[发明专利]热超声倒装芯片键合机

说明书

技术领域

本发明涉及微电子、光电子制造领域，特别涉及微电子倒装芯片、光电子LED晶片和基板的热超声倒装键合装备，是一种具有芯片自动拾取、芯片与基板自动对准功能的全自动倒装芯片键合设备。

背景技术

倒装芯片键合是一种通过在芯片和基板上制备焊盘、将芯片的有源区面对基板实现键合的芯片互连技术。与引线键合相比，倒装芯片键合具有I/O数密度高、互连线电阻/电感小、信号间窜扰小、信号传输延时短、电性能好等优点，被电子封装业认为是芯片封装的最终技术。

当前的倒装键合工艺包括热超声键合、再回流焊(C4)、热压键合、环氧树脂导电胶键合等方式。再回流焊可靠性比较高，凸点数量多，但它采用的是Sn/Pb焊料，对环境及人体的保护极为不利。环氧树脂导电胶连接工艺简单，且在低温下键合，但存在可靠性不好、寄生电阻太大等不足。热压连接工艺没有污染问题，效率高，也存在可靠性不高、键合条件要求苛刻等缺点。热超声键合是当前倒装芯片封装领域中极其具有发展潜力的一种新型工艺，它利用超声能量、压力、以及热量的相互作用，实现芯片I/O端口之间的直接互连。热超声连接工艺的主要特性是工艺简单，连接效率高，可靠性好，并且是一种无铅的绿色焊接。

目前，已有的倒装芯片键合机虽然集成了再回流焊(C4)、热压键合、环氧树脂导电胶键合、热超声键合等工艺，可实现芯片与基板的互连，但其键合过程需要人工干预，只适应于实验室单件、小批量芯片封装。

发明内容：

为了实现微电子集成芯片、光电子高功率LED晶片和基板之间的互连，发展高密度高性能互连技术，本发明采用热超声倒装键合工艺，提供一种微电子封装自动化生产用倒装芯片键合机。

热超声倒装芯片键合机，主要包括承载倒装芯片的运动平台、对倒装芯片与基板实施精确定位的视觉系统、对倒装芯片进行键合的超声换能系统、在键合过程中完成芯片的自动拾取的真空吸附系统及加热键合工作台、使工作台保持恒定的温度的温控系统，具体结构组成为：

1.运动平台

运动平台包括一个X方向电移台、一个Y方向电移台、一个Z方向电移台、一个置于Z方向电移台上的Z轴微动台和二个置于Y方向电移台上的、分别用于放置芯片和基板的Z轴旋转台。

2.视觉系统

视觉系统通过芯片和基板上的标识对芯片进行自动对准，主要包括固定在机架上、用于采集基板信息的上镜头、固定在Y方向电移台上、用于采集倒装芯片信息的下镜头、置于Y方向电移台且与Y方向电移台成45°角的平面镜、采集信息处理模块、照明系统。

3.超声换能系统

超声换能系统包括超声发生器，将超声能量转换成超声振动能的换能器，与换能器配套的带真空吸嘴的键合头。

所述超声发生器为：通道数：2路超声信号输出，超声功率：输入功率：1～80W，频率：62～65kHz标准操作频率，具有频率跟踪功能，时间：5～100毫秒，0.1～1秒。换能器谐振频率：64kHz，承受压力：98N。

本发明与现有方法相比，具有以下特点：

1)超声键合技术明显降低键合温度，键合温度为150～200℃(热压、回流的温度为300～400℃)；可减小键合过程温度对芯片的影响，提高焊接可靠性。

2)超声能使金属软化的效果是热软化的100倍，降低了焊接的功率，提高了焊接效率，节约了能源。

3)热超声倒装键合无需添加助焊剂，无铅焊接，绿色环保。

4)热超声倒装键合效率高，键合时间少于300毫秒，适应于自动化生产。

热超声倒装键合机具有自动吸附芯片、自动校准芯片、恒温控制、自动芯片与基板键合等功能，适用于1×1～5×5mm微电子及LED芯片的倒装键合，具体技术指标如下：芯片对准精度：±5μm，最大键合凸点数：40，键合压力：0.049～19.6N，芯片尺寸：1×1mm～5×5mm，Z轴位移精度：5nm。

附图说明：

图1：热超声倒装芯片键合机结构示意图；

图2：倒装键合芯片及分离界面SEM图。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

系统工作原理叙述如下：

1)将倒装芯片、基板分别放置在Z轴旋转台4、8上；

2)控制系统按标定坐标值自动驱动X工作台7、Y工作台6，使吸附台上的倒装芯片处于上镜头1正下方，再自动驱动Z轴旋转台4，使倒装芯片的偏转角为零；控制系统发出控制指令自动驱动X、Y工作台，使倒装芯片的几何中心与上镜头1中心坐标重合；