CN110931397B - 用于芯片基板预焊后进行键合的大压力倒装键合机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于芯片基板预焊后进行键合的大压力倒装键合机，解决了大尺寸芯片高质量键合的技术问题。在四根导向柱（303）之间的压台基座（301）的台面上固定设置有工作台板（101），在伺服压机（314）正下方的工作台板上固定设置有圆柱状调平台基座（201），在半球形凹槽（202）中活动设置有半球形浮动调平台（203），在半球形浮动调平台（203）上设置有下压板治具（115），在下压板治具（115）上设置有预焊在一起的芯片与基板（324），在圆柱状调平台基座（201）一侧的工作台板上设置有平行移送导轨（102），在两个移送滑块之间设置有门形移送框架；定位精确，键合分阶段进行，实现过程容易。

Description

用于芯片基板预焊后进行键合的大压力倒装键合机

技术领域

本发明涉及一种倒装键合设备，特别涉及一种对预焊后的芯片与基板进行大压力键合的倒装键合设备。

背景技术

倒装键合技术是把裸芯片通过焊球直接连接到基板上，省去了芯片与基板之间的引线连接，在芯片与基板间形成了最短的连接通路，可获得良好的电气性能和较高的封装速度，封装密度高，封装后的频率特性好，提高了生产效率；随着芯片尺寸规格的不断增大，倒装键合时，需要更大的键合压力，才能实现芯片与基板的可靠连接，传统的倒装键合设备已不能满足较大规格尺寸芯片的健合要求；目前，对大规格尺寸芯片的倒装健合，各生产厂家普遍是采用“小压力倒装对位预焊+大压力键合”的分步键合的工艺方案，即：采用常规倒装焊设备进行裸芯片与基板的对位预焊，然后，再采用大压力键合设备完成键合任务。

在大压力键合设备的键合工位上，设置有调平台，在调平台上精确定位放置有下压板治具，在下压板治具上精确定位放置已完成预焊的芯片与基板，在预焊在一起的芯片与基板上，设置有精确定位的上压板治具，大压力键合压机的下压板，向下压到上压板治具上，大压力键合压机操纵下压板以一定的压力（一般为10吨）下压，完成芯片与基板的大压力键合工艺；在以上键合过程中，上压板治具和下压板治具是否能精准定位，直接关系到大压力键合工艺完成的质量；在大压力键合设备的键合工位正上方，配置有压机等执行机构，导致键合工位上方空间很狭窄，若预先将上、下压板治具直接放到键合工位上进行定位，存在操作空间受限的困难，使定位精度无法提高，在随后的大压力键合过程中，容易使上压板治具与下压板治具产生侧向转矩，侧向转矩又会使被键合的芯片与基板发生键合错位；另外，对不同规格的芯片与基板进行键合时，需要更换不同的上、下压板治具，如何方便地更换，并实现上、下压板治具的精准定位，成为了现场必须解决的一个技术问题。

在大压力键合设备的键合工位上，设置有调平台，在调平台上精确定位放置下压板治具，在下压板治具上精确定位放置已完成预焊的芯片与基板，在预焊在一起的芯片与基板上，设置有精确定位的上压板治具，大压力键合压机操作下压板向下压到上压板治具上，操纵下压板的下压力很大（一般为10吨），将芯片与基板牢固地键合在一起；在键合下压过程中，要求上、下压板治具要与已完成预焊的芯片与基板紧密贴合在一起，这样才能保证大压力下的键合质量；在大压力键合中，下压是分两个阶段进行的，在第一阶段中，大压力键合机操作下压板以较小的压力下压，使上压板治具、下压板治具、芯片与基板三者之间，完成适应、找正及贴合全过程，当判定三者之间已完成找正贴合后，再进行第二阶段的大压力键合，将预焊在一起的芯片与基板牢固地压合在一起；如何使上压板治具、下压板治具、已完成预焊的芯片基板，三者之间很好地完成找正贴合，及找正贴合后压台位置的锁定，以保证高质量的完成大压力键合，成为了现场急需要解决的技术难题。

大压力键合下压是分两个阶段进行的，在第一阶段中，大压力键合机操作下压板以较小的压力下压，一般压力为几十公斤，使上压板治具、下压板治具、芯片与基板三者之间，完成适应、找正及贴合全过程，当判定三者之间已完成找正贴合后，再进行第二阶段的大压力键合；加压机构在进行最后阶段的大压力键合时，最大压力最终可达到10吨，如何在如此大的加压初期过程中，实现压力的柔性加压，使准确定位并预焊在一起的芯片与基板不会在加压的初期就出现错位，同时使芯片与基板能很好地相互适应，是加压机构所面对的一个问题；另外，在大压力施加过程中，如何对加压过程实施监控也是现场需要解决的一个问题。

发明内容

本发明提供了一种用于芯片基板预焊后进行键合的大压力倒装键合机，解决了大尺寸芯片高质量键合的技术问题。

本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：

一种用于芯片基板预焊后进行键合的大压力倒装键合机，包括键合机下机架，在键合机下机架上固定设置有压台基座，在压台基座上固定设置有箱形框架，在箱形框架的顶板上固定设置有伺服压机，在箱形框架的顶板与压台基座之间设置有四根导向柱，在四根导向柱上活动穿接有活动横梁，在四根导向柱之间的压台基座的台面上固定设置有工作台板，在伺服压机正下方的工作台板上固定设置有圆柱状调平台基座，在圆柱状调平台基座的顶面上设置有半球形凹槽，在半球形凹槽中活动设置有半球形浮动调平台，在半球形浮动调平台上设置有下压板治具，在下压板治具上设置有预焊在一起的芯片与基板，在活动横梁的下底面中央处固定设置有下方连接板，在下方连接板的下底面上设置有上治具吸盘，在上治具吸盘上吸附有上压板治具；在圆柱状调平台基座一侧的工作台板上设置有平行移送导轨，在两个移送滑块之间设置有门形移送框架，两根平行移送导轨之间右端的工作台板上固定设置有下压板治具定位台，在下压板治具定位台上设置有下压板治具定位销柱，在门形移送框架的门形移送框架顶板上设置有上压板治具定位台，在上压板治具定位台上设置有上压板治具定位销柱。

在平行移送导轨的右侧固定设置有始端定位柱，在平行移送导轨的左侧固定设置有终端定位柱，在始端定位柱上分别设置有始端定位吸盘和始端定位顶丝，在终端定位柱上分别设置有终端定位吸盘和终端定位顶丝，在门形移送框架的右侧端设置有移送框架右端定位盘，在门形移送框架的左侧端设置有移送框架左端定位盘；在门形移送框架顶板的下底面上设置有传送下压板治具的升降爪。

在半球形浮动调平台上设置有下压板治具吸附区，在圆柱状调平台基座上分别设置有正压力压缩空气进气嘴和负压真空吸嘴，正压力压缩空气进气嘴和负压真空吸嘴均与半球形凹槽连通在一起，在半球形浮动调平台的顶端外圆上等间隔120度向外悬挑有初定位悬臂框架，在初定位悬臂框架内沿半球形浮动调平台的顶圆的径向设置有配重丝杠，在配重丝杠上螺接有配重丝母，在圆柱状调平台基座外侧的工作台板上设置有半球形浮动调平台的初定位支撑气缸，初定位支撑气缸的向上伸出轴设置在初定位悬臂框架的正下方。

在活动横梁的上顶面上设置有圆柱状凹形槽，在圆柱状凹形槽的槽底设置有压力传感器，在压力传感器的上顶面上设置有压力传感器顶端中部螺纹孔，在压力传感器顶端中部螺纹孔中螺接有带台阶螺柱，在带台阶螺柱的环形台阶上设置有叠簧，在叠簧上的带台阶螺柱上套接有压力传导套筒，在圆柱状凹形槽的顶端设置有带中心孔凹槽顶盖，伺服压机下压输出轴的轴端穿过带中心孔凹槽顶盖的中心孔后与压力传导套筒的顶端面顶接在一起。

一种用于芯片基板预焊后进行键合的大压力倒装键合方法，包括以下步骤：

第一步、先将门形移送框架移动到始端，通过移送框架始端定位盘与始端定位吸盘及始端定位顶丝的配合，将门形移送框架精确定位，然后，将在下压板治具定位台上定位下压板治具，在上压板治具定位台上定位上压板治具，将预焊在一起的芯片与基板定位在下压板治具上；

第二步、通过在门形移送框架顶板的下底面上设置的传送下压板治具的升降爪将下压板治具提起，操作门形移送框架移动到半球形浮动调平台上方，将下压板治具及其上的预焊在一起的芯片与基板放置到半球形浮动调平台上设置的下压板治具吸附区上，通过操作伺服压机，将上压板治具吸附在下方连接板的下底面上设置的上治具吸盘上；

第三步、通过正压力压缩空气进气嘴向半球形凹槽中通入正压力压缩空气，同时控制三个初定位支撑气缸的输出轴向下缩回，使半球形浮动调平台处于悬浮状态，悬浮的高度为12-15微米；

第四步、控制大压力键合机上的压机下压板，以50-80公斤的压力下压到半球形浮动调平台上，使半球形浮动调平台与半球形凹槽之间的悬浮高度降低到8微米；

第五步、控制负压真空气路上的比例调节阀通过负压真空吸嘴对半球形凹槽抽真空，当负压真空气路上的比例调节阀开到最大时，启动正压力压缩空气气路上的比例调节阀，开始逐渐减少通入到半球形凹槽中的压缩空气，并直至关闭；完成半球形浮动调平台的自调平及位置锁定；

第六步、进行调整压机下压分辨率的工作，为压机第一阶段的小压力下压奠定基础，具体过程是：将活动横梁下降到键合工位上后，使伺服压机以50-80公斤的压力下压，该压力依次通过压力传导套筒、叠簧和带台阶螺柱压在压力传感器上，通过压力传感器的显示器观测压力传感器所感受到的压力，然后，通过调整四个预压悬吊气缸的输出轴的伸出长度，来改变压力传感器所感受到的压力，使压力传感器所感受到的压力达到设计的规定值；

第七步、将上压板治具、下压板治具和预焊在一起的芯片与基板放置到键合工位上，操作伺服压机以上述调整好的压力值进行第一阶段的小压力下压，完成上压板治具、下压板治具和预焊在一起的芯片与基板的自适应及贴合；

第八步、操作伺服压机进行第二阶段的大压力键合。

本发明实现了对预焊在一起的大规格尺寸的芯片与基板的高精度键合，定位精确，键合分阶段进行，实现过程容易。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明在主视方向上的结构示意图；

图3是本发明的移送机构的结构示意图；

图4是本发明的移送机构在后视方向上的结构示意图；

图5是本发明的调整平台的结构示意图；

图6是本发明的加压机构的结构示意图；

图7是本发明的加压机构在横剖下的结构示意图；

图8是图6中的I处局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种用于芯片基板预焊后进行键合的大压力倒装键合机，包括键合机下机架323，在键合机下机架323上固定设置有压台基座301，在压台基座301上固定设置有箱形框架302，在箱形框架302的顶板上固定设置有伺服压机314，在箱形框架302的顶板与压台基座301之间设置有四根导向柱303，在四根导向柱303上活动穿接有活动横梁304，在四根导向柱303之间的压台基座301的台面上固定设置有工作台板101，在伺服压机314正下方的工作台板101上固定设置有圆柱状调平台基座201，在圆柱状调平台基座201的顶面上设置有半球形凹槽202，在半球形凹槽202中活动设置有半球形浮动调平台203，在半球形浮动调平台203上设置有下压板治具115，在下压板治具115上设置有预焊在一起的芯片与基板324，在活动横梁304的下底面中央处固定设置有下方连接板305，在下方连接板305的下底面上设置有上治具吸盘306，在上治具吸盘306上吸附有上压板治具119；在圆柱状调平台基座201一侧的工作台板101上设置有平行移送导轨102，在两个移送滑块103之间设置有门形移送框架104，两根平行移送导轨102之间右端的工作台板101上固定设置有下压板治具定位台113，在下压板治具定位台113上设置有下压板治具定位销柱114，在门形移送框架104的门形移送框架顶板116上设置有上压板治具定位台117，在上压板治具定位台117上设置有上压板治具定位销柱118。

一种大压力倒装键合机的压板治具精准定位及移送机构，包括工作台板101，在工作台板101上沿左右水平方向设置有平行移送导轨102，在平行移送导轨102上活动设置有移送滑块103，在两个移送滑块103之间设置有门形移送框架104，在平行移送导轨102的右侧固定设置有始端定位柱105，在平行移送导轨102的左侧固定设置有终端定位柱106，在始端定位柱105上分别设置有始端定位吸盘107和始端定位顶丝109，在终端定位柱106上分别设置有终端定位吸盘108和终端定位顶丝110，在门形移送框架104的右侧端设置有移送框架右端定位盘111，在门形移送框架104的左侧端设置有移送框架左端定位盘112；在两根平行移送导轨102之间右端的工作台板101上固定设置有下压板治具定位台113，在下压板治具定位台113上设置有下压板治具定位销柱114，在下压板治具定位台113上定位有下压板治具115，在门形移送框架104的门形移送框架顶板116上设置有上压板治具定位台117，在上压板治具定位台117上设置有上压板治具定位销柱118，在上压板治具定位台117上设置有上压板治具119；在门形移送框架顶板116的下底面上设置有传送下压板治具的升降爪120。

一种带有自调平及锁定功能的芯片基板大压力倒装键合调平台，包括工作台板101，在工作台板101上设置有圆柱状调平台基座201，在圆柱状调平台基座201的顶面上设置有半球形凹槽202，在半球形凹槽202中活动设置有半球形浮动调平台203，在半球形浮动调平台203上设置有下压板治具吸附区204，在圆柱状调平台基座201上分别设置有正压力压缩空气进气嘴205和负压真空吸嘴206，正压力压缩空气进气嘴205和负压真空吸嘴206均与半球形凹槽202连通在一起，在半球形浮动调平台203的顶端外圆上等间隔120度向外悬挑有初定位悬臂框架207，在初定位悬臂框架207内沿半球形浮动调平台的顶圆的径向设置有配重丝杠210，在配重丝杠210上螺接有配重丝母211，在圆柱状调平台基座201外侧的工作台板101上设置有半球形浮动调平台203的初定位支撑气缸208，初定位支撑气缸208的向上伸出轴209设置在初定位悬臂框架207的正下方。

一种芯片基板大压力倒装键合柔性加压机构，包括压台基座301，在压台基座301上固定设置有箱形框架302，在箱形框架302的顶板上固定设置有伺服压机314，在箱形框架302的顶板与压台基座301之间设置有四根导向柱303，在四根导向柱303上活动穿接有活动横梁304，在活动横梁304的下底面中央处固定设置有下方连接板305，在下方连接板305的下底面上设置有上治具吸盘306，在活动横梁304的上顶面上设置有圆柱状凹形槽307，在圆柱状凹形槽307的槽底设置有压力传感器308，在压力传感器308的上顶面上设置有压力传感器顶端中部螺纹孔309，在压力传感器顶端中部螺纹孔309中螺接有带台阶螺柱310，在带台阶螺柱310的环形台阶上设置有叠簧311，在叠簧311上的带台阶螺柱310上套接有压力传导套筒312，在圆柱状凹形槽307的顶端设置有带中心孔凹槽顶盖317，伺服压机下压输出轴313的轴端穿过带中心孔凹槽顶盖317的中心孔后与压力传导套筒312的顶端面顶接在一起。

在伺服压机314外侧的箱形框架302的顶板上间隔地设置有四个预压悬吊气缸315，在活动横梁304的上顶面上固定设置有活动接头316，预压悬吊气缸315向下伸出的输出轴轴端与活动接头316连接在一起。

在带中心孔凹槽顶盖317的柱形外侧面上设置有沿上下方向的导向凹槽321，在导向凹槽321两侧的带中心孔凹槽顶盖317的柱形外侧面上对称地设置有一对滚针轴承322，在伺服压机下压输出轴313上设置有防转夹持台318，在防转夹持台318上夹持有防转夹持框319，在防转夹持框319上连接有防转悬臂320，防转悬臂320的下端嵌入在导向凹槽321中，防转悬臂320的下端被夹持在一对滚针轴承322之间。

一种用于芯片基板预焊后进行键合的大压力倒装键合方法，包括以下步骤：

第一步、先将门形移送框架104移动到始端，通过移送框架始端定位盘与始端定位吸盘107及始端定位顶丝109的配合，将门形移送框架104精确定位，然后，将在下压板治具定位台113上定位下压板治具115，在上压板治具定位台117上定位上压板治具119，将预焊在一起的芯片与基板324定位在下压板治具115上；

第二步、通过在门形移送框架顶板116的下底面上设置的传送下压板治具的升降爪120将下压板治具115提起，操作门形移送框架104移动到半球形浮动调平台203上方，将下压板治具115及其上的预焊在一起的芯片与基板324放置到半球形浮动调平台203上设置的下压板治具吸附区204上，通过操作伺服压机314，将上压板治具119吸附在下方连接板305的下底面上设置的上治具吸盘306上；

第三步、通过正压力压缩空气进气嘴205向半球形凹槽202中通入正压力压缩空气，同时控制三个初定位支撑气缸208的输出轴向下缩回，使半球形浮动调平台203处于悬浮状态，悬浮的高度为12-15微米；

第四步、控制大压力键合机上的压机下压板，以50-80公斤的压力下压到半球形浮动调平台203上，使半球形浮动调平台203与半球形凹槽202之间的悬浮高度降低到8微米；

第五步、控制负压真空气路上的比例调节阀通过负压真空吸嘴206对半球形凹槽202抽真空，当负压真空气路上的比例调节阀开到最大时，启动正压力压缩空气气路上的比例调节阀，开始逐渐减少通入到半球形凹槽202中的压缩空气，并直至关闭；完成半球形浮动调平台的自调平及位置锁定；

第六步、进行调整压机下压分辨率的工作，为压机第一阶段的小压力下压奠定基础，具体过程是：将活动横梁304下降到键合工位上后，使伺服压机314以50-80公斤的压力下压，该压力依次通过压力传导套筒312、叠簧311和带台阶螺柱310压在压力传感器308上，通过压力传感器的显示器观测压力传感器308所感受到的压力，然后，通过调整四个预压悬吊气缸315的输出轴的伸出长度，来改变压力传感器308所感受到的压力，使压力传感器308所感受到的压力达到设计的规定值；

第七步、将上压板治具、下压板治具和预焊在一起的芯片与基板放置到键合工位上，操作伺服压机314以上述调整好的压力值进行第一阶段的小压力下压，完成上压板治具、下压板治具和预焊在一起的芯片与基板的自适应及贴合；

第八步、操作伺服压机314进行第二阶段的大压力键合；在加压过程中，通过压力传感器308的反馈，实现加压过程全闭环控制，保证加压精度；同时，在第二段加压过程中，被压产品的变形量可通过配置于上加压面上的四个精密长度计进行测量，以便实现检测器件的受压变形状态。

Claims (1)

1.一种用于芯片基板预焊后进行键合的大压力倒装键合机，包括键合机下机架（323），在键合机下机架（323）上固定设置有压台基座（301），在压台基座（301）上固定设置有箱形框架（302），在箱形框架（302）的顶板上固定设置有伺服压机（314），在箱形框架（302）的顶板与压台基座（301）之间设置有四根导向柱（303），在四根导向柱（303）上活动穿接有活动横梁（304），其特征在于，在四根导向柱（303）之间的压台基座（301）的台面上固定设置有工作台板（101），在伺服压机（314）正下方的工作台板（101）上固定设置有圆柱状调平台基座（201），在圆柱状调平台基座（201）的顶面上设置有半球形凹槽（202），在半球形凹槽（202）中活动设置有半球形浮动调平台（203），在半球形浮动调平台（203）上设置有下压板治具（115），在下压板治具（115）上设置有预焊在一起的芯片与基板（324），在活动横梁（304）的下底面中央处固定设置有下方连接板（305），在下方连接板（305）的下底面上设置有上治具吸盘（306），在上治具吸盘（306）上吸附有上压板治具（119）；在圆柱状调平台基座（201）一侧的工作台板（101）上设置有平行移送导轨（102），在两个移送滑块（103）之间设置有门形移送框架（104），两根平行移送导轨（102）之间右端的工作台板（101）上固定设置有下压板治具定位台（113），在下压板治具定位台（113）上设置有下压板治具定位销柱（114），在门形移送框架（104）的门形移送框架顶板（116）上设置有上压板治具定位台（117），在上压板治具定位台（117）上设置有上压板治具定位销柱（118）；在平行移送导轨（102）的右侧固定设置有始端定位柱（105），在平行移送导轨（102）的左侧固定设置有终端定位柱（106），在始端定位柱（105）上分别设置有始端定位吸盘（107）和始端定位顶丝（109），在终端定位柱（106）上分别设置有终端定位吸盘（108）和终端定位顶丝（110），在门形移送框架（104）的右侧端设置有移送框架右端定位盘（111），在门形移送框架（104）的左侧端设置有移送框架左端定位盘（112）；在门形移送框架顶板（116）的下底面上设置有传送下压板治具的升降爪（120）；在半球形浮动调平台（203）上设置有下压板治具吸附区（204），在圆柱状调平台基座（201）上分别设置有正压力压缩空气进气嘴（205）和负压真空吸嘴（206），正压力压缩空气进气嘴（205）和负压真空吸嘴（206）均与半球形凹槽（202）连通在一起，在半球形浮动调平台（203）的顶端外圆上等间隔120度向外悬挑有初定位悬臂框架（207），在初定位悬臂框架（207）内沿半球形浮动调平台的顶圆的径向设置有配重丝杠（210），在配重丝杠（210）上螺接有配重丝母（211），在圆柱状调平台基座（201）外侧的工作台板（101）上设置有半球形浮动调平台（203）的初定位支撑气缸（208），初定位支撑气缸（208）的向上伸出轴（209）设置在初定位悬臂框架（207）的正下方；在活动横梁（304）的上顶面上设置有圆柱状凹形槽（307），在圆柱状凹形槽（307）的槽底设置有压力传感器（308），在压力传感器（308）的上顶面上设置有压力传感器顶端中部螺纹孔（309），在压力传感器顶端中部螺纹孔（309）中螺接有带台阶螺柱（310），在带台阶螺柱（310）的环形台阶上设置有叠簧（311），在叠簧（311）上的带台阶螺柱（310）上套接有压力传导套筒（312），在圆柱状凹形槽（307）的顶端设置有带中心孔凹槽顶盖（317），伺服压机下压输出轴（313）的轴端穿过带中心孔凹槽顶盖（317）的中心孔后与压力传导套筒（312）的顶端面顶接在一起；在伺服压机（314）外侧的箱形框架（302）的顶板上间隔地设置有四个预压悬吊气缸（315），在活动横梁（304）的上顶面上固定设置有活动接头（316），预压悬吊气缸（315）向下伸出的输出轴轴端与活动接头（316）连接在一起；在带中心孔凹槽顶盖（317）的柱形外侧面上设置有沿上下方向的导向凹槽（321），在导向凹槽（321）两侧的带中心孔凹槽顶盖（317）的柱形外侧面上对称地设置有一对滚针轴承（322），在伺服压机下压输出轴（313）上设置有防转夹持台（318），在防转夹持台（318）上夹持有防转夹持框（319），在防转夹持框（319）上连接有防转悬臂（320），防转悬臂（320）的下端嵌入在导向凹槽（321）中，防转悬臂（320）的下端被夹持在一对滚针轴承（322）之间。