在定位平台X向移动滑块22的顶端面上分别设置有θ旋转平台3和旋转驱动电机11，在θ旋转平台3的顶面上设置有读出电路基板放置台1，在读出电路基板放置台1上设置有带反射镜面的基板吸盘2，在带反射镜面的基板吸盘2上放置有读出电路基板4，在读出电路基板4上设置有基板平行度调整标记点5；在θ旋转平台3的正上方设置有Z向升降臂17，在Z向升降臂17的底端分别设置有俯仰偏摆调整电机18和俯仰偏摆调整平台12，在俯仰偏摆调整平台12的下底面上固定设置有芯片吸附台13，在芯片吸附台13的下底面上吸附有带反射镜面的芯片吸盘14，在带反射镜面的芯片吸盘14的下底面吸附有芯片15，在芯片15的下底面上设置有芯片平行度调整标记点16；在读出电路基板放置台1与Z向升降臂17之间活动设置有光学系统的XY方向移动平台19，在光学系统XY方向移动平台19上吊接有光学系统操作箱20。

在光学系统操作箱20中设置有对芯片吸附吸盘与读出电路基板吸盘进行调平的准直光路，该准直光路是由红色LED点光源、蓝色LED点光源、半透半反反射镜、准直物镜、反射镜、靶标图像生成板、滤光片、带反射镜面的基板吸盘2、带反射镜面的芯片吸盘14和准直成像相机组成的，红色LED点光源的光线照射靶标图像生成板所生成的图标是经过带反射镜面的芯片吸盘14反射后，在准直成像相机中，生成有芯片吸盘位置状态图像A，蓝色LED点光源的光线照射靶标图像生成板所生成的图标是经过带反射镜面的基板吸盘2反射后，在准直成像相机中，生成有基板吸盘位置状态图像B；本发明通过准直光路，将同一靶标图像，分别在芯片吸盘上的反光成像和在基板吸盘上的反光成像，通过比较两成像是否重合，来调整芯片吸盘的俯仰和偏摆度，来达到两吸盘的平行。

一种用于芯片倒装的键合方法，其特征在于以下步骤：在光学系统操作箱20中设置有芯片与基板对位的显微光路，显微光路是由半透半反反射镜、准直物镜、反射镜、聚焦物镜、五角棱镜和带光源的显微成像相机组成的；带光源的显微成像相机中的光源光线照射到芯片上的标记点处的反射面上，反射后的光线，将芯片标记点图像C成像在显微成像相机中；与此同时，带光源的显微成像相机中的光源光线照射到基板上标记点处的反射面上，反射后的光线，将基板标记点图像D成像在显微成像相机中，若芯片标记点图像C与基板标记点图像D不重合，则调整读出电路基板放置台1，直到芯片标记点图像C与基板标记点图像D重合为止，从而完成芯片与读出电路基板的对位工作；本发明将光源组合在显微成像相机中，通过显微成像相机中照出的分别光线照射在芯片标记点和基板标记点，使两标记点反射成像在显微成像相机中，通过调整两标记点反射成像的重合，来实现芯片与基板的准确对位。

一种调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的准直光路结构，包括光学系统操作箱20、带反射镜面的芯片吸盘14和带反射镜面的基板吸盘2，在光学系统操作箱20中设置有红色LED点光源23，在红色LED点光源23的右侧设置有第一半透半反反射镜24，在第一半透半反反射镜24右侧设置有第一准直物镜25，在第一准直物镜25右侧设置有靶标图像生成板26，在靶标图像生成板26右侧设置有与水平面成45°角的第一反射镜27，在第一反射镜27的正下方设置有第二半透半反反射镜28，在第二半透半反反射镜28的右侧设置有与水平面成135°角的第二反射镜29，在第二反射镜29正上方设置有第一滤光片30，在第一滤光片30的正上方设置有带反射镜面的芯片吸盘14，在第二半透半反反射镜28的左侧设置有与水平面成135°角的第三反射镜31，在第三反射镜31的正下方设置有与水平面成135°角的第四反射镜32，在第四反射镜32的左侧设置有第二准直物镜33，在第二准直物镜33的左侧设置有准直成像相机34；在第一半透半反反射镜24正下方设置有蓝色LED点光源35，在第二半透半反反射镜28正下放设置有与水平面成45°角的第五反射镜36，在第五反射镜36的右侧设置有与水平面成45°角的第六反射镜37，在第六反射镜37的正下方设置有第二滤光片38，在第二滤光片38正下方设置有带反射镜面的基板吸盘2。

在准直成像相机34中分别生成有靶标图像经带反射镜面的芯片吸盘14反射后的靶标生成图像A和靶标图像经带反射镜面的基板吸盘2反射后的靶标生成图像B。

一种利用准直光路调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的方法，其特征在于以下步骤：

红色LED点光源（23）发出的红色光线依次经过第一半透半反反射镜24透射、第一准直物镜25透射后，在靶标图像生成板26上形成有靶标图像红色光线，所形成的靶标图像红色光线依次经过第一反射镜27反射、第二半透半反反射镜28反射、第二反射镜29反射，并经第一滤光片30滤光后，照射到带反射镜面的芯片吸盘14的反射镜面上，经反射镜面反射后，依次通过第一滤光片30滤光、第二反射镜29反射、第二半透半反反射镜28透射、第三反射镜31反射、第四反射镜32反射和第二准直物镜33透射后在准直成像相机34中生成有靶标图像经带反射镜面的芯片吸盘14反射后的靶标生成图像A；

蓝色LED点光源35发出的蓝色光线依次经过第一半透半反反射镜24反射、第一准直物镜25透射后，在靶标图像生成板26上形成靶标图像蓝色光线，所形成的靶标图像蓝色光线依次经第一反射镜27反射、第二半透半反反射镜28透射、第五反射镜36反射、第六反射镜37反射，并经第二滤光片38滤光后，照射到带反射镜面的基板吸盘2的反射镜面上，经基板吸盘2的反射镜面反射后，依次通过第二滤光片38滤光、第六反射镜37反射、第五反射镜36反射、第二半透半反反射镜28反射、第三反射镜31反射、第四反射镜32反射和第二准直物镜33透射后，在准直成像相机34中生成靶标图像经带反射镜面的基板吸盘2反射后的靶标生成图像B；

靶标生成图像A与靶标生成图像B若不重合，调整俯仰偏摆调整平台12，改变带反射镜面的芯片吸盘14的姿态，直至靶标图像经带反射镜面的芯片吸盘14反射后的靶标生成图像A与靶标图像经带反射镜面的基板吸盘2反射后的靶标生成图像B重合，完成芯片吸盘与基板吸盘平行度的调整操作。

Claims (1)

1.一种利用准直光路调整芯片吸盘与基板吸盘平行度的方法，其特征在于以下步骤：

红色LED点光源（23）发出的红色光线依次经过第一半透半反反射镜（24）透射、第一准直物镜（25）透射后，在靶标图像生成板（26）上形成有靶标图像红色光线，所形成的靶标图像红色光线依次经过第一反射镜（27）反射、第二半透半反反射镜（28）反射、第二反射镜（29）反射，并经第一滤光片（30）滤光后，照射到带反射镜面的芯片吸盘（14）的反射镜面上，经反射镜面反射后，依次通过第一滤光片（30）滤光、第二反射镜（29）反射、第二半透半反反射镜（28）透射、第三反射镜（31）反射、第四反射镜（32）反射和第二准直物镜（33）透射后在准直成像相机（34）中生成有靶标图像经带反射镜面的芯片吸盘（14）反射后的靶标生成图像A；

蓝色LED点光源（35）发出的蓝色光线依次经过第一半透半反反射镜（24）反射、第一准直物镜（25）透射后，在靶标图像生成板（26）上形成靶标图像蓝色光线，所形成的靶标图像蓝色光线依次经第一反射镜（27）反射、第二半透半反反射镜（28）透射、第五反射镜（36）反射、第六反射镜（37）反射，并经第二滤光片（38）滤光后，照射到带反射镜面的基板吸盘（2）的反射镜面上，经基板吸盘（2）的反射镜面反射后，依次通过第二滤光片（38）滤光、第六反射镜（37）反射、第五反射镜（36）反射、第二半透半反反射镜（28）反射、第三反射镜（31）反射、第四反射镜（32）反射和第二准直物镜（33）透射后，在准直成像相机（34）中生成靶标图像经带反射镜面的基板吸盘（2）反射后的靶标生成图像B；

靶标生成图像A与靶标生成图像B若不重合，调整俯仰偏摆调整平台（12），改变带反射镜面的芯片吸盘（14）的姿态，直至靶标图像经带反射镜面的芯片吸盘（14）反射后的靶标生成图像A与靶标图像经带反射镜面的基板吸盘（2）反射后的靶标生成图像B重合，完成芯片吸盘与基板吸盘平行度的调整操作。

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