CN117954336A - 键合设备及键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体封装技术领域，具体而言，涉及一种键合设备及键合方法。键合设备包括：预键合单元，用于将键合准备位置处的芯片压合至键合位置处的基底晶圆上，并施加第一预设温度和第一预设压力，完成芯片与基底晶圆的预键合；强键合单元，用于对完成预键合的若干芯片与同一基底晶圆，同时施加第二预设温度和第二预设压力，完成若干芯片与同一基底晶圆的强键合；其中，第一预设温度低于第二预设温度，第一预设压力低于第二预设压力。本发明提供的键合设备及键合方法，采用预键合和强键合两步分离法，在强键合步骤中，可对预键合至同一基底晶圆上的若干芯片同时施加高温高压，能够大大缩短键合环节的时间，提高生产效率。

Description

键合设备及键合方法

技术领域

本发明涉及半导体封装技术领域，具体而言，涉及一种键合设备及键合方法。

背景技术

在半导体封装过程中，一般需要利用键合设备对芯片与基底晶圆进行键合，在键合环节，需要将芯片与基底晶圆对准并加压、加热，以实现芯片与基底晶圆的永久键合。

然而，现有的键合设备，键合环节所需时间较久，导致半导体生产效率难以提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种键合设备及键合方法，以缓解现有技术中的键合设备存在的键合环节所需时间较久的技术问题。

本发明提供的键合设备，包括：

预键合单元，用于将键合准备位置处的芯片压合至键合位置处的基底晶圆上，并施加第一预设温度和第一预设压力，完成芯片与基底晶圆的预键合；

强键合单元，用于对完成预键合的芯片与基底晶圆，施加第二预设温度和第二预设压力，完成芯片与基底晶圆的强键合；

其中，所述第一预设温度低于所述第二预设温度，所述第一预设压力低于所述第二预设压力。

优选地，作为一种可实施方式，所述键合设备还包括对准单元，所述对准单元用于获取所述键合准备位置处的芯片与所述键合位置处的基底晶圆的相对位置，所述对准单元与所述预键合单元通讯连接，用于控制所述预键合单元带动所述键合准备位置处的芯片移动至与所述键合位置处的基底晶圆对准的位置。

优选地，作为一种可实施方式，所述键合设备还包括对准驱动机构，所述对准驱动机构与所述对准单元连接，用于驱动所述对准单元在对准位与避让位之间移动。

处于所述对准位的所述对准单元的部分或全部位于所述键合准备位置处的芯片与所述键合位置处的基底晶圆之间，处于所述避让位的所述对准单元偏离所述键合准备位置的芯片与所述键合位置处的基底晶圆之间的区域。

优选地，作为一种可实施方式，所述对准单元包括沿同一方向依次间隔排布的相机、聚焦透镜、分束器和反射镜，所述对准单元处于所述对准位的状态下，所述分束器位于所述键合准备位置处的芯片与键合位置处的基底晶圆之间，所述相机能够获取所述键合准备位置处的芯片与所述键合位置处的基底晶圆的相对位置。

优选地，作为一种可实施方式，所述键合设备包括固定架，所述固定架设有导向结构，所述导向结构与所述对准单元配合，用于限制所述对准单元的移动轨迹。

优选地，作为一种可实施方式，所述强键合单元包括强键合压头和激光加热模块，所述强键合压头用于压紧预键合于基底晶圆的芯片，所述激光加热模块用于朝向预键合于基底晶圆的芯片发射激光。

优选地，作为一种可实施方式，所述键合设备还包括芯片供给单元和基底晶圆供给单元。

所述芯片供给单元用于将待键合的芯片转运至键合交接位置，所述预键合单元用于拾取所述键合交接位置处的芯片至所述键合准备位置，所述基底晶圆供给单元用于将待键合的基底晶圆转运至所述键合位置。

优选地，作为一种可实施方式，所述芯片供给单元包括基料传输模块、拾取翻转模块和芯片转运模块，所述基料传输模块用于将附着有芯片的晶圆环输送至翻转交接位置，所述拾取翻转模块用于拾取所述翻转交接位置处的芯片并将拾取的芯片翻转，所述芯片转运模块用于将完成翻转的芯片转运至所述键合交接位置。

优选地，作为一种可实施方式，所述芯片转运模块包括芯片交接机构和芯片传输台，所述拾取翻转模块用于将完成翻转的芯片置于转运交接位置，所述芯片交接机构用于拾取所述转运交接位置处的芯片并转移至所述芯片传输台，所述芯片传输台用于将芯片转运至所述键合交接位置；

和/或，所述基料传输模块包括机械手和控制机构，所述控制机构与所述机械手通讯连接，用于控制所述机械手抓取附着有芯片的晶圆环并将晶圆环输送至所述翻转交接位置。

本发明还提供了一种键合方法，其包括：

将键合准备位置处的芯片压合至键合位置处的基底晶圆上，并施加第一预设温度和第一预设压力，完成芯片与基底晶圆的预键合；

对完成预键合的芯片与基底晶圆，施加第二预设温度和第二预设压力，完成芯片与基底晶圆的强键合；

其中，所述第一预设温度低于所述第二预设温度，所述第一预设压力低于所述第二预设压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

在键合环节中，可先利用预键合单元将位于键合准备位置处的芯片压合到位于键合位置处的基底晶圆上，并对该芯片施加第一预设温度和第一预设压力，以在低温低压下短时间内将该芯片粘合到基底晶圆上，完成该芯片与基底晶圆的预键合，实现一个芯片与基底晶圆的弱连接；对若干待键合的芯片依次重复以上步骤，以完成若干芯片与同一基底晶圆的预键合。之后，可利用强键合单元对预键合于同一基底晶圆的若干芯片同时施加第二预设温度和第二预设压力，以在高温高压下将完成预键合的若干芯片与同一基底晶圆的进一步紧固，完成若干芯片与同一基底晶圆的强键合，实现若干芯片与同一基底晶圆的永久键合。

本发明提供的键合设备及键合方法，采用预键合和强键合两步分离法，完成若干芯片与同一基底晶圆的键合工作，且在强键合步骤中，可对预键合至同一基底晶圆上的若干芯片同时施加高温高压，能够大大缩短键合环节的时间，提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的键合设备的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的键合设备的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的键合设备中芯片供给单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的键合设备的另一视角的立体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的键合设备的芯片与基底晶圆的键合过程示意图；

图6为本发明实施例提供的键合设备中的对准单元的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的键合设备中的对准单元的原理图；

图8为本发明实施例提供的键合设备的芯片翻转过程示意图；

图9为本发明实施例提供的键合方法的示意性流程图。

附图标记说明：

100-预键合单元；

200-强键合单元；

300-对准单元；310-相机；320-分束器；330-反射镜；340-聚焦透镜；

400-固定架；

500-芯片供给单元；510-基料传输模块；511-机械手；520-拾取翻转模块；530-芯片转运模块；531-芯片交接机构；532-芯片传输台；

600-基底晶圆供给单元；

700-芯片；

800-基底晶圆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参见图1-图5，本实施例提供了一种键合设备，其包括：预键合单元100，用于将键合准备位置处的芯片700压合至键合位置处的基底晶圆800上，并施加第一预设温度和第一预设压力，完成芯片700与基底晶圆800的预键合；强键合单元200，用于对完成预键合的若干芯片700与同一基底晶圆800，同时施加第二预设温度和第二预设压力，完成若干芯片700与同一基底晶圆800的强键合；其中，第一预设温度低于第二预设温度，第一预设压力低于第二预设压力。

在键合环节中，可先利用预键合单元100将位于键合准备位置处的芯片700压合到位于键合位置处的基底晶圆800上，并对该芯片700施加第一预设温度和第一预设压力，以在低温低压下短时间内将该芯片700粘合到基底晶圆800上，完成该芯片700与基底晶圆800的预键合，实现一个芯片700与基底晶圆800的弱连接；对若干待键合的芯片依次重复以上步骤，以完成若干芯片与同一基底晶圆的预键合。之后，可利用强键合单元200对预键合于同一基底晶圆800的若干芯片700同时施加第二预设温度和第二预设压力，以在高温高压下将完成预键合的若干芯片700与同一基底晶圆800的进一步紧固，完成若干芯片700与同一基底晶圆800的强键合，实现若干芯片700与同一基底晶圆800的永久键合。

本实施例提供的键合设备，采用预键合和强键合两步分离法，完成若干芯片700与同一基底晶圆800的键合工作，且在强键合步骤中，可对预键合至同一基底晶圆800上的若干芯片700同时施加高温高压，能够大大缩短键合环节的时间，提高生产效率。

上述预键合单元100和强键合单元200，可以根据芯片700与基底晶圆800的键合要求和工艺标准，选择使用激光、热压或其他技术实施键合操作。

优选地，参见图4-图6，还可设置对准单元300，可利用对准单元300获取键合准备位置处的芯片700与键合位置处的基底晶圆800的相对位置；将对准单元300与预键合单元100通讯连接，以使得对准单元300能够根据获取到的键合准备位置处的芯片700与键合位置处的基底晶圆800的相对位置，控制预键合单元100动作，使得预键合单元100带动键合准备位置处的芯片700移动至与键合位置处的基底晶圆800对准的位置，从而，在预键合单元100施加第一预设温度和第一预设压力之前，键合准备位置处的芯片700能够与键合位置处的基底晶圆800相互对准，使得后续的键合步骤能够精准且稳定地进行，可提升芯片700与基底晶圆800的键合可靠性和键合质量。

进一步地，可设置对准驱动机构，将对准驱动机构与对准单元300连接，以利用对准驱动机构驱动对准单元300在对准位与避让位之间移动，具体地，在预键合前，可控制对准驱动机构驱动对准单元300移动至对准位，此时，对准单元300的部分或全部位于键合准备位置处的芯片700与位于键合位置处的基底晶圆800之间，有利于实现对准单元300对键合准备位置处的芯片700与键合位置处的基底晶圆800的相对位置的检测；在完成对准工作后，可控制对准驱动机构驱动对准单元300移动至避让位，此时，对准单元300偏于位于键合位置处的芯片700与位于键合位置处的基底晶圆800之间，从而，对准单元300不会影响芯片700与基底晶圆800的键合。

参见图7，在上述对准单元300的具体结构中可沿同一方向依次间隔设置相机310、聚焦透镜340、分束器320和反射镜330，可组成双成像系统；当对准单元300处于对准位时，分束器320位于键合准备位置处的芯片700与键合位置处的基底晶圆800之间，如此，来自键合准备位置处的芯片700的光线和来自键合位置处的基底晶圆800的光线便可分别通过分束镜320、反射镜330和聚焦透镜340在相机310上成像，能够实现在一个像平面上同时观测芯片700和基底晶圆800的位置，从而，相机310便能够获取到键合准备位置处的芯片700与键合位置处的基底晶圆800的相对位置，可实现芯片700与基底晶圆800的高精度对准。

参见图4和图6，还可设置固定架400，在固定架400上设置导向结构，将导向结构与对准单元300配合，以利用导向结构限制对准单元300的移动轨迹，使得对准单元300能够按照预设的移动轨迹移动，可提高对准单元300的移动稳定性。具体地，导向结构可包括固设于固定架400上的导轨，将对准单元300与导轨滑动配合，即可利用导轨限制对准单元300的移动轨迹。

在强键合单元200的具体结构中可设置强键合压头和激光加热模块，其中，强键合压头能够压紧预键合在同一基底晶圆800上的若干芯片700，激光加热模块能够朝向预键合在同一基底晶圆800上的若干芯片700发射激光，以利用激光对若干芯片700同时进行加热，从而，便可在高温高压下完成预键合的若干芯片700与同一基底晶圆800的强键合。需要说明的是，通过整形后的平顶激光在键合区域产生局部高温，可实现焊剂的融化，这种局部加热方式，能够减少热影响区域，有助于减小键合后芯片700的翘曲程度；激光加热还可以实现对能量的精确控制，避免了热回流中可能出现的能量传递不均匀的问题，提高了制程的可控性，可实现高精度、非接触性的键合过程，能够提高芯片700与基底晶圆800的连接质量；此外，还可利用激光的快速升降温特点提高键合效率。其中，强键合压头的面积可依据需同时压紧的若干芯片700覆盖的面积设置。

上述强键合压头可选用石英压头，石英对激光吸收率极低，不但可避免强键合压头出现温度过高的问题，而且还可提高激光的利用率。强键合压头可通过真空吸附的方式吸附芯片，能够实现对芯片700的拾取，且不会影响强键合压头对芯片700施加压力。

具体地，参见图1和图2，还可设置芯片供给单元500和基底晶圆供给单元600，其中，芯片供给单元500能够将待键合的芯片700转运至键合交接位置，上述预键合单元100能够拾取被芯片供给单元500转运至键合交接位置处的芯片700，芯片700被预键合单元100拾取后会移动至键合准备位置，等待下一步键合动作；基底晶圆供给单元600能够将待键合的基底晶圆800转运至键合位置，如此，便可在键合位置补充基底晶圆800。

参见图1-图3，在芯片供给单元500的具体结构中可设置基料传输模块510、拾取翻转模块520和芯片转运模块530，其中，基料传输模块510能够将附着有芯片700的晶圆环输送至翻转交接位置；之后，拾取翻转模块520便可从翻转交接位置拾取附着在晶圆环上的芯片700，并翻转拾取到的芯片700(芯片700的翻转角度可以是180°)，确保芯片700在键合到目标基底晶圆800上时焊点能够正确对准；之后，芯片转运模块530能够将完成翻转的芯片700转运至键合交接位置，以便于预键合单元100能够从键合交接位置拾取芯片700，可实现前一个芯片700的键合动作与后一个芯片700的倒装动作的同步进行，提高了整机产率。

上述拾取翻转模块520可使用吸盘或夹具等机械手段，从绷紧于晶圆环上的蓝膜上拾取芯片700，并在翻转过程保持对芯片700的固定；拾取翻转模块520采用吸附方式对芯片700进行拾取时，可使用排气器通过排气将芯片700释放。

参见图1-图3，上述芯片转运模块530具体可包括芯片交接机构531和芯片传输台532，上述拾取翻转模块520能够将完成翻转的芯片700置于转运交接位置，芯片交接结构531能够拾取处于转运交接位置处的芯片700，并能够将拾取的芯片700转移到芯片传输台532上，芯片传输台532能够将芯片700转运到键合交接位置，以便于预键合单元100能够从键合交接位置拾取芯片700。

上述基料传输模块510具体可包括机械手511和控制机构，将控制机构与机械手511通讯连接，以利用控制机构控制机械手511抓取附着有芯片700的晶圆环，并控制机械手511将晶圆环输送至上述翻转交接位置，以便于拾取翻转模块520能够从翻转交接位置顺利拾取附着在晶圆环上的芯片700。

具体地，还可设置台架，以将机械手511安装到台架上。

参见图9，本实施例还提供了一种键合方法，其包括：

S102，将键合准备位置处的芯片压合至键合位置处的基底晶圆上，并施加第一预设温度和第一预设压力，完成单个芯片与基底晶圆的预键合；重复此步骤若干次，以完成若干芯片与同一基底晶圆的预键合；

S104，对完成预键合的若干芯片与同一基底晶圆，同时施加第二预设温度和第二预设压力，完成若干芯片与同一基底晶圆的强键合；

其中，第一预设温度低于第二预设温度，第一预设压力低于第二预设压力。

本实施例提供的键合方法，采用预键合和强键合两步分离法，完成若干芯片700与同一基底晶圆800的键合工作，且在强键合步骤中，可对预键合至同一基底晶圆800上的若干芯片700同时施加高温高压，能够大大缩短键合环节的时间，提高生产效率。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种键合设备，其特征在于，包括：

预键合单元(100)，用于将键合准备位置处的芯片(700)压合至键合位置处的基底晶圆(800)上，并施加第一预设温度和第一预设压力，完成芯片(700)与基底晶圆(800)的预键合；

强键合单元(200)，用于对完成预键合的若干芯片(700)与同一基底晶圆(800)，同时施加第二预设温度和第二预设压力，完成若干芯片(700)与同一基底晶圆(800)的强键合；

其中，所述第一预设温度低于所述第二预设温度，所述第一预设压力低于所述第二预设压力。

2.根据权利要求1所述的键合设备，其特征在于，所述键合设备还包括对准单元(300)，所述对准单元(300)用于获取所述键合准备位置处的芯片(700)与所述键合位置处的基底晶圆(800)的相对位置，所述对准单元(300)与所述预键合单元(100)通讯连接，用于控制所述预键合单元(100)带动所述键合准备位置处的芯片(700)移动至与所述键合位置处的基底晶圆(800)对准的位置。

3.根据权利要求2所述的键合设备，其特征在于，所述键合设备还包括对准驱动机构，所述对准驱动机构与所述对准单元(300)连接，用于驱动所述对准单元(300)在对准位与避让位之间移动；

处于所述对准位的所述对准单元(300)的部分或全部位于所述键合准备位置处的芯片(700)与所述键合位置处的基底晶圆(800)之间，处于所述避让位的所述对准单元(300)偏离所述键合准备位置的芯片(700)与所述键合位置处的基底晶圆(800)之间的区域。

4.根据权利要求3所述的键合设备，其特征在于，所述对准单元(300)包括沿同一方向依次间隔排布的相机(310)、聚焦透镜(340)、分束器(320)和反射镜(330)，所述对准单元(300)处于所述对准位的状态下，所述分束器(320)位于所述键合准备位置处的芯片(700)与键合位置处的基底晶圆(800)之间，所述相机(310)能够获取所述键合准备位置处的芯片(700)与所述键合位置处的基底晶圆(800)的相对位置。

5.根据权利要求3所述的键合设备，其特征在于，所述键合设备包括固定架(400)，所述固定架(400)设有导向结构，所述导向结构与所述对准单元(300)配合，用于限制所述对准单元(300)的移动轨迹。

6.根据权利要求1所述的键合设备，其特征在于，所述强键合单元(200)包括强键合压头和激光加热模块，所述强键合压头用于压紧预键合于同一基底晶圆(800)的若干芯片(700)，所述激光加热模块用于朝向预键合于同一基底晶圆(800)的若干芯片(700)发射激光。

7.根据权利要求1-6任一项所述的键合设备，其特征在于，所述键合设备还包括芯片供给单元(500)和基底晶圆供给单元(600)；

所述芯片供给单元(500)用于将待键合的芯片(700)转运至键合交接位置，所述预键合单元(100)用于拾取所述键合交接位置处的芯片(700)至所述键合准备位置，所述基底晶圆供给单元(700)用于将待键合的基底晶圆(800)转运至所述键合位置。

8.根据权利要求7所述的键合设备，其特征在于，所述芯片供给单元(500)包括基料传输模块(510)、拾取翻转模块(520)和芯片转运模块(530)，所述基料传输模块(510)用于将附着有芯片(700)的晶圆环输送至翻转交接位置，所述拾取翻转模块(520)用于拾取所述翻转交接位置处的芯片(700)并翻转拾取的芯片(700)，所述芯片转运模块(530)用于将完成翻转的芯片(700)转运至所述键合交接位置。

9.根据权利要求8所述的键合设备，其特征在于，所述芯片转运模块(530)包括芯片交接机构(531)和芯片传输台(532)，所述拾取翻转模块(520)用于将完成翻转的芯片(700)置于转运交接位置，所述芯片交接机构(531)用于拾取所述转运交接位置处的芯片(700)并转移至所述芯片传输台(532)，所述芯片传输台(532)用于将芯片(700)转运至所述键合交接位置；

和/或，所述基料传输模块(510)包括机械手(511)和控制机构，所述控制机构与所述机械手(511)通讯连接，用于控制所述机械手(511)抓取附着有芯片(700)的晶圆环并将晶圆环输送至所述翻转交接位置。

10.一种键合方法，其特征在于，包括：

将键合准备位置处的芯片压合至键合位置处的基底晶圆上，并施加第一预设温度和第一预设压力，完成单个芯片与基底晶圆的预键合；重复此步骤若干次，以完成若干芯片与同一基底晶圆的预键合；

对完成预键合的若干芯片与同一基底晶圆，同时施加第二预设温度和第二预设压力，完成若干芯片与同一基底晶圆的强键合；

其中，所述第一预设温度低于所述第二预设温度，所述第一预设压力低于所述第二预设压力。