CN111752314A - 键合头压力控制装置及控制方法、键合设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种键合头压力控制装置及控制方法、键合设备。键合头压力控制装置包括键合头模块、驱动模块及压力检测模块，键合头模块的固定座、光栅读数头及标尺光栅之间构成一气压腔，驱动模块驱动键合头模块沿Z向移动以使吸附组件吸附一芯片并提供键合芯片的键合压力，在键合压力的作用下吸附组件及旋转电机同时背离Z向移动，以使标尺光栅压缩所述气压腔，压力检测模块通过检测所述气压腔内的气压以获取键合压力。本发明利用了光栅读数头和标尺光栅之间的间隙与固定座形成气压腔，通过检测气压腔的压力进行键合压力的获取和控制，不需要在键合头模块内设置压力控制单元，从而减轻了键合头模块的重量，提高了键合的效率和精度。

Description

键合头压力控制装置及控制方法、键合设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种键合头压力控制装置及控制方法、键合设备。

背景技术

随着半导体制程技术的发展，芯片的尺寸越来越小，同时要求封装的尺寸也尽可能的小。倒装芯片工艺中键合头的设计直接影响到芯片封装的可靠性以及精度，键合头在键合的过程中需要具有调整芯片键合角度的功能，以便使芯片与基准对齐和定位。随着封装尺寸的减小，封装密度的增加，芯片上凸点数量增加，凸点间距减小，需要更高精度的键合设备，根据不同的贴合工艺，控制键合压力的大小，因为键合压力过大会导致芯片或载片甚至键合头的损坏，所以行业内在键合头上都会设计压力控制单元，压力控制单元作为跟随键合头运动的关键组件，会导致键合头的质量增加从而延长键合头稳定时间，降低了设备产率和键合精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种键合头压力控制装置及控制方法、键合设备，在不增加键合头模块质量的基础上能够检测并控制键合压力，从而提高了键合精度。

为了达到上述目的，本发明提供了一种键合头压力控制装置，包括：

键合头模块，包括旋转电机组件及吸附组件，所述旋转电机组件包括固定座、旋转角度测量单元及旋转电机，所述旋转角度测量单元包括光栅读数头及标尺光栅，所述标尺光栅设置于所述旋转电机的内转子上，所述固定座用于固定所述旋转电机及所述光栅读数头，且所述固定座、光栅读数头及标尺光栅之间构成一气压腔；

驱动模块，与所述键合头模块连接，用于驱动所述键合头模块沿Z向移动以使所述吸附组件吸附一芯片，并且所述驱动模块提供键合所述芯片的键合压力，在键合压力的作用下所述吸附组件及所述旋转电机同时背离Z向移动，以使所述标尺光栅压缩所述气压腔；

压力检测模块，与所述气压腔连接以检测所述气压腔内的气压，并根据检测到的气压值获取所述键合压力。

可选的，所述键合头压力控制装置还包括过压保护模块，所述过压保护模块与所述气压腔连接，当所述压力检测模块检测到的压力值大于一设定阈值时，所述过压保护模块对所述气压腔进行泄压。

可选的，所述过压保护模块包括一比例调压阀。

可选的，所述键合头模块还包括一气浮轴承及键合芯轴，所述键合芯轴的一端与所述吸附组件连接，另一端顺次穿过所述气浮轴承的内圈及所述旋转电机的转子，以使所述旋转电机能够带动所述气浮轴承的内圈及所述吸附组件同时绕Z向旋转，以调整所述芯片的旋转角度Rz。

可选的，所述吸附组件包括吸嘴、吸嘴杆及吸嘴底座，所述吸嘴及所述吸嘴底座分别固定于所述吸嘴杆的两端，且所述吸嘴底座背离所述吸嘴杆的一端与所述键合芯轴背离所述旋转电机组件的一端连接。

可选的，所述吸嘴杆内具有一真空管路，所述真空管路与所述吸嘴连通以实现对所述芯片的真空吸附。

可选的，所述光栅读数头及所述标尺光栅之间沿Z向的距离小于或等于100μm。

可选的，在所述键合压力下所述标尺光栅背离Z向移动的距离小于或等于0.284μm。

本发明还提供了一种利用所述的键合头压力控制装置进行压力控制的方法，其特征在于，包括：

驱动模块驱动键合头模块沿Z向移动以使吸附组件吸附一芯片并提供键合所述芯片的键合压力；

在键合压力的作用下所述吸附组件及旋转电机同时背离Z向移动，以使标尺光栅压缩气压腔；

压力检测模块实时检测所述气压腔内的气压，并根据检测到的气压值获取所述键合压力。

可选的，所述吸附组件吸附所述芯片之后，所述旋转电机驱动所述吸附组件绕Z向旋转，以调整所述芯片的旋转角度Rz，光栅读数头通过读取标尺光栅上的刻度以获取所述芯片的旋转角度Rz。

可选的，所述键合头压力控制装置还包括一过压保护模块，所述压力检测模块检测到所述气压腔内的气压之后，所述键合头控制方法还包括：

当所述压力检测模块检测到的压力值大于一设定阈值时，所述过压保护模块对所述气压腔进行泄压。

本发明还提供了一种键合设备，包括所述键合头压力控制装置。

在本发明提供的键合头压力控制装置及控制方法、键合设备中，键合头模块的固定座、光栅读数头及标尺光栅之间构成一气压腔，驱动模块驱动所述键合头模块沿Z向移动以使所述吸附组件吸附一芯片并提供键合芯片的键合压力，在键合压力的作用下所述吸附组件及所述旋转电机同时背离Z向移动，以使所述标尺光栅压缩所述气压腔，压力检测模块通过检测所述气压腔内的气压以获取所述键合压力，本发明利用了光栅读数头及标尺光栅之间的间隙形成气压腔，通过检测气压腔的压力进行键合压力的获取和控制，不需要在键合头模块内设置压力控制单元，从而减轻了键合头模块的重量，提高了键合的效率和精度。

附图说明

图1为一种键合头模块的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的键合头压力控制装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的键合头模块的剖面示意图；

图4为本发明实施例提供的键合头压力控制装置的剖面示意图；

图5为本发明实施例提供的芯片在晶圆上的分布图；

图6为本发明实施例提供的键合头压力控制方法的流程图；

其中，附图标记为：

10-吸附组件；11-旋转电机；12-固定座；13-旋转角度测量单元；131-标尺光栅；132-光栅读数头；14-气浮轴承；15-键合芯轴；16-压力控制单元；17-气压腔；

2-键合头模块；3-驱动模块；

20-吸附组件；201-吸嘴底座；202-吸嘴杆；203-真空管路；204-吸嘴；21-旋转电机；211-内转子；212-定子；213-电机座子；22-固定座；23-旋转角度测量单元；231-标尺光栅；232-光栅读数头；24-气浮轴承；241-外圈；242-空气隙；243-内圈；25-键合芯轴；26-气压腔；00-芯片。

具体实施方式

请参阅图1，其为一种键合头模块的结构示意图，所述键合头模块包括沿着Z向顺次设置的旋转电机组件、气浮轴承14及吸附组件10，所述旋转电机组件包括旋转电机11、固定座12及旋转角度测量单元13，所述旋转角度测量单元13包括标尺光栅131及光栅读数头132，键合芯轴15的一端与所述吸附组件10连接，另一端顺次穿过所述气浮轴承14的内圈及所述旋转电机11的转子，以使所述旋转电机11能够通过所述键合芯轴15带动所述气浮轴承14的内圈及吸附组件10绕Z向旋转(即绕所述键合芯轴15的中心轴旋转)，以调整所述吸附组件10吸附的芯片的旋转角度Rz。所述标尺光栅131设置于所述旋转电机11的内转子上，所述光栅读数头132用于读取所述标尺光栅131上的刻度，以获取芯片的旋转角度Rz。所述固定座12用于固定所述旋转电机11及所述光栅读数头132，以防止所述旋转电机11及光栅读数头132产生晃动。

所述键合头模块沿Z向移动以对所述芯片进行键合，由于键合压力对键合精度来说至关重要，所以所述键合头模块还具有一压力控制单元16，用于检测所述键合头模块测的键合压力，但是压力控制单元16会增加整个键合头模块的质量，导致键合头模块移动时不稳定，从而降低了键合精度。

发明人发现，所述键合头模块中由于所述光栅读数头132及所述标尺光栅131之间需要保留一定的距离(通常小于或等于100μm)便于所述光栅读数头132读取所述标尺光栅131上的刻度，从而导致所述固定座12的一部分、所述光栅读数头132及标尺光栅131之间构成一气压腔17，而在对所述芯片进行键合时，在键合力的作用下，所述吸附组件10、气浮轴承14及旋转电机11会整体背离Z向移动一定距离，使得所述标尺光栅131也背离Z向移动一定距离，从而压缩所述气压腔17，导致所述气压腔17内的气压上升，所以只要检测并控制所述气压腔17内的压力就可以获取并控制键合压力。

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常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，本实施例提供了一种键合头压力控制装置，包括键合头模块2及驱动模块3，所述驱动模块3与所述键合头模块2连接以驱动所述键合头模块2沿Z向移动。

如图2-图4所示，所述键合头模块2包括沿Z向顺次设置的旋转电机组件和吸附组件20，所述旋转电机组件包括沿Z向顺次设置的固定座22、旋转角度测量单元23、旋转电机21及气浮轴承24，所述固定座22用于固定所述旋转电机21及所述旋转角度测量单元23，防止其左右晃动。具体的，所述旋转电机21为内转子旋转电机，其包括内转子211、定子212及电机座子213，所述固定座22设置于所述电机座子213上，并采用螺钉连接所述电机座子213，以防止所述旋转电机21晃动。所述旋转角度测量单元23包括标尺光栅231及光栅读数头232，所述标尺光栅231设置于所述旋转电机21的内转子211上，当所述旋转电机21转动时，所述标尺光栅231也随之转动，所述光栅读数头232设置于所述标尺光栅231上方，且利用所述固定座22固定，以读取所述标尺光栅231上的刻度。进一步，所述光栅读数头232与所述标尺光栅231在Z向上的距离小于或等于100μm，以使所述光栅读数头232能够准确的读取所述标尺光栅231上的刻度。

所述固定座22、光栅读数头232及标尺光栅231之间构成一气压腔26(实际上固定座22的形状复杂，其在固定所述光栅读数头232和所述旋转电机21时后会构成一个环形的腔体，而标尺光栅231会伸入环形的腔体内使环形的腔体密闭构成所述气压腔26)，所述标尺光栅231能够在所述气压腔26内沿Z向移动，或者也可以理解为，所述标尺光栅231是所述气压腔26中的活塞。

进一步，所述气浮轴承24包括外圈241、内圈243及位于所述外圈241和所述内圈243之间的空气隙242，所述外圈241固定不动，所述内圈243能够相对所述外圈241沿Z向移动或旋转。如图4所示，所述吸附组件20包括吸嘴204、吸嘴杆202及吸嘴底座201，所述吸嘴204及所述吸嘴底座201分别固定于所述吸嘴杆202的上下两端，所述吸嘴底座201与所述旋转电机21的电机底座213的底部可以通过螺钉固定连接，所述吸嘴204与所述吸嘴杆202过盈配合以实现密封。一键合芯轴25的一端顺次穿过所述气浮轴承24的内圈243及所述旋转电机21的内转子211，另一端与所述吸嘴底座201背离所述吸嘴杆202的一端连接。

所述吸嘴杆202内具有一真空管路203，所述真空管路203与所述吸嘴204连通以实现对所述芯片的真空吸附。例如图4所示，将所述吸嘴204对准晶圆上的任一芯片00，所述真空管路203使所述吸嘴204产生真空吸附力，以吸附所述芯片00。可以理解的是，所述吸附组件20吸附所述芯片00之后，在键合之前，还需要调整所述芯片00的旋转角度Rz，以使所述芯片00与键合位置对准。本实施例中，当所述旋转电机21旋转时，带动所述气浮轴承的内圈243及所述吸附组件20同时绕Z向旋转，以调整所述芯片的旋转角度Rz，以便于芯片的对准和定位。

在芯片的对准和定位完成后，所述驱动模块3驱动所述键合头模块沿Z向移动并提供键合所述芯片的键合压力，在键合的同时，由于键合压力作用，所述吸附组件20及所述旋转电机21会同时背离Z向移动，由于所述标尺光栅231是固定在所述旋转电机21的内转子211上的，当所述旋转电机21背离Z向移动时，所述标尺光栅231也会背离Z向移动以压缩所述气压腔26。

为了检测气压腔26的气压，本实施例中的所述键合头压力控制装置还包括一压力检测模块(未示出)，所述压力检测模块与所述气压腔26连接以检测所述气压腔26内的气压，例如，所述压力检测模块与所述气压腔26是通过一气体管道连通的，所述压力检测模块无需设置在所述键合头模块2上，也就不会增加所述键合头模块2的质量。当所述压力检测模块检测到所述气压腔26的气压后，可以根据气压值计算出所述键合压力，即可实现对键合压力的调整或控制。

进一步，本实施例中的所述键合头压力控制装置还包括一过压保护模块(未示出)，所述过压保护模块例如是一比例调压阀，可以设置于所述压力检测模块与所述气压腔26连通的气体管道上，当所述压力检测模块检测到所述气压腔26中的气压超过一设定阈值时，所述比例调压阀对所述气压腔26进行泄压，以减小键合压力，避免键合头模块及芯片的损坏。

基于此，如图2-图6所示，本实施例还提供了一种利用所述键合头压力控制装置进行压力控制的方法，包括：

步骤S1：驱动模块3驱动键合头模块2沿Z向移动以对准需要键合的芯片，所述吸附组件20的真空管路203与一真空泵连接，所述真空泵可以将所述真空管路203抽真空，以使吸嘴204吸附所述芯片。所述驱动模块3再移动至键合位置的上方，所述旋转电机21驱动气浮轴承24的内圈243及所述吸附组件20同时绕Z向旋转，以调整所述芯片的旋转角度Rz，光栅读数头232读取标尺光栅231上的刻度以获取所述芯片的旋转角度Rz。接下来，所述驱动模块3继续驱动所述键合头模块2沿Z向移动并提供键合所述芯片的键合压力；

步骤S2：在键合时，由于键合压力的作用，所述吸附组件20、气浮轴承24的内圈243及旋转电机21会同时背离Z向移动，以使标尺光栅231压缩气压腔26；

步骤S3：压力检测模块实时检测所述气压腔26内的气压，并根据检测到的气压值获取所述键合压力，即可实现键合压力的检测和控制。进一步，当所述压力检测模块检测到的压力值大于所述设定阈值时，所述过压保护模块对所述气压腔26进行泄压，以保护所述键合头模块2和所述芯片。

本实施例中，由于所述光栅读数头232与所述标尺光栅231在Z向上的距离小于或等于100μm，即所述气压腔26在Z向的高度尺寸小于或等于100μm，所以所述标尺光栅231向上移动的距离不能超过100μm。可以理解的是，键合时的键合压力通常小于或等于1N，通过实验得出，当键合压力为1N时，所述标尺光栅231的最大位移为0.284μm，即所述标尺光栅231向上移动的距离不会超过100μm，满足光栅读数头232读数的需求，且所述芯片的定位精度可达5μm，系统的可靠性非常高。并且，相较于图1中的键合头模块来说，本实施例提供的键合头模块2中的压力检测模块不直接设置在键合头模块2上，可以不随着所述键合头模块2移动，使键合头模块2的质量减轻了5％左右，由于键合头模块2的运动时间为主要耗时环节(约占90％)，所以采用本实施例提供的键合头压力控制装置的产率约增加5％。

基于此，本实施例还提供了一种键合设备，包括所述键合头压力控制装置。

综上，在本发明实施例提供的键合头压力控制装置及控制方法、键合设备中，键合头模块的固定座、光栅读数头及标尺光栅之间构成一气压腔，驱动模块驱动所述键合头模块沿Z向移动以使所述吸附组件吸附一芯片并提供键合芯片的键合压力，在键合压力的作用下所述吸附组件及所述旋转电机同时背离Z向移动，以使所述标尺光栅压缩所述气压腔，压力检测模块通过检测所述气压腔内的气压以获取所述键合压力，本发明利用了光栅读数头及标尺光栅之间的间隙形成气压腔，通过检测气压腔的压力进行键合压力的获取和控制，不需要在键合头模块内设置压力控制单元，从而减轻了键合头模块的重量，提高了键合的效率和精度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种键合头压力控制装置，其特征在于，包括：

键合头模块，包括旋转电机组件及吸附组件，所述旋转电机组件包括固定座、旋转角度测量单元及旋转电机，所述旋转角度测量单元包括光栅读数头及标尺光栅，所述标尺光栅设置于所述旋转电机的内转子上，所述固定座用于固定所述旋转电机及所述光栅读数头，且所述固定座、光栅读数头及标尺光栅之间构成一气压腔；

驱动模块，与所述键合头模块连接，用于驱动所述键合头模块沿Z向移动以使所述吸附组件吸附一芯片，并且所述驱动模块提供键合所述芯片的键合压力，在键合压力的作用下所述吸附组件及所述旋转电机同时背离Z向移动，以使所述标尺光栅压缩所述气压腔；

压力检测模块，与所述气压腔连接以检测所述气压腔内的气压，并根据检测到的气压值获取所述键合压力。

2.如权利要求1所述的键合头压力控制装置，其特征在于，所述键合头压力控制装置还包括过压保护模块，所述过压保护模块与所述气压腔连接，当所述压力检测模块检测到的压力值大于一设定阈值时，所述过压保护模块对所述气压腔进行泄压。

3.如权利要求2所述的键合头压力控制装置，其特征在于，所述过压保护模块包括一比例调压阀。

4.如权利要求1所述的键合头压力控制装置，其特征在于，所述键合头模块还包括一气浮轴承及键合芯轴，所述键合芯轴的一端与所述吸附组件连接，另一端顺次穿过所述气浮轴承的内圈及所述旋转电机的转子，以使所述旋转电机能够带动所述气浮轴承的内圈及所述吸附组件同时绕Z向旋转，以调整所述芯片的旋转角度Rz。

5.如权利要求4所述的键合头压力控制装置，其特征在于，所述吸附组件包括吸嘴、吸嘴杆及吸嘴底座，所述吸嘴及所述吸嘴底座分别固定于所述吸嘴杆的两端，且所述吸嘴底座背离所述吸嘴杆的一端与所述键合芯轴背离所述旋转电机组件的一端连接。

6.如权利要求5所述的键合头压力控制装置，其特征在于，所述吸嘴杆内具有一真空管路，所述真空管路与所述吸嘴连通以实现对所述芯片的真空吸附。

7.如权利要求1所述的键合头压力控制装置，其特征在于，所述光栅读数头及所述标尺光栅之间沿Z向的距离小于或等于100μm。

8.如权利要求7所述的键合头压力控制装置，其特征在于，在所述键合压力下所述标尺光栅背离Z向移动的距离小于或等于0.284μm。

9.一种利用如权利要求1-8中任一项所述的键合头压力控制装置进行压力控制的方法，其特征在于，包括：

驱动模块驱动键合头模块沿Z向移动以使吸附组件吸附一芯片，并且所述驱动模块提供键合所述芯片的键合压力；

在键合压力的作用下所述吸附组件及旋转电机同时背离Z向移动，以使标尺光栅压缩气压腔；

压力检测模块实时检测所述气压腔内的气压，并根据检测到的气压值获取所述键合压力。

10.如权利要求9所述的键合头压力控制方法，其特征在于，所述吸附组件吸附所述芯片之后，所述旋转电机驱动所述吸附组件绕Z向旋转，以调整所述芯片的旋转角度Rz，光栅读数头通过读取标尺光栅上的刻度以获取所述芯片的旋转角度Rz。

11.如权利要求9所述的键合头压力控制方法，其特征在于，所述键合头压力控制装置还包括一过压保护模块，所述压力检测模块检测到所述气压腔内的气压之后，所述键合头控制方法还包括：

当所述压力检测模块检测到的压力值大于一设定阈值时，所述过压保护模块对所述气压腔进行泄压。

12.一种键合设备，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的键合头压力控制装置。

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