CN116994971A - 激光辅助键合设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供激光辅助键合设备及方法，激光辅助键合设备包括：激光光源模块、温控模块、调平模块、定位模块和运动模块，激光光源模块用于发射激光光束，以对芯片和载板进行键合，温控模块用于对芯片和载板进行加热或者冷却，调平模块用于对所述芯片调平，定位模块用于对的芯片定位，运动模块至少两个自由度运动以调整激光光源模块与芯片的相对位置。采用激光辅助键合的方法进行芯片键合，激光光束对芯片进行瞬时加热，激光的高能量密度，在几百毫秒内将芯片加热到工艺温度，完成对焊料的键合。由于加热速度非常快，也即加热时间短，热容低，停止加热后热量迅速消散，载板的温升大幅降低，故翘曲和残余热应力都远低于回流焊工艺。

Description

激光辅助键合设备及方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种激光辅助键合设备及方法。

背景技术

半导体市场一直在追求更高的性能、更低的成本。由于芯片面积太大，互联密度太低，原有芯片直接封装技术(chip on board，COB)已经无法满足越来越小的智能设备，故逐渐被倒装芯片(flip-chip)技术替代。倒装芯片使用传统的回流焊工艺，为了更高的I/O密度，倒装芯片上铜柱凸点的间距越来越小，与此同时，更高的性能要求也在推动电流密度的不断增加，因此对于芯片封装性能稳定性的需求愈发苛刻，而回流焊工艺由于其较高的整体焊接温度以及存在较高的残余热应力，故需要更优的焊接方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光辅助键合设备及方法，以解决回流焊工艺焊接温度高、存在残余热应力的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光辅助键合设备，包括：激光光源模块、温控模块、调平模块、定位模块和运动模块，所述激光光源模块用于发射激光光束，以对芯片和载板进行键合，所述温控模块用于对所述芯片和所述载板进行加热或者冷却，所述调平模块用于对所述芯片调平，所述定位模块用于对所述芯片定位，所述运动模块至少两个自由度运动以调整所述激光光源模块与所述芯片的相对位置。

可选的，所述激光光源模块包括激光器和均质器，所述激光器发射激光光束，所述均质器用于对所述激光器发射的激光光束均质。

可选的，所述激光光源模块还包括测温传感器，所述测温传感器固定在所述均质器上，以测量所述芯片的温度。

可选的，所述温控模块固定在所述调平模块上，以使所述载板在键合时维持在预设温度。

可选的，还包括旋转模块，所述旋转模块位于所述调平模块下，带动所述调平模块旋转所述芯片以调整所述芯片与所述激光光束的角度偏差。

可选的，所述运动模块位于所述旋转模块下，带动所述芯片在第一方向或第二方向上运动以调整所述激光光源模块与所述芯片的相对位置，其中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直。

可选的，所述运动模块和所述激光光源模块位于激光光源模块底板上，所述运动模块带动所述激光光源模块底板在第一方向或第二方向上运动以调整所述激光光源模块与所述芯片的相对位置，其中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直。

可选的，所述调平装置或者所述定位模块在第三方向上运动，使得所述芯片位于所述激光器的同一焦面内，且所述芯片位于所述定位模块的焦深内，其中，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均相互垂直。

基于同一发明构思，本发明还提供一种激光辅助键合的方法，采用上述所述的激光辅助键合设备执行，包括：

采用温控模块加热以使所述激光辅助键合设备的温度到预设温度范围内；

将芯片和载台传输至所述温控模块上并固定；

调整定位模块与所述芯片的相对位置，以使所述芯片位于所述定位模块的最佳焦面位置；

调平模块对所述芯片进行调平，以使所述芯片在第三方向上处于同一高度且位于所述定位模块的焦深范围内；

移动运动模块以使所述芯片位于激光光源模块的视场范围内；

激光光源模块发射激光光束照射至所述芯片上以使所述芯片与所述载板键合。

可选的，移动运动模块以使所述芯片位于激光光源模块的视场范围内之后，旋转模块带动芯片旋转至均质器同一角度，并根据所述芯片的大小，调节所述均质器出光的长宽，以使面光能覆盖所述芯片。

在本发明提供的激光辅助键合设备及方法中，激光辅助键合设备包括：激光光源模块、温控模块、调平模块、定位模块和运动模块，激光光源模块用于发射激光光束，以对芯片和载板进行键合，温控模块用于对芯片和载板进行加热或者冷却，调平模块用于对所述芯片调平，定位模块用于对的芯片定位，运动模块至少两个自由度运动以调整激光光源模块与芯片的相对位置。通过将激光辅助键合设备引入到倒装芯片封装中，采用激光辅助键合的方法进行芯片键合，激光光束对芯片进行瞬时加热，激光的高能量密度，在几百毫秒内将芯片加热到工艺温度，完成对焊料的键合。由于加热速度非常快，也即加热时间短，热容低，停止加热后热量迅速消散，载板的温升大幅降低，故翘曲和残余热应力都远低于回流焊工艺。

附图说明

本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：

图1是本发明实施例的激光辅助键合设备结构示意图。

图2是本发明实施例的激光辅助键合的方法流程图。

附图中：

101-激光光源模块；101a-激光光纤；101b-均质器；101c-测温传感器；102-温控模块；103-调平模块；104-定位模块；105-运动模块；106-激光光源模块底板；107-支撑单元；108-芯片；109-载板；110-旋转模块；111-基础框架。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明实施例的激光辅助键合设备结构示意图。如图1所示，本发明提供一种激光辅助键合设备，包括：激光光源模块101、温控模块102、调平模块103、定位模块104和运动模块105，所述激光光源模块101用于发射激光光束，以对芯片108和载板109进行键合，所述温控模块102用于对所述芯片108和所述载板109进行加热或者冷却，所述调平模块103用于对所述芯片108调平，所述定位模块104用于对所述芯片108定位，所述运动模块105至少两个自由度运动以调整所述激光光源模块101与所述芯片108的相对位置。

具体的，所述激光光源模块101包括激光器(图中未示出)、激光光纤101a、均质器101b和测温传感器101c，激光光纤101a一端连接激光器，另一端连接均质器101b，激光器发射激光光束，激光光纤101a将激光光束传输至均质器101b，均质器101b用于对所述激光器发射的激光光束进行均质，从而生成同产品形状一致的高均匀性的面激光，所述激光光束照射到芯片108上，使得芯片108底部温度上升至250℃至300℃，例如是280℃，将位于芯片108底部的焊料融化，以键合芯片108和载板109。均质器101b固定在激光光源模块底板106上，在一个实施例中，激光光源模块底板106可以在第三方向上运动，也即Z轴上运动，其中，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均相互垂直。测温传感器101c固定在均质器102上，对芯片108整个区域的温度进行测量。

请继续参考图1，温控模块102固定在调平模块103上，对整个载板109提供加热和冷却功能，以使载板109在激光辅助键合时维持在预设温度。预设温度例如是适合载板109和芯片108键合的温度。

调平模块103固定在旋转模块110上，对整个载板109上芯片108进行调平，使得芯片108在第三方向上位于同一高度上，也即在Z轴方向上芯片108在同一高度，使得所述芯片108位于所述激光器的同一焦面内，提高芯片108整个区域的功率一致性，且所述芯片108位于所述定位模块104的焦深内，以便获取更精确的芯片108位置坐标；定位模块104例如是视觉装置，对芯片108进行坐标测量并定位；定位模块104固定在激光光源模块底板106上，连接有升降装置(升降装置图中未示出)，可以进行第三方向的升降，也即Z轴方向的升降，定位模块104与均质器102的升降装置不共用，也即均质器102和定位模块104分别具有各自的升降装置，以分别独立升降。在另一个实施例中，定位模块104可以不连接升降装置，也即定位模块104不进行垂向升降，通过调平模块进行垂向升降，以使得芯片108位于所述定位模块104的焦深内。当芯片108不在定位模块104的焦深内时，可以由调平模块103替代定位模块104垂向运动，这样可以使得设备更简单，成本更低。

调平模块103不仅可以在第三方向(第三自由度)上移动，还可以在第四自由度和第五自由度上移动，第四自由度为绕X轴的倾斜Rx，第五自由度为绕Y轴的倾斜Ry。调平模块103包括全局调平和局部调平，能够针对每一个芯片进行调平。

调平模块103包括上板103a，驱动板103b和下板103c，驱动板103b为Z向驱动。

支撑单元107固定在调平模块103的下板103c上，用于托起载板109，通过机械手完成载板109的上下料；芯片108底部带焊料，该焊料在高温下会被融化，从而同载板109完成焊接；载板109放置在温控模块102上，通过温控模块102进行吸附固定，载板109上放置了多个芯片108，这些芯片108可以是同种规格，也可以是不同规格。

所述调平模块103下设置有旋转模块110，旋转模块110例如是旋转台，带动所述调平模块103旋转所述芯片108以调整所述芯片108与所述激光光束的角度偏差。也就是说，通过旋转模块110旋转芯片108，纠正芯片108外形同均质器101b发出的面激光外形的角度偏差。值得指出的是，旋转模块110用于调整芯片108的第六自由度，也即绕Z轴的倾斜Rz方向。

所述运动模块105至少两个自由度运动以调整所述激光光源模块101与所述芯片108的相对位置。两个自由度例如是在一个平面内的相互垂直的第一方向和第二方向，第一方向例如是X轴方向，第二方向例如是Y轴方向。

在一个实施例中，所述运动模块105位于所述旋转模块110下且固定在基础框架111上，带动所述芯片108在第一方向或第二方向上运动以调整所述激光光源模块101与所述芯片108的相对位置。

在另一个实施例中，所述运动模块105和所述激光光源模块101位于激光光源模块底板106上，所述运动模块105带动所述激光光源模块底板106在第一方向或第二方向上运动以调整所述激光光源模块101与所述芯片108的相对位置。具体的，运动模块105带动均质器101b及定位模块104实现均质器101b的面激光同芯片108的位置匹配。本实施例中，由于载板109不需要进行大行程的移动，节约了大量的空间，该部分空间预留用于拓展一些额外工位。

图2是本发明实施例的激光辅助键合的方法流程图。如图2所示，本实施例还提供一种激光辅助键合的方法，采用上述所述的激光辅助键合设备执行，包括：

步骤S10，采用温控模块加热以使所述激光辅助键合设备的温度到预设温度范围内；

步骤S20，将芯片和载台传输至所述温控模块上并固定；

步骤S30，调整定位模块与所述芯片的相对位置，以使所述芯片位于所述定位模块的最佳焦面位置；

步骤S40，调平模块对所述芯片进行调平，以使所述芯片在第三方向上处于同一高度且位于所述定位模块的焦深范围内；

步骤S50，移动运动模块以使所述芯片位于激光光源模块的视场范围内；

步骤S60，激光光源模块发射激光光束照射至所述芯片上以使所述芯片与所述载板键合。

具体的，为了提高产率，产品在开始生产前温控模块102会先将温度控制在键合的工艺温度上，从而减少加热的时间，然后通过机械手(图中未示出)和支撑单元107将芯片108和载板109一起传输至温控模块102上，然后吸附固定住。移动运动模块105，通过定位模块104检测载板109上均匀布置的三个位置，通过定位模块104的升降移动找寻到三个位置的最佳焦面位置，然后通过调平模块103进行调平，使得芯片108在Z方向上位于同一高度上，提高芯片整个区域的功率一致性，同时也确保芯片108在Z方向上位于定位模块104的焦深内，以便获取更精确的芯片108位置坐标。定位模块104计算出芯片108的中心坐标以及角度，然后继续移动运动模块105去寻找芯片108，使芯片108整体位于激光光束的视场范围内，然后旋转模块110进行旋转，将芯片108旋转至同均质器101b同一角度，并根据芯片108的大小，调节均质器101b出光的长宽，使得面激光能覆盖芯片108轮廓，优选的，面激光的大小和芯片的轮廓相同，然后激光器出光，通过瞬时高功率的面激光照射到芯片108上，使芯片108底部的焊料瞬间融化，从而实现芯片108与载板109的键合。在芯片108与载板109的键合过程中，通过测温传感器101c实时测量芯片108整个区域的温度值及温度分布，从而对芯片108与载板109键合的质量做在线检测。针对小芯片，也可以采取一次出光，同时对多个小芯片一起照射，完成键合，在芯片特别小时，可以增加产率。

原有的采用回流焊工艺的产品对整个芯片108与载板109长时间加热，由于整体加热，材料的热膨胀系数差异导致载板109会有大的翘曲及残余热应力，同时对载板109的耐温会有较高的约束，本产品仅对芯片108进行瞬时加热，由于激光加热时间短，热容低，停止加热后热量迅速消散，载板109的温升大幅降低，在距离芯片5mm的位置，温升甚至只有30℃左右。相较于回流焊键合工艺，其存在的翘曲和残余热应力能减少60％，进而提高产品的性能。

综上可见，在本发明实施例提供的激光辅助键合设备及方法中，激光辅助键合设备包括：激光光源模块、温控模块、调平模块、定位模块和运动模块，激光光源模块用于发射激光光束，以对芯片和载板进行键合，温控模块用于对芯片和载板进行加热或者冷却，调平模块用于对所述芯片调平，定位模块用于对的芯片定位，运动模块至少两个自由度运动以调整激光光源模块与芯片的相对位置。通过将激光辅助键合设备引入到倒装芯片封装中，采用激光辅助键合的方法进行芯片键合，激光光束对芯片进行瞬时加热，激光的高能量密度，在几百毫秒内将芯片加热到工艺温度，完成对焊料的键合。由于加热速度非常快，也即加热时间短，热容低，停止加热后热量迅速消散，载板的温升大幅降低，故翘曲和残余热应力都远低于回流焊工艺。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。

此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (10)

1.一种激光辅助键合设备，其特征在于，包括：激光光源模块、温控模块、调平模块、定位模块和运动模块，所述激光光源模块用于发射激光光束，以对芯片和载板进行键合，所述温控模块用于对所述芯片和所述载板进行加热或者冷却，所述调平模块用于对所述芯片调平，所述定位模块用于对所述芯片定位，所述运动模块至少两个自由度运动以调整所述激光光源模块与所述芯片的相对位置。

2.根据权利要求1所述的激光辅助键合设备，其特征在于，所述激光光源模块包括激光器和均质器，所述激光器发射激光光束，所述均质器用于对所述激光器发射的激光光束均质。

3.根据权利要求2所述的激光辅助键合设备，其特征在于，所述激光光源模块还包括测温传感器，所述测温传感器固定在所述均质器上，以测量所述芯片的温度。

4.根据权利要求1所述的激光辅助键合设备，其特征在于，所述温控模块固定在所述调平模块上，以使所述载板在键合时维持在预设温度。

5.根据权利要求1所述的激光辅助键合设备，其特征在于，还包括旋转模块，所述旋转模块位于所述调平模块下，带动所述调平模块旋转所述芯片以调整所述芯片与所述激光光束的角度偏差。

6.根据权利要求5所述的激光辅助键合设备，其特征在于，所述运动模块位于所述旋转模块下，带动所述芯片在第一方向或第二方向上运动以调整所述激光光源模块与所述芯片的相对位置，其中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直。

7.根据权利要求1所述的激光辅助键合设备，其特征在于，所述运动模块和所述激光光源模块位于激光光源模块底板上，所述运动模块带动所述激光光源模块底板在第一方向或第二方向上运动以调整所述激光光源模块与所述芯片的相对位置，其中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直。

8.根据权利要求6或者7所述的激光辅助键合设备，其特征在于，所述调平装置或者所述定位模块在第三方向上运动，使得所述芯片位于所述激光器的同一焦面内，且所述芯片位于所述定位模块的焦深内，其中，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向均相互垂直。

9.一种激光辅助键合的方法，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的激光辅助键合设备执行，包括：

采用温控模块加热以使所述激光辅助键合设备的温度到预设温度范围内；

将芯片和载台传输至所述温控模块上并固定；

调整定位模块与所述芯片的相对位置，以使所述芯片位于所述定位模块的最佳焦面位置；

调平模块对所述芯片进行调平，以使所述芯片在第三方向上处于同一高度且位于所述定位模块的焦深范围内；

移动运动模块以使所述芯片位于激光光源模块的视场范围内；

激光光源模块发射激光光束照射至所述芯片上以使所述芯片与所述载板键合。

10.根据权利要求9所述的激光辅助键合的方法，其特征在于，移动运动模块以使所述芯片位于激光光源模块的视场范围内之后，旋转模块带动芯片旋转至均质器同一角度，并根据所述芯片的大小，调节所述均质器出光的长宽，以使面激光能覆盖所述芯片。