CN110993541A - 一种高精度共晶键合设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通讯领域基板上芯片共晶键合技术领域，一种高精度共晶键合设备，包括设备基座，所述设备基座上端设有物料区和键合区；所述物料区包括一可在XYZ轴方向进行移动的拾取头单元，所述键合区包括共用导轨、光栅尺且相互独立控制的前芯片键合臂和后芯片键合臂，所述键合区还包括设置于所述上料台右侧且可在X轴方向移动的前共晶加热台和后共晶加热台，所述前共晶加热台和后共晶加热台之间设有可在X轴方向移动的芯片中继台，所述芯片中继台的前侧还设有芯片倒装翻面头。本发明采用双键合头的新型高精度光通讯共晶键合机的布局方案，以满足正装及倒装共晶键合的高精度要求，并通过并行双头方案实现设备产率的极大提高。

Description

一种高精度共晶键合设备

技术领域

本发明涉及光通讯领域基板上芯片共晶键合技术领域，尤其涉及到一种高精度共晶键合设备。

背景技术

诸如云计算、网络和基于手机的应用程序，以及超大规模数据中心(如FACEBOOK、Google、Microsoft及Amazon)的存储等需求催生了远程传输网络、都市通信系统和数据中心的升级需求，这些都加速推动了未来光通讯领域的迅猛发展。对数据和带宽的需求持续扩张，导致大批量生产(HVM)光器件的需求达到前所未有的水平。就性能、可靠性和需求量而言，COS器件在光电子器件的关键模块中处于核心地位。在光纤传输领域，激光二极管(LD)COS，是发光和传输的起点，而光电探测器(PD)COS是光传输的终点，在此处光信号被转译成电信号。

当今市场上的贴片机种类繁多，诸如ASM、BESI和KNS等主流供应商均推出各种类型键合机以满足通用半导体器件封装应用需求。然而，这类通用型半导体封装键合机很难满足COS大批量生产应具有的特殊需求。

因发热，元器件尺寸较小以及逸出气体等方面的约束要求，光通信领域的键合一般采用共晶焊工艺。所谓共晶焊，是指采用一种适当配比的焊料合金(通常为金锡合金)作为辅助材料形成两个元件之间连续粘结的工艺。进行共晶焊时，组件温度会被迅速加热至焊料的熔点以上，然后受压保温键合，最后零件被快速冷却至回流温度，共晶焊完成。为了防止焊接面氧化，共晶焊接通常在惰性气体环境中完成。

COS元件，如激光二极管(LD)、光电探测器(PD)、电容器或者热敏电阻等，通常小至200平方微米以内，且由易碎的III-V族化合物半导体材料制成，如GaAs和InP等材料。这类小、薄且易碎芯片一般采用GEL-PAK或者UV膜上料。在芯片拾取过程中，必须要有精密的微力控制，拾取头与顶针之间要同步，且吸嘴需要避开LD芯片发光区，既要避免芯片损伤又要能够实现芯片的有效拾取。

基于光耦合效率及产量的考量，共晶键合后的工艺精度一般要求在5μm(±3σ)以内，并朝着3μm(3σ)或更高精度迈进，这对共晶键合设备提出了很高的技术要求。

为了实现高精度贴合，德国Finetech公司Fineplacer系列共晶键合机采用如图4所示的光镜对位原理，即分光镜、芯片、基板和焊臂旋转轴分别处于一个正方形的4个顶点。由于是采用同一个固定焦距的摄像头同时观察芯片和基板的图像，故可以基于高精度的机器视觉反馈，精密调整芯片与基板的相对偏差，从而可以实现最高0.5μm(3σ)的高精度键合。不过，这种旋转式双面对准方案仅适用于倒装芯片的高精度键合，对于正装则会导致其键合精度降低，且这种双面对准方案因产率太低而很难用于量产。

法国SET公司在其键合机(FC150)采用如图5所示的双面对准相机方案。在键合前，将具备X/Y调整自由度的双面对准相机深入键合头和基板台之间，确保键合头芯片与基板台基板同时处在上下视相机的焦面，调整对应芯片和基板的相对水平向(X/Y/Rz)位置偏差，锁定水平向自由度后，移出双面对准相机后，Z向键合，保证了共晶键合的对准精度，其共晶键合精度可以达到0.51μm(3σ)。SET的FC150与Finetech公司Fineplacer系列共晶键合机存在类似的产率偏低的致命缺陷，无法满足客户的量产需求。

美国MRSI的HVM3采用左边独立的拾取头上料，右边独立的键合头共晶键合，而2个运动的共晶加热台兼容芯片及基板的中继功能，将芯片和基板从左侧上料位转移至右侧的共晶键合位，并反过来将共晶后的成品转移至成品回收区。

美国PALOMAR公司的6532HP共晶机亦采用左边上料，中间双直线台上下料，右边则为独立的共晶键合头。

因此，现有主流共晶键合机供应商主要有德国的FINETECH、法国的SET、美国的MRSI、日本的涩谷以及美国的PALOMAR等。

FINETECH和SET均采用双面对准方案，其方案针对倒装芯片共晶焊接能够保证足够的对位精度，但对位调整及补偿耗时，不适合大规模量产。MRSI虽然采用上料与键合分离，双共晶台方案，但受其键合头机构尺寸太大限制，仍采用单键合头配置，不能有效提升设备的产率。PALOMAR方案与之类似，也存在单键合头的产能瓶颈。至于涩谷，其采用的是传统的单共晶台，单键合头的设计方案，其产率完全是串行的，而共晶键合最大的特点是其共晶加热时间非常长，一般加热，保温及冷却时间有30SEC左右如图6所示，故其产率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种兼容正装与倒装，精度与产率的全新布局方案。

本发明的上述技术目的是用过以下技术方案实现的：

一种高精度共晶键合设备，包括设备基座，所述设备基座上端设有物料区和键合区，所述物料区位于所述键合区的左侧；

所述物料区包括一可在XYZ轴方向进行移动的拾取头单元，所述拾取头单元依次包括芯片拾取头、拾取相机、基板拾取头和成品拾取头，所述物料区还包括一可在Y轴方向进行移动的上料台，所述上料台的上端前侧设有基板上料区和芯片上料区，所述上料台的上端后侧设有COS成品下料区；

所述键合区包括共用导轨、光栅尺且相互独立控制的前芯片键合臂和后芯片键合臂，所述前芯片键合臂上设有前芯片键合头和前芯片键合头下视相机，所述后芯片键合臂上设有后芯片键合头和后芯片键合头下视相机，所述键合区还包括设置于所述上料台右侧且可在X轴方向移动的前共晶加热台和后共晶加热台，所述前共晶加热台和后共晶加热台之间设有可在X轴方向移动的芯片中继台，所述芯片中继台的前侧还设有芯片倒装翻面头。

本发明的进一步设置为：所述设备基座与下机架刚性联结，所述下机架的支撑脚处安装高阻尼可调平减振地脚。

本发明的进一步设置为：所述物料区还包括一龙门X轴悬臂式滑台模组，所述龙门X轴悬臂式滑台模组上设有物料拾取臂，所述物料拾取臂为Y轴悬臂式滑台模组，所述物料拾取臂上设有Z轴运动模组，所述Z轴运动模组上安装Z轴移动板，所述拾取头单元固定于Z轴移动板上。

本发明的进一步设置为：所述Z轴移动板处自前至后依次安装芯片拾取头、拾取相机、基板拾取头和成品拾取头；所述芯片拾取头、基板拾取头和成品拾取头均可在Z轴方向自由移动且相互独立。

本发明的进一步设置为：所述芯片拾取头采用耐高温电木或者钨钢头，所述基板拾取头和成品拾取头采用相同的钨钢拾取头。

本发明的进一步设置为：所述上料台具备X/Y/Rz自由度，所述基板上料区和芯片上料区采用寸蓝膜盘、寸或寸的华夫盘或凝胶盘，所述COS成品下料区采用华夫盘或凝胶盘。

本发明的进一步设置为：所述上料台的后侧还固定有可升降的上料区物料拾取头库，所述上料区物料拾取头库表面放置有若干拾取头。

本发明的进一步设置为：所述前芯片键合臂和后芯片键合臂均在Y轴方向进行移动；所述前芯片键合头和前芯片键合头下视相机均可相对前芯片键合臂进行Z轴方向的移动，所述后芯片键合头和后芯片键合头下视相机均可相对后芯片键合臂进行Z轴方向的移动。

本发明的进一步设置为：所述前共晶加热台位于所述后共晶加热台的前侧，所述前共晶加热台与所述前芯片键合臂配合使用，所述后共晶加热台与所述后芯片键合臂配合使用；所述芯片倒装翻转头用于将芯片翻转180度并转移至芯片中继台上。

本发明的进一步设置为：所述芯片中继台右侧的键合区上视相机，所述键合区上视相机用于倒装芯片的定位；所述键合区处还设置有一可升降的键合区芯片键合头库，所述键合区芯片键合头库表面放置若干键合头，所述键合区芯片键合头库呈Y轴方向摆放，所述键合区芯片键合头库位于前芯片键合臂和后芯片键合臂的移动路径下方。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用双键合头的新型高精度光通讯共晶键合机的布局方案，以满足正装及倒装共晶键合的高精度要求，并通过并行双头方案实现设备产率的极大提高。

2、本发明的物料区具有兼容性设计，能够满足光通讯领域绝大多数物料的上下料需求；

3、本发明可以实现芯片、基板、成品的快速上下料；

附图说明

图1是本发明的轴测图一。

图2是本发明的轴测图二。

图3是本发明的俯视图。

图4是德国Finetech公司Fineplacer系列共晶键合机的光镜对位原理图。

图5是法国SET公司在其键合机(FC150)采用的双面对准相机方案。

图6是单键合头方案的典型共晶脉冲加热时间曲线。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

其中：10-设备基座；20-下机架；101-芯片拾取头；102-拾取相机；103-基板拾取头；104-成品拾取头；105-上料台；106-基板上料区；107-芯片上料区；108-成品下料区；109-前芯片键合臂；110-后芯片键合臂；111-前芯片键合头；112-前芯片键合头下视相机；113-后芯片键合头；114-后芯片键合头下视相机；115-前共晶加热台；116-后共晶加热台；117-芯片中继台；118-芯片倒装翻面头；119-物料拾取臂；120-上料区物料拾取头库；121-键合区上视相机；122-键合区芯片键合头库；201-地脚。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1至图3所示，本发明提出的一种高精度共晶键合设备，包括设备基座10，所述设备基座10上端设有物料区和键合区，所述物料区位于所述键合区的左侧；

所述物料区包括一可在XYZ轴方向进行移动的拾取头单元，所述拾取头单元依次包括芯片拾取头101、拾取相机102、基板拾取头103和成品拾取头104，所述物料区还包括一可在Y轴方向进行移动的上料台105，所述上料台105的上端前侧设有基板上料区106和芯片上料区107，所述上料台105的上端后侧设有COS成品下料区108；

所述键合区包括共用导轨、光栅尺且相互独立控制的前芯片键合臂109和后芯片键合臂110，所述前芯片键合臂109上设有前芯片键合头111和前芯片键合头下视相机112，所述后芯片键合臂110上设有后芯片键合头113和后芯片键合头下视相机114，所述键合区还包括设置于所述上料台105右侧且可在X轴方向移动的前共晶加热台115和后共晶加热台116，所述前共晶加热台115和后共晶加热台116之间设有可在X轴方向移动的芯片中继台117，所述芯片中继台117的前侧还设有芯片倒装翻面头118。

上述技术方案中，所述设备基座10上端设有物料区和键合区，芯片中继台117和前共晶加热台115和后共晶加热台116可以将物料区和键合区有机衔接在一起；为提高共晶键合的产率，使其与共晶晶台相匹配，实现共晶加热时间的并行，故键合区采用双芯片键合臂配置，即前芯片键合臂109和后芯片键合臂110，二者公用导轨及光栅尺，独立可控；

结合图2和图3所示，所述设备基座10与下机架20刚性联结，所述下机架20的支撑脚处安装高阻尼可调平减振地脚201。

上述技术方案中，所述设备基座10采用精度高、稳定性好，抗振性能优的天然大理石作为设备基座材料；微振动是影像半导体设备精度及其稳定性的重要因素，因此，在设备下机架201的支撑脚处安装高阻尼可调平减振地脚201可以有效得缓解这种情况。

结合图1至图3所示，所述物料区还包括一龙门X轴悬臂式滑台模组，所述龙门X轴悬臂式滑台模组上设有物料拾取臂119，所述物料拾取臂119为Y轴悬臂式滑台模组，所述物料拾取臂119上设有Z轴运动模组，所述Z轴运动模组上安装Z轴移动板，所述拾取头单元固定于Z轴移动板上；

所述Z轴移动板处自前至后依次安装芯片拾取头101、拾取相机102、基板拾取头103和成品拾取头104；所述芯片拾取头102、基板拾取头104和成品拾取头105均可在Z轴方向自由移动且相互独立；

所述芯片拾取头102采用耐高温电木或者钨钢头，所述基板拾取头104和成品拾取头105采用相同的钨钢拾取头。

上述技术方案中，所述龙门X轴悬臂式滑台模组用于带动Y轴悬臂式滑台模组在X轴方向进行移动，所述Y轴悬臂式滑台模组用于带动Z轴运动模组在Y轴方向进行移动，所述Z轴运动模组带动所述Z轴移动板在Z轴方向进行移动，即所述Z轴运动模组带动拾取头单元在Z轴方向进行移动；所述Z轴移动板在靠近上料台105的一侧自前至后依次设置芯片拾取头101、拾取相机102、基板拾取头103和成品拾取头104，所述拾取相机102是随着Z轴移动板的移动而移动，而芯片拾取头101、基板拾取头104和成品拾取头105均由三个独立的第一Z轴模组控制，即第一Z轴模组可以控制芯片拾取头101、基板拾取头104和成品拾取头105相对Z轴移动板进行Z轴方向的移动；所述拾取相机102主要用于芯片和基板的上料定位，以保证对应芯片拾取头101和基板拾取头103能够准确的从对应蓝膜或者华夫盘或者凝胶盘上将芯片有效拾取，并转移至对应芯片中继台117或者前共晶加热台115或者后共晶加热台116；共晶键合后，成品拾取头104则将前共晶加热台115或者后共晶加热台116上的成品拾取并转移至COS成品下料区108处；芯片拾取头101采用耐高温电木或者钨钢头，用于光通讯芯片的拾取，并进行微力控制，避免其损伤芯片表面。

结合图1至图3所示，所述上料台105具备X/Y/Rz自由度，所述基板上料区106和芯片上料区107采用6寸蓝膜盘、2寸或4寸的华夫盘或凝胶盘，所述COS成品下料区108采用华夫盘或凝胶盘。

上述技术方案中，在光通讯领域，芯片或者基板的上料形式有6寸蓝膜盘，或者2寸或者4寸的华夫盘或凝胶盘，而COS成品则一般采用华夫盘或者凝胶盘；上料台105具有X/Y/Rz自由度，能够同时满足两种物料以蓝膜的方式进行上料，并对芯片的上料角度进行旋转补偿；在上述蓝膜上料区域可自由切换为华夫盘或者凝胶盘，即对于的基板上料区106和芯片上料区107可自由选择蓝膜或者华夫盘或者凝胶盘，并进行任意组合；COS成品下料区108则采用华夫盘或者凝胶盘，如此无聊兼容性设计，能够满足光通讯领域绝大多数物料的上下料需求。

结合图1至图3所示，所述上料台105的后侧还固定有可升降的上料区物料拾取头库120，所述上料区物料拾取头库120表面放置有若干拾取头。

上述技术方案中，为了实现不同芯片及基板的快速改机及标定，满足光通讯领域多芯片键合需求，上料区物料拾取头库120，配合芯片拾取头101、基板拾取头103以及成品拾取头104能够基于真空吸附原理，实现不同尺寸、工艺以及标定所需要的工作头的快速切换与标定。

结合图1至图3所示，所述前芯片键合臂109和后芯片键合臂110均在Y轴方向进行移动；所述前芯片键合头111和前芯片键合头下视相机112均可相对前芯片键合臂109进行Z轴方向的移动，所述后芯片键合头113和后芯片键合头下视相机112均可相对后芯片键合臂110进行Z轴方向的移动；

所述前共晶加热台115位于所述后共晶加热台116的前侧，所述前共晶加热台115与所述前芯片键合臂109配合使用，所述后共晶加热台116与所述后芯片键合臂109配合使用；所述芯片倒装翻转头118用于将芯片翻转180度并转移至芯片中继台117上。

上述技术方案中，前芯片键合臂109上配置前芯片键合头111和前芯片键合头下视相机112，而后芯片键合臂110上配置后芯片键合头113和后芯片键合头下视相机114，二者镜像配置；相对于倒装芯片，由于物料区的芯片其特征面向上，故需要借助于芯片倒装翻面头118，将芯片翻转180度，使其特征面向下，并转移至上料位的芯片中继台117上，并移动至对应键合位；对于正装芯片，芯片直接转移至上料位芯片中继台117上，并移动至对应键合位；无论正装或者倒装键合，基板均直接转移至上料位前共晶加热台115或者后共晶加热台116，并移动至对应键合位。

结合图1至图3所示，所述芯片中继台117右侧的键合区上视相机121，所述键合区上视相机121用于倒装芯片的定位；所述键合区处还设置有一可升降的键合区芯片键合头库122，所述键合区芯片键合头库122表面放置若干键合头，所述键合区芯片键合头库122呈Y轴方向摆放，所述键合区芯片键合头库122位于前芯片键合臂109和后芯片键合臂110的移动路径下方。

上述技术方案中，所述键合区芯片键合头库122与上料区物料拾取头库120类似，键合区芯片键合头库能够满足多规格芯片键合快速切换及标定需求；而键合位上视相机121用于在线倒装芯片的对位，有效提高加工精确度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种高精度共晶键合设备，包括设备基座(10)，其特征在于：所述设备基座(10)上端设有物料区和键合区，所述物料区位于所述键合区的左侧；

所述物料区包括一可在XYZ轴方向进行移动的拾取头单元，所述拾取头单元依次包括芯片拾取头(101)、拾取相机(102)、基板拾取头(103)和成品拾取头(104)，所述物料区还包括一可在Y轴方向进行移动的上料台(105)，所述上料台(105)的上端前侧设有基板上料区(106)和芯片上料区(107)，所述上料台(105)的上端后侧设有COS成品下料区(108)；

所述键合区包括共用导轨、光栅尺且相互独立控制的前芯片键合臂(109)和后芯片键合臂(110)，所述前芯片键合臂(109)上设有前芯片键合头(111)和前芯片键合头下视相机(112)，所述后芯片键合臂(110)上设有后芯片键合头(113)和后芯片键合头下视相机(114)，所述键合区还包括设置于所述上料台(105)右侧且可在X轴方向移动的前共晶加热台(115)和后共晶加热台(116)，所述前共晶加热台(115)和后共晶加热台(116)之间设有可在X轴方向移动的芯片中继台(117)，所述芯片中继台(117)的前侧还设有芯片倒装翻面头(118)。

2.根据权利要求1所述的一种高精度共晶键合设备，其特征在于：所述设备基座(10)与下机架(20)刚性联结，所述下机架(20)的支撑脚处安装高阻尼可调平减振地脚(201)。

3.根据权利要求1所述的一种高精度共晶键合设备，其特征在于：所述物料区还包括一龙门X轴悬臂式滑台模组，所述龙门X轴悬臂式滑台模组上设有物料拾取臂(119)，所述物料拾取臂(119)为Y轴悬臂式滑台模组，所述物料拾取臂(119)上设有Z轴运动模组，所述Z轴运动模组上安装Z轴移动板，所述拾取头单元固定于Z轴移动板上。

4.根据权利要求3所述的一种高精度共晶键合设备，其特征在于：所述Z轴移动板处自前至后依次安装芯片拾取头(101)、拾取相机(102)、基板拾取头(103)和成品拾取头(104)；所述芯片拾取头(102)、基板拾取头(104)和成品拾取头(105)均可在Z轴方向自由移动且相互独立。

5.根据权利要求1或4所述的一种高精度共晶键合设备，其特征在于：所述芯片拾取头(102)采用耐高温电木或者钨钢头，所述基板拾取头(104)和成品拾取头(105)采用相同的钨钢拾取头。

6.根据权利要求1所述的一种高精度共晶键合设备，其特征在于：所述上料台(105)具备X/Y/Rz自由度，所述基板上料区(106)和芯片上料区(107)采用6寸蓝膜盘、2寸或4寸的华夫盘或凝胶盘，所述COS成品下料区(108)采用华夫盘或凝胶盘。

7.根据权利要求1所述的一种高精度共晶键合设备，其特征在于：所述上料台(105)的后侧还固定有可升降的上料区物料拾取头库(120)，所述上料区物料拾取头库(120)表面放置有若干拾取头。

8.根据权利要求1所述的一种高精度共晶键合设备，其特征在于：所述前芯片键合臂(109)和后芯片键合臂(110)均在Y轴方向进行移动；所述前芯片键合头(111)和前芯片键合头下视相机(112)均可相对前芯片键合臂(109)进行Z轴方向的移动，所述后芯片键合头(113)和后芯片键合头下视相机(112)均可相对后芯片键合臂(110)进行Z轴方向的移动。

9.根据权利要求1所述的一种高精度共晶键合设备，其特征在于：所述前共晶加热台(115)位于所述后共晶加热台(116)的前侧，所述前共晶加热台(115)与所述前芯片键合臂(109)配合使用，所述后共晶加热台(116)与所述后芯片键合臂(109)配合使用；所述芯片倒装翻转头(118)用于将芯片翻转180度并转移至芯片中继台(117)上。

10.根据权利要求1所述的一种高精度共晶键合设备，其特征在于：所述芯片中继台(117)右侧的键合区上视相机(121)，所述键合区上视相机(121)用于倒装芯片的定位；所述键合区处还设置有一可升降的键合区芯片键合头库(122)，所述键合区芯片键合头库(122)表面放置若干键合头，所述键合区芯片键合头库(122)呈Y轴方向摆放，所述键合区芯片键合头库(122)位于前芯片键合臂(109)和后芯片键合臂(110)的移动路径下方。

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