全自动粘片键合设备及粘片键合方法与流程

本发明涉及半导体封装行业，特别是功率模块封装前段粘片和键合工序(diebonder-wirebonder)的生产设备。

背景技术：

半导体封装芯片粘贴方式一般有共晶、焊接、导电胶、玻璃胶这4种方式，其中各有其特性优缺点，功率模块封装粘片更适合用焊接和导电胶这两种方式，并且更适合用焊接方式中的软焊料(铅锡银等合金焊料)以及导电胶粘片中的点锡膏方式，主要是这两种方式对应功率器件中芯片和框架粘片完成后的应力和热阻综合效果比较好。

半导体封装引线键合是当前最重要的电子封装技术之一，目前90％以上的芯片均采用这种技术封装。引线键合可分为热压键合，超声键合，热压超声键合三种，根据键合点形状又分为球星键合和楔形键合。功率器件以及模块封装一般采用引线键合。大功率igbt模块一般对igbt芯片和frd芯片采用超声引线键合比较可靠。由于需要承载大电流，故采用楔形劈刀将粗铝线键合到芯片表面及衬板表面，这种方法叫超声楔键合。功率器件封装工艺中最常用的是引线键合法和铜片搭桥方式，键合方式工艺简单，成本低，可靠性高。

目前国内还没有完全掌握大功率igbt模块和智能功率模块(ipm)以及技术，相应的模块封装工艺技术掌握不足，缺乏工艺技术数据积累，所以在封装设备相应的发展缓慢。但是智能功率模块ipm，功率电子模块pebb,集成功率电子模块ipem在家用电器(微波炉，空调，洗衣机等)和工业电器(伺服机，变频器等)应用越来越广泛，市场前景广阔。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明的目的在于提供一种，全自动粘片键合设备，采用工业电脑配运动控制卡，控制伺服电机和步进电机，通过相机识别定位，达到高精度控制的目的，是通过如下技术方案实现的。

全自动粘片键合设备，包括:

上料部：上料部位于设备的一侧，包括运送引线到拾取位的载料台，所述上料部用于拾取引线到上料推送台；

搬运部：与上料部连接，包括伺服电机驱动导轨丝杠的夹爪，用于运送引线到供锡整形区；

供锡整形部：包括用于平整锡层或锡膏层整形头；

识别定位部：包括采集照片数据的相机；

芯片xy平台部：包括x向伺服电机导轨丝杠和y向伺服电机导轨丝杠，根据相机识别定位数据用于将晶圆上芯片移动到拾取位置；

芯片拾取部：包括由x向伺服电机导轨丝杠和z向伺服电机导轨丝杠带动的拾取头，所述拾取头包括吸取到芯片从所述拾取放置到引线焊接位置的真空吸嘴；

键合搬送部：包括引线夹，用于搬送粘完芯片的引线到第一键合头位置；

键合相机定位部：读取焊接模板数据，用于超声焊接定位；

键合头：包括伺服电机带动键合头z向和r向运动的第一键合头和第二键合头，还包括用于将铝丝引线分别键合到引线脚和芯片焊盘的超声键合装置；

下料部：位于与所述上料部相对的设备另一侧，包括若干料盒，所述下料部用于将完成键合的引线自动搬送到料盒中，自动卸下装满后的料盒，并替换上一个空料盒；

其中，所述设备还包括连接上料部和下料部的轨道，显示所述相机中采集到照片数据的第一显示屏和键合相机定位部通信连接的第二显示屏，及操作识别定位部和键合相机定位部的第一操作台和第二操作台。

所述上料部是通过真空吸盘吸取或手指气缸夹取的方式拾取引线到上料推送台。

识别定位部的相机采集到照片数据，并上传到电脑通讯模块。

超声键合装置由超声发生器，压电换能器，变幅杆及键合工具组成。

所述芯片拾取部的拾取头包括吸取芯片的真空吸嘴、检测拾取状态的数字流量计。

基于本发明的粘片键合设备的粘片键合方法包括：

步骤一、圆晶在芯片xy平台部上自动扩片；

步骤二、供锡整形部给引信框架供软焊料或点锡膏中的一种，整形头根据芯片形状整形；

步骤三、通过相机定位xy平台芯片，拾取头拾取相机定位到的芯片到自动上料的引线框架焊料上；

步骤四、粘片系统和键合系统联机通信，粘片完成的引线框架运行到键合轨道区；

步骤五、第一键合头键合相机识别键合定位区域，第一键合头把铝线和铝带键合到芯片和引脚线；

步骤六、第一键合头完成后，移动到第二键合头的键合区域，相机识别键盘区域，第二键合头把铝线和铝带键合到芯片和引脚线。

本发明的有益效果是：能实现高精度控制粘片键合的目的，解决模块封装量产问题。

附图说明

图1是全自动粘片键合设备的结构示意图。

图2是本发明具体实施例中粘片键合的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，图1是本发明的全自动粘片键合设备的结构示意图，设备的结构包括：

位于设备的一侧上料部1，包括运送引线到拾取位的载料台，所述上料部用于拾取引线到搬运部2，搬运部2包括伺服电机驱动导轨丝杠的夹爪，用于运送引线到供锡整形区；供锡整形部3：包括整形头，根据芯片尺寸平整锡层或锡膏层。

识别定位部4：包括采集照片数据的相机，采集相片数据后上传；

芯片平台部：包括x向伺服电机导轨丝杠和y向伺服电机导轨丝杠(图中未显示)，根据相机识别定位数据用于将晶圆5上芯片移动到拾取位置；

芯片拾取部6：伺服电机凸轮带动顶针顶起定位好的芯片，x向伺服电机导轨丝杠和z向伺服电机导轨丝杠带动的拾取头，用真空吸嘴吸取到芯片放置到引线焊接位置；

键合搬送部：包括引线夹，用于搬送粘完芯片的引线到第一键合头头位置；

键合相机定位:由相机和数据采集卡采集图像，给焊接区定位，读取焊接模板数据；

键合头：包括伺服电机带动键合头z向和r向运动的第一键合头10和第二键合头11，还包括用于将铝丝引线分别键合到引线脚和芯片焊盘的超声键合装置12；

下料部13：包括料盒载台和料盒，所述下料部用于将完成键合的引线自动搬送到料盒中，料盒载台自动卸下装满后的料盒，并载上一个空料盒；

其中，所述设备还包括连接上料部和下料部的轨道14，显示所述相机中采集到照片数据的第一显示屏15和键合相机定位部通信连接的第二显示屏16，及操作识别定位部和键合相机定位部的第一操作台17和第二操作台18。

本发明的具体实施例中，是通过如下方案来实现的整套系统采用工业电脑配运动控制卡，控制伺服电机和步进电机，通过相机识别定位，达到高精度控制，结合其中一实施例，对每一个部件的说明如下。

上料部1：用步进电机带动丝杠导轨组成载料台运送引线到拾取位，用真空吸盘吸取或手指气缸夹取引线到上料推送台。步进电机带推动头推送引线进轨道加热，热机将氢氮气混合气保护引线加热到软焊料熔化温度，如采用点锡膏工艺不加热轨道直接运送到供锡整形(或点锡膏)部。

搬送部2：用伺服电机带动导轨丝杠，用夹爪运送引线到供锡整形区供锡整形(或点锡膏)部3，步进电机带动滚轮送锡丝到引线上，伺服电机丝杠导轨带动整形头整形(或者伺服电机丝杠导轨带动点胶头，点胶机点胶)，成型和芯片尺寸的平整锡层或锡膏层。

识别定位部4：相机拍照采集照片数据，和电脑通讯模板数据对比，定位芯片。

芯片xy平台部5(wfaer台)：x向伺服电机导轨丝杠和y向伺服电机导轨丝杠根据相机识别定位数据移动晶圆上芯片到拾取位置。

芯片拾取部6：伺服电机凸轮带动顶针顶起定位好的芯片，x向伺服电机导轨丝杠和z向伺服电机导轨丝杠带动拾取头，运动到定位到的芯片位置，用真空吸嘴吸取到芯片放置到引线焊接位置，拾取头采用真空吸嘴，用数字流量计检测拾取状态，拾取到芯片后用100g左右压力把芯片焊接到引线焊盘，芯片焊接完成后的引线通过搬送部继续往前搬送，到键合轨道区，联机启动键合搬送。

键合搬送部：步进电机丝杠导轨带动引线夹，搬送粘完芯片的引线送到第一键合头头位置。

键合相机定位部9：由相机和数据采集卡采集图像，给焊接区定位，读取焊接模板数据

第一键合头10：键合头由伺服电机带动键合头z向和r向运动，键合头上装超声键合系统，超声键合系统由超声发生器，压电换能器，变幅杆及键合工具(劈刀等)组成，其工作原理为压电陶瓷将超声电路产生的正弦功率信号转换成机械震动能，震动经传输放大并汇聚后作用在工作界面，在机械能和dier键合力的共同作用下，在常温下利用超声机械振动带动穿过劈刀的铝线与膜进行摩擦，是氧化膜破碎，纯净的金属表面互相接触，通过摩擦产生的热量，使金属之间相互扩散，从而将铝丝引线分别键合到引线脚和芯片焊盘。

第二键合头11：与第一键合头结构与原理相同，第一键合头完成键合后，由搬送夹搬送引线到第二键合为，完成第二键合。

下料部12：步进电机导轨丝杠带动料盒载台，完成键合的引线自动搬送到料盒中，料盒装满后自动卸下满料盒，上下一个空料盒，整体粘片键合完成。整个键合过程是通过电机带动的循环转动的轨道13上轨道依次连接上料部、搬运部、供锡整形部、超声焊接区域，下料部，通过操作台按照屏幕显示进行操作，并按前述功能结构依次完成整个过程。

基于上述功能的解释，本发明的粘片键合的方法是：

s1、圆晶在芯片xy平台部上自动扩片；

s2、供锡整形部给引信框架供软焊料或点锡膏中的一种，整形头根据芯片形状整形；

s3、通过相机定位xy平台芯片，拾取头拾取相机定位到的芯片到自动上料的引线框架焊料上；

s4、粘片系统和键合系统联机通信，粘片完成的引线框架运行到键合轨道区；

s5、第一键合头键合相机识别键合定位区域，第一键合头把铝线和铝带键合到芯片和引脚线；

s6、第一键合头完成后，移动到第二键合头的键合区域，相机识别键盘区域，第二键合头把铝线和铝带键合到芯片和引脚线。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。