CN111890249A - 一种用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,包括靠近吸嘴的长针脚芯片平行度测量结构和位于长针脚芯片平行度测量结构外侧的短针脚芯片夹持固定结构。本发明根据滑动变阻器的原理,通过对长针脚位置变化导致的电阻变化进行测量,通过电阻的决定式,能够精确读取到芯片平行度的偏移量,从而实现准确的芯片平行度测量,解决了吸嘴和基板平行时,还可能因为电气接触凸点高低导致的芯片不平行等外界因素的问题。并且短针脚在超声键合的过程中,未收起的部分可以实现对芯片的位置固定,从而保护芯片,增大键合成功率。
Description
技术领域
本发明属于芯片键合、封装技术领域,特别涉及一种芯片夹持固定和芯片平行度测量结构。
背景技术
芯片互连技术影响微电子产品的体积、性能以及成本,其中常用的芯片互连技术包括引线键合、载带自动焊和倒装芯片键合三种技术。这几种技术中,市场占用率最高的是引线键合技术,虽然引线键合工艺简单且成本低,但是存在着一些弊端,尤其是随着射频模组产品小型化、轻量化的发展,芯片引脚数目增多,采用引线键合技术的I/O引线都是排列在芯片的四周,引线键合会导致体积越来越大。但采用倒装技术,I/O引线可以阵列的方式排列在芯片的表面,因此也能够提供更密集的I/O布局,得到最高的体积利用率。倒装键合(Flip-chip bonding, FCB)工艺将有源芯片的电气面(即金属接触面)朝下翻转,与无源芯片上的电气接触凸点(bump)通过热压或热声效应完成键合与组装。其电气接触凸点可用合理的凸点方法制作。与引线键合技术相比,芯片倒装技术具有以下独特的优点:连接距离最短,因此具有卓越的高频、抗串扰性能,同时提供稳固的机械连接和卓越的热传导;封装体积小,有效降低封装尺寸;相关技术成熟,自动化程度高,可实现自动、批量的处理。近年来迅速成为光电子器件封装的主流方法。
目前,常用的倒装键合技术包括热超声倒装键合技术。热超声键合是基于热声效应的一个摩擦焊接过程,衬底芯片被加热到100°C~150°C,倒装芯片的焊盘横向移动与衬底芯片焊凸间轻压接触,形成特定的工作界面,施加爆发的超声能量进行摩擦焊接。相比于热压键合,热量只在接触界面产生,不会在芯片内部产生热应力。对热敏感的材料多采用热声效应的键合,需要施加的键合力要比热压键合小很多,对芯片几乎不产生机械压力应变,更好地保护好芯片免于形变或裂片。
热超声倒装键合的成功率问题始终是人们关心的重点。如果在键合过程中倒装芯片与基板出现不平行的情况,那么会在很大程度上影响键合质量以及芯片和基板之间的耦合度;同时如果拾取倒装芯片的吸嘴设备和芯片背部连接不稳定,则会在键合过程中,吸嘴和芯片背部产生相对位移,磨损芯片背部,影响器件的最终性能,还有可能使芯片被损坏甚至磨透,导致所制备的器件成为废品,降低键合成功率。
为了防止超声键合过程中出现芯片与基板不平行或者吸嘴与芯片产生相对位移的情况发生,需要吸嘴对芯片的固定能力有很高的要求,同时还要对芯片与基板的平行度有很高的要求,通过使用大负压力吸嘴可以一定程度上防止吸嘴与芯片之间的相对位移,但在面对不同大小的超声能量输入时,很难将相对位移控制在一定程度内,同时对芯片与基板间的平行度的测量需要精确和简单,以便能在键合过程中实现精准快速的平行度调整。
鉴于此,提供一种结构简单的用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题,本发明提出了一种用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构。
为了实现上述技术目的,本发明的技术方案为:
一种用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,包括靠近吸嘴的长针脚芯片平行度测量结构和位于长针脚芯片平行度测量结构外侧的短针脚芯片夹持固定结构;所述长针脚芯片平行度测量结构包括4个固定孔,这4个固定孔呈90°均匀分布在吸嘴四周,4根完全相同的长针脚分别位于4个固定孔内,且长针脚能够在固定孔内上下移动,在长针脚的上端处设置有直径大于固定孔直径的防脱落圆柱环,所述固定孔的顶端设有绝缘垫片,所述绝缘垫片上侧设有与长针脚接触的金属触点,对应的长针脚的顶端也设有金属触点,绝缘垫片上侧的金属触点与对应的长针脚顶端的金属触点构成一对金属触点,每对金属触点外接电阻测量设备;所述短针脚芯片夹持固定结构包括若干圆柱形深槽,所有圆柱形深槽周期性排列,所有圆柱形深槽的开口向下,每个圆柱形深槽内设有一根短针脚,短针脚的一端通过弹簧与圆柱形深槽的底部相连。
进一步地,所述长针脚和短针脚均为圆柱状结构。
进一步地,各长针脚之间的间距为4-8mm;各短针脚之间的间距为2mm;长针脚与短针脚之间的间距为2mm。
进一步地,整个结构的厚度为10mm,长和宽为20-50mm;吸嘴位于整个结构的中心位置,直径为1mm-3mm;固定孔的长为10mm,直径略大于2mm;长针脚的长为12-18mm,直径为2mm;长针脚上端处的防脱落圆柱环位于长针脚顶端向下2-3mm处,防脱落圆柱环的直径为4mm;固定孔顶端的绝缘垫片为圆环状,其内径为2.5mm左右,外径为3mm,厚度为1mm;金属触点为圆环状,其内径略大于2mm,外径为3mm,厚度为1mm;圆柱形深槽的深度为6-8mm,直径略大于2mm;短针脚的长为4-6mm,直径为2mm;弹簧的长为4-6mm,直径略小于2mm。
进一步地,所述短针脚向下运动至最大位移处时,短针脚顶端位于吸嘴顶端下方超过1mm位置处。
进一步地,所述长针脚与固定孔之间存在小于0.5mm的间隙;所述短针脚与圆柱形深槽之间存在小于0.5mm的间隙。
进一步地,长针脚采用耐高温且导电性良好的材料制成,短针脚采用耐高温且硬度高的材料制成。
进一步地,所述弹簧采用金属铜制成。
进一步地,整个结构的底部高于吸嘴顶端2-3mm;通过粘合剂或焊接工艺将该结构与吸嘴相接。
进一步地,所述电阻测量设备采用万用表,4对金属触点分别外接4个外用表。
采用上述技术方案带来的有益效果:
本发明设计的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,可直接进行芯片与基板之间的平行度测量,对比以往测量吸嘴和基板平行度,该结构无需考虑外界情况对芯片和基板平行度的影响;并且能够有效地减小吸嘴与倒装芯片之间的相互摩擦,保护芯片的同时增大了键合成功率,还提高了键合所需超声能量的利用率。该结构将芯片夹持固定结构和平行度测量结构合二为一,充分利用了吸嘴附近的空间,在实际操作过程,芯片的固定与平行度测量都无需手动调节。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构立体透视图;
图2为本发明实施例提供的一种用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构立体图;
图3是本发明实施例提供的一种用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构俯视示意图;
图4为本发明实施例未拾取芯片的剖面简化示意图;
图5为本发明实施例已拾取芯片的剖面简化示意图;
图6为本发明实施例已拾取芯片与基板不平行情况的剖面简化示意图。
标号说明:1、吸嘴;2、金属触点;3、长针脚;4、防脱落圆柱环;5、金属触点;6、绝缘垫片圆环;7、圆柱形深槽;8、弹簧;9、短针脚;10、固定孔;11、电阻测量设备;12、倒装芯片;13、键合基板。
具体实施方式
以下将结合附图,对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种用于超声倒装键合芯片夹持固定和芯片平行度测量的结构,该结构包括靠近吸嘴的长针脚芯片平行度测量结构和外侧的短针脚芯片夹持固定结构。
如图1-3所示,长针脚平行度测量结构包括4个的固定孔10,固定孔10呈90°分布均匀分布在吸嘴1四周。4根完全一样的长针脚3位于固定孔10内,可上下运动,长针脚3的直径略小于固定孔直径。靠近长针脚3上端设置有直径大于固定孔10的防脱落圆柱环4,用于防止长针脚3的掉落,同时起着配重的作用。固定孔10的顶端具有绝缘垫片6,其内径略大于固定孔10和长针脚3的直径,在长针脚3顶端设有金属触点2,每个固定孔10对应的绝缘垫片6上侧设有与长针脚相接触的金属触点5。每个长针脚顶端的金属触点2与其对应的绝缘垫圈6上的金属触点5为一对,每对金属触点外接电阻测量设备11。短针脚芯片夹持固定结构包括若干圆柱形深槽7,位于距吸嘴1较远处呈周期排列,圆柱形深槽7的开口向下。短针脚9的一端通过弹簧8与圆柱形深槽7的底部相连,可上下运动,短针脚9和弹簧8的直径略小于深槽7的直径,短针脚9受力可收起位于圆柱形深槽7的内部。
在本实施例中,所述长针脚3和短针脚9均为圆柱状结构。
在本实施例中,各长针脚3之间的间距为4-8mm;各短针脚9之间的间距为2mm;长针脚3与短针脚9之间的间距为2mm。
在本实施例中,整个结构的厚度为10mm,长和宽为20-50mm;吸嘴1位于整个结构的中心位置,直径为1mm-3mm;固定孔10的长为10mm,直径略大于2mm;长针脚3的长为12-18mm,直径为2mm;长针脚3上端处的防脱落圆柱环4位于长针脚顶端向下2-3mm处,防脱落圆柱环4的直径为4mm;固定孔10顶端的绝缘垫片为圆环状,其内径为2.5mm左右,外径为3mm,厚度为1mm;金属触点2、5为圆环状,其内径略大于2mm,外径为3mm,厚度为1mm;圆柱形深槽7的深度为6-8mm,直径略大于2mm;短针脚9的长为4-6mm,直径为2mm;弹簧8的长为4-6mm,直径略小于2mm。
在本实施例中,所述短针脚9向下运动至最大位移处时,短针脚9顶端位于吸嘴1顶端下方超过1mm位置处。
在本实施例中,所述长针脚3与固定孔10之间存在小于0.5mm的间隙;所述短针脚9与圆柱形深槽7之间存在小于0.5mm的间隙。
在本实施例中,长针脚3采用耐高温且导电性良好的材料制成,短针脚9采用耐高温且硬度高的材料制成。
在本实施例中,所述弹簧8采用金属铜制成。
在本实施例中,整个结构的底部高于吸嘴1顶端2-3mm,使吸嘴1附近有一定空余空间用于给芯片12形变留下空间。通过粘合剂或焊接工艺将该结构与吸嘴相接。
在本实施例中,所述电阻测量设备采用万用表,4对金属触点分别外接4个外用表。
该结构辅助吸嘴1进行芯片夹持固定时,分为两种情况。如图4所示,当吸嘴1未拾取芯片12时,该结构的长针脚3和短针脚9全部向下伸出,并且超过吸嘴1底部约1mm左右的长度。该长度不应过大,否则会导致针脚与基板13出现摩擦,损坏针脚和基板13。此时所有长针脚3处于同一状态,针对每个长针脚3的一对金属触点测量,其阻值相同。如图5所示,当吸嘴1拾取芯片12后,位于芯片12上侧的长、短针脚9向上收起,没有位于芯片12上侧的短针脚9则保持向下伸出的状态包围在芯片12周围,若此时芯片12与吸嘴1出现相对位移,则会被其侧边的短针脚9限制。并且由于此时芯片12未发生形变,则四根长针脚3位移变化相同,测得电阻值相同。在进行平行度测量时,吸嘴1持芯片12下压直至和基板13接触,如图6所示,如若出现芯片12与基板13不平行,则芯片12会发生形变。此时四根长针脚3位置变化不同,可实时测得四根针脚变化的电阻值,根据电阻的决定式R=ρl/S(ρ表示长针脚电阻率,l表示长针脚长度,S表示长针脚横截面积),反推求得精确的位移变化量,从而可以实时判断芯片12与基板13的平行度。并且可以根据不同的长针脚3材料,选取不同的阻值,能够得到不同的测量精度。材料的电阻越大,位置变化导致的电阻变化量越大,精度越高。
实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,其特征在于:包括靠近吸嘴的长针脚芯片平行度测量结构和位于长针脚芯片平行度测量结构外侧的短针脚芯片夹持固定结构;所述长针脚芯片平行度测量结构包括4个固定孔,这4个固定孔呈90°均匀分布在吸嘴四周,4根完全相同的长针脚分别位于4个固定孔内,且长针脚能够在固定孔内上下移动,在长针脚的上端处设置有直径大于固定孔直径的防脱落圆柱环,所述固定孔的顶端设有绝缘垫片,所述绝缘垫片上侧设有与长针脚接触的金属触点,对应的长针脚的顶端也设有金属触点,绝缘垫片上侧的金属触点与对应的长针脚顶端的金属触点构成一对金属触点,每对金属触点外接电阻测量设备;所述短针脚芯片夹持固定结构包括若干圆柱形深槽,所有圆柱形深槽周期性排列,所有圆柱形深槽的开口向下,每个圆柱形深槽内设有一根短针脚,短针脚的一端通过弹簧与圆柱形深槽的底部相连。
2.根据权利要求1所述用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,其特征在于:所述长针脚和短针脚均为圆柱状结构。
3.根据权利要求1所述用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,其特征在于:各长针脚之间的间距为4-8mm;各短针脚之间的间距为2mm;长针脚与短针脚之间的间距为2mm。
4.根据权利要求1所述用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,其特征在于:整个结构的厚度为10mm,长和宽为20-50mm;吸嘴位于整个结构的中心位置,直径为1mm-3mm;固定孔的长为10mm,直径略大于2mm;长针脚的长为12-18mm,直径为2mm;长针脚上端处的防脱落圆柱环位于长针脚顶端向下2-3mm处,防脱落圆柱环的直径为4mm;固定孔顶端的绝缘垫片为圆环状,其内径为2.5mm左右,外径为3mm,厚度为1mm;金属触点为圆环状,其内径略大于2mm,外径为3mm,厚度为1mm;圆柱形深槽的深度为6-8mm,直径略大于2mm;短针脚的长为4-6mm,直径为2mm;弹簧的长为4-6mm,直径略小于2mm。
5.根据权利要求1所述用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,其特征在于:所述短针脚向下运动至最大位移处时,短针脚顶端位于吸嘴顶端下方超过1mm位置处。
6.根据权利要求1所述用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,其特征在于:所述长针脚与固定孔之间存在小于0.5mm的间隙;所述短针脚与圆柱形深槽之间存在小于0.5mm的间隙。
7.根据权利要求1所述用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,其特征在于:长针脚采用耐高温且导电性良好的材料制成,短针脚采用耐高温且硬度高的材料制成。
8.根据权利要求1所述用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,其特征在于:所述弹簧采用金属铜制成。
9.根据权利要求1所述用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,其特征在于:整个结构的底部高于吸嘴顶端2-3mm;通过粘合剂或焊接工艺将该结构与吸嘴相接。
10.根据权利要求1所述用于超声键合的芯片夹持固定和芯片平行度测量结构,其特征在于:所述电阻测量设备采用万用表,4对金属触点分别外接4个外用表。
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