芯片键合装置及方法与流程

本发明涉及芯片封装技术领域，特别涉及一种芯片键合装置及方法。

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。由于倒装芯片接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接合装置进行芯片接合的示意图。如图1所示，现有的倒装芯片接合工艺主要包括以下步骤：首先，提供准备接合的芯片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移动到基底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下压完成接合。

在上述倒装芯片接合工艺过程中，利用倒装芯片接合装置(flipchipbondingdevice)将芯片2倒置，并将所述芯片2直接接合到基底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接合装置一次下压(约30秒)只能接合一颗芯片，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接合装置的产率低，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：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种芯片键合装置，包括：第一运动台、第二运动台、芯片拾取装置，转接载板、芯片调整系统、键合台和 控制系统；

所述第一运动台用于承载并运送芯片组至所述芯片拾取装置；

所述转接载板用于临时接合所述芯片拾取装置从所述第一运动台上拾取的芯片；

所述芯片调整系统用于调整所述芯片在所述转接载板上的位置；

所述键合台用于承载基底，并使所述基底与所述转接载板上的所述芯片最终键合；

所述第二运动台用于带动所述转接载板至所述芯片拾取装置，并将临时接合芯片后的转接载板运送至所述芯片调整系统，并将调整芯片位置后的转接载板运送至所述基底位置；

所述第一运动台、第二运动台、芯片调整系统和键合台由所述控制系统统一控制，均能够实现多自由度运动。

可选的，所述的芯片键合装置还包括校准系统，所述芯片上设置有芯片标记，所述基底上设置有基底标记，所述校准系统用于探测所述芯片标记和所述基底标记，以指导所述控制系统调整所述键合台的位置并实现所述芯片标记和所述基底标记的对准键合。

可选的，所述芯片拾取装置为翻转手，所述翻转手从所述第一运动台上拾取芯片后进行翻转，以将所述芯片翻转后临时接合于所述转载板上。

可选的，所述翻转手包括第一运动机构、用于带动所述第一运动机构进行翻转的电机、连接所述电机和所述第一运动机构的连接件，以及连接于所述第一运动机构上，用于吸附目标芯片的第一吸盘。

可选的，所述键合台位于所述基底下方，所述键合台带动所述基底由下往上键合所述转接载板上的所述芯片。

可选的，所述芯片调整系统包括对准系统和精调系统，分别用于测量和调整所述芯片在所述转接载板上的位置。

可选的，所述精调系统包括第二运动机构、连接所述第二运动机构，用于吸附目标芯片的第二吸盘，以及用于支撑所述第二运动机构的支撑机构；

所述芯片调整系统调整芯片在所述转接载板上位置的方法包括：所述第二吸盘吸附位于所述转接载板上方的目标芯片，待所述第二运动台根据所述对准系统测量所得的目标芯片位置将转接载板移动到目标芯片临时接合位置后，所 述第二吸盘将所述目标芯片再次接合到所述转接载板上。

可选的，所述第二吸盘将所述目标芯片再次接合到所述转接载板上后，所述第二运动台将所述转载板送到所述对准系统的对准测量区域内进行位置验证，若所述对准系统验证的目标芯片位置未达到目标芯片预订位置，则重复调整芯片在所述转接载板上的位置，直至目标芯片接合位置达到预定位置。

可选的，所述对准系统包括宽带光源、照明镜组、分束棱镜、成像前组、成像后组和图像传感器；

所述宽带光源提供的测量光依次通过照明镜组、分束棱镜、成像前组照射到目标芯片的标记，测量光经所述目标芯片的标记反射后，再依次经过成像前组、分束棱镜以及成像后组，将所述标记成像到图像传感器上，图像传感器输出的图像经过图像处理之后，即测量得到所述芯片在所述转接载板上的位置。

可选的，所述的芯片键合装置还包括顶针机构，所述顶针机构与所述第一运动台固定连接，用于顶起芯片，以便于所述芯片拾取装置从所述第一运动台上拾取芯片。

可选的，顶针机构包括针头、吸附结构和固定于所述吸附结构下方的水平运动机构；所述吸附结构用于吸附芯片，所述针头用于将目标芯片顶起，所述水平运动机构用于实现水平方向的运动，以将所述针头移动到目标芯片位置。

可选的，所述的芯片键合装置还包括载片库和第一机械手，所述载片库靠近所述第一运动台，用于放置承载所述芯片组的载片，所述第一机械手通过所述控制系统将所述载片抓取并运送至所述第一运动台。

可选的，所述的芯片键合装置还包括基片库和第二机械手，所述基片库靠近所述键合台，用于放置与所述芯片接合完毕形成的基片，所述第二机械手通过控制系统将所述基片抓取并运送至所述基片库。

本发明还提供一种芯片键合方法，包括：

第一运动台运送芯片组至芯片拾取装置，第二运动台带动转接载板至所述芯片拾取装置；

芯片拾取装置从所述第一运动台上拾取芯片，并使得所述芯片与所述转接载板临时结合；

第二运动台将临时接合芯片后的转接载板运送至芯片调整系统；

芯片调整系统调整所述芯片在所述转接载板上的位置；

第二运动台将调整芯片位置后的转接载板运送至基底位置；以及

承载所述基底的键合台使所述基底与所述转接载板上的所述芯片最终键合。

可选的，在所述第一运动台运送芯片组至芯片拾取装置前，还包括：第一机械手将承载所述芯片组的载片通过所述控制系统从载片库抓取并运送至所述第一运动台。

可选的，所述的芯片键合方法还包括：重复前述步骤，直至载片上的芯片全部键合至所述基底上。

可选的，所述基底与所述载板上的所述芯片最终键合后，还包括第二机械手通过所述控制系统将与所述芯片键合完毕形成的基片抓取并运送至基片库。

在本发明的芯片键合装置及其方法中，通过采用转接载板临时接合芯片，而后通过芯片调整系统精确调整芯片在所述转接载板上的位置，并将转接载板上的芯片一次性键合到基底上，实现了芯片的批量接合，有效地提高了倒装芯片接合工艺的效率。本发明采用芯片批量拾取和批量键合方式，平衡了芯片拾取、芯片位置精调和芯片键合的时间；使键合设备在保证键合精度的同时，提高了产率。

附图说明

图1为现有技术的倒装芯片接合装置进行芯片接合的结构示意图；

图2-图4为本发明一实施例所述芯片键合方法中不同阶段的结构示意图；

图5为本发明一实施例所述芯片键合装置中翻转手的结构示意图；

图6为本发明一实施例所述芯片键合装置中顶针机构的结构示意图；

图7为本发明一实施例所述芯片键合装置中精调系统的结构示意图；

图8为本发明一实施例所述芯片键合装置中对准系统的结构示意图；

图9为本发明一实施例所述芯片键合方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例 的目的。

本发明提供的芯片键合装置如图2所示，包括：第一运动台110、第二运动台200、芯片拾取装置160，转接载板170、芯片调整系统1000、键合台420和控制系统500；

所述第一运动台110用于承载并运送芯片组(芯片140a-140n)至所述芯片拾取装置160；

所述转接载板170用于临时接合所述芯片拾取装置160从所述第一运动台110上拾取的芯片；

所述芯片调整系统1000用于调整所述芯片在所述转接载板170上的位置；

所述键合台420用于承载基底430，并使所述基底430与所述转接载板170上的所述芯片最终键合；

所述第二运动台200用于带动所述转接载板170至所述芯片拾取装置160，并将临时接合芯片后的转接载板170运送至所述芯片调整系统1000，并将调整芯片位置后的转接载板170运送至所述基底430的位置；

所述第一运动台110、第二运动台200、芯片调整系统1000和键合台420由所述控制系统500统一控制，均能够实现多自由度运动。

请继续参见图2，在本实施例中，芯片键合装置结构还包括载片库000和第一机械手010，所述载片库000靠近所述第一运动台110，用于放置承载所述芯片组的载片130，所述第一机械手010通过所述控制系统500将载片130抓取并运送至所述第一运动台110。芯片键合装置还包括基片库030和第二机械手040，所述基片库030靠近所述键合台420，用于放置与所述芯片接合完毕形成的基片，所述第二机械手040通过控制系统500将所述基底430抓取并运送至所述基片库030。本实施例的一组目标芯片为140a….140n、包括分别位于目标芯片上方的标记150a….150n。本实施例的所述键合台420位于所述基底430下方，所述键合台420带动所述基底430由下往上键合所述转接载板170上的所述芯片。

本实施例中，芯片拾取装置为翻转手160，所述翻转手160从所述第一运动台110上拾取芯片后进行翻转，以将所述芯片翻转后临时接合于所述转接载板170上。

具体而言，所述翻转手160的结构如图5所示，包括第一运动机构163、用于带动所述第一运动机构163进行翻转的电机160、连接所述电机161和所述第 一运动机构163的连接件162，以及连接于所述第一运动机构163上，用于吸附目标芯片的第一吸盘164。

本实施例中，第一运动机构163实现z向运动的。其中吸盘164安装到运动机构163下方。通过控制系统500将第一运动机构163向下运动到目标芯片正上方指定位置处，顶针机构120将目标芯片顶起，吸盘164拾取目标芯片，第一运动机构163向上运动到指定翻转位置，电机161将第一运动机构163和橡胶吸盘164进行180度翻转，此时目标芯片上方的标记位于目标芯片下方。优选方案中，吸盘164可以是橡胶吸盘、陶瓷吸盘等任何可以吸附目标芯片的吸盘。

本实施例的芯片键合装置还包括顶针机构120，所述顶针机构120与所述第一运动台110固定连接，用于顶起芯片，以便于所述芯片拾取装置160从所述第一运动台110上拾取芯片。

如图6所示，本发明所述的顶针机构120包括针头111、吸附结构112和固定于所述吸附结构下方的水平运动机构113。所述吸附结构112用于吸附芯片，所述针头111用于将目标芯片顶起，所述水平运动机构113用于实现水平方向的运动，以将所述针头111移动到目标芯片位置。在本实施例中，针头111和吸附结构112固定至水平运动机构113上方，与水平运动机构113实现同步y向运动。吸附结构112通过真空吸附方式将载片吸附，针头111将目标芯片顶起，等待翻转手160抓取芯片。水平运动机构113用于实现y向的运动，将针头111运动到下一目标芯片位置。

如图2所示，本发明的芯片调整系统1000包括对准系统210和精调系统220，分别用于测量和调整所述芯片在所述转接载板170上的位置。

具体如图7所示，所述精调系统220包括第二运动机构222、连接所述第二运动机构222、用于吸附目标芯片的第二吸盘223，以及用于支撑所述第二运动机构222的支撑机构221；芯片调整系统1000调整芯片在所述转接载板170上位置的方法包括：所述第二吸盘223吸附位于所述转接载板170上方的目标芯片，待所述第二运动台200根据所述对准系统210测量所得的目标芯片位置将转接载板170移动到目标芯片临时接合位置后，所述第二吸盘223将所述目标芯片再次接合到所述转接载板170上。在此之后，第二运动台200将所述转接载板170送到所述对准系统210的对准测量区域内进行位置验证，若所述对 准系统210验证的目标芯片位置未达到目标芯片预订位置，则重复调整芯片在所述转接载板170上的位置，直至目标芯片接合位置达到预定位置。

如图8所示，所述对准系统210包括宽带光源211、照明镜组212、分束棱镜213、成像前组214、成像后组215和图像传感器216；

所述宽带光源211提供的测量光依次通过照明镜组212、分束棱镜213、成像前组214照射到目标芯片170的标记150a，测量光经所述目标芯片170的标记150a反射后，再依次经过成像前组214、分束棱镜213以及成像后组215，将所述标记150a成像到图像传感器216上，图像传感器216输出的图像经过图像处理之后，即测量得到所述芯片170在所述转接载板170上的位置。即获得标记150a的对准位置。本发明所述的对准系统210采用的是典型的基于机器视觉的对准测量技术。

如图2所示，在本实施例中，芯片键合装置还包括校准系统，所述芯片上设置有芯片标记，所述基底430上设置有基底标记，所述校准系统用于探测所述芯片标记和所述基底标记，以指导所述控制系统500调整所述键合台420的位置并实现所述芯片标记和所述基底标记的对准键合。具体的，校准系统包括用于测量转接载板170位置的第一校准系统410，用于测量基底430位置的第二校准系统411。本发明所述的校准系统410和411也可采用图8所示对准系统的结构，对于该结构本发明不作限制。

优选的，本设备采用小于基底430尺寸的转接载片170进行临时接合工艺，以提高工艺适应性，转接载片170尺寸可根据实际芯片尺寸需求调整。本芯片键合装置根据功能又可分为分离区100、对准精调区域300和键合区域400。分离区100用于目标芯片的分批分离，包括运动台110、顶针机构120、翻转手160所在区域；对准精调区域300用于对目标芯片的对准测量及位置精调，包括对准系统210和精调机构220所在区域；键合区域400用于实现目标芯片与基底430的键合，包括校准系统410、411和键合台420所在区域。

本实施例所述的对准系统210位于转接载板170下方，校准系统410位于转接载板170下方，校准系统411位于基底430上方。对准系统210和校准系统410测量上方区域的标记位置，校准系统411测量下方区域的标记位置。本发明所述的基底430上方包含用于对准测量的标记。

本发明的控制系统500统一控制所述第一运动台110、第二运动台200、芯 片调整系统(翻转手)160和键合台420，使得上述部件均能够实现多自由度运动。对准测量的标记150n位于目标芯片140n上方。第二机械手040通过控制系统500实现对载片430的抓取与传输。用于承载目标芯片的第一运动台110通过控制系统500实现x、y向运动，翻转手160通过控制系统500实现z向运动。第二运动台200通过控制系统500实现x向运动。对准系统210通过控制系统500实现位置测量。校准系统410通过控制系统500实现转接载板170的位置测量，键合台420通过控制系统500实现x、y、z、rz向的运动，第二机械手040通过控制系统实现对基底的抓取与传输。优选方案中，基底430可以是金属材料、半导体材料或有机材料。

本发明还提供一种芯片键合方法，如图9所示，包括：

第一运动台运送芯片组至芯片拾取装置，第二运动台带动转接载板至所述芯片拾取装置；

芯片拾取装置从所述第一运动台上拾取芯片，并使得所述芯片与所述转接载板临时结合；

第二运动台将临时接合芯片后的转接载板运送至芯片调整系统；

芯片调整系统调整所述芯片在所述转接载板上的位置；

第二运动台将调整芯片位置后的转接载板运送至基底位置；以及

承载所述基底的键合台使所述基底与所述转接载板上的所述芯片最终键合。

下面以一具体实施例详细说明本发明所述的芯片键合方法。

如图2所示，第一机械手010通过控制系统500从载片库000抓取载片130，然后将载片130放置到第一运动台100上，通过第一运动台110将目标芯片140n运动到翻转手160正下方，顶针机构120顶出目标芯片140n，翻转手160拾取目标芯片140n，然后将目标芯片140n进行180度翻转，随后翻转手160带着目标芯片140n朝z向运动至转接载板170的临时接合位置，然后目标芯片140n通过吸附方式接合合到转接载板170上。所述吸附方式可以是真空吸附、静电吸附等任何有效的可以吸附目标芯片的吸附方式。此时，标记150n位于目标芯片140n下方。

如图3所示，待整片转接载板170的目标芯片临时接合完毕，第二运动台200将转接载板170运动到对准系统210的对准测量区域内，对准系统210测量 位于转接载板170的目标芯片位置，运动台200将转接载板170运动到精调机构220上方，通过控制系统500、精调机构220与第二运动台200匹配运动实现对目标芯片的调整。

如图4所示，待转接载板170上的目标芯片位置调整完毕，第二运动台200将转接载板170运动到基底430正上方，通过校准系统410和411的测量数据，键合台420进行多自由度运动使得转接载板170与基底430对准，然后转接载板170通过可剥离的有机胶键合至基底430上，此时标记150n位于目标芯片140n和基底中间。

之后，第二运动台200将转接载板170运回到分离区100，重复上述步骤，直至载片130上所有目标芯片都键合至基底430上。接着第二机械手040抓取基底430并放置到基片库030中。

可根据工艺要求提供的目标芯片尺寸、间隔距离、目标芯片数量和转接载片边距对目标芯片在转接载片上的布局进行规划。本发明也可以包括多个相同的对准系统210同步对转接载板上的多个目标芯片进行位置测量，也可以配备多个精调机构220进行位置精调，可根据产率要求、成本要求综合进行优化和配置。

综上，在本发明的芯片键合装置及其方法中，通过采用转接载板临时接合芯片，而后通过芯片调整系统精确调整芯片在所述转接载板上的位置，并将转接载板上的芯片一次性键合到基底上，实现了芯片的批量接合，有效地提高了倒装芯片接合工艺的效率。本发明采用芯片批量拾取和批量键合方式，平衡了芯片拾取、芯片位置精调和芯片键合的时间；使键合设备在保证键合精度的同时，提高了产率。

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。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。