倒装芯片键合装置及其键合方法与流程

本发明涉及芯片封装技术领域，特别涉及一种倒装芯片键合装置及其键合方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，电子产品日益朝着轻、薄以及小型化方向发展。由于倒装芯片键合技术具有缩小芯片封装面积以及缩短信号传输路径等诸多优点，因此已经广泛应用于芯片封装领域。

请参考图1，其为现有技术的倒装芯片键合装置进行芯片键合的示意图。如图1所示，现有的倒装芯片键合工艺主要包括以下步骤：首先，提供准备键合的芯片2和基底4，所述芯片2具有器件面3；接着，将所述芯片2以器件面3向上的方式放置在承载台1上；然后，利用第一机械手5抓取所述芯片2并进行翻转；之后，通过所述第一机械手5将所述芯片2交接给第二机械手6，在所述第二机械手6将所述芯片2移到基底4的上方后，通过ccd图像传感器7将所述芯片2的对位标记与所述基底4的对位标记进行对准；最后，通过所述第二机械手6将所述芯片2下压完成键合。

在上述倒装芯片键合工艺过程中，利用倒装芯片键合装置(flipchipbondingdevice)将芯片2倒置，并将所述芯片2直接键合到基底4上，使得所述芯片2与基底4形成互连结构。然而，由于现有的倒装芯片键合装置一次下压(约30秒)只能键合一颗芯片，整个工艺流程是串行完成的，因此产率非常低，难以满足量产需求。

基此，如何改善现有技术中倒装芯片键合装置的产率低，难以满足量产需求的问题已经成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种倒装芯片键合装置及其键合方法，以解决现有的倒装芯片键合装置的产率低，难以满足量产需求的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种倒装芯片键合装置，所述倒装芯片键合装置包括：第一机械手、片叉、键合台、第一基台、第二基台、对准系统、精调机械手、转接载板和控制系统；

所述第一基台用于承载芯片，所述第二基台用于承载所述转接载板，所述转接载板用于临时放置所述芯片；

所述键合台用于承载基底，所述基底用于与所述芯片最终键合；

所述片叉安装于所述第一机械手上，所述片叉用于吸附多个芯片；

对准系统，所述对准系统根据所述控制系统的指令对所述芯片、基底和转接载板进行位置测量，实现所述芯片与所述片叉、所述片叉与转接载板以及所述转接载板与基底的对准；

精调机械手，所述精调机械手设置在所述第一基台或第二基台上，用于与所述片叉配合以调整芯片的位置；

所述第一机械手、片叉、键合台、第一基台、对准系统和精调机械手、第二基台由所述控制系统统一控制，所述第一基台、第二基台和第一机械手均能实现多自由度运动。

优选的，在所述的倒装芯片键合装置中，所述对准系统包括：第一图像探测器、第二图像探测器和第三图像探测器；

所述第一图像探测器安装于所述第一机械手上，所述第二图像探测器和第三图像探测器均固定设置于所述键合台的下方。

优选的，在所述的倒装芯片键合装置中，还包括一顶针机构，所述顶针机构与所述第一基台连接，用于配合所述第一机械手拾取芯片。

优选的，在所述的倒装芯片键合装置中，所述顶针机构包括顶针头、吸附结构和y向运动机构，所述顶针头和吸附结构均固定在所述y向运动机构的上方。

优选的，在所述的倒装芯片键合装置中，所述精调机械手包括支撑机构、z向运动机构和用于吸附芯片的精密吸盘，所述z向运动机构固定在所述支撑机构的一侧，所述精密吸盘固定在所述z向运动机构的上方。

优选的，在所述的倒装芯片键合装置中，还包括：载片库、基片库、第二机械手和第三机械手；

所述载片库靠近所述第一基台，用于放置载片；所述基片库靠近所述第三基台，用于放置所述芯片与基底键合完毕的基片；所述第二机械手通过控制系统实现对所述载片的抓取与传输，所述第三机械手通过控制系统实现对所述基底的抓取与传输。

优选的，在所述的倒装芯片键合装置中，所述转接载板的外形尺寸小于或等于所述基底的外形尺寸。

本发明还提供了一种倒装芯片键合方法，所述倒装芯片键合方法包括：

提供一载片，所述载片上排布有一组芯片；

利用片叉逐个拾取所述载片上的芯片；

对所述片叉上的芯片位置进行调整；

将调整位置后的芯片一次性临时放置在转接载板上；

提供一基底；以及

将临时放置在所述转接载板上的芯片一次性键合到所述基底上。

优选的，在所述的倒装芯片键合方法中，利用片叉逐个拾取所述载片上的芯片以及对所述片叉上的芯片位置进行调整的过程包括：

通过第一基台将预键合的芯片移到第一机械手的正下方，并利用顶针机构顶起所述芯片；

将第一图像探测器和片叉移到所述芯片的拾取位置，并利用所述片叉拾取所述芯片；

通过所述第一图像探测器获取所述芯片的位置信息，并根据所述位置信息调整所述芯片在所述片叉上的位置；以及

重复上述过程，直至所述片叉上的芯片数量及排列方式符合工艺要求。

优选的，在所述的倒装芯片键合方法中，将调整位置后的芯片一次性临时放置在转接载板上的过程包括：

通过第一机械手将所述片叉移到第二基台的上方；

将所述片叉上的芯片一次性临时放置在转接载板上；以及

通过所述第一机械手将所述片叉移回到第一基台的上方。

优选的，在所述的倒装芯片键合方法中，将临时放置在所述转接载板上的芯片一次性键合到所述基底上的过程包括：

通过第二基台将所述转接载板移到键合台的下方；

分别测量基底和转接载板的位置；

根据测量结果调整所述键合台的姿态，使得所述基底与所述转接载板对准；

将所述转接载板上的芯片一次性键合到基底上；

将所述转接载板与芯片分离，并通过第二基台将所述转接载板移回原位；以及

重复上述步骤，直至所述基底上的芯片数量及布局满足工艺要求。

优选的，在所述的倒装芯片键合方法中，在利用片叉逐个拾取所述载片上的芯片之前，提供一载片之后，还包括：利用第二机械手从载片库抓取载片，并将所述载片放置到第一基台上。

优选的，在所述的倒装芯片键合方法中，在将临时放置在所述转接载板上的芯片一次性键合到所述基底上之后，还包括：通过第三机械手抓取基片，并将所述基片放置到基片库中。

在本发明提供的倒装芯片键合装置及其键合方法中，通过片叉逐个吸附芯片，并利用转接载板临时放置所述片叉上的芯片，而后将转接载板上的芯片一次性键合到基底上，实现了芯片的批量键合，有效地提高了倒装芯片键合工艺的效率。

附图说明

图1是现有技术的倒装芯片键合装置进行芯片键合的结构示意图；

图2是本发明实施例一的倒装芯片键合装置的结构示意图；

图3是本发明实施例一的顶针机构的结构示意图；

图4是本发明实施例一的精调机械手的结构示意图；

图5是本发明实施例一的倒装芯片键合方法的流程图；

图6是本发明实施例一的片叉吸附芯片后侧视图；

图7是本发明实施例一的片叉吸附芯片后的仰视图；

图8是本发明实施例一的倒装芯片键合装置进行临时放置时的结构示意图；

图9是本发明实施例一的倒装芯片键合装置进行最终键合时的结构示意图

图10是本发明实施例二的倒装芯片键合装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的倒装芯片键合装置及其键合方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，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。

【实施例一】

请参考图2，其为本发明实施例一的倒装芯片键合装置的结构示意图。如图2所示，所述倒装芯片键合装置1000包括：第一机械手206、片叉208、键合台209、第一基台110、第二基台200、对准系统、精调机械手213、转接载板214和控制系统500；所述第一基台110用于承载芯片203，所述第二基台200用于承载所述转接载板214，所述转接载板214用于临时放置所述芯片203；所述键合台209用于承载基底210，所述基底210用于与所述芯片203最终键合；所述片叉208安装于所述第一机械手206上，所述片叉208用于吸附多个芯片；所述对准系统根据所述控制系统500的指令对所述芯片203、基底210和转接载板214进行位置测量，实现所述芯片140与所述片叉208、所述片叉208与转接载板214以及所述转接载板214与基底210的对准；所述精调机械手213设置在所述第一基台110的上方，用于与所述片叉208配合以调整芯片203的位置；所述第一机械手206、片叉208、键合台209、第一基台110第二基台200、对准系统和精调机械手213由所述控制系统500统一控制，所述第一基台110、第二基台200和第一机械手206均能实现多自由度运动。

具体的，所述倒装芯片键合装置1000包括分离精调区域100和键合区域400，所述分离精调区域100用于芯片的分离和精调，所述键合区域400用于实现芯片与基底的键合。其中，所述第一机械手206和第一基台110设置于所述分离精调区域100，所述键合台209设置于所述键合区域400。所述第二基台200在所述分离精调区域100与所述键合区域400之间来回移动，所述转接载板214固定安装于所述第二基台200上，所述第二基台200能够带动所述转接载板214 同时进行多自由度运动。

其中，所述转接载板214通过吸附方式实现与所述芯片203的临时放置。具体吸附的方式在此不做限定，可以是真空吸附、静电吸附或其他方式，只要能够有效地吸附芯片203即可。

本实施例中，所述转接载片170的尺寸可根据实际芯片的尺寸需求进行调整。优选的，所述转接载板214的尺寸小于或等于所述基底210的尺寸，如此能够提高工艺适应性。

在芯片临时放置在转接载板上之前，芯片203与转接载板214需要进行对位。在芯片与基底最终键合之前，转接载板214与基底210需要进行对位。为了实现精确对位，每个芯片203的器件面上均设置有芯片标记150，所述基底210上设置有基底标记，所述转接载板214上设置有载板标记。

相应的，所述倒装芯片键合装置1000还包括对准系统，所述对准系统根据所述控制系统500的指令对所述芯片标记150、基底标记和载板标记进行位置测量，从而实现所述芯片203的对准。

请继续参考图2，所述对准系统包括第一图像探测器207、第二图像探测器211和第三图像探测器212，第一图像探测器207安装于所述第一机械手206上，所述第二图像探测器211和第三图像探测器212均固定设置于所述键合台209的下方。其中，所述第二图像探测器211和第三图像探测器212的相对位置已离线标定。

请继续参考图2，所述第一机械手206通过片叉208拾取多个芯片，所述第一机械手206携带芯片进行多自由度运动的同时能够带动所述第一图像探测器207和片叉208进行多自由度运动。其中，所述片叉208采用具有透光性的半导体材料。所述第一图像探测器207扫描单个芯片以及芯片标记时，透过所述片叉208获取芯片以及芯片标记的图像信息。

请继续参考图2，所述精调机械手213设置于所述第一基台110的上方且与所述转接载板214保持一定的距离，所述精调机械手213由所述控制系统500控制，能够实现多自由度运动。所述精调机械手213用于与所述片叉208配合，以调整芯片的位置。

请参考图3，其为本发明实施例一的精调机械手的结构示意图。如图3所示， 所述精调机械手213包括支撑机构221、z向运动机构222和用于吸附芯片的精密吸盘223，所述z向运动机构222固定于所述支撑机构221的一侧，所述精密吸盘223固定在所述z向运动机构222的上方。其中，所述z向运动机构222根据所述控制系统500的指令进行垂向运动。

请继续参考图2，所述倒装芯片键合装置1000还包括顶针机构(z-pin)120，所述顶针机构(z-pin)120与所述第一基台110固定连接，用于配合所述第一机械手206拾取所述芯片203。

请参考图4，其为本发明实施例一的顶针机构的结构示意图。如图4所示，所述顶针机构120包括：顶针头111、吸附结构112和y向运动机构113，所述顶针头111、吸附结构112固定在所述y向运动机构113的上方，所述吸附结构112用于吸附载片，所述顶针头111用于顶起预键合的芯片，所述y向运动机构113根据所述控制系统500的指令进行y向运动。由于所述顶针头111和吸附结构112与所述y向运动机构113固定连接，因此能够随着所述y向运动机构113同步y向运动。本实施例中，所述吸附结构112采用真空吸附方式吸附载片。

请继续参考图2，所述倒装芯片键合装置1000还包括载片库000、基片库030、第二机械手010和第三机械手040，所述载片库000用于放置载片202，所述基片库030用于放置所述芯片203与基底210键合完毕的基片，所述第二机械手010通过控制系统500实现对所述载片202的抓取与传输，所述第三机械手040通过控制系统500实现对所述基底210的抓取与传输。

本实施例中，所述第一机械手206、片叉208、键合台209、第一基台110、第二基台200、顶针机构120、精调机械手213、第二机械手010和第三机械手040均由所述控制系统500统一控制。

本实施例中，所述倒装芯片键合装置1000通过片叉208吸附多个芯片203，并利用将转接载板214临时放置所述多个芯片203，进而将临时放置在转接载板214上的多个芯片203一次性键合到基底210上，实现了芯片的批量键合，有效地提高了倒装芯片键合工艺的效率。

相应的，本实施例还提供了一种倒装芯片键合方法。请继续参考图2，所述倒装芯片键合方法包括以下步骤：

步骤s10：提供一载片202，所述载片202上排布有一组芯片203；

步骤s11：利用片叉208逐个拾取所述载片202上的芯片203；

步骤s12：对所述片叉208上的芯片位置进行调整；

步骤s13：将调整位置后的芯片203一次性临时放置在转接载板214上；

步骤s14：提供一基底210；

步骤s15：将临时放置在所述转接载板214上的芯片203一次性键合到所述基底210上。

具体的，首先，提供一载片202，并将所述载片202放置在上述倒装芯片键合装置20的载片库000中，所述载片202上排布有一组芯片203。

接着，利用第二机械手010从载片库000抓取载片202，并将所述载片202放置到第一基台110上。此时，预键合的芯片203以器件面朝上的方式放置到第一基台110上。

然后，利用片叉208逐个拾取所述载片202上的芯片203。逐个拾取所述载片202上的芯片203以及对所述片叉208上的芯片位置进行调整的具体过程包括：

步骤s111：通过所述第一基台110将预键合的芯片203移到所述第一机械手206的正下方，并利用所述顶针机构120顶起芯片203；

步骤s112：所述第一机械手206携带所述第一图像探测器207和片叉208移到所述芯片203的拾取位置，并利用所述片叉208拾取芯片203；

步骤s113：通过所述第一图像探测器207获取所述芯片203的位置信息，并根据所述第一图像探测器207获得的位置信息调整所述芯片203在片叉208的位置；

步骤s114：重复上述过程，直至所述片叉208上的芯片数量及排列方式符合工艺要求。

具体的，在步骤s111中，所述顶针机构120的吸附结构112吸附载片202，同时所述顶针机构120的顶针头111将芯片203顶起，等待第一机械手206抓取所述芯片203。

在步骤s112中，所述第一机械手206携带所述第一图像探测器207和片叉208移到所述芯片203的正上方，并通过第一图像探测器207对所述芯片203进行扫描，即所述第一图像探测器207透过所述片叉208读取所述芯片203的芯 片的图像信息。

如果扫描结果显示所述芯片203残缺或该处无芯片，则所述第一机械手206移到下一个芯片的位置，所述顶针机构120也随之移到下一个芯片的位置。如果扫描结果显示所述芯片203满足拾取条件，则所述第一机械手206带动所述第一图像探测器207向下对准所述芯片203的芯片标记150(此时，所述芯片203的芯片标记150朝向所述片叉208)，之后所述第一机械手206在水平向保持不动垂向运动到拾取位置，在所述拾取位置通过所述片叉208吸附芯片203，使得所述芯片203从载片202中分离出来，随后所述第一机械手206向上运动到初始位置。

在步骤s113中，所述第一图像探测器207获取所述芯片203的位置信息之后，如果需要调整所述芯片203的位置，则所述第一机械手206带着芯片203移到所述精调机械手213的上方进行第一次交接(所述芯片203由所述第一机械手206的片叉208移交到所述精调机械手213的精密吸盘223上)，所述精调机械手213带着芯片203下降到下一个交接位置。与此同时，根据所述第一图像探测器207获得的位置信息调整所述片叉208在所述第一机械手206上的位置。调整之后，所述精调机械手213与所述第一机械手206进行第二次交接(所述芯片203由所述精调机械手213的精密吸盘223移交到所述第一机械手206的片叉208上)，从而完成芯片位置的精确调整。

重复上述芯片拾取和位置调整过程，直至所述片叉208上的芯片数量及排列方式符合工艺要求。请结合参考图6和图7，其为本发明实施例一的片叉吸附芯片后的结构示意图。如图6和图7所示，所述片叉208吸附芯片203后，所述芯片203按照工艺要求排列于所述片叉208上，所述芯片203的器件面朝向所述片叉208，即所述芯片203上的芯片标记150靠近所述片叉208。

之后，将调整位置后的芯片203一次性临时放置在转接载板214上。将拾取的芯片203一次性临时放置在转接载板214上的具体过程包括：

步骤s121：通过所述第一机械手206将所述片叉208移到所述第二基台200的上方；

步骤s122：将所述片叉208上的芯片203全部临时放置在所述转接载板214上；

步骤s123：通过所述第一机械手206将所述片叉208移回到第一基台110的上方。

具体的，在步骤s122中，所述转接载板214通过吸附方式实现芯片的临时放置，所述片叉208上的芯片203全部转移到所述转接载板214上。

如图8所示，所述芯片203临时放置在所述转接载板214上之后，所述芯片203的器件面背向所述转接载板214，即所述芯片203的芯片标记150朝上。

其中，所述转接载板214上临时放置的芯片203的尺寸、数量以及位置可根据实际工艺要求进行调整。

之后，提供一基底210，并将所述基底210固定在倒装芯片键合装置20的键合台209上。本实施例中，所述基底210的材料可以采用金属材料、半导体材料或有机材料。

最后，将临时放置在转接载板214上的芯片203一次性键合到基底210上。将临时放置在转接载板214上的芯片203一次性键合到基底210上的具体过程包括：

步骤s151：通过第二基台200将转接载板214移到键合台209的下方；

步骤s152：分别测量基底210和转接载板214的位置；

步骤s153：根据测量结果调整所述键合台209的姿态，使得所述键合台209上的基底210与所述转接载板214对准；

步骤s154：将转接载板214上的芯片203一次性键合到基底210上；

步骤s155：将所述转接载板214与芯片203分离，并通过第二基台200将所述转接载板214移回原位；

步骤s156：重复上述步骤，直至所述基底210上的芯片数量及布局满足工艺要求。

具体的，在步骤s151中，通过第二基台200将转接载板214移到键合区域400，并位于键合台209的下方。如图9所示，所述转接载板214与基底210位置相对，所述转接载板214上的芯片203面向所述基底210，所述芯片203的芯片标记150位于所述芯片203与基底210之间。

在步骤s152中，通过第二图像探测器211和第三图像探测器212分别探测载板标记和基底标记，由于所述第二图像探测器211和第三图像探测器212的 相对位置已离线标定，因此根据所述第二图像探测器211和第三图像探测器212的探测结果能够获得基底210与转接载板214的位置关系。

在步骤s153中，控制系统500根据所述图像探测器的测量结果调整键合台209的姿态，使得所述基底210与转接载板214对准。

在步骤s154中，通过第二基台200将转接载板214上的芯片203一次性键合到基底210上。随后，所述转接载板214与芯片203分离，并通过第二基台200将转接载板214移回分离精调区域300。而所述第一机械手206再次开始逐个拾取载片202上的芯片203，所述基底210上的芯片数量及布局满足工艺要求，或者载片202上的芯片203全部键合至基底210上，。

至此，形成基片。所述基片包括基底210以及键合在所述基底210上的多个芯片203，所述多个芯片203与所述基底430形成互连结构。

最后，通过第三机械手040抓取基片并放置到基片库030中。

本实施例提供的倒装芯片键合方法中，包括临时放置和最终键合，临时放置时所述芯片203的器件面(朝上)背向转接载板214，最终键合时所述芯片203的器件面(朝上)面向所述基底430。由此可见，所述芯片203在临时放置过程和最终键合过程中，器件面(正面)均朝上，在所述倒装芯片键合过程中不需要翻转芯片。

【实施例二】

请参考图7，其为本发明实施例二的倒装芯片键合装置的结构示意图。如图7所示，所述倒装芯片键合装置2000包括：所述倒装芯片键合装置1000包括：第一机械手206、片叉208、键合台209、第一基台110、第二基台200、对准系统、精调机械手213、转接载板214和控制系统500；所述第一基台110用于承载芯片203，所述第二基台200用于承载所述转接载板214，所述转接载板214用于临时放置所述芯片203；所述键合台209用于承载基底210，所述基底210用于与所述芯片203最终键合；所述片叉208安装于所述第一机械手206上，所述片叉208用于吸附芯片；所述对准系统根据所述控制系统500的指令对所述芯片203、基底210和转接载板214进行位置测量，实现所述芯片140与所述片叉208、所述片叉208与转接载板214以及所述转接载板214与基底210的对准；所述精调机械手213设置在所述第二基台200上，用于与所述片叉208配 合以调整芯片203的位置；所述第一机械手206、片叉208、键合台209、第一基台110第二基台200、对准系统和精调机械手213由所述控制系统500统一控制，所述第一基台110、第二基台200和第一机械手206均能实现多自由度运动。

具体的，所述第一图像探测器207和片叉208安装于所述第一机械手206上，所述第一机械手206能够带动所述第一图像探测器207和片叉208进行多自由度运动。所述转接载板214固定安装于所述第二基台200上，所述第二基台200能够带动所述转接载板214同时进行多自由度运动。

本实施例中，精调机械手213设置于所述第二基台200的上方，且与所述转接载板214保持一定距离，所述精调机械手213具有吸附功能，能够吸附芯片。

本实施例与实施例一的区别在于，精调机械手213设置于所述第二基台200的上方，而实施例一的精调机械手213设置于所述第一基台110的上方。

具体的，在所述第一机械手206带着芯片203移到精调机械手213的上方时，所述精调机械手213顶起并吸附住所述芯片203。之后，由所述精调机械手213带着芯片203下降到下一个交接位置。在所述片叉208根据位置信息调整好其在所述第一机械手206上的位置之后，所述精调机械手213顶起并将所述芯片203移交到所述第一机械手206的片叉208上。

综上，在本发明实施例提供的倒装芯片键合装置及其键合方法中，通过片叉逐个吸附芯片，并利用转接载板临时放置所述片叉上的芯片，而后将转接载板上的芯片一次性键合到基底上，实现了芯片的批量键合，有效地提高了倒装芯片键合工艺的效率。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。